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标签: 微藻培养

微藻培养突破关键瓶颈或是未来能源新方向

从远古时期开始,微藻就一直存在于海洋中。作为比较原始且古老的单细胞生物,其在代谢过程中会产生多糖、蛋白质、脂类、胡萝卜素及多种无机元素等高价值的营养成分和化工原料,因此长期以来都是各国科学家们争相研究的海洋物种之一,也是新能源研究和开发的热点方向。 近日,我国科学院水生生物研究所的科研人员以可异养培养的富油栅藻为研究对象,通过对培养方式、过程的不断优化,攻克了长期以来无法精确控制葡萄糖浓度这一技术难题,突破了微藻大规模工业化应用的关键瓶颈,实现富油栅藻的超高密度培养。据中科院水生所微藻生物技术和能源中心研究员金虎透露,水生所研究团队利用相关技术已实现高产蛋白、虾青素、β-1,3葡聚糖、多不饱和脂肪酸等多种经济微藻的超高密度异养培养,目前已经在开展这些功能微藻在饲料、功能食品等领域的产品开发工作。 1950年美国麻省理工学院开始进行养殖藻类生产生物燃料的试验,首次提到微藻生物能源。二次石油危机爆发后,各国在微藻的培育和开发方面都进行了大量的研究。美国能源部实验室开始重点开发适于微藻生物柴油生产的培养系统和制备工艺,希望研发出新的石油制造途径和可替代产物。日本国际贸易和工业部也启动了相关项目,利用微藻吸收火力发电厂烟气中的二氧化碳来生产新能源。但随着后期石油价格的逐渐回落,加上微藻形态极小,工业化培育又是一直以来难以突破的技术关隘,因此微藻能源的研究逐渐停滞下来。 我国从1958年开始培养作为食晶和饲料的微型藻类,中科院水生所等科研机构先后进行了多种微藻的大量研究,为微藻培育打下了基础。此后随着技术的不断成熟,我国在藻种选育、培养基配制及某些培养技术方面都取得了重大成果。 异养培养作为一种新型的微藻培养方式,其具有效率高、精确可控、易批量化生产等优点。但异养培养对于操作技术的要求也更高,不仅需要提前研究分析各类微藻的适宜生长环境如盐度、温度、光照度以及酸碱度等。而且微藻培养基制备、接种等环节的技术和环境要求都非常严格,均要在无菌条件下进行试验操作。而这些过程都离不开科学仪器及设备的帮助,如生物显微镜、移液器、分光光度计、恒温培养箱、高压灭菌锅、PH计、离心机等都是微藻培育实验室的常用设备。 能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础,地球上每一次文明的进步都伴随着能源的改革和兴替,因此对于能源的探索和利用在保障社会经济的发展方面具有重要意义。在我国煤电资源枯竭之前,居安思危寻求新的能源,才能更快地走上可持续发展的道路。…

微藻培养的光“管理”策略

地球上的光合生物(植物、藻类等)通过光合作用每年固定约2400亿吨的二氧化碳,同时为人类提供基础的生活和生产原料。微藻通过光合作用将太阳能转变成化学能存储在细胞内并形成生物质,可作为食品、营养补充剂、水产饵料等,并可进一步加工成生物燃油。然而,目前微藻光合作用的光能转化率约1%左右,远低于理论转化率12%。因此,提高微藻培养的光合作用能量转化率,提高微藻产率,降低应用成本,是微藻产业发展的关键。 太阳能/藻细胞生物质的能量转化率及其管理策略示意   一 光采集管理(Managing light collection)  1 微藻培养地点选择 全球的太阳能分布不均匀,在赤道附近平均太阳能最高(低纬度地区),两极最低。此外,各地区的气候及气象情况(阴雨天多,台风等)也显著地的影响地面上获得的太阳能。此外,还要结合当地的水资源,原材料、人力、基础设施条件来确定微藻培养地点。 2 反应器方向和太阳光跟踪系统 微藻养殖系统的摆布方向显著地影响太阳光的接受。一般而言,朝东-朝西摆放的光生物反应器捕获的光能高于朝南-朝北摆放的反应器。同时,类似向日葵可跟踪太阳位置的光反应器的光能捕获量可提高40-100%(与水平面相比)。当然,此系统过强的光照也会抑制藻细胞的生长,产生光抑制现象。   二 光谱分布管理(Managing spectral distribution)  1 光谱影响 用于光合作用的光波长为400-700nm。不同光谱的光对微藻生长及产物积累的影响具有重要影响。蓝光可以提高小球藻叶绿素合成和微拟球藻的油脂合成。红光能提高雨生红球藻细胞生长,蓝光可以提高藻细胞中虾青素的合成。蓝光条件培养小球藻2天显著促进藻细胞增大,然后在红光条件下促进小球藻细胞分裂,藻细胞产量提高了20%以上。 2  LED灯 LED人工光源具有特定光谱定制的优点,在实验室微藻培养中已经广泛应用,但在大规模微藻培养中的应用受到成本的限制尚未大规模使用。假设电单价0.1$/kwh,光-电转化效率40%,光-藻细胞(化学储能)转化效率13.5%,则1kg干藻的LED电耗微14$。 3 波长转化材料 通过荧光和磷光材料将一种波长的光转化成另外一种波长的光。实验表明在北面使用转光材料的光反应器中,雨生红球藻在低密度培养时,藻细胞浓度提高了36%。 4  等离子体散射(Plasmonic scattering) 光照射到金属纳米颗粒产生的表面等离子能够增强周围的电磁场,有利于特定波长的光进行定向散射。如图所示,等离子基板反射了35%红光(光合作用利用高的光),使得其它波长的光透过基板进入光伏电池系统转化成电能。   三 光分布管理(Managing light distribution) 1 藻细胞密度和光程 微藻培养的产率与藻细胞密度、光程、混合等相关,需要从这几个方面进行综合优化。混合与藻细胞的光暗循环频率相关,其影响藻细胞的生长。 2 光稀释 使用球面结构反应器(如管式),改变布局方向,改变倾斜角度均可以实现户外光强的稀释,使得高光强变成中低光强等适合微藻生长的光强范围内。同时,可以使得光传递材料使得外部的光强传递到藻液中进行重新分配和分布,提高光在藻液中的均匀性。   四 细胞光能利用管理(Managing cellular light utilization) 通过基因工程手段改造藻细胞的光合系统,从而提高光能转化效率。   本文转自:Nature  Communications…

海洋微藻培养及光生物反应器的研究进展

概述:微藻的特点及国内外应用现状重点讨论培养微藻的条件及不同类型光生物反应器的特点。 关键词:微藻培养,光生物反应器,进展 藻类不仅富含蛋白质、脂肪和碳水化合物这三大类人类所必需的物质而且还含有各种氨基酸、维生素、抗生素、高不饱和脂肪酸以及其它多种生物活性物质是人类向海洋索取食品、药品、生化试剂、精细化工产品、燃料以及其它材料的一种重要途径。随着全球性资源短缺压力的日益增加开发和利用海洋藻类将是长远解决人类食品资源和能源的重要途径。随着人类对微藻认识的不断加深开发和研制新型高效光生物反应器及其在微藻的高密度培养方面的应用研究已成为微藻生物技术的一个重要组成部分。本文综合国内外的最新研究着重介绍微藻培养及最新的培养反应器。…