光生物反应器温度的控制

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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

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