螺旋藻和紫球藻贴壁培养与工艺条件优化

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微藻可作为食品、高附加值产品原料和生物燃料原材料,并且具有生物固碳的潜能,因此受到人们广泛关注。然而,目前包括开放池和封闭反应器在内的大规模培养体系在培养效率、水耗能耗和生产成本等方面存在巨大缺陷。本研究运用新型微藻贴壁培养技术建立螺旋藻和紫球藻培养的新工艺。对此,本课题以螺旋藻和紫球藻为实验材料,分别研究它们在贴壁培养方式下的最佳接种量和光强,然后考察碳供应方式对两种微藻生长和对紫球藻多糖产量的影响,从而得出适合的培养条件。此外,对两种微藻贴壁培养所用的支撑材料作初步评价。最后,比较贴壁和传统液体悬浮培养下,两种微藻生长及生化组分变化。本文的主要内容及结果归纳如下:  (1)研究螺旋藻贴壁培养适宜培养条件参数范围,以生物量产率为指标,通过单因素实验,确定螺旋藻在醋酸纤维素(NC)膜上初始接种量7.8-11g m-2,光饱和点180μmol m-2 s-1左右。确定螺旋藻的通气策略是以5.6×10-3m s-1的表观通入含.5%CO2的混合气,使用无NaHCO3的Zarrouk培养基培养。  (2)研究紫球藻贴壁培养最佳培养条件参数,以紫球藻生物量产率和多糖产量为指标,确定紫球藻在NC膜上初始接种量为6.98 g m-2,100μmol m-2s-1左右光照强度,3%海盐浓度,0.5-2.0%CO2和26.66×10-3 vvm的表面通气速率,此试验参数可以维持紫球藻生物膜快速生长。此外研究光周期和光稀释对紫球藻生长的影响,当光强超过光饱和点后,暗周期可以减少光抑制对藻的损伤,在明暗周期为20∶4,光照强度为200μmol m-2 s-1时,生物量产率高于连续光照此条件下的对应值。为降低光抑制作用和提高光合作用效率,将光稀释概念引入强光下贴壁光生物反应器设计中。光稀释是防止光抑制的有效手段,将强光稀释到微藻适合生长的光强范围内,可极大提高单位占地面积上的生物量产率,最佳的光稀释率为10×(即光强被稀释到原来的十分之一),单位面积的生物量产率约为70 gm-2 d-1。  (3)以紫球藻和螺旋藻为研究对象,寻找适合微藻贴壁培养的支撑材料,得出孔径小、保水性好的亲水性材料适合作为微藻贴壁培养的支撑材料。具备此类优点的静电植绒(EFC)材料用于微藻培养的可行性最高,使用EFC材料单次培养螺旋藻时,生物量产率可达10 g m-2d-1左右,仅略低于NC膜。使用EFC材料循环培养紫球藻时,生物量产率达10-15 g m-2 d-1。  (4)分别对紫球藻和螺旋藻在贴壁和液体进行培养,并对生长状况和生化组分变化作比较分析,证明贴壁培养对微藻的油脂,蛋白质和碳水化合物含量影响微弱。螺旋藻贴壁与液体分别培养三天时,该藻的蛋白质、油脂、碳水化合物含量几乎没有发生变化,含量分别约为49-51%,10-11%和13-16%之间。紫球藻在两种培养方式下培养五天时,蛋白质和油脂含量相似,分别约占细胞干重21%和10%。贴壁培养的细胞总糖含量约为40%,高于液体培养(35%)。总体表明利用微藻贴壁培养技术可以培养出高品质、高营养价值的微藻产品。
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