你可能無(wú)法在早餐、午餐和晚餐時(shí)消化大豆，但你吃的動(dòng)物卻可以。主要農(nóng)作物的種植面積是英國(guó)面積的五倍，其中85%用于動(dòng)物飼料。由于預(yù)計(jì)世界人口和食肉的全球中產(chǎn)階級(jí)都將迅速增長(zhǎng)，到2050年，大豆的需求將增長(zhǎng)80%，超過(guò)任何其他主食作物。

　　由于可耕地的稀缺，我們對(duì)動(dòng)物產(chǎn)品的需求已經(jīng)導(dǎo)致了亞馬遜和其他熱帶雨林的大面積砍伐。需求的大幅增長(zhǎng)很可能導(dǎo)致更多的破壞，而此時(shí)正是我們需要遏制全球變暖的第二大原因的時(shí)候。

　　但這種毀滅還不確定。我最近去冰島考察了一項(xiàng)提高光合作用的尖端商業(yè)技術(shù)。它可以幫助保存生物多樣性,CO?吸吮至關(guān)重要的生態(tài)系統(tǒng)的健康我們的地球。

　　光合作用的特點(diǎn)

　　光、二氧化碳和水賦予植物生命。通過(guò)光合作用，植物將這三種成分轉(zhuǎn)化為繁盛所需的重要碳水化合物。但令人驚訝的是，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)對(duì)這些因素幾乎沒(méi)有控制。它依靠陽(yáng)光來(lái)灌溉，雖然灌溉大大提高了作物產(chǎn)量，但水資源短缺往往是農(nóng)民面臨的一個(gè)問(wèn)題。

　　一片大豆地侵蝕著亞馬遜雨林。

　　這種新方法在冰島的Hellisheidi地?zé)峁珗@進(jìn)行了試驗(yàn)，將陽(yáng)光與LED燈、淡水與含鹽量更高的“微咸”水以及環(huán)境空氣與高濃度二氧化碳進(jìn)行交換，控制它們?cè)诿麨楣馍锓磻?yīng)器的創(chuàng)新模塊中的濃度。把它們想象成核反應(yīng)堆，除了以高濃度的二氧化碳和光為輸入，以有機(jī)物質(zhì)為輸出。

　　這些光生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)目的不是種植大豆，而是種植植物微生物。在管不同的形狀和大小,富含微仔細(xì)攪拌,水分、光照、水,和?。使用與NASA太空旅行系統(tǒng)相同的邏輯，他們回收碳、磷和氮。與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比,這些閉環(huán)模塊允許更大的控制和測(cè)量的肥料和水,更高效地利用有限公司?,風(fēng)險(xiǎn)低污染的農(nóng)作物損失,害蟲(chóng),風(fēng)暴。

　　最重要的是，它們最大化了光合作用的關(guān)鍵成分:光的效率。通過(guò)保持微藻液的不斷流動(dòng)，密切調(diào)節(jié)溫度和采收時(shí)間，這些微生物暴露在最大健康的光照下，擺脫了晝夜循環(huán)和天氣的自然限制。

　　相當(dāng)不同。

　　利用這一技術(shù)，光生物反應(yīng)器可以提供與大豆相似的營(yíng)養(yǎng)含量，且在土地和水的使用中所占比例不到0.6%。生產(chǎn)單位使用130 m2每年增長(zhǎng)10500公斤的生物質(zhì)–在資源效率提高200倍。

　　一種可伸縮的解決方案

　　這些反應(yīng)堆的生態(tài)足跡很小。冰島的反應(yīng)堆是地?zé)峁╇姷模梢耘c任何形式的可再生電力配套使用。碳的生產(chǎn)成本后,他們公司?凈吸收器。它們消除了對(duì)殺蟲(chóng)劑和除草劑的需求。它們可以放在貧瘠的土地上，也可以像樂(lè)高積木一樣垂直堆放。模塊化設(shè)計(jì)甚至可以部署在城市中心。

　　關(guān)鍵是，這項(xiàng)技術(shù)具有成本效益。主要得益于大麻的商業(yè)化，LED技術(shù)現(xiàn)在比以前便宜得多，效率也更高，最近的其他工程創(chuàng)新也進(jìn)一步降低了成本。如果把大豆種植造成的環(huán)境和社會(huì)危害的貨幣成本考慮在內(nèi)，微藻現(xiàn)在的性價(jià)比要高得多，盡管生產(chǎn)商需要更高水平的初始投資。雖然從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向技術(shù)技能的轉(zhuǎn)變需要短期的密集培訓(xùn)，但對(duì)農(nóng)民和各州來(lái)說(shuō)，這種成本將被更大的利潤(rùn)和更容易的生產(chǎn)所抵消。

　　外面的顏色就沒(méi)那么鮮艷了。

　　還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)來(lái)證明完全以微藻為基礎(chǔ)的飲食從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看并不會(huì)對(duì)動(dòng)物的健康有害，但研究表明，它們有可能喂養(yǎng)小雞、母雞、豬和奶牛。光生物反應(yīng)器已經(jīng)可以用來(lái)培育適合人類食用的微藻菌株，比如流行的保健食品螺旋藻。

　　與許多其他行業(yè)一樣，畜牧業(yè)經(jīng)濟(jì)往往難以改變。

　　但是這些替代的食物系統(tǒng)現(xiàn)在是可以實(shí)現(xiàn)的，如果有依賴大豆的政府的支持，這項(xiàng)技術(shù)可以拯救數(shù)百萬(wàn)公頃的雨林，并為已經(jīng)被砍伐的森林地區(qū)的恢復(fù)提供空間。隨著各國(guó)面臨的減排壓力加劇，這種轉(zhuǎn)變可能會(huì)變得越來(lái)越有吸引力。

　　它還可以騰出寶貴的土地和水資源來(lái)養(yǎng)活預(yù)計(jì)在未來(lái)80年將增長(zhǎng)一半的人口。隨著全球變暖，洪水、干旱和農(nóng)作物歉收的極端模式預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)，像這樣的光生物反應(yīng)器可能會(huì)為數(shù)百萬(wàn)人避免饑荒。就像地球上存在的許多問(wèn)題一樣，解決之道就在那里。我們只需要實(shí)現(xiàn)它們。

　　本文由劍橋大學(xué)CSER食品安全研究助理兼首席研究員Asaf Tzachor撰寫(xiě)。

　　空客公司將一個(gè)光生物反應(yīng)器(PBR)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)帶到國(guó)際空間站。該反應(yīng)器由斯圖加特大學(xué)開(kāi)發(fā)，由空客公司代表德國(guó)航空航天中心(DLR)建造，旨在將國(guó)際空間站上的“LSR”生命支持系統(tǒng)所提取的部分二氧化碳轉(zhuǎn)化為氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，這將有助于在未來(lái)長(zhǎng)期太空任務(wù)中節(jié)約寶貴的資源。

未來(lái)太空探索的任務(wù)是將航天員送上月球和火星。任務(wù)成功的一個(gè)決定性因素將是將資源消耗保持在最低限度。由于從地球運(yùn)送新的供應(yīng)品既困難又昂貴，因此盡可能最大程度地實(shí)現(xiàn)水、氧和食物的各自資源循環(huán)是至關(guān)重要的。目前，大多數(shù)廢水已經(jīng)在國(guó)際空間站上被重新處理成淡水。

自2018年10月以來(lái)，歐洲航天局(ESA)的生命支持系統(tǒng)(LSR)一直在國(guó)際空間站上。它由空客公司制造，以前被稱為ACLS(高級(jí)閉環(huán)系統(tǒng))，它收集航天員呼出的二氧化碳，并通過(guò)電解將其轉(zhuǎn)化為氧氣。國(guó)際空間站實(shí)驗(yàn)“PBR LSR”是一項(xiàng)旨在將二氧化碳轉(zhuǎn)化為氧氣和生物質(zhì)的技術(shù)演示。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，PBR將與LSR以物理化學(xué)混合的方法連接，并運(yùn)行長(zhǎng)達(dá)180天，在此期間，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和藻類培養(yǎng)的性能將被記錄和評(píng)估。

　小球藻是一種富含蛋白質(zhì)的光合產(chǎn)物，目前已被廣泛應(yīng)用于食品(補(bǔ)充劑)中。在未來(lái)，大約30%的航天員食物可以被這種藻類營(yíng)養(yǎng)物所替代。

小球藻所需的二氧化碳大部分將由LSR提供。如果沒(méi)有可用的二氧化碳，藻類也可以從飛船上攜帶的瓶子中獲取。藻類每14天被加入營(yíng)養(yǎng)液，同時(shí)被稀釋以允許新的藻類有空間生長(zhǎng)。一旦實(shí)驗(yàn)完成，將對(duì)培養(yǎng)出的藻類的性能和生命周期進(jìn)行評(píng)估，并將幾個(gè)樣本送回地球進(jìn)行基因分析。技術(shù)上重要的下一個(gè)發(fā)展階段，將是加工收獲的藻類來(lái)生產(chǎn)食品。小球藻作為一種蛋白質(zhì)來(lái)源，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于食品中。

在“PBR LSR”中使用的混合方法，不僅有利于長(zhǎng)期的太空任務(wù)，還將在更廣泛的意義上實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約，促進(jìn)地球上可持續(xù)發(fā)展的實(shí)踐。

　　在進(jìn)入今天的主題前，首先向大家明確幾個(gè)基本概念。我們知道，能源和碳源作為一切生物生長(zhǎng)的基礎(chǔ)，所謂的“光合自養(yǎng)”“光能異養(yǎng)”“化能自養(yǎng)”和“化能異養(yǎng)”型生物，它們的差異也主要體現(xiàn)在這幾個(gè)方面。

　　“光合自養(yǎng)”型生物中的能源和碳源來(lái)源分別為光和二氧化碳，與其不同的是，“光合異養(yǎng)”型生物中只以有機(jī)化合物而非二氧化碳作為它們的碳源?！盎茏责B(yǎng)”型生物中的能量來(lái)源是通過(guò)無(wú)機(jī)或有機(jī)化合物的氧化作用，其碳源是二氧化碳，而“化能異養(yǎng)”型生物生長(zhǎng)所需的能源和碳源均為有機(jī)化合物（如葡萄糖）。

　　“靠天吃飯”的光自養(yǎng)培養(yǎng)模式

　　微藻是單細(xì)胞生物，可以用作生產(chǎn)能源、食品、飼料的原料，在工業(yè)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

　　一直以來(lái)，藻類被認(rèn)為像高等植物一樣必須通過(guò)光合作用（利用光和二氧化碳）才能實(shí)現(xiàn)細(xì)胞生物質(zhì)合成，即光自養(yǎng)培養(yǎng)模式。但這種培養(yǎng)模式基本只能“靠天吃飯”，受外界環(huán)境條件如溫度、光強(qiáng)、日照時(shí)間等的限制，細(xì)胞濃度較低，一般只能達(dá)到0.5-1.5g/L。

　　圖1開(kāi)放式跑道池自養(yǎng)培養(yǎng)

　　此外，開(kāi)放式光自養(yǎng)培養(yǎng)模式下的微藻易遭受浮游動(dòng)物或細(xì)菌污染，正因如此，通過(guò)這種培養(yǎng)方式進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)的微藻品種極其有限，僅有耐強(qiáng)堿（pH9-10）螺旋藻、耐高鹽（NaCl濃度高于30%）杜氏鹽藻和能夠快速增殖的小球藻。

　　圖2自養(yǎng)培養(yǎng)下小球藻被浮游動(dòng)物吞噬

　　異養(yǎng)模式雖好，但是也不是所有微藻都適用

　　實(shí)際上，很多微藻可不依賴于光和二氧化碳，它們可以在完全黑暗條件下利用有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行異養(yǎng)生長(zhǎng)。由于這種培養(yǎng)方式擺脫了對(duì)光的限制，微藻的生長(zhǎng)速率比在光照條件下快得多，優(yōu)勢(shì)也是顯而易見(jiàn)：

　　l微藻異養(yǎng)培養(yǎng)所需的能源及碳源均由有機(jī)碳源來(lái)提供，首先解決了能源限制問(wèn)題；

　　l由于異養(yǎng)是在密閉的發(fā)酵罐中進(jìn)行，整個(gè)培養(yǎng)系統(tǒng)采用蒸汽進(jìn)行滅菌，從而解決了被其它微生物污染的問(wèn)題；

　　l異養(yǎng)培養(yǎng)過(guò)程中的溫度、pH、營(yíng)養(yǎng)物的供應(yīng)等都能得到較好的控制，細(xì)胞濃度可高達(dá)到100-200g/L。

　　然而，并非所有的微藻都能夠進(jìn)行異養(yǎng)生長(zhǎng)。不能異養(yǎng)培養(yǎng)的最主要因素是，微藻自身不具備完善的吸收利用胞外有機(jī)碳和有機(jī)氮的機(jī)制。

　　具體來(lái)說(shuō)，一是有些微藻因?yàn)橛袡C(jī)物難以透過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞或者缺乏濃縮有機(jī)物的能力而不能被異養(yǎng)；二是有機(jī)物在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行代謝所需的酶系統(tǒng)不完善,有機(jī)物不能被有效利用,造成某些微藻難以異養(yǎng)；三是在異養(yǎng)條件下,某些微藻因呼吸作用所提供的能量不足以維持其生長(zhǎng)而不能異養(yǎng)。

　　據(jù)統(tǒng)計(jì)，迄今為止被業(yè)界篩選出來(lái)適合異養(yǎng)方式培養(yǎng)的微藻有多個(gè)門(mén)類幾十個(gè)藻種，其中小球藻、隱甲藻、裂壺藻、部分硅藻在異養(yǎng)培養(yǎng)方式研究中及量產(chǎn)化方面較為成熟。同時(shí)，也有研究采用代謝工程的方式，通過(guò)轉(zhuǎn)基因來(lái)擴(kuò)大微藻異養(yǎng)培養(yǎng)的品種及使用范圍。例如，國(guó)外學(xué)者通過(guò)轉(zhuǎn)入葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)酶基因，使不能異養(yǎng)培養(yǎng)的三角褐指藻實(shí)現(xiàn)了利用葡萄糖進(jìn)行異養(yǎng)生長(zhǎng)。

　　在生化組成上，異養(yǎng)和自養(yǎng)培養(yǎng)所獲得的微藻成分的區(qū)別主要在一些色素含量方面，例如光合自養(yǎng)所得的葉綠素和某些類胡蘿卜素的含量會(huì)多些，但最重要的成分通常不會(huì)受到影響。研究表明，天然蝦青素（一種高抗氧化活性類胡蘿卜素）在微藻體內(nèi)的生物合成也不一定需要光來(lái)誘導(dǎo)，完全可以通過(guò)施予某些脅迫因子來(lái)誘導(dǎo)產(chǎn)生。

　　微藻異養(yǎng)，更適合工業(yè)化生產(chǎn)

　　十多年的實(shí)踐表明，微藻異養(yǎng)培養(yǎng)由于可控性強(qiáng)更適合工業(yè)化生產(chǎn)，與之相比，光合自養(yǎng)培養(yǎng)更像原始農(nóng)業(yè)，可重復(fù)性差。然而，異養(yǎng)培養(yǎng)也存在建設(shè)成本大、運(yùn)行成本高等缺點(diǎn)。目前，這種培養(yǎng)模式僅適用于高附加值產(chǎn)品的生產(chǎn)。例如，利用裂殖壺藻或隱甲藻來(lái)發(fā)酵生產(chǎn)DHA、利用蛋白核小球藻和裸藻異養(yǎng)發(fā)酵生產(chǎn)富含蛋白和β-1，3葡聚糖的食品等。

　　圖3微藻發(fā)酵罐異養(yǎng)培養(yǎng)

　　受技術(shù)水平所限，當(dāng)前微藻在異養(yǎng)培養(yǎng)條件下能夠達(dá)到的生物量濃度仍然很低，制約了微藻的工業(yè)化應(yīng)用。最近，中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所的研究人員以一株可異養(yǎng)培養(yǎng)的富油柵藻為研究對(duì)象，通過(guò)有效的發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化，尤其是精準(zhǔn)的葡萄糖濃度控制這一關(guān)鍵技術(shù)的突破，實(shí)現(xiàn)了該富油柵藻的超高密度培養(yǎng)，最高細(xì)胞濃度達(dá)到286g/L，比光自養(yǎng)培養(yǎng)提高了100-200倍，解決了微藻大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的問(wèn)題。

　　圖4異養(yǎng)高密度培養(yǎng)后培養(yǎng)液離心前后比較

　　微藻作為一種重要的資源,如何實(shí)現(xiàn)微藻的高細(xì)胞密度養(yǎng)殖已經(jīng)成為微藻產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。微藻異養(yǎng)培養(yǎng)能從根本上解決自養(yǎng)受光照影響的問(wèn)題，已成為微藻培養(yǎng)的主要發(fā)展方向。

　　來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所

? ? ? ? 為了達(dá)到上述目的，微藻生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化是必然之路，但是由于尚缺乏切實(shí)可行、適宜投資的實(shí)施方案，作為微藻產(chǎn)業(yè)化鏈條中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，微藻的大規(guī)模培養(yǎng)成為微藻產(chǎn)業(yè)化中公認(rèn)的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。目前，大規(guī)模培養(yǎng)微藻時(shí)所用的培養(yǎng)基大多是沼液、啤酒生產(chǎn)廢水、養(yǎng)殖廢水等有機(jī)廢物，可以收獲微藻作為生產(chǎn)飼料、色素、能源生物質(zhì)等的原料;亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題集中在減少病蟲(chóng)害污染、提高土地利用率和降低運(yùn)行成本3個(gè)方面。常用的培養(yǎng)容器是光生物反應(yīng)器，分為開(kāi)放式和封閉式兩大類，開(kāi)放式光生物反應(yīng)器構(gòu)造簡(jiǎn)單、操作方便、運(yùn)行成本低，是目前產(chǎn)業(yè)化培養(yǎng)中最常使用的生物反應(yīng)器;封閉式光生物反應(yīng)器則主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室或小規(guī)模培養(yǎng)微藻，制造、運(yùn)行及維護(hù)成本均高于前者，但能夠較好地控制培養(yǎng)條件，具有更好的研究?jī)r(jià)值。

? ? ? ? 利用微藻處理廢氣、廢水和生產(chǎn)有機(jī)生物質(zhì)，光生物反應(yīng)器是關(guān)鍵工序和重要的限制因素，研發(fā)低成本、高產(chǎn)量的微藻生物反應(yīng)器勢(shì)在必行。鑒于目前有關(guān)反應(yīng)器研發(fā)不足，仍然存在諸多探討空間，本文將就上述兩大類微藻光生物反應(yīng)器的特性進(jìn)行回顧，比較其優(yōu)劣，以期為相關(guān)研究提供借鑒。

1封閉式光生物反應(yīng)器

封閉式光生物反應(yīng)器內(nèi)部和外界有一定的隔離措施，便于實(shí)現(xiàn)微藻的無(wú)菌培養(yǎng)，有平板式、柱狀和管道式3種類型。

1. 1平板式光生物反應(yīng)器

? ? ? ? PBR是用透光性能較好的玻璃、樹(shù)脂等材質(zhì)制作而成的，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)潔、易加工、易清潔、成本低、操作條件容易控制。比表面積是影響微藻光合作用的主要因素，因此制作過(guò)程中盡量增加反應(yīng)器的比表面積，并根據(jù)需要設(shè)計(jì)不同的光徑，另外為了獲得最佳的入射光強(qiáng)度，戶外放置的PBR通常要傾斜一定的角度。

? ? ? ? ?齊祥明和崔海龍?jiān)诙喙?jié)隔板PBR的基礎(chǔ)上增加了多級(jí)進(jìn)氣，建立了多級(jí)進(jìn)氣多級(jí)隔板式PBR(圖1)，有效提高了反應(yīng)器的混合與傳質(zhì)性能，通過(guò)與普通反應(yīng)器的液體平均速度、死區(qū)比、湍動(dòng)能、湍動(dòng)能耗散率、氣含率、液相傳質(zhì)系數(shù)等參數(shù)的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)多級(jí)進(jìn)氣多級(jí)隔板PBR各項(xiàng)指標(biāo)均有很大提高。在通氣率(每分鐘通入反應(yīng)器的氣體體積與反應(yīng)器實(shí)際裝液體積之比)0.4~0. 8內(nèi)，該反應(yīng)器傳質(zhì)及混合性能表現(xiàn)優(yōu)異。所以，他們提出以多級(jí)進(jìn)氣提高多節(jié)隔板反應(yīng)器性能，并通過(guò)對(duì)比氣含率、液體平均速度、湍動(dòng)能、湍動(dòng)能耗散率、死區(qū)、液相傳質(zhì)系數(shù)等性能評(píng)價(jià)參數(shù)得出多級(jí)進(jìn)氣多節(jié)隔板反應(yīng)器通過(guò)特有的進(jìn)氣結(jié)構(gòu)給出了更為優(yōu)越的流動(dòng)、混合性能，同時(shí)這種流動(dòng)混合方面的優(yōu)越性也明顯提高了該新型反應(yīng)器的傳質(zhì)性能，無(wú)疑將更加有利于微藻的培養(yǎng)。Alexandra等為了評(píng)估微藻培養(yǎng)對(duì)水資源恢復(fù)的潛力，從養(yǎng)分去除率和生物量生產(chǎn)2個(gè)方面評(píng)價(jià)了3臺(tái)0. 55 m2; PBR(圖2)的性能。PBR在室外(自然環(huán)境溫度和光照強(qiáng)度)運(yùn)行，使用來(lái)自ANMBR的富營(yíng)養(yǎng)廢水作為生長(zhǎng)介質(zhì)，該廢水由預(yù)處理污水供給。太陽(yáng)輻射是影響NRR的決定性因素。在光照強(qiáng)度203 000 lux、溫度25. 5℃、培養(yǎng)時(shí)間8d條件產(chǎn)生最大生物量52. 3mg, NRR為5.84 mg NH4-N·L-1·d-1和0. 85mg PO43–P.L- 1.d-1。在上述條件下，當(dāng)進(jìn)水中的營(yíng)養(yǎng)鹽含量在40~ 50 mg N .L-1和6~7 mg p.L-1范圍內(nèi)時(shí)，可以達(dá)到出水營(yíng)養(yǎng)鹽標(biāo)準(zhǔn)(歐洲標(biāo)準(zhǔn)91 /271 /CEE)。溫度和太陽(yáng)輻射對(duì)PBR培養(yǎng)微藻有重要影響，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度是短期內(nèi)影響NRR的關(guān)鍵因素。

? ? ? ? ?PBR受到光照表面積大，藻液混合均勻，得到微藻生物量大;雖然其受制于制作材料的強(qiáng)度，放大困難，但可通過(guò)增加反應(yīng)器單元實(shí)現(xiàn);由于難以形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)?；?，限制了PBR的使用范圍，但在小規(guī)模的實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)微藻中優(yōu)勢(shì)顯著;操作簡(jiǎn)單、易控制，不易被雜菌污染、藻液收集方便，可以得到更高的生物量。

1. 2柱狀光生物反應(yīng)器

? ? ? ? CBR由柱體、供氣裝置、控溫裝置、光源等組成。其中，柱體材料由透明玻璃或塑料制成;所供氣體由底部進(jìn)入，頂部排出;光源設(shè)置在柱體內(nèi)部或外部(可使用太陽(yáng)光)，內(nèi)置光源雖然效率高但不易清洗，應(yīng)用受到限制。按進(jìn)氣模式分類有鼓泡式CBR(圖3)和氣升式CBR 2種，其中鼓泡式有同軸管式、分隔柱式、分離式和外循環(huán)式等類型[00;氣升式反應(yīng)器內(nèi)部分成上升區(qū)和下降區(qū)2個(gè)部分，氣體由上升區(qū)底部進(jìn)入，因此底部培養(yǎng)液含氣率大、密度小，氣體就會(huì)自動(dòng)上升到頂部，頂部的空間較大，氣體逸散后從排氣口排出，此時(shí)的培養(yǎng)液含氣率降低、密度變大，氣體就會(huì)從下降區(qū)流回至上升區(qū)底部而形成循環(huán)

? ? ? ? 郭禎等采用自制的鼓泡式CBR，通過(guò)批式及兩段法培養(yǎng)湛江等鞭金藻(Isochrysis zhanjian-R-ensis sp. nov，一種產(chǎn)油模式藻種)。通過(guò)對(duì)微藻培養(yǎng)過(guò)程中pH、葉綠素?zé)晒?、微藻生物量及相關(guān)成分進(jìn)行測(cè)定及分析，得到了此鼓泡柱式光生物反應(yīng)器的培養(yǎng)條件范圍，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)以上指標(biāo)的可控和微藻油脂的積累。張芬芬等采用50 L內(nèi)置光源氣升式反應(yīng)器(圖4)，使用響應(yīng)曲面確定了最佳培養(yǎng)條件，內(nèi)置光源為紅藍(lán)光、光照強(qiáng)度約9 000 lux、光暗周期17. s h :6. s h，收獲的小球藻的藻細(xì)胞密度為5. 48 x 107個(gè)·mL-‘，收獲小球藻干重為1.21 g”L-‘，較優(yōu)化前提高了157%。該柱式光生物反應(yīng)器因體積較大，混合效果好，光源設(shè)置合理，且培養(yǎng)的藻密度較高，具有擴(kuò)大培養(yǎng)規(guī)模的潛力，但考慮到試劑成本較高，需要進(jìn)一步研究。

? ? ? ? CBR具有傳質(zhì)效率高、混合均勻、剪切力小、耗能低、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，多用于實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)微藻。但CBR一般容積小、造價(jià)高、放大困難，限制了其發(fā)展應(yīng)用。本課題組采用內(nèi)置光源氣升式進(jìn)行藻種擴(kuò)大，其實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)條件易把控、光源充足、微藻生長(zhǎng)快;但易染菌，需注意保持無(wú)菌環(huán)境或減少與外界接觸。

1. 3管道式光生物反應(yīng)器

? ? ? ?PPBR也是采用透光材質(zhì)制作，其光照表面積大、微藻生物量高、適合戶外培養(yǎng)，但存在管道內(nèi)部光線不足、耗能高、占地面積大以及管道內(nèi)培養(yǎng)液易出現(xiàn)pH, CO2濃度梯度差等缺點(diǎn)[17];同時(shí)，微藻易貼壁生長(zhǎng)、氧解析困難，為此可以采取加大液體流速、減少管內(nèi)裝置、采用較大的管道內(nèi)徑及保持其光滑、加裝自動(dòng)清洗裝置等方法降低貼壁現(xiàn)象。需要特別注意的是，大多數(shù)微藻最適生長(zhǎng)溫度為20~30 ℃，而反應(yīng)器內(nèi)溫度會(huì)比周圍環(huán)境高10 30℃，應(yīng)及時(shí)采取控溫措施。

? ? ? ?雷玉玲和吳晶對(duì)一種新型帶螺旋肋的PPBR，用粒子追蹤模型模擬了微藻在反應(yīng)器中的運(yùn)動(dòng)情況。發(fā)現(xiàn)調(diào)整螺旋肋的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以達(dá)到改變微藻所受光暗循環(huán)的情況。隨著螺旋助螺距P的增加，微藻細(xì)胞經(jīng)歷的光暗循環(huán)率fav ,反應(yīng)器光暗循環(huán)強(qiáng)化效率出現(xiàn)峰值。PPBR內(nèi)部微藻細(xì)胞貼壁現(xiàn)象使管道內(nèi)部的阻力增加，光透過(guò)率降低、氧解析困難、能耗增加等問(wèn)題限制了該類反應(yīng)器的發(fā)展及大規(guī)模應(yīng)用。

2開(kāi)放式光生物反應(yīng)器

? ? ? ? ?PPBR可以通過(guò)在其中加入螺旋肋來(lái)增加藻液的流速，增加藻種與培養(yǎng)基的混合程度，大幅度的降低微藻貼壁生長(zhǎng)的可能性，增加培養(yǎng)基中氧

開(kāi)放式光生物反應(yīng)器與外界環(huán)境相通，雖然降低了培養(yǎng)成本，但達(dá)不到無(wú)菌培養(yǎng)環(huán)境，藻種純度不能保障。開(kāi)放式光生物反應(yīng)器可分為跑道式和掛膜式等。

2. 1跑道式光生物反應(yīng)器

? ? ? ? RPBR構(gòu)造簡(jiǎn)單、成本低廉、操作簡(jiǎn)單，在過(guò)去的幾十年中已大量報(bào)道 RPBR以自然光為主要光源，但穿透性差，需保持淺水培養(yǎng)。RPBR(圖6)通過(guò)泵或漿輪驅(qū)動(dòng)藻液流動(dòng)，在反應(yīng)器入水口處可流加新鮮培養(yǎng)基，經(jīng)反應(yīng)器循環(huán)后等速?gòu)某鏊谔幣懦?。目前主要?yīng)用于各類污水的處理中，在微藻商業(yè)化生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛。

? ? ? ? 跑道池式光生物反應(yīng)器構(gòu)件簡(jiǎn)單、建造成本低、操作簡(jiǎn)便并且可以利用空氣中的CO2，從而大大節(jié)省了生產(chǎn)過(guò)程所需費(fèi)用。但是跑道式光生物反應(yīng)器混合性能不佳、功耗較大，培養(yǎng)液若不能和微藻進(jìn)行有效混合會(huì)降低微藻生長(zhǎng)過(guò)程中的光利用率，影響微藻細(xì)胞與培養(yǎng)液間的物質(zhì)交換、阻礙O2排出、致使藻細(xì)胞絮沉。宋培欽等利用戶外RPBR培養(yǎng)三角褐指藻，并探索了其優(yōu)化條件。研究表明:鹽度為20的條件下，三角褐指藻獲得最大細(xì)胞

2. 2膜式光生物反應(yīng)器

? ? ? ? MPBR利用了微藻吸附在固體培養(yǎng)基中形成生物膜的特點(diǎn)，因此其主要應(yīng)用于大規(guī)模CO2固定及污水處理. MPBR耗水少、微藻收獲成本低，但限制其應(yīng)用的主要原因是膜污染，膜污染會(huì)導(dǎo)致過(guò)膜壓力升高、膜通量下降，進(jìn)而使裝置耗能增加。膜污染的形成原因是微生物及其殘骸、溶解性物質(zhì)或膠體物質(zhì)被吸附在膜的表面或內(nèi)部并形成累積。

膜污染不僅會(huì)降低膜的使用時(shí)間還會(huì)增加運(yùn)行成本，因此對(duì)膜污染的成因及控制措施的研究極為重要。目前，學(xué)者們主要通過(guò)對(duì)膜材料、混合液和操作參數(shù)進(jìn)行研究。Prashant等研究了利用MPBR(圖7)處理三級(jí)廢水時(shí)污泥停留時(shí)間對(duì)污水中微藻生物量累積的影響。分析得出，SRT并不能很好的控制生物量去除率，但它可以有效地緩解光限制，提高M(jìn)PBR的微藻生物量產(chǎn)量。Gera等采用3種不同的微藻培養(yǎng)基，結(jié)合MPBR對(duì)污水進(jìn)行處理。微藻與膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)聯(lián)合應(yīng)用，可獲得高效的生物量和優(yōu)質(zhì)的滲透水生產(chǎn)的雙重受益。更換膜材料雖能大幅度減少膜污染，但造成膜污染的成因非常復(fù)雜，微生物分泌的溶解性產(chǎn)物和胞外分泌物必然存在，兩者是造成膜表面凝膠層形成的主要原因。因此膜污染目前還不能完全消除，只能通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案得到減緩。MPBR雖然只限于有吸附能力的微藻培養(yǎng)使用，但其具有對(duì)水資源消耗少、便于微藻采收等優(yōu)點(diǎn)。目前對(duì)其報(bào)道較少，仍需進(jìn)一步試驗(yàn)與研究。

3展望

? ? ? ? 封閉式光生物反應(yīng)器雖然能夠有效控制微藻培養(yǎng)條件、減少污染，適用于更多的藻種，其中平板式和管道式因水分蒸發(fā)少、條件易控制、光照面積大、獲得藻生物量大的特點(diǎn)被認(rèn)為最具有商業(yè)化潛力，但較高的造價(jià)及維護(hù)成本仍是主要瓶頸。開(kāi)放式光生物反應(yīng)器能夠大規(guī)模培養(yǎng)微藻，降低培養(yǎng)成本，但藻種易受到污染、培養(yǎng)條件不受控制，只適用于生存能力強(qiáng)、不易發(fā)生基因突變的藻種。其中跑道式光生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、建造容易、操作易實(shí)施故而應(yīng)用較為廣泛(表1）

綜合上述反應(yīng)器的現(xiàn)狀，可以預(yù)測(cè)以下3個(gè)方面有望成為發(fā)展趨勢(shì)。

①博采眾長(zhǎng)，采用封閉式光生物反應(yīng)器與開(kāi)放式光生物反應(yīng)器相結(jié)合的混合式微藻培養(yǎng)有望成為研究熱點(diǎn)。先采用封閉式光生物反應(yīng)器培養(yǎng)得到大量純?cè)宸N，保證了后續(xù)生產(chǎn)所需純?cè)宸N的供給;再經(jīng)過(guò)開(kāi)放式光生物反應(yīng)器進(jìn)行大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，可以獲得更高產(chǎn)量，為生產(chǎn)具有附加值的生物質(zhì)產(chǎn)品奠定基礎(chǔ)。

②減少耕地占用，將微藻培養(yǎng)光生物反應(yīng)器盡量置于利用天然湖泊或近海的豐富水資源區(qū)域，可以大幅度降低微藻生產(chǎn)成本?？蓪⒃宸N置于薄透膜袋中于湖泊或海水中培養(yǎng)，充分利用湖泊或海水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)生產(chǎn)得到微藻生物質(zhì)。③研發(fā)新型高效的光生物反應(yīng)器用于微藻培養(yǎng)，研發(fā)過(guò)程中應(yīng)充分考慮微藻的生長(zhǎng)特性、反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、光分布、培養(yǎng)基的傳質(zhì)、藻液的混合等因素。

? ? ? ? 總之，微藻生物反應(yīng)器各有利弊，為了取長(zhǎng)補(bǔ)短、相互彌補(bǔ)，許多學(xué)者傾向于研發(fā)不同構(gòu)造結(jié)合的混合型光生物反應(yīng)器，成為近幾年的熱點(diǎn)，相關(guān)研究也陸續(xù)出現(xiàn)在文獻(xiàn)中，但大多僅限于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，距離規(guī)?；瘧?yīng)用還很遙遠(yuǎn)。鑒于大部分研發(fā)涉及多學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)的融合，尤其是材料學(xué)、光學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)等對(duì)生物學(xué)家比較陌生，呼吁更多不同專業(yè)領(lǐng)域的學(xué)者行動(dòng)起來(lái)，互通有無(wú)、克服困難、聯(lián)合攻關(guān)，使微藻的大規(guī)模商業(yè)化養(yǎng)殖早日成為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。

作者：李磊，張紅兵，李文濤，李會(huì)宣

轉(zhuǎn)自《生物技術(shù)進(jìn)展》2020年第10卷第2期

光語(yǔ)生物科技有限公司積累了8年的光生物反應(yīng)器制作技術(shù)，為客戶提供多種不同場(chǎng)合的管道式光生物反應(yīng)器生產(chǎn)光合細(xì)菌的解決方案，既可以為客戶提供物美價(jià)廉的光生物反應(yīng)器培養(yǎng)光合細(xì)菌方案，同時(shí)又可以提供一些簡(jiǎn)易的培養(yǎng)設(shè)備。

同時(shí)光語(yǔ)又是一家光合細(xì)菌菌種和技術(shù)服務(wù)提供商，不單單為客戶提供光合細(xì)菌培養(yǎng)用的光生物反應(yīng)器，還可以為客戶提供生產(chǎn)穩(wěn)定，繁殖迅速的優(yōu)質(zhì)菌種和培養(yǎng)技術(shù)，保證客戶買得起設(shè)備，培養(yǎng)光合細(xì)菌成功，不會(huì)出現(xiàn)設(shè)備買了養(yǎng)不起來(lái)光合細(xì)菌的情況，還可以為客戶單位的技術(shù)工程師提供培訓(xùn)服務(wù)。

光語(yǔ)專門(mén)研發(fā)了光合細(xì)菌適用的LED光源，代替已經(jīng)淘汰的白熾燈，實(shí)現(xiàn)光合細(xì)菌訂單式工廠化生產(chǎn)，縮短光合細(xì)菌培養(yǎng)時(shí)間到3-7天。

LED的光照強(qiáng)度可以達(dá)到1000μE（μmol/m2/s，相當(dāng)于10萬(wàn)lux的大陽(yáng)光強(qiáng)度）

光合細(xì)菌最高濃度可以達(dá)到吸光度OD=3.4，平均OD=1.4-2左右。

光語(yǔ)生物科技有限公司積累了8年的光生物反應(yīng)器制作技術(shù)，為客戶提供多種不同場(chǎng)合的管道式光生物反應(yīng)器生產(chǎn)微藻的解決方案，既可以為客戶提供物美價(jià)廉的光生物反應(yīng)器培藻方案，同時(shí)又可以提供一些簡(jiǎn)易的培養(yǎng)設(shè)備。

同時(shí)光語(yǔ)又是一家藻種和技術(shù)服務(wù)提供商，不單單為客戶提供藻類培養(yǎng)用的光生物反應(yīng)器，還可以為客戶提供生產(chǎn)穩(wěn)定，繁殖迅速的優(yōu)質(zhì)藻種和培養(yǎng)技術(shù)，保證客戶買得起設(shè)備，養(yǎng)得起藻，不會(huì)出現(xiàn)設(shè)備買了養(yǎng)不起來(lái)藻的情況，還可以為客戶單位的養(yǎng)藻技術(shù)工程師提供培訓(xùn)服務(wù)。

一、捷克Photon Systems

FMT 150光生物反應(yīng)器系列

主要用于實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展藻類研究的小型光反應(yīng)器，容積有400ml，1000ml和3000ml的規(guī)格，可在線監(jiān)測(cè)葉綠素?zé)晒猓瑴囟?，pH, 氧氣和二氧化碳濃度等，有紅色，藍(lán)色，白色的LED燈，最高光強(qiáng)可達(dá)3000μmol(photon)/m2/s，可以開(kāi)展恒濁，恒化等連續(xù)培養(yǎng)。

Multi-Cultivator MC 1000系列

這款光反應(yīng)器合適于藻種篩選，培養(yǎng)條件優(yōu)化等研究。

平板反應(yīng)器系列

二、美國(guó)Phenometrics

與Photon Systems公司的FMT150系列差不多，主要用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)藻類培養(yǎng)研究。

看起來(lái)還可以，但價(jià)格不便宜啊。

三、英國(guó)algenuity

Algem系列

微藻培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)用光反應(yīng)器，里面是個(gè)三角瓶。

四、加拿大IndustrialPlankton

該公司成立于2010年，主要產(chǎn)品為微藻養(yǎng)殖系統(tǒng)，有100L規(guī)模的實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器及1250L的工業(yè)化培養(yǎng)用反應(yīng)器。

?100L實(shí)驗(yàn)用光反應(yīng)器

1250L工業(yè)化光反應(yīng)器

看起來(lái)很霸氣，有點(diǎn)像一次性動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器，主要用于水產(chǎn)養(yǎng)殖中餌料微藻的培養(yǎng)。

五、英國(guó)Varicon Aqua

盤(pán)管型光反應(yīng)器

垂直氣升式系統(tǒng)

這款養(yǎng)殖系統(tǒng)，很流行啊。

柵欄式管式光反應(yīng)器

六、荷蘭LGem

250L反應(yīng)器

750L反應(yīng)器

1.8m3 反應(yīng)器反應(yīng)器

都是常規(guī)類型，沒(méi)有太大的特色。

??七、德國(guó)Subitec

塑料成型一次性板式反應(yīng)器，很薄，帶凹凸槽，產(chǎn)生流動(dòng)漩渦，有特色。

八、意大利F&M

?FM公司的Green wall panel做的還是不錯(cuò)的，簡(jiǎn)潔。?

九、美國(guó)MicroBio Engineering Inc

實(shí)驗(yàn)及生產(chǎn)型跑道池，沒(méi)太大新穎。

本文轉(zhuǎn)自公眾號(hào) 微藻技術(shù)與產(chǎn)業(yè)?https://mp.weixin.qq.com/s/EDwuSggnyXhQnD_ujlSahA

?他們開(kāi)發(fā)了兩種微型光生物反應(yīng)器，一種用于太空生命保障系統(tǒng)應(yīng)用（Life support system），另一種用于微藻細(xì)胞生物學(xué)的研究。

第一種光反應(yīng)器用于生命保障系統(tǒng)應(yīng)用研究，可實(shí)現(xiàn)微藻的長(zhǎng)期培養(yǎng)，并可測(cè)定進(jìn)出微藻培養(yǎng)系統(tǒng)的二氧化碳和氧氣濃度，測(cè)算出藻細(xì)胞的光合放氧率和二氧化碳的吸收率。?

第一種光生物反應(yīng)器的微藻培養(yǎng)核心模塊

第二種光生物反應(yīng)器用于在太空條件下的藻類培養(yǎng)及生物學(xué)研究，該反應(yīng)器系統(tǒng)可以提供充足的混合，二氧化碳及營(yíng)養(yǎng)物給藻類生長(zhǎng)，并可開(kāi)展光控策略的研究。

第二種光反應(yīng)器的培養(yǎng)核心模塊（LED照明？）

后續(xù)將對(duì)微藻培養(yǎng)系統(tǒng)進(jìn)行控制系統(tǒng)和硬件的安裝，并投入到太空研究中。

藻類生長(zhǎng)在室外池塘、溫室、照片生物反應(yīng)器、發(fā)酵罐和生物反應(yīng)器和池塘的混合系統(tǒng)中。

隨著新技術(shù)和新系統(tǒng)的到來(lái)，海藻微型農(nóng)業(yè)將會(huì)變得更便宜，更便捷，也更容易被世界各地的人們所接受。新興技術(shù)將刺激可伸縮的生長(zhǎng)系統(tǒng)和當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)微型農(nóng)場(chǎng)的分布式發(fā)展，并為附近地區(qū)提供有價(jià)值的食品和生物醫(yī)學(xué)藥物。

像杜氏鹽藻這樣的藻類生長(zhǎng)在少量混合液的深鹽水池塘里。像螺旋藻這樣的藻類生長(zhǎng)在淺水區(qū)的跑道池塘里，通過(guò)旋轉(zhuǎn)槳輪混合壓縮空氣，可以讓培養(yǎng)的的藻液來(lái)回在賽道上移動(dòng)。這種湍流將藻類細(xì)胞轉(zhuǎn)移到吸收陽(yáng)光的表面。藻類生物量通過(guò)微濾網(wǎng)、過(guò)濾器、離心機(jī)或絮凝法獲得的。

跑道池規(guī)模大小的池塘，具有簡(jiǎn)單、低成本的施工和維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。今天大部分的藻類生產(chǎn)都是放在開(kāi)放式的跑道池上，因?yàn)榕艿莱靥恋慕ㄔ旌瓦\(yùn)作都很便宜。在熱帶、亞熱帶和溫帶地區(qū)，溫度高，雨量少，云量少，跑道池的生產(chǎn)效率更高。

跑道池的缺點(diǎn)是由于缺乏溫度控制，水分蒸發(fā)減少，隨著時(shí)間的推移，水分蒸發(fā)增加，鹽度增加，影響了培養(yǎng)的藻細(xì)胞的穩(wěn)定性。在室外池塘，很難控制像變形蟲(chóng)、纖毛蟲(chóng)、細(xì)菌、輪蟲(chóng)、病毒、真菌和浮游動(dòng)物等藻類捕食者，它們能在數(shù)小時(shí)內(nèi)摧毀藻類生物量。開(kāi)放的池塘更容易受到來(lái)自灰塵、風(fēng)載有機(jī)物、昆蟲(chóng)和鳥(niǎo)類的污染。

藻類商業(yè)化生產(chǎn)者有策略去減少開(kāi)放池塘中機(jī)會(huì)性雜質(zhì)的污染。在高鹽水濃度下，生產(chǎn)者培養(yǎng)杜氏鹽藻以抑制相互競(jìng)爭(zhēng)的物種。為了限制污染，生產(chǎn)商在增加產(chǎn)量的同時(shí)，批量生產(chǎn)小球藻，直到收獲整個(gè)數(shù)量的藻液，凈化池子，然后再?gòu)那鍧嵉募儗?shí)驗(yàn)室重新開(kāi)始培養(yǎng)。

光生物反應(yīng)器、平面板還有袋培式相比于室外跑道池，屬于資本密集型產(chǎn)品,主要用于藻類產(chǎn)品更高價(jià)值開(kāi)發(fā)。上述資本密集型設(shè)備在寒冷的天氣和低光照條件下，通過(guò)增加熱量和光的來(lái)源，其優(yōu)勢(shì)明顯，正逐步增加。封閉的系統(tǒng)提供了更嚴(yán)格的污染控制，限制住不需要的雜藻，浮游動(dòng)物捕食者，灰塵和碎片。缺點(diǎn)是，除了成本之外，包括在炎熱的天氣中過(guò)熱，需要冷卻降溫，還有從污垢中進(jìn)行高清洗維護(hù)。

考慮到這些因素，新的研究中心和藻類孵化器已經(jīng)在小范圍內(nèi)測(cè)試了各種池塘和光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，以比較結(jié)果并開(kāi)發(fā)更智能的自動(dòng)化系統(tǒng)。這里有兩個(gè)研究孵化器的例子:

1.亞利桑那州的藻類技術(shù)和創(chuàng)新中心

亞利桑那州立大學(xué)的藻類技術(shù)與創(chuàng)新中心是最令人印象深刻的研究中心之一，位于亞利桑那州梅薩的亞利桑那州立大學(xué)理工學(xué)院。阿茲卡蒂試驗(yàn)臺(tái)的特點(diǎn)是跑道池塘、圓柱和平板光電生物反應(yīng)器和其他由納米科技公司建造的新型系統(tǒng)，這是一家清潔技術(shù)領(lǐng)域的工程服務(wù)提供商。AZCATI是基于藻類產(chǎn)品的研究、測(cè)試和商業(yè)化的中心。其中包括生物燃料、藥品、營(yíng)養(yǎng)保健品和其他藻類生物類產(chǎn)品。

對(duì)于下一代科學(xué)家和工程師來(lái)說(shuō)，AZCATI是一個(gè)塑造全能型人才的優(yōu)秀的學(xué)習(xí)環(huán)境。它為藻類行業(yè)和社區(qū)研究提供了一個(gè)開(kāi)放的測(cè)試和評(píng)估設(shè)施平臺(tái)。它可以通過(guò)藻類價(jià)值鏈評(píng)估個(gè)體和聯(lián)合單位操作的性能。

這里有令人難以置信的藻類技術(shù)，從跑道池塘到光生物反應(yīng)器、袋式、平板式和混合系統(tǒng)，這些都是為各式各樣的藻類物種生長(zhǎng)準(zhǔn)備的。生產(chǎn)用的跑道池塘和像這樣的光生物反應(yīng)器將進(jìn)入未來(lái)的景觀，進(jìn)入綠色光合膜的居住建筑，并進(jìn)入當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)的食物和能源。

2.荷蘭瓦赫寧根的AlgaePARC

AlgaePARC(藻類生產(chǎn)和研究中心)的目標(biāo)是為在工業(yè)化的燃料、化學(xué)品、食品和工業(yè)原料提供可持續(xù)生產(chǎn)微藻的知識(shí)、技術(shù)和加工策略。AlgaePARC提供不同的室外光生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)比較。

AlgaePARC的光生物反應(yīng)器是基于最先進(jìn)的技術(shù)選擇的，它將提供完善的對(duì)光電生物反應(yīng)器操作系統(tǒng)和擴(kuò)大基礎(chǔ)方面進(jìn)行的最重要的研究，例如光的系統(tǒng)、物質(zhì)轉(zhuǎn)移和光合效率。該系統(tǒng)能并行運(yùn)行，并與技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)性性能進(jìn)行優(yōu)勢(shì)比較。

試驗(yàn)設(shè)施包括4個(gè)大(24 m2)和3個(gè)小(2.4 m2)的光生物反應(yīng)器。這些系統(tǒng)并行運(yùn)行，并對(duì)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)性的性能進(jìn)行比較，結(jié)果將用于建立微藻類商業(yè)化批量產(chǎn)品生產(chǎn)所需的知識(shí)。

商用室內(nèi)模塊化種植系統(tǒng)。

世界各地的許多公司都在光生物反應(yīng)器中種植藻類。下面是兩種不同方法的例子，它們都成功地產(chǎn)生了高價(jià)值的藻類產(chǎn)品。

在美國(guó)的佛羅里達(dá)州，藻類Omega2正在從紅球藻中生成蝦青素。在大的倉(cāng)庫(kù)里，光通過(guò)三種方法被引入到非常大的容器中:太陽(yáng)能燈管把光從屋頂帶到地表，太陽(yáng)能收集器通過(guò)光纖內(nèi)部的光纖傳輸光線，用發(fā)光二極管進(jìn)行人工照明。

在荷蘭的海牙地區(qū)，利用微擬球藻生成omega3是一項(xiàng)藍(lán)寶石項(xiàng)目工程。在荷蘭，人們廣泛使用的大型高科技暖房，在陽(yáng)光燦爛的日子里，陽(yáng)光照亮了藻類的培養(yǎng)，在陰天和短時(shí)間的非生產(chǎn)季節(jié)，也可以補(bǔ)充人工照明進(jìn)行藻類培養(yǎng)。

城市和屋頂?shù)哪K化水上復(fù)合養(yǎng)殖花園。

城市和社區(qū)花園是一個(gè)快速興起的運(yùn)動(dòng)，在城市社區(qū)和郊區(qū)，在空地，甚至屋頂。因?yàn)樵孱愒谝粋€(gè)能在小區(qū)域多產(chǎn)的物種，所以藻類生長(zhǎng)系統(tǒng)是城市菜園的理想選擇，也是種植食物的容器系統(tǒng)。

集裝箱已被重新設(shè)計(jì)，用作模塊化住宅、辦公室和診所?，F(xiàn)在，它們正被改造成具有可控環(huán)境系統(tǒng)的集裝箱花園。在一個(gè)20英尺的集裝箱和屋頂或兩側(cè)的溫室里，一個(gè)小小的城市農(nóng)場(chǎng)將會(huì)為一個(gè)小社區(qū)提供幫助和服務(wù)。這個(gè)城市農(nóng)業(yè)系統(tǒng)可以放置在任何地方，以創(chuàng)造當(dāng)?shù)氐目沙掷m(xù)的新鮮的食物，而且味道更好。

容器的優(yōu)勢(shì)在于它們可使用價(jià)格便宜，經(jīng)久耐用，尺寸均勻，易于隔熱，易堆疊的材料，同時(shí)還便于運(yùn)輸和安裝。每個(gè)構(gòu)建都是一個(gè)可重復(fù)的過(guò)程，這將形成效率和規(guī)模經(jīng)濟(jì)。下面是一些集裝箱花園的例子:

1.Rostlaubefish是一個(gè)城市農(nóng)民農(nóng)業(yè)公司(urbanfarmers.ch)。它將蔬菜農(nóng)場(chǎng)中的魚(yú)菜共生系統(tǒng)與水培法結(jié)合在一起。一個(gè)相互支持系統(tǒng)，使用微生物驅(qū)動(dòng)的生物過(guò)濾器將魚(yú)的排泄物轉(zhuǎn)化為肥料，植物只需要在水培溫室里生長(zhǎng)。Rostlaube在一個(gè)獨(dú)立的單元中重復(fù)了這個(gè)循環(huán)，它可以安裝在你需要食物的任何地方。溫室的溫暖促進(jìn)了蔬菜的生長(zhǎng)，魚(yú)在水下面很舒服。較低的位置有一個(gè)魚(yú)缸，還有有兩個(gè)過(guò)濾器系統(tǒng)，回收所有的水，另外補(bǔ)充水份只是為了彌補(bǔ)水分蒸發(fā)量。

2。ArkFab (arklab.org)是一個(gè)用于蘑菇種植的垂直農(nóng)場(chǎng)。一個(gè)被改造過(guò)的船運(yùn)集裝箱的壽命預(yù)計(jì)為10年，減去每年的折舊費(fèi)用，提供了更簡(jiǎn)易的設(shè)施安裝和搬遷，是一項(xiàng)允許堆疊使用有價(jià)值的房地產(chǎn)。物流和航運(yùn)業(yè)熟悉如何在全球移動(dòng)這些集裝箱，因此集裝箱化的城市農(nóng)業(yè)系統(tǒng)可以運(yùn)輸?shù)綖?zāi)后恢復(fù)地區(qū)。

3.PodPonics城市農(nóng)業(yè)(podponics.com)。將使用過(guò)的海運(yùn)集裝箱轉(zhuǎn)換成模塊化環(huán)境可控制的生長(zhǎng)艙。受控環(huán)境和發(fā)光二極管讓植物茁壯成長(zhǎng)。PodPonics作物使用的水比傳統(tǒng)農(nóng)場(chǎng)少90%，沒(méi)有殺蟲(chóng)劑，沒(méi)有化肥，幾個(gè)小時(shí)后就能從收獲到盤(pán)子里。PodPonics城市農(nóng)業(yè)創(chuàng)造了當(dāng)?shù)氐?、可持續(xù)的、新鮮的食物，而且味道更好。

對(duì)于模塊化生長(zhǎng)系統(tǒng)，目前正在開(kāi)發(fā)的多種藻類控制栽培系統(tǒng)，主要用于食品和高附加值產(chǎn)品。

未來(lái)生活在海藻系統(tǒng)的展望里

生長(zhǎng)中的藻類如何改變世界，改善我們的生活?想象一下我們的未來(lái)生活在的城市里，那里的建筑被光合作用的皮膚和垂直的花園所覆蓋，收集太陽(yáng)的能量，為城市居民生產(chǎn)食物和能源。國(guó)際藻類競(jìng)賽向世界各地的人們發(fā)出挑戰(zhàn)，用藻類食品和能源系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)我們的未來(lái)。讓我們來(lái)看看我們的未來(lái)，看看海藻微農(nóng)場(chǎng)如何能進(jìn)入風(fēng)景，有綠色光合膜的生活建筑，以及生產(chǎn)當(dāng)?shù)厥澄锖湍茉吹纳鷳B(tài)社區(qū)。

本文轉(zhuǎn)自公眾號(hào) 微藻博士?https://mp.weixin.qq.com/s/APqO4VVKh2E4rzvZ-PTcZQ

項(xiàng)目組通過(guò)聯(lián)合攻關(guān)系統(tǒng)解決了多項(xiàng)海洋工程和生物工程關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,主要包括：漂浮反應(yīng)器結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)、海上系泊和安裝、波浪驅(qū)動(dòng)響應(yīng)控制、培養(yǎng)液震蕩耦合反應(yīng)、嗜鹽堿微藻藻種選育、無(wú)機(jī)碳供應(yīng)方式選擇、培養(yǎng)基配方優(yōu)化、培養(yǎng)條件控制等多項(xiàng)關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了波浪驅(qū)動(dòng)、溫度可控的全封閉微藻培養(yǎng)。

傳統(tǒng)微藻培養(yǎng)目前主要依賴電力驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)致能耗和生產(chǎn)成本過(guò)高，產(chǎn)業(yè)化程度低。和傳統(tǒng)技術(shù)相比，本微藻培養(yǎng)系統(tǒng)具有以下不可替代的優(yōu)勢(shì)：

1)? 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全封閉，可有效防止各類微生物、污染物和浮游生物侵入培養(yǎng)系統(tǒng)，確保生產(chǎn)穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量可控。

2)? 系統(tǒng)溫度可控，利用日照溫室效應(yīng)增溫和外界海水降溫，可實(shí)現(xiàn)全年高效穩(wěn)定生產(chǎn)。

3)? 利用波浪能驅(qū)動(dòng)培養(yǎng)系統(tǒng)混合，生產(chǎn)過(guò)程無(wú)能耗成本，同時(shí)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程免維護(hù)、實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守生產(chǎn)，使微藻生產(chǎn)成本大幅下降。

4)? 系統(tǒng)生產(chǎn)效率高，微藻單位面積年產(chǎn)量可達(dá)陸地開(kāi)放池培養(yǎng)系統(tǒng)兩倍以上，且易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模培養(yǎng)。

項(xiàng)目組聯(lián)合申請(qǐng)發(fā)明專利4項(xiàng)，已獲授權(quán)1項(xiàng)，在高水平國(guó)際期刊Journal of applied phycology等發(fā)表論文2篇。

本技術(shù)的試驗(yàn)成功，解決了傳統(tǒng)微藻生產(chǎn)高能耗、高成本、無(wú)法大規(guī)模生產(chǎn)的短板問(wèn)題，將極大促進(jìn)微藻的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，在藥品、保健品、食品、水產(chǎn)餌料、飼料、生物化學(xué)品、生物燃料、水體生態(tài)凈化和碳減排等各領(lǐng)域都有巨大應(yīng)用前景。