1、第十二章 微藻培養(yǎng)技術(shù),授課教師：王娣,一、微藻定義及分類,微藻：一般是指那些在顯微鏡下才能辨別形態(tài)的微小藻類。 微藻是一類在陸地、海洋分布廣泛，營養(yǎng)豐富、光合利用度高的自養(yǎng)植物，細(xì)胞代謝產(chǎn)生的多糖、蛋白質(zhì)、色素等，使其在食品、醫(yī)藥、基因工程、液體燃料等領(lǐng)域具有很好的開發(fā)前景。,分類： 水生微藻、氣生微藻、陸生微藻 水生又可分為：淡水生和海水生；浮游和底棲 原核微藻、真核微藻,微藻種類繁多，微藻細(xì)胞中含有： 蛋白質(zhì)、脂類、藻多糖、-胡蘿卜素、多種無機(jī)元素（如Cu,Fe,Se,Mn,Zn等）等高價(jià)值的營養(yǎng)成分和化工原料。,微藻的蛋白質(zhì)含量很高，是單細(xì)胞蛋白(SCP)的一個(gè)重要來源。 微藻所含的維

2、生素A、維生素E、硫氨素、核黃素、吡多醇、維生素B12、維生素C、生物素、肌醇、葉酸、泛酸鈣和煙酸等增加了其作為SCP的價(jià)值。,藻中類胡蘿卜素含量較高，具有著色和營養(yǎng)的作用，可用來防治癌癥、抗輻射、延緩衰老,增強(qiáng)機(jī)體免疫力等生理作用。 藻粉中-胡蘿卜素含量高達(dá)14%。,藻細(xì)胞中甘油含量較高，是優(yōu)質(zhì)的化妝品原料，也是化工、輕工和醫(yī)藥工業(yè)中用途極廣的有機(jī)中間體。 藻多糖復(fù)合物可作為免疫佐劑增強(qiáng)抗原性和機(jī)體免疫功能，明顯抑制實(shí)體瘤S180起到抗腫瘤的作用。,二、微藻的綜合應(yīng)用及前景,醫(yī)藥工業(yè) 天然-胡蘿卜素具有抑制腫瘤、抗輻射和升高白細(xì)胞等作用，尤其對(duì)萎縮性胃炎、口腔潰瘍、皮膚疾病和放化療患者有著明

3、顯的輔助治療效果。已開發(fā)出的產(chǎn)品有天然胡蘿卜素口服液、沖劑、口含片、水分散型干粉等產(chǎn)品。近些年對(duì)不飽和脂肪酸（DHA、RHA）在嬰兒食品和保健品中的使用都深受人們的歡迎。微藻膠體（ECP）有較強(qiáng)的抗腫瘤活性引起國內(nèi)外專家的關(guān)注。,食品工業(yè) 藻類的粗蛋白含量超過60%,生物學(xué)產(chǎn)量高于任何作物。藻類蛋白的生產(chǎn)正在迅速發(fā)展，小球藻、新月藻、螺旋藻己被用作蛋白質(zhì)來源，小球藻、螺旋藻、杜氏鹽藻還以粉劑、丸劑、提取物等形式投放保健品市場(chǎng)或用作食品添加劑。,動(dòng)物飼料 微藻的蛋白質(zhì)含量較高，所含核酸超過常規(guī)飼料和食品，人工培養(yǎng)用做浮游動(dòng)物的餌料，成功地用在飼養(yǎng)魚類或作動(dòng)物性浮游生物(如紅蟲、牡蠣等)。,環(huán)境檢

4、測(cè) 微藻的生長狀況能直接反映水質(zhì)情況，判斷空氣中的毒性氣體，打破常規(guī)氣體樣品的分析和檢測(cè)，Naessens. M等人將小球藻固定在疏水膜上和膜電極相連制成生物反應(yīng)器，反映空氣甲醇蒸汽和四氯乙烯含量。 Podola B等人改用調(diào)制熒光儀檢測(cè)（PAM -2000）萊茵衣藻檢測(cè)氣體中的甲醇、甲醛。,環(huán)境凈化的作用 Chung P. 將廢水處理和單細(xì)胞蛋白（SCP）的生產(chǎn)結(jié)合，對(duì)沼氣厭養(yǎng)發(fā)酵的豬糞廢水進(jìn)行處理，螺旋藻產(chǎn)量為5g /m2 /d。 微藻生長脫氮除磷、難降解有機(jī)物、重金屬離子。微藻還能吸收一定濃度，在挪威、日本早已開始研究培養(yǎng)微藻進(jìn)行環(huán)境保護(hù)。,生物技術(shù) 微藻生長周期短，開發(fā)新型的微藻-生物

5、反應(yīng)器，利用藻類蛋白生產(chǎn)口服疫苗等，用活性物質(zhì)制成干粉口服。,可再生能源的制造 藻中富含的酯類和甘油是制備液體燃料的良好原料；微藻熱解制備的生物質(zhì)燃油熱值高，是木材或農(nóng)作物秸稈的1.42倍。 將微生物和微藻混合培養(yǎng)，生產(chǎn)高純度的乙醇、甲醇、丁烷等能源化合物，是理想的可再生能源。,微藻培養(yǎng)意義,我國人口多，增長速度快，耕地面積以每年1.6%的比率遞減，光和效率高于常規(guī)作物，微藻生產(chǎn)成本低、營養(yǎng)物質(zhì)豐富、經(jīng)濟(jì)效益高、用途廣泛的特點(diǎn)，使藻類在各領(lǐng)域的研究工作蓬勃發(fā)展，尤其在醫(yī)藥業(yè)，對(duì)人類的身體健康有著突出的貢獻(xiàn)，可帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，是一個(gè)很有潛力的經(jīng)濟(jì)開發(fā)項(xiàng)目。,根據(jù)微藻大規(guī)模培養(yǎng)過程的特點(diǎn)，微藻

6、培養(yǎng)用反應(yīng)器要能提供以下條件：足夠的光照。合適的溫度。合適的無機(jī)碳源（及其他無機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)）。合適的pH。充分混合。避免污染。氧的析出或供給。,三、微藻大規(guī)模培養(yǎng)反應(yīng)器,微藻大規(guī)模培養(yǎng)反應(yīng)器有兩大類： 一類是敞開式培養(yǎng)反應(yīng)器； 另一類是封閉式光生物反應(yīng)器,1、敞開式培養(yǎng)反應(yīng)器,目前世界上商業(yè)化大規(guī)模培養(yǎng)微藻一般在敞開的水平淺池中進(jìn)行，或者利用天然湖泊、環(huán)湖礁等。池深一般為10一30cm，通常采用聚乙烯或水泥做砌襯，面積可大至幾千平方米。 池內(nèi)通常采用槳板輪、螺旋槳或空氣噴射器等進(jìn)行攪拌，或者將池體隔成跑道（raceway），用泵使藻液循環(huán)以加強(qiáng)液體的流動(dòng)。經(jīng)過多年的實(shí)際使用，敞開式跑道池培養(yǎng)系統(tǒng)

7、已成為最典型、最常用的敞開式培養(yǎng)反應(yīng)器。,優(yōu)缺點(diǎn)主要有：,優(yōu)點(diǎn)是成本低、建造容易、操作簡(jiǎn)便、易于生產(chǎn)。缺點(diǎn)主要有：（1）培養(yǎng)效率低。（2）培養(yǎng)條件無法控制，生產(chǎn)期短。（3）易受到污染。（4) 水分容易蒸發(fā)，造成培養(yǎng)液鹽度過高，使得微藻生長緩慢。（5）光能利用率不高，難于實(shí)現(xiàn)高密度培養(yǎng)。,2、封閉式光培養(yǎng)反應(yīng)器,為提高生產(chǎn)效率、降低成本，可通過下列方法對(duì)微藻培養(yǎng)過程進(jìn)行優(yōu)化： 進(jìn)行適于商用性生產(chǎn)的新型藻種的篩選。高效養(yǎng)殖系統(tǒng)的開發(fā)。尋找因地制宜的生產(chǎn)方式及營養(yǎng)源。改變生長條件刺激微藻的生長速度及某些有效成分的含量。自養(yǎng)和異養(yǎng)相結(jié)合。各種先進(jìn)的檢測(cè)及控制系統(tǒng)的應(yīng)用。,封閉式光培養(yǎng)反應(yīng)器具有以下優(yōu)點(diǎn)

8、：,（1）培養(yǎng)效率高。該類反應(yīng)器的光合效率最高可達(dá)16.6，微藻細(xì)胞濃度可高達(dá)每升幾十克，藻體的采收十分方便。（2）培養(yǎng)條件易于控制，除自然光難于控制外，其他條件均可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，對(duì)微藻代謝產(chǎn)物的大量積累非常有利。（3）污染少，易于實(shí)現(xiàn)純種培養(yǎng)。（4）生產(chǎn)周期延長，甚至可終年生產(chǎn)。（5）適合于所有藻種的培養(yǎng)，尤其適合于藻類代謝物的生產(chǎn)。,其他培養(yǎng)器,管道式光培養(yǎng)反應(yīng)器：,反應(yīng)器的主體是一條由透明塑料制成的管子，安放在不同的形式以便最充分地利用太陽光。如將管子彎曲，水平排列成跑道式；或間錯(cuò)開來排列成兩層；或?qū)⒐茏訌澢菪苇h(huán)繞成圓筒狀；或?qū)⒐苡诃h(huán)繞在圓錐形支撐物上等等。含有藻體的培養(yǎng)液通過泵或

9、空氣升液器的作用在管道中循環(huán)流動(dòng)。由于二氧化碳通過泵進(jìn)入培養(yǎng)液后隨之在管道中流動(dòng)，與培養(yǎng)液接觸時(shí)間長，因而二氧化碳的利用率高，這是該反應(yīng)器的一大優(yōu)點(diǎn)。,圓筒形光培養(yǎng)反應(yīng)器,反應(yīng)器是由透明材料制成的圓筒。由帶擋板的內(nèi)筒、外筒、頂板和底板4部分組成，便于裝卸。進(jìn)液口和出液口設(shè)在頂板和底板上。藻液在內(nèi)筒和外筒形成的空間里靠泵的作用流動(dòng)。培養(yǎng)物的攪拌靠氣升作用來實(shí)現(xiàn)。 這種反應(yīng)器的光照表面積與體積之比不高，對(duì)土地的利用率不高，培養(yǎng)體積也有限。,扁平箱式光培養(yǎng)反應(yīng)器,該反應(yīng)器外形是一扁平的長方體。頂板上設(shè)有空氣入口和冷卻水進(jìn)出口，兩塊狹窄的側(cè)板上端和下端分別設(shè)有藻液出口和進(jìn)口。藻液的攪拌靠不斷向其中通入

10、空氣來實(shí)現(xiàn)?？諝馔ㄟ^設(shè)在箱體底部的帶孔管子進(jìn)入藻液。 使用一個(gè)反應(yīng)器可以進(jìn)行藻的分批培養(yǎng)，或?qū)⑷舾蓚€(gè)反應(yīng)器串聯(lián)起來進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng)。具體的實(shí)現(xiàn)方法是：用一臺(tái)泵向第一個(gè)反應(yīng)器泵入新鮮培養(yǎng)液。用另一臺(tái)泵將培養(yǎng)物從最后一個(gè)反應(yīng)器泵回第一個(gè)反應(yīng)器，并收獲一部分藻液。藻液在其他反應(yīng)器之間的流動(dòng)靠溢流作用實(shí)現(xiàn)。,使用這種多級(jí)反應(yīng)器連續(xù)培養(yǎng)技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)： 在稀釋率相同的情況下有更高的產(chǎn)物濃度。穩(wěn)定性更好。相對(duì)于底物濃度而言有更高的生物量產(chǎn)率。減少或消除了底物和或產(chǎn)物的抑制效應(yīng)。該反應(yīng)器的缺點(diǎn)在于：光照表面積與體積之比不高；由于靜水壓大，單個(gè)反應(yīng)器的培養(yǎng)體積有限。,四、微藻自養(yǎng)生長的影響因子,（一）光源 微藻培

11、養(yǎng)光源主要是太陽光，其次可利用人工光源。使用人工光源，光照時(shí)間和光照強(qiáng)度都容易控制，但成本高，一般只在實(shí)驗(yàn)室使用。在生產(chǎn)中，只有陰天下雨陽光不足時(shí)，才補(bǔ)充人工光源。常用的人工光源有日光燈、白熾燈、碘鎢燈、生物效應(yīng)燈等。,適光范圍是指微藻細(xì)胞能進(jìn)行正常生長繁殖的光照強(qiáng)度范圍。 不同藻類的適光范圍不同，在適光范圍內(nèi)，光照強(qiáng)度增加，光合作用速度加快，光合作用或細(xì)胞分裂速率達(dá)到最大值時(shí)的光照強(qiáng)度稱為最適光照強(qiáng)度或稱飽和光照強(qiáng)度。達(dá)到飽和光照強(qiáng)度后，光照強(qiáng)度增加，光合作用反而減弱以至受到抑制。 適光范圍的低限，是補(bǔ)償光照強(qiáng)度。在這樣光照強(qiáng)度下，藻類呼吸作用消耗的氧氣與光合作用放出的氧氣恰好相等，此時(shí)細(xì)胞只能維持基礎(chǔ)代謝，不能生長 只有當(dāng)光照強(qiáng)度高于補(bǔ)償光照強(qiáng)度時(shí)，微藻才能生長，光強(qiáng)度低于補(bǔ)償光照強(qiáng)度時(shí)，不僅不能生長，而且還消耗體內(nèi)儲(chǔ)存物質(zhì)，使細(xì)胞干重下降,（二）適光范圍,（三）其他因素的影響 溫度 溫度通過對(duì)藻類細(xì)胞新陳代謝速度的影響，而影響藻類細(xì)胞對(duì)光照強(qiáng)度的要求。在低溫下，新陳代謝緩慢，要求的補(bǔ)償光照強(qiáng)度較低，造成有害作用的光照強(qiáng)度也較低。,營養(yǎng)鹽濃度。在低光照時(shí)，營養(yǎng)鹽濃度對(duì)生長率無影響。在中光下，則表現(xiàn)出營養(yǎng)鹽濃度增加，光合作用加強(qiáng)的趨勢(shì)，而且