不同培养模式对能源微藻生物质产率的影响.pdf

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1、第2 8 卷第2 期2 0 1 0 年4 月可再生能源R e n e w a b l eE n e r g yR e s o u r c e sV 0 1 2 8N o 2A p r 2 0 1 0不同培养模式对能源微藻生物质产率的影响蒋礼玲1 t 一，张亚杰1，范晓蕾1，(1 中国科学院青岛生物能源与过程研究所，山东青岛罗生军1。李潇萍1，郭荣波12 6 6 1 0 1；2 中国科学院研究生院，北京1 0 0 0 4 9)摘要：以普通小球藻(C h l o r e l l av u l g a r i s)为研究对象，利用模拟烟道气(1 5 C 0 2+8 5 N 2)分别研究批次、流加和半

2、连续3 种不同培养模式对普通小球藻生长的影响。研究结果表明，普通小球藻对1 5 的C O：具有很好的耐受性。生物量明显增加；流加氮源(硝酸钠)可以提高小球藻的生物量，比批次培养高0 3 5 5 S L；采用半连续培养模式，更新率为l，4，l 3 时，小球藻的生物质产率分别为2 5 3m s(L d)，1 9 8m s(L d)，均高于批次培养的产率。说明通过采用不同培养模式利用烟道气C O：培养普通小球藻提高生物量是完全可行的，为微藻规模培养奠定了理论基础。关键词：普通小球藻；模拟烟道气C O：；培养模式中图分类号：T K 6；Q 9 4 9 2文献标志码：A文章编号：1 6 7 1 5 2

3、9 2(2 0 1 0)0 2-0 0 8 3 埘E f f e c t so fd i f f e r e n tc u l t i v a t i o nm o d e so nt h eb i o m a s sp r o d u c t i v i t yo fe n e r g ym i c r o a l g a eJ I A N GL i-l i n 9 1 一，Z H A N GY a-j i e l，F A NX i a o-l e i l，L U OS h e n g-j u n l，L IX i a o-p i n 9 1，G U OR o n g-b 0 1(1 Q i

4、 n g d a oI n s t i t u t eo fB i o E n e r g ya n dB i o p r o c e s sT e c h n o l o g y，C h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s，Q i n g d a o2 6 6 1 0 1，C h i n a；2 G r a d u a t eS c h o o lo ft h eC h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s，B e i j i n g1 0 0 0 4 9，C h i n a)A b s t r a c

5、 t：T h ee f f e c t so fc u l t i v a t i o nm o d e so nm i c r o a l g a eg r o w t hw e r ei n v e s t i g a t e d T h em i c r o a l g a e，C h l o r e l l av u l g a r i s，w a sc u l t i v a t e du s i n gs y n t h e s i z e df l u eg a s(1 5 C 0 2+8 5 N 2)i nt h r e ed i f f e r-e n tc u l t i

6、v a t i o nm o d e s，i e，b a t c h、f e d-b a t c ha n ds e m i c o n t i n u o u sm o d e s T h em i c r o a l g a eg r o w t ha n db i o m a s sp r o d u c t i v i t yw e r es t u d i e d T h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eg r o w t hr a t eo fC v u l g a r i sW a sm u c hf a s t e ru n d e r

7、15 C 0 2g a ss u p p l yt h a nt h a tw i t h o u tC 0 2s u p p l y T h eb i o m a s sc o n c e n t r a t i o no b t a i n e di nf e d-b a t c hc u l t i v a t i o nw i t hn i t r a t ef e e d i n gw a sh i g h e rt h a nt h a to b t a i n e di nb a t c hc u l t i-v a t i o n I nt h es e m i c o n t

8、 i n u o u sc u l t i v a t i o n，t h eb i o m a s sp r o d u c t i v i t i e sw i t h1 4a n d1 3r e n e w a lr a t e sw e r e2 5 3m g(L d)a n d1 9 8m g(L d)，w h i c hw e r e1 7a n d1 3t i m e sh i g h e rt h a nt h o s ei nb a t c hc u l t i v a t i o n，r e s p e c t i v e l y T h er e s u l t si n

9、 d i c a t e dt h a tt h ec u l t i v a t i o nm o d e sh a dg r e a te f f e c t so nt h eg r o w t ho fC v u l g a r i s，a n di tw a sf e a s i b l et ou s et h ef l u eg a sa sc a r b o ns o u r c eo fm i c r o a l g a ec u l t u r e T h i ss t u d yp r e s e n t st h ei m p o r t a n c eo ft h e

10、a p p l i c a t i o no fa p p r o p r i a t ec u l t i v a t i o nm o d ef o rb i o f u e lp r o d u c t i o n K e yw o r d s：C h l o r e l l av u l g a r i s；f l u eg a s；c u l t i v a t i o nm o d e sO引言在石化燃料E t 益枯竭、全球气候变暖的背景下，开展节能减排，发展循环经济，开发可再生能源，对于促进我国经济社会的发展，具有重要意收稿日期：2 0 0 9 0 9 0 2。基金项目：中科院知

11、识创新丁程重要方向项目(K G C X 2 一Y W 一3 7 3 2；K C C X 2 一Y W 一3 7 4 4)；中科院滨海新区建设科技行动计划项目(T J Z X 2 一Y W 一2 1)；山东省科技发展计划项目(2 0 0 9 一G G l 0 0 0 5 0 0 4)。作者简介：蒋礼玲(1 9 8 0-)，女博上研究生，主要从事微藻培养及生物质能研究。E-m a i l：l i l i n g j i a n g l O l 5 1 2 6 e o n l通讯作者：郓荣波(1 9 7 0-)。男。研究员，博士生导师，主要从事微藻能源及生物制氢技术研究。E-m a i l：g u

12、o r b q i b e b t a e c n8 3 万方数据可再生能源2 0 1 0，2 8(2)义。微藻作为一种新型生物质资源，与能源植物相比，具有光合作用效率高、生长周期短、生物质产量高的特点，利用盐碱地、沙漠、海域养殖，具有不与粮争地、不与人争粮的巨大优势1 1 1 4 4 1，因此，微藻作为一种有重要应用前景的生物质资源，得到了国内外的广泛重视。微藻培养技术研究是提高微藻生物质产量和促进能源微藻产业发展的关键环节。是当前能源微藻研究领域的一个重要内容。微藻规模培养需要大量的C O：作为碳源，而烟道气中含有l O 1 5 的C 0 2，因此利用烟道气进行微藻培养。不仅可以大量固定烟

13、道气C O：，减少温室气体排放。降低环境污染1 5 1-1 7 1 而且可以解决微藻培养所需的碳源供应问题。开展利用烟道气进行微藻培养的技术研究，不仅可以减排C O：，而且可生产微藻生物能源。一举两得对于我困应对全球气候变化和可再生能源开发、进行能源技术储备，具有重要的战略意义。目前在微藻培养中广泛使用的培养模式主要有批次培养、流加培养、半连续培养和连续培养。本文利用实验室自主开发的光生物反应器，以对烟道气具有良好耐受性的普通小球藻为研究对象，利用模拟烟道气(1 5 C 0：+8 5 N：，下同)作为微藻生长碳源，研究了批次培养、流加培养、半连续培养3 种模式对微藻的生长、生物量积累以及生物质

14、产率的影响。以期为微藻大规模培养技术的发展提供参考。1 材料与方法1 1 藻种及培养基试验藻种为普通小球藻(C h l o r e l l av u l g a r i s)，由中国海洋大学提供。培养基：培养基由灭菌蒸馏水配置。培养基中营养盐的组分：u r e a，0 3 0 0r L；N H H C 0 3，0 5 0 0g L；K H 2 P 0 4，0 0 5 0g L；M g S 0 4，0 0 3 0g L；F e S 0 4，0 0 0 8r L；N a C I，1 0 0 0s L；F e S 0 4 现配现用。1 2 微藻培养1 2 1 模拟烟道气对普通小球藻生长的影响试验在1

15、 5L 自制柱状光生物反应器(材质为有机玻璃)中进行对照组不充气培养，试验组补充模拟烟道气培养，培养温度为(2 5 2)，光强3 0 0p,m o l(s m 2)，光照周期1 6：8，每个处理2个平行，培养6 d 后收获。1 2 2 不同培养模式对普通小球藻生长的影响8 4 流加培养：试验在5L 自制柱状光生物反应器中补充模拟烟道气进行培养。批次培养为对照组(氮源一次性加入)；试验组流加氮源，使流加氮源的总量与批次培养相同。培养至第1 0 天收获，每个处理2 个平行。培养温度为(2 5 2)，连续光照 光强为6 0 0p。m o l(s i n 2)。半连续培养：试验在1 5L 自制柱状光生

16、物反应器中补充模拟烟道气进行培养。藻细胞生长至对数生长末期后进入半连续培养，定时收获一定比例的藻液同时添加新鲜培养液。更新率设两个水平，分别为1 4，1 3。更新率为1 4 时，更新周期为2 4h；更新率为1 3 时，更新周期为3 6h。每个处理两个平行。对照组为批次培养，以与半连续培养起始接种密度相同的密度接种培养，每6d收获一次，直到半连续培养试验结束。培养温度为(2 5+2)，连续光照 光强为3 7 5I 上m o l(s m 2)。1 3 测定指标1 3 1 细胞密度测定定时用血球计数板在光学显微镜(O L Y M P U S C X 3 1)下直接计数，用紫外可见分光光度计(U V

17、7 5 9 S)测定同一样品的光吸收值O D 7 5 0n m。每个试验计数3 次结果取其平均值。1 3 2 干重测定定时取1 0m 1 藻液，经预先干燥并称重的0 4 5“m 混合纤维素滤膜过滤，用蒸馏水洗2 次，然后在1 0 5o C 下烘至恒重。取出置于干燥器内，待冷却至室温后。用精密分析天平称量。2结果2 1 模拟烟道气培养普通小球藻的试验研究对照组不充气培养，试验组补充模拟烟道气培养，结果如图l 所示。对照组小球藻生长缓慢，最高细胞密度为0 5 2 x 1 0 7e e l l m l：试验组小球藻细胞增殖速度快。细胞密度明显增加，9 6h 后达到5 3 9 x 1 0 7c e l

18、 l m l。从培养液p H 值看，对照组p H 值6 05 04 03 02 0l OO图11 5 C 0 2 对小球藻生长的影响F i g 1T h ee f f e c to f1 5 C 0 2O ng r o w t ho fC v u l g a r i s万方数据蒋礼玲。等不同培养模式对能源微藻生物质产率的影响为9 左右，试验组p H 值保持在6 0-6 5，由此可见，普通小球藻对低p H 有较好的耐受性。经1 2 0h 培养后，普通小球藻试验组与对照组生物量积累的结果如图2 所示，试验组生物量为0 6 2 7g L，是对照组的1 3 3 倍。O 70 6j0 5，譬O 4霎0

19、3删0 20 1O广-1对照组试验组圈21 5 C 0：条件下小球藻生物量F i g 2T h eb i o m a s so fC v u l g a r i su n d e r1 5 C 0 2c o n c e n t r a t i o n2 2 流加氮源培养对普通小球藻生长的影响流加氮源对小球藻生长影响的结果如图3 所示。经1 0 d 培养。对照组为批次培养，在此条件下小球藻生长的总生物量为0 8 8 0g L：试验组采用流加培养模式。总生物量为1 2 3 5g L，比批次培养高1 4 倍吸光值(O D 7 5 0a m)的变化规律与生物量的变化基本一致。芝銎瞄1瓤n；02 44

20、87 Z9 61 2 0 1 4 4 1 6 8 l y Z2 4 0时闻，l l圈3 流加培养模式下小球藻生物量的积累F i g-3T h eb i o m a s so fC v u l g a r i si nt h ef e d-b a t c hc u l t u r e2 3 半连续培养对普通小球藻生长的影响2 3 1 更新率对小球藻生长的影响如图4 所示，更新率为1 3 时，更新后的细胞起始密度约为5 7 5 x 1 0 7c e l l m l，经3 6h 培养后，细胞密度平均为9 0 7 x 1 0 7c e l l m l；更新率为1 4 时，更新后细胞起始密度约为6 5

21、3 x 1 0 7c e l l m l，经2 41 21 0垒8杂6要。20膨编渤u P卜批扶培井_-一l，3E 新事州1 卜1 4 更新事05 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 0时间，I l图4 半连续培养模式下小球藻细胞密度的变化F i g 4T i m ec o u r s e so fc e l lc o n c e n t r a t i o nf o rCv u l g a r&i ns e m i-c o n t i n u o u sm o d eh 培养后，细胞密度稳定在9 5 9 x 1 0 7c e l l m l 左右；两者更新培养后所能达到的细胞密

22、度均高于对照组批次培养所能达到的细胞密度(7 9 8 x 1 0 7c e U m 1)。不同更薪率对普通小球藻生物量的影响如图5 所示。更新率为1 3 时，更新周期为3 6h，半连续培养2 1 6h 收获7 次，小球藻更新培养后所能达到的生物量平均为(1 0 3 6：t-0 0 6 7)玑，最高为1 1 4 4g L；更新率为l 4 时，更新周期为2 4h，小球藻更新培养后所得到的生物量平均为(1 1 1 0+0 0 9 9)L 最高为1 2 5g L。在两种更新率情况下半连续培养的小球藻生物量均明显高于对照组的平均生物量0 9 1 2g L。L攀霉刊05 0l o o1 5 02 0 02

23、 5 03 0 0时间，h图5 半连续培养模式下小球藻生物量的变化F i g 5C h a n g e so fb i o m a s sc o n c e n t r a t i o nf o rCv u l g a r i si ns e m i c o n t i n u o u sm o d e2 3 2 更新率对小球藻生物量产率的影响不同更新率对普通小球藻生物质产率的影响如图6 所示。在采用l，3 和1 4 更新率的半连续培养情况下，小球藻的生物质产率均高于批次培养更新率为I 4 时，普通小球藻的生物质产率最高，为(2 5 3 _-s O 0 1 1)m g(L d)，其次是更新率为

24、l，3时的生物质产率，为(1 9 8-x-0 0 1 5)m g(L d)，分别是批次培养情况下生物质产率的1 7 倍和1 3 倍。备0 3j0 2 5掌嚣塞。0 1刊0。厂；n。批次培养1 3 更新率1 4 更新率图6 不同更新率下小球藻生物质产率的比较F i g 6B i o m a s sp r o d u c t i v i t yo fC v u l g a r i su n d e rd i f f e r e n tr e n e w a lr a t e s3 分析与讨论微藻的生长需要C 0 2，适当地补充C O：可显著提高微藻的生物量。有研究表明。某些微藻能够在高浓度C O：

25、下生长并积累大量生物质【州1 0 1，在高浓度C O：时，培养基中的溶解性无机碳处于过饱和8 5 42，8642OllOO0O万方数据可再生能源状态从而减少了细胞对无机碳浓缩的能量消耙t q 稠。本试验的研究结果再次验证了这一点，普通小球藻在补充1 5 C O：时积累的生物量是不充气条件下的1 3 3 倍，在此条件下，培养液的p H 值一般保持在6 0 6 5，明显比不充气培养的p H 值低。不同的培养模式对微藻生长、生物质积累和产率有很大的影响。流加培养的优点在于使培养液中的营养盐浓度维持在一个较合适的水平，使微藻不断吸收充足营养而较长时期处于旺盛的生长繁殖状态。氮元素是微藻生长最重要的营养

26、盐，也是微藻生长过程中消耗最快、最易缺乏的营养元素，而一次性加入过多的含氮营养盐会对微藻生长造成抑制和毒害作用。流加氮源。即可消除初始氮浓度过高造成的抑制作用，又保证了微藻生长过程中氮营养盐的持续充足供给。本试验的研究结果也证实，流加氮源时普通小球藻积累的生物量有所增加，是批次培养的1 4 倍。与批次培养相比半连续培养可通过定时更新培养液，有效地解决批次培养中培养液老化和营养盐缺乏的问题使培养液中营养成分增加，生物密度下降。藻体光合效率增加，藻细胞生长速率增加，使藻细胞一直保持良好的生长状态。半连续培养模式下小球藻积累的生物量均高于批次培养的生物量。生物量产率也明显高于批次培养。更新率作为半连

27、续培养的重要参数之一，对藻生长、生物量积累以及生物质产率有不同程度的影响。不同的微藻有不同的最适更新率范围，在最适更新率下微藻生物量产率达到最高【1 3 H 1 5 1。在本试验条件下。更新率为1 4 时，生物量产率要明显高于1，3 更新率的产率。综上所述，本研究认为，将不同的培养模式与烟道气C O：补充相结合，可大幅提高微藻的生物量和生物量产率。为采用不同培养模式利用烟道气进行大规模培养普通小球藻提供了理论依据。参考文献：1C H I S T IY B i o d i e s e lf r o mm i c m a l g a e J B i o t e c h n o l o g YA d

28、 v a n c e s，2 0 0 7，2 5(3)：2 9 4-3 0 6【2 JC Ii l S T IY B i o d i e s e lf r o mm i c r o a l g a eb e a t sb i o e t h a n o lI J I T r e n d si nB i o t e c h n o l o g y，2 0 0 8，2 6(3)：1 2 6-1 3 1【3】M E I T I N GF B B i,M i v e r s i t ya n da p p l k a t i o no fm i c r o a l-g a e l J J o u r

29、n a lo fI n d u s t r i a lM i c r o b i o l o g ya n d8 6 B i o t e c h n o l o g y。1 9 9 6，1 7(5)：4 7 7-4 8 9【4】S I)(J L A O R EP，J O A N N I S C A S S A NC，D U R A NE。e tn f O p t i m i z a t i o no fN a n n o c h l o r o p s i so c u l a t ag r o w t hU S i n gt h er e s p o n s es u r f a c em

30、e t h o d l J l J o u r n a lo fC h e m-i c a lT e c h n o l o g ya n dB i o t e c h n o i o g y，2 0 0 6。81(6)：1 0 4 9 一1 0 5 6【5】5K A D A MK I P o w e rp l a n tf l u eg a sa sas o u r c eo fC 0 2f o rm i e r o a l g a ec u l t i v a t i o n：e c o n o m i ci m p a c to fd i f i e,r e n tp r o c e s

31、 so p t i o n sI J J E n e r g yC o n v e r s i o na n dM a n a g e-m e n t 1 9 9 7。3 8(1)：5 0 5 5 1 0【6】刘玉环阮榕乍，孔庆学，等利用市政废水和火电厂烟道气人规模培养高油微藻f J j 生物加丁过程，2 0()8，6(0 0 3)：2 9 3 3【7 1岳丽宏，陈宝智利用微藻|占1 定烟道气I 1C O：的实验研究f J l 应J 甜生态学报2 0 0 2，1 3(0 0 2)：1 5 6 8 1 8】8Y U NY S，L E ES B，P A R KJ M e t 耐C a r b o

32、nd i o x i d ef i x a t i o nb ya l g a lc u l t i v a t i o nu s i n gw a s t e w a t e rn u t r i e n t s【J】J o u r n a lo fC h e m i c a lT e c h n o l o g y B i o t e c h n o l o g Y，1 9 9 7，6 9(4)：4 5 l 一5【9 1W A N GB，l。lY，W UN，e ta 1 C 0 2b i o-m i t i g a t i o nu s i n gm i c r o a l g a e【J

33、 1 A p p l i e dM i c r o b i o l o g ya n dB i o t e c h n o l o g y，2 0 0 8 7 9(5)：7 0 7-7 1 8【1 0 lC H I N N A S A M YS，R A M A K R I S H N A NB B H A T N A G A RA，e ta 1 B i o m a s sp r o d u c t i o np o t e n t i a lo faw a s t e w a t e ra l g ac h l o r e l l av u l g a r i sA R C Iu n d e

34、re l e v a t e dl e v e l so fC 0 2a n dt e m p e r a t u r ef J】I n tJM o lS c i，2 0 0 9 1 0(2)：5 1 8-5 3 2【l lJ 邱保胜，高坤山监藻浓缩二氧化碳的机静1 l J l 植物生理学通讯。2 0 0J 3 7(0 0 5)：3 8 5 3 9 2 f 1 2 1 胡晗华，岛坤I I|_ C 0 2 对微拟球藻(N a n n o e h l o r o p s i ss p)利崩有机碳和光合作抖j 的影(l l J l 植物生理学通计t 2 0 0 6 4 2(0 0 4)：6 3 3

35、6 3 7【1 3 l 许波，王长海微藻的平板式光生物反臆器高密度培养食品与发酵j：业，2 0 0 3，2 9(1)：3 6 4 0【1 4 1F A B R E G A SJ 0 T E R 0A，M A S E D AA，e t0 1 T w o s t a g ee u h u r e sf o r t h ep r o d u(t i o no fA s t a x a n t h i nf r o mH a e m a t o(：o e c u sp l u v i a l i s【J 1 J o u r n a lo fB i o t e c h n o l o-g Y，2 0 0

36、 l，8 9(1)：6 5-7 1【1 5 l 徐志标裴鲁青骆其君，等绿色巴夫凛的光牛物反应器半连续培养研究J 1 海洋水产研究，2 0 0 5，2 6(4)：6 4 6 9【1 6 lB E R M 6 D E ZJ，R O S A i。E SN，I D R E T OC，e t0 1 E x o p o l y s a e c h a r i d e，p i g m e n ta n dp r o t e i np r o d u c t i o nb yt h em a r i n em i c r o a l g aC h r o o m o n a ss p i ns e m i e

37、 o n t i n u o u sc u l t u r e s J I W o r l dJ o u r n a lo fM i c r o b i o l o g ya n dB i o t e c h n o l o g y，2 0 0 4 2 0(2)：1 7 9 一J 8 3 万方数据不同培养模式对能源微藻生物质产率的影响不同培养模式对能源微藻生物质产率的影响作者：蒋礼玲，张亚杰，范晓蕾，罗生军，李潇萍，郭荣波作者单位：蒋礼玲(中国科学院,青岛生物能源与过程研究所,山东,青岛,266101;中国科学院,研究生院,北京,100049)，张亚杰,范晓蕾,罗生军,李潇萍,郭荣波(中国科学

38、院,青岛生物能源与过程研究所,山东,青岛,266101)刊名：可再生能源英文刊名：RENEWABLE ENERGY RESOURCES年，卷(期)：2010，28(2)被引用次数：0次 参考文献(16条)参考文献(16条)1.CHISTI Y Biodiesel from microalgae 2007(3)2.CHISTI Y Biodiesel from microalgae beats bioethanol 2008(3)3.METTING FB Biodiversity and application of microalgae 1996(5)4.SPOI.AORE P.JOANNIS

39、-CASSAN C.DURAN E Optimization of Nannochloropsis oculata growth using theresponse surface method 2006(6)5.KADAM KL Power plant flue gas as a source of CO2 for microalgae cultivation:economic impact ofdifferent process options 1997(1)6.刘玉环.阮榕生.孔庆学.刘成梅.罗洁.虞飞 利用市政废水和火电厂烟道气大规模培养高油微藻期刊论文-生物加工过程 2008(3)7

40、.岳丽宏.陈宝智.王黎.胡筱敏 利用微藻固定烟道气中CO2的实验研究期刊论文-应用生态学报 2002(2)8.YUN YS.LEE SB.PARK JM Carbon dioxide fixation by algal cultivatiun using wastewater nutrients1997(4)9.WANG B.LI Y.WU N CO2 bio-mitigation using microalgae 2008(5)10.CHINNASAMY S.RAMAKRISHNAN B.BHATNAGAR A Biomass production potential of a wastew

41、ater algachlorella vulgaris ARC1 under elevated levels of CO2 and temperature 2009(2)11.邱保胜.高坤山 监藻浓缩二氧化碳的机制 2001(5)12.胡晗华.岛坤山 CO2对微拟球藻(Nannochloropsissp.)利用有机碳和光合作用的影响 2006(4)13.许波.王长海 微藻的平板式光生物反应器高密度培养 2003(1)14.FABREC.AS J.OTERO A.MASEDA A Twostage cuhures for the production of Astaxanthin fromHaematococcus pluvialis 2001(1)15.徐志标.裴鲁青.骆其君 绿色巴夫藻的光牛物反应器半连续培养研究 2005(4)16.BERMuDEZ J.ROSALES N.LORETO C Exopolysaccharide,pigment and protein production by the marinemicroalga Chroomonas sp.in semicontinuous cultures 2004(2)本文链接：http:/