微藻培养：基础生物学到工程技术(2)

微藻工程化的建立首先考虑培养设施，用什么样的培养设施，什么样的反应器什么样的光反应器；第二工程学，怎么样实现规模化的培养装备；第三个方面是运营管理质量。如何保证效率最高成本最低，再一个就是加工储藏，还有应用技术，你投喂轮虫还是幼体动物，投喂频率和量，这些都是微藻应用工程化的技术方面。

藻种的性质：遗传特性（蛋白质、PUFA、生物活性物质——虾青素、多糖)。

营养方式：能量+物质（化能异养、光能异养、光能自养）。

培养基：碳（无机碳、有机碳）、氮（无机氮、有机氮）、磷、微量元素等。

培养设施：（光）生物反应器。

工程学：规模化培养技术和装备。

运行管理：质量、生产效率、成本。

加工储存：藻液采收、保存。

应用技术：单独饲养或混合投喂、投喂的频率、喂食量等应用方面。

微藻培养技术实际上就是为藻种服务。水处理是保证产品质量的关键，无沉泥、无敌害生物、消毒杀菌；工程设计是生产运营的基础，要因地制宜、合理设计、成本可控；补碳技术是微藻高产的关键，低成本、高效吸收、减少逃逸；过程控制是稳定生产的关键，调控技术、敌害控制、节能措施；采收是降低成本的关键，降低成本、保证质量、提高效率。

现在典型的育苗企业基本都在用微藻的培养模式，从平板——三角瓶——大三角瓶——大塑料袋——方水泥池，这种体系不仅占的空间较大，培养效率较低，培养密度低，耗时很长，而且在前期藻种的环节就耗费了很多的时间和空间，进入生产状态区后，大的水泥池光合效率较低，细胞密度较低，营养不可控。因此传统养殖水产养殖企业育苗种车间的生产方式非常落后，需要极度改良与升级。

还有些其他的培养模式，如平板反应器、大桶、泥池曝气等。对于这些设施，在工程设计方面要考虑生产设施必须要有目标来匹配，这是最关键的问题。密闭式是未来食品、药品级微藻养殖设施的发展方向；密闭式的主要好处是与空气、水源、灰尘等污染物隔离，另外人工可控自动化程度高，便于检测，细胞密度及产率高。因此密闭化的培养设施一定是发展方向，这取决于很多材料学的发展。逐步应用于生产实践。

烟台安源水产是用纯净水的大桶先做种子，接种子后手摇，有工人每天都在摇桶，具有一定浓度后装到大的塑料袋中，一个大的塑料袋外面套着铁网，底下有底座，插上管子可以进行通气。培养密度较低。直接给海参投喂硅藻及绿藻等。水体的产量很大，但细胞密度还是偏低，袋子的直径在60-80公分，透光性较弱，光作用效率较低。主要靠大水体连续化加浓缩这样的办法进行生产，效率较低，但靠大体积、大面积来维持。

内蒙古螺旋藻产业园的生产更简单化，在沙地上挖沟，之后搭塑料棚子铺上地膜。主要养殖螺旋藻，这种方式表面看上去是封闭化，实际上是设施过于简单，其缺点也非常明显。附近的一个在水泥池养殖，水泥池上搭了光棚，实现了覆盖化，这种覆盖化要比完全开放系统要好很多，但造价较高，基建具有降温控温的部分，常年生产的能耗成本较高。

荆州天然虾青素的雨生藻分为两个阶段，一个是绿色细胞培养阶段，现在玻璃缸中培养绿色细胞，让繁殖到一定的浓度，一定的体积后就放到跑道池，跑道池就在棚子中，绿色细胞在室内的温室大池中先经过玻璃缸扩种，再到大池，之后变红，积累虾青素的时候将其释放到户外，充分的光照。一个玻璃缸就是一个单元，每个缸的状态不一样，虽然覆盖，但是会污染，开放绿色细胞跑进大池后也是同样存在在污染的可能性，但是产品能出来。

在螺旋藻培养基地的大池将其分成四级，经过覆盖后，四周用封闭塑料膜将其封闭。经过封闭化的改造后培养藻，观察其生产效率，尝试了海水的角毛藻、等边金藻、淡水中小球藻、三角褐指藻、紫球藻等，在头两年较顺利，也做了调水剂的产品。后面的生产较难维持，因为较活泼，有些透明的网受光照后碎片化，所以使培养不可持续，后来彻底放弃这种开放系统的封闭化改造，真正做到不封闭化的系统。在国际上做的最好的封闭化生态系统是生产雨生红球藻。

在封闭化系统配套的设施方面做了较多尝试，如小球藻，用混养的快速扩种的方式，从小摇瓶到大摇瓶，然后再进入封闭化的管道中，由高密度的种子液后，进入小管道，光径较细，大概是5厘米的管道，可以用硬管架起来，往空中发展，软管可以铺到地面上，在地上发展。从工程设计中要考虑生产目标的的匹配，如雨生红球藻是高质化高端的制品，生产设施要求封闭化，要求品质有保障。国际上还有一些其他的类型，如美国公司生产转基因的氨藻来进行用于生产沼气，完全实现封闭化；另一家公司在山野式挖了地沟，之后铺了很粗的一个塑料软管，水在里面流；以色列用于生产虾青素的管道，都是硬管，铺在地上，像这样的系统都有取决于生产目的和成本的控制。

补碳技术：电厂、发酵工厂等燃烧都会产生二氧化碳气体，二氧化碳是大量散在的，如果都变成缸瓶气的话成本会很高，补碳要考虑其能耗和逃逸越少越好。用管子直接通到培养池中大量的气泡容易冒走，来不及被微藻利用就跑掉了，所以二氧化碳和pH值耦联，就是在补二氧化碳时最好二氧化碳的气体和水体接触马上转化成碳酸氢盐，是较理想的，这样的二氧化碳不会跑掉，都变成碳酸氢盐，所以二氧化碳的化学固定应该在生物固定之前，做好化学固定、生物固定就会有所提高。二氧化碳补充的特点是气泡要小，气泡越小表面积越大，和液体交换的表面积就能越大，溶解性就越高。要用高浓度的二氧化碳，二氧化碳如果不到5-10%的气体，还会有很多杂的气体，甚至有毒的成分进来，比如电厂的烟气脱硫、脱硝之后的气体可能还会含有一些氮氧化物，最好做二氧化碳的浓缩后再用。

缓冲体系和二氧化碳的耦联，用小苏打、碳酸氢钠等体系，先将pH调到中性偏碱，然后通过二氧化碳时要维持，细胞用掉多少碳酸氢盐就补充多少二氧化碳，这时利用效率最高。耦合二氧化碳减排技术很多公司单位都已经做过尝试，有的用二氧化碳液态除万，先将二氧化碳灌进去然后通过气态将其通到池子中，通到池子中有各种各样的方式，有很多人做了这种集气罩，将罩扣在水面上，二氧化碳通在罩子里，让水流过罩时，气体和水交换，时间尽可能长一些，使溶解度进一步提高。我们门所用的办法是在搅拌中用很细的陶瓷砌石，然后将二氧化碳直接通到培养液中，在搅拌桨前方水流最快的地方通入二氧化碳。控制其pH值，如设置pH范围在7.0-7.5，pH高于7.5时二氧化碳就通了，pH在7.0时，二氧化碳停止，细胞用多少通多少，这样不浪费二氧化碳，同时能够维持pH稳定。过程控制非常重要，现在很多养殖企业没有任何监控措施。如果能实现在线的检测和互联网化最好。做水产养殖用调水剂来大塘监控水质变化，溶解氧、氮磷、盐度等指标最好实现控制。

采收有超滤法、离心法、陶瓷真空抽滤等方法，目的是实现固液分离，根据目的完成产品的制备。水也要进行处理，是地下水、海水、河水等都要处理，处理时有较多步骤，建议要重视这件事情，水处理不好会带来很多潜在的危害，因为水是最大的生产资料。在培养微藻前要进行水处理，在培养微藻后不要产生废旧的培养基直接排放造成环境污染，也要做水的后处理，要实现水的回用。做水处理的环节滤袋式过滤器、活性炭吸附过滤、沙滤器、多介质过滤甚至超滤等。主要根据水质的性质和水净化的程度来进行做这些配置。不能让水成为养殖中不利因子带入者，也不能让水成为排放的污染者。

小球藻的规模化生产就具有很多方式，用原池、跑道池或异氧发酵的方法，异氧发酵的小球藻通常是蛋白含量较低，但经过光诱导后很快蛋白就上来了，达到54%，通过异氧发酵也可以生产富含叶黄素的藻粉，可达到3mg/g。通过光诱导可以让一些微藻如来积累虾青素，用蓝光、白光、红光来刺激它，得到虾青素产品。户外培养的三角褐指藻在低温春季时，阳光烟雨蒙蒙时培养三角褐指藻，长得较好，喜欢低温，弱光的环境。通过超滤浓缩获得浓缩液。但这种方式不可持续，往往温度回升，光照增强，开放系统污染控制不好生产不可持续。后面就转到室外的封闭式管道反应器培养，用快速扩种的办法然后快速得到三角褐指藻的种子液可以接到户外的管道反应器中，也可以接到室内的管道反应器里，用人工光源进行补光。

必须要考虑的问题有建设成本，采取样的生产方式不同，生产模式都会有投入，但是投入的多少不同。基建成本要和目标产品相关联。运行能耗最便宜的是平板反应器，主要通压缩空气，次之是跑道池，能耗最高的是垂直或水平的管道池。运行能耗要与产品附加值匹配，单产能耗也是管道方面最高的，但投入和产出要相当。

此文来自范老师大讲堂直播间的课程，华南理工大学魏东教授讲课，范老师学生整理，再次感谢魏东教授。

△内容来源： 范老师微藻物联世界，作者：魏东，图片来自网络，版权归原作者所有，如有侵权，请联系我们删文