微藻培养的光生物反应器

微藻能有效利用光能、ＣＯ2 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 ,可以培养微藻来生产健康食品、食品添加剂、动物饲料、生物肥料及其他天然产品。另外 ,近年来分子遗传学和基因工程研究证实 ,大肠杆菌的载体和启动因子往往可以适用于蓝藻 ,尤其是单细胞蓝藻的转基因 ,这使得蓝藻基因工程得到了较快的发展 ,利用藻类为宿主的基因产物的生产也日益受到关注 ,因此微藻的培养受到广泛重视。微藻的生长方式决定光照在反应器中的重要性。除了一些能完全自养的微藻培养可以在无光照条件下进行[1](此时反应器可以…     

管道式微藻光生物反应器设计

设计了一种实验室200 L规模的管道式微藻光生物反应器,包括不锈钢底座及支架、光反应管、溶氧解析槽、循环系统、进气系统、光照系统及清洗装置。光反应管采用有机玻璃材质,管径10 cm。反应器的有效容积为200 L,采用日光灯灯组为光源系统,以低速离心泵配合变频器控制循环流速,以鼓入空气或二氧化碳微泡形式补充碳源,采用自制的微藻附壁清洗器,能方便、快速清洗光反应管内壁。实验证实,利用此装置培养微藻明显优于传统小规模的三角瓶微藻培养。     

微藻培养光生物反应器内传递现象的研究进展

微藻规模化培养过程中光生物反应器内传递现象是影响微藻的生长及产量的重要因素。本文重点综述了光生物反应器内传递现象（光传递、传热、传质和传动量传递）及其数学模型研究进展,分析了光生物反应器结构和尺寸对光传递和传质的影响,总结影响各传递现象的重要参数,如光吸收系数、体积传质系数等,为高效光生物反应器的设计、优化及放大提供了参考依据。     

光生物反应器中微藻生长影响因子研究进展

回顾了光生物反应器中微藻生长影响因子研究的总体情况,通过对其影响因子的系统分析得出,光照对微藻生长起着主要限制作用;二氧化碳、温度、营养盐及水动力特性对微藻生长影响较显著,各因子均存在一定的范围的适宜值能促进微藻生长;溶解氧和pH等因子也对微藻生长有一定影响,但其作用程度相对上述因子较低。目前研究所存在的问题有:1相关影响因子对微藻生长影响的内在机理和定量描述尚不完全;2各影响因子间均存在着一定的内在联系与相互作用,目前所展开的综合研究较少;3缺乏对光生物反应器制作材料的优化筛选及其与微藻生长影响的关系。     

光生物反应器中微藻生长影响因子研究进展

回顾了光生物反应器中微藻生长影响因子研究的总体情况,通过对其影响因子的系统分析得出,光照对微藻生长起着主要限制作用;二氧化碳、温度、营养盐及水动力特性对微藻生长影响较显著,各因子均存在一定的范围的适宜值能促进微藻生长;溶解氧和pH等因子也对微藻生长有一定影响,但其作用程度相对上述因子较低。目前研究所存在的问题有:1相关影响因子对微藻生长影响的内在机理和定量描述尚不完全;2各影响因子间均存在着一定的内在联系与相互作用,目前所展开的综合研究较少;3缺乏对光生物反应器制作材料的优化筛选及其与微藻生长影响的关系。     

微藻光生物反应器应用研究

选择三种海洋微型藻,叉鞭金藻、扁藻和塔玛亚历山大藻,在自行研制的光生物反应器中进行人工培育繁殖,采用不同光照强度和搅拌速度,测试光生物反应器应用于海洋微藻人工培育的效果。研究结果表明:这三种海洋微型藻在研制的生物反应器中细胞均能快速分裂增长,细胞增殖的浓度比在自然条件培养的同种藻的细胞增殖浓度要高1-2倍。并验证该光生物反应器的光照强度和搅拌强度可以根据微藻实际生长需要而调整到最佳状态,扁藻、叉鞭金藻、塔玛亚历山大藻分别在光照强度10000Lx±300Lx、5000Lx±300Lx、3000Lx±300Lx时生长最好。高转速和连续搅拌不利于塔玛亚历山大藻细胞增殖,增殖慢、藻浓度不高。     

用于微藻培养的气升式光生物反应器

基于微藻光自养培养特性 ,构建了具有较大面积体积比的 15 L内外光源相结合的气升式光生物反应器 ,考察了两种不同形态藻细胞培养体系中 ,光强随细胞浓度及光程距离衰减的规律 ,得到了描述光衰减的数学关系式 ,即在鱼腥藻 712 0培养体系中为 I=I0 exp[- (0 .0 131+0 .987OD750 )·L],在聚球藻 70 0 2培养体系中为 I=I0 exp[- (- 0 .0 2 39+0 .0 777OD750 )·L],并据此对培养过程中光强沿反应器径向的动态分布情况进行了估算。在该反应器中进行了鱼腥藻 712 0和聚球藻 70 0 2两种蓝藻的光自养培养 ,藻细胞培养终密度分别达到 1.5 3g/ L和 3.4g/ L ,体积产率分别为 0 .31g L-1d-1和 0 .5 7g L-1d-1,说明该反应器适合于微藻的高密度培养     

紫球藻的光生物反应器培养

利用光生物反应器就碳源及其供给形式、光强和反应器的操作条件等影响紫球藻生长的因素进行了研究.结果表明:反应器良好的液体循环速度有助于培养液中每个细胞对光能的吸收利用,使紫球藻细胞可以获得较大的生长速度;利用CO2为碳源可以获得比利用NaHCO3更大的生长速度,有效地提高了紫球藻的生物量产量.在本实验条件下,细胞的生长速度和生物量产率分别达到了0.952 d-1和42.31 g/(m2.d).     

立式管排式微藻光生物反应器的设计及应用

微藻生物能源作为一种清洁可再生能源,具有较好的应用前景,但现有光生物反应器的低效率、高成本制约了微藻生物能源的发展。以提高光生物反应器生物质产率、降低制造和运营成本为目标,设计了一种管排式光生物反应器,并进行了小试和中试试验。从固定成本投入和生物质产率方面评价了该反应器的性能,结果表明：立式管排式光生物反应器较传统的管道式反应器具有显著的优势,单位面积产率达到30 g/(m²·d),较传统的管道式反应器提高了4倍。在相同的培养体积下,立式管排式反应器比管道式反应器占地面积减少了66%,设备投入减少了31%,能耗成本降低了75%。     

套管式新型光生物反应器的性能初步实验

针对管式光生物反应器藻液中溶解氧及pH限制进一步规模扩大等因素,设计了一种套管新型内曝气式光生物反应器。以Chlorella vulgaris为培养对象,BG-11为培养基,以细胞干重为检测指标,同时检测藻液的溶氧量和pH,比较了小规模实验条件(锥形瓶,500 mL)和套管式新型光生物反应器(36 L)对微藻生物质积累的影响。结果表明,新型反应器和小规模实验条件相比,培养体积扩大了72倍,培养10 d时微藻的比生长率下降了33.2%,单位体积产率下降了69.8%。在整个培养过程中,藻液溶氧量为6.2～7.0 mg/L,未超过限值7.5 mg/L。通入气体为空气,藻液pH由7.5上升至9.0,处于微藻可适应范围(4.5～10.6),尚可通过在空气中混入CO2进行调节。     

提高微藻培养过程的光能转化率：工程途径及研究进展

分析了光能转化率的研究现状及影响光能转化率的工程因素,综述了提高光能转化率的工程途径及研究进展. 从工程角度提高光能转化率的核心是改善光在反应器中的时空分布及反应器内的流体力学特征,具体方法包括优化入射光能量、根据培养阶段调整光源条件、人工导入光源、优化反应器几何形式和结构、流动内构件的设计和应用、通气量和通气区域优化等. 进一步提高光能转化率,需结合光的时空分布和流体流动,将工程和工艺因素相结合,开发反应器和优化工艺条件.     

不同培养方式下微藻产油能力的研究

选取了6种微藻(包括3株绿藻、2株硅藻和1株金藻),考察了其在不同外加碳源下的异养能力,以及不同培养方式下的生长及产油情况。结果表明:除小新月菱形藻外,其余5株藻均可异养,然而外加碳源对其影响大小不同。筛选出1株小球藻和1株栅藻,其兼养时油脂产率分别达到102.48和129.13 mg/(L·d),是自养组油脂产率的6倍和8倍,可进一步优化培养条件以期作为生物柴油原料。     

室外培养微藻生物质光反应器及反应效率

通过分析和比较文献数据,以户外微藻培养为基准,建立微藻室外封闭培养的光反应计算模型,对管式微藻反应器的光吸收效率、光合作用效率以及生长模型进行计算,针对不同的光照条件计算反应器的管径等参数,为微藻过程开发利用提供基础数据。     

转基因微藻的研究进展

介绍了有效核转化微藻的方法和策略，以及微藻中密码子使用存在偏爱性，指出微藻作为绿色细胞已用来生产具有特殊价值的代谢物和外源蛋白质，转基因微藻在生物工程上已得到应用。     

Sustainable Hydrogen Photoproduction by Phosphorus-Deprived Marine Green Microalgae Chlorella sp.

Previously it has been shown that green microalga Chlamydomonas reinhardtii is capable of prolonged H₂ photoproduction when deprived of sulfur. In addition to sulfur deprivation (-S), sustained H₂ photoproduction in C. reinhardtii cultures can be achieved under phosphorus-deprived (-P) conditions. Similar to sulfur deprivation, phosphorus deprivation limits O₂ evolving activity in algal cells and causes other metabolic changes that are favorable for H₂ photoproduction. Although significant advances in H₂ photoproduction have recently been realized in fresh water microalgae, relatively few studies have focused on H₂ production in marine green microalgae. In the present study phosphorus deprivation was applied for hydrogen production in marine green microalgae Chlorella sp., where sulfur deprivation is impossible due to a high concentration of sulfates in the sea water. Since resources of fresh water on earth are limited, the possibility of hydrogen production in seawater is more attractive. In order to achieve H₂ photoproduction in P-deprived marine green microalgae Chlorella sp., the dilution approach was applied. Cultures diluted to about 0.5–1.8 mg Chl·L⁻¹ in the beginning of P-deprivation were able to establish anaerobiosis, after the initial growth period, where cells utilize intracellular phosphorus, with subsequent transition to H₂ photoproduction stage. It appears that marine microalgae during P-deprivation passed the same stages of adaptation as fresh water microalgae. The presence of inorganic carbon was essential for starch accumulation and subsequent hydrogen production by microalgae. The H₂ accumulation was up to 40 mL H₂ gas per 1iter of the culture, which is comparable to that obtained in P-deprived C. reinhardtii culture.     

室内外培养对耐温微藻Desmodesmus sp. F51细胞生长和叶黄素积累的影响

在室内培养耐温微藻F51,考察了培养温度、自来水及非灭菌培养基对细胞生长及叶黄素积累的影响,并与50 L柱状光生物反应器户外分批培养情况进行对比. 结果表明,藻株在35℃下的生物质产率和叶黄素产率最大,分别为767.5和3.05 mg/(L?d). 低温培养有利于叶黄素积累,但生长速率减缓. 用自来水及非灭菌培养基培养时,藻株无明显的生长抑制及染菌现象,在13.0?27.6℃户外培养温度下,藻株最高生物质产率、二氧化碳固定率和叶黄素产率分别为236.3, 444.2和1.17 mg/(L?d).     

能源微藻开发利用的研究

微藻与陆生作物相比,具有生物量大、生长周期短、脂质含量高、不占耕地、单位面积产出量高等特点,已成为生物柴油原料的首选。微藻生物燃油的经济性大规模生产,需要建立能保持单一藻种优势的微藻规模化生产系统。但现有的微藻生产生物柴油的工业化模式与商业应用目标还有很大差距。本文讨论了能源微藻开发利用技术的热点问题,综述了国内外能源微藻开发现状及存在的问题。     

微藻采收技术的进展与展望

从微藻培养液的特性出发,总结了目前微藻采收工艺中预处理和富集分离阶段的各种方法,包括预氧化、化学絮凝、物理预处理、沉降、过滤、离心、泡载和气浮等. 已有研究结果表明,经预氧化处理后,细胞分泌胞外产物,有利于絮凝沉降,但药剂过量会引起细胞损伤甚至消亡;化学絮凝和物理处理可以大大提高后续富集分离的效率. 由于微藻培养液浓度低、粒度小,传统的沉降、过滤、离心等方法用于微藻的采收都存在效率低、成本高的限制,而气浮法适用于低浓度悬浮体系的富集分离,是微藻采收可行的技术途径之一.     

微藻产生物柴油研究进展

微藻是地球上生长最快的植物,利用含油微藻作为生物柴油的原料来源是生物燃料产业最具竞争力的选择之一。本文首先介绍了含油微藻制备生物柴油的工艺过程,然后对产油微藻的筛选、微藻培养系统、微藻的收集分离、藻油的提取、微藻油脂制生物柴油过程分别进行了阐述,其中就用于微藻规模化培养的循环渠开放系统和各种光生物反应器的封闭系统进行了较为详细的讨论,指出了各种系统的优缺点和最新研究进展。最后,就微藻产生物柴油产业的发展趋势和研发方向提出了建议。     

Development of New Antiproliferative Compound against Human Tumor Cells from the Marine Microalgae Nannochloropsis gaditana by Applied Proteomics

Proteomics is a crucial tool for unravelling the molecular dynamics of essential biological processes, becoming a pivotal technique for basic and applied research. Diverse bioinformatic tools are required to manage and explore the huge amount of information obtained from a single proteomics experiment. Thus, functional annotation and protein–protein interactions are evaluated in depth leading to the biological conclusions that best fit the proteomic response in the system under study. To gain insight into potential applications of the identified proteins, a novel approach named “Applied Proteomics” has been developed by comparing the obtained protein information with the existing patents database. The development of massive sequencing technology and mass spectrometry (MS/MS) improvements has allowed the application of proteomics nonmodel microorganisms, which have been deeply described as a novel source of metabolites. Between them, Nannochloropsis gaditana has been pointed out as an alternative source of biomolecules. Recently, our research group has reported the first complete proteome analysis of this microalga, which was analysed using the applied proteomics concept with the identification of 488 proteins with potential industrial applications. To validate our approach, we selected the UCA01 protein from the prohibitin family. The recombinant version of this protein showed antiproliferative activity against two tumor cell lines, Caco2 (colon adenocarcinoma) and HepG-2 (hepatocellular carcinoma), proving that proteome data have been transformed into relevant biotechnological information. From Nannochloropsis gaditana has been developed a new tool against cancer—the protein named UCA01. This protein has selective effects inhibiting the growth of tumor cells, but does not show any effect on control cells. This approach describes the first practical approach to transform proteome information in a potential industrial application, named “applied proteomics”. It is based on a novel bioalgorithm, which is able to identify proteins with potential industrial applications. From hundreds of proteins described in the proteome of N. gaditana, the bioalgorithm identified over 400 proteins with potential uses; one of them was selected as UCA01, “in vitro” and its potential was demonstrated against cancer. This approach has great potential, but the applications are potentially numerous and undefined.