室外培养小球藻脂质生产优化

提高油脂生产微藻在室外培养中利用垂直管式-光生物反应器

摘要

室内实验室规模的微藻培养被提升至50升的室外光生物反应器中，用于培养一种富含油脂的微藻——小球藻ESP‐31。在分别以CO₂和乙酸作为碳源的光能自养和光能异养条件下，获得的脂质生产率和脂质含量分别为30‐31 mg/L/d和35‐44%。同时研究了接种量大小对光能自养培养下生物量和脂质产量的影响。当使用较高的接种量（0.70 克/升）时，小球藻ESP‐31的脂质生产率进一步提高至47.6 mg/L/d。最后，为避免夏季室外培养期间严重的污染问题，采用了两阶段脂质积累策略。结果表明，所提出的两阶段工艺能够避免细菌污染，并提高小球藻ESP‐31的脂质含量和脂质生产率。

关键词

Chlorella vulgaris、管式-PBR、微藻、脂质

引言

大多数关于微藻产油的研究都是在实验室小规模条件下进行的(Ruangsomboon, 2012)。这些研究结果无法清晰反映微藻在室外培养用于大规模生产微藻油时的实际状况。此外，室外培养还存在光照强度、温度变化以及细菌或其他外来微藻物种污染等问题微藻物种（Doucha& Livansky, 2009）。为了准确评估产油微藻菌株在实际应用中的可行性，应开展微藻的大规模室外培养。本研究中，一种富含油脂的微藻——Chlorella vulgaris ESP-31，采用垂直管式光生物反应器（PBR）系统（工作体积50 L）进行室外培养，该系统因具有更好的CO₂溶解和保留效果而被认为对光能自养生长非常有利。本文还探讨了所涉及的困难

室外培养，例如温度变化、光照供应不稳定，c污染以及低效的混合。本研究对所有这些因素进行了调查并提出了解决方案。本研究的目标是开发可行的策略，以提高室外培养中的微藻脂质生产。

在户外50升垂直管式光生物反应器中光能自养和光能异养条件下培养Chlorella vulgaris ESP-31

本研究中使用的垂直管式光生物反应器具有高传质效率、低剪切力下的良好混合以及低能耗的优点（Ugwu等，2008）。因此，在优化了室内系统的微藻培养后，将微藻培养规模扩大至50升垂直管式光生物反应器。将在室内系统中获得的最佳光能自养培养条件（即基础培养基；初始KNO₃浓度为 0.313 g/L）和光能异养培养条件（即改良Bristol培养基；pH‐stat控制在7.0并进行乙酸补料）应用于 50升管式光生物反应器的室外培养（图1和图2）。由于该光生物反应器中没有循环系统，光能异养培养的混合通过空气/CO₂曝气实现。结果表明，在两种培养条件下，氮缺乏后微藻生物量的脂质含量均增加至35‐44%，与室内系统中的结果相似。然而，由于细胞生长速率较慢，生物量生产力远低于实验室规模培养的结果。在室外培养中，光能自养和光能异养条件下的生物量生产力分别为0.07和0.11克/升/天，而室内试验中分别为0.26和0.20克/升/天。生物量生产力的下降可能归因于室外系统中较短的日光照射时间（每天仅10‐12小时）和不稳定的光照强度（从200到 1500 μmol/m²·s变化）。尽管光能异养培养在室外实验中取得了较大成功，但pH‐stat流加补料操作受限于设备及乙酸的人工补料，劳动强度较高。因此，后续的室外研究主要集中在光能自养培养上。

接种量对Chlorella vulgaris ESP-31在室外50升垂直管式光生物反应器中的细胞生长和脂质产量的影响-型光生物反应器

如前所述，室外培养获得的生物量生产力与实验室规模试验相比相当低。提高生物量生产力的可能方法之一是采用合适的接种量，研究表明接种量是影响微藻生长的关键因素，尤其是对于室外培养系统（Rodolfi 等，2009）。因此，研究了接种量对C. vulgaris ESP‐31生长的影响。生物量生产、脂质含量、温度和光照强度的时间变化曲线如图3所示。当接种量从0.25增加到0.70 克/升时，最终生物量生产量增加了一倍以上（图3），生物量生产力也从0.06提高到0.11 克/升/天。细胞生长进入稳定期后，脂质含量显著增加，低接种量组的脂质含量高于高接种量组（图3）。然而，最高的脂质生产率（48 毫克/升/天）仍是在使用最高接种量（即0.70 克/升）时获得的。该脂质生产率与文献报道的数据相当。在脂质积累持续再进行一周后，所有实验中的脂质含量均超过30%，微藻细胞的颜色明显变为浅绿色。

两阶段-脂质积累策略

为了获得高脂质含量的微藻生物量，开发了一种两阶段脂质积累策略。在第一阶段，将微藻在氮充足培养基中于室外系统下培养7天，以实现高生物量生产。之后，将微藻细胞转移至室内系统以促进脂质含量的积累。室内脂质积累罐（工作体积= 8升）以300 μmol/m²·s的光照强度进行照射，并以0.2 vvm通入2% CO₂。在原始室外管式光生物反应器中，经过27天培养后，微藻生物量的脂质含量从13.5%提高到42.3%。相比之下，结合室内与室外系统的运行方式，在23天的运行时间内，微藻生物量的脂质含量迅速从13.5%提升至44.5%。因此，脂质生产率从43.8 mg/L/d增加到54.2 mg/L/d。这可能是由于室内管式光生物反应器提供了均匀光照强度（在管式光生物反应器中保持稳定）和稳定温度所致。这也表明，两阶段脂质积累策略在提高C. vulgaris ESP‐31的脂质含量和脂质生产率方面是有效的。