微藻及其生长动力学研究 微藻及其生长动力学研究

微藻及其生长动力学研究

  • 期刊名字:海洋通报
  • 文件大小:273kb
  • 论文作者:李叙凤,王长海,鞠宝
  • 作者单位:烟台大学海洋生化工程研究所
  • 更新时间:2020-08-30
  • 下载次数:
论文简介

第18卷第6期海洋通报Vol 18. No 61999年12月MARINE SCIENCE BULLETIN999微藻及其生长动力学研究李叙凤王长海鞠宝(烟台大学海洋生化工程研究所,烟台264005)摘要对微藻的主要反应特征和生物学特性以及微藻的生长动力学研究现状进行了比较全面的综述,并简要报道了研究者在实验室进行微藻培养,微藻生物活性物质的分离纯化以及微藻的生长动力学等力面的研究进展。关键词微藻光生物反应器优化动力学引言当前,世界正面临着资源短缺、生态危机及人口膨胀等引起的粮食短缺、营养失调及恶性疾病增加等诸多资源短缺性问题的困扰。因此,无论是发达国家还是发展中国家都竞相争夺和开发海洋资源。据统计,从1977年至1981年,从海洋生物中提取到各类新的代谢物有2500余种;1987年至今,新发现的具有开发价值的药用海洋天然产物已达434余种,预示了开发和利用海洋资源的广阔前景。海洋藻类尤其是单细胞微藻,富含蛋白质、脂肪、碳水化合物及人体所必需的EPA、DHA、AA等营养成分以及可燃性油料、多种维生素、抗生素、高不饱和脂肪酸和其它多种生物活性物质,开发利用海洋微藻是人类向海洋索取食品、药品、燃料、精细化工产品以及其它重要材料的一个新途径。因此,以开发微藻产品为主体的微藻生物技术已成为生物工程的重要发展方向。目前,海洋微藻的育苗、光合作用机理、培养条件、产品和活性物质的分离纯化和应用技术研究以及藻体细胞的生长动力学、新型光生物反应的开发等研究内容已引起世界各国藻类学者的极大的兴趣和广泛的研究,并成为海洋生化技术中的主要研究方向。近年来,发达国家政府均把发展生物技术作为重要国策而列为关键性的战略技术加以发展。美国、德国、日本等发达国家已把海洋生物技术列为重点发展方向,尤其是将海洋微藻的大规模培养及其天然活性物质等的分离提取技术放在首位。与国外相比,我国的微藻生物技术起步较晚,虽然在微藻基础研究、光生物反应器的研制等方面也取得了较大的进展,并已开发出新型海洋微藻食品、保健品、食品添加剂及医药品等多种产品。但是,我国微藻生产既面临着国外同类工厂强大的竞争对手的挑战,又回时遇到国外市场迅速扩大的难得的机遇,因此,必须尽快加强该研究领域的相关技术的中国煤化工效地改变目前技CNMHG收稿日期:1999-02-24*国家“九五”科技攻关资助项目(课题编号:96-C02-04-05)海洋通报18卷术相对落后、收率低及成本高的状况。1微藻的特点因为微藻与陆地微生物非常相似,所以有与微生物反应过程相似的特征;同时又由于它具有与陆地植物细胞相近的光合反应器官,因此,可以认为微藻是介于陆地微生物与植物细胞之间的一类单细胞生物。1.1微藻反应过程的主要特征1.1.1微藻是生化反应过程的主体a)微藻如同一微小的反应器,原料中的反应物透过微藻细胞壁和细胞膜进入体内转化为产物,如蛋白质,多糖等。b)微藻也是反应过程的催化剂,它摄取了原料中的养分,通过体内特定的酶系进行复杂的生化反应,把原料转化为产品。1.12微藻反应的本质是复杂的酶催化反应体系微藻反应过程中,一方面从外界摄取营养物质,在体内经过各种化学变化,把这些物质转化为微藻自身的组成物质,即同化过程;另一方面,微藻体内的组成物质又不断地分解成为代谢物而排出体外,即异化过程。1.1.3微藻反应过程是非常复杂的,主要表现为)反应体系中有藻体细胞的生长、营养物质的消耗和代谢产物的形成,三者之间既有联系又有差别。尤其是光能的吸收与利用使微藻细胞与一般微生物细胞存在着明显的不同,从而使其内部的反应过程更加复杂。b)微藻反应过程中,细胞的形态、组成、活性等都处在动态变化过程中,细胞也经过生长、繁殖、维持、死亡等若干阶段,不同藻龄,有不同的活性,而且细胞组成如蛋白质多糖等成分也随环境的变化而变化。1.2微藻的主要生物学特性由于微藻是介于陆地微生物与植物细胞之间的一类单细胞生物,因此,微藻与陆地微生物相比具有如下特点a)微藻通常无复杂的生殖器官,其繁殖的方式比较简单,细胞生长周期较短,因此易于进行大规模培养和藻体生物量的采收和利用。b)微藻富含蛋白质、脂肪、碳水化合物,有些微藻还富含可燃性油料(含量甚至高达细胞干重的40%)、微量元素和矿物质等,是人类未来重要的食品和油料资源。c)由于微藻生长环境的特殊性使微藻能在生长过程中合成一些具有特殊性质的生物活性物质及原料,是人类未来医药品、保健品和化工原料的希望。d)微藻能有效地进行光合作用,将光能、HO、CO和无机盐转化为有机化合物;因此微藻的大规模培养有利于固定和吸收大气中的CO2中国煤化工室效应,保护人类的生态平衡。CNMHGe)在废水处理方面微藻具有比较独特的作用,微藻生物技术开发将对环境保护作出更6期李叙凤等:微藻及其生长动力学研究大的贡献。2微藻的生长动力学研究进展数学模型的研究是近代工程界的一种普遍趋势,合理而精确的数学模型能够从本质上反映某过程各变量间的动态关系,因此,建立和开发描述反应过程的数学模型,能够全面深刻地了解过程的动态行为。有关微生物细胞的生长动力学模型学研究,国内外学者已作了大量的工作,并在工业生产中得以成功的应用,但对微藻生长动力学的相关研究则较少见报道。由于微藻生长动力学的研究与微生物的生长动力学一样是研究微藻的动态生长行为,能更精确地了解微藻生长过程各变量间的关系,因此有必要进行深入的研究。微藻生长动力学的研究是实现高密度培养、降低生产成本的理论基础。研究微藻生长动力学过程,首先应该对微藻各项基本的反应条件进行深入而细致的研究,以分解微藻细胞的敏感反应条件,得到准确的动力学模型常数和可靠的反应途径,为深入研究微藻细胞生长动力学提供必要的实验依据。利用前期研究结果中筛选的优化培养条件,我们在40L光生物应器中对螺旋藻的生长动力学进行了详细的研究,并分别获得了如下藻体细胞生长和基质NaHCO消耗的动力学模型:c()=cn-168cC、-0.189Ln1-,20∥1-e00464t01.6280.0464tC(t)=0.0464t(2)1.628实验结果表明,该模型的总体相对平均误差小于8%,模型能较好地描述螺旋藻生长速率、基质消耗速率与藻体细胞浓度和基质浓度之间的关系2。目前,有关紫球藻的生长动力学研究也在进行之中,并取得了良好的初步结果。Karel等对室外微藻薄层高密度培养中微藻吸收CO2与生产O的互换关系进行了研究;根据藻体细胞的生长模型,他们认为,细胞O的质量传递系数(Kg)和CO从培养液表面的解吸系数是随温度的升高而降低,且每产生1gO将有135gCO被吸收,这基本相当于二者的摩尔比。该结果与Buhr和 Miller等人的研究相一致,由此表明微藻细胞具有与植物细胞相似的特性;同时也说明当培养液中的藻体细胞通过光暗区时,其产生O速率(Ro2)下降的主要原因是光限制的结果。因此,提高微藻产率的措施之一是使微藻暴露于光亮区的时间更长一些。然而有关研究表明,并非藻体细胞接受光照的时间越长越好,因为藻体细胞在光照时间内完成对光能吸收、传递和转换,产生光合中国煤化工在光暗时间内继续还原和同化CO合成有机物质,即微藻细胞在生长CNMH应过程,这一过程主要受CO和温度等因素的影响,是固定CO的具体过程,是一个与一般化学反应过程一样74海洋通报18卷的酶化学反应过程。A K Hilaly等在对微藻发酵优化条件的研究中,分别对分批和连续培养条件下的细胞ⅹ)、底物(s)及抑制性产物(c),根据质量平衡原理作出了非结构模型,并得出微藻细胞的比生长速率方程:Su=A(Ks+S+S)K+从方程(3)可以看出,微藻比生长速率在高底物浓度时是受抑制的,同样也受产物的抑制。因此,必须选择适量的底物浓度,以提高微藻的生长速率及产率。FG. A Fernand等对室外管式反应器培养微藻时太阳光的辐射进行了详细的研究,他们认为,当营养条件不受限制时,微藻的生长主要取决于光照条件。并认为,当光照度很强、微藻密度很高时,由于培养液表面的细胞受到了光抑制作用即由于过量的光照破坏了光合系统Ⅱ而造成的获得光的能力的退化和培养基内任一点由于微藻的彼此遮挡产生的光限制作用同时存在;因此,藻体细胞的比生长速率与日平均辐射量之间存在式(4)关系In+Ia式中A—比生长速率;}—光辐射量;av平均值;k—光辐射量常数。但当日平均辐射量较低(低于1600HE·m2·s2)时,培养过程中藻体细胞的光抑制作用和光限制作用可以忽略不计,该结果与 Molina grima等人的结论相一致。FGA. Fernandez等同时也讨论了室外管式生物反应器培养微藻的管径(设计变量)和稀释度(操作变量)对微藻产量(率)的影响。其建立的数学模型表明,在较小的管径和较大的光辐射量的培养条件下,虽然同时存在光限制作用和光抑制作用,但对藻体细胞的生长速率影响不大。但是,当稀释度增加即培养密度较低时,微藻的生长速率较快,可见在此条件下不会产生光抑制作用。王长海在自制的40L光生物反应器中对螺旋藻和紫球藻等微藻的生长情况进行了比较详细的研究,结果表明在微藻细胞生长的对数期、减速期和静止期中细胞浓度(X)与培养底物(S)之间存在式(5)关系dx AX(5)式中S——对微藻生长影响最大的营养成分碳源;根据实验可求出模型中各参数值由于该模型与螺旋藻、紫球藻的生长能很好地吻合,因此该结论进一步说明微藻与微生物具有相似的生长特点。另外该研究还表明虽然光能是微藻生长最主要的能源和限制性因素,通过一定的手段使微藻合理而高效地利用光能是取得微藻培养成功的关键技术。但与-般的微生物的培养相似,微藻在生长过程中对微量元V凵中国煤化工,碳源、氮源的浓度、比例、种类及供应方式,以及在不同的培养密CNMHG强度、混合速度等各因素之间最适配合比例也有一定的要求;通过分批或连续流加主要营养物质、分段调节光照强度等方法优化微藻培养工艺、改善微藻暗反应条件,能在一定程度上有效地促进微藻6期李叙凤等:微藻及其生长动力学研究75生长,提高藻体细胞的生物量产量。3微藻生物技术方面的研究进展31新型光生物反应器的开发与研制从20世纪80年代,Pit等人的开创性研究工作为光生物反应器的设计、开发奠定了基础,之后一些学者进一步对其相关内容进行深人的探讨,从而使光生物反应器的研究得到了迅猛的发展。目前使用较多的是开放池式培养系统,其突出的优点是:结构简单、成本低廉、操作方便,但由于开放培养系统易受环境污染、培养条件难以控制、藻体难以采收且收率低等,使微藻的大规模、高密度培养受到很大限制。由于密闭式光生物反应器( ClosedPhotobioreactor)有利于对培养系统进行较好地控制和调节,并且能利用操作变量来控制生物量的产量和生化组成,因此在某些微藻的培养中具有很大的应用潜力。目前,国内在该领域的研究与国外有一定的差距。为此我们开发研制了40L气升式内环流光生物反应器,并系统地研究了该反应器的流体力学性。应用结果表明,由于该反应器混合环境温和且无死角,微藻细胞在反应器中的位置是处于不停的变化状态,使微藻能吏有效地利用光能和培养液中的营养,因此获得了令人满意的培养效果。32微藻培养条件的优化及其生物活性物质的分离研究在摇瓶和40L光生物反应器中,我们分别对螺旋藻、紫球藻进行了基础和放大培养研究。结果表明除光照外,培养温度、营养底物、pH值及微量元素、稀土元素等因素对微藻的生长均有一定的影响,通过对诸因素的优化,可以有效地提高微藻的生长速率和生物量产量。在反应器中通过对光强、液体循环流动速度、培养密度等直接影响因素的优化,也可进一步提高微藻的产量3。这些研究表明微藻在液相培养过程中对环境和营养等因素的反应与普通微生物具有相似的规律。通过对营养等因素和培养条件的优化能有效地提高微藻的产量和产率。此外烟台大学生化工程研究所实验室还对微藻多糖、不饱和脂肪酸和藻胆蛋白等活性物质的分离纯化进行了比较系统的研究,为今后进一步地深入研究打下了良好的基础。参考文献1徐徇.海洋生物技术生物工程进展,1995,15(3)2 Ontega-Calvo JJ. Chemical composition of Spirulina and eukaryotic algae food products marketed in Spain. J. Appl. Phycology1993,5:425-4353蔡忠林.神奇的螺旋藻.科学之友,199534戚以政生化反应动力学与反应器.北京:化学工业出版社,19965 Vonshak A. The new progresses in microalgal biotechnology. Bioch. Adv, 1990, 18: 709-7296王长海.微藻的光生物反应器培养博士学位论文,19987 Karel L J Doucha CO and O gas exchange in outdoor thin-layer hmalal culture ournal of Appl. Phycology1996,8:353~358中国煤化工8 Buhr H, Miller O. a dynamic model of the high-rate algal bacterialCNMH③es,1983,1729-379 Hilaly AKet al. Optimization of an industrial microalgal fermentation. Biotech. Bioeng, 1994, 43(4)10 Fernandez FG A, Garcia Camacho F, Sanchez. Perez J A.A model for light distributd average solar irradiance inside海洋通报18卷outdoor tubular photobioreactors for the microalgal mass culture. Biotech. Bioeng., 1997, 55(5)11 Molina G E, Sanchez Perez J A, Garcia C F. n-3 PUFA productivity in chemostat cultures of microalga. Appl. MicrobiolBiotechnol,1993,38:59960512 Femandez FG A, Garcia Camacho F, Sanchez Perez JA. Modeling of biomass productivity in tubular photobioreactors formicroalgal cutures: Effects of dilution rate, tube diameter, and solar irradiance. Biotech. Bioeng, 1998, 58(6)13王长海,鞠宝,欧阳藩紫球藻培养条件研究.化工冶金,1999,20(2):167-17214王长海,温少红,欧阳藩紫球藻培养条件优化.化工冶金,1999,20(3),待发表5李叙风,王长海,鞠宝.螺旋藻培养条件研究.食品与发酵工业,199,待发表16王长海,鞠宝,温少红紫球藻的载体培养研究环境与应用生物学报,199,.4(3),待发表17鞠宝,王长海光强、循环速度和温度对螺旋藻生长的影响海洋通报1999,18(3):35-4018王长海,鞠宝,郭尽力螺旋藻的光生物反应器高密度培养食品与发酵工业.1999,41,待发表19王长海,温少红,鞠宝紫球藻多糖的提取和测定中国海洋药物199,18(1):22-2520温少红,王长海,鞠宝两种紫球藻细胞中AA、EPA及色素提取的研究中国海洋药物.1999,18(2)待发表21王长海,温少红,欧阳藩.紫球藻的生物活性物质海洋通报199,18(3):25-2922李叙凤螺旋藻的光生物反应器培养研究硕士学位论文1999作者简介:李叙凤,女,1964年4月生,工学硕士,讲师。研究方向为海洋生化工程,已正式发表相关研究论文近10篇。Studies on Microalgae and their Growth KineticsLi Xufeng, Wang Changhai and Ju BaoInstitute of Marine Biochemical Engineering of Yantai University, Yantai 264005Abstract In this paper, the microalgal reaction characteristics, the microalgal biologicalcharacteristics and their growth kinetics are summarized. Then, the current research findings oculture, separaration and purification of microalgal bioactive matter and microalgalgrowth kinetics in our laboratory are reported brieflyKeywords microalgae photobioreactor; opitimization kinetics中国煤化工CNMHG

论文截图
版权:如无特殊注明,文章转载自网络,侵权请联系cnmhg168#163.com删除!文件均为网友上传,仅供研究和学习使用,务必24小时内删除。