曝气间隔对普通小球藻生物质积累的影响

石磊，杨俊红，康利改，罗梦圆，左鹏鹏，巩启涛

（中低温热能高效利用教育部重点实验室，天津大学机械工程学院，天津 300072）

曝气间隔对普通小球藻生物质积累的影响

石磊，杨俊红，康利改，罗梦圆，左鹏鹏，巩启涛

（中低温热能高效利用教育部重点实验室，天津大学机械工程学院，天津 300072）

细胞高密度培养有利于降低微藻规模化培养成本及其生物柴油制造的成本，曝气是影响微藻规模化高密度培养的重要因素之一。以普通小球藻（Chlorella vulgaris，FACHB-1227）为研究对象，采用BG11培养基，于新型套管式沿程曝气光生物反应系统中，以细胞密度为检测指标，实验研究了曝气间隔时间对藻液中细胞密度、藻液pH值、溶氧量变化的影响。控制每次曝气时气体流量为10L/min、持续时间为0.5h，培养周期为15天。结果表明，藻液中积累的溶解氧能够及时排除，进入生物质积累稳定期时，藻液的pH值基本恒定；微藻生长稳定期时（培养12天），曝气间隔0.5h时细胞密度为7.22×106个/mL，相比于1h、1.5h、2h分别提高了9.56%、41.02%和122.1%。可见，适当减少曝气间隔时间，可显著提高藻细胞密度。

微藻培养；普通小球藻；曝气间隔；细胞密度；新型套管式光生物反应器

微藻可以通过光合作用在其细胞内快速产生和积累油脂，被认为是生产生物柴油的最有潜力的原料[1]。相比于其他植物或生物体，微藻在相同的土地面积上能够生产更多的生物柴油[2-3]。细胞高密度培养有利于降低微藻规模化培养成本及其生物柴油制造的成本，然而，在现阶段培养微藻的光生物反应器中，微藻的生物质产量偏低导致生产成本过高，成为制约微藻商业化生产的一个瓶颈[4-5]。研制高效大规模培养微藻光生物反应器成为微藻培养的发展趋势[6-7]。现阶段光生物反应器的不同种类中，管式光生物反应器是最适于大规模高密度培养微藻的光生物反应器形式[8]。通过对比典型的光生物反应器，借鉴了不同种类光生物反应器的结构，作者课题组设计了新型微藻培养系统，系统中光生物反应器是具有高单位光照面积的套管式沿程曝气光生物反应器[9-10]。

曝气是影响微藻规模化高密度培养的重要因素之一。在此新型的光生物反应器中，由于曝气间隔时间对微藻的混合程度和光暗循环周期影响有直接影响，从而影响了微藻的光合作用和对培养基中的营养物质的吸收效果，同时曝气间隔时间决定着微藻系统运行效果和动力费用。本工作研究了新型光生物反应器中了不同曝气间隔时间对藻液中细胞密度、藻液pH值、溶氧量变化的影响，对微藻扩大规模培养具有一定指导意义。

1 实验部分

1.1 实验仪器

SX-500高压灭菌器，TOMY DIGITAL BIOLOGY CO. LTD；SW-CJ-2G双人超净工作台，苏州净化设备有限公司；PHS-25数显pH计，上海精密科学仪器有限公司；ADAMO溶氧仪，天津市爱德仪器仪表系统科技有限公司；RH-BASIC2磁力搅拌器，德国IKA；BT600-2J蠕动泵，天津市爱德仪器仪表系统科技有限公司；TD-20空气泵，天津市爱德仪器仪表系统科技有限公司。

1.2 实验装置

本实验中用到的实验系统装置见图1。

在图1的实验装置中，用蠕动泵作为藻液循环动力，蠕动泵把藻液从密闭的储液槽中泵到光生物反应器中，此时储液槽由于藻液的减少气体压力降低，从而吸引光生物反应器中的藻液到储液槽中完成液体循环。空压机（为气体循环提供动力）吸入的空气[11]通过气室和流量计到达光生物反应器，然后从光生物反应器排出到背压室（隔绝管路气体与空气接触，防止污染），最后排放到大气中。

在图1的实验装置中，储液槽中安装有pH计、溶氧仪和磁力搅拌器，通过储液槽中的pH计和溶氧仪这两个部件可以测量藻液的pH值和溶氧值，磁力搅拌器用来搅拌微藻溶液促进藻液中的微藻细胞混合均匀，防止密闭的储液槽内微藻沉淀。

实验用的光生物反应器是套管式内置沿程曝气光生物反应器。具体结构见图2，该新型光生物反应器的外管直径为200mm，长度为1000mm，壁厚为5mm，在外管上端有一个直径为30mm的排气孔，外管材料是硅玻璃，内管的材料是有机玻璃，内管直径为100mm，长度为1000mm。在内管上有49个均匀分布直径为1mm的曝气孔，培养过程中曝气孔向下与竖直方向夹角为45°。微藻藻液充入到外管和内管之间的空间，藻液培养体积达到装液量的7/8为宜。如果藻液过多，曝气时藻液可能通过外管上面的排气口溢出，造成曝气管路的堵塞，甚至溢出到背压室，导致气路压强过高；如果过少，一方面达不到扩大规模培养的目的，另一方面藻液不能够围绕内管流动阻碍了藻液的混合和藻液中溶解氧的排出。

1.3 藻种和培养条件

普通小球藻（Chlorella vulgaris，FACHB-1227）购置于中国科学院典型培养物保藏委员会淡水藻种库（FACHB-Collection）。普通小球藻在装有BG11培养基的36L的套管式沿程曝气光生物反应器中培养。

图2 套管式沿程曝气光生物反应器

按BG11培养基的营养成分配置36L培养基[12]，并且调节培养基初始pH值为7.4，把配置好的培养基分别倒入1L的瓶子中，然后放入高压灭菌器中121℃下灭菌20min。灭菌后，开启双人超净工作台的紫外灯20min，然后将培养基移入到双人超净工作台中，待培养基溶液冷却至室温，准备接种。

微藻培养系统接种过程：首先，用血球计数板计数法测出普通小球藻藻种的细胞密度，根据式（1）计算出接种所需要的藻液体积。

式中，ρ代表微藻培养系统中预接种的细胞密度；V代表微藻培养系统预接种的藻液体积；ρ0代表锥形瓶中普通小球藻藻种的细胞密度；V0代表接种时需要的普通小球藻藻种的体积。

开始接种，打开蠕动泵和磁力搅拌器，接种普通小球藻，接种密度是3×105个/mL。藻液循环速率为1.5L/min。开启空气泵，每次曝气时流量为10L/min、持续时间为0.5h，培养温度设定25℃，光强设4000 lux，光暗周期12/12h。在以上培养条件下，设定4种曝气间隔，分别为0.5h、1h、1.5h和2h。每天8：30开始曝气并开启光源，晚上20：30关闭光源，培养15天。

每天早上9：00和晚上18：00用血球计数板计数法测量光生物反应器中普通小球藻的细胞密度，并记录小球藻藻液的pH值和溶氧值。

2 结果与讨论

曝气间隔对微藻的混合程度和光暗循环周期影响有直接影响，从而影响了微藻的光合作用效果和生长。不同的曝气间隔对微藻细胞密度、藻液pH值和溶氧量都有影响。

2.1 曝气间隔对普通小球藻细胞密度的影响

不同曝气间隔对普通小球藻细胞密度的影响，如图3所示。在培养的前3天不同曝气间隔的微藻密度基本相同，普通小球藻处于生长适应期，如图3中Ⅰ所示。随后的5～12天普通小球藻生长处于快速生长期，如图3中Ⅱ所示。直到13天以后小球藻细胞密度增长缓慢，进入了稳定期，如图3中Ⅲ所示。12天时普通小球藻的细胞密度见图4，结果表明，曝气间隔0.5h时的细胞密度为7.22×106个/mL，相比于1h、1.5h、2h分别提高了9.56%、41.02%和122.1%。可见，随着曝气间隔时间的减少，普通小球藻细胞密度逐渐增大；适当减少曝气间隔时间，可显著提高藻细胞密度。

图3 曝气间隔对普通小球藻细胞密度的影响

图4 12天时普通小球藻的细胞密度

2.2 曝气间隔对藻液pH值的影响

普通小球藻的生长代谢对藻液的pH值产生一定的影响，在不同间隔时间下藻液中的pH值变化如图5所示。由图3和图5中可以看出，在培养期前两天，普通小球藻处于适应期，藻液的pH值基本保持不变，如图5中的Ⅰ所示。在第3天时，小球藻适应期结束，藻液pH值开始急剧变化，曝气间隔时间为0.5h、1h和1.5h的藻液pH值增加了0.5左右。如图3和图5中所示Ⅱ部分，在小球藻进入生长期，随着细胞密度的增加，藻液的pH值逐渐变大[13]，间隔时间为0.5h、1h、1.5h和2h的藻液pH值分别由7.62、8.15、7.97、8.27增加到8.75、9.13、9.1、9.32。在普通小球藻生长进入稳定期以后，藻液pH值停止增加，甚至呈现一定的下降趋势，图5中Ⅲ所示。

图5 不同曝气间隔下藻液pH变化

2.3 曝气间隔对藻液溶氧量的影响

套管式沿程曝气光生物反应器的曝气和排气方式能够及时排除藻液中积累的溶解氧。由图6可见，在培养期前两天，普通小球藻处于生长适应期，藻液的溶氧量基本保持不变。第3天开始，小球藻适应期结束，藻液溶氧量开始出现明显波动。曝气间隔2h的藻液溶氧量变化幅度小，并呈现一个下降的趋势。曝气间隔1h的藻液溶氧量变化相比于其它间隔时间的溶氧量变化波动幅度较大，主要是受小球藻生长代谢的影响。虽然曝气间隔0.5h的普通小球藻细胞密度与1h的相差不大，小球藻生长代谢同样也影响藻液的溶氧量，但是曝气间隔0.5h的间隔时间相对较短，造成溶氧量的变化幅度相对较小。第11～14天，不同曝气间隔的溶氧量趋于一个稳定的范围，在6.0～7.0mg/L，大部分在6.5mg/L上下波动；由图3可知，在第14～15天普通小球藻处于生长稳定期，藻液的溶氧量由6.5变为6.3左右。

当藻液中的溶解氧浓度高于7.5mg/L时，微藻的光合作用会受到抑制[14-15]，在培养过程中，套管式沿程曝气光生物反应器曝气均匀，如图7所示。新型光生物反应器能够及时排除藻液中的溶解氧，溶氧量一直维持较低的水平（＜7.0mg/L），有利于普通小球藻生物质积累。

图6 不同间隔时间下藻液中溶氧量变化

图7 套管式沿程曝气光生物反应器均匀曝气图

3 结 论

通过对不同曝气间隔时间对藻液中细胞密度、藻液pH值、溶氧量变化影响的研究，可以得出以下结论。

（1）进入稳定期时（12天）曝气间隔0.5h时的细胞密度为7.22×106个/mL，相比于1h、1.5h、2h分别提高了9.56%、41.02%和122.1%。可见，随着曝气间隔的减少，普通小球藻细胞密度逐渐增大；适当减少曝气间隔，可显著提高藻细胞密度。

（2）普通小球藻的生长代谢对藻液的pH值产生一定的影响，普通小球藻处于适应期，藻液的pH值基本保持不变。在小球藻进入生长期以后，随着细胞密度的增加，藻液的pH值逐渐变大。在普通小球藻生长进入稳定期以后，藻pH值基本恒定，甚至呈现一定的下降趋势。

（3）套管式沿程曝气光生物反应器的曝气和排气方式能够及时排除藻液中积累的溶解氧，有利于普通小球藻生物质积累。

本工作对套管式沿程曝气光生物反应器的参数优化有一定的指导意义，为微藻的扩大规模培养提供理论支持。

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Effects of different aeration intervals on biomass accumulation of Chlorella vulgaris

SHI Lei，YANG Junhong，KANG Ligai，LUO Mengyuan，ZUO Pengpeng，GONG Qitao
（Key Laboratory of Efficient Utilization of Low and Medium Grade Energy，MOE，School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

High-density cell culture could reduce the cost of large-scale cultivation of microalgae for biodiesel. Aeration is one of the important factors in high-density culture of microalgae.Chlorella vulgariswas cultured for 15 days in a novel concentric-tube photobioreactor with BG11 medium. The effect of different aeration intervals on cell density ofChlorella vulgaris，pH and dissolved oxygen changes of medium was studied. Air was passed into the concentric-tube photobioreactor at aeration flow rate 10L/min for 0.5h each aeration. The aeration manner of the novel concentric-tube photobioreactor could exclude dissolved oxygen timely. When biomass accumulation was stable，the pH of culture medium was substantially constant；the cell density was 7.22×106cells/mL at aeration interval 0.5h. Compared to the cell concentration at aeration interval 1h，1.5h，2h，the cell concentrations at aeration interval 0.5h increased by 9.56%，41.02%，122.1%，respectively. Therefore，with the decrease of aeration interval time，concentration ofChlorella vulgarisincreased.

microalgae cultivation；Chlorella vulgaris；aeration interval；cell density；novel concentric-tube photobioreactor

TK 6；Q 819

A

1000-6613（2014）10-2735-05

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.10.035

2014-01-13；修改稿日期：2014-01-22。

天津市自然科学基金项目（13JCYBJC19000）。

石磊（1987—），男，硕士研究生。E-mail shilei245@163.com。联系人：杨俊红，博士，副教授，从事生物热物理及相关技术研究。E-mail yangjunhong@tju.edu.cn。