反应器培养眼点拟微绿球藻时摆向、光程对产量的影响

耿金峰，张惠敏，石 蕾，马欣欣，陈彦平，刘敏胜

( 新奥科技发展有限公司 煤基低碳能源国家重点实验室，河北 廊坊 065001 )

反应器培养眼点拟微绿球藻时摆向、光程对产量的影响

耿金峰，张惠敏，石 蕾，马欣欣，陈彦平，刘敏胜

( 新奥科技发展有限公司 煤基低碳能源国家重点实验室，河北 廊坊 065001 )

在内蒙古达拉特旗地区(N 40°，E 110°)户外自然条件下利用板式反应器培养眼点拟微绿球藻并进行产量研究。通过对9、11、13、17 cm光程反应器对比，确定13 cm光程反应器养殖产量最高，并在存在反应器间距的情况下，得到13 cm光程反应器南北摆放时单位占地面积产量要高于反应器东西摆放时单位占地面积产量，从6月到8月分别高16.3%、8.7%和3.0%。同时本研究给出可根据养殖当地的地理位置，预测反应器的摆放方向以及反应器间距等参数设置的方法，以获得养殖产量的最大值。

眼点拟微绿球藻；板式反应器；产量

海洋微藻是海洋生态系统中最主要的初级生产者，也是海洋生物资源的重要来源。许多海洋微藻富含对人体有重要生理作用与保健功能的长链多不饱和脂肪酸，同时藻类是地球上通过光合作用合成物质量最多的生物，其合成的物质量约占全部光合作用合成生物量的1/3。藻类的用途广泛，主要用途有保健食品、水产品饲料和动物饲料[1-3]。

随着人们对微藻的深入认识，越来越多的大众认可富含多种营养成分的微藻产品，越来越多的人开始食用，微藻产品的市场需求越来越大。目前微藻的规模化生产以开放式的跑道池形式为主，其养殖工艺产量较低，一般在5～10 g/(m2·d)。因此，越来越多的学者开始关注并研究如何提升微藻的产量。其中板式反应器由于具有良好的外分光和内分光功能，对产量提高具有明显的作用[4]，并在户外较易实现而被诸多学者所研究。例如2001年Wu等[5]，在室内人工15 000 lx光照度下，利用板式反应器养殖微绿球藻(Nannochlorissp.)，其产量可达10～14 g/(m2·d)；胡强等[6]对1 mm光程反应器养殖进行研究，其产量可达23.1 g/(m2·d)(光面积产量)；2001年Zhang等[7]在日本的北方地区，夏季利用1.5 cm板式反应器培养集胞藻(Synechocystissp.)，在试验条件下，控温，占地面积产量可达39.0 g/(m2·d)；2003年，许波等[8]利用10 cm光程玻璃板式反应器在户外自然条件下养殖淡水微藻，在控温的情况下其单位面积产量为34.7 g/(m2·d)。板式反应器养殖微藻具有高产的潜力，但大部分的研究结果都是在室内条件或室外控温的情况下完成的，所得产量虽高，但在大规模生产中控温还是较难实现。因此使用成本较低的丝网板式反应器如何在户外自然条件下，利用反应器光程及摆向形式来实现微藻高产是本研究的重点。

1 材料与方法

1.1 藻种与培养

试验所用眼点拟微绿球藻(N.oculata)，由ENN生物质能源技术中心藻种质库提供。所有试验培养基均采用f/2海水培养基[9]，盐度33±1。试验采用连续培养的方式进行。

1.2 试验方法

1.2.1 接种密度

各试验组的接种细胞为0.4～0.6 g/L，主要以各试验组单位占地面积具有相同的生物质量为原则。

1.2.2 试验用反应器规格

1.5 m×0.09 m×1 m；1.5 m×0.11 m×1 m；1.5 m×0.13 m×1 m；1.5 m×0.17 m×1 m；其中反应器宽度即反应器光程；反应器形式为丝网反应器框架，内衬塑料袋式反应器。

1.2.3 反应器放置形式

(1)反应器两种摆向形式，试验组1为反应器东西摆放(反应器受光面朝向南北方向)；试验组2为反应器南北摆放(反应器受光面朝向东西方向)；每个试验组均为3个平行；

(2)反应器之间的中心距离为0.8 m；

(3)试验组反应器的四周同样放置相同材质的反应器(光程为13 cm)，用于模拟规模化养殖情况时，其他反应器在接受光能时相互之间的影响。

1.3 生物量的测定[10]

取一定体积(V)的藻液进行抽滤，将藻细胞截留在滤膜(恒定质量，m0)上，并用等体积蒸馏水悬浮藻细胞3次，最后将滤膜于105 ℃的烘箱烘干至恒定质量，冷却后称量质量(m1)。

细胞质量浓度/g·L-1=(m1-m0)/V

1.4 试验数据理论分析依据

根据试验所在地的纬度，通过对试验期间的太阳高度角及方位角，计算1 m高的反应器东西摆放、受光面面朝南北时的南北方向影长，以及反应器南北摆放、受光面面朝东西时的东西方向影长。根据反应器影响的变化情况，推测反应器之间受太阳光照射的区域面积，进而推算出反应器接受光能情况。

太阳高度角的计算：

sinh=sinδ×sinφ+cosδ×cosφ×cosH

太阳方位角的计算：

cosA= (sinh×sinφ-sinδ)/cosh×cosφ

试验地点南北方向单位长度的影长计算：

L=ctgh×cosA

试验地点东西方向单位长度的影长计算：

L=ctgh×sinA

式中，h为太阳高度角；H为太阳时角；δ为太阳赤纬；φ为当地纬度；赤纬δ=23.45×sin(360×(284+n)/365)，其中n为第几日，也称积日数；太阳时角H= 15°×偏离正午小时数，由12:00至24:00为正。

2 结果与分析

2.1 反应器摆向不同对各试验组藻液温度的影响

2.1.1 反应器东西摆放(面朝南北)时不同光程对藻液温度影响

试验全过程中，环境温度最高为35 ℃，16:00时各反应器内温度达到当日最高值，9 cm光程反应器内液体温度达到41 ℃，11 cm光程反应器内藻液温度达到39 ℃，13 cm光程反应器内藻液温度达到38 ℃，而17 cm光程反应器也达到了37 ℃(图1)。短光程反应器内藻液温度高是由于其体积量小，水的热容量小，导致短光程内液体温度高。

并通过对试验温度数据的分析，对不同光程内藻液温度数据进行直线回归拟合，得到反应器东西摆放面朝南北时，不同光程反应器内藻液温度与环境温度关系式见图2。9 cm光程为y=1.4637x-13.1310；11 cm光程为y=1.2992x-9.4430；13 cm光程为y=1.1065x-4.4965；17 cm光程为y=1.0382x-2.5424；经推测当环境温度为35 ℃时，9 cm和11 cm光程反应器内藻液温度超过35 ℃，而13 cm和17 cm光程反应器内藻液温度预计为34 ℃，虽然公式得到的不同光程反应器内的藻液温度与实际测定藻液温度存在略微的误差，但该公式可作为当地气候条件下利用反应器养殖藻液过程藻液温度的预测，尤其是对最高温度的预测，有利于根据当地环境选择适宜的藻种及反应器光程，使微藻养殖产量达到最大值。

图1 反应器东西摆放时各组藻液温度变化情况

图2 反应器东西摆放时藻液温度与环境温度关系

2.1.2 反应器南北摆放(面朝东西)时不同光程对藻液温度影响

试验全过程中，当环境温度最高为35 ℃，17:00时各反应器内温度达到当日最高值，其中9 cm光程反应器内液体温度达到41 ℃，11 cm光程反应器内藻液温度达到39 ℃，13 cm光程反应器内藻液温度达到38 ℃，而17 cm光程反应器也达到了37 ℃(图3)。

通过对本次试验内最高温度时段数据分析，对不同光程试验数据进行直线回归拟合，不同光程反应器内藻液温度与环境温度关系式见图4。9 cm光程为y=1.5193x-12.3880；11 cm光程为y=1.5272x-13.8050；13 cm光程为y=1.3916x-10.7670；17 cm光程为y=1.2090x-5.3820；经推测当环境温度为35 ℃时，9、11、13、17 cm光程反应器内藻液温度将超过35 ℃，甚至9 cm光程反应器内藻液温度将达到或超过40 ℃。推测数据与试验实际测量数据基本一致，该公式可作为反应器养殖藻液过程藻液温度的预测，尤其是对最高温度的预测，有利于根据当地环境选择适宜的藻种及反应器光程。

图3 反应器南北摆放时各组藻液温度变化情况

图4 反应器南北摆放时藻液温度与环境温度关系

2.1.3 反应器不同摆向方向对藻液温度影响对比

试验过程中，环境温度最高达到35 ℃，最高温度出现在16:00—18:00。在高光照、高温条件下，反应器不论是南北摆放(面朝东西)还是东西摆放(面朝南北)，藻液最高温度均能达到较高水平，而其摆放方向对藻液达到最高温度几乎无影响(表1)，9 cm光程内藻液温度均能达到40 ℃的高温，其他光程同样也是，但东西摆放时藻液温度达到最高值以及维持的时间要比南北摆放时所维持的时间短，本试验中17 cm光程反应器内藻液温度最低，不论摆放方向如何，藻液温度最高达到37 ℃。

表1 不同季节不同光程反应器内藻液最高温度情况 ℃

2.2 反应器不同摆向对眼点拟微绿球藻生长的影响

2.2.1 反应器东西摆放时不同光程对眼点拟微绿球藻生长的影响

在培养周期内，随着反应器光程的增加，其反应器内的藻细胞生长速度逐渐降低；由于反应器光程改变，藻液体积同时改变，最终单位占地面积产量由9 cm光程至17 cm光程逐渐升高；在6月份自然条件下，试验中4种反应器光程养殖微藻的产能随着反应器光程的增加产能也逐渐提高，9 cm光程反应器产量为13.0 g/(m2·d)；11 cm光程反应器的产量为14.7 g/(m2·d)；13 cm光程反应器的产量为15.8 /(m2·d)；17 cm光程反应器的产量为15.8 g/(m2·d)(图5)。

图5 反应器东西9摆放时不同光程对产量的影响

2.2.2 反应器南北摆放时不同光程对眼点拟微绿球藻生长的影响

在培养周期内，同样随着反应器光程的增加，其反应器内的藻细胞生长速度逐渐降低；由于反应器光程改变，藻液体积同时改变，最终单位面积产量随着光程的增加而逐渐升高，但当反应器达到13 cm光程时，反应器产量达到最大值。在6月份自然条件下，9 cm光程反应器的产量为13.8 g/(m2·d)；11 cm光程反应器的产量为15.9 g/(m2·d)；13 cm光程反应器的产量为18.3 g/(m2·d)；17 cm光程反应器的产量为16.7 g/(m2·d)(图6)。

图6 反应器南北摆放时不同光程对产量的影响

2.2.3 反应器摆向对眼点拟微绿球藻产量的影响

本研究在当地6月到8月进行，期间的月平均接收光能情况见图7。南北摆放时，反应器的东西受光面日均接收的光能比东西摆放时反应器南北受光面日均接收的光能高15%～40%，导致反应器南北摆放时藻细胞生长快于反应器东西摆放时，6月到8月分别高16.3%、8.7%和3.0%(图8)(以13 cm光程反应器为例，其产量最高)。

在6月份光照条件下，反应器南北摆放时日均产量为18.3 g/(m2·d)；反应器东西摆放时日均产量为15.8 g/(m2·d)。7月份光照条件下，反应器南北摆放时日均产量为18.7 g/(m2·d)；反应器东西摆放时日均产量为17.2 g/(m2·d)。8月份光照条件下，反应器南北摆放时日均产量为18.3 g/(m2·d)；反应器东西摆放时日均产量为17.8 g/(m2·d)。

图7 反应器摆放方向不同接收光能情况

图8 反应器摆放方向不同对产量的影响

3 讨 论

3.1 理论分析与试验数据比对

反应器摆放时有间距，每日间距之间漏掉的光能量总量是可以通过理论分析计算出来的，这可间接推测出反应器接收的光能情况。因此反应器不论是南北摆放还是东西摆放，其接受能量可以通过理论计算估算出，可为不同月份反应器的放置方式提供参照指导。

通过对反应器单位占地面积下接受能量总量的推测分析(按反应器13 cm光程推算)，反应器东西摆放时，由于反应器的受光面为面向南北，其反应器之间的南北方向的影长对反应器受光面的遮挡为考虑的对象，根据反应器南北方向的影长变化情况，推测反应器之间的漏光情况，间接的可表示出反应器接收能量情况(图9)。北半球的6月22日为夏至，此时太阳高度角最大，南北方向的影长最小，因此当反应器间距定值时，6月季节反应器间距之间漏掉的光能最大，6月之前或之后月份，随着南北方向的影长逐渐变长，反应器间距之间漏掉的光能逐渐减少，反应器接收光能比例逐渐增加。6月反应器接收能量总量比例最低，约为51%；7月反应器接收能量总量比例约为61%；8月反应器接收能量总量比例约为94%。

图9 反应器东西摆放时接收能量理论计算

图10 反应器南北摆放时接收能量理论计算

反应器南北摆放时，由于反应器的受光面为面向东西，其反应器之间的东西方向影长对反应器受光面的遮挡为考虑的对象。根据反应器东西方向的影长变化情况，推测反应器之间的漏光情况，间接的可表示出反应器接收能量情况(图10)。在北半球，6月至9月期间，太阳高度角会根据太阳直射纬度的变化发生改变，但对东西方向的影长影响很小，因此对反应器接收能量的比例影响很小。6月反应器接收能量总量比例约为71%；7月反应器接收能量总量比例约为73%；8月反应器接收能量总量比例约为75%。

这种理论分析规律及比例数值与试验过程中实际测定数据基本一致。可根据每天的地面接收能量情况推测单位占地面积下反应器接收能量情况，为反应器不同的摆放形式下的能量推测具有极高的使用价值，可快速核算反应器能量接收情况，并根据藻的光转化效率情况，可快速预测某种藻在某地的某月份产量。为户外养殖微藻提高产量提供理论指导。

3.2 提高眼点拟微绿球藻产量讨论

通过反应器养殖微藻可以获得较高的产量，其中反应器养殖过程能量接收总量是关键因素之一，但作为微藻生长必须的生长环境因素之一的温度也是必须重点考虑的。由于反应器光程增加，养殖总体积量增大，水体的热容量增大，对藻液的温度提升会起到一定的限制作用，因此在室外养殖过程，反应器在考虑摆放形式以提高接收光能总量的同时还要考虑反应器的光程。当反应器光程选择过小，反应器内部藻液温度会出现高温情况；当反应器光程选择过大，藻细胞在反应器内的明暗循环强度将降低，降低了细胞的光利用效率，对产量起到负影响。

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EffectsofReactorOrientationandDifferentLightPathonBiomassProductivityofMicroalgaNannochloropsisoculatainOutdoorMassculture

GENG Jinfeng, ZHANG Huimin, SHI Lei, MA Xinxin, CHEN Yanping, LIU Minsheng

( State Key Laboratory of Coal-based Low Carbon Energy, ENN Science & Development Co., Ltd.,Langfang 065001, China )

Outdoor culture of microalgaNannochloropsisoculatawas studied(Dalad Banner, Nei Mongol Automous Region, 40° N,110° E) by a vertical flat-plate photobioreactor. Comparison of the productivity of the photobioreactors with difference light path (9,10,13 cm and 17 cm), the maximal productivity of the reactor was observed under light-path length of 13 cm. The effect of direction of the bioreactor installation on the areal productivity was studied in the photobioreactor with light-path length of 13 cm during the summer. The period average productivity of the reactor surface facing to the east or west was 3%—14% higher than that facing the south or north. A simulation calculation method was also established to optimize the installation factors (the facing direction and distance between the reactors) according to the region condition, aiming to obtain high productivity.

Nannochloropsisoculata; flat panel reactor; production

10.16378/j.cnki.1003-1111.2016.05.014

S963.213

A

1003-1111(2016)05-0541-06

2015-12-02；

2016-03-24.

国家“973”计划重点项目(2012CB723606).

耿金峰(1982—)，男，工程师，硕士；研究方向：微藻生长机理与规模化养殖工艺.E-mail：gengjinfeng@enn.cn.通讯作者：刘敏胜(1978—)，男，副研究员，博士；研究方向：微藻生物能源技术. E-mail: liuminsheng@enn.cn.