生物藻类的培养
   
  

1 发展现状

微藻的高密度大规模自养培养是提高微藻生长速率,降低生产成本,实现微藻燃料产业化发展的必经之路。

微藻培养技术面临两个紧要问题:
一是生物反应器的选择:开放式反应器,密闭式反应器或者混合反应器。不同生物反应器各有所长,现在还不能确定那一种形式更适用于规模化培养。
二是原料产率的提高。关于提高微藻的产量也有多种选择,一是筛选构建高产藻种,进行单一培养。这种方法的缺点是不够稳定,藻种容易被污染。另一种方法是构建一个稳定的混合藻群,或者筛选自然界中存在的混合藻群,从而使总的生物量达到最高值,但这样会对下游工艺中的油脂加工与提取过程提出更大的挑战。

其它微藻培养的选择有海水培养、异养/兼养培养和mat cultivation schemes。这些方法中目前只有异养培养收到重视。

2 存在问题

微藻规模化培养还处于研究阶段,在培养物稳定性、培养可持续性、培养系统产率的计量标准和水资源的保护及循环使用等方面存在许多问题。

2.1 大规模培养物的稳定性

目前对微藻培养中,微藻病原体以及以微藻为食的生物还知之甚少。需要考虑以下三方面问题:
农业和城市垃圾是不是储藏着大量的微藻病原体?
浮游生物会多大程度上侵入到微藻培养器中?
该采取什么手段来阻止这种入侵?

2.2 培养系统产率问题

根据Oswald 的研究,培养系统的产率影响因素有:藻种控制、收获成本控制、高脂肪含量生物质的生产和光合作用效率四个方面。

全球变暖和国际控制温室气体排放的大环境促进了微藻科学的发展。从产率方面考虑,微藻培养中通入CO2 会大幅提高微藻产率,但目前在选择微藻培养地点时很少与二氧化碳供给相结合。二氧化碳的运输成本和碳排放权市场的不稳定性将是技术经济研究的主要挑战。

要降低生产成本,需要在微藻生物学基础研究、培养方法和工程学三方面同时取得重大研究成果进展。

关于增加微藻油脂含量的问题,有研究指出增加培养基中的氮,会引起油脂在浮游生物中的累积,最近的数据显示,高盐,强光照情况下,也会提高海洋浮游生物油脂的含量。

2.3 培养基设计和培养的可持续性管理

微藻培养基设计的问题有成本、可持续性和生产地点三方面。
培养液配方的主要研究方向为氮源、亚磷酸盐、铁和硅的配比。微藻中的有机物和蛋白质含量远远高于普通植物,所以对无机物营养的需求很高,也大大提高了培养液的成本。

对培养基中的营养成分控制至关重要。关键营养短缺会对生物量产生严重影响,但是培养过程中还需要限制某些营养成分的供给,提高微藻的产油率。

2.4 水资源的管理、保持和可持续利用

微藻生物能源的优势之一是可以利用农业不能使用的水资源,如废水、海水。但是水资源的管理使用也是微藻生物燃料生产最大问题之一,如果处理不当会使其成为阻碍微藻燃料发展的因素。
水的蒸发问题:在大型微藻培养系统中,水需求量巨大,如一个面积1ha,20cm 深的培养池需要530,000 加仑(2,006,050 升)的水,如果培养池在沙漠中,每天的蒸发量为5cm,约13,000 加仑(49,205 升)。虽然可以继续灌充工业废水,但是蒸发掉的是清水,因此这样会导致水质越来越差。通过一些设备可以保持住水资源,如密闭培养设备。但水的蒸发的一个重要作用是调节培养池温度,密闭设备会需要额外的能量冷却培养液。

水的循换使用问题:微藻培养过程中,生物量会在一天中增加一倍,也就意味着每天需要处理一半的培养液,出于经济性考虑,大部分的废水都要回收的,但是水中累积的盐分、化学物质、生物抑制剂等会阻碍微藻的生长。

进水和排水的处理问题:进水(地表水、地下水、废水、海水等)可能刚好适合微藻的生长,也有些需要经过净化、消毒等处理过程。另外排水中可能含有盐分、残余的氮磷肥料、毒素、重金属、残留的微藻细胞等,如果将其直接回注到井中,会影响临近生态系统及生物多样性,但是,净化排水成本高,耗能大。

3 解决方式和发展建议
针对以上提到的问题,路线图分别提出了发展建议和下一步的研究方向。

3.1 大规模培养物的稳定性

首先在生产装置中安装自动/半自动生化监控装置,确定微藻培养池中微藻的健康状况和生长状况。监控装置可以基于环境DNA 测序分析,由于随着季节的变化,病原体等入侵者也会有所变化,这对持续监控是一个挑战。
其次研究明确培养池中的物种形成和生态动力学也是至关重要。培养池动态监控装置对野生藻种和基因工程构建藻种都非常重要。
建议解决这些问题的主要投资方向是微藻生长混合营养物质的基础研究和分子水平的微藻生态学研究。

3.2 培养系统产率问题

使用荧光技术和核磁共振技术快速监测微藻中油脂含量方法的研究已经展开,和其它技术一起,比如近红外线光谱技术等还需要进行更加深入的研究,从而实现培养池监测的自动化、快速、低成本和高通量的目标。
发展荧光定位技术进行检测。荧光定位剂必须要无毒,具有渗透性。
快速拟定可用于衡量微藻能源产量、产率、产能、代谢物的测试方法,构建产量标准化测试模型。
保证R&D 团队与TE(技术经济)评估团队的密切合作。

3.3 培养基设计和培养的可持续性管理

因为培养基中的氮源是微藻生产的主要影响因素,是微藻培养中成本、产率和可持续性的关键问题,因此这在很长的一段时间中,将是政府优先资助的研究领域,这一领域的优先研究方向有:
通过技术经济分析、全生命周期分析方法研究不同的氮源和氮循环的成本、能量和可持续性问题。

研究微藻中的氮循环机制

使用地理信息系统(GIS)分析废水资源的分布、和用于微藻生物燃料生产的潜力。
3.4 水资源的管理、保持和可持续利用

在水资源的管理、保持和可持续利用领域的主要研究方向有以下五点:
GIS 分析水资源分布,与微藻培养选址相结合,降低蒸发效率。
研究长期使用盐水资源的影响,包括对含水层和淡水系统的影响。
通过对水中含有的不同盐分、絮凝剂、重金属等有毒物质和活体细胞等的含量分析,划分水资源的等级。

研究节水培养系统。包括降低蒸发的冷凝系统、选育耐高温藻株。
对水循环进行研究,提高水资源的再利用率,同时,有效的处理水中累积的盐分和其他抑制剂。