小球藻光生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)及其應(yīng)用

鄧傳杰

（山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司資源環(huán)境管理局，山西 晉城 048006）

引 言

微藻因其分布廣泛、較快適應(yīng)環(huán)境、營養(yǎng)豐富的特征，在基因工程、食品領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。我國對微藻的研究工作起步較晚，所以在商業(yè)領(lǐng)域發(fā)展較慢。自20世紀(jì)80年代開始養(yǎng)殖微藻以來，我國各地區(qū)形成了很多養(yǎng)殖基地，但養(yǎng)殖基地普遍存在生產(chǎn)規(guī)模小、品種單一、科技含量不高的特點(diǎn)，影響著微藻質(zhì)量。光生物反應(yīng)器和普通生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)類似，有溫度、CO2、光、溶解樣等條件的控制和條件系統(tǒng)，其最大的特點(diǎn)是可以培養(yǎng)具有光合能力的組織或者細(xì)胞［1］。伴隨人們對微藻的不斷研究和認(rèn)識，用微藻培養(yǎng)的反應(yīng)器受到人們的高度重視。

1 小球藻概述

小球藻是淡水藻群，是可以進(jìn)行光合作用的自養(yǎng)型生物，常見的小球藻有鹽生小球藻、蛋白核小球藻、卵形小球藻和眼點(diǎn)小球藻。小球藻具有豐富的營養(yǎng)價(jià)值，含有豐富的蛋白質(zhì)、氨基酸、礦物質(zhì)和維生素等。其中，蛋白質(zhì)含量非常高，可達(dá)64%。然而它的營養(yǎng)成分會由于培養(yǎng)方式、藻種品系的不同而存在差異［2］。小球藻的超高蛋白質(zhì)含量使其生物學(xué)產(chǎn)量明顯高于其他作物，藻蛋白生產(chǎn)正在快速發(fā)展，且已被用到食品添加劑、保健品等食品領(lǐng)域；由于微藻膠體具有很強(qiáng)的抗腫瘤活性，所以其在醫(yī)藥工業(yè)方面也引起專家們的關(guān)注；微藻的核酸含量明顯高于常規(guī)食品，所以人們開始嘗試用微藻來做魚類餌料及動(dòng)物飼料。

2 光生物反應(yīng)器種類和特點(diǎn)

光生物反應(yīng)器可以分為封閉式的光生物反應(yīng)器和開放式的光生物反應(yīng)器。我國對封閉式的反應(yīng)器研究工作還處于開發(fā)階段。封閉式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、光能利用度高，且含有可持續(xù)高密度培養(yǎng)、進(jìn)行無菌操作等優(yōu)點(diǎn)，但由于成本較高，所以應(yīng)用受到一定限制［3］。封閉式的光生物反應(yīng)器依據(jù)主體結(jié)構(gòu)分為3種類型，即水平板式、管式和傳統(tǒng)管式。因?yàn)榉忾]式反應(yīng)器可以培養(yǎng)各種微藻，所以它具有良好的開發(fā)前景，發(fā)展?jié)摿薮?。開放式的光生物反應(yīng)器是非常古老的藻類反應(yīng)器，它最大的特點(diǎn)是成本低廉、組成簡單、方便操作。它又可以分為2種類型，即傾斜式的光生物反應(yīng)器和水平式的光生物反應(yīng)器，它們分別在反應(yīng)器位于傾斜面和水平面時(shí)完成液體的循環(huán)。目前，我國的開放式反應(yīng)器技術(shù)已經(jīng)基本成熟，且已有大規(guī)模的投入使用。

3 光生物反應(yīng)器的性能影響因素

光生物反應(yīng)器的性能常常會受到客觀因素影響而發(fā)生變化。例如，反應(yīng)器的產(chǎn)氧抑制、光表面積及碳源的供應(yīng)方式等。微藻在光合作用過程中把二氧化碳轉(zhuǎn)為的氧氣溶解到藻液里，藻液中氧氣濃度達(dá)到一定比例時(shí)會阻斷藻細(xì)胞與營養(yǎng)物質(zhì)接觸，影響光合作用的產(chǎn)生。所以，要盡量降低藻液的含氧量，保證高密度培養(yǎng)。在培養(yǎng)時(shí)可以利用動(dòng)力攪拌等方法，降低藻細(xì)胞和氧氣泡的黏結(jié)力。微藻培養(yǎng)時(shí)的光能主要通過光直接照射獲得，所以微藻的光能利用率和光照條件有直接聯(lián)系［4］。增大受光面積可以加快微藻的受光頻率，進(jìn)而增強(qiáng)光合作用，提高細(xì)胞生長速度。常見的采光方式有人工采光和自然采光。目前，較大規(guī)模的微藻培養(yǎng)多利用自然采光，因?yàn)槠涑杀镜?、光照面積廣。設(shè)計(jì)光生物反應(yīng)器時(shí)，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)會因碳源提供的方式不同而出現(xiàn)差別。例如，用二氧化碳作為碳源時(shí)，需要增加外部配氣系統(tǒng)裝置，以獲得所需的二氧化碳濃度，進(jìn)而保證光合作用速率。

4 光生物反應(yīng)器原理及其設(shè)計(jì)

小球藻開放式的培養(yǎng)系統(tǒng)常常會因季節(jié)限制其生產(chǎn)周期，容易被污染、很難控制培養(yǎng)條件等，所以專家學(xué)者研發(fā)了各種小球藻培養(yǎng)反應(yīng)器，主要有罐式、鼓泡式和氣升式反應(yīng)器。本文要設(shè)計(jì)小型的罐式小球藻反應(yīng)器。

4.1 反應(yīng)器原理

光對藻類生長具有重要影響，光生物反應(yīng)器的受光量和微藻的培養(yǎng)有緊密聯(lián)系，微藻產(chǎn)量隨光強(qiáng)度是否滿足其生長需要而發(fā)生變化。所以，設(shè)計(jì)反應(yīng)器一定要考慮光能效率影響。光的衰減速度和細(xì)胞濃度、微藻類別有關(guān)。當(dāng)光進(jìn)去反應(yīng)器后，因?yàn)樵寮?xì)胞的吸收和光程增加使光有所衰減，致使光不能均勻分布。但這種衰減現(xiàn)象普遍存在，一定要采取措施降低光衰減，進(jìn)而提升反應(yīng)器的光能利用率［5］。增加入射光強(qiáng)度是常用的降低衰減措施，通過增大光強(qiáng)度能夠加速藻細(xì)胞生長，使藻液濃度升高。微藻體中含有大量碳，藻細(xì)胞生長要消耗大量二氧化碳，所以碳源含量及種類是微藻成長的前提和基礎(chǔ)。微藻自養(yǎng)過程要吸收很多無機(jī)碳源，且無機(jī)碳源的類別會隨藻種的不同而存在差別。微藻異養(yǎng)要用淀粉、葡萄糖作為其碳源。異樣培養(yǎng)成本非常高，所以多數(shù)微藻都是通過自養(yǎng)獲得。養(yǎng)殖微藻過程中，二氧化碳的需求量會隨著藻細(xì)胞濃度上升而增加，但二氧化碳濃度過高會阻礙微藻生長。溫度過高會使藻細(xì)胞光合酶的活性下降，進(jìn)而使光合速率下降。所以，要控制適宜的溫度，以促進(jìn)微藻快速生長。

藻細(xì)胞在光合生長時(shí)會釋放很多氧氣，使藻液溶氧量增加，過多的溶氧量會影響藻細(xì)胞正常生長，甚至出現(xiàn)氧抑現(xiàn)象。所以，要注意解析藻液溶氧，盡量縮短循環(huán)路程。罐式反應(yīng)器可以攪拌藻液，以利于混合藻液并析出溶氧。

4.2 反應(yīng)器的設(shè)計(jì)

罐式光生物反應(yīng)器的主體結(jié)構(gòu)是普通透明的玻璃容器，利用膠塞把瓶口密封。改裝后，容器中間裝有攪拌葉片，瓶口設(shè)計(jì)有排氣口與進(jìn)料口，底部設(shè)置進(jìn)氣口與出料口。光源發(fā)射器可以選用12W的日光燈光源，具體參數(shù)：空間利用系數(shù)0.5，燈管光通量500lm，維護(hù)系數(shù)0.7。光照強(qiáng)度過低或過高都會對藻體生長產(chǎn)生重要影響，依據(jù)目前的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，選用12klux的光照強(qiáng)度，進(jìn)而求得燈管數(shù)量：N＝Eav÷CU÷?÷KXA＝12 000÷0.5÷500÷0.7×0.3 371＝23根。所以，取24根燈管，并將它們以環(huán)形方式安裝在鐵網(wǎng)燈架處，構(gòu)成外置光源，將反光膜貼在燈架外，讓光進(jìn)行多次反射，進(jìn)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，運(yùn)用燈管數(shù)或強(qiáng)度控制開關(guān)條件；達(dá)到小球藻需要的光強(qiáng)。因?yàn)楦邼舛鹊亩趸紩ξ⒃迳L產(chǎn)生抑制作用，所以要增加調(diào)節(jié)二氧化碳濃度的裝置。循環(huán)混合氣體的能量和反應(yīng)器液體產(chǎn)生的壓力有關(guān)，由V＝πr2h，反應(yīng)器培養(yǎng)體積為15L下的藻液深度為0.332m，由于藻液密度大于水，如果水充滿容器，底部水壓力是p＝ghp＝3.25kPa，所以氣體循環(huán)需要消耗更多能量。由于玻璃容易耐壓度較低，因此不適合作氣體的混合裝置，需要用小鋼瓶將其進(jìn)行適當(dāng)改裝。因?yàn)樽孕性O(shè)計(jì)的罐式反應(yīng)器里沒有加熱棒，故僅依靠外界溫度變化來間接調(diào)控溫度。雖然本設(shè)計(jì)里的日光燈熱量較少，但還有很多光轉(zhuǎn)為熱量，使藻液溫度上升，進(jìn)而影響藻細(xì)胞生長。所以，要控制反應(yīng)器溫度，可以在反射區(qū)鐵網(wǎng)燈架中貼聚氯乙烯的透光膜。該膜不會對透光性能產(chǎn)生影響，可以防止光輻射傳到藻液，也可以有效調(diào)節(jié)反應(yīng)器溫度。微藻的光合作用要吸收大量二氧化碳，二氧化碳?xì)馀莸拇笮ξ⒃宓墓夂献饔镁哂兄匾绊?。本設(shè)計(jì)利用二氧化碳混合空氣，在反應(yīng)器下方設(shè)置通氣裝置，運(yùn)用纖維膜和曝氣頭來細(xì)化二氧化碳的供氣。然而實(shí)際操作時(shí)，藻液中二氧化碳?xì)馀莸闹睆胶艽?，且停留時(shí)間非常短，很難熔解，不能促進(jìn)微藻的轉(zhuǎn)化吸收。所以，設(shè)計(jì)過程中二氧化碳細(xì)化器的使用壓強(qiáng)應(yīng)該高于0.2MPa。只有這樣，才能把二氧化碳的混合氣體粉碎成直徑較小的小氣泡，使其可以和藻液充分混合到一起，擴(kuò)大氣泡和液體的接觸面積，有利于傳質(zhì)效率的提高。此外，通過攪拌裝置和擋板可以延長氣泡的停留時(shí)間，利于微藻進(jìn)行光合作用，最終提高微藻的產(chǎn)量。

5 光生物反應(yīng)器在煤化工廢水處理方面的應(yīng)用

運(yùn)用光生物法來處理煤化工廢水，不但能降低小球藻的培養(yǎng)成本，而且可以避免煤化工產(chǎn)生的廢水直接排放到自然河流而造成局部水體污染。依據(jù)煤化工的廢水物理性質(zhì)先進(jìn)行初步處理，再使用沉淀方法進(jìn)行沉淀。待固體成分完全沉降后，提取上面的清液，輔以抽濾的方法去除較大顆粒的固體雜質(zhì)［6］。然后，將藻種進(jìn)行離心處理，用廢水洗脫。獲取高濃度廢水藻液，置于溫室內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)，每天保持搖蕩2次～3次，且每3天測1次廢水藻液的氮磷含量、導(dǎo)電率、細(xì)胞濃度，從而獲得小藻球在處理煤化工廢水時(shí)的最佳接種濃度。在一定濃度范圍內(nèi)，小藻球的生長速度迅速。由于煤化工廢水中P、N的濃度是不變的，所以濃度高的藻液在一定時(shí)間內(nèi)吸收P、N的速度也迅速。以煤化工的廢水作為培養(yǎng)液，使小藻球在光生物反應(yīng)器當(dāng)中以最優(yōu)良的培養(yǎng)條件進(jìn)行培養(yǎng)，使藻細(xì)胞過2天適應(yīng)期后快速生長，這樣培養(yǎng)在光生物反應(yīng)器內(nèi)的小藻球可以適應(yīng)煤化工的廢水體系，充分利用廢水當(dāng)中營養(yǎng)元素和物質(zhì)，保持生長。

6 結(jié)束語

運(yùn)用光生物反應(yīng)器所培養(yǎng)的小藻球來進(jìn)行煤化工廢水處理，小藻球?qū)τ趶U水當(dāng)中的P、N元素除去率可達(dá)到90%和70%以上，處理效果非常明顯。伴隨人們對微藻的不斷研究和認(rèn)識，用微藻培養(yǎng)的反應(yīng)器受到人們的高度重視。目前，我國的開放式反應(yīng)器技術(shù)已經(jīng)基本成熟，且已有大規(guī)模的投入使用。

［1］ 游建軍，熊珊，賀前鋒.煤化工廢水處理技術(shù)研究及應(yīng)用分析［J］.科技信息，2013（2）：370.

［2］ 劉春朝，劉瑞，王鋒.微藻培養(yǎng)過程的光特性研究進(jìn)展［J］.生物加工過程，2011（6）：69－76.

［3］ 李永富，孟范平，李祥蕾，等.光照對光生物反應(yīng)器中微藻高密度光自養(yǎng)培養(yǎng)的影響［J］.中國生物工程雜志，2013，33（2）：103－110.

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