Transcript 光生物反应器温度的控制
天然虾青素产业化构思 王俊 2012.12.2 一、方案初定 虾青素具有很强的抗氧化性和清除自由基的能力，可有效地防止组织、细胞和 DNA被氧化损伤。其主要生物功效包括显著增强肌体免疫力，卓越的抗癌、防癌特 性，优良的抗衰老、防老化能力，卓越的防治心血管等疾病功效等。雨生红球藻是 目前已知的自然界虾青素含量最高的生物。 方案一、雨生红球藻淡水养殖及产业化 方案二、雨生红球藻海水养殖及产业化 雨生红球藻属于淡水绿藻类。虾青素含量为1.5%~3.0%，被看作是天然虾青素 的“浓缩品”。 目前有能力商业化养殖雨生红球藻的企业，全球只有5个国家的8家公司：日本 FUJI化学集团<控制瑞典、夏威夷两家工厂>、YAMAHA集团、Biogenic公司（在中 国昆明设有工厂）、美国Cyanotech公司、中国云南爱尔发天然虾青素生物技术有限 公司、湖北荆州市天然虾青素有限公司、印度Bioprex公司、以色列Algatech公司， 其余一些国家和企业大都处于研发阶段。 方案一、二实施技术筛选 设想厂址： 1）热带、亚热带附近，淡水湖泊，四季温差较小，气候干燥，多风少雨。 2）热带海岛，离岸较远，水质洁净。四季温差较小，气候干燥，多风少雨。 （多了一个海水淡化工序，但是方便盐胁迫用水） 阳光充足、温差小、气候干燥、有洁净水源 技术控制及目标：海水淡化装置、灭菌装置、温控装置、光控装置、光生物反应 器培养装置、废水回收装置等。 方案一、二实施技术筛选 能源来源：太阳能 海水淡化装置（海水养殖） 来源：离岸200-300米之外，使用深水泵抽取500米（光照层下）海水。 主要技术：MSF（Multi-Stage Flash）多级闪蒸，80 kwh/m3 MED(Multi-Effect Distillation)多效蒸馏， 8~11 kwh/m3，结构复杂 VC(Vapor Compression)蒸馏 ED(Electro Dialysis)电析 RO(Reverse Osmosis)膜法，多用SWRO，反渗透膜法，UF（超滤） 10 kwh/m3以下 NF(Nanofiltration) RSD快速喷雾蒸馏法，0.35美元/m3，淡水可直接饮用 海水淡化技术路线 不同淡化方法对应不同的前处理方法，此处略 灭菌装置 灭除淡水中微藻、细菌等微生物，将灭菌后淡水用于微藻培养等过程。 目前灭菌技术应用在食品、医疗等领域非常多，主要有以下几个方向： 1）冷杀菌：膜法，截住一般细菌，缺点明显。 2）高压杀菌：>200 MPa，对孢子类细菌无效。 3）氧化酶体系杀菌：使用过氧化氢杀菌，然后使用过氧化氢酶——葡萄糖氧化酶除 去多余过氧化氢。 4）超高温杀菌（UHT）：类似高压灭菌锅（电饭煲见过吧~）。 5）辐射杀菌：γ射线等杀菌。目前湖南大学γ射线杀菌技术已经可大规模使用。 6）HTST杀菌技术（高温瞬杀）：利用热交换器瞬间杀菌。 7）溶菌酶杀菌：对某一类细菌灭杀，针对性较强。 灭菌技术筛选原则 操作简单，应用方便，灭菌速度快速，灭菌体积大，成本低，能达到培养要求。 拟使用方法 1）氧化酶体系杀菌：使用过氧化氢杀菌，然后使用过氧化氢酶——葡萄糖氧化酶除 去多余过氧化氢。 2）氯法 3）臭氧 4）紫外 5）TiO2辅助紫外 6）或者以上方法的混合 灭菌技术相关介绍 天然水源中含有微藻、有机物絮团、细菌微生物等，在培养用水中均需去除。 氧化酶体系杀菌 在国外，过氧化氢杀菌广泛应用于牛乳和干酪生产中 。主要是利用过氧化氢较 强的氧化性将微生物杀灭，杀菌后剩余的过氧化氢用过氧化氢酶(hydrogen peroxidase) 除去，以达到食品卫生的要求。 又称为CAT，植物在环境胁迫时均会产生CAT，维持植物细胞内氧离子的动态 平衡，防止细胞被氧化死亡。（和微藻胁迫很像，这个也是在胁迫时尝试添加过氧 化物的思路来源。厦门市科技项目并未设计氧化性物质对雨生红球藻胁迫的影响）。 氯法 自来水处理的方法，氯法一般具备灭菌 、 除藻 、 除味 、 助凝等作用，处理时 间一般为1h，ClO2价格一般为2000 元/吨，Cl2价格一般为2600 元/吨。 臭氧灭菌 日本很早就有臭氧水发生装置，一般臭氧灭菌的浓度为0.1~0.2 ×10-6 mol/L， 30 s内灭菌。目前国内有很多臭氧水制造装置。 臭氧的灭菌效果，和温度有关，温度低臭氧溶解度大；和水质纯净度有关，有 杂质会消耗额外的臭氧。 紫外灭菌 辐射灭菌的一种，作用时间段，一般为几秒。但是紫外穿透能力弱，应用被限 制。紫外灭菌一般和其他灭菌方式相结合比较实用。 TiO2光敏材料 二氧化钛，化学式为TiO2，俗称钛白粉，多用于光触媒、化妆品，能靠紫外线 消毒及杀菌。二氧化钛可由金红石用酸分解提取，或由四氯化钛分解得到。二氧化 钛性质稳定，大量用作油漆中的白色颜料，它具有良好的遮盖能力，和铅白相似， 但不像铅白会变黑；它又具有锌白一样的持久性。二氧化钛还用作搪瓷的消光剂， 可以产生一种很光亮的、硬而耐酸的搪瓷釉罩面。 早期，以悬浮相为主，进行消毒灭菌。目前主要讲纳米TiO2催化剂固定，在灭 菌是一般联用紫外和臭氧方法。 多种方法联用 考虑将以上方法进行联用。基本技术路线如下。 以天然湖泊深层水为例 水源 前处理 沉淀、过滤 泵 臭氧分解 余氯检测 氯法灭菌 臭氧灭菌 过渡池 回 收 利 用 泵 废水处理 废 水 排 出 雨生红球藻培养、光生物反 应器养殖用水 紫外/TiO2 灭菌通道 温度控制装置 主要应用于培养室气温的控制、光生物反应器温度的控制、培养池温度控制、 跑道池温度控制。培养室温度控制采用空调 ，光生物反应器温度控制采用冷却水喷 雾。温度控制范围：23~25℃ 之间。 其中，培养池和跑道池的温度控制没想好。。。 光强控制装置 主要应用于培养室光强控制，以及光生物反应器光强控制。培养室光照使用 LED生态光源，光生物反应器光照强度使用遮阳布等。考虑在光生物反应器中使用 转光膜、转光玻璃和纳米TiO2等材料应用。 废水处理、回收装置 技术成熟，此处略。 技术筛选总结 综合考虑，目前国内各个子块的技术都能满足生产要求，这里唯一的问题是如 何将这些技术与雨生红球藻培养及胁迫等匹配起来。 二、实验设计 1、人工海水雨生红球藻培养实验 1）不同盐度梯度的人工海水下，雨生红球藻培养实验 2）雨生红球藻海水种的筛选与驯化 2、淡水灭菌技术应用实验 1）氧化酶体系杀菌：使用过氧化氢杀菌，然后使用过氧化氢酶——葡萄糖氧化 酶除去多余过氧化氢。 2）氯法 3）臭氧 4）紫外 5）TiO2辅助紫外 6）或者以上方法的混合 保证微藻的正常培养，注意微生物、细菌的光复活现象。 二、实验设计 3、不同培养基下雨生红球藻培养实验 国内外较广泛应用的培养基，进行对比，筛选合适培养基。 4、LED自适系统下雨生红球藻培养实验 以缩短培养时间，增加藻密度，得到单体较大藻细胞为目的。 5、光生物反应器中雨生红球藻培养及新材料应用 光生物反应器采用斜板式。培养方法采用半连续+两步法以及相结合的方法进 行。 半连续法（混养）+两步法：碳源流加、更新率梯度设置、曝气通道补充自养 所需CO2，将收集藻放置于开放培养池进行培养（自养）。培养6天（预计时间）后， 将所有微藻转移入跑道池进行胁迫。 新材料应用：转光膜、转光玻璃（一种转变白光转化为单色光的材料），探讨 是否能应用为转光玻璃材料。（北京奥玻公司与天津大学有相关产品， http://news.xinhuanet.com/tech/2013-05/10/c_124690207.htm#p=0 ）。 二、实验设计 新材料应用：纳米TiO2应用。此物质为光敏材料，抗污染，有杀菌作用。 预计主要问题： 光生物反应器温度过高，采用冷却水（海水、淡水，深层的）进行雾喷，降低 温度； 光生物反应器内部结垢、微生物滋生，设计可拆卸光生物反应器，定时清洗与 灭菌； 光生物培养参数及开放培养池的条件控制，如何应对开放培养池染菌问题。 考虑藻类分裂激素、催红素（外源乙烯、赤霉素等）、过氧化物的使用，对微 藻培养及胁迫的影响，以及对产品质量安全的影响。 开放性雨生红球藻培养池温控、光控、细菌污染防范。 U型轨道池设计合理性。（池深、流速、温控、光控及细菌污染防治等）。 处理1添加NaAC和FeSO4 ，处理2添加NaAC和双 氧水，处理3添加FeSO4和双氧水，处理4同时添 加NaAC、FeSO4 和双氧水 ，最后使各处理中的 NaAC终浓度为45 mM,，FeSO4终浓度为450 LM， 双氧水终浓度为1. 5% 谢谢