李磊, 張紅兵, 李文濤, 李會宣
河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院,石家莊 050061
隨著石油等不可再生能源的日益減少及低碳經(jīng)濟(jì)的迫切要求,生物能源已成各國的研發(fā)重點[1],但目前大多數(shù)的生物質(zhì)能源是由作物制備的,與農(nóng)業(yè)爭地,與人類爭糧,發(fā)展受到極大限制。微藻是一類具有葉綠素的單細(xì)胞生物,可自養(yǎng)、種類多、分布廣、生長快,由于微藻在繁殖過程中可利用CO2,也可利用工業(yè)廢水和生活污水中的廢物,避免與農(nóng)業(yè)爭地,有利于實現(xiàn)有機(jī)廢物處理與生物質(zhì)生產(chǎn)的耦合。收獲的微藻含有豐富的蛋白質(zhì)、油脂、色素等多種生物質(zhì),是生產(chǎn)能源生物質(zhì)、食品、飼(餌)料或醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的良好原料[2-4],且有可能成為化石燃料以及作物生物質(zhì)的良好替代物[5],是實現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展的有效途徑[2,6-7]。
為了達(dá)到上述目的,微藻生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化是必然之路,但是由于尚缺乏切實可行、適宜投資的實施方案,作為微藻產(chǎn)業(yè)化鏈條中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),微藻的大規(guī)模培養(yǎng)成為微藻產(chǎn)業(yè)化中公認(rèn)的難點和熱點。目前,大規(guī)模培養(yǎng)微藻時所用的培養(yǎng)基大多是沼液、啤酒生產(chǎn)廢水、養(yǎng)殖廢水等有機(jī)廢物,可以收獲微藻作為生產(chǎn)飼料、色素、能源生物質(zhì)等的原料;亟待解決的關(guān)鍵問題集中在減少病蟲害污染、提高土地利用率和降低運行成本3個方面。常用的培養(yǎng)容器是光生物反應(yīng)器,分為開放式和封閉式兩大類,開放式光生物反應(yīng)器構(gòu)造簡單、操作方便、運行成本低,是目前產(chǎn)業(yè)化培養(yǎng)中最常使用的生物反應(yīng)器;封閉式光生物反應(yīng)器則主要應(yīng)用于實驗室或小規(guī)模培養(yǎng)微藻,制造、運行及維護(hù)成本均高于前者,但能夠較好地控制培養(yǎng)條件,具有更好的研究價值。
利用微藻處理廢氣、廢水和生產(chǎn)有機(jī)生物質(zhì),光生物反應(yīng)器是關(guān)鍵工序和重要的限制因素,研發(fā)低成本、高產(chǎn)量的微藻生物反應(yīng)器勢在必行。鑒于目前有關(guān)反應(yīng)器研發(fā)不足,仍然存在諸多探討空間,本文將就上述兩大類微藻光生物反應(yīng)器的特性進(jìn)行回顧,比較其優(yōu)劣,以期為相關(guān)研究提供借鑒[8-9]。
封閉式光生物反應(yīng)器內(nèi)部和外界有一定的隔離措施,便于實現(xiàn)微藻的無菌培養(yǎng),有平板式、柱狀和管道式3種類型。
PBR是用透光性能較好的玻璃、樹脂等材質(zhì)制作而成的,結(jié)構(gòu)相對簡潔、易加工、易清潔、成本低、操作條件容易控制。比表面積是影響微藻光合作用的主要因素,因此制作過程中盡量增加反應(yīng)器的比表面積,并根據(jù)需要設(shè)計不同的光徑,另外為了獲得最佳的入射光強(qiáng)度,戶外放置的PBR通常要傾斜一定的角度[10]。
齊祥明和崔海龍[11]在多節(jié)隔板PBR的基礎(chǔ)上增加了多級進(jìn)氣,建立了多級進(jìn)氣多級隔板式PBR(圖 1),有效提高了反應(yīng)器的混合與傳質(zhì)性能,通過與普通反應(yīng)器的液體平均速度、死區(qū)比、湍動能、湍動能耗散率、氣含率、液相傳質(zhì)系數(shù)等參數(shù)的對比,發(fā)現(xiàn)多級進(jìn)氣多級隔板PBR各項指標(biāo)均有很大提高。在通氣率(每分鐘通入反應(yīng)器的氣體體積與反應(yīng)器實際裝液體積之比)0.4~0.8內(nèi),該反應(yīng)器傳質(zhì)及混合性能表現(xiàn)優(yōu)異。所以,他們提出以多級進(jìn)氣提高多節(jié)隔板反應(yīng)器性能,并通過對比氣含率、液體平均速度、湍動能、湍動能耗散率、死區(qū)、液相傳質(zhì)系數(shù)等性能評價參數(shù)得出多級進(jìn)氣多節(jié)隔板反應(yīng)器通過特有的進(jìn)氣結(jié)構(gòu)給出了更為優(yōu)越的流動、混合性能,同時這種流動混合方面的優(yōu)越性也明顯提高了該新型反應(yīng)器的傳質(zhì)性能,無疑將更加有利于微藻的培養(yǎng)。Alexandre 等[12]為了評估微藻培養(yǎng)對水資源恢復(fù)(water resources recovery,WRR)的潛力,從養(yǎng)分去除率(nutrient removal rate,NRR)和生物量生產(chǎn)2個方面評價了3臺0.55 m3PBR(圖 2)的性能。PBR在室外(自然環(huán)境溫度和光照強(qiáng)度)運行,使用來自ANMBR的富營養(yǎng)廢水作為生長介質(zhì),該廢水由預(yù)處理污水供給。太陽輻射是影響NRR的決定性因素。在光照強(qiáng)度203 000 lux、溫度25.5 ℃、培養(yǎng)時間8 d條件產(chǎn)生最大生物量52.3 mg、NRR為5.84 mg NH4-N·L-1·d-1和0.85 mg PO43--P·L-1·d-1。在上述條件下,當(dāng)進(jìn)水中的營養(yǎng)鹽含量在40~50 mg N·L-1和6~7 mg P·L-1范圍內(nèi)時,可以達(dá)到出水營養(yǎng)鹽標(biāo)準(zhǔn)(歐洲標(biāo)準(zhǔn)91/271/CEE)。溫度和太陽輻射對PBR 培養(yǎng)微藻有重要影響,太陽輻射強(qiáng)度是短期內(nèi)影響NRR的關(guān)鍵因素。
A:側(cè)視圖;B: 前視圖
圖2 平板式光生物反應(yīng)器Fig.2 Flat-plate photobioreactor
PBR受到光照表面積大,藻液混合均勻,得到微藻生物量大;雖然其受制于制作材料的強(qiáng)度,放大困難,但可通過增加反應(yīng)器單元實現(xiàn);由于難以形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)?;拗屏薖BR的使用范圍,但在小規(guī)模的實驗室培養(yǎng)微藻中優(yōu)勢顯著;操作簡單、易控制,不易被雜菌污染、藻液收集方便,可以得到更高的生物量。
CBR由柱體、供氣裝置、控溫裝置、光源等組成。其中,柱體材料由透明玻璃或塑料制成;所供氣體由底部進(jìn)入,頂部排出;光源設(shè)置在柱體內(nèi)部或外部(可使用太陽光),內(nèi)置光源雖然效率高但不易清洗,應(yīng)用受到限制。按進(jìn)氣模式分類有鼓泡式CBR(圖 3)和氣升式CBR 2種,其中鼓泡式有同軸管式、分隔柱式、分離式和外循環(huán)式等類型[13];氣升式反應(yīng)器內(nèi)部分成上升區(qū)和下降區(qū)2個部分,氣體由上升區(qū)底部進(jìn)入,因此底部培養(yǎng)液含氣率大、密度小,氣體就會自動上升到頂部,頂部的空間較大,氣體逸散后從排氣口排出,此時的培養(yǎng)液含氣率降低、密度變大,氣體就會從下降區(qū)流回至上升區(qū)底部而形成循環(huán)[14]。
A:外循環(huán)式CBR;B:同軸管式CBR;C:經(jīng)典鼓泡柱式CBR;D:分離式鼓泡柱式CBR
郭禎等[15]采用自制的鼓泡式CBR,通過批式及兩段法培養(yǎng)湛江等鞭金藻(Isochrysiszhanjiangensissp. nov,一種產(chǎn)油模式藻種)。在一天的不同時段控制培養(yǎng)液的pH分別為 6.2~6.5(8:00—22:00)和7.0~7.5(22:00—8:00),入射光強(qiáng)為1 000~3 000 lux,微藻的葉綠素?zé)晒鉃?0.68~0.58,培養(yǎng)7 d后發(fā)現(xiàn)細(xì)胞生長動力學(xué)曲線符合 Logistic 方程,反應(yīng)器內(nèi)藻細(xì)胞密度增加 12 倍,干藻粉油脂含量達(dá) 35 %,實現(xiàn)了富氮時微藻生物量的增長和缺氮時油脂的積累。通過對微藻培養(yǎng)過程中pH、葉綠素?zé)晒?、微藻生物量及相關(guān)成分進(jìn)行測定及分析,得到了此鼓泡柱式光生物反應(yīng)器的培養(yǎng)條件范圍,并實現(xiàn)了對以上指標(biāo)的可控和微藻油脂的積累。張芬芬等[16]采用50 L內(nèi)置光源氣升式反應(yīng)器(圖4),使用響應(yīng)曲面確定了最佳培養(yǎng)條件,內(nèi)置光源為紅藍(lán)光、光照強(qiáng)度約 9 000 lux、光暗周期17.5 h∶6.5 h,收獲的小球藻的藻細(xì)胞密度為5.48×107個·mL-1,收獲小球藻干重為1.21 g·L-1,較優(yōu)化前提高了157%。該柱式光生物反應(yīng)器因體積較大,混合效果好,光源設(shè)置合理,且培養(yǎng)的藻密度較高,具有擴(kuò)大培養(yǎng)規(guī)模的潛力,但考慮到試劑成本較高,需要進(jìn)一步研究。
圖4 內(nèi)置光源氣升式CBR[15]Fig.4 Air lift CBR with built-in light source
CBR具有傳質(zhì)效率高、混合均勻、剪切力小、耗能低、操作簡單等優(yōu)點,多用于實驗培養(yǎng)微藻。但CBR一般容積小、造價高、放大困難,限制了其發(fā)展應(yīng)用。本課題組采用內(nèi)置光源氣升式進(jìn)行藻種擴(kuò)大,其實驗室培養(yǎng)條件易把控、光源充足、微藻生長快;但易染菌,需注意保持無菌環(huán)境或減少與外界接觸。
PPBR也是采用透光材質(zhì)制作,其光照表面積大、微藻生物量高、適合戶外培養(yǎng),但存在管道內(nèi)部光線不足、耗能高、占地面積大以及管道內(nèi)培養(yǎng)液易出現(xiàn)pH、CO2濃度梯度差等缺點[17];同時,微藻易貼壁生長、氧解析困難,為此可以采取加大液體流速、減少管內(nèi)裝置、采用較大的管道內(nèi)徑及保持其光滑、加裝自動清洗裝置等方法降低貼壁現(xiàn)象[18]。需要特別注意的是,大多數(shù)微藻最適生長溫度為20~30 ℃,而反應(yīng)器內(nèi)溫度會比周圍環(huán)境高10~30 ℃[18],應(yīng)及時采取控溫措施。
Abobaker等[19]利用250 mL厚5.08 cm的不銹鋼管制成PPBR,用豆腐廢水培養(yǎng)杜氏鹽藻(Dunaliellasalina,一種海洋微藻)進(jìn)行了模擬試驗。當(dāng)厭氧消化時間為7、14和21 d,發(fā)現(xiàn)可以收集沼氣,雖然產(chǎn)甲烷量較低,但仍有潛力。Hai等[20]構(gòu)建了一種低成本的封閉式玻璃PPBR(圖 5),標(biāo)準(zhǔn)玻璃管排列成螺旋陣列,容積高達(dá)80 m3;玻璃管與脫氣室相連,脫氣室提供用于測量和調(diào)節(jié)氧氣濃度、酸堿度、泡沫和光密度的端口;泵提供1.5 m·s-1的層流速率用于攪拌PPBR中的培養(yǎng)基,泵的上游設(shè)置有氣體入口,便于氣體與培養(yǎng)基有效混合;培養(yǎng)基溫度由傳感器和連接到外部的熱交換器控制;光照由3個光板提供,每個光板由10個熒光管組成。除了光板和馬達(dá),整個PPBR的其他組件均可高壓滅菌。該反應(yīng)器的模塊化布置使其操作簡單,有極大的靈活性,玻璃管的長度、直徑等均可根據(jù)所需進(jìn)行調(diào)整,極大地降低了后續(xù)制造成本。
圖5 管式光生物反應(yīng)器Fig.5 Tubular photobioreactor
PPBR可以通過在其中加入螺旋肋來增加藻液的流速,增加藻種與培養(yǎng)基的混合程度,大幅度的降低微藻貼壁生長的可能性,增加培養(yǎng)基中氧溶量等。雷玉玲和吳晶[21]對一種新型帶螺旋肋的PPBR,用粒子追蹤模型模擬了微藻在反應(yīng)器中的運動情況。發(fā)現(xiàn)調(diào)整螺旋肋的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以達(dá)到改變微藻所受光暗循環(huán)的情況。隨著螺旋助螺距Ps的增加,微藻細(xì)胞經(jīng)歷的光暗循環(huán)率fav、反應(yīng)器光暗循環(huán)強(qiáng)化效率η出現(xiàn)峰值。fav在Ps=400 mm的反應(yīng)器中最大,為 0.579 4 Hz;η的峰值則出現(xiàn)在Ps=800 mm的反應(yīng)器中。在 0.5 m·s-1的進(jìn)口速度下,Ps為400、600、800 mm 時,螺旋肋的存在對提高光暗循環(huán)率有正面作用;Ps為200、1 000 mm時,螺旋肋的存在限制了光暗循環(huán)率的提高。PPBR內(nèi)部微藻細(xì)胞貼壁現(xiàn)象使管道內(nèi)部的阻力增加,光透過率降低、氧解析困難、能耗增加等問題限制了該類反應(yīng)器的發(fā)展及大規(guī)模應(yīng)用。
開放式光生物反應(yīng)器與外界環(huán)境相通,雖然降低了培養(yǎng)成本,但達(dá)不到無菌培養(yǎng)環(huán)境,藻種純度不能保障。開放式光生物反應(yīng)器可分為跑道式和掛膜式等。
RPBR構(gòu)造簡單、成本低廉、操作簡單,在過去的幾十年中已大量報道[22]。RPBR以自然光為主要光源,但穿透性差,需保持淺水培養(yǎng)。RPBR(圖 6)通過泵或漿輪驅(qū)動藻液流動,在反應(yīng)器入水口處可流加新鮮培養(yǎng)基,經(jīng)反應(yīng)器循環(huán)后等速從出水口處排出。目前主要應(yīng)用于各類污水的處理中[23],在微藻商業(yè)化生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛。
圖6 跑道式光生物反應(yīng)器Fig.6 Runway photobioreactor
跑道池式光生物反應(yīng)器構(gòu)件簡單、建造成本低、操作簡便并且可以利用空氣中的CO2,從而大大節(jié)省了生產(chǎn)過程所需費用。但是跑道式光生物反應(yīng)器混合性能不佳、功耗較大,培養(yǎng)液若不能和微藻進(jìn)行有效混合會降低微藻生長過程中的光利用率,影響微藻細(xì)胞與培養(yǎng)液間的物質(zhì)交換、阻礙O2排出、致使藻細(xì)胞絮沉。宋培欽等[24]利用戶外RPBR培養(yǎng)三角褐指藻(PhaeodactylumtricornutumBohlin),并探索了其優(yōu)化條件。研究表明:鹽度為 20的條件下,三角褐指藻獲得最大細(xì)胞密度 6.01×106個·mL-1,但鹽度對巖藻黃素含量影響很?。籶H 8.0時三角褐指藻細(xì)胞密度及巖藻黃素含量最佳(5.8×106個·mL-1和 17.79 mg·g-1);與碳銨相比,尿素作為氮源更有利于三角褐指藻的生長,最終細(xì)胞密度為 4.1×106個·mL-1,但以碳銨為氮源條件下,更利于巖藻黃素的積累,巖藻黃素含量達(dá)到 9.96 mg·g-1。因此,戶外跑道池中的最適培養(yǎng)條件為鹽度 20、pH 8.0、碳銨為氮源。林博和吳晶[25]研究了RPBR中葉輪葉片形狀對于藻液混合效果和反應(yīng)器功耗的影響,當(dāng)葉片彎折比為1,葉片彎折角為90°時,反應(yīng)器的單位功耗混合性能參數(shù)η為最大值,即在此葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)下,當(dāng)葉輪輸入功率一定時,該反應(yīng)器內(nèi)部藻液光梯度方向上的混合性能最好,對比未改變?nèi)~片結(jié)構(gòu)參數(shù)情況下的RPBR,其η值增大到2.64倍。
雖然RPBR效果不錯,但占地面積大、土地的有效利用率不高,故學(xué)者們又提出用多層蛇形RPBR,但受制于自然光透過能力有限而進(jìn)展緩慢。RPBR構(gòu)造簡易、操作簡單,是目前應(yīng)用較為廣泛的生物反應(yīng)器,但其易受到環(huán)境中雜菌、雜藻的污染,因此使用一段時間后需更換反應(yīng)器內(nèi)藻種。
MPBR利用了微藻吸附在固體培養(yǎng)基中形成生物膜的特點,因此其主要應(yīng)用于大規(guī)模 CO2固定及污水處理[9,26]。MPBR耗水少、微藻收獲成本低,但限制其應(yīng)用的主要原因是膜污染,膜污染會導(dǎo)致過膜壓力升高、膜通量下降,進(jìn)而使裝置耗能增加。膜污染的形成原因是微生物及其殘骸、溶解性物質(zhì)或膠體物質(zhì)被吸附在膜的表面或內(nèi)部并形成累積。
圖7 膜式微藻光合反應(yīng)器[27]Fig.7 Membrane photobioreactor
膜污染不僅會降低膜的使用時間還會增加運行成本,因此對膜污染的成因及控制措施的研究極為重要。目前,學(xué)者們主要通過對膜材料、混合液和操作參數(shù)進(jìn)行研究。Prashant等[27]研究了利用MPBR(圖 7)處理三級廢水時污泥停留時間(sludge retention time,SRT)對污水中微藻生物量累積的影響。當(dāng)SRT為10~350 d時,生物量積累與SRT無關(guān),穩(wěn)態(tài)生物量濃度穩(wěn)定在1.9 g·L-1左右,在2~10 d的較低SRT時,MPBR中的生物量濃度成比例下降,在2 d時達(dá)到最小值0.54 g·L-1。光照強(qiáng)度的變化影響生物量的積累和營養(yǎng)物質(zhì)的去除。在高光強(qiáng)下操作MPBR,即使在0.5 d的較短SRT下,也可獲得95%的NO3-N和73%的PO4-P去除率,而生物量濃度和生產(chǎn)力分別為3.13 g·L-1和313 mg·L-1。分析得出,SRT并不能很好的控制生物量去除率,但它可以有效地緩解光限制,提高M(jìn)PBR的微藻生物量產(chǎn)量。Gera等[28]采用3種不同的微藻培養(yǎng)基,結(jié)合MPBR對污水進(jìn)行處理。利用開放式滾道池在陽光照射下(12 h∶12 h明暗循環(huán))培養(yǎng)微藻(3種),連續(xù)5 d分別用標(biāo)準(zhǔn)APHA和TOC分析儀測定營養(yǎng)物質(zhì)和有機(jī)物攝取量,用血細(xì)胞儀測定藻類生長,并采用3種不同的膜組件對生長的藻類生物量進(jìn)行脫水。觀察操作參數(shù)如微藻濃度、膜類型(陶瓷、聚砜、聚丙烯腈、PAN)和跨膜壓力對處理水水質(zhì)的影響。發(fā)現(xiàn)當(dāng)初始生物量濃度(5×106個·mL-1)較高時,3種培養(yǎng)基對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收率均最大,PAN膜的滲透通量最高,污染較小。微藻與膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)聯(lián)合應(yīng)用,可獲得高效的生物量和優(yōu)質(zhì)的滲透水生產(chǎn)的雙重受益。更換膜材料雖能大幅度減少膜污染,但造成膜污染的成因非常復(fù)雜,微生物分泌的溶解性產(chǎn)物和胞外分泌物必然存在,兩者是造成膜表面凝膠層形成的主要原因。因此膜污染目前還不能完全消除,只能通過優(yōu)化設(shè)計方案得到減緩。MPBR雖然只限于有吸附能力的微藻培養(yǎng)使用,但其具有對水資源消耗少、便于微藻采收等優(yōu)點。目前對其報道較少,仍需進(jìn)一步試驗與研究。
封閉式光生物反應(yīng)器雖然能夠有效控制微藻培養(yǎng)條件、減少污染,適用于更多的藻種,其中平板式和管道式因水分蒸發(fā)少、條件易控制、光照面積大、獲得藻生物量大的特點被認(rèn)為最具有商業(yè)化潛力,但較高的造價及維護(hù)成本仍是主要瓶頸。開放式光生物反應(yīng)器能夠大規(guī)模培養(yǎng)微藻,降低培養(yǎng)成本,但藻種易受到污染、培養(yǎng)條件不受控制,只適用于生存能力強(qiáng)、不易發(fā)生基因突變的藻種。其中跑道式光生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單、建造容易、操作易實施故而應(yīng)用較為廣泛(表1)。
表1 各類光生物反應(yīng)器的優(yōu)缺點及適用范圍Table 1 Advantages, disadvantages and application of various types of photobioreactors
綜合上述反應(yīng)器的現(xiàn)狀,可以預(yù)測以下3個方面有望成為發(fā)展趨勢。①博采眾長,采用封閉式光生物反應(yīng)器與開放式光生物反應(yīng)器相結(jié)合的混合式微藻培養(yǎng)有望成為研究熱點。先采用封閉式光生物反應(yīng)器培養(yǎng)得到大量純藻種,保證了后續(xù)生產(chǎn)所需純藻種的供給;再經(jīng)過開放式光生物反應(yīng)器進(jìn)行大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn),可以獲得更高產(chǎn)量,為生產(chǎn)具有附加值的生物質(zhì)產(chǎn)品奠定基礎(chǔ)。②減少耕地占用,將微藻培養(yǎng)光生物反應(yīng)器盡量置于利用天然湖泊或近海的豐富水資源區(qū)域,可以大幅度降低微藻生產(chǎn)成本??蓪⒃宸N置于薄透膜袋中于湖泊或海水中培養(yǎng),充分利用湖泊或海水中的營養(yǎng)物質(zhì)生產(chǎn)得到微藻生物質(zhì)。③研發(fā)新型高效的光生物反應(yīng)器用于微藻培養(yǎng),研發(fā)過程中應(yīng)充分考慮微藻的生長特性、反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、光分布、培養(yǎng)基的傳質(zhì)、藻液的混合等因素。
總之,微藻生物反應(yīng)器各有利弊,為了取長補(bǔ)短、相互彌補(bǔ),許多學(xué)者傾向于研發(fā)不同構(gòu)造結(jié)合的混合型光生物反應(yīng)器,成為近幾年的熱點,相關(guān)研究也陸續(xù)出現(xiàn)在文獻(xiàn)中[26,29],但大多僅限于實驗室規(guī)模,距離規(guī)?;瘧?yīng)用還很遙遠(yuǎn)。鑒于大部分研發(fā)涉及多學(xué)科領(lǐng)域知識的融合,尤其是材料學(xué)、光學(xué)、流體動力學(xué)等對生物學(xué)家比較陌生,呼吁更多不同專業(yè)領(lǐng)域的學(xué)者行動起來,互通有無、克服困難、聯(lián)合攻關(guān),使微藻的大規(guī)模商業(yè)化養(yǎng)殖早日成為新的經(jīng)濟(jì)增長點。