培養系統

利用微藻來生產生質柴油的關鍵是要獲得大量廉價的微藻油脂，而這 就需要應用微藻大規模培養技術。用於生質柴油生產的微藻培養系統具有 以下優勢：(1)光能轉化效率高；(2)採用智慧分批生產方式，幾乎全年都可 以採收，能提供穩定可靠的原料油供應；(3)可以利用海水或鹽鹼水甚至是 污水進行生產，因此能大大減少淡水的使用；(4)能把碳中性燃料生產與CO₂ 捕捉有機耦合起來；(5)生產的生質柴油無毒而且可高效生物降解，即使洩 漏也不會污染環境。

目前，微藻培養主要有開放式及密閉式兩種光合生物反應器。開放式 光合生物反應器構建簡單、成本低廉及操作簡便，但存在易受污染、培養 條件不穩定等缺點。密閉式反應器培養穩定，可無菌操作，易進行高密度 培養，已成為今後發展的方向，但是利用光合反應器培養藻體的成本高，

是其商業化的主要障礙。一般密閉式光合生物反應器有管狀、平板式、圓 柱狀氣升式及攪拌式醱酵槽等。對於開放式及密閉式兩種光合生物反應器 主要設計特徵說明如表 2. 3 所示[Carvalho et al., 2006]。

1. 開放式光合生物反應器

所謂開放式光合生物反應器就是指開放池培養系統(Open pond culture system)。其培養技術經過了廣泛深入的試驗，已普遍應用於商業化微藻大 規模培養，它具有投資少、成本低、技術要求簡單等優點。主要有四種類 型，包括淺水池、循環池、渠道池式、池塘。其中最典型、最常用的開放 池培養系統是 Oswald 設計的渠道式反應器(Race-way photobioreactor)。該類 培養系統實際上就是佔地面積為 1,000-5,000 m²，培養液深度為 15 公分的

環形淺池。以自然光為光源和熱源，靠軸輪轉動的方式使培養液於池內混 合、循環，防止藻體沉澱並提高藻體細胞的光能利用率；可通入空氣或 CO₂ 氣體進行鼓泡或氣升式攪拌。為防止污染，減少水分蒸發，生產中常在池 體上方覆蓋一些透光薄膜類的材料，使之成為密閉池。目前國際上較著名 的大規模生產微藻的公司(如 Cyanotech, Earthrise Farms 等)均採用這種反應 器，在螺旋藻、小球藻和鹽藻的大規模培養中獲得良好的效果。

表 2.3、開放式及密閉式系統的主要特徵

特徵 開放系統 密閉系統

比表面積^註一 較小 較大

藻株篩選 較為限制 較有彈性

藻株篩選主要條件 生長競爭力 剪應力抵抗能力

細胞濃度 較低 較高

收穫效率 較低 較高

培養期 受限 較可延長

汙染機率 較大 較小

培養液蒸發 較大 可避免

光利用效率 差/尚可 尚可/好^註二

氣相質傳 差 尚可/高

溫度控制 無 好

影響成本最大因素 混合因素 氣體控制、溫控

投資成本 較小 較高

註一：將原文開放系統比表面積「較大」改為「較小」，密閉系統比表面積「較小」改為「較大」

註二：根據光對不同材質的穿透度有所不同

雖然開放式光合生物反應器在微藻培養中有一定的效果。但是開放式 光合生物反應器仍存在下列不足：(1)易受外界環境影響，難以保持較適宜 的溫度與光照；(2)會受到灰塵、昆蟲及雜菌的污染，不易保持高生物質量 的單一藻種培養；(3)光能及 CO₂利用率不高，無法達到高密度培養；這些 因素都將導致細胞培養密度偏低，使得採收成本較高，能適應大池培養的 微藻藻種必須是在極端環境下能快速生長的藻種，只能用於螺旋藻、小球 藻及鹽藻等少數能耐受極端環境的微藻培養。對於要求溫和培養條件和種 群競爭能力較弱的微藻，則只能採用密閉式光合生物反應器培養。另外，

對於高單價的微藻產品生產，以及將來的基因工程微藻，研製高效、易於 控制培養條件的新型光合生物反應系統，以實現高密度純種培養，已經成 為微藻培養技術的發展趨勢。

2. 密閉式光合生物反應器

密閉式光合生物反應器開發雖已有近 50 年的歷史，但最快的進展還是 近 10 年的事。自 1990 年代以來，提出了大量相關專利。與開放式光合生 物反應器相比，密閉式光合生物反應器具有以下優點：(1)無污染，能實現 單一藻種、純種培養；(2)培養條件易於控制；(3)培養密度高，易採收；(4) 適合於所有微藻的光自營培養，尤其適合於微藻代謝產物的生產；(5)有較 高的光照面積與培養體積之比，光能和 CO₂利用率較高等優點。因此近年 來國外研究和開發利用較快，以實現了高密度商業化培養。目前一般密閉 式光合生物反應器有管狀、平板式、圓柱狀氣升式及攪拌式醱酵槽等，以 下將針對這些型式反應器的特性做一說明。

(1) 管狀光合生物反應器

管狀光合生物反應器一般採用透明的直徑較小的硬質素料或玻璃、有 機玻璃管，彎曲成不同形狀，利用透明的管道，藉助外部光源條件下進行

工廠化繁殖生產藻類的方式。由於密閉的管道系統容易與其他加工設備配 套，可用幫浦把管道內生長到一定生物量的藻體傳遞到下道工序，因而整 個過程可以實現自動化的生產過程。

這種反應器最早出現在 1950 年代，Pirt et al. [1983]已建立了細管(管徑 1 公分)光合生物反應器的設計和操作理論及電腦控制裝置，在這個基礎 上，Torzillo et al. [1993]設計和建造了雙層管狀光合生物反應器用於螺旋藻 的室外培養。為了提高光能利用率，Lee et al. [1995]和 Miyamoto et al. [1988]

都對水平設置的管道進行改進，採用α-斜管或螺旋盤管狀光合生物反應 器，並做了大量的基礎理論和應用研究。在諸多的密閉式光合生物反應器 中，管狀光合生物反應器發展最快，其可靠性、有效性和低成本日益引起 人們的重視。

(2) 平板式光合生物反應器

Ramos de Ortega and Roux [1986]開發平板式光合生物反應器。由於該 類型的反應器具有光利用率高、易放大培養、易清洗、其內部的貼壁生長 和外部的鹽沉澱容易處理。構造相對簡潔，可以隨意調節放置角度以便使 其獲得最佳的取光效果。陽光有一部分直接射到反應器板面，大部分是通 過反射或散射進入反應器，這種反應器具有光能利用率高、容易加工製造、

可以根據需要設計不同的光徑以及操作條件容易控制等優點，使其成為具 有良好使用價值的光合生物反應器。其短的光通路及氣流強烈攪動，是實 現高密度高產培養的有利條件。

(3) 圓柱狀氣升式光合生物反應器

混合體系是光合生物反應器結構設計的關鍵之ㄧ，圓柱狀氣升式光合 生物反應器的主體通常由外管和內管組成，通過氣流傳動使藻液在內外管 間循環，提高藻類的光能利用效率和質傳效率，同時防止培養液中溶氧過 飽和[Sánchez et al., 2002]。氣升式反應器已用於微生物醱酵和動、植物細胞

培養且符合大多數藻類培養的基本要求。

(4) 攪拌式光合生物反應器

機械攪拌式生物反應器是廣泛用於規模培養微生物的生物反應器，具 有技術條件成熟、易於控制等優點，只要配套光源，就可成為培養微藻的 光合生物反應器，因此可利用現有醱酵工程技術開展微藻的研究開發工 作，國外許多學者在這方面都做了嘗試[Huang and Rorrer, 2003]。

針對這些型式反應器的特性說明如表 2.4。