基于毛細作用的微藻固定化復合載體培養(yǎng)系統(tǒng)培養(yǎng)條件的研究

楊 婷

(泉州師范學院 應用科技(航海)學院，福建 泉州 362000)

能源短缺與環(huán)境污染已成為制約當前世界各國經濟發(fā)展和人類生活的嚴重問題.微藻作為可再生能源的優(yōu)良原料，常見的小球藻具有生長速率快產油率高的特點.Chisti報道微藻生物柴油是非常有希望滿足交通運輸業(yè)能源需求的可再生能源.微藻生物油比大多數(shù)油料作物多了很多帶有四個及以上雙鍵的不飽和脂肪酸，因此微藻生物柴油是唯一在經濟上可行可代替液體燃料的可再生能源[1].微藻固定化培養(yǎng)是通過自然或者人工的方法將活體藻細胞吸附于固定載體上，使藻體不會懸浮或者游離于其原始吸附位置的一種培養(yǎng)方式[2]將藻類培養(yǎng)與污水處理結合起來，在使微藻產量最大化的同時可以有效減少廢水中可溶氮、磷濃度，而收獲的微藻生物質還可提供生物油和其他副產物[3].“吸附式微藻固定化培養(yǎng)”是將濕藻種育種于由支持材料形成的生物膜層上，營養(yǎng)鹽和水分由承載體多孔結構的毛細作用吸附和擴散傳質給微藻供其生長，是一種高效的微藻培養(yǎng)方法，并為生物油產業(yè)化的發(fā)展提供了技術支持[4].

經過數(shù)年的研究，微藻的懸浮培養(yǎng)技術已經較為成熟，并且隨著先進的光能利用技術在反應器的設計中被引用，懸浮培養(yǎng)的光能利用率及培養(yǎng)產量都有了大幅的提高，但由于懸浮培養(yǎng)技術的自身缺陷(培養(yǎng)與收獲成本過高)并不能達到理論預期[5].相較懸浮培養(yǎng)，固定化培養(yǎng)技術已經體現(xiàn)出其優(yōu)勢，并且越來越受到研究學者的認同[6].但還是存在營養(yǎng)傳質時對藻體的沖刷與吸附穩(wěn)定性不足等問題，目前此項研究還屬于起步階段.對于利用毛細作用原理進行廢水營養(yǎng)傳質與在固定化培養(yǎng)中加入光稀釋原理的研究甚少，所以選擇以此為切入點進行研究，在生產可再生能源的同時達到了污水治理的目的，提高生物質產量的同時降低了能耗消耗，具有顯著的經濟與社會效益.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

藻種：普通小球藻(Chlorella vulgaris FACHB-1072)，藻種來自于中國科學院野生生物種質庫淡水藻種庫.用于藻種育種的培養(yǎng)液為Modified Basal培養(yǎng)液，育種方法及初始培養(yǎng)條件同Shen等[7].

固定化培養(yǎng)培養(yǎng)基和載體材料：實驗采用預處理過的禽畜出水作為培養(yǎng)基，禽畜污水來源于福州市上街鎮(zhèn)溪源宮養(yǎng)豬場.將獲取的出水過濾并按一定比例稀釋后以備使用.預處理后養(yǎng)殖廢水的基本性質為：褐色，pH 7，TN濃度為262±5.86 mg/L，TP濃度為11.4±0.0.25 mg/L.承載體選用親水材料氨綸.骨架材料選取了高聚合物材料聚丙烯(Polypropylene)作為骨架部分的材料，在實驗過程中均裁剪為10 cm×50 cm的規(guī)格.

試劑：所用試劑均為分析純.

培養(yǎng)系統(tǒng)反應器裝置：基于毛細作用的微藻固定化復合載體培養(yǎng)系統(tǒng)如圖1，該反應器的主要組成部分包括：培養(yǎng)單元、光源供給系統(tǒng)、CO2發(fā)生及供給裝置系統(tǒng)、流量監(jiān)測系統(tǒng)與通氣道.培養(yǎng)單元中復合載體培養(yǎng)單元三維示意圖如圖2所示.骨架豎直支撐于儲液槽上方，并且骨架底部部分區(qū)域(豎直高度3～5 cm)浸沒于培養(yǎng)液中，主要作為營養(yǎng)物質的輸入端，通過親水材料承載體的毛細作用及承載體非浸沒區(qū)域液體的蒸騰作用在豎直方向建立壓力差作為驅動力，使得培養(yǎng)液在承載體的毛細管間隙中自下而上的運動為微藻生長提供必要的養(yǎng)分.本實驗中所采用的CO2供給系統(tǒng)由CO2氣瓶、空氣壓縮機、氣體流量計、CO2濃度傳感器和通氣管道等組成.結合培養(yǎng)區(qū)域空間大小及在培養(yǎng)環(huán)境中所需的CO2濃度，通過調整CO2氣瓶及空氣壓縮機的壓力及流量，形成具有一定壓力和所需濃度的CO2混合氣，CO2濃度由濃度傳感器監(jiān)測，并由氣體流量計控制各個培養(yǎng)單元的氣體流量，由于CO2密度較空氣大，將進氣管道的輸出端布置于培養(yǎng)區(qū)域的上部.CO2供給裝置與培養(yǎng)單元組成統(tǒng)一的整體.各培養(yǎng)單元之間用PVC薄膜隔開，整體為半開放式.由頂置36 W射燈作為人造光源，可調整培養(yǎng)載體每側光照強度在0～350 μmol/m2/s之間.本實驗裝置將提供微藻生長所需空間的承載體蛇形纏繞于固體骨架材料表面，組成復合載體，這在一定程度上擴大了微藻培養(yǎng)載體面積，不同面積的承載體纏繞于固定尺寸的骨架上，即產生了不同光稀釋率的培養(yǎng)單元，如圖2所示.

圖1 基于毛細作用的微藻固定化復合載體培養(yǎng)系統(tǒng)

圖2 培養(yǎng)面積擴大方式

(1)

(2)

其中：Rl為培養(yǎng)單元光稀釋率；RAD為光稀釋面積比率即光能有效利用面積與投影面積比率；Ac為培養(yǎng)微藻載體面積；Al為培養(yǎng)單元接收到入射光投影面積；AR骨架面積，n1(2)為培養(yǎng)單元載體片數(shù)；L1復合載體長度，W1(0.05 m)復合載體寬度；L2(0.1 m)投影面積長度；W2投影面積寬度(0.06 m)；L3(0.5 m)骨架長度；W3(0.1 m)骨架寬度.

1.2 實驗過程

根據(jù)產油微藻Chlorella vulgaris FACHB-1072固定化培養(yǎng)過程及本反應器結構特點特點，本實驗以微藻在培養(yǎng)周期內的生物質產率為響應目標，選取培養(yǎng)周期(h)、CO2流量(L/min)、光稀釋面積比率RAD為研究因素，采用曲面響應法(Response surface methodology,RSM)進行實驗設計，研究不同反應條件對目標參數(shù)的協(xié)同作用，并進行目標參數(shù)的優(yōu)化計算.三因素水平分別選取為24～216 h、0～0.06 L/min、1.1-1.5進行優(yōu)化分析：利用中心組合設計(Central Composite Design,CCD)進行實驗，通過實驗數(shù)據(jù)擬合出二階響應面數(shù)學模型，用來確定最優(yōu)生物質產率實驗條件；最終進行最優(yōu)培養(yǎng)條件的驗證實驗.

表1 各因素水平表

1.3 實驗具體過程

利用如圖1所示基于毛細作用的微藻固定化復合載體培養(yǎng)系統(tǒng)進行5種培養(yǎng)周期(24 h；63 h；120 h；177 h；216 h)、5種CO2流量(0 L/min；0.012 L/min；0.03 L/min；0.048 L/min；0.06 L/min)與5種光稀釋面積比率RAD(1.1；1.18；1.3；1.42；1.5)的交叉培養(yǎng).將微藻均勻接種于具有不同光稀釋面積比率的復合載體表面，接種密度為15 g/m2，實驗光照條件為反應器桁架頂部36 W白色射燈光源平行載體表面照射，環(huán)境溫度為26±3 ℃，在各個載體表面通入1%濃度不同流速的CO2混合氣.光照與通氣均為24 h不間斷進行.培養(yǎng)初期儲液槽中各加入400 mL處理過的養(yǎng)殖廢水作為培養(yǎng)基，培養(yǎng)基TN濃度(262)mg/L，TP濃度(11.4)mg/L.為了補償每日的營養(yǎng)供給及蒸發(fā)消耗，后續(xù)每天兩次(上午8點與下午20點)為其補充蒸餾水至400 mL體積刻度處.以此來探究在額定的光能投影面積條件下，通過改變培養(yǎng)單元的光稀釋率、培養(yǎng)周期及不同的CO2流速，以確定最佳的培養(yǎng)參數(shù)設置，具體實驗分組如表2所示.

表2 中心組合設計與結果

2 結果與討論

2.1 生物質產率為響應指標的響應面模型建立與顯著性檢驗

以生物質產率為響應指標的響應模型的方差分析(ANOVA)結果如表3所示.該模型Prob(P)>F值小于0.001，表明該模型極顯著.失擬項F值為0.35，Prob(P)>F值為0.860 8大于0.05，失擬項不顯著，故該模型設計可靠度高.在回歸方程模型中，一次項A、C及所有二次項均極為顯著，而交互項AB顯著，交互項AC、BC作用不顯著.三個因素對微藻生物質產率的顯著性依次為A>C>B，即培養(yǎng)周期>光稀釋面積比率RAD>CO2流速.

表3 二次多項模型及其各項對生物質產率的方差分析

經過多元回歸二次擬合分析，得到生物質產率Y對培養(yǎng)周期A、CO2流量B、光稀釋面積比率C的二次多項式回歸方程為：

Y=33.87+1.42A+0.68B+1.05C+0.61AB-0.25AC+0.11BC-5.30A2-6.05B2-2.89C2

(3)

2.2 生物質產率為響應指標的響應曲面圖分析

培養(yǎng)周期(A)、CO2流速(B)和光稀釋面積比率RAD(C)對生物質產率的響應曲面圖及等高線圖如圖3所示.

(a)A、B對產率響應圖

由圖3(b)小圖可知，當CO2流速保持在0.03 L/min，隨著培養(yǎng)周期從63 h增加到120 h，生物質產率由27 g/m2/day提高至34.87 g/m2/day左右，隨著培養(yǎng)周期的持續(xù)增加，生物質產率開始下降，這是因為隨著生物質產率的增高，生物膜的厚度也隨之增加，而當厚度超過一定值時，處于生物膜底層的藻細胞被新生長的表層生物膜覆蓋，無法正常接受生長所必需的光照及二氧化碳而生長，甚至出現(xiàn)衰減或者死亡現(xiàn)象，這表明在本光生物反應器中，過長或過短的培養(yǎng)時間均不利于微藻生物質產率達到較高水平.由圖3中(d)小圖可知當光稀釋面積比率RAD在1.24～1.36之間時，隨著培養(yǎng)周期的增加，生物質產率由26 g/m2/day提高至34 g/m2/day左右，而后隨著周期的繼續(xù)增加產率呈現(xiàn)下降的趨勢.故可得出培養(yǎng)周期對產率的影響極其顯著，并在120 h左右達到最大值.分析小圖(d)和(f)發(fā)現(xiàn)，保持其他因素不變，光稀釋面積比率RAD對產率的影響也較為明顯：當固定培養(yǎng)周期在120 h時，光稀釋面積比率RAD從1.18擴大到1.36時，生物質產率從30 g/m2/day提高至34 g/m2/day左右，而隨著光稀釋面積比率RAD的繼續(xù)擴大，生物質產率開始下降，這是因為在入射光強及分布相等的情況下，不同培養(yǎng)單元改變光稀釋比后，可以等價于改變了單位面積的光照強度.光照強度的不同對微藻生長有著顯著的影響，Boussiba等進行了光照強度0～2 000 μmol/m2/s范圍內對微藻生長產生的影響實驗，實驗結果表明隨著光照強度的增加，微藻的生物質產量呈現(xiàn)先增加后減少規(guī)律.其次，在骨架表面積不變的情況下，合理擴大培養(yǎng)載體表面積，在一定程度上提高了同樣培養(yǎng)單元內的微藻固定化生長面積，而選用具有一定透光性的氨綸作為載體材料，使其少量的載體重疊部分也能吸收一定的光能，使得生物質產率有所提高的同時也增加了培養(yǎng)單元的光能利用率.

2.3 優(yōu)化固定化培養(yǎng)條件驗證

綜合考慮生物質產率及廢水中氮去除率兩個指標和實驗可行性等因素，得到最優(yōu)組合條件為培養(yǎng)周期取124.86 h，CO2流速取0.04 L/min，光稀釋面積比率RAD取1.33，最大生物質產率及TN去除率可分別達到33.65 g/m2/d,94.896%.經驗證實驗得到小球藻生物質產率為34.81 g/m2/day，TN去除率為95.64%，與模型預測值無顯著性差異，說明該模型能夠較好地預測實際小球藻在此反應器的生長及TN去除情況.

表4 響應面法優(yōu)化結果與實驗結果對比

3 結 論

采用頂部直射光源設計，結合反應器自身結構特點，采用中心組合設計確定最佳實驗條件，實驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，對模型進行方差分析得響應值生物質產率Y與所考察的因素之間的線性關系顯著，三種因素的影響依次為：培養(yǎng)周期、光稀釋面積比率RAD、CO2流速.對模型進行方差分析得響應值與所考察因素之間線性關系顯著，模型能夠很好地預測響應值，得到固定化培養(yǎng)微藻及廢水除氮最佳培養(yǎng)參數(shù)：培養(yǎng)周期124.86 h，CO2流速0.04 L/min，光稀釋面積比率RAD為1.33，驗證實驗得到小球藻生物質產率為34.81 g/m2/d，TN去除率為95.64%，與模型預測值無顯著性差異，說明該模型能夠較好地預測實際小球藻在此反應器的生長及TN去除情況.