耿金峰，張惠敏，石 蕾，馬欣欣，陳彥平，劉敏勝

( 新奧科技發(fā)展有限公司 煤基低碳能源國家重點實驗室，河北 廊坊 065001 )

反應器培養(yǎng)眼點擬微綠球藻時擺向、光程對產量的影響

耿金峰，張惠敏，石 蕾，馬欣欣，陳彥平，劉敏勝

( 新奧科技發(fā)展有限公司 煤基低碳能源國家重點實驗室，河北 廊坊 065001 )

在內蒙古達拉特旗地區(qū)(N 40°，E 110°)戶外自然條件下利用板式反應器培養(yǎng)眼點擬微綠球藻并進行產量研究。通過對9、11、13、17 cm光程反應器對比，確定13 cm光程反應器養(yǎng)殖產量最高，并在存在反應器間距的情況下，得到13 cm光程反應器南北擺放時單位占地面積產量要高于反應器東西擺放時單位占地面積產量，從6月到8月分別高16.3%、8.7%和3.0%。同時本研究給出可根據養(yǎng)殖當地的地理位置，預測反應器的擺放方向以及反應器間距等參數設置的方法，以獲得養(yǎng)殖產量的最大值。

眼點擬微綠球藻；板式反應器；產量

海洋微藻是海洋生態(tài)系統(tǒng)中最主要的初級生產者，也是海洋生物資源的重要來源。許多海洋微藻富含對人體有重要生理作用與保健功能的長鏈多不飽和脂肪酸，同時藻類是地球上通過光合作用合成物質量最多的生物，其合成的物質量約占全部光合作用合成生物量的1/3。藻類的用途廣泛，主要用途有保健食品、水產品飼料和動物飼料[1-3]。

隨著人們對微藻的深入認識，越來越多的大眾認可富含多種營養(yǎng)成分的微藻產品，越來越多的人開始食用，微藻產品的市場需求越來越大。目前微藻的規(guī)?；a以開放式的跑道池形式為主，其養(yǎng)殖工藝產量較低，一般在5～10 g/(m2·d)。因此，越來越多的學者開始關注并研究如何提升微藻的產量。其中板式反應器由于具有良好的外分光和內分光功能，對產量提高具有明顯的作用[4]，并在戶外較易實現(xiàn)而被諸多學者所研究。例如2001年Wu等[5]，在室內人工15 000 lx光照度下，利用板式反應器養(yǎng)殖微綠球藻(Nannochlorissp.)，其產量可達10～14 g/(m2·d)；胡強等[6]對1 mm光程反應器養(yǎng)殖進行研究，其產量可達23.1 g/(m2·d)(光面積產量)；2001年Zhang等[7]在日本的北方地區(qū)，夏季利用1.5 cm板式反應器培養(yǎng)集胞藻(Synechocystissp.)，在試驗條件下，控溫，占地面積產量可達39.0 g/(m2·d)；2003年，許波等[8]利用10 cm光程玻璃板式反應器在戶外自然條件下養(yǎng)殖淡水微藻，在控溫的情況下其單位面積產量為34.7 g/(m2·d)。板式反應器養(yǎng)殖微藻具有高產的潛力，但大部分的研究結果都是在室內條件或室外控溫的情況下完成的，所得產量雖高，但在大規(guī)模生產中控溫還是較難實現(xiàn)。因此使用成本較低的絲網板式反應器如何在戶外自然條件下，利用反應器光程及擺向形式來實現(xiàn)微藻高產是本研究的重點。

1 材料與方法

1.1 藻種與培養(yǎng)

試驗所用眼點擬微綠球藻(N.oculata)，由ENN生物質能源技術中心藻種質庫提供。所有試驗培養(yǎng)基均采用f/2海水培養(yǎng)基[9]，鹽度33±1。試驗采用連續(xù)培養(yǎng)的方式進行。

1.2 試驗方法

1.2.1 接種密度

各試驗組的接種細胞為0.4～0.6 g/L，主要以各試驗組單位占地面積具有相同的生物質量為原則。

1.2.2 試驗用反應器規(guī)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；其中反應器寬度即反應器光程；反應器形式為絲網反應器框架，內襯塑料袋式反應器。

1.2.3 反應器放置形式

(1)反應器兩種擺向形式，試驗組1為反應器東西擺放(反應器受光面朝向南北方向)；試驗組2為反應器南北擺放(反應器受光面朝向東西方向)；每個試驗組均為3個平行；

(2)反應器之間的中心距離為0.8 m；

(3)試驗組反應器的四周同樣放置相同材質的反應器(光程為13 cm)，用于模擬規(guī)模化養(yǎng)殖情況時，其他反應器在接受光能時相互之間的影響。

1.3 生物量的測定[10]

取一定體積(V)的藻液進行抽濾，將藻細胞截留在濾膜(恒定質量，m0)上，并用等體積蒸餾水懸浮藻細胞3次，最后將濾膜于105 ℃的烘箱烘干至恒定質量，冷卻后稱量質量(m1)。

細胞質量濃度/g·L-1=(m1-m0)/V

1.4 試驗數據理論分析依據

根據試驗所在地的緯度，通過對試驗期間的太陽高度角及方位角，計算1 m高的反應器東西擺放、受光面面朝南北時的南北方向影長，以及反應器南北擺放、受光面面朝東西時的東西方向影長。根據反應器影響的變化情況，推測反應器之間受太陽光照射的區(qū)域面積，進而推算出反應器接受光能情況。

太陽高度角的計算：

sinh=sinδ×sinφ+cosδ×cosφ×cosH

太陽方位角的計算：

cosA= (sinh×sinφ-sinδ)/cosh×cosφ

試驗地點南北方向單位長度的影長計算：

L=ctgh×cosA

試驗地點東西方向單位長度的影長計算：

L=ctgh×sinA

式中，h為太陽高度角；H為太陽時角；δ為太陽赤緯；φ為當地緯度；赤緯δ=23.45×sin(360×(284+n)/365)，其中n為第幾日，也稱積日數；太陽時角H= 15°×偏離正午小時數，由12:00至24:00為正。

2 結果與分析

2.1 反應器擺向不同對各試驗組藻液溫度的影響

2.1.1 反應器東西擺放(面朝南北)時不同光程對藻液溫度影響

試驗全過程中，環(huán)境溫度最高為35 ℃，16:00時各反應器內溫度達到當日最高值，9 cm光程反應器內液體溫度達到41 ℃，11 cm光程反應器內藻液溫度達到39 ℃，13 cm光程反應器內藻液溫度達到38 ℃，而17 cm光程反應器也達到了37 ℃(圖1)。短光程反應器內藻液溫度高是由于其體積量小，水的熱容量小，導致短光程內液體溫度高。

并通過對試驗溫度數據的分析，對不同光程內藻液溫度數據進行直線回歸擬合，得到反應器東西擺放面朝南北時，不同光程反應器內藻液溫度與環(huán)境溫度關系式見圖2。9 cm光程為y=1.4637x-13.1310；11 cm光程為y=1.2992x-9.4430；13 cm光程為y=1.1065x-4.4965；17 cm光程為y=1.0382x-2.5424；經推測當環(huán)境溫度為35 ℃時，9 cm和11 cm光程反應器內藻液溫度超過35 ℃，而13 cm和17 cm光程反應器內藻液溫度預計為34 ℃，雖然公式得到的不同光程反應器內的藻液溫度與實際測定藻液溫度存在略微的誤差，但該公式可作為當地氣候條件下利用反應器養(yǎng)殖藻液過程藻液溫度的預測，尤其是對最高溫度的預測，有利于根據當地環(huán)境選擇適宜的藻種及反應器光程，使微藻養(yǎng)殖產量達到最大值。

圖1 反應器東西擺放時各組藻液溫度變化情況

圖2 反應器東西擺放時藻液溫度與環(huán)境溫度關系

2.1.2 反應器南北擺放(面朝東西)時不同光程對藻液溫度影響

試驗全過程中，當環(huán)境溫度最高為35 ℃，17:00時各反應器內溫度達到當日最高值，其中9 cm光程反應器內液體溫度達到41 ℃，11 cm光程反應器內藻液溫度達到39 ℃，13 cm光程反應器內藻液溫度達到38 ℃，而17 cm光程反應器也達到了37 ℃(圖3)。

通過對本次試驗內最高溫度時段數據分析，對不同光程試驗數據進行直線回歸擬合，不同光程反應器內藻液溫度與環(huán)境溫度關系式見圖4。9 cm光程為y=1.5193x-12.3880；11 cm光程為y=1.5272x-13.8050；13 cm光程為y=1.3916x-10.7670；17 cm光程為y=1.2090x-5.3820；經推測當環(huán)境溫度為35 ℃時，9、11、13、17 cm光程反應器內藻液溫度將超過35 ℃，甚至9 cm光程反應器內藻液溫度將達到或超過40 ℃。推測數據與試驗實際測量數據基本一致，該公式可作為反應器養(yǎng)殖藻液過程藻液溫度的預測，尤其是對最高溫度的預測，有利于根據當地環(huán)境選擇適宜的藻種及反應器光程。

圖3 反應器南北擺放時各組藻液溫度變化情況

圖4 反應器南北擺放時藻液溫度與環(huán)境溫度關系

2.1.3 反應器不同擺向方向對藻液溫度影響對比

試驗過程中，環(huán)境溫度最高達到35 ℃，最高溫度出現(xiàn)在16:00—18:00。在高光照、高溫條件下，反應器不論是南北擺放(面朝東西)還是東西擺放(面朝南北)，藻液最高溫度均能達到較高水平，而其擺放方向對藻液達到最高溫度幾乎無影響(表1)，9 cm光程內藻液溫度均能達到40 ℃的高溫，其他光程同樣也是，但東西擺放時藻液溫度達到最高值以及維持的時間要比南北擺放時所維持的時間短，本試驗中17 cm光程反應器內藻液溫度最低，不論擺放方向如何，藻液溫度最高達到37 ℃。

表1 不同季節(jié)不同光程反應器內藻液最高溫度情況 ℃

2.2 反應器不同擺向對眼點擬微綠球藻生長的影響

2.2.1 反應器東西擺放時不同光程對眼點擬微綠球藻生長的影響

在培養(yǎng)周期內，隨著反應器光程的增加，其反應器內的藻細胞生長速度逐漸降低；由于反應器光程改變，藻液體積同時改變，最終單位占地面積產量由9 cm光程至17 cm光程逐漸升高；在6月份自然條件下，試驗中4種反應器光程養(yǎng)殖微藻的產能隨著反應器光程的增加產能也逐漸提高，9 cm光程反應器產量為13.0 g/(m2·d)；11 cm光程反應器的產量為14.7 g/(m2·d)；13 cm光程反應器的產量為15.8 /(m2·d)；17 cm光程反應器的產量為15.8 g/(m2·d)(圖5)。

圖5 反應器東西9擺放時不同光程對產量的影響

2.2.2 反應器南北擺放時不同光程對眼點擬微綠球藻生長的影響

在培養(yǎng)周期內，同樣隨著反應器光程的增加，其反應器內的藻細胞生長速度逐漸降低；由于反應器光程改變，藻液體積同時改變，最終單位面積產量隨著光程的增加而逐漸升高，但當反應器達到13 cm光程時，反應器產量達到最大值。在6月份自然條件下，9 cm光程反應器的產量為13.8 g/(m2·d)；11 cm光程反應器的產量為15.9 g/(m2·d)；13 cm光程反應器的產量為18.3 g/(m2·d)；17 cm光程反應器的產量為16.7 g/(m2·d)(圖6)。

圖6 反應器南北擺放時不同光程對產量的影響

2.2.3 反應器擺向對眼點擬微綠球藻產量的影響

本研究在當地6月到8月進行，期間的月平均接收光能情況見圖7。南北擺放時，反應器的東西受光面日均接收的光能比東西擺放時反應器南北受光面日均接收的光能高15%～40%，導致反應器南北擺放時藻細胞生長快于反應器東西擺放時，6月到8月分別高16.3%、8.7%和3.0%(圖8)(以13 cm光程反應器為例，其產量最高)。

在6月份光照條件下，反應器南北擺放時日均產量為18.3 g/(m2·d)；反應器東西擺放時日均產量為15.8 g/(m2·d)。7月份光照條件下，反應器南北擺放時日均產量為18.7 g/(m2·d)；反應器東西擺放時日均產量為17.2 g/(m2·d)。8月份光照條件下，反應器南北擺放時日均產量為18.3 g/(m2·d)；反應器東西擺放時日均產量為17.8 g/(m2·d)。

圖7 反應器擺放方向不同接收光能情況

圖8 反應器擺放方向不同對產量的影響

3 討 論

3.1 理論分析與試驗數據比對

反應器擺放時有間距，每日間距之間漏掉的光能量總量是可以通過理論分析計算出來的，這可間接推測出反應器接收的光能情況。因此反應器不論是南北擺放還是東西擺放，其接受能量可以通過理論計算估算出，可為不同月份反應器的放置方式提供參照指導。

通過對反應器單位占地面積下接受能量總量的推測分析(按反應器13 cm光程推算)，反應器東西擺放時，由于反應器的受光面為面向南北，其反應器之間的南北方向的影長對反應器受光面的遮擋為考慮的對象，根據反應器南北方向的影長變化情況，推測反應器之間的漏光情況，間接的可表示出反應器接收能量情況(圖9)。北半球的6月22日為夏至，此時太陽高度角最大，南北方向的影長最小，因此當反應器間距定值時，6月季節(jié)反應器間距之間漏掉的光能最大，6月之前或之后月份，隨著南北方向的影長逐漸變長，反應器間距之間漏掉的光能逐漸減少，反應器接收光能比例逐漸增加。6月反應器接收能量總量比例最低，約為51%；7月反應器接收能量總量比例約為61%；8月反應器接收能量總量比例約為94%。

圖9 反應器東西擺放時接收能量理論計算

圖10 反應器南北擺放時接收能量理論計算

反應器南北擺放時，由于反應器的受光面為面向東西，其反應器之間的東西方向影長對反應器受光面的遮擋為考慮的對象。根據反應器東西方向的影長變化情況，推測反應器之間的漏光情況，間接的可表示出反應器接收能量情況(圖10)。在北半球，6月至9月期間，太陽高度角會根據太陽直射緯度的變化發(fā)生改變，但對東西方向的影長影響很小，因此對反應器接收能量的比例影響很小。6月反應器接收能量總量比例約為71%；7月反應器接收能量總量比例約為73%；8月反應器接收能量總量比例約為75%。

這種理論分析規(guī)律及比例數值與試驗過程中實際測定數據基本一致?？筛鶕刻斓牡孛娼邮漳芰壳闆r推測單位占地面積下反應器接收能量情況，為反應器不同的擺放形式下的能量推測具有極高的使用價值，可快速核算反應器能量接收情況，并根據藻的光轉化效率情況，可快速預測某種藻在某地的某月份產量。為戶外養(yǎng)殖微藻提高產量提供理論指導。

3.2 提高眼點擬微綠球藻產量討論

通過反應器養(yǎng)殖微藻可以獲得較高的產量，其中反應器養(yǎng)殖過程能量接收總量是關鍵因素之一，但作為微藻生長必須的生長環(huán)境因素之一的溫度也是必須重點考慮的。由于反應器光程增加，養(yǎng)殖總體積量增大，水體的熱容量增大，對藻液的溫度提升會起到一定的限制作用，因此在室外養(yǎng)殖過程，反應器在考慮擺放形式以提高接收光能總量的同時還要考慮反應器的光程。當反應器光程選擇過小，反應器內部藻液溫度會出現(xiàn)高溫情況；當反應器光程選擇過大，藻細胞在反應器內的明暗循環(huán)強度將降低，降低了細胞的光利用效率，對產量起到負影響。

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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.

國家“973”計劃重點項目(2012CB723606).

耿金峰(1982—)，男，工程師，碩士；研究方向：微藻生長機理與規(guī)?；B(yǎng)殖工藝.E-mail：gengjinfeng@enn.cn.通訊作者：劉敏勝(1978—)，男，副研究員，博士；研究方向：微藻生物能源技術. E-mail: liuminsheng@enn.cn.