小球藻光生物反应器设计及其应用

2014-08-15邓传杰

山西化工 2014年4期

邓传杰

（山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司资源环境管理局，山西晋城 048006）

引言

微藻因其分布广泛、较快适应环境、营养丰富的特征，在基因工程、食品领域得到广泛应用。我国对微藻的研究工作起步较晚，所以在商业领域发展较慢。自20世纪80年代开始养殖微藻以来，我国各地区形成了很多养殖基地，但养殖基地普遍存在生产规模小、品种单一、科技含量不高的特点，影响着微藻质量。光生物反应器和普通生物反应器结构类似，有温度、CO2、光、溶解样等条件的控制和条件系统，其最大的特点是可以培养具有光合能力的组织或者细胞［1］。伴随人们对微藻的不断研究和认识，用微藻培养的反应器受到人们的高度重视。

1 小球藻概述

小球藻是淡水藻群，是可以进行光合作用的自养型生物，常见的小球藻有盐生小球藻、蛋白核小球藻、卵形小球藻和眼点小球藻。小球藻具有丰富的营养价值，含有丰富的蛋白质、氨基酸、矿物质和维生素等。其中，蛋白质含量非常高，可达64%。然而它的营养成分会由于培养方式、藻种品系的不同而存在差异［2］。小球藻的超高蛋白质含量使其生物学产量明显高于其他作物，藻蛋白生产正在快速发展，且已被用到食品添加剂、保健品等食品领域；由于微藻胶体具有很强的抗肿瘤活性，所以其在医药工业方面也引起专家们的关注；微藻的核酸含量明显高于常规食品，所以人们开始尝试用微藻来做鱼类饵料及动物饲料。

2 光生物反应器种类和特点

光生物反应器可以分为封闭式的光生物反应器和开放式的光生物反应器。我国对封闭式的反应器研究工作还处于开发阶段。封闭式反应器结构复杂、光能利用度高，且含有可持续高密度培养、进行无菌操作等优点，但由于成本较高，所以应用受到一定限制［3］。封闭式的光生物反应器依据主体结构分为3种类型，即水平板式、管式和传统管式。因为封闭式反应器可以培养各种微藻，所以它具有良好的开发前景，发展潜力巨大。开放式的光生物反应器是非常古老的藻类反应器，它最大的特点是成本低廉、组成简单、方便操作。它又可以分为2种类型，即倾斜式的光生物反应器和水平式的光生物反应器，它们分别在反应器位于倾斜面和水平面时完成液体的循环。目前，我国的开放式反应器技术已经基本成熟，且已有大规模的投入使用。

3 光生物反应器的性能影响因素

光生物反应器的性能常常会受到客观因素影响而发生变化。例如，反应器的产氧抑制、光表面积及碳源的供应方式等。微藻在光合作用过程中把二氧化碳转为的氧气溶解到藻液里，藻液中氧气浓度达到一定比例时会阻断藻细胞与营养物质接触，影响光合作用的产生。所以，要尽量降低藻液的含氧量，保证高密度培养。在培养时可以利用动力搅拌等方法，降低藻细胞和氧气泡的黏结力。微藻培养时的光能主要通过光直接照射获得，所以微藻的光能利用率和光照条件有直接联系［4］。增大受光面积可以加快微藻的受光频率，进而增强光合作用，提高细胞生长速度。常见的采光方式有人工采光和自然采光。目前，较大规模的微藻培养多利用自然采光，因为其成本低、光照面积广。设计光生物反应器时，反应器结构会因碳源提供的方式不同而出现差别。例如，用二氧化碳作为碳源时，需要增加外部配气系统装置，以获得所需的二氧化碳浓度，进而保证光合作用速率。

4 光生物反应器原理及其设计

小球藻开放式的培养系统常常会因季节限制其生产周期，容易被污染、很难控制培养条件等，所以专家学者研发了各种小球藻培养反应器，主要有罐式、鼓泡式和气升式反应器。本文要设计小型的罐式小球藻反应器。

4.1 反应器原理

光对藻类生长具有重要影响，光生物反应器的受光量和微藻的培养有紧密联系，微藻产量随光强度是否满足其生长需要而发生变化。所以，设计反应器一定要考虑光能效率影响。光的衰减速度和细胞浓度、微藻类别有关。当光进去反应器后，因为藻细胞的吸收和光程增加使光有所衰减，致使光不能均匀分布。但这种衰减现象普遍存在，一定要采取措施降低光衰减，进而提升反应器的光能利用率［5］。增加入射光强度是常用的降低衰减措施，通过增大光强度能够加速藻细胞生长，使藻液浓度升高。微藻体中含有大量碳，藻细胞生长要消耗大量二氧化碳，所以碳源含量及种类是微藻成长的前提和基础。微藻自养过程要吸收很多无机碳源，且无机碳源的类别会随藻种的不同而存在差别。微藻异养要用淀粉、葡萄糖作为其碳源。异样培养成本非常高，所以多数微藻都是通过自养获得。养殖微藻过程中，二氧化碳的需求量会随着藻细胞浓度上升而增加，但二氧化碳浓度过高会阻碍微藻生长。温度过高会使藻细胞光合酶的活性下降，进而使光合速率下降。所以，要控制适宜的温度，以促进微藻快速生长。

藻细胞在光合生长时会释放很多氧气，使藻液溶氧量增加，过多的溶氧量会影响藻细胞正常生长，甚至出现氧抑现象。所以，要注意解析藻液溶氧，尽量缩短循环路程。罐式反应器可以搅拌藻液，以利于混合藻液并析出溶氧。

4.2 反应器的设计

罐式光生物反应器的主体结构是普通透明的玻璃容器，利用胶塞把瓶口密封。改装后，容器中间装有搅拌叶片，瓶口设计有排气口与进料口，底部设置进气口与出料口。光源发射器可以选用12W的日光灯光源，具体参数：空间利用系数0.5，灯管光通量500lm，维护系数0.7。光照强度过低或过高都会对藻体生长产生重要影响，依据目前的实验结论，选用12klux的光照强度，进而求得灯管数量：N＝Eav÷CU÷⊄÷KXA＝12 000÷0.5÷500÷0.7×0.3 371＝23根。所以，取24根灯管，并将它们以环形方式安装在铁网灯架处，构成外置光源，将反光膜贴在灯架外，让光进行多次反射，进而提高光能的利用率。每天光源的明亮度用1∶1比例提供光照，运用灯管数或强度控制开关条件；达到小球藻需要的光强。因为高浓度的二氧化碳会对微藻生长产生抑制作用，所以要增加调节二氧化碳浓度的装置。循环混合气体的能量和反应器液体产生的压力有关，由V＝πr2h，反应器培养体积为15L下的藻液深度为0.332m，由于藻液密度大于水，如果水充满容器，底部水压力是p＝ghp＝3.25kPa，所以气体循环需要消耗更多能量。由于玻璃容易耐压度较低，因此不适合作气体的混合装置，需要用小钢瓶将其进行适当改装。因为自行设计的罐式反应器里没有加热棒，故仅依靠外界温度变化来间接调控温度。虽然本设计里的日光灯热量较少，但还有很多光转为热量，使藻液温度上升，进而影响藻细胞生长。所以，要控制反应器温度，可以在反射区铁网灯架中贴聚氯乙烯的透光膜。该膜不会对透光性能产生影响，可以防止光辐射传到藻液，也可以有效调节反应器温度。微藻的光合作用要吸收大量二氧化碳，二氧化碳气泡的大小对微藻的光合作用具有重要影响。本设计利用二氧化碳混合空气，在反应器下方设置通气装置，运用纤维膜和曝气头来细化二氧化碳的供气。然而实际操作时，藻液中二氧化碳气泡的直径很大，且停留时间非常短，很难熔解，不能促进微藻的转化吸收。所以，设计过程中二氧化碳细化器的使用压强应该高于0.2MPa。只有这样，才能把二氧化碳的混合气体粉碎成直径较小的小气泡，使其可以和藻液充分混合到一起，扩大气泡和液体的接触面积，有利于传质效率的提高。此外，通过搅拌装置和挡板可以延长气泡的停留时间，利于微藻进行光合作用，最终提高微藻的产量。

5 光生物反应器在煤化工废水处理方面的应用

运用光生物法来处理煤化工废水，不但能降低小球藻的培养成本，而且可以避免煤化工产生的废水直接排放到自然河流而造成局部水体污染。依据煤化工的废水物理性质先进行初步处理，再使用沉淀方法进行沉淀。待固体成分完全沉降后，提取上面的清液，辅以抽滤的方法去除较大颗粒的固体杂质［6］。然后，将藻种进行离心处理，用废水洗脱。获取高浓度废水藻液，置于温室内进行培养，每天保持摇荡2次～3次，且每3天测1次废水藻液的氮磷含量、导电率、细胞浓度，从而获得小藻球在处理煤化工废水时的最佳接种浓度。在一定浓度范围内，小藻球的生长速度迅速。由于煤化工废水中P、N的浓度是不变的，所以浓度高的藻液在一定时间内吸收P、N的速度也迅速。以煤化工的废水作为培养液，使小藻球在光生物反应器当中以最优良的培养条件进行培养，使藻细胞过2天适应期后快速生长，这样培养在光生物反应器内的小藻球可以适应煤化工的废水体系，充分利用废水当中营养元素和物质，保持生长。