小球藻大面积养殖技术

小球藻大面积养殖技术 ?74?? 江苏农业科学??2004年第2期 文章编号:1002-1302(2004)02-0074-03 小球藻大面积养殖技术 韦金河,汪??廷,冯伟民,宁运旺,唐玉邦 (江苏明天生物技术发展有限公司,江苏南京210014) 摘要:本文就小球藻大面积培养中产量、质量、培养方式、培养基与经济上的可行性之间的关系;气候因子、二氧化碳补加、搅拌、分离、收获与干燥等技术条件及其研究的进展进行了综述,认为其未来的发展趋势将是光合生物反应器培养。讨论了小球藻大规模培养中生长量及限制生长量的主要因素与太阳能转换率之间的关系。????关键词:小球藻;大面积培养;生长量????中图分类号:Q949??21????文献码:A 小球藻为绿藻门小球藻属(Chlorella)普生性单细胞绿藻,以光合自养生长繁殖,分布极广,尤以淡水水域种类多,生物量大。对生长条件要求简单,环 收稿日期:2003-10-31 基金项目:江苏省??十五??重大科技攻关项目(编号:BE2001384)。作者简介:韦金河(1963-),男,江苏高淳人,副研究员,主要从事微藻的研究和开发工作。Tel:(025)84390175;E-mail:WJH-636@sina.com。 境耐受性强,繁殖速率高,人工培养较易,单位光照面积的水域培养小球藻的生物量是高等植物的数倍。人类对小球藻的研究开发已有50多年的历史。 二战期间,由于粮食的缺乏,如何利用水生藻类生物作为人类的食物资源开始成为研究课题,单细胞藻类的培养逐渐被重视起来,许多国家先后进行了小球藻培养和营养价值的研究。 小球藻作为人类理想的营养源健康食品,在于它收率高(约50%),因此生产中还要设置几条食物链综合利用虫粪、鱼粪,形成多级利用、多级转换的食物网。另外,本食物链面临劳动效率较低的问题,主要是由于生产黄粉虫时分群较耗劳力,除了进行规模养殖外,还要进一步探索黄粉虫高效分离技术。 参考文献: [1]CoxGW,etal.AgriculturalEcology[M].SanFrancisco:Freeman, 1979??52?? [2]孙玉芳.稻草??凤尾菇??蚯蚓??肉鸡食物链的氮流与能流研究[J].生态学杂志,1998,8(5):1~3?? 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[8]张宏刚,等.对黄鳝养殖的几点体会[J].水产科技情报,2000,27 :(上接第73页) 为3元,生产1kg鳝鱼饲料成本不到10元(一般生产1kg鳝鱼饲料成本12元以上),产投比为(2~3)??1。且本链能量损失少,黄粉虫粪回收率高,虫粪卫生无臭味,可直接作猪、鱼、鸭等的饲料。本食物链在河南、湖北等地进行庭院养殖,效果很好。3??讨论 食物链中营养级多,根据能量金字塔原理可知最终主产品(鳝鱼)的生物量与能量转化效率较低,这样食物链的物流能流从量上看规模太小,从质上看效率较低,不利于鳝鱼规模养殖;且鳝鱼长期摄食黄粉虫,转化效率下降,生长速度较慢。因此发展鳝鱼规模养殖的途径是缩短食物链,提高鳝鱼生产力。生产中宜用配合饲料与活饵混合投喂,不但可提高物质能量转化效率,降低饲料成本,还可加快鳝鱼生长速度。鳝鱼驯食比较困难,其味觉特殊,对许多气味比较敏感,不易拌饵给药。本食物链优点之一是可利用食物链??浓集效应??,进行药饵投喂。本食物链产生的副产品比较多,剩余物生物量和能量回 [8]韦金河等:小球藻大面积养殖技术 75?? 具有极其丰富均衡的营养成分和优良的医疗保健作用;其蛋白质含量为50%~67%,且含有人体所需的20种氨基酸、多种维生素和微量元素,以及亚麻酸、亚油酸、胡萝卜素等。研究,小球藻细胞糖蛋白具有显著的抑瘤抗癌、增强免疫和抗病毒感染的活性。小球藻所含未知活性因子具有增强细胞代谢、延缓细胞衰老的活性。小球藻是优良的饲料添加剂。近年研究证明,小球藻在异养条件下,细胞内油脂含量可达60%以上,是一种新型油脂资源。在高盐条件下培养,其脯氨酸含量达12%,可用于工业制取脯氨酸;其叶绿素含量约4%,为高等植物叶片的20多倍,是天然叶绿素的理想资源。日本、美国、前苏联等国家自20世纪50年代率先开发小球藻作为单细胞蛋白,20世纪70年代日本首先开发小球藻作为人类的健康食品,20世纪80年代又开发出健康和美容系列产品,包括小球藻食品、小球藻饮料、小球藻绿酒、小球藻化妆品等。我国曾在20世纪60年代初开展了小球藻的培养与生产试验研究,因未能持续,目前大面积工业化生产尚未推开。本文就国内外小球藻大规模培养的研究状况进行综述。 1??小球藻大规模培养的基本方式 目前的研究表明,小球藻大规模培养的方式与产品开发有关。Oswald总结了当前国际上主要的培养方式,可以概括为以下3种。??密闭无菌培养:使用试剂级化学药品、净化水,加EDTA和维生素等营养成分,主要是制取高级医药用品、精细化学药品和高级油脂等产品。??开放半无菌培养:使用分析纯化学药品、净化水,主要生产藻粉、健康食品、色素和医药制品。??开放藻菌混养:以蔬菜、肉类加工、发酵和工业蒸馏的洁净有机液体废料为培养基,生产藻粉、健康食品、动物饲料和医药制品;以动物、家禽和鱼类等残余食物、屠宰场的废物等为培养基,生产家禽、家畜、鱼等饲料、肥料等;以家庭污水和降解的植物废物等为培养基,生产氧气和肥料等。显然,小球藻大规模培养的方式主要是考虑产品用途,高成本培养方式和培养基只有用于生产高附加值的医药用品、精细化工用品等产品时,在经济上才是可行的。低成本的培养方式,产品的市场价值也降低。2??小球藻大规模培养中主要技术条件研究2.1??气候条件 ,[1] 养中是首先要考虑的因素。采用人工光照和加温可以控制气候条件,但由于成本太高,实际应用在经济上是不合算的。热带地区有理想的湿度,但过多的阴天限制了光照,且均衡的高温也增加了小球藻在夜间的呼吸消耗,净物质积累相对减少。亚热带沙漠地区气候湿热,天气晴朗,光照充足,昼夜温差大,呼吸消耗较低,产量相对较高,是进行大规模培养的较理想气候条件。因此,在沙漠中建立小球藻生产工厂,被认为是??沙产业??中可以实施的产业之一,对于利用非耕土地生产人类食品有重要意义。2.2??CO2的补加 据研究,小球藻通过光合作用积累1mg干物质需要1mo1(1.8mg)CO2 [1] ,而水中溶解的可利用的 CO2(0.04mol/L)远不能满足小球藻生长的需要,因此大规模培养中CO2的补加是提高产量的有效途径。Miyachi等(1983)研究证明,不同种类和品种的小球藻利用无机碳的形式不同,有的利用HCO3,而更多的则直接利用溶于水中的CO2。加入碳酸氢钠类盐,可以补充水中HCO3 的浓度,但并不适合于所有的小球藻种类,且成本高,易使培养液pH值升高。CO2的补加宜采用气流计将CO2以微泡的形式通人水中,采用该方法可使CO2的利用率达70%。2.3??搅拌 大规模培养中,藻细胞由于受多种因素的影响往往易发生沉淀和集聚,从而严重影响繁殖与生长速率。因此搅拌在大规模培养中是必需的。在开放池培养中,Oswald了一种水道式流动搅拌器,使水流速度为5~15cm??s,可保持藻细胞浓度达300mg??L。在密闭反应器培养系统中,如管道反应器,采用循环措施进行搅拌,可使藻细胞密度达3g??L。2.4??藻细胞的分离与收获 大规模培养中,收获藻细胞是唯一的目的,但对于大量水体中200~500mg??L藻细胞的分离是困难的。可供选择的方法:??沉淀法。采用石灰水、明矾等使藻细胞凝集沉淀,但该法严重影响产品的质量及食用价值。??过滤法。由于小球藻细胞仅1~5mm,过滤法不适用。??离心法。适用于小球藻的分离,产品质量好,但成本较高。2.5??藻细胞的干燥 干藻粉是小球藻大规模培养的初级产品,但小球藻细胞蛋白质含量高,黏性大,细胞内水分不易散,[2] [1] --??76?? 江苏农业科学??2004年第2期 可采用的方法:??日光干燥。该法简易,产品质量好,但干燥量仅为100g??(m??d)干藻粉,且易受天气影响。??转鼓干燥。由于小球藻黏壁现象严重,不很适用。??喷雾干燥。该法生产量大,藻粉消化率高,质量好。??冷冻干燥。适用于生产医疗用品和生物活性制剂。 3??小球藻大规模培养研究的状况 小球藻大规模培养研究可以分为两个阶段:20世纪50年代至70年代末,主要进行开放池培养的研究;20世纪80年代以后,开始密闭和半密闭反应器的研究。 3.1??开放池大规模培养 国际上小球藻大规模开放池培养研究,设计 2 1000~5000m、深15~30cm的圆形泼水池,采用螺旋桨搅拌,平均生长量16~22g??(m??d)。3.2??半密闭和密闭式大规模培养 开放池培养具有设施简易、投资少、成本低等特点,但产量低,一般藻细胞密度为200~500mg??L,但培养面积大、生长因子难以控制、CO2补加困难、收获成本高、易被其他生物污染、产品质量低等因素,限制了开放池培养的发展。因此,采用透明容器或玻璃管道设计的半密闭和密闭光合生物反应器培养系统的研究受到重视。 光合反应器大规模培养小球藻的研究始于20世纪60年代。乌兹别克地区设计的K6型光合反应器,试验产量19~30g??(m??d),培养藻液的密度为250~1500mg??(m??d)。土库曼科学院设计的玻璃管道全密闭全天候光合反应器,平均产量20 2 g??(m??d)。20世纪80年代后,玻璃管道光合反应器的研究和应用受到重视,Pirt等(1983)首次设计了100m的管道反应器,Torzillo等(1986)用管道反应器在户外培养螺旋藻,Richmond设计10L管道反应器在户外进行了螺旋藻和鱼腥藻的培养,生长量随管道直径大小而变化。与开放池的培养比较,密闭和半密闭光合反应器大规模培养,藻细胞的密度提高了6~12倍,总体积相对减小,分离成本大大降低,各种生长因子及工艺可以采用自动化、集约化管理,提高了生产效率和产品质量,避免受其他生物和非生物物质的污染,单位光照面积的生长量保持在 2 15~30g??(m??d)。由于玻璃管道光合反应器一次性投资大,许多技术问题尚未完全解决, 目前尚无工业2 2 2 2 2 4??小球藻大规模培养的生长量及限制生长量的因素4.1??生长量 小球藻大规模培养的生长量变动很大,根据Richmond的研究,大规模培养的生长量与培养方式无关,而取决于光照面积和光照强度。由于地球表面太阳辐射变化很大,小球藻大规模培养的生长 2 量变动在15~30g??(m??d);在混养和异养的情况下,其年变化量在8~22g??(m??d);在完全异养的情况下,可得到较高的产量,Endo等报道在异养培养 [4] 中得到8.6g??(L??d)的高生长量。4.2??限制生长量的因素 大规模培养进行工业化生产的可行性取决于产量和成本,如何提高产量是大规模培养研究中的关键问题。对于温度、CO2浓度、光照强度、营养液、pH值、搅拌等影响产量因子的最佳量已经有了很好的了解,可以通过多种方式达到最佳的培养条件。就光合自养生物而言,限制其生长量的最终因素是光能转换率,即光能转换率限制最大生长量。小球藻转换为细胞物质的光能转换率为2.6%~7.1%,相当于1.0~4.9g??(m??d)细胞干物质生物量。在大规模培养中光照强度又与培养物密度有关,培养物密度增高了,光强度随之降低,生长量也随之下降。5??展望 藻类生物(小球藻、盐藻、栅藻、螺旋藻等)繁殖速率快,光能转化率高,易培养,单位光照面积蛋白质产量是高等植物的数十倍。藻类大规模培养的研究已经给我们展示了一幅诱人的前景,工厂化生产优质天然绿色食品即将成为现实,人类可以将这类工厂建在沙漠、盐碱地等非耕土地上,那么陆地上可以利用的土地面积将不再像现在这样拥挤。 参考文献: [1]OswaldWJ??Macromodelforoutdooralgaemassproduction[A].In: BorowitzkaMa(ed).Micro-algaeBiotechnology[M]??Cambridge:Cam??bridgeUnivesityPres s,1990??357~394?? 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