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科技前沿

小微藻 大产业

小球藻的产业化培养与采收简介


微藻类产业是全球经济的重要组成部分,而其中蛋白核小球藻就是非常重要的微藻品种之一,它的营养价值极高,是一种天然、均衡的营养食品,被广泛的应用于水产、食品、医疗保健品、美容等各领域。它所含有的多种营养物质对人体和其他水产生物的生长发育和健康成长都有非常好的作用。因此,选择合适的培养方法和采收方法,从而使微藻产业能够工业化生产并促进其可持续性是非常重要的。


目前国内外对小球藻培养方式有很多种方法:

1、最典型的是在开放池培养,开放式培养池具有结构简单,建造费用与运行成本低的特点,但缺点也非常明显,环境条件(光照、温度、湿度等) 的波动直接影响开放池系统的培养条件,不能实现工业化过程与条件的控制,因而难以获得高的培养效率和培养密度。这些问题正是制约开放池系统在能源微藻大规模培养应用中的关键。



2、密闭式光生物感应器培养,目前研究最多和应用规模较大的光反应器主要有平板式、管道式、气泡柱式等,其中管道式是最适合室外培养的一种。一般采用透明的直径较小的硬质塑料或玻璃、有机玻璃管,弯曲成不同形状构建而成,利用空气泵或气升系统实现培养物在管道内的循环。在诸多的封闭式光生物反应器中,管状光生物反应器发展最快,目前主要有水平管式、螺旋盘绕管式、环形管式等几种形式。管式反应器本身的特点使其具有大的光照表面积,但是这种设计又对规模化放大造成困难。在管道式反应器放大过程中,如果不改变管路的长度以及占地面积,就势必要增加管道的直径,而管子直径的增加又会导致管中心光强不足。另外管道内温度的控制也是一个难题。




3、生物膜贴壁培养技术,是指利用物理或者化学方法将具有一定活性的游离微藻细胞限定或者固定在固体表面,并使其保持活性的一种生物培养方法,常见用于污水处理领域,以脱除污水中氮盐、磷盐和重金属离子的污染物。微藻的生物膜吸附培养解决了微藻培养过程中能源消耗大、工艺复杂的问题。微藻可以在固体基质表面形成较稳定的生物膜,在特定条件下的藻细胞吸附率(固体基质表面吸附的生物质和总生物质之比)高达 90%以上。通过机械方法既能收获生物质。同时固体基质能反复利用,实现微藻的系统化生产。



4、高密度异养发酵技术,异养培养模式是指部分微藻能够不依赖任何光照,而是吸收利用有机物作为能量和细胞碳骨架来源,并吸收氮源和其它一些无机物来合成细胞。异养培养微藻一般采用封闭式系统,譬如发酵罐,与传统自养生产有很多优点:不依赖光照且快速增长、髙生产速率、高度的全程过程控制以及髙细胞密度能够降低釆收成本。异养发酵培养微藻的核心在于不断提供养料,维持微藻最佳生长基质浓度、温度、pH和溶氧。异养培养小球藻细胞的生长与培养基质碳源和氮源的存在密切相关,当培养基质中缺少碳源和氮源会严重抑制生物量的合成,为获得高产生物量,在发酵过程中及时补充碳源、氮源能够促进藻细胞生长。



小球藻采收的方法


1、传统的采收工艺是离心分离,离心工艺有两种一是碟式离心机,用于生产浓缩液,含水较高喷雾干燥制粉。再一种是高速管式离心机,生产藻膏含水低便于保活储运及降低干燥成本。其中使用管式离心机分离小球藻的采收成本费用占直接成本的80%,采收昂贵。



2、膜过滤技术,膜过滤是一种绿色无污染的环保型技术。现阶段国内外研究膜过滤的是用以各种膜为材料如涤纶滤布等,进行各种改性如聚多巴胺膜、聚乙烯亚胺膜、聚乙烯醇膜应用在小球藻过滤装置上。

3、絮凝法可以分为“外加絮凝剂法”和“自发性絮凝法”两大类。外加絮凝剂法根据所使用的絮凝剂种类又可分为无机絮凝剂法(金属盐类)、有机高分子絮凝剂法和生物絮凝剂法。自发性絮凝分为高pH诱导的自发性絮凝和胞外聚合物引起的自发性絮凝。金属盐类絮凝剂(铝盐、铁盐)因投加量大、对藻细胞有毒性及影响藻细胞的后续利用等缺点未能成为微藻絮凝的主要发展方向。有机高分子絮凝剂中聚丙烯酰胺对微藻的絮凝效果较差,可能释放有毒的丙烯酰胺单体,因此其应用前景有限。壳聚糖絮凝效率较高,但适应的絮凝pH一般为酸性,超出了微藻培养的正常范围,具有很大的局限性。阳离子淀粉在原料上可大量获取,价格低且投加量非常小,絮凝效果优异且基本不受pH影响,应用潜力巨大。



4、磁性分离技术,采收微藻首先利用带有磁性的介质捕获微藻细胞,然后在外磁场的作用下,被磁性介质捕获的微藻细胞可迅速沉降,实现微藻细胞的分离。在微藻的采收中,磁性分离显示出分离效率高、分离速度快,同时能耗较低等优点,具有较好的应用前景。目前一般磁性絮凝剂有CPAM-Fe3O4磁性絮凝剂,Fe3O4磁性纳米颗粒。絮凝过程通常基于四种作用机理,即电中和、压缩双电层、沉淀物网捕和吸附桥架作用。微藻户外培养结束后,将一定量的磁性絮凝剂直接添加到反应器内的培养液中,通气进行混合。然后,直接系入到磁分离器中,通过调节阀的开度控制进液量,测定不同流速下的分离效果。混含液进入分离槽内后,微藻-絮凝剂被吸附到磁鼓上,随着电机带动磁鼓转动,絮凝体被刮板不断刮除收集,而培养液则从底部的出料口排出。下图为磁分离流程图。



研发中心:马青彬


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