第四章

微藻的大規(guī)模培養(yǎng)【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1.了解不同微藻大規(guī)模培養(yǎng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)。2.了解不同微藻采收技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。主要內(nèi)容第一節(jié)微藻的開(kāi)放式培養(yǎng)第二節(jié)微藻的半封閉式培養(yǎng)第三節(jié)微藻的異養(yǎng)培養(yǎng)第四節(jié)微藻的采收技術(shù)第一節(jié)微藻的開(kāi)放式培養(yǎng)開(kāi)放式培養(yǎng)開(kāi)放式培養(yǎng)的低成本優(yōu)勢(shì)開(kāi)放式培養(yǎng)因其簡(jiǎn)單的設(shè)施需求和操作流程，顯著降低了微藻生產(chǎn)的資金投入與能耗。這種培養(yǎng)方式適用于預(yù)算有限且對(duì)產(chǎn)量要求不高的研究或小規(guī)模生產(chǎn)。外源污染的風(fēng)險(xiǎn)開(kāi)放式培養(yǎng)系統(tǒng)容易受到外界環(huán)境的影響，包括其他藻類、細(xì)菌、真菌或病毒的入侵。這些污染物不僅影響微藻的純度，還可能降低培養(yǎng)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。生長(zhǎng)參數(shù)控制的挑戰(zhàn)在開(kāi)放式培養(yǎng)中，由于直接暴露于自然環(huán)境下，對(duì)溫度、光照、二氧化碳濃度等關(guān)鍵生長(zhǎng)參數(shù)的控制變得困難，這限制了微藻的生長(zhǎng)速度和最終的生物量產(chǎn)出。123微藻培養(yǎng)跑道池的基本結(jié)構(gòu)閉環(huán)流動(dòng)通道設(shè)計(jì)

微藻培養(yǎng)跑道池的閉環(huán)流動(dòng)通道具有特定的深度和形狀，這種設(shè)計(jì)不僅保證了培養(yǎng)液的均勻流動(dòng)，還有助于微藻細(xì)胞與營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)的有效接觸，從而促進(jìn)微藻的生長(zhǎng)和繁殖。

攪拌葉輪的作用

攪拌葉輪在微藻培養(yǎng)中扮演著至關(guān)重要的角色，它通過(guò)持續(xù)推動(dòng)培養(yǎng)液流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)微藻細(xì)胞與營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)的充分混合與循環(huán)，這對(duì)于維持微藻生長(zhǎng)所需的穩(wěn)定環(huán)境至關(guān)重要。

氣體分布器的重要性

氣體分布器是微藻培養(yǎng)反應(yīng)器內(nèi)部的核心組件，它負(fù)責(zé)釋放氣泡以增強(qiáng)流體力學(xué)特性和傳質(zhì)效率。這種設(shè)計(jì)能夠有效地提高氣體溶解度，為微藻提供充足的氧氣和二氧化碳，支持其光合作用和呼吸作用。

跑道池中培養(yǎng)液流動(dòng)雷諾系數(shù)與湍流判斷在微藻培養(yǎng)中，通過(guò)計(jì)算雷諾系數(shù)（Re）可以判斷培養(yǎng)液流動(dòng)是否為湍流。當(dāng)Re≥4000時(shí)，認(rèn)為培養(yǎng)液處于湍流狀態(tài)，這有助于避免微藻細(xì)胞沉降和溫度分層。跑道池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響跑道池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)培養(yǎng)液的流動(dòng)產(chǎn)生重要影響，包括混合效率、營(yíng)養(yǎng)鹽補(bǔ)加、微藻采收等。合理的設(shè)計(jì)可以優(yōu)化這些過(guò)程，提高微藻培養(yǎng)的整體效率。培養(yǎng)液流動(dòng)的挑戰(zhàn)盡管培養(yǎng)液流動(dòng)對(duì)微藻培養(yǎng)至關(guān)重要，但也面臨諸多挑戰(zhàn)，如排水、暴雨導(dǎo)致的溢出、以及跑道池清洗等。這些問(wèn)題需要通過(guò)精心設(shè)計(jì)和管理來(lái)解決。123跑道池能量消耗與培養(yǎng)液的混合在微藻培養(yǎng)中，能量消耗是一個(gè)關(guān)鍵因素，它可以通過(guò)特定的公式進(jìn)行計(jì)算。這個(gè)公式考慮了多個(gè)因素，包括培養(yǎng)液表層面積、培養(yǎng)液的密度、重力加速度、流體管道的水壓直徑、曼寧糙率系數(shù)以及發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)器和攪拌葉輪的效率。能量消耗的計(jì)算混合效率是微藻培養(yǎng)中的另一個(gè)重要方面，它與跑道池的總能耗密切相關(guān)。雖然在兩端半圓形區(qū)域安裝導(dǎo)流板通常被認(rèn)為可以降低能耗，但也有研究表明導(dǎo)流板并不能降低能耗。混合效率的影響為了有效提高混合效率，需要提供較高的能量輸入。安裝導(dǎo)流板可以減少跑道池兩端半圓區(qū)的能量耗散，但同時(shí)也降低了培養(yǎng)液的上下混合效率。因此，找到合適的平衡點(diǎn)是提高混合效率的關(guān)鍵。提高混合效率的策略光生物反應(yīng)器培養(yǎng)光生物反應(yīng)器通過(guò)其封閉系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在精確控制礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)和無(wú)機(jī)碳濃度方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，有效避免了開(kāi)放式培養(yǎng)中常見(jiàn)的環(huán)境干擾問(wèn)題。參數(shù)控制優(yōu)勢(shì)利用光生物反應(yīng)器的半封閉特性，通過(guò)精細(xì)調(diào)節(jié)培養(yǎng)液的pH值，間接實(shí)現(xiàn)對(duì)總?cè)芙馓己康目刂疲缺ＷC了微藻細(xì)胞的生長(zhǎng)需求，又避免了酸化或碳源不足的風(fēng)險(xiǎn)。pH控制策略光照設(shè)計(jì)是光生物反應(yīng)器的核心難點(diǎn)，需要平衡微藻對(duì)光照的需求與過(guò)量光照導(dǎo)致的光抑制現(xiàn)象，確保微藻細(xì)胞能在最適宜的光照條件下進(jìn)行光合作用。光照設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)地理選址氣候與輻射條件

選擇微藻培養(yǎng)地址時(shí)，必須確保全年的氣候適宜微藻生長(zhǎng)，年平均太陽(yáng)輻射水平較高。這樣的條件有利于微藻的光合作用和生物量的增長(zhǎng)，從而提高產(chǎn)量。水源與環(huán)境質(zhì)量

理想的微藻培養(yǎng)地點(diǎn)應(yīng)具備充足且清潔的水源，周圍環(huán)境無(wú)工業(yè)污染。這保證了微藻培養(yǎng)液的質(zhì)量，避免污染物對(duì)微藻生長(zhǎng)的負(fù)面影響，確保了產(chǎn)品的安全與純凈。溫度與蒸發(fā)率

微藻培養(yǎng)的最佳溫度約為25℃，同時(shí)培養(yǎng)液的蒸發(fā)較少。在這個(gè)溫度下，微藻的生長(zhǎng)速度和光合作用效率最高，而低蒸發(fā)率有助于減少水資源的消耗和成本。123跑道池環(huán)境因子對(duì)微藻生長(zhǎng)的影響溫度對(duì)微藻生長(zhǎng)的影響

溫度是決定微藻生長(zhǎng)速率和生物質(zhì)產(chǎn)量的關(guān)鍵因素，適宜的溫度范圍可以促進(jìn)微藻的光合作用和代謝活動(dòng)，而溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)抑制微藻的生長(zhǎng)。光照條件的重要性

光照是微藻進(jìn)行光合作用的能量來(lái)源，適當(dāng)?shù)墓庹諒?qiáng)度和周期對(duì)于維持微藻的正常生長(zhǎng)至關(guān)重要。過(guò)強(qiáng)或過(guò)弱的光照都可能導(dǎo)致光抑制現(xiàn)象，影響微藻的生長(zhǎng)效率。溶解氧水平的作用

溶解氧水平直接影響微藻的呼吸作用和能量代謝，進(jìn)而影響其生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成。在微藻培養(yǎng)過(guò)程中，維持適宜的溶解氧水平對(duì)于優(yōu)化微藻的生長(zhǎng)環(huán)境至關(guān)重要。跑道池潛在的污染風(fēng)險(xiǎn)微藻培養(yǎng)跑道池通常為了充分利用光能與減少建設(shè)成本，雖然一些小型培養(yǎng)設(shè)施可使用塑料薄膜或玻璃溫室，但對(duì)于占地面積較大的培養(yǎng)設(shè)施而言，通常為露天培養(yǎng)。下雨、空氣中的灰塵等均會(huì)導(dǎo)致微藻培養(yǎng)過(guò)程中外源污染物的進(jìn)入，比如重金屬等污染物，捕食微藻的輪蟲(chóng)、阿米巴等原生動(dòng)物，或一些感染微藻的病毒、細(xì)菌或真菌等微生物。在培養(yǎng)初期微藻細(xì)胞密度較低時(shí)對(duì)外源微生物的污染更加敏感。對(duì)培養(yǎng)液進(jìn)行過(guò)濾可降低外源微生物污染風(fēng)險(xiǎn)，但過(guò)濾增加了培養(yǎng)成本，也不能將病毒去除。光合自養(yǎng)培養(yǎng)基質(zhì)通常僅含有一些無(wú)機(jī)鹽類，有機(jī)質(zhì)比較貧乏，細(xì)菌、真菌等不會(huì)對(duì)培養(yǎng)產(chǎn)生較大危害，但一些自養(yǎng)培養(yǎng)基質(zhì)含有維生素、氨基酸等有機(jī)質(zhì)，或微藻細(xì)胞分泌有機(jī)分子的情況，須注意細(xì)菌等的爆發(fā)。因此，開(kāi)放式跑道池培養(yǎng)過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)污染源的控制，對(duì)水質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)鹽、空氣、培養(yǎng)池及其周圍環(huán)境進(jìn)行嚴(yán)格管理與控制，從源頭上避免培養(yǎng)液受到污染風(fēng)險(xiǎn)。跑道池微藻生物質(zhì)生產(chǎn)跑道池培養(yǎng)微藻通常采用分批或擬穩(wěn)態(tài)連續(xù)培養(yǎng)。在分批培養(yǎng)中，往跑道池中加入營(yíng)養(yǎng)液后接種相應(yīng)的微藻。接種濃度一般約占總培養(yǎng)液體積的10%。種子培養(yǎng)液通常培養(yǎng)在相同的培養(yǎng)液或經(jīng)過(guò)營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化的培養(yǎng)液中，比如小球藻種子培養(yǎng)階段在達(dá)到較高濃度后可加入一定量的有機(jī)物促進(jìn)藻細(xì)胞的快速繁殖，達(dá)到較高濃度后對(duì)數(shù)期進(jìn)行轉(zhuǎn)接，經(jīng)逐級(jí)放大培養(yǎng)至生產(chǎn)規(guī)模。放大到生產(chǎn)規(guī)模后便可持續(xù)生產(chǎn)，采收微藻細(xì)胞前留一部分藻細(xì)胞作為下一批培養(yǎng)的種子細(xì)胞。比較理想的培養(yǎng)條件下，微藻在跑道池培養(yǎng)時(shí)細(xì)胞濃度在0.5~1g/L，定期稀釋培養(yǎng)液維持細(xì)胞濃度在一定濃度之下可進(jìn)一步提高微藻生物質(zhì)產(chǎn)量，比如可降低光的衰減，促進(jìn)底層細(xì)胞的光合作用。微藻的生物質(zhì)產(chǎn)量受到氣候等多方面的影響。微藻細(xì)胞白天經(jīng)光合作用積累的約25%的生物質(zhì)會(huì)在夜間被呼吸作用消耗，因此一個(gè)較大的晝夜溫差有助于生物質(zhì)的積累。第二節(jié)微藻的半封閉式培養(yǎng)半封閉式系統(tǒng)特點(diǎn)高密度培養(yǎng)的優(yōu)勢(shì)半封閉式系統(tǒng)通過(guò)光生物反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)微藻在高細(xì)胞密度下的生長(zhǎng)，這種高密度培養(yǎng)能夠顯著提升單位體積的生物質(zhì)產(chǎn)量，從而有效提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。純種培養(yǎng)的可能性系統(tǒng)的封閉性為單一微藻種類的培養(yǎng)提供了有利條件，減少了外界污染的風(fēng)險(xiǎn)，保證了培養(yǎng)過(guò)程的純凈度，這對(duì)于研究和應(yīng)用中需要特定微藻種類的情況至關(guān)重要。精確控制生長(zhǎng)參數(shù)與開(kāi)放式系統(tǒng)相比，半封閉式系統(tǒng)能夠更精確地控制溫度、pH值、溶解氧水平等關(guān)鍵生長(zhǎng)參數(shù)，這有助于優(yōu)化微藻的生長(zhǎng)環(huán)境，確保培養(yǎng)過(guò)程的穩(wěn)定性和高效性。123光生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)原則高透光性的重要性

高透光性是光生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本原則之一，它確保光線能夠均勻照射到藻類培養(yǎng)的每一個(gè)角落，從而減少暗區(qū)的形成，提高微藻的光合作用效率。傳質(zhì)效率的優(yōu)化

在光生物反應(yīng)器中，高效的傳質(zhì)效率對(duì)于氣體交換和營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收至關(guān)重要，它直接影響到微藻的生長(zhǎng)速度和產(chǎn)量，是實(shí)現(xiàn)高效培養(yǎng)的關(guān)鍵因素。通用性與適應(yīng)性

一個(gè)優(yōu)秀的光生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)應(yīng)具備良好的通用性，能夠適應(yīng)不同種類藻類的培養(yǎng)需求。這種適應(yīng)性不僅提高了反應(yīng)器的使用范圍，也為用戶帶來(lái)了更多的便利。123光生物反應(yīng)器放大過(guò)程中需關(guān)注的問(wèn)題礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)傳質(zhì)的優(yōu)化

在微藻培養(yǎng)的放大過(guò)程中，確保礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素有效傳遞至每一個(gè)細(xì)胞是至關(guān)重要的。通過(guò)采用先進(jìn)的工程技術(shù)方案，可以顯著改善這一過(guò)程，從而支持微藻的快速生長(zhǎng)和生物質(zhì)產(chǎn)量的提升。二氧化碳供應(yīng)的挑戰(zhàn)

微藻的光合作用需要大量的二氧化碳作為碳源。然而，在大規(guī)模培養(yǎng)中，二氧化碳在培養(yǎng)液中的傳質(zhì)效率往往受限，導(dǎo)致供應(yīng)不足。解決這一問(wèn)題對(duì)于提高光合作用效率和微藻產(chǎn)量至關(guān)重要。光照供應(yīng)的策略

由于光照在培養(yǎng)液中的衰減，反應(yīng)器內(nèi)部的光照往往不足，這限制了微藻的光合作用和生物質(zhì)產(chǎn)量。開(kāi)發(fā)有效的光照供應(yīng)策略，如使用透明材料或調(diào)整光源布局，是實(shí)現(xiàn)微藻高效培養(yǎng)的關(guān)鍵。光生物反應(yīng)器效率與優(yōu)化原則微藻光合作用與光照需求微藻細(xì)胞進(jìn)行光合作用需要適量的光照，過(guò)量或不足都會(huì)影響其生長(zhǎng)和生物質(zhì)產(chǎn)量。因此，在設(shè)計(jì)光生物反應(yīng)器時(shí)，必須精確控制光照強(qiáng)度以滿足微藻的光合作用需求。避免光抑制現(xiàn)象當(dāng)培養(yǎng)液中的細(xì)胞濃度較低時(shí)，應(yīng)適當(dāng)降低入射光強(qiáng)度以避免微藻細(xì)胞接收過(guò)量光照而發(fā)生光抑制現(xiàn)象。這有助于保持微藻的健康生長(zhǎng)并提高生物質(zhì)產(chǎn)量。應(yīng)對(duì)高細(xì)胞濃度的挑戰(zhàn)在培養(yǎng)液中細(xì)胞濃度較高時(shí)，需要在不引起培養(yǎng)液表層微藻細(xì)胞光抑制的情況下適當(dāng)增加光照強(qiáng)度。這樣可以應(yīng)對(duì)較高的光衰減效率，避免培養(yǎng)液內(nèi)部產(chǎn)生無(wú)光暗區(qū)，從而保證整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程的順利進(jìn)行。123利用太陽(yáng)光的光生物反應(yīng)器從微藻生產(chǎn)成本角度考慮，主要采用的光源為太陽(yáng)光?；谔?yáng)光能的光生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)中主要考慮的因素為入射太陽(yáng)光強(qiáng)度與入射光與反應(yīng)器采光表面的角度。微藻生長(zhǎng)較慢導(dǎo)致微藻細(xì)胞濃度變化無(wú)法與日間太陽(yáng)光能的變化同步，使得培養(yǎng)過(guò)程中光生物反應(yīng)器難以達(dá)到恒光狀態(tài)。對(duì)于微藻連續(xù)式培養(yǎng)，可通過(guò)控制培養(yǎng)液置換速率來(lái)控制微藻細(xì)胞濃度，盡可能接近恒光狀態(tài)。戶外基于太陽(yáng)光能的光生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)中對(duì)溫度的控制是另一個(gè)需考慮的因素，在強(qiáng)光照下，因缺乏開(kāi)放式培養(yǎng)中培養(yǎng)液蒸發(fā)作用，光生物反應(yīng)器內(nèi)培養(yǎng)液溫度很容易過(guò)高，尤其氣溫較高的夏季。被微藻所吸收的太陽(yáng)光中的光合有效輻射（PAR），其中約95%轉(zhuǎn)化為熱能，僅約5%的PAR被轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，另外太陽(yáng)光中約50%的能量來(lái)自750nm附近的中紅外或近紅外區(qū)域，這部分光能被培養(yǎng)液吸收后直接轉(zhuǎn)化為熱能。生產(chǎn)中通常采用的控溫方式為噴淋水或?qū)⒉糠止馍锓磻?yīng)器沒(méi)于水中，在氣溫較低區(qū)域也可以將光生物反應(yīng)器置于溫室中，溫室不僅可以控制溫度，還可以控制光照強(qiáng)度，但會(huì)增加微藻培養(yǎng)設(shè)施的操作與建設(shè)維護(hù)成本，消耗更多的電能與水資源。有研究者利用數(shù)學(xué)建模方法構(gòu)建高效、節(jié)能的光生物反應(yīng)器，通過(guò)偶聯(lián)日間光照與氣溫變化設(shè)計(jì)與優(yōu)化光生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)，感興趣的讀者可查閱相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)一步學(xué)習(xí)了解。

常見(jiàn)的光生物反應(yīng)器類型攪拌式光生物反應(yīng)器核心組件

攪拌式光生物反應(yīng)器主要依賴于葉輪等攪拌裝置，這些裝置不僅負(fù)責(zé)傳質(zhì)和傳熱，還確保了曝氣與培養(yǎng)液的均質(zhì)混合，是反應(yīng)器高效運(yùn)作的關(guān)鍵。裝液量與氣泡管理

反應(yīng)器的裝液量通常保持在總體積的70%到80%，這樣的設(shè)計(jì)既保證了氣泡炸裂后液滴的回落空間，也避免了泡沫直接接觸蓋體和排氣口，減少了污染的風(fēng)險(xiǎn)。消泡與氣體供應(yīng)

為了有效控制泡沫的產(chǎn)生，攪拌式光生物反應(yīng)器在攪拌軸上端裝有消泡刷。同時(shí)，二氧化碳或空氣從底部輸入，為微藻細(xì)胞的生長(zhǎng)提供了必需的無(wú)機(jī)碳源。立管式光生物反應(yīng)器

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

立管式光生物反應(yīng)器由透明垂直管道構(gòu)成，這種設(shè)計(jì)不僅確保了反應(yīng)器內(nèi)部微藻接受充足光照，而且通過(guò)其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)提供了較大的表面積，適合戶外培養(yǎng)環(huán)境。

分類

根據(jù)培養(yǎng)液的流動(dòng)方式，立管式光生物反應(yīng)器可以進(jìn)一步分為鼓泡柱式和氣升式兩種類型。每種類型都有其特定的流體動(dòng)力學(xué)特性，影響微藻的培養(yǎng)效率和產(chǎn)量。

鼓泡柱式光生物反應(yīng)器與面包酵母、啤酒、醋酸發(fā)酵與污水處理中使用的鼓泡式反應(yīng)器除了容器材料透光方面不同外，其他方面均相似。鼓泡柱式光生物反應(yīng)器使用氣體分布器噴出空氣或二氧化碳?xì)怏w的方式為培養(yǎng)液提供無(wú)機(jī)碳源與流動(dòng)動(dòng)力，達(dá)到培養(yǎng)液攪拌混合的目的。鼓泡式光生物反應(yīng)器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，構(gòu)建成本較低，反應(yīng)器內(nèi)部除了氣體分布器外沒(méi)有其他結(jié)構(gòu)元件，有時(shí)會(huì)在底部安裝水平板進(jìn)一步破碎液泡與重新分布融合的液泡，也進(jìn)一步增加了液泡在培養(yǎng)液中的滯留時(shí)間進(jìn)而提高氣體溶解效率。鼓泡柱式光生物反應(yīng)器內(nèi)的流體力學(xué)與傳質(zhì)特征主要依賴于空氣分布器釋放的氣泡特征，在較低的空氣流速時(shí)發(fā)生均勻流或稱均相流，氣泡均勻分布于柱體橫切面上，基本沒(méi)有氣相的反混現(xiàn)象。在較高的氣體流速時(shí)會(huì)發(fā)生異質(zhì)流動(dòng)，氣泡與培養(yǎng)液傾向于在柱體中心升起，而在靠近柱體壁附近形成一個(gè)下向逆流，這種液體循環(huán)會(huì)改變一些液泡的流動(dòng)形成反混現(xiàn)象。鼓泡式光生物反應(yīng)器中微藻的光合效率主要依賴于氣體流速，即氣流速度影響培養(yǎng)液循環(huán)，培養(yǎng)液規(guī)律地在中心暗區(qū)與反應(yīng)器壁周圍區(qū)域之間循環(huán)。鼓泡式光生物反應(yīng)器的主要優(yōu)點(diǎn)是較低的構(gòu)建成本，較高的面容比，較少的接口元件，較好的熱量與物質(zhì)傳質(zhì)效率，培養(yǎng)液比較均勻以及高效的氧氣與尾氣的清除釋放效率等。（1）鼓泡柱式光生物反應(yīng)器

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

反應(yīng)器內(nèi)部加裝了培養(yǎng)液導(dǎo)流裝置，氣升式光生物反應(yīng)器內(nèi)沒(méi)有攪拌器，其中央有一個(gè)導(dǎo)流筒，將培養(yǎng)液分為上升區(qū)（導(dǎo)流筒內(nèi)）和下降區(qū)（導(dǎo)流筒外）

優(yōu)點(diǎn)

（1）培養(yǎng)液分布均勻（2）較高的二氧化碳溶解效率（3）剪切力小（4）傳熱良好（5）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（6）操作和維修方便（2）氣升式光生物反應(yīng)器（2）氣升式光生物反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)式氣升式光生物反應(yīng)器導(dǎo)流筒式氣升式光生物反應(yīng)器外循環(huán)式氣升式光生物反應(yīng)器平行管式光生物反應(yīng)器

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

由一系列平行的透明管道組成，平行管的方向不固定，有水平、傾斜、螺旋、卷形等。平行管式光生物反應(yīng)器在管長(zhǎng)度、培養(yǎng)液流速、循環(huán)系統(tǒng)、采光結(jié)構(gòu)等方面多種多樣。

優(yōu)點(diǎn)

避免了微藻細(xì)胞的光線遮擋，增加了光的輻射密度缺點(diǎn)

（1）管內(nèi)氧氣積累（2）反應(yīng)器內(nèi)培養(yǎng)液溫度升高較快，對(duì)降溫能力要求較高。平板式光生物反應(yīng)器

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，通常由透明材料加裝于支撐骨架上，培養(yǎng)液的流動(dòng)由泵驅(qū)動(dòng)。最大的特點(diǎn)是具有較高的面容比。反應(yīng)器底部安裝有通氣管，為培養(yǎng)液提供無(wú)機(jī)碳與培養(yǎng)液混合的動(dòng)力。優(yōu)點(diǎn)

溶解氧的積累相比平行管式光生物反應(yīng)器要低許多缺點(diǎn)

（1）暗區(qū)較多，微藻光合作用被抑制，微藻生產(chǎn)率較低（2）溫度控制較難實(shí)現(xiàn)（3）反應(yīng)器內(nèi)流體剪切力較高，也不利于微藻細(xì)胞的培養(yǎng)（4）清潔費(fèi)力第三節(jié)微藻的異養(yǎng)培養(yǎng)微藻異養(yǎng)營(yíng)養(yǎng)的培養(yǎng)全封閉式異養(yǎng)營(yíng)養(yǎng)的培養(yǎng)環(huán)境

全封閉式異養(yǎng)營(yíng)養(yǎng)的培養(yǎng)主要在發(fā)酵罐中進(jìn)行，這種培養(yǎng)方式可以實(shí)現(xiàn)無(wú)菌狀態(tài)下的培養(yǎng)。通過(guò)連續(xù)補(bǔ)料等方式，可以有效提高微藻細(xì)胞的生物質(zhì)產(chǎn)量。適合異養(yǎng)培養(yǎng)的微藻特征

適合異養(yǎng)培養(yǎng)的微藻需要具備四個(gè)特征：無(wú)光環(huán)境下細(xì)胞正常分裂與生長(zhǎng)、可在高壓蒸汽滅菌的廉價(jià)培養(yǎng)液中生長(zhǎng)、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)以及剪切力耐受能力強(qiáng)。異養(yǎng)培養(yǎng)過(guò)程的控制要求

由于培養(yǎng)液中含有高濃度的有機(jī)碳氮源，異養(yǎng)培養(yǎng)過(guò)程控制，尤其是對(duì)外源微生物污染風(fēng)險(xiǎn)的控制要嚴(yán)格相比光自養(yǎng)培養(yǎng)要嚴(yán)格許多，要求更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)纳a(chǎn)過(guò)程。微藻異養(yǎng)培養(yǎng)示例影響微藻異養(yǎng)生長(zhǎng)的因素有機(jī)碳源的多樣性

有機(jī)碳源包括各種單糖、二糖以及糖醇和羧酸等，如葡萄糖、半乳糖、甘露糖等，這些多樣化的有機(jī)物質(zhì)為微生物生長(zhǎng)提供了豐富的能量來(lái)源。碳源的選擇無(wú)論是有機(jī)碳源還是無(wú)機(jī)碳源，它們都為生物體的生長(zhǎng)、繁殖和代謝過(guò)程提供必需的碳元素，是生命活動(dòng)中不可或缺的基礎(chǔ)物質(zhì)。碳源的選擇需考慮生物質(zhì)產(chǎn)量、目標(biāo)代謝產(chǎn)物含量等多種因素。（一）碳源最適碳源種類

不同種類的微藻的最適碳源種類并不相同，取決于細(xì)胞膜上存在的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的種類與效率以及是否具備該種碳源的完整且高效的代謝通路。影響微藻異養(yǎng)生長(zhǎng)的因素（二）氮源

銨鹽作為氮源

銨鹽是微藻培養(yǎng)中常用的一種氮源，其特點(diǎn)是易于被微藻吸收利用。然而，過(guò)量的銨鹽可能會(huì)對(duì)微藻產(chǎn)生毒害作用，因此在使用過(guò)程中需要控制其濃度。

硝酸鹽和亞硝酸鹽作為氮源

硝酸鹽和亞硝酸鹽也是微藻培養(yǎng)中常用的氮源，它們?cè)谖⒃弩w內(nèi)經(jīng)過(guò)一系列反應(yīng)后可以轉(zhuǎn)化為銨鹽供微藻利用。這兩種氮源的穩(wěn)定性較好，但吸收速度較慢。

酵母提取物和尿素作為氮源

酵母提取物和尿素是微藻培養(yǎng)中的有機(jī)氮源，它們含有豐富的氨基酸和其他營(yíng)養(yǎng)成分，可以提供微藻生長(zhǎng)所需的氮元素。然而，這兩種氮源的成本較高，且可能引入雜質(zhì)。

影響微藻異養(yǎng)生長(zhǎng)的因素（三）通氣與攪拌氧氣在微藻異養(yǎng)培養(yǎng)中的作用

氧氣對(duì)微藻異養(yǎng)培養(yǎng)至關(guān)重要，因?yàn)樗呛醚踹^(guò)程的一部分，幫助微藻通過(guò)呼吸作用進(jìn)行氧化磷酸化以獲取能量。然而，由于氧氣的溶解度較低，氧氣供應(yīng)往往成為限制微藻異養(yǎng)生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素。最佳溶解氧水平的影響

對(duì)于多數(shù)微藻而言，最佳的溶解氧水平約為50%。在這個(gè)水平下，微藻可以有效地進(jìn)行異養(yǎng)生長(zhǎng)。如果通氣條件過(guò)高或過(guò)低，都會(huì)對(duì)微藻的生長(zhǎng)產(chǎn)生負(fù)面影響。通風(fēng)和攪拌對(duì)微藻生長(zhǎng)的影響

適當(dāng)?shù)耐L(fēng)和攪拌可以提高微藻的生長(zhǎng)速率和生物質(zhì)產(chǎn)量。例如，增加通風(fēng)量至0.42vvm可顯著提高小環(huán)藻的生長(zhǎng)速率，達(dá)到最大生物量，攪拌會(huì)進(jìn)一步提高其生長(zhǎng)速率，也可以增加微小隱桿藻的生物質(zhì)產(chǎn)量。影響微藻異養(yǎng)生長(zhǎng)的因素（四）溫度

溫度對(duì)微藻生長(zhǎng)的影響

溫度是影響微藻生長(zhǎng)的重要因素，適宜的溫度范圍可以促進(jìn)微藻的細(xì)胞分裂和生物量增加。晝夜溫差的增大通常會(huì)抑制夜間呼吸作用，從而有助于提高生物質(zhì)產(chǎn)量。

溫度與細(xì)胞膜狀態(tài)的關(guān)系

細(xì)胞膜的液晶狀態(tài)對(duì)維持微藻的正常生理功能至關(guān)重要。只有在適宜的生長(zhǎng)溫度下，細(xì)胞膜才能保持液晶狀態(tài)，確保微藻處于最佳生長(zhǎng)狀態(tài)。

溫度對(duì)脂肪酸積累的作用

不同的溫度條件會(huì)影響微藻體內(nèi)脂肪酸的積累情況。較高的溫度有利于飽和脂肪酸的積累，而較低的溫度則促進(jìn)不飽和脂肪酸的積累，這對(duì)微藻的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和應(yīng)用有重要影響。

影響微藻異養(yǎng)生長(zhǎng)的因素（五）pH值生長(zhǎng)速率與產(chǎn)物合成的pH影響pH值對(duì)微生物的生長(zhǎng)速率和產(chǎn)物合成具有決定性作用。在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，微生物對(duì)氧的需求增加，此時(shí)培養(yǎng)液中的溶解氧濃度若低于臨界值，將直接影響其代謝活動(dòng)，進(jìn)而影響生長(zhǎng)速率和產(chǎn)物的合成。生理酸堿物質(zhì)的平衡調(diào)控微生物在生長(zhǎng)過(guò)程中通過(guò)代謝有機(jī)氮源和無(wú)機(jī)氮源提高pH，而碳源的代謝則會(huì)導(dǎo)致pH降低。這種由微生物自身代謝引起的pH變化，需要通過(guò)調(diào)整培養(yǎng)基中酸堿物質(zhì)的配比來(lái)精細(xì)控制，以維持適宜的生長(zhǎng)環(huán)境。最適pH的確定與控制確定微生物生長(zhǎng)的最適pH是實(shí)現(xiàn)高效培養(yǎng)的關(guān)鍵。通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法確定最適pH后，需要在培養(yǎng)過(guò)程中持續(xù)監(jiān)控并調(diào)節(jié)pH值，利用緩沖劑或適時(shí)補(bǔ)料來(lái)維持這一最佳狀態(tài)，確保微生物能在最適宜的環(huán)境中生長(zhǎng)和產(chǎn)生目標(biāo)產(chǎn)物。123影響微藻異養(yǎng)生長(zhǎng)的因素（六）滲透壓離子濃度

離子濃度的不同造成水分子濃度差導(dǎo)致水勢(shì)能的不同，直接影響細(xì)胞內(nèi)水分的平衡與各種代謝過(guò)程。生活環(huán)境必須具有與其細(xì)胞大致相等的滲透壓，超過(guò)一定限度或突然改變滲透壓，會(huì)抑制生命活動(dòng)，甚至?xí)鹚劳?。在高滲透壓溶液中微生物細(xì)胞脫水，原生質(zhì)收縮，細(xì)胞質(zhì)變稠，引起質(zhì)壁分離。在低滲透壓溶液中，水分向細(xì)胞內(nèi)滲透，細(xì)胞吸水膨脹，甚至破壞。在等滲溶液中，代謝活動(dòng)最好，細(xì)胞既不收縮，也不膨脹，保持原形不變。鹽脅迫鹽脅迫會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞膜流動(dòng)性改變，離子透過(guò)性受到干擾，破壞離子勢(shì)能導(dǎo)致Na+與Cl-細(xì)胞毒性。影響微藻異養(yǎng)生長(zhǎng)的因素（七）二氧化碳二氧化碳是微藻進(jìn)行光合作用的重要原料，其濃度的高低直接影響微藻的生長(zhǎng)速度和生物量積累。適當(dāng)?shù)腃O2濃度可以促進(jìn)微藻的光合作用，提高其生長(zhǎng)速度。CO2濃度對(duì)微藻生長(zhǎng)的影響不同的微藻品種對(duì)CO2濃度的需求不同，過(guò)高或過(guò)低的CO2濃度都可能影響微藻的產(chǎn)物合成。因此，需要根據(jù)具體的微藻品種來(lái)調(diào)整CO2濃度，以達(dá)到最佳的生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成效果。CO2濃度對(duì)產(chǎn)物合成的影響通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)酵罐中的通氣和攪拌速率，可以有效地控制培養(yǎng)液中的溶解氧和CO2的溶解度，從而影響微藻的生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成。合理的通氣攪拌不僅可以保持溶解氧在臨界點(diǎn)以上，還可以隨廢氣排出多余的CO2，防止其濃度過(guò)高而產(chǎn)生抑制作用。通氣攪拌對(duì)CO2濃度的控制影響微藻異養(yǎng)生長(zhǎng)的因素（八）泡沫形成的泡沫有兩種類型：一種是培養(yǎng)液液面上的泡沫，氣相所占的比例特別大，與液體有較明顯的界限，如培養(yǎng)前期的泡沫；另一種是培養(yǎng)液中的泡沫，又稱流態(tài)泡沫（fluidfoam），分散在培養(yǎng)液中，比較穩(wěn)定，與液體之間無(wú)明顯的界限。泡沫類型①整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中，泡沫保持恒定的水平；②培養(yǎng)早期，起泡后穩(wěn)定地下降，以后保持恒定；③培養(yǎng)前期，泡沫稍微降低后又開(kāi)始回升；④培養(yǎng)開(kāi)始起泡能力低，以后上升；⑤以上類型的綜合方式。起泡方式①調(diào)整培養(yǎng)基中的成分（如少加或緩加易起泡的原材料）、改變某些物理化學(xué)參數(shù)（如pH、溫度、通氣和攪拌）或改變培養(yǎng)工藝（如采用分次投料）來(lái)控制，以減少泡沫形成的機(jī)會(huì)。但這些方法的效果有一定的限度；②采用機(jī)械消泡或消泡劑消泡這兩種方法來(lái)消除已形成的泡沫。還可以采用菌種選育的方法，篩選不產(chǎn)生流態(tài)泡沫的菌種，來(lái)消除起泡的內(nèi)在因素。泡沫的控制微藻異養(yǎng)生長(zhǎng)特征藻種μmax(h-1)Yx/s(gCDW/g)T(℃)pH碳源Sinhib產(chǎn)物C.vulgarisP/H0.1800.55~0.69366.0~7.5葡萄糖（乙酸，谷氨酸，乳酸）NA細(xì)胞生物質(zhì)CrypthecodiniumcohniiH0.0890.56257.2葡萄糖（乙酸）>20DHADunaliellaspP/H<0.01NA267.5~8.3乙酸，乳酸，葡萄糖，谷氨酸，甘油NA生物質(zhì)，β-胡蘿卜素EuglenagracilisP/H0.0450.43252.8~3.5葡萄糖（乙酸，丙氨酸，天冬氨酸，天冬酰胺，乙醇，谷氨酸）NA生物質(zhì)，α-生育酚，β-1，3-葡聚糖GaldieriasulphurariaP/H0.045~0.0480.48~0.50422葡萄糖>200藻青蛋白甜菜糖蜜（果糖，蔗糖）>350NannochloropsisoculataP/H<0.007NA267.5~8.3葡萄糖（乙醇）NA生物質(zhì)，EPANitzschiaalbaH0.106NA30NA乳酸，琥珀酸NA生物質(zhì)，EPA葡萄糖，谷氨酸NitzschialaevisH0.0170.44208.2乙酸，葡萄糖NAEPAProtothecazopfiiH0.3300.81217.2葡萄糖（乙酸）NA抗壞血酸ScenedesmusactusP/H0.040NA306葡萄糖>1生物質(zhì)Schizochytriumsp.H0.0710.42277葡萄糖>200PUFA（DHA，GLA）TetraselmissueicaP/H0.0280.41257.5乙酸（葡萄糖，谷氨酸，乳酸）NA脂類，PUFAn-3HUFAμmax為最大比生長(zhǎng)速率；Yx/s為給定溫度下分批培養(yǎng)的生物質(zhì)產(chǎn)量；Sinhib為比生長(zhǎng)速率或生物質(zhì)產(chǎn)量開(kāi)始降低時(shí)的底物濃度；H為異養(yǎng)培養(yǎng)，P為光自養(yǎng)培養(yǎng)，NA為無(wú)相關(guān)數(shù)據(jù)。一些異養(yǎng)微藻的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)與化學(xué)計(jì)量速率攪拌式發(fā)酵罐微藻培養(yǎng)目前微藻異養(yǎng)培養(yǎng)的商業(yè)化生產(chǎn)中使用的培養(yǎng)裝置為與細(xì)菌或真菌生產(chǎn)類似的發(fā)酵罐。結(jié)構(gòu)上類似攪拌式光生物反應(yīng)器，在罐體底部安裝監(jiān)測(cè)溶解氧、pH以及溫度的電極，同時(shí)配有動(dòng)態(tài)調(diào)整以上三個(gè)參數(shù)的管路，可查閱《發(fā)酵工程設(shè)備》等教材中講解發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)的章節(jié)進(jìn)一步學(xué)習(xí)。擺脫了開(kāi)放式或半開(kāi)放式培養(yǎng)對(duì)太陽(yáng)光的依賴，即培養(yǎng)過(guò)程不受氣候的限制。因培養(yǎng)密度較高，培養(yǎng)周期縮短，生產(chǎn)效率大幅提高，降低了采收成本。微藻異養(yǎng)培養(yǎng)相比開(kāi)放式培養(yǎng)大幅降低了對(duì)土地的需求，且廠房?jī)?nèi)生產(chǎn)，容易滿足GMP等藥品食品生產(chǎn)規(guī)范的要求。發(fā)酵罐內(nèi)培養(yǎng)液能夠?qū)崿F(xiàn)完全滅菌。微藻異養(yǎng)培養(yǎng)的藻種須為純種，且須具有一定的流體或機(jī)械剪切力耐受能力。發(fā)酵罐與攪拌式光生物反應(yīng)器的差別主要在于較為復(fù)雜的補(bǔ)料系統(tǒng)、空氣凈化以及蒸汽滅菌系統(tǒng)等，使得發(fā)酵罐的制造成本高于攪拌式光生物反應(yīng)器。高密度培養(yǎng)有時(shí)會(huì)導(dǎo)致培養(yǎng)液黏度增加造成流變學(xué)方面的障礙。有些代謝物分泌到胞外會(huì)在培養(yǎng)液中積累抑制微藻細(xì)胞的生長(zhǎng)，有些代謝物還會(huì)導(dǎo)致微藻細(xì)胞聚集與黏附于管壁、葉輪等部位。此外微藻異養(yǎng)培養(yǎng)液中含有高含量的糖、蛋白胨、維生素、氨基酸等有機(jī)物，發(fā)酵過(guò)程控制須嚴(yán)格控制以防染菌導(dǎo)致培養(yǎng)失敗。獲得微藻純系培養(yǎng)物，即培養(yǎng)液中除目標(biāo)藻細(xì)胞外不含其他種類的微生物，對(duì)于成功進(jìn)行微藻的異養(yǎng)培養(yǎng)至關(guān)重要。微藻異養(yǎng)培養(yǎng)中常用的有機(jī)碳氮源

常用碳源

葡萄糖、半乳糖、甘露糖，糖醇如甘露醇以及羧酸如乙酸、蔗糖、乳糖等，多種多樣的工業(yè)可再生資源或富含有機(jī)碳源的工業(yè)廢渣等資源，如甘蔗汁、糖蜜、木薯水解液以及生物柴油副產(chǎn)品甘油等均可嘗試用作微藻異養(yǎng)培養(yǎng)生產(chǎn)。

常用氮源

酵母提取物、多價(jià)蛋白胨、胰蛋白胨、玉米漿、尿素、乙酸銨、硫酸銨、硝酸銨、硝酸鈉等。微藻異養(yǎng)培養(yǎng)優(yōu)點(diǎn)與發(fā)展優(yōu)點(diǎn)

（1）生長(zhǎng)速率高，培養(yǎng)周期短，微藻細(xì)胞密度高，生物質(zhì)產(chǎn)量高。（2）異養(yǎng)培養(yǎng)下碳源充足，相比光自養(yǎng)培養(yǎng)，異養(yǎng)培養(yǎng)下微藻油脂含量通常較高。（3）土地占用相比光自養(yǎng)培養(yǎng)大幅降低，節(jié)約土地資源，降低建設(shè)成本。（4）微藻異養(yǎng)培養(yǎng)使用的培養(yǎng)裝置技術(shù)相對(duì)成熟，相比光生物反應(yīng)器具有較低的價(jià)格。（5）培養(yǎng)放大理論參考數(shù)據(jù)較多，放大實(shí)驗(yàn)更易達(dá)到培養(yǎng)目標(biāo)。（6）通過(guò)控制培養(yǎng)基的組成影響微藻細(xì)胞的營(yíng)養(yǎng)組成更容易達(dá)到，代謝途徑的干預(yù)更加可控。（7）可使用食品或其他工業(yè)產(chǎn)生的高有機(jī)廢水，達(dá)到資源回收、節(jié)約成本以及保護(hù)環(huán)境的目的。發(fā)展

目前可進(jìn)行高效異養(yǎng)培養(yǎng)的微藻依然較少，未來(lái)使用基因編輯等技術(shù)改造微藻代謝途徑提高其異養(yǎng)營(yíng)養(yǎng)效率，或使用合成生物學(xué)手段在微藻底盤細(xì)胞基礎(chǔ)上構(gòu)建生產(chǎn)特定目標(biāo)產(chǎn)物的高效異養(yǎng)營(yíng)養(yǎng)藻株，為微藻異養(yǎng)培養(yǎng)生產(chǎn)提供了前景。微藻異養(yǎng)培養(yǎng)需要對(duì)培養(yǎng)液進(jìn)行高壓蒸汽滅菌，異養(yǎng)培養(yǎng)的培養(yǎng)液經(jīng)常含有酵母粉等有機(jī)氮源，以上兩個(gè)方面是造成異養(yǎng)培養(yǎng)成本上升的主要原因。因培養(yǎng)液中含有高濃度的有機(jī)碳氮源，異養(yǎng)培養(yǎng)過(guò)程控制，尤其是對(duì)外源微生物污染風(fēng)險(xiǎn)的控制要嚴(yán)格相比光自養(yǎng)培養(yǎng)要嚴(yán)格許多，要求更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)纳a(chǎn)過(guò)程。常見(jiàn)的微藻異養(yǎng)培養(yǎng)產(chǎn)品（一）油脂微藻培養(yǎng)模式/碳源油脂含量油脂產(chǎn)率NeochlorisoleoabundansUTEX1185分批補(bǔ)料，氮限制，葡萄糖53.8%1.9g/(L·d)C.protothecoidesUTEX25分批補(bǔ)料，純甘油36%1.18g/(L·d)

半連續(xù)，純甘油50%4.3g/(L·d)C.protothecoidesUTEX256分批，無(wú)蛋白乳清42%

分批補(bǔ)料，無(wú)蛋白乳清20%

同步糖化發(fā)酵，無(wú)蛋白乳清50%

C.protothecoides分批補(bǔ)料，甘蔗渣水解液53%

分批，甜高粱汁52.5%0.59g/(L·d)C.protothecoidessp.0710分批補(bǔ)料，同步糖化發(fā)酵，木薯淀粉54.6%

C.saccharophilaUTEX247分批，葡萄糖54%

C.protothecoidesUTEX256分批補(bǔ)料，純甘油23g/L2.8g/(L·d)

分批補(bǔ)料，生物柴油產(chǎn)粗甘油24.6g/L2.99g/(L·d)微藻異養(yǎng)培養(yǎng)生產(chǎn)油脂常見(jiàn)的微藻異養(yǎng)培養(yǎng)產(chǎn)品微藻培養(yǎng)模式/碳源油脂含量油脂產(chǎn)率C.protothecoides分批，洋姜水解物46%1.6g/(L·d)

分批，糖蜜水解物57.6%

分批，葡萄糖57.8%

分批，玉米粉水解物55%

C.vulgarisNIES-227分批，葡萄糖，氮源不足89%0.13g/(L·d)C.vulgarisCCTCCM209256分批，提取過(guò)油脂的微藻殘?jiān)庖?5%0.12g/(L·d)C.sp.分批，糖蜜水解物，提取過(guò)油脂的微藻殘?jiān)庖?5%0.34g/(L·d)C.protothecoides分批補(bǔ)料，甘蔗渣水解物34%1.19g/(L·d)ScenedesmusobliquusNIES-2280分批，乙酸，氮源不足47%56mg/(L·d)C.vulgarisNIES-227分批，乙酸，氮源不足56%66mg/(L·d)C.vulgaris#259分批，乙酸，氮源不足36%29mg/(L·d)

分批，葡萄糖23%35mg/(L·d)

分批，甘油34%31mg/(L·d)C.kessleriCGMCCNo.4917分批，甘油47.67%

Monoraphidiumsp.QLY-1分批，葡萄糖，氯化鈉，甜菜堿48.54%注：引自NagarajanD,etal.,2018,GreenEnergyandTechnology.Springer,117-160常見(jiàn)的微藻異養(yǎng)培養(yǎng)產(chǎn)品微藻異養(yǎng)培養(yǎng)生產(chǎn)不飽和脂肪酸微藻培養(yǎng)模式/碳源不飽和脂肪酸含量不飽和脂肪酸產(chǎn)率ThraustochytriumstriatumKF9分批，60g/L葡萄糖EPA23.3%

分批，10g/L豆粕水解液EPA1.7%TFA

Ulkeniasp.KF13分批，60g/L葡萄糖EPA1.7%TFA

分批，10g/L豆粕水解液EPA1.3%TFA

MonodussubterraneusUTEX151分批，60g/L葡萄糖EPA3.8%TFA96.3mg/LPhaeodactylumtricornutumUTEX642分批，60g/L葡萄糖EPA2.2%TFA43.4mg/LC.minutissimaUTEX2341分批，60g/L葡萄糖EPA3.7%TFA36.7mg/LPorphyridiumcruentumUTEX161分批，60g/L葡萄糖EPA1.9%TFA17.9mg/LNannochloropsissp.分批，30mM葡萄糖EPA3.1%TFA10.1mg/L

分批，30mM乙醇EPA3.8%TFA10.1mg/LNannochloropsissalina分批，8g/L葡萄糖，1.46g/L乙酸鈉30.54%

Nitzschialaevis2047分批，10g/L葡萄糖EPA1.7%TFA0.017g/gDW

灌流，50g/L葡萄糖EPA2.84%TFA

CrypthecodiniumcohniiATCC30772分批，7%菜粕水解物，1%~9%糖蜜DHA22%~34%8.72mg/L

分批補(bǔ)料，50%葡萄糖

1.7g/L

分批補(bǔ)料，50%乙酸

8g/L常見(jiàn)的微藻異養(yǎng)培養(yǎng)產(chǎn)品微藻培養(yǎng)模式/碳源不飽和脂肪酸含量不飽和脂肪酸產(chǎn)率CrypthecodiniumcohniiCCMP316分批補(bǔ)料，角豆樹(shù)漿糖漿DHA，4.4%TFA1.9g/LSchizochytriumsp.KH105分批，80g/L葡萄糖，酒廠廢水2g/L總氮

3.4g/LSchizochytriummangroveiSk-02分批，60g/L葡萄糖，椰汁DHA,20.7%TFA5.7g/LSchizochytriumlimacinumSR21連續(xù)，90g/L粗甘油，5g/L玉米漿148.2mg/g生物質(zhì)90g/LSchizochytriumsp.CCTCCM209059分批，40g/L葡萄糖DHA,42.1%TFA0.12g/gSchizochytriumsp.HX-308M,mutant分批，40g/L葡萄糖DHA,58.25%TFA0.23g/gThraustochytriidaesp.AS4-A1分批，食品工業(yè)廢液（薯?xiàng)l與啤酒加工廢液），補(bǔ)充氮源DHA,10%~24%TFA2698±132mg/LAurantiochytriumsp.KRS101分批補(bǔ)料，60g/L葡萄糖，10g/L玉米漿DHA,40%TFA8.8g/LAurantiochytriumsp.SW1分批，葡萄糖DHA,50%TFA1.12g/L

分批，60g/L葡萄糖DHA,47.87%TFA4.5g/LThraustochytriumsp.ONCT18分批，5g/L葡萄糖DHA31.4%生物質(zhì)4.6g/L注：引自NagarajanD,etal.,2018,GreenEnergyandTechnology.Springer,117-160常見(jiàn)的微藻異養(yǎng)培養(yǎng)產(chǎn)品（二）碳水化合物微藻細(xì)胞中碳水化合物分為兩類，一類是細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)性成分細(xì)胞壁，多數(shù)由纖維素與半纖維素組成，微藻細(xì)胞壁缺乏高等植物中的木質(zhì)素成分。另一類碳水化合物是儲(chǔ)存性碳水化合物，如淀粉與糖原等。不像大型藻類中含有的葡聚糖或硫酸基多糖，如大型綠藻含有石莼聚糖，紅藻含有的瓊脂、瓊脂糖、瓊脂膠、卡拉膠，大型褐藻含有的海帶多糖、巖藻多糖、甘露醇以及海藻酸等，微藻胞內(nèi)的碳水化合物主要是淀粉或糖原。微藻中的一些綠藻可積累20%~70%的碳水化合物。微藻中碳水化合物的積累通常需要營(yíng)養(yǎng)缺乏等逆境條件的誘導(dǎo)，硫元素的缺乏對(duì)微藻碳水化合物積累的誘導(dǎo)效率較高。產(chǎn)油微藻富油新綠藻（NeochlorisoleoabundansUTEX1185）在葡萄糖作為碳源異養(yǎng)培養(yǎng)時(shí)，在氮缺乏時(shí)與較高的碳氮比時(shí)主要積累油脂，油脂含量達(dá)到52%，而在同樣的碳氮比，間斷補(bǔ)充氮源的培養(yǎng)條件下則主要積累碳水化合物，淀粉含量達(dá)細(xì)胞干重的54%。有報(bào)道表明小球藻（C.vulgaris與C.sorokiniana）在葡萄糖為碳源，與植物生長(zhǎng)促進(jìn)菌巴西固氮螺菌（Azospirillumbrasilense）共培養(yǎng)時(shí)可積累高含量的淀粉。在異養(yǎng)培養(yǎng)條件下一些微藻會(huì)分泌胞外多糖，主要起到保護(hù)微藻細(xì)胞免受不利環(huán)境傷害。常見(jiàn)的微藻異養(yǎng)培養(yǎng)產(chǎn)品（三）色素微藻異養(yǎng)培養(yǎng)生產(chǎn)色素微藻色素種類培養(yǎng)模式/碳源色素含量C.protothecoidesCS-41葉黃素分批，基礎(chǔ)培養(yǎng)基，9g/L葡萄糖16mg/L,4.6mg/g

分批，Kuhl培養(yǎng)基，6g/L葡萄糖14.8mg/L,4.4mg/g

分批，基礎(chǔ)培養(yǎng)基，36g/L葡萄糖66.3mg/L,4.9mg/g

分批，40g/L葡萄糖，尿素1.7g/L4.58mg/g,83.81g/L

分批補(bǔ)料，40g/L葡萄糖，3.6g/L尿素5.35mg/g,209mg/LC.pyrenoidosa15-2070葉黃素分批補(bǔ)料，初始10g/L葡萄糖，400g/L葡萄糖補(bǔ)料178mg/L

分批，40g/L葡萄糖2.5mg/gC.protothecoidesUTEX29葉黃素分批，葡萄糖，次氯酸鈉，過(guò)氧化氫，亞鐵離子誘導(dǎo)1.98mg/g,31.4mg/LHaematococcuspluvialisFlotowNIES-144蝦青素分批，NaCl脅迫，45mM乙酸30pg/cell（9μg/ml）常見(jiàn)的微藻異養(yǎng)培養(yǎng)產(chǎn)品注：引自NagarajanD,etal.,2018,GreenEnergyandTechnology.Springer,117-160微藻色素種類培養(yǎng)模式/碳源色素含量C.zofingiensisATCC30412蝦青素分批，50g/L葡萄糖10.3mg/L

分批，30g/L葡萄糖，10mMH2O2，0.5mMNaClO12.58mg/L

分批，30g/L葡萄糖，1mM過(guò)氧亞硝基11.78mg/L

分批，30g/L葡萄糖，硝酰氯10.99mg/L

分批，30g/L糖蜜1mg/gC.zofingensisMutantE17蝦青素分批，20g/L葡萄糖1.21mg/g

分批，20g/L果糖1.17mg/g

分批，20g/L蔗糖1.23mg/g

分批，20g/L混合糖1.18mg/gChlorococcumsp.蝦青素分批，44g/L葡萄糖，0.1mMH2O21.8mg/gGaldieriasulphuraria074G藻藍(lán)素分批，7.5g/L糖蜜，44g/L葡萄糖11.2mg/g

甜菜糖蜜蔗糖50g/L，總糖750g/L350mg/L

分批，葡萄糖，果糖，甘油5g/L2~4mg/g

分批，葡萄糖，果糖，甘油5g/L，碳源不足，氮源充足8~12mg/g

分批，葡萄糖5g/L18mg/g

分批，廚余垃圾，葡萄糖5g/L20mg/g

分批，烘烤店廢液，葡萄糖5g/L21.8mg/g第四節(jié)微藻采收技術(shù)微藻采收影響因素在培養(yǎng)過(guò)程中微藻細(xì)胞通常均勻穩(wěn)定地分散在培養(yǎng)基質(zhì)中，微藻采收即是將均勻分散的細(xì)胞快速高效地從培養(yǎng)基質(zhì)中脫離濃縮的過(guò)程。微藻在培養(yǎng)基質(zhì)中的穩(wěn)定分散狀態(tài)主要是由于微藻細(xì)胞較小而導(dǎo)致其與培養(yǎng)液的濃度差小，其次是微藻細(xì)胞表面電荷的排斥作用。微藻細(xì)胞表面主要存在負(fù)電荷基團(tuán)，如羥基、羧基與氨基等，培養(yǎng)液pH與離子強(qiáng)度均會(huì)影響細(xì)胞表面基團(tuán)的電離情況，在低pH時(shí)發(fā)生質(zhì)子化，反之在高pH時(shí)發(fā)生去質(zhì)子化，在零電荷點(diǎn)質(zhì)子化與去質(zhì)子化達(dá)到平衡狀態(tài)，此時(shí)細(xì)胞表面不帶電荷。微藻培養(yǎng)液多數(shù)為中性或堿性，因此微藻細(xì)胞常因去質(zhì)子化過(guò)程而帶有負(fù)電荷，細(xì)胞表面的主導(dǎo)電位測(cè)定可使用ζ電位（zetapotential，ZP）分析，高ZP值導(dǎo)致細(xì)胞之間存在排斥力，在排斥力大于范德華力時(shí)便會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞以懸浮為主，反之在ZP值較小時(shí)范德華力大于細(xì)胞之間的排斥力，容易導(dǎo)致細(xì)胞聚集。微藻細(xì)胞的ZP值通常在-10~48mV，因此微藻細(xì)胞傾向于懸浮于培養(yǎng)液中生長(zhǎng)。改變ZP值可通過(guò)改變培養(yǎng)液的pH與離子強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)，微藻絮凝或沉降過(guò)程可利用ZP值得改變導(dǎo)致微藻細(xì)胞的懸浮性改變的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)高效的微藻采收方法。微藻細(xì)胞的形狀、大小與細(xì)胞密度均會(huì)影響細(xì)胞的沉降系數(shù)，進(jìn)而直接影響微藻細(xì)胞的采收效率。微藻細(xì)胞形態(tài)多樣，如圓形、柱形、環(huán)形等等，并且有單細(xì)胞、群落與絲狀等等不同細(xì)胞間形態(tài)，細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)能力也差異巨大，導(dǎo)致細(xì)胞與培養(yǎng)液之間的流體力學(xué)規(guī)律多種多樣，沉降性質(zhì)也差異巨大。以上這些差異導(dǎo)致微藻采收效率上的不同.常見(jiàn)的微藻采收技術(shù)微藻采收常使用的技術(shù)常見(jiàn)的微藻采收技術(shù)各種微藻采收技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)采收方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)應(yīng)用場(chǎng)景重力沉降操作簡(jiǎn)單設(shè)備投入少，運(yùn)行成本低能耗低<0.1kWh/m3無(wú)化學(xué)物質(zhì)添加回收效率低（<30%，藻泥生物質(zhì)密度低，TSS約2%）時(shí)間長(zhǎng)生物質(zhì)容易腐敗變質(zhì)低附加值產(chǎn)品，如生物柴油絮凝較高的回收效率（RE60%~90%，藻泥生物質(zhì)密度較高TSS約3%~15%）操作簡(jiǎn)單，成本低廉（自絮凝與生物絮凝）低能耗（0.35kWh/m3）培養(yǎng)液處理量大適應(yīng)藻種廣（對(duì)于化學(xué)絮凝與電絮凝幾乎適用于任何藻種）生物絮凝劑可被降解，無(wú)毒化學(xué)絮凝劑成本較高采收過(guò)程依賴于培養(yǎng)液pH與離子強(qiáng)度自絮凝與微生物絮凝存在微藻種特異性化學(xué)物質(zhì)與微生物可能污染生物質(zhì)水分回收受限制低附加值產(chǎn)品，如生物柴油

氣浮簡(jiǎn)單快速適應(yīng)藻種廣（幾乎適用于所有微藻，直徑<500μm）回收率中等（50%~90%，TSS約7%）能耗高（7.6kWh/m3）設(shè)備與運(yùn)行成本高處理量較低需使用表面活性劑等化學(xué)試劑低附加值產(chǎn)品，如生物柴油離心回收率高（90%以上），藻泥密度高（TSS2%~25%）采收效率高處理量大藻種適應(yīng)廣不使用化學(xué)試劑能耗高（0.53~20kWh/m3）運(yùn)行與維護(hù)成本高可能破壞微藻細(xì)胞完整度高附加值產(chǎn)品，如化妝品、藥品、保健品等原料常見(jiàn)的微藻采收技術(shù)采收方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)應(yīng)用場(chǎng)景過(guò)濾高回收率（70%~90%，TSS5%~18%）設(shè)備成本低（泵與膜替換除外）能耗低（重力與壓力過(guò)濾0.1~0.9kWh/m3）微藻生物質(zhì)保存較好不使用化學(xué)試劑水可回收處理時(shí)間長(zhǎng)（需要壓力或真空）過(guò)濾膜容易積垢頻繁換膜或周期性清理耗能高（0.1~5.9kWh/m3）處理量有限小細(xì)胞微藻過(guò)濾不穩(wěn)定中等附加值微藻產(chǎn)品，如普通食品與動(dòng)物飼料注：引自EstevesAF,etal.,2020,HandbookofMicroalgae-BasedProcessesandProducts,AcademicPress,225-281.常見(jiàn)的微藻采收技術(shù)重力沉降法的基本原理

重力沉降法利用微藻細(xì)胞自身的重量，在重力作用下自然沉降到容器底部，從而實(shí)現(xiàn)從培養(yǎng)液中分離出來(lái)。這種方法簡(jiǎn)單、成本低，但效率相對(duì)較低，適用于大規(guī)模生產(chǎn)。采收效率與微藻特性的關(guān)系

不同種類的微藻因其細(xì)胞大小和形態(tài)差異，其重力沉降速率也有所不同。較大或絲狀的微藻細(xì)胞，如螺旋藻，沉降速度較快，而小型單細(xì)胞微藻則沉降較慢。重力沉降法的應(yīng)用限制

盡管重力沉降法在操作上簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，但其較低的采收效率和較長(zhǎng)的處理時(shí)間限制了其在高品質(zhì)微藻生物質(zhì)生產(chǎn)中的應(yīng)用，特別是對(duì)于需要保持高細(xì)胞活力的食品或飼料級(jí)微藻產(chǎn)品。（一）重力沉降法常見(jiàn)的微藻采收技術(shù)（二）絮凝

絮凝法原理

絮凝法通過(guò)中和微藻細(xì)胞表面的負(fù)電荷，使微藻細(xì)胞凝聚成塊，增大沉降速率，減少沉降時(shí)間。這種方法包括聚集結(jié)塊和重力沉降兩個(gè)步驟。

絮凝劑種類

絮凝劑可以是無(wú)機(jī)的，如硫酸鋁、氯化鐵和硫酸鐵；也可以是有機(jī)/聚電解質(zhì)絮凝劑，如聚丙烯酰胺或聚乙烯亞胺。選擇合適的絮凝劑對(duì)提高采收效率至關(guān)重要。

理想化學(xué)混凝劑特點(diǎn)

理想的化學(xué)混凝劑應(yīng)該是可持續(xù)和可再生的，不會(huì)造成生物質(zhì)污染，培養(yǎng)基可重復(fù)使用，價(jià)格便宜、無(wú)毒、低劑量有效，并且來(lái)源于可再生資源。

常見(jiàn)的微藻采收技術(shù)1.自絮凝自絮凝是描述微藻在特定的生長(zhǎng)階段會(huì)分泌一些具有絮凝性質(zhì)的代謝物，導(dǎo)致自身發(fā)生絮凝沉降的現(xiàn)象。微藻可以在不添加補(bǔ)充化學(xué)品的情況下自然發(fā)生絮凝，以應(yīng)對(duì)氮、pH和溶解氧等環(huán)境脅迫條件。培養(yǎng)液pH的升高常會(huì)導(dǎo)致微藻細(xì)胞的絮凝，后在重力的作用下發(fā)生沉降。自絮凝過(guò)程可能是由多種因素共同作用的結(jié)果，比如高pH誘導(dǎo)的金屬離子的共沉淀，微藻細(xì)胞在受到環(huán)境脅迫往胞外分泌的多聚大分子（Extracellularpolymericsubstances，EPS），以及細(xì)胞間的相互作用等等因素。常見(jiàn)的微藻采收技術(shù)2.化學(xué)絮凝化學(xué)絮凝在工業(yè)過(guò)程中比較常見(jiàn)，具有絮凝活性的化合物被加入培養(yǎng)液中，形成絮凝塊。化學(xué)絮凝劑可分為無(wú)機(jī)絮凝劑與有機(jī)絮凝劑或陽(yáng)離子絮凝劑與陰離子絮凝劑兩大類。陽(yáng)離子絮凝劑的使用最廣泛，可促進(jìn)細(xì)胞表面負(fù)電荷的中和，使細(xì)胞自發(fā)形成結(jié)塊發(fā)生沉降。鋁離子或鐵離子的多價(jià)鹽如Al2(SO4)3、Fe2(SO4)3與FeCl3被廣泛用于微藻細(xì)胞的絮凝采收。陽(yáng)離子絮凝劑在培養(yǎng)液中解離出陽(yáng)離子，進(jìn)而與細(xì)胞表面的羥基或羧基基團(tuán)結(jié)合而中和細(xì)胞表面的負(fù)電荷，減少細(xì)胞表面的靜電排斥促進(jìn)細(xì)胞聚集?；瘜W(xué)絮凝劑的絮凝效果也與培養(yǎng)液的性質(zhì)如電負(fù)性與離子強(qiáng)度等因素有關(guān)，電負(fù)性越高相應(yīng)的絮凝效率也越高，培養(yǎng)液的離子強(qiáng)度也會(huì)影響絮凝劑的絮凝效率，進(jìn)而影響絮凝劑的使用量。不同藻類使用的培養(yǎng)液離子強(qiáng)度差別較大，如淡水藻類與海水藻類之間，達(dá)到相同采收效率時(shí)海水微藻往往需要5~10倍以上淡水微藻絮凝劑的使用量。衡量化學(xué)絮凝劑一般使用以下五條標(biāo)準(zhǔn)：（1）須避免污染微藻生物質(zhì)。（2）采收效率能滿足生產(chǎn)需要。（3）微藻絮凝塊沉降速度能滿足生產(chǎn)需求。（4）培養(yǎng)液可回收后重復(fù)使用。（5）絮凝劑應(yīng)價(jià)格低廉、高效、環(huán)境友好與可持續(xù)性好。無(wú)機(jī)與有機(jī)絮凝劑比較無(wú)機(jī)絮凝劑通過(guò)在微藻培養(yǎng)液中形成多羥基絡(luò)合物，中和微藻細(xì)胞上的負(fù)表面電荷，促使細(xì)胞聚集結(jié)塊。雖然這類絮凝劑易于實(shí)現(xiàn)絮凝，但其環(huán)保性較差，可能污染微藻生物質(zhì)與培養(yǎng)液。無(wú)機(jī)絮凝劑的作用原理有機(jī)絮凝劑根據(jù)電荷類型分為陽(yáng)離子、陰離子或非離子型，其中陽(yáng)離子型能有效引起微藻細(xì)胞之間的連接，實(shí)現(xiàn)絮凝，而陰離子或非離子型由于電排斥作用無(wú)法有效形成微藻絮體。有機(jī)絮凝劑的分類及其作用研究表明，具有高電荷密度的陽(yáng)離子聚電解質(zhì)在微藻采收中表現(xiàn)出較金屬鹽更高的效率，能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)35倍的濃縮率，且其有效使用劑量隨分子量的增加而減少，顯示出更優(yōu)的絮凝性能。絮凝效率比較絮凝劑選擇因素絮凝效率的考量

選擇絮凝劑時(shí)，首要考慮其對(duì)不同微藻種類和培養(yǎng)液特性（如pH值、離子強(qiáng)度）的適應(yīng)性和效率，確保能高效促進(jìn)細(xì)胞聚集沉降，從而提升采收率。成本效益分析

在大規(guī)模微藻采收過(guò)程中，考慮絮凝劑的價(jià)格及使用劑量至關(guān)重要，選擇成本效益高的產(chǎn)品可以顯著降低操作成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。環(huán)境影響評(píng)估

選用絮凝劑時(shí)需評(píng)估其對(duì)環(huán)境的友好度和可持續(xù)性，避免對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成負(fù)面影響，同時(shí)保證微藻生物質(zhì)的質(zhì)量與安全，符合環(huán)保要求。123常見(jiàn)的微藻采收技術(shù)3.生物絮凝前面小節(jié)中介紹的微藻細(xì)胞自絮凝與化學(xué)絮凝依然存在一些技術(shù)障礙，比如成本高、絮凝劑使用量高以及微藻生物質(zhì)污染等中某些限制，生物絮凝技術(shù)在一定程度上可以避免以上使用限制，生物絮凝主要基于一些具有絮凝性質(zhì)的微生物或微生物分泌的多糖或蛋白質(zhì)等具有絮凝性質(zhì)的多聚物分子。利用微藻與其他微生物，如微藻、藍(lán)細(xì)菌、真菌或細(xì)菌共培養(yǎng)，利用微生物本身或其分泌的多聚物（EPS）達(dá)到微藻絮凝的目的。微藻的生物絮凝技術(shù)具有不需要外加化學(xué)試劑、操作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)可行以及培養(yǎng)液可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)微藻生物質(zhì)產(chǎn)品作為食品或飼料使用時(shí)，絮凝中混入的微生物污染會(huì)降低生物質(zhì)品質(zhì)，但用作微藻柴油等時(shí)，絮凝微生物的存在對(duì)微藻細(xì)胞的影響則無(wú)需考慮，某些情況下，絮凝微生物可增加采收獲得生物質(zhì)油脂的含量。常見(jiàn)的微藻采收技術(shù)4.物理絮凝技術(shù)常見(jiàn)的物理絮凝技術(shù)主要有電泳、超聲、磁力分離等超聲波輔助的絮凝采收是由高頻低振幅的超聲壓力使細(xì)胞接觸絮凝，但對(duì)細(xì)胞幾乎沒(méi)有損傷，優(yōu)點(diǎn)：能夠保持細(xì)胞的完整性，沒(méi)有移動(dòng)配件機(jī)械強(qiáng)度高，適合連續(xù)運(yùn)行。電絮凝技術(shù)原理與電泳類似，微藻細(xì)胞會(huì)帶有較少的負(fù)電荷，帶有正電荷的微藻細(xì)胞向陰極運(yùn)動(dòng)，富集于陰極附近的微藻細(xì)胞形成結(jié)塊而發(fā)生絮凝沉降。磁力分離也是一種很有應(yīng)用前景的微藻機(jī)械采收方式，因磁場(chǎng)的非破壞性，良好的生物相容性，操作與磁珠再生均比較容易等優(yōu)點(diǎn)。常見(jiàn)的微藻采收技術(shù)微藻絮凝采收案例絮凝類型微藻種類方法處理體積關(guān)鍵參數(shù)RE（%）/CF自絮凝

C.vulgarispH誘導(dǎo)100mLXC:0.5gDWL-1;pH:9.7~10.8;CC:5.75mMNaOH/4.00mMCa(OH)2/8.00mMKOH95%DunaliellatertiolectapH誘導(dǎo)50mLOM:分批;XC:0.25gDWL-1;pH:8.6~10.5;CC:1.0MNaOH90%化學(xué)絮凝

C.minutissima金屬離子絮凝劑20mLXC:2.20×108cells/mL;CC:0.75g/LAl2(SO4)3;RT:2h80%C.minutissima金屬離子絮凝劑20mLXC:2.20×108cells/mL;CC:0.75g/LFe2(SO4)3;RT:4h80%C.minutissima金屬離子絮凝劑20mLXC:2.20×108cells/mL;CC:0.5g/LAlCl3;RT:1h80%C.minutissima金屬離子絮凝劑20mLXC:2.20×108cells/mL;CC:0.75g/LFeCl3;RT:3h80%Nannochloropsisoculata金屬離子絮凝劑100mLXC:1.7g/L;pH:8.3;CC:438.1μMAl2(SO4)394%

100mLXC:2.2g/L;pH:7.9CC:383.5μMFeCl388%Dunaliellasalina金屬離子絮凝劑100mLXC:0.3gDWL-1;pH7.5;CC:1mMFeCl3;RT:30min90%~97%常見(jiàn)的微藻采收技術(shù)絮凝類型微藻種類方法處理體積關(guān)鍵參數(shù)RE（%）/CF化學(xué)絮凝Scenedesmusobliquus高分子聚合物絮凝劑50mLXC:6.35gDWL-1;CC:2mg/L聚丙烯酰胺;RT:5min90%Tetraselmischuii殼聚糖1LCC:40mg/L殼聚糖;pH:5.0380%Nannochloropsissp.殼聚糖納米粒子

XC:1.33×108cells/mL;CC:60mg/L殼聚糖納米粒子;pH:998%ParaC.kessleri陽(yáng)離子淀粉

XC:0.30g/L;CC:20mg/L陽(yáng)離子淀粉;pH:1090%Scenedesmusobliquus陽(yáng)離子淀粉

XC:0.15g/L;CC:10mg/L陽(yáng)離子淀粉80%C.vulgaris辣木衍生物

FAC:1g/L辣木種子粉;pH:9.2;RT:120min89%C.vulgaris辣木衍生物600mLOM:分批;FAC:30mg/L辣木種子粉;pH:6.9~7.5;RT:20min95%Botryococcussp.陽(yáng)離子菊粉200mLFAC:60mg/L;pH:7.4;RT:15min88.6%Chlamydomonassp.陽(yáng)離子瓜爾膠200mLXC:0.89mg/L;FAC:100mg/L;pH:7.3;RT:15min92.1%C.vulgaris凈水馬錢子種子粉50mLFAC:100mg/L;pH:7.0;RT:30min99.7%常見(jiàn)的微藻采收技術(shù)絮凝類型微藻種類方法處理體積關(guān)鍵參數(shù)RE（%）/CF生物絮凝

C.vulgarisγ-聚谷氨酸150mLXC:0.60g/L;FAC:19.82mg/Lγ-PGA;pH:7.8;RT:2h91%/20.5C.protothecoides聚谷氨酸150mLXC:0.60g/L;FAC:19.82mg/Lγ-PGA;pH:7.8;RT:2h98%/29.8BotryococcusbrauniiPestalotiopsissp.KCTC8637P來(lái)源的絮凝劑50mLFAC:100mg/L絮凝劑;pH:1190%C.vulgaris共培養(yǎng)Aspergillusniger

XC:2.55×109cells/L;FIC:8.50×106孢子/L;pH:7.190%Tetraselmissuecica共培養(yǎng)Aspergillusfumigatus250mLXC:7~12×108cells/mL;FIC:1.5~2.0×107孢子/L;RT:24h90%C.protothecoides共培養(yǎng)Aspergillusfumigatus250mLXC:1~3×109cells/mL;FIC:1.5~2.0×107孢子/L;RT:24h90%C.vulgaris共培養(yǎng)Aspergillusnomius1LXC:0.4g/L;F/M:4:1（w/w）;pH:7.0;RT:4h97%Nannochloropsissp共培養(yǎng)Aspergillusnomius1LXC:0.4g/L;F/M:4:1（w/w）;pH:6.0;RT:3h94%C.vulgarisCNW11共培養(yǎng)C.vulgarisJSC-7

FAC:0.5mg/L細(xì)胞壁多糖；pH:7;RT:1h80%Scenedesmusobliquus共培養(yǎng)ScenedesmusobliquusAS-6-1

XC:6×106cells/mL;FAC:0.6mg/L絮凝劑;pH:7;RT:30min88%常見(jiàn)的微藻采收技術(shù)絮凝類型微藻種類方法處理體積關(guān)鍵參數(shù)RE（%）/CF物理絮凝Monodussubterraneus超聲流量4~6Ld-1XC:3.3×108cells/mL;PI:4W90%/11Tetraselmissp電絮凝150mLXC:1.36×106cells/mL;RT:60s;El:鋁;Vo:5.2V;pH:8.495%Nannochloropsismaritima磁力絮凝100mLXC:0.1~2g/L;CC:120mg/LFe3O4納米粒;pH:897%注：V，處理體積；XC，培養(yǎng)液藻細(xì)胞密度；CC，化合物濃度；OM，運(yùn)行模式；RT，停留時(shí)間；FAC，絮凝劑濃度；FIC，真菌接種密度；F/M，真菌菌絲與微藻生物質(zhì)比例；PI，能量輸入；El，電極；Vo，電壓。引自EstevesAF,etal.,2020,HandbookofMicroalgae-BasedProcessesandProducts,AcademicPress,225-281.常見(jiàn)的微藻采收技術(shù)（三）浮選浮選原理概述浮選是一種利用氣泡的浮力來(lái)分離懸浮粒子的過(guò)程。通過(guò)氣泡將懸浮物帶到液體表面，再通過(guò)撇沫過(guò)程收集，實(shí)現(xiàn)疏水與親水顆粒的有效分離。溶氣浮選機(jī)制溶氣浮選（DAF）通過(guò)高壓將空氣溶解于水中，當(dāng)壓力降低時(shí)，空氣以微氣泡形式釋放，吸附在微藻細(xì)胞上，帶動(dòng)它們上浮至水面實(shí)現(xiàn)分離。曝氣與電解浮選對(duì)比曝氣浮選（DiAF）通過(guò)機(jī)械方式產(chǎn)生氣泡，而電解浮選則利用電能分解水生成氣泡，兩者都能有效地與微藻細(xì)胞結(jié)合，但電解浮選可能需要使用特定的電極材料。123常見(jiàn)的微藻采收技術(shù)（三）浮選影響浮選效率的因素：浮選過(guò)程中，聚集劑的種類直接影響氣泡與懸浮顆粒之間的黏附效率。使用不同類型的表面活性劑或絮凝劑，如陽(yáng)離子型、非離子型、硫代化合物與陰離子型，可以顯著提高浮選效率，因?yàn)樗鼈冊(cè)鰪?qiáng)了氣泡和顆粒間的相互作用。聚集劑種類的影響培養(yǎng)液的pH值和離子強(qiáng)度對(duì)浮選效率有著重要影響。pH值影響聚集劑的吸附能力和微藻細(xì)胞表面的電荷性質(zhì)，而離子強(qiáng)度則關(guān)系到氣泡與微藻細(xì)胞間的靜電作用，這些因素共同決定了浮選過(guò)程的效率。培養(yǎng)液pH和離子強(qiáng)度的作用氣泡的形成類型與大小是決定浮選效率的關(guān)鍵因素之一。較小的氣泡直徑能夠提供更高的表面積與體積比，從而增加氣泡與懸浮顆粒接觸的機(jī)會(huì)，同時(shí)較低的浮升速度也有助于提高顆粒的漂浮率，進(jìn)而提升浮選效率。氣泡形成類型與大小的重要性常見(jiàn)的微藻采收技術(shù)微藻浮選采收已有案例氣浮類型微藻處理體積運(yùn)行條件采收率溶氣浮選

Chlorella與Scenedesmus共培養(yǎng)1.2LOM:分批;EC:0.76Wh/L;CC:C-floc6084.9Scenedesmusdimorphus

RT:10min;CC:45.6mg/LMg2+85%Nannochloropsissp.

RT:10min;CC:1330mg/LMg2+92%C.sp.XJ-445

OM:分批;RT:15min;CC:40mg/gAl3++60mg/gCTAB;GFR:50mL/min98.7%曝氣浮選

Scenedesmusquadricauda

RT:20min;XC:7.4×104cells/mg;CC:10mg/LTritonX-100;GFR:114mL/min<10%

RT:20min;XC:7.4×104cells/mg;CC:10mg/LCTAB;GFR:114mL/min50%

RT:20min;XC:7.4×104cells/mg;CC:40mg/LCTAB;GFR:114mL/min90%Tetraselmissp.M8

RT:15min;CC:25mg/LDAH;GFR:10L/min97%

RT:15min;CC:15mg/LDPC;GFR:10L/min99%C.vulgaris;Scenedesmusobliquus

RT:20min;CC:20mg/L皂角苷+5mg/L殼聚糖>93%常見(jiàn)的微藻采收技術(shù)氣浮類型微藻處理體積運(yùn)行條件采收率電解氣浮

混合微藻

OM:分批;RT:140min95%~99%混合微藻

OM:分批;RT:40min75%~88%C.sorokiniana

OM:分批;EC:4kWh/kg;CC:0mg/LNaCl;C:1A;Vo:6.6V;El:碳66%

OM:分批;EC:1.6kWh/kg;CC:6mg/LNaCl;C:1A;Vo:3.7V;El:碳95%Aurantiochytriumsp.KRS101

OM:分批;RT:15min;EC:0.125kWh/kg;C:17.2mAc/m2;El:鋁55.6%Chlorellasp.

EC:0.43kWh/kg;CC:15mgL-1殼聚糖;GFR:1000L/h;C:5.9A;Vo:4V;El:碳90%分散臭氧氣浮

C.vulgaris

OM:分批;GC:0.024~0.05mgO3/mg;GFR:0.6L/min98%ScenedesmusobliquusFSP-3

OM:分批;RT:4min;GC:0.2~0.52mgO3/mg;GFR:0.6L/min95%混合微藻

OM:分批;RT:5min;GC:45mgO3/L;GFR:0.4L/min79.6%注：OM，運(yùn)行模式；RT，停留時(shí)間；EC，能耗；XC，培養(yǎng)液藻細(xì)胞密度；CC，化合物濃度；GC，氣體量；GFR，氣體流量；C，電流密度；Vo，電壓；El，電極。引自EstevesAF,etal.,2020,HandbookofMicroalgae-BasedProcessesandProducts,AcademicPress,225-281.常見(jiàn)的微藻采收技術(shù)1.溶氣浮選溶氣浮選法的原理是高壓濃縮空氣溶解于培養(yǎng)液后膨脹成氣泡，上浮過(guò)程中氣泡與微藻細(xì)胞結(jié)合，帶動(dòng)微藻細(xì)胞聚集上浮。高壓空氣溶解于培養(yǎng)液中形成的氣泡直徑大約在10~100μm之間，氣泡直徑是影響氣浮效率的主要因素，除此之外還有飽和器的壓力，培養(yǎng)液的pH，水力滯留時(shí)間，溶氣水回流比也對(duì)氣浮效率影響較大。為了提高聚集塊的形成效率與增加微藻顆粒尺寸，進(jìn)而提高氣浮采收效率，通常也會(huì)像絮凝采收一樣使用聚集劑。簡(jiǎn)介比曝氣浮選的采收效果好，相比曝氣浮選，溶氣浮選產(chǎn)生的氣泡較小，對(duì)微藻細(xì)胞的吸附過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)且溫和。優(yōu)點(diǎn)采收成本較高，高壓空氣的生成通常需要借助空壓機(jī)等耗能設(shè)備。不同的聚集劑對(duì)溶氣浮選的采收效率影響較大。缺點(diǎn)常見(jiàn)的微藻采收技術(shù)2.曝氣浮選曝氣浮選與溶氣浮選的區(qū)別在于曝氣浮選注射入培養(yǎng)液的空氣沒(méi)有經(jīng)過(guò)壓縮，產(chǎn)生的氣泡較大，約700~1500μm之間，氣泡通常由兩種方式產(chǎn)生，一種是空氣高速通過(guò)多孔材料或機(jī)械攪拌器，再就是通過(guò)表面活性劑生成氣泡。曝氣浮選更加適用于生成規(guī)模微藻細(xì)胞的采收。簡(jiǎn)介主要是相對(duì)節(jié)能。優(yōu)點(diǎn)所需設(shè)備價(jià)格相對(duì)較高。缺點(diǎn)常見(jiàn)的微藻采收技術(shù)3.電解浮選電解浮選是使用電能解離水分子生成氫氣產(chǎn)生氣泡，電極或絮凝劑可使用活性金屬陽(yáng)極。簡(jiǎn)介最大優(yōu)勢(shì)是成本可靠性與對(duì)所有微藻種的適應(yīng)性優(yōu)點(diǎn)此種采收方法存在陰極污染與能耗較高的缺陷。缺點(diǎn)常見(jiàn)的微藻采收技術(shù)4.曝氣臭氧浮選曝氣臭氧浮選與曝氣浮選的區(qū)別主要在于使用臭氧產(chǎn)生帶有電荷的氣泡。臭氧可氧化可溶性化合物分子，提高氣泡與微藻細(xì)胞之間的交聯(lián)，加上臭氧會(huì)誘導(dǎo)部分微藻細(xì)胞裂解，釋放一些生物大分子，起到絮凝劑或聚集劑的作用，提高微藻細(xì)胞采收效率。但曝氣臭氧浮選因需要配備臭氧產(chǎn)生設(shè)備而導(dǎo)致采收成本較高。影響曝氣臭氧浮選的主要因素有臭氧浮選時(shí)間、臭氧濃度以及流量。常見(jiàn)的微藻采收技術(shù)（四）離心

離心法的廣泛適用性

離心法在微藻采收領(lǐng)域幾乎適用于所有種類，其廣泛的適應(yīng)性使其成為工廠化微藻培養(yǎng)中最常見(jiàn)的采收方式之一，有效地支持了微藻產(chǎn)業(yè)的多樣化需求。

離心法的顯著優(yōu)點(diǎn)

離心法的主要優(yōu)點(diǎn)在于其高效且環(huán)保的采收過(guò)程，無(wú)需使用化學(xué)試劑即可達(dá)到接近100%的采收效率，為微藻產(chǎn)業(yè)提供了一種既安全又高效的解決方案。

離心法存在的挑戰(zhàn)

盡管離心法在微藻采收中表現(xiàn)出色，但其高能耗和昂貴的設(shè)備投資仍是不可忽視的缺點(diǎn)，這些因素增加了微藻生產(chǎn)的運(yùn)行成本和初期投資門檻。

常見(jiàn)的微藻采收技術(shù)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模微藻離心采收效率微藻處理體積運(yùn)行條件采收率Chaetoceroscalcitrans

OM：分批；v：1300×g48%Chaetocerosmuelleri

M：分批；v：1300×g15%C.sp.600mLOM：分批；RT：30min；v：4000rpm；XC：4.86×109cells/mL99%Isochrysissp.

OM：分批；v