第十二章---微藻培养技术课件

第十二章 微藻培养技术授课教师：王娣第十二章 微藻培养技术授课教师：王娣1一、微藻定义及分类l微藻：一般是指那些在显微镜下才能辨别微藻：一般是指那些在显微镜下才能辨别形态的形态的微小藻类微小藻类。l微藻是一类在陆地、海洋分布广泛，营养微藻是一类在陆地、海洋分布广泛，营养丰富、光合利用度高的自养植物，细胞代丰富、光合利用度高的自养植物，细胞代谢产生的多糖、蛋白质、色素等，使其在谢产生的多糖、蛋白质、色素等，使其在食品、医药、基因工程、液体燃料等领域食品、医药、基因工程、液体燃料等领域具有很好的开发前景。具有很好的开发前景。一、微藻定义及分类微藻：一般是指那些在显微镜下才能辨别形态的2分类：分类：l水生微藻、气生微藻、陆生微藻水生微藻、气生微藻、陆生微藻l水生又可分为：淡水生和海水生；浮游和水生又可分为：淡水生和海水生；浮游和底栖底栖l原核微藻、真核微藻原核微藻、真核微藻分类：3l微藻种类繁多，微藻细胞中含有：微藻种类繁多，微藻细胞中含有：l蛋白质、脂类、藻多糖、蛋白质、脂类、藻多糖、-胡萝卜素、多胡萝卜素、多种无机元素（如种无机元素（如Cu,Fe,Se,Mn,Zn等）等等）等高价值的营养成分和化工原料。高价值的营养成分和化工原料。微藻种类繁多，微藻细胞中含有：4l微藻的蛋白质含量很高，是单细胞蛋白微藻的蛋白质含量很高，是单细胞蛋白(SCP)的一个重要来源。的一个重要来源。l微藻所含的维生素微藻所含的维生素A、维生素、维生素E、硫氨素、硫氨素、核黄素、吡多醇、维生素核黄素、吡多醇、维生素B12、维生素、维生素C、生物素、肌醇、叶酸、泛酸钙和烟酸等增生物素、肌醇、叶酸、泛酸钙和烟酸等增加了其作为加了其作为SCP的价值。的价值。微藻的蛋白质含量很高，是单细胞蛋白(SCP)的一个重要来源。5l藻中类胡萝卜素含量较高，具有着色和营藻中类胡萝卜素含量较高，具有着色和营养的作用，可用来防治癌症、抗辐射、延养的作用，可用来防治癌症、抗辐射、延缓衰老缓衰老,增强机体免疫力等生理作用。增强机体免疫力等生理作用。l藻粉中藻粉中-胡萝卜素含量高达胡萝卜素含量高达14%。藻中类胡萝卜素含量较高，具有着色和营养的作用，可用来防治癌症6l藻细胞中甘油含量较高，是优质的化妆品藻细胞中甘油含量较高，是优质的化妆品原料，也是化工、轻工和医药工业中用途原料，也是化工、轻工和医药工业中用途极广的有机中间体。极广的有机中间体。l藻多糖复合物可作为免疫佐剂增强抗原性藻多糖复合物可作为免疫佐剂增强抗原性和机体免疫功能，明显抑制实体瘤和机体免疫功能，明显抑制实体瘤S180起到抗肿瘤的作用。起到抗肿瘤的作用。藻细胞中甘油含量较高，是优质的化妆品原料，也是化工、轻工和医7二、微藻的综合应用及前景 l医药工业医药工业 天然天然-胡萝卜素胡萝卜素具有抑制肿瘤、抗辐射和升高具有抑制肿瘤、抗辐射和升高白细胞等作用，尤其对萎缩性胃炎、口腔溃疡、皮白细胞等作用，尤其对萎缩性胃炎、口腔溃疡、皮肤疾病和放化疗患者有着明显的辅助治疗效果。已肤疾病和放化疗患者有着明显的辅助治疗效果。已开发出的产品有天然胡萝卜素口服液、冲剂、口含开发出的产品有天然胡萝卜素口服液、冲剂、口含片、水分散型干粉等产品。近些年对片、水分散型干粉等产品。近些年对不饱和脂肪酸不饱和脂肪酸（DHA、RHA）在婴儿食品和保健品中的使用都在婴儿食品和保健品中的使用都深受人们的欢迎。深受人们的欢迎。微藻胶体（微藻胶体（ECP）有较强的抗肿有较强的抗肿瘤活性引起国内外专家的关注。瘤活性引起国内外专家的关注。二、微藻的综合应用及前景 医药工业8l食品工业食品工业 藻类的粗蛋白含量超过藻类的粗蛋白含量超过60%,生物学生物学产量高于任何作物。藻类蛋白的生产正在产量高于任何作物。藻类蛋白的生产正在迅速发展，小球藻、新月藻、螺旋藻己被迅速发展，小球藻、新月藻、螺旋藻己被用作蛋白质来源，小球藻、螺旋藻、杜氏用作蛋白质来源，小球藻、螺旋藻、杜氏盐藻还以盐藻还以粉剂、丸剂、提取物等粉剂、丸剂、提取物等形式投放形式投放保健品市场或用作食品添加剂。保健品市场或用作食品添加剂。食品工业9l动物饲料动物饲料 微藻的蛋白质含量较高，所含微藻的蛋白质含量较高，所含核酸超核酸超过常规饲料和食品过常规饲料和食品，人工培养用做浮游动，人工培养用做浮游动物的饵料，成功地用在饲养鱼类或作动物物的饵料，成功地用在饲养鱼类或作动物性浮游生物性浮游生物(如红虫、牡蛎等如红虫、牡蛎等)。动物饲料10l环境检测环境检测 微藻的生长状况能微藻的生长状况能直接反映水质情况直接反映水质情况，判断空判断空气中的毒性气体气中的毒性气体，打破常规气体样品的分析和检测，打破常规气体样品的分析和检测，Naessens.M等人将小球藻固定在疏水膜上和膜电等人将小球藻固定在疏水膜上和膜电极相连制成生物反应器，反映空气甲醇蒸汽和四氯极相连制成生物反应器，反映空气甲醇蒸汽和四氯乙烯含量。乙烯含量。Podola B等人改用调制荧光仪检测（等人改用调制荧光仪检测（PAM-2000）莱茵衣藻检测气体中的）莱茵衣藻检测气体中的甲醇、甲醛甲醇、甲醛。环境检测11l环境净化的作用环境净化的作用 Chung P.将将废水处理和单细胞蛋白废水处理和单细胞蛋白（SCP）的生产结合，对沼气厌养发酵的猪粪）的生产结合，对沼气厌养发酵的猪粪废水进行处理，螺旋藻产量为废水进行处理，螺旋藻产量为5g/m2/d。微藻生长脱氮除磷、难降解有机物、重金微藻生长脱氮除磷、难降解有机物、重金属离子。微藻还能吸收一定浓度，在挪威、日属离子。微藻还能吸收一定浓度，在挪威、日本早已开始研究培养微藻进行环境保护。本早已开始研究培养微藻进行环境保护。环境净化的作用12l生物技术生物技术 微藻生长周期短，开发新型的微藻微藻生长周期短，开发新型的微藻-生物生物反应器，利用藻类蛋白生产口服疫苗等，用反应器，利用藻类蛋白生产口服疫苗等，用活性物质制成干粉口服。活性物质制成干粉口服。生物技术13l可再生能源的制造可再生能源的制造 藻中富含的藻中富含的酯类和甘油酯类和甘油是制备液体燃料的是制备液体燃料的良好原料；微藻热解制备的生物质燃油热值高，良好原料；微藻热解制备的生物质燃油热值高，是木材或农作物秸秆的是木材或农作物秸秆的1.42倍倍。将微生物和微藻混合培养，生产高纯度的将微生物和微藻混合培养，生产高纯度的乙醇、甲醇、丁烷等能源化合物，是理想的可乙醇、甲醇、丁烷等能源化合物，是理想的可再生能源。再生能源。可再生能源的制造14微藻培养意义l我国人口多，增长速度快，耕地面积以每年我国人口多，增长速度快，耕地面积以每年1.6%的比率递减，光和效率高于常规作物，的比率递减，光和效率高于常规作物，微藻生产微藻生产成本低、营养物质丰富、经济效益高、用途广泛成本低、营养物质丰富、经济效益高、用途广泛的特点，的特点，使藻类在各领域的研究工作蓬勃发展，使藻类在各领域的研究工作蓬勃发展，尤其在医药业，对人类的身体健康有着突出的贡尤其在医药业，对人类的身体健康有着突出的贡献，可带来巨大的经济效益，是一个很有潜力的献，可带来巨大的经济效益，是一个很有潜力的经济开发项目。经济开发项目。微藻培养意义我国人口多，增长速度快，耕地面积以每年1.6%的15l根据微藻大规模培养过程的特点，微藻培养用反根据微藻大规模培养过程的特点，微藻培养用反应器要能提供以下条件：应器要能提供以下条件：足够的光照。足够的光照。合适的温度。合适的温度。合适的无机碳源（及其他无机营养物质）。合适的无机碳源（及其他无机营养物质）。合适的合适的pH。充分混合。充分混合。避免污染。避免污染。氧的析出或供给氧的析出或供给。根据微藻大规模培养过程的特点，微藻培养用反应器要能提供以下条16三、微藻大规模培养反应器l微藻大规模培养反应器有两大类：微藻大规模培养反应器有两大类：l一类是一类是敞开式敞开式培养反应器；培养反应器；l另一类是另一类是封闭式封闭式光生物反应器光生物反应器 三、微藻大规模培养反应器微藻大规模培养反应器有两大类：171、敞开式培养反应器l目前世界上商业化大规模培养微藻一般在敞开的水平浅池目前世界上商业化大规模培养微藻一般在敞开的水平浅池中进行，或者利用天然湖泊、环湖礁等。池深一般为中进行，或者利用天然湖泊、环湖礁等。池深一般为10一一30cm，通常采用聚乙烯或水泥做砌衬，面积可大至几千平，通常采用聚乙烯或水泥做砌衬，面积可大至几千平方米。方米。l池内通常采用桨板轮、螺旋桨或空气喷射器等进行搅拌，池内通常采用桨板轮、螺旋桨或空气喷射器等进行搅拌，或者将池体隔成跑道（或者将池体隔成跑道（raceway），用泵使藻液循环以加），用泵使藻液循环以加强液体的流动。经过多年的实际使用，敞开式跑道池培养强液体的流动。经过多年的实际使用，敞开式跑道池培养系统已成为最典型、最常用的敞开式培养反应器。系统已成为最典型、最常用的敞开式培养反应器。1、敞开式培养反应器18优缺点主要有：l优点是成本低、建造容易、操作简便、易于生产。优点是成本低、建造容易、操作简便、易于生产。缺点主要有：缺点主要有：（1）培养效率低。）培养效率低。（2）培养条件无法控制，生产期短。）培养条件无法控制，生产期短。（3）易受到污染。）易受到污染。（4)水分容易蒸发，造成培养液盐度过高，使得水分容易蒸发，造成培养液盐度过高，使得微藻生长缓慢。微藻生长缓慢。（5）光能利用率不高，难于实现高密度培养。）光能利用率不高，难于实现高密度培养。优缺点主要有：192、封闭式光培养反应器l为提高生产效率、降低成本，可通过下列方法对微藻培养过程为提高生产效率、降低成本，可通过下列方法对微藻培养过程进行优化：进行优化：进行适于商用性生产的新型藻种的筛选。进行适于商用性生产的新型藻种的筛选。高效养殖系统的开发。高效养殖系统的开发。寻找因地制宜的生产方式及营养源。寻找因地制宜的生产方式及营养源。改变生长条件刺激微藻的生长速度及某些有效成分的含量。改变生长条件刺激微藻的生长速度及某些有效成分的含量。自养和异养相结合。自养和异养相结合。各种先进的检测及控制系统的应用。各种先进的检测及控制系统的应用。2、封闭式光培养反应器为提高生产效率、降低成本，可通过下列方20第十二章-微藻培养技术课件21封闭式光培养反应器具有以下优点：l（1）培养效率高。该类反应器的光合效率最高可达）培养效率高。该类反应器的光合效率最高可达16.6，微藻细胞浓度可高达每升几十克，藻体的采收十分方便。微藻细胞浓度可高达每升几十克，藻体的采收十分方便。（2）培养条件易于控制，除自然光难于控制外，其他条件）培养条件易于控制，除自然光难于控制外，其他条件均可实现自动控制，对微藻代谢产物的大量积累非常有利。均可实现自动控制，对微藻代谢产物的大量积累非常有利。（3）污染少，易于实现纯种培养。）污染少，易于实现纯种培养。（4）生产周期延长，甚至可终年生产。）生产周期延长，甚至可终年生产。（5）适合于所有藻种的培养，尤其适合于藻类代谢物的生）适合于所有藻种的培养，尤其适合于藻类代谢物的生产。产。封闭式光培养反应器具有以下优点：（1）培养效率高。该类反应器22其他培养器l管道式光培养反应器：其他培养器管道式光培养反应器：23l反应器的主体是一条由反应器的主体是一条由透明塑料透明塑料制成的管子，安放在制成的管子，安放在不同的形式以便最充分地利用太阳光。如将管子弯曲，不同的形式以便最充分地利用太阳光。如将管子弯曲，水平排列成跑道式；或间错开来排列成两层；或将管水平排列成跑道式；或间错开来排列成两层；或将管子弯曲，螺旋形环绕成圆筒状；或将管于环绕在圆锥子弯曲，螺旋形环绕成圆筒状；或将管于环绕在圆锥形支撑物上等等。形支撑物上等等。含有藻体的培养液通过泵或空气升含有藻体的培养液通过泵或空气升液器的作用在管道中循环流动。液器的作用在管道中循环流动。由于二氧化碳通过泵由于二氧化碳通过泵进入培养液后随之在管道中流动，与培养液接触时间进入培养液后随之在管道中流动，与培养液接触时间长，因而二氧化碳的利用率高，这是该反应器的一大长，因而二氧化碳的利用率高，这是该反应器的一大优点。优点。反应器的主体是一条由透明塑料制成的管子，安放在不同的形式以便24圆筒形光培养反应器 l反应器是由透明材料制成的圆筒。由带挡板反应器是由透明材料制成的圆筒。由带挡板的内筒、外筒、顶板和底板的内筒、外筒、顶板和底板4部分组成，便部分组成，便于装卸。进液口和出液口设在顶板和底板上。于装卸。进液口和出液口设在顶板和底板上。藻液在内筒和外筒形成的空间里靠泵的作用藻液在内筒和外筒形成的空间里靠泵的作用流动。培养物的搅拌靠气升作用来实现。流动。培养物的搅拌靠气升作用来实现。l这种反应器的光照表面积与体积之比不高，这种反应器的光照表面积与体积之比不高，对土地的利用率不高，培养体积也有限。对土地的利用率不高，培养体积也有限。圆筒形光培养反应器 反应器是由透明材料制成的圆筒。由带挡板的25第十二章-微藻培养技术课件26扁平箱式光培养反应器 l该反应器外形是一扁平的长方体。顶板上设有空气入口和该反应器外形是一扁平的长方体。顶板上设有空气入口和冷却水进出口，两块狭窄的侧板上端和下端分别设有藻液冷却水进出口，两块狭窄的侧板上端和下端分别设有藻液出口和进口。藻液的搅拌靠不断向其中通入空气来实现。出口和进口。藻液的搅拌靠不断向其中通入空气来实现。空气通过设在箱体底部的带孔管子进入藻液。空气通过设在箱体底部的带孔管子进入藻液。l使用一个反应器可以进行藻的分批培养，或将若干个反应使用一个反应器可以进行藻的分批培养，或将若干个反应器串联起来进行连续培养。具体的实现方法是：用一台泵器串联起来进行连续培养。具体的实现方法是：用一台泵向第一个反应器泵入新鲜培养液。用另一台泵将培养物从向第一个反应器泵入新鲜培养液。用另一台泵将培养物从最后一个反应器泵回第一个反应器，并收获一部分藻液。最后一个反应器泵回第一个反应器，并收获一部分藻液。藻液在其他反应器之间的流动靠溢流作用实现。藻液在其他反应器之间的流动靠溢流作用实现。扁平箱式光培养反应器 该反应器外形是一扁平的长方体。顶板上设27l使用这种多级反应器连续培养技术有以下优点：使用这种多级反应器连续培养技术有以下优点：在稀释率相同的情况下有更高的产物浓度。在稀释率相同的情况下有更高的产物浓度。稳定性更好。稳定性更好。相对于底物浓度而言有更高的生物量产率。相对于底物浓度而言有更高的生物量产率。减少或消除了底物和或产物的抑制效应。减少或消除了底物和或产物的抑制效应。该反应器的缺点在于：该反应器的缺点在于：光照表面积与体积之比不高；由于静水压大，单个反应光照表面积与体积之比不高；由于静水压大，单个反应器的培养体积有限。器的培养体积有限。使用这种多级反应器连续培养技术有以下优点：在稀释率相同28第十二章-微藻培养技术课件29四、微藻自养生长的影响因子l（一）光源（一）光源 l微藻培养光源主要是微藻培养光源主要是太阳光太阳光，其次可利用人，其次可利用人工光源。使用工光源。使用人工光源，人工光源，光照时间和光照强光照时间和光照强度都容易控制，但成本高，一般只在实验室度都容易控制，但成本高，一般只在实验室使用。在生产中，只有阴天下雨阳光不足时，使用。在生产中，只有阴天下雨阳光不足时，才补充人工光源。才补充人工光源。常用的人工光源有日光灯、常用的人工光源有日光灯、白炽灯、碘钨灯、生物效应灯白炽灯、碘钨灯、生物效应灯等。等。四、微藻自养生长的影响因子（一）光源 30l适光范围是指微藻细胞能进行正常生长繁殖的光照强度范围适光范围是指微藻细胞能进行正常生长繁殖的光照强度范围。l不同藻类的适光范围不同，在适光范围内，光照强度增加，光合作用不同藻类的适光范围不同，在适光范围内，光照强度增加，光合作用速度加快，光合作用或细胞分裂速率达到最大值时的光照强度称为速度加快，光合作用或细胞分裂速率达到最大值时的光照强度称为最适光照强度或称饱和光照强度。达到饱和光照强度后，光照强度最适光照强度或称饱和光照强度。达到饱和光照强度后，光照强度增加，光合作用反而减弱以至受到抑制。增加，光合作用反而减弱以至受到抑制。l适光范围的低限，是补偿光照强度。在这样光照强度下，藻类呼吸作适光范围的低限，是补偿光照强度。在这样光照强度下，藻类呼吸作用消耗的氧气与光合作用放出的氧气恰好相等，此时细胞只能维持用消耗的氧气与光合作用放出的氧气恰好相等，此时细胞只能维持基础代谢，不能生长基础代谢，不能生长l只有当光照强度高于补偿光照强度时，微藻才能生长，光强度低于补只有当光照强度高于补偿光照强度时，微藻才能生长，光强度低于补偿光照强度时，不仅不能生长，而且还消耗体内储存物质，使细胞偿光照强度时，不仅不能生长，而且还消耗体内储存物质，使细胞干重下降干重下降（二）适光范围（二）适光范围适光范围是指微藻细胞能进行正常生长繁殖的光照强度范围。（二）31（三）其他因素的影响（三）其他因素的影响 l温度温度 温度通过对藻类细胞新陈代谢速度的温度通过对藻类细胞新陈代谢速度的影响，而影响藻类细胞对光照强度的要求。影响，而影响藻类细胞对光照强度的要求。在低温下，新陈代谢缓慢，要求的补偿光在低温下，新陈代谢缓慢，要求的补偿光照强度较低，造成有害作用的光照强度也照强度较低，造成有害作用的光照强度也较低。较低。（三）其他因素的影响 32l营养盐浓度。营养盐浓度。在低光照时，营养盐浓度对在低光照时，营养盐浓度对生长率无影响。在中光下，则表现出营养生长率无影响。在中光下，则表现出营养盐浓度增加，光合作用加强的趋势，而且盐浓度增加，光合作用加强的趋势，而且高营养盐浓度可使细胞在较强的光照下快高营养盐浓度可使细胞在较强的光照下快速生长。速生长。l二氧化碳的供给、二氧化碳的供给、酸碱度等环境因子对光酸碱度等环境因子对光照的作用也有重要影响。照的作用也有重要影响。营养盐浓度。在低光照时，营养盐浓度对生长率无影响。在中光下，33五、微藻光自养培养技术l流程：藻种+培养液逐级放大培养 收获干燥成品l工艺说明：l藻种：螺旋藻、小球藻、杜氏藻l培养基：淡水配置，添加营养盐和微量元素五、微藻光自养培养技术流程：34l生长条件控制：温度、光照、pH、溶氧、细胞浓度等l收获：过滤、离心、沉降等l干燥：喷雾干燥、真空冷冻干燥等。生长条件控制：温度、光照、pH、溶氧、细胞浓度等35