吳小芳,張志斌,余佳清,曾慶桂,汪 涯,顏日明,朱 篤,
(1.江西師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 江西省亞熱帶植物利用與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西 南昌330022;2.江西科技師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 江西 南昌330013)
微藻作為光自養(yǎng)生長(zhǎng)微生物,以光能作為能源,CO2為碳源進(jìn)行細(xì)胞生長(zhǎng)和產(chǎn)物生成,在食品、保健品、水產(chǎn)養(yǎng)殖以及色素、多不飽和脂肪酸和精細(xì)化工品等方面有著廣泛的應(yīng)用[1-2],同時(shí)在生物柴油制備[3]、氫能的生產(chǎn)[4]、污水處理和廢氣中CO2的吸收[5-7]也有著良好的應(yīng)用前景。雖然光能對(duì)于微藻細(xì)胞生長(zhǎng)的重要性得到廣泛關(guān)注,但在光生物反應(yīng)器工程領(lǐng)域中光能的傳遞和利用特性仍然被忽視。在光生物反應(yīng)器中光能要么被吸收進(jìn)行光合作用,要么以熱能的形式耗散,而不能以任何形式儲(chǔ)存[8-9];在實(shí)際培養(yǎng)中,光生物反應(yīng)器中暗區(qū)、光限制區(qū)、光飽和區(qū)和光抑制區(qū)又同時(shí)存在,當(dāng)光強(qiáng)較低時(shí),細(xì)胞生長(zhǎng)受到限制;而光強(qiáng)較高時(shí),光抑制又限制細(xì)胞的生長(zhǎng)[10-11]。因此要獲得最大細(xì)胞得率就必須使整個(gè)光生物反應(yīng)器處于飽和光強(qiáng)范圍內(nèi),這在實(shí)際培養(yǎng)中是很難實(shí)現(xiàn)的。因此研究光生物反應(yīng)器中光強(qiáng)的分布規(guī)律是探索提高微藻培養(yǎng)過程中光能的傳遞和利用效率的重要途徑之一。
由于細(xì)胞的相互遮擋和細(xì)胞所含色素對(duì)光能的吸收,光在藻液中會(huì)發(fā)生衰減并導(dǎo)致整個(gè)光生物反應(yīng)器中光的分布不均,從而影響微藻的光能生長(zhǎng)密度。因此建立光生物反應(yīng)器中的光分布模型來描述光能的傳遞是實(shí)現(xiàn)細(xì)胞高密度培養(yǎng)的先決條件。Rabe 和Benoit 利用光學(xué)中的輻射理論,首次引入點(diǎn)光強(qiáng)和平均光強(qiáng)的概念來描述光生物反應(yīng)器中的光分布[12],之后有很多學(xué)者根據(jù)不同光生物反應(yīng)器類型提出許多光分布模型。Cornet 等[13-15]考慮細(xì)胞對(duì)光的吸收和散射,以人造光能為外置光源研究了矩形、圓柱形及球形光生物反應(yīng)器中光能分布模型。Acién Fernádez 等[16]和Evers[17]以太陽(yáng)光為光源提出計(jì)算戶外管式光生物反應(yīng)器中光傳遞特性模型。這些模型都能較好的描述微藻培養(yǎng)過程中光生物反應(yīng)器中光能的傳遞動(dòng)態(tài)變化,但迄今為止,尚未見有關(guān)光生物反應(yīng)器中光能傳遞模型的研究綜述。本文對(duì)微藻培養(yǎng)光生物反應(yīng)器中光強(qiáng)的衰減及分布模型進(jìn)行綜述,以期為光生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、放大和提高微藻培養(yǎng)的光能利用效率提供參考。
在光生物反應(yīng)器中,光通過藻液時(shí),由于微藻自身的相互遮擋和藻細(xì)胞色素對(duì)光的吸收效應(yīng),入射光穿過藻液時(shí)存在著不斷衰減的現(xiàn)象,隨著培養(yǎng)密度和光透距離的增加光衰減現(xiàn)象越嚴(yán)重。影響光衰減的主要因素包括細(xì)胞的濃度、培養(yǎng)液厚度、細(xì)胞的大小、細(xì)胞所含色素的多少等。在混合均一的微藻培養(yǎng)體系中[18],由細(xì)胞濃度導(dǎo)致的光衰減可以Lamber-Beer 定律來描述,但Lamber-Beer 定律基于以下假設(shè)下才成立:
(1)入射光源是單一和垂直的光源;
(2)吸收光的介質(zhì)是均勻、透明的溶液;
(3)由固體顆粒產(chǎn)生的散射與吸收相比是可以忽略的。
根據(jù)Beer 定律,微藻溶液的衰減系數(shù)與細(xì)胞濃度成正比,許多文獻(xiàn)利用不同的表達(dá)式來描述微藻細(xì)胞濃度與衰減系數(shù)的關(guān)系,研究中常用的光衰減系數(shù)模型有以下幾種:直線模型、多項(xiàng)式模型、雙曲模型、吸收和散射模型。本研究將分別對(duì)其進(jìn)行介紹。
康瑞娟等[19,20]在研究藍(lán)藻的光衰減時(shí),在考慮細(xì)胞密度和培養(yǎng)液濃度同時(shí)還考慮細(xì)胞大小對(duì)光強(qiáng)衰減的影響,研究了絲狀體的魚腥藻7120 和單細(xì)胞的聚球藻7002 培養(yǎng)體系中光強(qiáng)的衰減,在Lamber-Beer 定律的基礎(chǔ)上,用藻細(xì)胞和光衰減系數(shù)的線性關(guān)系得出了藻細(xì)胞的光衰減模型:
陳燁等[21]和張志斌等[22]在研究藻液光衰減特性時(shí),發(fā)現(xiàn)總光衰減系數(shù)與藻細(xì)胞密度之間的線性關(guān)系擬合較好,說明在一些藻液中光衰減系數(shù)可以用直線模型來描述。
描述光衰減現(xiàn)象的一個(gè)基本定律是郎伯-比爾定律,溫少紅等[23-24]在研究螺旋藻和紫球藻的光衰減特性時(shí)發(fā)現(xiàn)存在一些非線性的關(guān)系,可能是由于螺旋藻和紫球藻培養(yǎng)液是一種很不穩(wěn)定也不規(guī)則的溶液體系。它不僅有較強(qiáng)的光吸收能力,而且對(duì)光還有反射、折射和散射作用,這兩個(gè)因素使螺旋藻藻培養(yǎng)液的光衰減規(guī)律遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離Lamber -Beer 定律。針對(duì)螺旋藻和紫球藻培養(yǎng)液的特征建立了可描述兩種微藻的光衰減規(guī)律的數(shù)學(xué)模型:
該模型能較好地描述螺旋藻濃度、光穿透距離和透過光強(qiáng)之間的相互定量關(guān)系,經(jīng)檢驗(yàn)該模型的總體平均誤差為5.7%。
Acién Fernandez 等[16]在研究Phaeodactylum tricornutum UTEX 640 細(xì)胞培養(yǎng)過程中,利用Lamber -Beer 定律描述藻液中的光衰減現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)在細(xì)胞濃度較低情況下藻細(xì)胞的衰減系數(shù)和細(xì)胞濃度符合線性關(guān)系,當(dāng)細(xì)胞濃度超過1.3 g/L 時(shí),細(xì)胞的光衰減相悖于線性關(guān)系,根據(jù)衰減趨勢(shì),提出雙曲模型來描述細(xì)胞的光衰減現(xiàn)象。在低濃度下衰減系數(shù)與細(xì)胞濃度呈線性關(guān)系;在高濃度下衰減系數(shù)存在朝最大值慢慢趨近的趨勢(shì)。此模型表達(dá)式為:
其中A(X)為光衰減系數(shù),A(X)max最大光衰減系數(shù),B 為常數(shù),X 為細(xì)胞濃度。
雖然該模型沒有實(shí)際的生物學(xué)意義,但卻能很好的描述微藻細(xì)胞光衰減系數(shù)隨濃度的變化趨勢(shì),可以當(dāng)作經(jīng)驗(yàn)式來描述微藻細(xì)胞中的光衰減。Lee and Suh[25]和Yun 等[26]利用雙曲模型描述了藻細(xì)胞的光衰減,證明此模型在很大細(xì)胞濃度范圍內(nèi)能很好的描述光衰減系數(shù)的變化。朱篤等[27]在研究聚球藻7942 的光衰減現(xiàn)象時(shí)也證明雙曲模型能很好地描述細(xì)胞濃度和光衰減系數(shù)的關(guān)系。
光在均勻的介質(zhì)中傳遞,光的衰減主要由吸收引起的。當(dāng)光束通過光學(xué)性質(zhì)不均勻的物質(zhì)時(shí),散射會(huì)使光在傳播方向上造成衰減。引起光衰減的主要因素包括光的吸收和散射。微藻細(xì)胞培養(yǎng)體系中細(xì)胞濃度偏高時(shí)是一種不均勻的介質(zhì),在光傳遞過程中的光衰減是由細(xì)胞對(duì)光的吸收和散射造成的。當(dāng)藻液中細(xì)胞濃度高時(shí),由細(xì)胞顆粒導(dǎo)致的光散射對(duì)光的衰減占主要部分[28]。在Lamber -Beer 模型中,用僅考慮光吸收的光衰減系數(shù)來描述培養(yǎng)體系中光衰減存在很大的偏差,因此,Cornet 等[14,15]在Schuster 一維光傳播模型的基礎(chǔ)上推導(dǎo)了一個(gè)包括光吸收和光散射參數(shù)的藻液光衰減模型。其表達(dá)式如下:
此模型基于以下假設(shè):(1)光的傳播方向在培養(yǎng)液中不發(fā)生變化;(2)光的吸收和散射用Ea 和Es兩個(gè)系數(shù)表示。
Cornet 等[29]在不同的生物反應(yīng)器中用該模型描述了螺旋藻的光衰減特性,得到散射系數(shù)和吸收系數(shù)的值分別為200 m2/kg 和150 m2/kg;Pottier 等[30]在圓環(huán)面光生物反應(yīng)器中利用上述模型研究Chlamydomonas reinhardtii 的光衰減特性,得到散射系數(shù)和吸收系數(shù)的值分別為172 m2/kg 和868 m2/kg,二位學(xué)者的研究結(jié)果證明散射系數(shù)與吸收系數(shù)相比不能被忽略。
光能在細(xì)胞生長(zhǎng)中扮演重要的角色,光在光生物反應(yīng)器中分布跟其幾何形狀密切相關(guān),不同形狀的光生物反應(yīng)器中光的分布是各不相同的。在培養(yǎng)體系中計(jì)算光能的先決條件是利用模型分析光能的傳遞。以前數(shù)學(xué)模型主要集中在以太陽(yáng)能為光能的系統(tǒng),大多數(shù)應(yīng)用于開放池系統(tǒng)[31-32],平板式光生物反應(yīng)器和管狀光生物反應(yīng)器[33-34],以人造光源為光能的外置輻射光的光生物反應(yīng)器光分布模型也已建立。為了減少外置光生物反應(yīng)器光能的損失,幾種內(nèi)置光源的光生物反應(yīng)器已經(jīng)構(gòu)建,同時(shí)計(jì)算內(nèi)部光能分布的精確數(shù)學(xué)模型也已構(gòu)建。本文主要介紹平板式、管式和圓柱形光生物反應(yīng)器中光分布模型。
圖1 單向平行光通過平板式光生物反應(yīng)器Fig.1 Schematic drawing of unidirectional collimated light flux in a flat photobioreactor
平板式光生物反應(yīng)器具有大的光照表面積,短的光徑等優(yōu)點(diǎn)在微藻培養(yǎng)中受到廣泛關(guān)注。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,計(jì)算光在其中的分布也相對(duì)簡(jiǎn)單。Molina Grima 等[33]利用微元法把光生物反應(yīng)器分成無(wú)數(shù)小單元,在忽略反應(yīng)器表面光的反射和散射的情況下(圖1),利用Lamber-Beer 定律描述光生物反應(yīng)器內(nèi)任意點(diǎn)的光強(qiáng):
同時(shí)利用Alfano 等[34]提出的計(jì)算平均光強(qiáng)的公式推算出平板式光生物反應(yīng)器中的平均光強(qiáng),其表達(dá)式如下:
許波和王長(zhǎng)海[35]首次在國(guó)內(nèi)應(yīng)用平板式光生物反應(yīng)器對(duì)一種高度合成高不飽和脂肪酸—花生四烯酸的淡水微藻Parietochloris incise 進(jìn)行了高密度培養(yǎng)研究,其單位體積和面積的細(xì)胞生物量產(chǎn)率分別提高到了0.73 g/(L·d)和70. 1 g/(m2·d)。Hoekema 等[36]利用平板式光生物反應(yīng)器培養(yǎng)Rhodobacter capsulatus 產(chǎn)氫能,發(fā)現(xiàn)在高光強(qiáng)下光能轉(zhuǎn)化成氫能的效率高達(dá)3.7%;Chae[37]等人設(shè)計(jì)了一種具有光暗周期循環(huán)的L -型光生物反應(yīng)器,在該反應(yīng)器中以太陽(yáng)光為光源,石油的燃燒氣體為碳源對(duì)微藻E.gracilis 的培養(yǎng)達(dá)到了中試規(guī)模,收獲的生物量含有粗蛋白高達(dá)47%,在生產(chǎn)動(dòng)物高蛋白飼料方面很有發(fā)展?jié)摿?。這些學(xué)者培養(yǎng)結(jié)果表明平板式光生物反應(yīng)器具有光能利用率高和生物產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)微藻高密度高產(chǎn)培養(yǎng)。
圖2 管式光生物反應(yīng)器中光路上任意點(diǎn)距離(ri)和角度(φ)的變量關(guān)系示意圖;下圖為其橫截面Fig.2 Relationships among the various angles and distances associated with the path of direct radiation to any internal point ri,φ)inside the culture in a vertical tube;A plan view of the cross-section of the tube is shown in the lower part of the figure
在微藻培養(yǎng)中,以太陽(yáng)光作為光能戶外培養(yǎng)微藻是目前工業(yè)化生產(chǎn)微藻產(chǎn)品的主要形式,由于光強(qiáng)隨著時(shí)間和季節(jié)的變化而導(dǎo)致用來描述反應(yīng)器中的光強(qiáng)的模型非常復(fù)雜?;贒uffie 和Beckman[38]的太陽(yáng)能利用理論,García Camacho 等[39]在戶外管式光生物反應(yīng)器中培養(yǎng)Phaeodactylum tricornutum UTEX 640 時(shí),考慮太陽(yáng)光線射入光生物反應(yīng)器中的直射和散射現(xiàn)象,入射光線進(jìn)入光生物反應(yīng)器后的光學(xué)幾何路徑如圖2 所示。
由于入射光進(jìn)入光生物反應(yīng)器后發(fā)生折射和散射,光傳遞中的光的分布包括折射和散射,光生物反應(yīng)器中任意點(diǎn)光強(qiáng)為IBt和IDt的矢量和;引用Rabe 和Benoit 等[12]計(jì)算平均光強(qiáng)的公式,該生物反應(yīng)器中平均光強(qiáng)的計(jì)算式如式(9):
2.3.1 外置光源圓柱形光生物反應(yīng)器光分布模型 人造光源具有根據(jù)培養(yǎng)要求改變光強(qiáng)的大小、不受自然條件的干擾等優(yōu)點(diǎn),在培養(yǎng)高附加值的微藻產(chǎn)品和對(duì)光敏感的藻類具有廣泛的應(yīng)用前景,相關(guān)學(xué)者對(duì)外置人造光源光生物反應(yīng)器中光能的分布進(jìn)行了研究,現(xiàn)就目前應(yīng)用廣泛的光分布模型進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。
(1)光分布的二維模型。Evers[17]提出了在反應(yīng)器中由于細(xì)胞的相互遮擋導(dǎo)致光分布不均的模型,在不考慮光的散射和折射的前提下,該模型能很好地闡明不同光照下培養(yǎng)體系中光分布的真實(shí)狀況。
如圖3 所示,光生物反應(yīng)器中任意點(diǎn)的光強(qiáng)來源于所有直射方向光能的總和,光生物反應(yīng)器中任意點(diǎn)處光強(qiáng)表達(dá)式(10):
光生物反應(yīng)器中平均光強(qiáng)表達(dá)式(11):
Molina Grima 等[40]利用式(12)計(jì)算生物反應(yīng)器中的光強(qiáng),并利用測(cè)光儀器驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)?zāi)P偷臏?zhǔn)確度,發(fā)現(xiàn)該模型能比較準(zhǔn)確描述不同濃度下光生物反應(yīng)器中光強(qiáng)的變化。隨著細(xì)胞濃度的增加,光生物反應(yīng)器中離反應(yīng)器表面的距離越遠(yuǎn),光強(qiáng)越弱。
(2)光分布的三維模型。Molina Grima 等[41]考慮到光傳遞的空間性,在研究光強(qiáng)對(duì)微藻細(xì)胞生長(zhǎng)的影響時(shí)提出光生物反應(yīng)器中任意點(diǎn)和平均光強(qiáng)的三維模型,其幾何結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖4 所示。
圖3 圓柱形光生物反應(yīng)器半截面Fig.3 Schematic representation of one-h(huán)alf of a cross section through a cylindrical vessel
圖4 圓柱形反應(yīng)器中三維分散模型示意圖(a)和光散射及光路中的幾何關(guān)系計(jì)量圖(b)。Fig.4 Scheme of the three-dimensional diffuse model in cylindrical reactor(a)and geometrical relationships involved in the calculation of light diffusion and optical path(b).
根據(jù)Alfano 等[34]的經(jīng)驗(yàn)式,光生物反應(yīng)器中任意點(diǎn)光強(qiáng)表達(dá)式(12):
光生物反應(yīng)器中的平均光強(qiáng)表達(dá)式為(13):
Molina Grima 利用(13)描述不同高度下光生物反應(yīng)器中的平均光強(qiáng),發(fā)現(xiàn)此模型相對(duì)于Evers 的二維模型能更精確描述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型計(jì)算值的關(guān)系。Yokota 等[42]研究表明只考慮光的吸收會(huì)過高評(píng)估光的衰減,此模型的衰減系數(shù)同時(shí)考慮到了光的吸收和散射作用,因而具有更高的精確度。
圖5 內(nèi)置單根發(fā)光體光生物反應(yīng)器水平截面Fig.5 Schematic representations of a horizontal section of a photo-bioreactor with a single radiator
圖6 光生物反應(yīng)器中單根發(fā)光體水平截面結(jié)構(gòu)Fig.6 Schematic representations of a horizontal section of a photobioreactor with a single radiator
2.3.2 內(nèi)置光源圓柱形光生物反應(yīng)器光分布模型 利用外置光源作為光能,光能由于四處輻射而存在以熱能的形式耗散的現(xiàn)象。為了減少外置光生物反應(yīng)器光能的損失,利用光導(dǎo)纖維,熒光燈,光發(fā)射板或發(fā)光二極管作為內(nèi)置光源的光生物反應(yīng)器已經(jīng)構(gòu)建[43-46]。然而沒有精確的模型解釋內(nèi)置光源光生物反應(yīng)器光分布的報(bào)道。Suh 和Lee[26]在圓柱形生物反應(yīng)器中以熒光燈管為內(nèi)置光源研究了不同燈管數(shù)下光分布情況,得出任意點(diǎn)和平均光強(qiáng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式,其幾何關(guān)系圖如圖5 和圖6,光生物反應(yīng)器中任意點(diǎn)光強(qiáng)表達(dá)式(14):
光生物反應(yīng)器中平均光強(qiáng)表達(dá)式(15):
在圓柱形光生物反應(yīng)器中培養(yǎng)Synechococcus sp.PCC 6801 時(shí),利用式(14)和(15)驗(yàn)證不同的培養(yǎng)密度下光強(qiáng)的變化,發(fā)現(xiàn)該模型的計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值能很好的吻合。該模型也能很好的應(yīng)用于描述不同幾何形狀光生物反應(yīng)器中光分布狀況。
光衰減導(dǎo)致的光強(qiáng)分布不均勻在光生物反應(yīng)器中普遍存在,因此光衰減模型和光強(qiáng)分布模型對(duì)于研究微藻在不同類型反應(yīng)器中的光能傳遞和利用規(guī)律提供了很好的理論依據(jù)。利用這些模型,我們不但能及時(shí)了解微藻培養(yǎng)過程中光強(qiáng)的動(dòng)態(tài)變化,而且可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)一步優(yōu)化微藻培養(yǎng)工藝,盡可能提高微藻的培養(yǎng)密度和光能利用效率。但在實(shí)際培養(yǎng)過程中,由于光生物反應(yīng)器中光強(qiáng)的不均勻分布導(dǎo)致微藻密度低的問題依然非常突出。因此要提高微藻的培養(yǎng)密度和光能利用效率,除了進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)微藻培養(yǎng)過程中光強(qiáng)分布理論模型的研究外,還可以從以下幾方面入手:
(1)微藻光合作用效率機(jī)理模型的構(gòu)建。利用工程水平、細(xì)胞水平相結(jié)合手段來提高微生物反應(yīng)器中的能量利用效率是當(dāng)前多尺度研究的熱點(diǎn),微藻大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化工藝離不開多尺度角度的開發(fā)。微藻培養(yǎng)中光生物反應(yīng)器中光分布模型僅從光的入射、折射和散射等方面來描述光的傳遞,這些模型僅從工程學(xué)角度闡述光生物反應(yīng)器中光能的分布,而光能的實(shí)際利用效率是光傳遞到藻細(xì)胞后被吸收和利用所消耗的能量,因此僅采用這些模型來計(jì)算微藻利用光能的實(shí)際效率肯定存在一些誤差。本實(shí)驗(yàn)室在傳統(tǒng)光傳遞理論的基礎(chǔ)上,結(jié)合葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)研究聚球藻7942 的光合作用機(jī)理,建立了一個(gè)新的光能利用模型[47-48]。該模型不僅從細(xì)胞生長(zhǎng)的宏觀角度,而且還從光合作用機(jī)制和代謝的微觀角度探討聚球藻7942 的光合利用效率,該模型的建立為新型高效光生物反應(yīng)器的開發(fā)及實(shí)現(xiàn)微藻大規(guī)模培養(yǎng)奠定理論基礎(chǔ),同時(shí)也為從多尺度構(gòu)建理論模型提供有益的借鑒。
(2)設(shè)計(jì)和開發(fā)新型的光生物反應(yīng)器。根據(jù)光衰減規(guī)律和光強(qiáng)分布模型,可以設(shè)計(jì)開發(fā)新型高效的光生物反應(yīng)器,一方面可以增加光強(qiáng)分布的均勻性,另一方面改變反應(yīng)器中的流場(chǎng)特性,增加微藻的平均受光時(shí)間,從而達(dá)到均勻受光的目的[49-51]。
利用光能進(jìn)行光合作用是大多微藻生長(zhǎng)的重要特征,因此提高光能的傳遞和利用效率是微藻培養(yǎng)的重要研究課題之一。作為基礎(chǔ)研究的光衰減和光能分布模型,為實(shí)現(xiàn)微藻培養(yǎng)的高效和規(guī)模化奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,加上各種新材料、新型高效光源的出現(xiàn)與使用,必將使微藻在光生物反應(yīng)器中的培養(yǎng)工藝更加先進(jìn)和高效。
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