第四篇生物制品生產(chǎn),第10章微藻培養(yǎng)及應(yīng)用,太空農(nóng)場,藻類和植物在密封太空艙內(nèi)進(jìn)行長期實(shí)驗(yàn)(NASA),太空農(nóng)場,太空農(nóng)場（Space,Farm），學(xué)名:受控生態(tài)生保系統(tǒng)（ControlledEcologicalLifeSupportSystem,CELSS）：在太,空依靠繁殖綠色植物（蔬菜、藻類等）解決航天員所需的食物、氧氣和水等最基本物資的供應(yīng)，是實(shí)現(xiàn)未來長期載人星際旅行、移民的關(guān)鍵技術(shù)和難題之一。,觀賞鳥類與魚類、水產(chǎn)養(yǎng)殖食品、保健品、化妝品等,雨生紅球藻,蝦青素是一種紅色素，可以賦予火烈鳥、三文魚、蝦粉紅顏色,3種異構(gòu)型抗氧化性：左旋右旋內(nèi)消旋,蝦青素的應(yīng)用,1.化妝品領(lǐng)域應(yīng)用由于其強(qiáng)大的抗氧化性，全球差不多一線的化妝品品牌均添加了天然蝦青素作為其超強(qiáng)抗氧化劑的成分，包括雅詩蘭黛、歐萊雅的DermaE，尤其是日本的品牌高絲（KOSE）、芳凱（FancL)、DHC以及曼秀雷登等推出了專門的蝦青素系列保濕霜、抗皺眼霜、面膜、口紅等。只要看到那些紅色或橙色的宣稱抗氧化的，且售價(jià)數(shù)百上千元的化妝品都是加的蝦青素這一類物質(zhì)。實(shí)事求是的說：光靠“彈力蛋白”“膠原蛋白”是彈不走你的魚尾紋的。這些不過是原料而已。,2.保健食品領(lǐng)域的應(yīng)用全球的保健品企業(yè)也推出了大約200多款蝦青素軟、硬膠囊、口服液的保健食品。尤其是在日本這個(gè)壽命最長的國家最為受到歡迎，近3年來蝦青素成為日本最火爆的健康食品。東南亞包括臺(tái)灣、新加坡深受其影響。我國也有一些企業(yè)相繼跟進(jìn)。,赤潮、水華爆發(fā),微藻的危害,本節(jié)主要內(nèi)容,1.微藻特點(diǎn)與應(yīng)用領(lǐng)域2.微藻培養(yǎng)技術(shù),3.微藻培養(yǎng)生產(chǎn)代謝產(chǎn)物應(yīng)用舉例,本節(jié)關(guān)鍵問題,1.微藻培養(yǎng)的光生物反應(yīng)器特點(diǎn),2.微藻培養(yǎng)生產(chǎn)代謝產(chǎn)物的相關(guān)工藝技術(shù),一引言,（一）定義,藻類分為原核藻類和真核藻類，含有葉綠體，可以進(jìn)行光合作用。,微藻（Microalgae）一般是指那些在顯,微鏡下才能辨別形態(tài)微小的藻類。,迄今已知的藻類約有30,000余種，其中微藻約占70。微藻細(xì)胞微小、形態(tài)多,樣、適應(yīng)強(qiáng)、分布廣泛。,（二）分類,微藻有原核微藻和真核微藻兩大類。,根據(jù)微藻生長環(huán)境可分為水生微藻、陸生微藻和氣生微藻三種生態(tài)類群。,水生微藻又有淡水生和海水生之分，根據(jù)分布又可分為浮游微藻和底棲微藻。,已工業(yè)化生產(chǎn)或有應(yīng)用價(jià)值、能大量培養(yǎng)的種類,分別屬于4個(gè)門：藍(lán)藻門、綠藻門、金藻門和紅,藻門。,藍(lán)藻門(Cyanophyta),是能進(jìn)行光合作用的原核生物，一般呈藍(lán)色。有,1個(gè)綱藍(lán)藻綱和3個(gè)目。藍(lán)藻門在大約35億年,前就已在地球上出現(xiàn)。,藍(lán)藻和細(xì)菌在細(xì)胞結(jié)構(gòu)與生物化學(xué)性質(zhì)方面很類似，結(jié)構(gòu)簡單，無真正的細(xì)胞核和細(xì)胞器，主要,通過細(xì)胞分裂進(jìn)行增殖，能進(jìn)行光合作用放出O2。,（三）在生命起源與進(jìn)化中的作用1.地球什么時(shí)候出現(xiàn)的？50億年前,2.最早的生命出現(xiàn)在什么時(shí)間？40億年前3.細(xì)菌、藍(lán)細(xì)菌出現(xiàn)的時(shí)間？35億年前4.細(xì)胞核什么時(shí)間出現(xiàn)的？15億年前5.有性生殖最早出現(xiàn)的時(shí)間？10億年前6.多細(xì)胞生物是什么時(shí)間出現(xiàn)的？8億年前,7.什么時(shí)候生物多樣性開始變得非常豐富起來？6億年前8.人類出現(xiàn)時(shí)間？化石：萬年到萬年之間。比較人類與黑猩猩的DNA后的最新研究提示約為600萬前,50億年前地球出現(xiàn)，火山，溫度非常高,40億年前出現(xiàn)最早的生命形式：盧卡（Luca）微粒：有機(jī)物，外膜，吸收能量。因火山噴發(fā)-礦物質(zhì)，水體有,機(jī)物，顆粒,35億年前細(xì)菌、藍(lán)藻出現(xiàn)，進(jìn)行光合作用，放出氧氣。,之前，大氣很稀薄，氫、一氧化碳等，各種氣體于空中形成一朵朵的卷云，氧氣很少，因無充足的大氣層掩蔽，整個(gè)地球曝露在強(qiáng)烈的紫外線之下。,藍(lán)藻的作用：產(chǎn)生了氧氣，改變了大氣組成與特點(diǎn)，為生物進(jìn)化及高等生命誕生起了非常重要的作用。,寒武紀(jì)生物大爆炸.flv,最初的原始生命在無氧條件下，是通過分解氨基酸、糖類及脂肪獲取能量的（即進(jìn)行無氧呼吸），或者依靠無機(jī)氧化物的還原獲取能量。氧氣性大氣的出現(xiàn)，導(dǎo)致了臭氧層的形成和有氧呼吸的產(chǎn)生，這在生物進(jìn)化史上具有十分重要的意義。,臭氧層的形成：臭氧層的出現(xiàn)，阻止了紫外線對地面的直接輻射，保護(hù)了地球上的生命。,有氧呼吸的產(chǎn)生：在大氣層中有了氧氣以后，一些原始的生物逐步產(chǎn)生了進(jìn)行有氧呼吸的生物類型。,真核生物：真核細(xì)胞才出現(xiàn)，之前都是厭氧的原核生物?！昂浼o(jì)生命大爆發(fā)”可能與當(dāng)時(shí)空氣中氧氣含量的增加有關(guān)。,（四）微藻生產(chǎn)生物制品的特點(diǎn),利用太陽能和CO2通過光合作用生產(chǎn)有機(jī)物，生,長速度快、效率高、能耗低。,可以利用貧瘠土地、鹽堿地等極端環(huán)境。微藻培養(yǎng)簡單，容易產(chǎn)業(yè)化。,微藻提取有效成分不需要復(fù)雜的前處理。許多微藻可產(chǎn)生有生理活性的化合物。營養(yǎng)價(jià)值高。,（五）微藻應(yīng)用領(lǐng)域,微藻在能源、醫(yī)藥、食品、水產(chǎn)養(yǎng)殖、化工、環(huán)保、農(nóng)業(yè)及航天等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值。保健品、功能食品：片劑、粉劑、添加劑水產(chǎn)養(yǎng)殖：餌料航天：安保系統(tǒng),轉(zhuǎn)基因藥物：可以食用能源：生物柴油、氫,（六）三大經(jīng)濟(jì)微藻1.螺旋藻Spirulina,存在35億年。數(shù)百年前非洲一些部落就將螺旋藻制成藻餅食用。,螺旋藻是人類迄今為止所發(fā)現(xiàn)的最優(yōu)秀的純天然蛋白質(zhì)食品源，被聯(lián)合國糧農(nóng)組織和聯(lián)合國世界食品協(xié)會(huì)推薦為“二十一世紀(jì)最理想的食品”。,螺旋藻在降低膽固醇和血脂，抗癌，減肥，養(yǎng)胃護(hù)胃，治療貧血及微量元素缺乏，護(hù)肝，增進(jìn)免疫，調(diào)整代謝機(jī)能等方面都有積極作用。,蛋白質(zhì)含量高達(dá)6070%。魚肉的3倍，雞蛋的5倍。藻藍(lán)蛋白能增強(qiáng)人體免疫力。,維生素及礦物質(zhì)含量極為豐富：B1、B2、B6、B12、維生素E、維生素K等，并含鋅、鐵、鉀、鈣、鎂、磷、硒、碘等微量元素。類胡蘿卜素含量是胡蘿卜的1.5倍，維生素B12含量是豬肝的4倍，鐵含量是菠菜的23倍，是鐵含量最豐富的食物。,含有大量的-亞麻酸，人體必需的不飽和脂肪酸。,螺旋藻多糖具有抗輻射損傷和改善放、化療引起的副反應(yīng)作用，因此對腫瘤患者是食療佳品。螺旋藻中葉綠素含量極為豐富，是普通蔬菜含量,的10倍以上。,脂肪含量只有5%，且不含膽固醇，可使人體在,補(bǔ)充必要蛋白時(shí)避免攝入過多熱量。,2.小球藻Chlorella,一百多年前生物學(xué)家拜爾尼克（M.W.Beyernick）博士發(fā)現(xiàn)；把希臘文Chlor(綠色)和拉丁文表示細(xì)小物質(zhì)Ella組合，將其命名為Chlorella。因?yàn)樗闹睆街挥?8微米。形,狀呈圓球形。,營養(yǎng)全面而豐富，含有8種必需氨基酸和豐富的維生素及,鐵、鋅、鈣、鉀等礦物質(zhì)。,有豐富的葉綠素，有吸附毒素的作用。,小球藻有免疫調(diào)節(jié)作用，抗氧化，清除自由基延緩衰老；有降血壓作用；對大腸桿菌和病毒感染，能起到抑制作用。對預(yù)防消化性潰瘍、調(diào)節(jié)血脂、防治貧血有輔助作用。,3.杜氏藻Dunaliella,細(xì)胞內(nèi)常含有大量胡蘿卜素，致細(xì)胞呈橘紅色。環(huán)境不良時(shí)，細(xì)胞內(nèi)的結(jié)構(gòu)常為所含的血色素所掩蓋。本屬是鹽生藻類，見于許多鹽湖、鹽池及一些含鹽量高的水體中。,天然一胡蘿卜素不僅僅是優(yōu)良的食品天然色素，,而且具有很強(qiáng)的抗氧化作用，是多種癌細(xì)胞的良好抑制劑。,二微藻培養(yǎng)技術(shù),問題1：微生物依據(jù)生長時(shí)所需的能量和營養(yǎng)物質(zhì)(主要指碳源和供氫體)不同，可以分為哪幾種類型？,營養(yǎng)類型,能源,碳源,氫或電子供體,光能自養(yǎng)型光能光能異養(yǎng)型光能,CO2CO2,水或還原態(tài)無機(jī)物有機(jī)物,化能自養(yǎng)型化學(xué)能CO2化能異養(yǎng)型化學(xué)能有機(jī)物,還原態(tài)無機(jī)物有機(jī)物,（一）微藻的營養(yǎng)模式,（二）微藻培養(yǎng)方式1.光能自養(yǎng)培養(yǎng)技術(shù)（1）敞開式培養(yǎng),跑道池,（2）密閉式光生物反應(yīng)器培養(yǎng),光生物反應(yīng)器（Photobioreactor）是設(shè)計(jì)有光源系統(tǒng)的,主體為透明材料的生物反應(yīng)器，主要用于可進(jìn)行光合作用的微藻、植物細(xì)胞、光合細(xì)菌的培養(yǎng)。優(yōu)點(diǎn)：培養(yǎng)密度高，收獲效率也顯著提高。,培養(yǎng)條件易于控制，易于實(shí)現(xiàn)高密度培養(yǎng)，對代謝產(chǎn)物積累有利。,無污染，可實(shí)現(xiàn)純種培養(yǎng)。,不受地域環(huán)境限制，生產(chǎn)期長。,適合于所有微藻的光自養(yǎng)培養(yǎng)，尤其適合于微藻代謝產(chǎn)物產(chǎn)品的生產(chǎn)。,藻類光生物反應(yīng)器,密閉泵循環(huán)光生物反應(yīng)器養(yǎng)殖雨生紅球藻,氣升式光生物反應(yīng)器,實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模光生物反應(yīng)器,戶外大規(guī)模封閉式光生物反應(yīng)器,垂直式,傾斜式,水平式,問題2：微藻密閉式光生物反應(yīng)器以什么形狀為主？為什么？,光程短，利于光吸收，減少光衰減的影響。,（三）培養(yǎng)流程,藻種,培養(yǎng)液,逐級放大培養(yǎng),大規(guī)模培養(yǎng)系統(tǒng),生長條件控制,收獲干燥成品視頻,2.異養(yǎng)培養(yǎng)技術(shù),特點(diǎn)：指在無光照條件下，利用外源有機(jī)物包括糖類、蛋白水解物、有機(jī)酸等生長。,3.混養(yǎng)培養(yǎng)技術(shù),特點(diǎn)：有光照的條件下，既利用CO2進(jìn)行光合作,用又利用外源有機(jī)物生長，培養(yǎng)。,與自養(yǎng)相比的優(yōu)點(diǎn)：,微藻生長速度快、細(xì)胞密度高。在異養(yǎng)培養(yǎng)時(shí)，微藻細(xì)胞密度可達(dá)到或接近大腸桿菌及酵母的濃度。,從工業(yè)化角度分析，異養(yǎng)培養(yǎng)系統(tǒng)更便于生產(chǎn)過程的控制及穩(wěn)定生產(chǎn)。在封閉的生物反應(yīng)器中進(jìn)行微藻異養(yǎng)培養(yǎng)不但可實(shí)現(xiàn)純種培養(yǎng)而且可保證生產(chǎn)的重復(fù)性和連續(xù)性。,解除了光對微藻生長的限制，降低了微藻生產(chǎn)成本。微藻異養(yǎng)培養(yǎng)可采用微生物培養(yǎng)中的成熟技術(shù)及設(shè)備，易于規(guī)模放大，加快微藻及其產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。,（四）微藻培養(yǎng)生產(chǎn)生物制品面臨的問題,1.能大規(guī)模培養(yǎng)的微藻種類有限，三大藻為主，,有各自特點(diǎn)決定。,2.成本高：營養(yǎng)成本高、細(xì)胞濃度低、收獲成本,高。,3.深加工、高附加值產(chǎn)品少。,三微藻培養(yǎng)生產(chǎn)代謝產(chǎn)物,應(yīng)用舉例,（一）藻類生物柴油,生物柴油(Biodiesel)：指以油料作物、野生油料植物和微藻等水生植物油脂以及動(dòng)物油脂、餐飲垃圾油等為原料油通過酯交換工藝制成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料。,柴油分子是由15個(gè)左右的碳鏈組成的，植物油分子則一般由14-18個(gè)碳鏈組成，與柴油分子中碳數(shù)相近。,一般大豆的含油量在20%左右，花生油、芝麻等在40%左右，而微藻的含油量最高能達(dá)到60%，至少是大豆的3倍。,藻：每公頃16837升（每英畝1800加侖）（估計(jì)數(shù)據(jù)）麻：每公頃9354升（每英畝1000加侖）,烏桕：每公頃4705-9073升（每英畝503-970加侖）棕櫚油：每公頃4752升（每英畝508加侖）椰子：每公頃2151升（每英畝230加侖）油菜籽：每公頃954升（每英畝102加侖）,微藻不爭地、不爭糧食；微藻煉油還能固廢減排，,大豆：每公頃554-922升（每英畝59.2-98.6加侖）花生：每公頃842升（每英畝90加侖）向日葵：每公頃767升（每英畝82加侖）,例如可以用廢水、廢氣養(yǎng)殖等,油脂的主要成分是甘油和三個(gè)脂肪酸組成的三酰甘油酯。目前生物柴油主要是用化學(xué)法生產(chǎn)，在酸或者堿性催化劑,和高溫(230-250)下進(jìn)行轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)，生成相應(yīng)的脂肪,酸甲酯或乙酯，再經(jīng)洗滌干燥即得生物柴油?？僧a(chǎn)生副產(chǎn)品甘油。,脂肪酸甘油三酯,文獻(xiàn)討論1,原始小球藻(Chlorellaprotothecoides),微量元素溶液A5組成,成分H3BO3,g/L2.860,MnCl24H2O1.810,微量元素溶液B6組成,ZnSO47H2O0.222CuSO45H2O0.079,MoO3,0.015,成分NH4VO3,g/L22.96,KCr(SO4)212H2O192.00NiSO46H2O44.80Na2WO42H2O17.94TiOSO4H2SO48H2O61.10Co(NO3)26H2O43.98,（二）杜氏藻培養(yǎng)生產(chǎn)-胡蘿卜素,1910年在胡蘿卜中發(fā)現(xiàn)了-胡蘿卜素，屬于類胡蘿卜素（carotenoid）。,1.醫(yī)藥用途：-胡蘿卜素、-胡蘿卜素等在動(dòng)物體內(nèi)變?yōu)橐朁S醇（維生素A）和視黃醛（維生素A醛），與視覺有關(guān)。-胡蘿卜素在肝臟中加2分子水，斷裂為兩個(gè)分子的維生素A1（全反式維生素A），不同的胡蘿卜素轉(zhuǎn)化為維生素A的有效率并不一致，其中以-胡蘿卜素的活性最高。缺維生素A導(dǎo)致夜盲癥。,-胡蘿卜素具有抗氧化、抗腫瘤、抗衰老、增強(qiáng)免疫力等作用，如對艾滋病患者可提高免疫力。,-胡蘿卜素結(jié)構(gòu)：,-胡蘿卜素結(jié)構(gòu)：,2.食品添加劑,-胡蘿卜素是重要的色素，是聯(lián)合國糧農(nóng)組織和世界衛(wèi)生組織食品添加劑聯(lián)合專家委員會(huì)認(rèn)定的A類優(yōu)秀有營養(yǎng)的食品添加劑（foodadditives）。,3.日用化妝品,-,-胡蘿卜素的提取物含豐富的氨基酸、維生素、天然保濕因子、微量元素和其它生物活性物質(zhì)，在日用化妝品（唇膏、胭脂等）中添加胡蘿卜素，色澤豐滿自然，還能起到保護(hù)皮膚的作用。,4.飼料添加劑,能提高動(dòng)物的生長速率和肉類質(zhì)量，提高牛、馬、豬的繁殖能力，增強(qiáng)鮭魚、蝦的色澤，加深禽蛋的顏色。,生產(chǎn)途徑,（1）化學(xué)合成,在合成品中的-胡蘿卜素全為全反式構(gòu)型，而天然-胡蘿卜素除有全反式構(gòu)型外，還含有不同程度的9-順式和15-順式構(gòu)型，其中9-順式-胡蘿卜,素在胡蘿卜的遺傳毒性和抗遺傳毒性中起著關(guān)鍵作用。,化學(xué)合成法生產(chǎn)胡蘿卜素技術(shù)復(fù)雜、難度大、活性低、不能完全被人體吸收，并對人體產(chǎn)生一定程度的毒副作用，不少國家已限制使用。,（2）天然產(chǎn)物提取法,從天然植物原料或者植物原料經(jīng)加工處理后的下腳料中，,采用有機(jī)溶劑(如石油醚、氯仿、丙酮、乙醚、乙醇等)萃取-胡蘿卜素的一種方法。,可供提取-胡蘿卜素