试谈营养盐微藻培养过程营养优化和制约

摘要：微藻利用光和CO_2合成蛋白质、糖类、脂类以及色素等大分子物质并放出O2，在人类食品、保健、医药、环保和生物炼制领域具有广阔的运用前景。本论文针对目前微藻培养中有着的生产成本高、产率低的不足，主要以营养盐方面入手，通过分批培养探讨了主要营养盐对螺旋藻、二形栅藻生长和产物积累的影响，以及培养中pH和无机碳源变化、氮源和磷源消耗、微藻生长三者之间的内在联系。在建立微藻生长与营养盐消耗相关模型的基础上，构建了三种微藻培养营养盐流加对策并进行比较评价，最终用于螺旋藻培养的营养盐优化和二形栅藻培养的油脂积累调控，就微藻培养中与营养盐有关的操作及成本进行了优化与制约。本论文的主要结果如下：（1）采取NaHCO_3作为碳源，后期培养液pH值过高（11.0）会抑制螺旋藻生长，而流加CO_2作为碳源能够制约培养液pH值在适合螺旋藻生长的范围（8.0~10.0）；充足的碳源、氮源、磷源有利于螺旋藻生长，推动螺旋藻蛋白质及叶绿素的积累，而碳源过量或氮源、磷源限制会影响螺旋藻生长，但有利于螺旋藻总糖的积累；尿素、NH_4NO_3、NH_4Cl和NH_4HCO_3能够替代NaNO_3作为螺旋藻培养的氮源，但会出现高浓度抑制螺旋藻生长的现象，其抑制作用由大到小的顺序依次为：NH_4HCO_3 NH_4ClNH_4NO_3尿素。（2）在微藻培养中，当培养液营养盐浓度较低时，营养盐的比消耗速率由微藻比生长速率和细胞内相对应的营养元素份额共同决定；当培养液营养盐充足时，藻细胞内碳、氮、磷元素份额较为稳定，营养盐的比消耗速率主要由微藻比生长速率决定。此时维持微藻培养液pH值稳定的CO_2补加量、氮源消耗量和磷源消耗量都与微藻生物量增量有着较好的线性相关性，可以采取以下三种营养盐反馈流加对策来维持微藻培养液营养盐浓度稳定，分别为pH和硝酸根电极联用的反馈流加对策、基于pH的反馈流加对策和基于吸光值的反馈流加对策。（3）论述探讨了基于吸光值和基于pH值反馈流加营养盐，影响流加历程中营养盐浓度的一些可能因素，结果表明：采取基于吸光值的反馈流加对策，培养液中营养盐浓度的波动与吸光值步长、营养盐利用率和藻细胞内营养元素份额有关；采取基于pH的反馈流加对策，培养液中营养盐浓度的波动与培养液pH值、pH步长及培养液中游离CO_2浓度有关。通过螺旋藻分批补料培养对以上三种营养盐流加对策进行实验验证发现： pH和硝酸根电极联用的反馈流加对策，由于硝酸根电极会发生电位漂移，培养液中氮源、磷源浓度波动较大，不适合营养盐的长期在线监控；基于吸光值的反馈流加对策有利于培养液中氮源、磷源浓度制约；而基于pH的反馈流加对策有利于培养液中碳源浓度和pH值的制约。将基于pH和基于吸光值的反馈流加对策联用，能够更加准确地制约微藻培液中碳源、氮源、磷源的浓度，适用于营养盐的长期在线监控。（4）采取上面陈述的流加对策对螺旋藻培养的营养盐进行优化，基于pH反馈流加CO_2作为碳源，螺旋藻的最大生物量浓度可达3.30g/L，比NaHCO_3作为碳源的螺旋藻分批培养提升了92.30%；基于吸光值反馈流加NH_4HCO_3作为氮源，将培养液中NH3-N浓度制约在1mmol/L时，螺旋藻生长不受到氮源限制或抑制，与同样培养条件下恒速、变速及基于pH反馈流加NH_4HCO_3的培养相比，能够得到最大的生物量（2.98g/L）、氮源得率系数（7.32g/g）、蛋白质含量（64.11%）和叶绿素含量（13.40mg/g）。（5）将营养盐流加对策运用于螺旋藻大规模生产，与传统以NaHCO_3作为碳源、NaNO_3作为氮源、K2HPO4作为磷源、采收后根据经验补料的培养方式相比，采取CO_2作为碳源、NaNO_3和NH_4HCO_3作为混合氮源、HO4作为磷源、培养中采取基于吸光值或基于pH反馈流加营养盐，能够长期将培养液中碳源、氮源、磷源浓度制约在螺旋藻生长适合的范围，降低螺旋藻培养的营养盐成本约70%，同时单位面积产量提升20%以上。（6）二形栅藻分批培养结果显示：二形栅藻最适的培养pH值为7.5；与采取NaNO_3和尿素作为氮源相比，采取NH_4HCO_3作为氮源时，二形栅藻生长较快，油脂产率较高；高碳、低氮和低磷条件能够推动二形栅藻油脂积累，但氮源限制对二形栅藻油脂积累的推动作用大于磷源限制。基于以上结果，在二形栅藻分批补料培养中，通过pH反馈制约CO_2的流加将培养液pH值制约在7.5±0.3，基于吸光值反馈制约NH_4HCO_3和K2HPO4的流加，在氮磷源流加阶段，二形栅藻快速生长，氮磷源反馈流加停止后，培养液中的氮源和磷源能够迅速耗尽，推动二形栅藻油脂快速积累，其油脂产率与分批培养、氮源和磷源流加速率分别为0.8mmol/(L·d)和9.6μmol/(L·d)的恒速补料培养以及氮源和磷源流加速率分别为0.4mmol/(L·d)和4.8μmol/(L·d)的恒速补料培养相比，分别提升58.2%、53.3%和37.1%。关键词：CO_2论文营养盐论文微藻培养论文pH反馈论文吸光值反馈论文Spirupna论文platensis论文Scenedeus论文dimorph论文

摘要5-7

ABSTRACT7-10

目录10-16

第一章 绪论16-48

1.1 引言16

1.2 微藻概述16-19

1.2.1 微藻的生物学特性16

1.2.2 微藻的组成16-17

1.2.3 微藻的运用17-19

1.3 营养盐对微藻培养的影响19-25

1.3.1 微藻对营养盐的吸收利用19-23

1.3.2 营养盐对微藻生长的影响23-24

1.3.3 营养盐对微藻营养组成的影响24-25

1.3.4 营养盐对微藻细胞形态的影响25

1.4 微藻培养技术25-38

1.4.1 微藻培养系统25-30

1.4.2 微藻培养的参数制约30-38

1.5 本探讨的探讨目的和作用38

1.6 本论文的探讨内容38-39