微藻规模化培养技术研究进展及产业化概况

李 雄王伟良黄建科（ 云南省科学技术院，昆明 6508； 华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室，上海 0037）

微藻规模化培养技术研究进展及产业化概况

李 雄1王伟良2黄建科2（1 云南省科学技术院，昆明 650228；2 华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室，上海 200237）

首先，对目前微藻规模化生产中应用最广的光自养培养模式，按照其所用培养装置的不同，分别介绍了开放式大池和封闭式光生物反应器培养系统产业化现状及其最新研究进展。其次，对微藻另外两种培养方式异养培养和混养（兼养）培养的产业化现状、各自存在的问题进行了总结和分析。最后，对近年来出现的具有较好产业化前景的微藻培养新技术进行了简介。

李雄，工程师，现任云南省科学技术院生物产业技术创新平台项目经理，长期从事科技项目管理工作，主要研究方向为微藻培养和光生物反应器等。

E-mail:184837957@qq.com

微藻开发和利用的前提是能够获得大量的生物质，而微藻的规模化培养是获得大量生物质的唯一途径。微藻的营养模式包括光自养、异养和混养（兼养），与之相对应的微藻的培养方式也包括光自养培养、异养培养和混养培养（表1）。

1 微藻光自养培养的研究进展及产业化现状

培养方式 能源 碳源 细胞密度 培养装置 费用 存在问题光自养 光 无机物 低 开放池或光生物反应器 低细胞密度低，易污染杂藻和原生动物，采收费用高异养 有机物 有机物 高 发酵罐 高 易染菌，培养基成本高混养 光和有机物 无机物和有机物 高 封闭式光生物反应器 高 易染菌，设备费用高，培养基成本高

目前已实现产业化生产的微藻，如螺旋藻、小球藻、盐生杜氏藻和雨生红球藻等，其规模化生产主要采用光自养培养。微藻规模化光自养培养系统主要有两种：开放式大池和封闭式光生物反应器。

1.1 开放式大池培养

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开放式大池主要有敞开式跑道池和敞开式圆池（图1）。敞开式跑道池是微藻规模化光自养培养中应用最多的系统，主要是由于其具有建造容易、操作简便、易于放大、建造及运行成本低等优点。敞开式跑道池主要用于培养螺旋藻及小球藻，如美国的Earthrise Farm公司用跑道池生产螺旋藻，中国的江西新大泽实业集团有限公司主要采用跑道池生产螺旋藻和小球藻，其单个跑道池的面积可超过1000m2。目前，为了降低天气对跑道池中微藻培养的影响，通常在跑道池上面修建塑料大棚，以防止雨水或杂物进入跑道池。如中国的内蒙古鄂尔多斯地区，目前是主要的螺旋藻生产基地，每个池子上面都修建有塑料大棚，以防止水分大量蒸发及沙尘落入跑道池影响螺旋藻的正常生长及藻粉质量。

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图1 敞开式圆池和敞开式跑道池

敞开式圆池在微藻培养中也有不少应用，特别在亚洲地区2，主要用于小球藻的培养。

目前，敞开式跑道池在所有微藻培养系统中仍占主导地位，但产量低、占地面积大、环境因子难以控制、CO2补加困难、收获成本高、易被其他生物污染、产品质量低等缺点，限制了其进一步发展3 4。

为了提高跑道池的性能，国内外研究者从结构、构件及搅拌系统等多个角度对跑道池进行了优化设计。

内构件设计方面。在传统跑道池内增设导流板可以显著降低藻液在跑道池端头拐弯处流动的阻力，提高藻液流动速率，降低死区比例5。Huang等6在跑道池中增设斜挡板后，显著提高了藻液在光衰减方向的速率和藻细胞的光利用效率，进而提高了藻细胞产率。Liffman等7采用CFD技术对带有不同类型结构弯头的跑道池进行了模拟，获得了一种新型的结构弯头形式，与传统的弯头相比可以降低约87%的能耗。

搅拌系统设计方面。Chiaramonti等8设计了一种跑道池，采用螺旋型桨叶推动藻液的流动，相对于传统跑道池（采用蹼轮驱动藻液流动）可以节省约65%的能耗，且培养Tetraselmis sue cica 和Nan nochloropsis sp.的效果与传统跑道池相当。Zeng等9设计了一种倾斜挡板的蹼轮，可以显著提高藻液在垂直方向（光衰减）的混合程度，进而提高藻细胞的产率。

结构设计方面。Ketheesan等10设计了一种新型的气升式跑道池，理论计算表明藻液流速0.14m/s时，新型的气升式跑道池比传统的蹼轮推动跑道池节省80%的能耗；此外，在气升式跑道池的上升通道中通入CO2，可以显著提高CO2与藻液的接触时间，明显提高了CO2的利用率。Xu等11设计了一种新型倾斜式跑道池（图2），培养液通过泵输送到跑道池上部，在重力作用下，沿蜿蜒的流道流过跑道池，同时有部分流体漫过中间隔板，大幅度增强藻液的混合。

黄文等12设计了一种新的V形导流 槽（图3），使气升混合所影响的区域扩大到了两侧的池壁，并且流体在垂直方向形成了比较均匀的上下层之间的循环流动。

此外，在跑道池放大方面，Hadiyanto 等13进行的理论研究表明，当跑道池放大时，跑道池的长宽比应超过10，符合该条件时，跑道池内的流速更均一，死区比例更少，流体产生的剪切力更小，更有利于微藻的光自养培养。

1.2 封闭式光生物反应器光自养培养

与敞开池相比，封闭式光生物反应器具有培养效率高、占地面积小、大大减少敌害生物的污染14及节约用水15等优点。目前用于微藻培养的封闭式光生物反应器主要有管式光生物反应器、平板式光生物反应器、柱式光生物反应器、内置光源的搅拌罐式光生物反应器等16。其中，管式光生物反应器是微藻规模化培养中除跑道池外应用最多的光生物反应器。

图2 新型倾斜式跑道池培养系统

图3 带有V形导流槽的跑道池

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由于管式光生物反应器建造和运行成本高，难以用于一般低附加值微藻的规模化培养。德国一家公司利用管式光生物反应器培养小球藻，规模达到了700m3，年产藻粉量达到了130～150吨，但由于生产成本问题而难以维持2。目前，管式光生物反应器主要用于雨生红球藻等高附加值微藻的培养。如以色列的Algatechnologies公司（图4）、中国的云彩金可和爱尔发公司均采用管式光生物反应器进行雨生红球藻的规模化培养。

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图4 以色列Algatechnologies公司的管式光生物反应器

利用管式光生物反应器培养微藻，藻细胞质量稳定，培养过程易于控制，产率也远高于户外大池培养的水平。但管式光生物反应器一般是以玻璃为材质制造的细长结构管道，存在易碎、微藻易粘壁难以清洗、无法高温灭菌、氧解析困难等缺点17。

近年来，对管式光生物反应器的研究及改进主要有增加氧解析系统、利用电脑监控温度和pH等18。Kunopa garnwong等19通过设计不同角度的弯头来降低管式反应器中的阻力，计算结果表明60°的弯头使得管式反应器中的阻力下降最多，达到106Pa。

目前，平板式光生物反应器在新兴的微藻企业应用得较多，如以生产微藻生物燃料为目的建立的Algenol公司、德国的Subitec公司。为了降低成本，这些公司的平板式光生物反应器通常采用薄膜袋式结构。

平板式光生物反应器的优化设计也是侧重于在反应器中设置内部构件方面。Degen等20在气升式平板反应器的上升通道中加入水平交错排列的挡板，促进藻细胞在光区和暗区之间运动。小球藻的培养结果表明，新结构反应器中的藻细胞产率是对照平板式反应器的1.7倍。Su等21在平板反应器中加入扰流柱，用来提高流体在光照方向的速度。Huang等22设计了一种平板式反应器的内构件，倾斜的挡板所形成的腔体可以显著减少藻细胞的光暗循环周期，提高光合效率及藻细胞产率。Huang等23采用理论计算和微藻培养实验相结合的方法研究了鼓泡式、隔板式和气升式平板反应器中的流体混合，结果表明隔板式平板反应器中的流场更加均一，流体在径向方向混合更加剧烈，更有利于微藻的生长。在平板式光生物反应器中增设内置光源通常能显著提高微藻的生长速率和光合效率24。德国Subitec公司设计了一种新型气升式平板光生物反应器，其基本结构包括较大的上升通道和较小的下降通道，而上升通道又被分为了彼此连接的腔体，上升通道底部鼓气之后流体在这些腔体内形成涡流，能有效提高微藻细胞的生长速率（图5）。

图5 Subitec公司设计的新型气升式平板光生物反应器

图6 Proviron公司设计的新型平板式光生物反应器

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微藻大规模培养的垂直柱式光生物反应器应用较少，不过在水产养殖领域，其另一种形式吊袋系统经常被用于培养饵料微藻，如英国Seasalter Shellfish公司构建了一套相对廉价和易于搭建的连续培养立袋系统，使用了500L的垂直聚乙烯塑料袋，由金属架支撑，用于饵料微藻的培养。

1.3 微藻光自养培养工艺优化技术

影响微藻光自养培养的核心因素是光照、培养基和CO2。如何提高光和CO2的固定效率是微藻光自养培养工艺优化的核心。同时，培养工艺的优化必须与所用的培养系统紧密结合起来。对于如何提高光的固定效率，除选择适宜的光生物反应器外，在培养工艺方面可以通过改变通气量或其他混合装置，增强藻液在光照方向上的混合来实现。

目前，在微藻的规模化培养中，补充CO2已成为一项常规措施。由于CO2在水中溶解度很低，加大通气量或提高CO2浓度均会大大降低CO2的利用率，导致培养成本的增加。因此，在微藻规模化培养中除尽量利用廉价的CO2资源外，更重要的是提高CO2与培养液之间的传质效率，从而提高其利用率。

关于培养基优化，需要特别注意的是必须与规模化培养的实际条件结合起来，在实验室条件下如果不能很好地模拟规模化培养的实际条件，其优化获得的培养基并不一定适合户外规模化培养26。

2 微藻的混养培养研究

混合营养培养是获得高密度微藻的有效途径。在这种培养方式下，微藻主要通过有机碳源和外界光源来获取能量。Martinez等27报道了光强对蛋白核小球藻混合营养生长的影响。研究表明光为藻细胞的生长和维持提供能量，而葡萄糖全部用于细胞的生长。

Orus等28对比了混合营养、异养、光自养3种培养方式对普通小球藻生长的影响，结果表明混合营养的培养密度要远远高于后两者。Lee等29在封闭式管式光生物反应器中采用混养和异养两种培养方式交替培养小球藻（C.sorokiniana），夜晚小球藻进行异养生长，细胞产率为5.9g/（L·d）；白天小球藻进行混养生长，细胞产率为10.2 g/（L·d）。桂林等30在摇瓶中采用混养对蛋白核小球藻进行了培养，培养6d后的藻细胞密度达20.9g/L。

混合营养培养方式可以较好地发挥自养和异养两种培养方式的长处，但此种方式目前尚难以用于规模化生产，主要的原因是培养时所用的光生物反应器既要能实现无菌操作，又要能提供有效的光照，这在规模化生产中是很难实现的。

3 微藻的异养培养

微藻的异养培养，即通过添加葡萄糖等有机碳源使微藻进行异养生长。这种培养方式具有以下优点：不受环境和气候等条件的限制；可保持纯培养，从而保证产品质量的均一性；能够获得较高的细胞密度和生产效率；可借鉴和利用比较成熟的工业发酵技术和生产设备等17。同时，异养培养也有缺点：可进行异养培养的微藻品种很少；能耗和培养基成本高；易被其他微生物污染；生长易受高浓度底物的抑制；无法用于生产光诱导才能产生的代谢产物31。

尽管如此，微藻的异养培养近年来仍然受到很多关注，被用来生产多种代谢产物，如叶黄素、维生素、抗坏血酸、EPA和DHA等。这些研究不仅在实验室进行，有些已达到产业化规模32～36。

在可异养培养的微藻中，研究最多的是小球藻，通过异养培养的方式来生产高附加值产品。也有研究者利用小球藻生产生物柴油等，并将传统的微生物发酵技术应用于小球藻的高密度异养培养37。1997年前后，日本每年利用异养培养生产的小球藻约为500吨，占当时日本小球藻总产量的50%左右38。

4 微藻培养的新技术研究

4.1 微藻异养-稀释-光诱导串联培养技术

华东理工大学在国内外首创了微藻的异养-稀释-光诱导串联培养技术39。通过实验证明，该工艺可以实现小球藻高密度高品质培养，且易于放大。实验室培养结果表明，普通小球藻和蛋白核小球藻异养培养细胞密度可达55g/L和150g/L以上；稀释后转入光诱导培养，细胞密度为2～5g/L，经过8～24h的光照，蛋白质和叶绿素含量可快速升高到50%和25mg/g以上。

目前，异养-稀释-光诱导串联培养技术已经初步应用于小球藻和雨生红球藻的规模化培养，发展前景非常广阔。

4.2 微藻异养种子-光自养培养技术

光自养培养是能源微藻规模化培养中最具潜力的一种方式，但在培养初期如何在较短的时间内获得大量藻种是其面临的一个难题40。

另外，传统的微藻培养（以作为营养品的小球藻、螺旋藻等微藻的大规模光自养培养为例）所用的培养基营养成分比较充足和全面，到采收时藻细胞成分和初始种子差别不大，仍保持较高的繁殖活力，因此可以采用生产池中的藻液作为种子进行不断扩培。

但能源微藻的培养与作为营养品用的微藻培养方式不同，能源微藻的培养目的是为了获得尽可能高的油脂含量和油脂产率，培养后期往往采用胁迫条件（如缺氮等）使藻细胞积累油脂，而积累油脂后的藻细胞的组成和活性与正常细胞相比已发生了很大变化，难以作为种子进行下一步的扩培，因此能源微藻的规模化培养对藻种的需求量极大，种子的大规模稳定供给也就成为实现能源微藻大规模培养所亟待解决的主要瓶颈问题之一。

微藻的异养培养由于培养设备投资大、培养基成本高，难以直接用于能源微藻的规模化培养。但通过异养培养来获得藻种这一方式是可行且十分具有潜力的。Zheng等40已经证明了以异养细胞作为种子进行C.sorokiniana光自养培养是可行的。Han等41的研究也表明，采用异养种子进行蛋白核小球藻光自养培养，不仅能够保证藻种的及时稳定供给，而且可以提高微藻在光自养培养阶段的细胞产率和油脂产率。

10.3969/j.issn.1674-0319.2016.03.001