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微藻培养中光生物反应器的研究进展


772 2006, Vol. 27, No. 12

食品科学

※专题论述

微藻培养中光生物反应器的研究进展
刘娟妮,胡  萍 * ,姚  领,王雪青 (天津市食品生物技术重点实验室, 天津商学院生物技术与食品科学学院, 天津      300134)
摘   要:研制和应用光生物反应器是实现微藻

的高密度和规模化培养的重要技术。本文综述了近年来微藻培养中 光生物反应器的类型、基本构造以及实际应用状况,并对反应器的控制操作系统及检测技术做了简单的介绍,为 微藻的高密度培养提供一些参考。 关键词:光生物反应器;微藻

Advance of  Photobioreactor on Microalgal Cultivation
LIU Juan-ni,HU Ping*,YAO Ling,WANG Xue-qing (Tianjin Key laboratory of Food Biotechnology, College of Biotechnology and Food Science, Tianjin University of Commerce, Tianjin      300134, China)
Abstract Microalgal photo-bioreactors is the key technology for realizing high-density culture and mass culture of microalgae. : This article reviewed the major types, technical parameters and characters of photobioreactor applied in microalgal culture recently. The detection technique of photobioreactor were also briefly summarized in this article. K e y   w o r d s: photobioreactor microalgae ; 中图分类号 Q93.335                                  文献标识码 A                             文章编号 1002-6630(2006)12-0772-06 : : :

微藻能有效利用光能、C O 2 和无机盐类合成蛋白 质、脂肪、碳水化合物以及多种高附加值生物活性物 质,可以通过微藻培养来生产保健食品、食品添加剂、 饲料、生物肥料、化妆品及其他天然产品。另外,近 年来利用藻类为宿主的基因产物的生产也日益受到关 注。随着人类对微藻的认识不断加深,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。 目前,微藻培养主要有开放式和封闭式两种光生物 反应器。开放式光生物反应器构建简单、成本低廉及 操作简便,但存在易受污染、培养条件不稳定等缺点。 封闭式反应器培养条件稳定,可无菌操作,易进行高 密度培养,已成为今后的发展方向。一般封闭式光生 物 反 应 器 有 : 管 道 式 、平 板 式 、柱 状 气 升 式 、 搅拌 式 发 酵 罐 、浮 式 薄 膜 袋 等 。 近年来光生物反应器发展迅速,表现在对原有的反 应器的改造,各种新型反应器的设计,操作系统及检 测技术的完善。本文对这方面的内容作了较全面的总

结,为微藻的光生物反应器的培养提供参考。 1 开放式光生物反应器 所谓开放式光生物反应器就是指开放池培养系统 (open pond culture system)。 其培养技术经过了广泛深 入的试验,已普遍应用于商业化微藻大规模培养中[ 1 ~3 ] 它具有投资少、成本低、技术要求简单等优点。主要 有 四 种 类 型:浅 水 池 、循 环 池 、跑 道 池 式 、池 塘 。 其中最典型、最常用的开放池培养系统是 O s w a l d 设计 的跑道池反应器(race-way photobioreaccor)。 该类培养 2 系统实际上就是占地面积为 1000~5000m ,培养液深度 为 1 5 c m 的环形浅池。以自然光为光源和热源,靠叶轮 转动的方式使培养液于池内混合、循环,防止藻体沉 淀并提高藻体细胞的光能利用率;可通入空气或 C O 2 气 体进行鼓泡或气升式搅拌。为防止污染,减少水分蒸 发,生产中常在池体上方覆盖一些透光薄膜类的材料, 使之成为封闭池。目前国际上较著名的大规模生产微藻 的公司(如: Cyanotech, Earthrise Farms等)均采用这种

收稿日期: 2006-09-02 基金项目:天津市高校科技发展基金项目(20040601);天津市科委自然科学基金项目(043607411);                     天津市科委重点基金项目( 043804211); 天津市食品与生物重点实验资助项目 作者简介:刘娟妮( 1 9 8 2 - ) ,女,硕士研究生,研究方向为海洋微藻的培养。

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反应器,在螺旋藻、小球藻和盐藻的大规模培养中取 得良好的效果。 虽然开放式光生物反应器在微藻培养中取得了一定 的效果。但是,开放式光生物反应器仍存在下列不足: (1)易受外界环境影响,难以保持较适宜的温度与光照; ( 2 ) 会受到灰尘、昆虫及杂菌的污染,不易保持高质量 的单藻培养; (3)光能及 CO 2 利用率不高,无法实现高密 度培养;这些因素都将导致细胞培养密度偏低,使得采 收成本较高,能适应大池培养的微藻藻种必须是在极端 环境下能快速生长的藻种,只能用于螺旋藻、小球藻 及盐藻等少数能耐受极端环境的微藻培养。对于要求温 和培养条件和种群竞争能力较弱的微藻,则只能采用封 闭式光生物反应器培养。另外,对于高卫生要求的微 藻产品生产,以及将来的基因工程微藻,研制高效、 易于控制培养条件的新型光生物反应系统,以实现高密 度纯种培养,已经成为微藻培养技术的发展趋势。 2 封闭式光生物反应器

效性和低成本日益引起人们的重视。现介绍几种近年来 设计的典型的管式光生物反应器及其应用。 2.1.1 水平放置的气升式管状光生物反应器 F. G. Acien Fernandez [8] 等在西班牙设计了一种气升 式管状光生物反应器(如图 1 所示),容积为 0.20m 3 ,该 反应器由气升系统和集光管两部分组成。集光管两末端 分别与气升系统的进气管和出气管相连。管径为 6 c m , 长 80m 的管道盘绕成双层水平放置于地面。占地面积为 12m 2 ,相连的水平管之间的距离为 0.09m ,双层垂直管 的距离为 0.03m。位于气升系统顶部的气液分离器能阻 止循环产生的气泡再次进入集光管。在这种反应器中研 究了三角褐指藻的连续培养,当稀释率为0.050/h 时,产 率达 1.20g/L?d。研究发现增加流体速率可减少溶氧积 累,增 加 生 物 量 产 率 。
Gas exhaust Harvest Airlift System Air Samples Solar Receiver () a Culture ( ) Medium b

封闭式光生物反应器开发虽已有近 50 年的历史,但 最快的进展还是近 10 年的事。20 世纪 90 年代以来,涌 现出了大量有关专利。与开放式光生物反应器相比,封 闭式光生物反应器具有以下优点: (1)无污染,能实现单 种、纯种培养。 2 ) 培养条件易于控制;( 3 ) 培养密度 ( 高,易收获; 4 ) 适合于所有微藻的光自养培养,尤其 ( 适合于微藻代谢产物的生产。 有较高的光照面积与培 (5) 养体积之比,光能和 C O 2 利用率较高等突出优点。因 此近年来在国外研制和开发利用较快,已实现了高密度 商业化培养。目前,一般封闭式光生物反应器有:管 道 式 、 平 板 式 、柱 状 气 升 式 、 搅 拌 式 发 酵 罐 、浮式 薄膜袋等。 2.1 管道式光生物反应器 管道式光生物反应器一般采用透明的直径较小的硬 质塑料或玻璃、有机玻璃管,弯曲成不同形状,利用 透明的管道,借助外部光源条件下进行工厂化繁殖生产 藻类的方式。由于密封的管道系统容易与其它加工设备 配套,可用泵把管道内生长到一定生物量的藻体传递到 下道工序,因而整个过程可以实现自动化的生产过程。 这种反应器最早出现在上世纪 5 0 年代( D a v i s , Tamiya, 1953), [4] 等已建立了细管(管径1cm)光生物反 Pirt 应器的设计和操作理论及计算机控制装置,在这个基础 上,  Torzillo等[5]设计和建造了双层管道式光生物反应器 用于螺旋藻的室外培养。为了提高光能利用率,L e e LeeY. K 等[6]和 Miyamot等[7]都对水平设置的管道进行改 进,采用α- 斜管或螺旋盘管式光生物反应器,并作了 大量的基础理论和应用研究。在诸多的封闭式光生物反 应器中,管状光生物反应器发展最快,其可靠性,有 2.1.2

CO 2

Fig.1

图1    水平放置的气升式管状光生物反应器 The outdoor culture system with details of the solar loop (a) and photobioreactor the degasser zone (b) Gases out/over flow Harvest Flow

Air
Probes:DO2 p H T e m p

Airlift system Cooling sysstem

External loop
(solar receiver)

CO2

Flow Medium supply

图2   螺旋盘绕管式光生物反应器 Fig.2 Schematic drawing of the helical

螺旋盘绕管式光生物反应器 G. Acien Fernandez[9] 等在西班牙Almeria  采用这种反

应器对微藻 P.tricornutum 建立了室外连续式培养体系。 反应器如图 2 所示:直径 30cm,长 106m 的塑料管安放 在支架上呈螺旋状排列,螺旋直径 1.2m ,高 0. 8 m 。反

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应器总容积 7 5 L。螺旋管前方的蛇型管热交换器用来控 制温度。采用气升循环混合方式。底部注入 C O 2 可控 制培养基 p H 。管末端配有溶氧、p H 、温度检测器。 检测器与数据记录仪和计算机相连实现了在线检测和控 制。生物量达到 1 . 5 g / L ,光合作用效率达到 1 4 % ,溶 氧率不少于 4 0 0 % 。其中传质能力是影响反应器的最主 要的因素。减少由于高溶氧浓度造成的压力才可提高传 质效率。另外,液体的流速必须达到 0 . 5 m / s ,这需要 考虑提供两个气升系统,或是要考虑使用不同的泵来达 到这一要求。该反应器的优点是: 1 ) 比表面积大,故 ( 光利用效率高,减少了反应器内藻体的自我遮挡效应。 (2)温度和污染易于控制。 (3)CO 2 吸收路径多,故输入的 C O 2 较充分。 L.Travieso[10]等人报道了利用21L这种反应器对微藻 Spirulina 进行了半连续培养,当稀释率为 0.0078/h 时, 最大细胞干重达到 5.82g/L,最大产率为 0.40g/L?d。 2.1.3 环形管式光生物反应器
Gas outlet O2 collector

应器具有光能利用率高,容易加工制造,可以根据需 要设计不同的光径以及操作条件容易控制等优点,使其 成为具有良好使用价值的光生物反应器。其短的光通路 及气流强烈湍动,是实现高密度高产培养的有利条件。 2.2.1 通气式串联平板式光生物反应器
通气管

冷却水管 喷水头

Fig.4

图 4   10cm 平板式光生物反应器 A schematic drawing of one sub-unit flat plate pho tobio reac tor

Light chambers lto 8

CO2 injection

许波和王长海[14] 首次在国内应用平板式光生物反应 器对一种高度合成高不饱和脂肪酸—花生四烯酸的淡水 微藻Parietochloris incise进行了高密度培养研究。 该反 应器由 6 个串联放置、结构完全一致的平板式玻璃光生 物反应器组成(如图 4 所示)。其中,温度由循环冷却水 在反应器的两面喷淋控制,培养液在反应器内进行循环 的推动动力是由输入的气体提供的。在通气率为 1900ml/ L 、采收率为 2 0 % 的条件下,微藻细胞的培养密度达 到了 5.15g/L;其单位体积和面积的细胞生物量产率分别 提高到了 0.73g/L?d 和 70.1g/m 2 ?d。 刘建国[15]比较了1.4和2.8cm平板光生物反应器连续 培养雪藻的不同指标。其中 2 . 8 c m 中藻体的生物产量、 总脂肪酸大于 1 . 4 c m 光径的,但花生四烯酸的产率相 同。研究表明出采用窄光径的平板光生物反应器有利于 高密度培养雪藻生产花生四烯酸。 2.2.2 鼓泡式平板光生物反应器 Zhang Cheng-Wu[16]等报道了一种平板式光生物反应 器,该反应器由 100 个板式反应器单元串联组成,单板 的体积为 2 0 L ,其示意图如图 5 所示,单板长 2 0 0 c m , 宽 10cm,高 100cm,光径为 10cm。前后两垂直放置的 玻璃板之间的支撑板能防止玻璃破裂。采取通气鼓泡混 合。由于循环的气体可带走体系的氧气,故可解决反 应器中溶氧过高而造成的对藻细胞的伤害。最终实现了 对微藻 Nannochloropsis sp.的高密度规模化连续培养, 细胞密度达到 6 × 10 8 个 /ml,细胞干重为 12g/m 2 ?d 最 大面积产率为 12g/m 2 ?d。EPA 的产量为 650g/m 2 ?d 。 该反应器操作简单,表面积与体积比为 5 0 L / m 2 ,占地 面积小。投资费用$4 / L ,是目前用于大规模封闭式光

Air injection 图3   环形管式光生物反应器 Reaction loop of the photobioreactor used for the experiments

Fig.3

Arnaud Muller-Feuga[11]等人报道了一种环形管式光 生物反应器,如图 3 所示:它由 8 根平行排列水平放置 于地面平行管组成,称为八个反应室,其每根管内径 4 c m ,外径 1 0 c m,每只长 1 5 0 c m ,受光面积为 1 . 5 m 2 , 容积为 1 0 L 。采取气升循环方式,空气和 CO 2 由中心通 入,在管道中形成环形气流。在气体出口处设有 O 2 收 集器。 Arnaud Muller-Feuga 2.2
[12]

等人研究了该生物反应器

培养微藻 Porphyridium cruentum 的最优操作条件。 平板式光生物反应器 1986年Ramos de Ortega[13]等人首次开发平板式光生 物反应器。由于该类型的反应器具有光利用率高,易 放大培养,易清洗,其内部的贴壁生长和外部的盐沉 淀容易处理。结构相对简洁,可以随意调节放置角度 以便使其获得最佳的取光效果。阳光有一部分直射到反 应器板面,大部分是通过反射或散射进入反应器,这种反

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5cm ⑥ ⑤ ④ ⑦ ⑥ ②

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() a

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Light region 20cm Scraper

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100cm 85cm

10cm 95cm 10cm ①
3a

1.4m Medium Dark reglon

Biomass sampling port 40cm Flue gas 1.0m Bypass Oil boiler

Value

5cm

3b



5cm

200cm ⑩ ⑨

25cm Pump Valve Diffuser Flow Compressor meter

1.10mm 厚的玻璃平板;2.玻璃盖;3a.集水槽(侧视图) ;3b.集水槽;4. 支撑板;5.喷水管;6.喷口;7.通气管;8.气体分布器;9.气泡;10. 藻体。 图5   平板式光生物反应器 A schematic drawing of one sub-unit in the large-scale flat plate glass photobioreactor

Fig.5

() b

生物反应器培养微藻投资最少的反应器。 L -型平板光生物反应器 S.R. Chae[17]等人设计了一种造型新颖独特的可自动 调节光暗周期的  L -型光生物反应器,反应器构造如图 6 所示:反应器分为两部分,上部为(500L 1.8ml × 0.2m W × 1 . 4 m H ) 受光区域,考虑到光抑制效应,有效高度 为 20cm。下部为暗区域(500L 1.8ml × 1.0mW × 0.4mH)。 两部分中间安置一刮刀片完成培养基光暗区域的内循 环。这种反应器有效的减少了微藻细胞间的自我遮挡作 用。在该反应器中以太阳光为光源,石油的燃烧气体 为碳源对微藻 E.gracilis 的培养达到了中试规模,收获 的生物量含有粗蛋白高达 4 7 %,在生产动物高蛋白饲料 方面很有发展潜力。 2.3 柱状气升式光生物反应器 混和体系是光生物反应器结构设计的关键之一,柱 状气升式反应器的主体通常由外桶和内桶组成,通过气 流传动使藻液在内外筒间循环,提高藻类的光能利用效 率和传质效率,同时防止培养液中溶解氧过饱和[ 1 8 , 1 9 ] 。 气升式反应器已用于微生物发酵和动、植物细胞培养, 且符合大多数藻类培养的基本要求。 2.3.1 内导流气升式反应器
[20]

2.2.3

Fig.6

图6     L-型平板光生物反应器 Schematic diagram (a) and cross-sectional photograph (b) of an innovative pilot-scale photo-bioreactor

由 12 支 4 0 W 荧光灯提供光照,光照面积 1 . 3 3 7 m 2 。用 该光生物反应器培养小球藻(Chlorella sp.), 平均生长速 率为 100cell/ml?h,最终藻液密度为 62 × 107cell/ml。 平均日生长量 0.2134g/L?d。 潘双叶[21] 等人报道了一种由中科院海洋所研制的外 照光源、内导流气升立式光生物反应器。其主体呈圆 筒状,内有一套筒,材料为有机玻璃,高 7 4 . 5 c m ,筒 直径为 3 7 . 5 c m ,内筒高 5 0 c m,直径为 1 2 c m,占地面 积 0.14m 2 。内筒内放有 1 个散气石,通气管连接反应器 外的充气泵,通入一定流量的压缩空气,利用气泡带 动内筒培养液,形成在内筒与外筒间的循环,从而使 藻液受光均匀,提高光照效率。补料分批培养等鞭藻 (Isochrysisgalbana)12d, 藻密度由1.8×10/ml上升到 6.05 × 10/ml。 康瑞娟[22] 等人研究构建了一种内外光源结合的气升 式内环流光生物反应器,并在其中进行了两种蓝藻的光 自养培养。反应器由罐体、气体提升管、内光源密封 管、热交换装置、气体分布器、内外光源等部分组成。 以日光灯管作为内外光源。罐体直径 1 8 2 m m ,高 1 0 0 0 m m ,提升管直径 1 3 1 m m ,高 6 0 0 m m 。内光源管直 径 4 5 m m 。总体积为 1 5 L ,工作体积 1 3 L 。提升管底部 设有圆形气体分布器,空气和 CO 2 定量混合后由此进入 反应器中,形成均匀、细小的气泡,具有较高的气液 传质面积。罐体内设有热交换装置,以维持培养温度。

张栩 等人研制了 100L 外照光源、内导流气升式 藻类光生物反应器以及二氧化碳配气装置。其主体是圆 筒状,材料为有机玻璃,高 1.5m,占地面积 0.0726m 2 , 有效容积 1 0 0 L ,由主筒、导流筒和通气管组成。由通 气管通入一定流量的压缩空气,利用气泡的浮力带升导 流筒内的培养液,在主筒底部形成负压,使主筒与导 流筒之间的培养液下降,经回流口进入导流筒,随气 泡上升至溢流孔溢出,进入下降区,下降至回流口, 而形成培养液的环流。培养液在上升区与气体充分混 合,通过气液传递的通气过程进行碳的补充,另一方 面脱去培养液中过分积累的氧;在下降区培养液均匀下 降接受光照,提高光照效率。该反应器采用人工光源,

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反应器并配置溶氧、p H 、温度等在线监测系统。在该 反应器中进行了鱼腥藻 7120和聚球藻 7002两种蓝藻的光 自养培养藻。终密度分别达到 1.53 和 3.4g/L,体积产率 分别为 0.31 和 0.57g/L?d,说明该反应器适合于微藻的 高密度培养。 2.3.2 磁悬浮气升式光生物反应器

缪国荣[28] 首次采用聚乙烯薄膜袋封闭式培养海洋微 藻,它有受光面积大、保温性能好、污染机会小、成 功率高、成本低、操作简单的优点,在提高藻种的密 度和纯度上取得了良好的效果。该反应器在生产性培养 中得到应用,但因无法解决薄膜袋的破损漏水问题,没 有得到很好推广。张小葵[29] 等人对其进行了改进,采用 周长 200cm,长度约 450cm 的农用聚乙烯透明塑料薄膜 袋,两边分别用绳封口,同时各扎入长约 1 0 c m ,直径 6cm 的聚乙烯硬管作出气孔,一端通入 3 个充气石作充 气用,将其漂浮在盛有水的原三级培养池( 长×宽×高 =600cm × 400cm × 900cm) 中,两头出气孔用绳吊起, 以防袋口沉入水中。 聚乙烯薄膜袋浮式培养法在三级培养中除了具有塑 料薄膜袋培养的所有特点外,还具有以下优点: (1)膜袋 内外压力均衡,薄膜几乎不受张力,且薄膜袋在水中 漂浮,自由度相对较大,因而不仅大大方便了操作, 而且有效地解决了塑料薄膜袋的破损漏水问题; (2)藻种 分布均匀; (3)具有良好的恒温性能; (4)能直接由封闭培 养的一级藻种向三级培养的塑料袋中接种,避免了多次 接种操作造成的污染。 3 光生物反应器中的检测技术

2 1 () 1 3



4 8 () 2 () 4

1-Air-lift photot-biore actor body (1) degas ser (2) return tube (3) sparger (4) riser tube 2-DO.pH.T Displayer 3-Heat exchanger 4-Magnetic field coil 5-D.C.supply 6-Air pump 7-Rotameter 8-Lamp

7 5 () 3 图7     带有外环的磁悬浮气升式光生物反应器 Fig.7 Schematic diagram of 3.5L magnetic air-lift photobioreactor with external-loop 6

光生物反应器比一般的反应器要求严格,需对微藻 的生长状态、体外代谢产物、p H 、温度、溶氧等作 出在线检测,才能更好的调节优化微藻的培养条件。而 目前对其单个的指标的检测不仅复杂而且成本高,故需 要设计新型的适用于光生物反应器的检测系统。 Jian Li[30] 等人提出了搅拌式光生物反应器的有效在线 跟踪检测模型。通过溶氧的在线检测确立细胞的生长动 力学模型。包括生长模型和光传送模型。其中,生长 模型反应了光抑制、氧抑制,和平均光强度等因素。 光传送模型以光线模型为基础检测平均光照强度。它内 部的辅助装置扩展 Kalman 滤波 EKF(extended Kalman filter)可精确的跟踪检测入射光的变化率。 该检测系统可 同时平行检测生物量,比生长率,溶氧浓度,光合作 用效率,平均光强度等多个关键因素。其最大的优点 是简单,实 用 ,成本低。 Hu-Ping Luo[31]等人把放射颗粒跟踪技术(computer - automated radioactive particle tracking (CARPT) technique) 应用于光生物反应器中。该技术在测定流体速率,反映 细胞的运动状态以及建立光的辐射模型方面有很大的优 势,是一项很有前景的分析光生物反应器性能的技术。 J.M. Sandnes[32] 等人报道了近红外光传感器(near in- frared (NIR) light transmittance sensors)在螺旋管光生物反 应器中的应用。它可快速,自动的检测细胞浓度的光 密度。它不仅可用在对正在生长的藻的生物量的在线检

李志勇教授[23] 报道了一种带有外环的磁悬浮气升式 光生物反应器( 如图 7 所示),反应器体积为 3.5L,藻液 中的 p H 值、温度和溶氧可通过插入脱气装置中的电极 在线测定。该反应器有效地提高了微藻 S p i r u l i n a platensis 的生长速度,细胞干重较正常培养条件下提高 了 2 2 % ,而且微藻中的营养成分如氨基酸等也得到了一 定的改善。 2.4 搅拌式光生物反应器 机械搅拌式生物反应器是广泛用于规模培养微生物

的生物反应器,具有技术条件成熟,易于控制等优点, 只要配套光源,就可成为培养微藻的光生物反应器,因 此可利用现有发酵工程技术开展微藻的研究开发工作, 国内外许多学者在这方面都做了尝试[ 2 4 ~2 6 ] 。 陈必链[27] 等人对搅拌式光生物反应器培养饨顶螺旋 藻(Spirulina platensis Geitl)的培养条件, 即搅拌速度、 通气量和光照强度进行优化,使生物量达到 1.922g/L。 2.5 浮式薄膜袋

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测,还可反馈连续培养中的细胞密度,从而为保持细 胞恒定的最佳生长密度提供了信息,在连续培养中具有 很大的应用潜力。 4 展  望

[11]

[12]

光生物反应器已成为生产高附加值微藻产品的技术 平台。今后光生物反应器会向着精密化,规模化的方 向发展。其中管式光生物反应器发展最快,其结构可 调性强,可适应多种微藻的培养,应用最广泛,具有 巨大的发展潜力。 在反应器设计方面将会不断探索各种微藻最佳的培 养条件和最低的成本消耗。关键因素之一是选择合适的 光照方式,提高光能利用率。另一个关键因素是选用 合适循环装置。其中气升式混合方式适合多种类型的反 应器。 现代技术日新月异,各种新材料,新型高效光源 的出现与使用,加上基础理论研究的深入,必将使密 闭光生物反应器更为成熟,生产成本不断降低。相信 随着生物工程等技术的不断发展以及生产实际的需要, 定会有越来越多更为新型的生产系统被开发出来,从而 实现微藻高密度培养以及各种高附加值产品的生产。
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