微藻生物膜贴壁培养是实现微藻培养高光效的重要途径,已成为微藻培养技术研究的热点,但为什么生物膜贴壁培养在生物量生产和光能利用效率方面比传统跑道池方法高得多,其原因尚不清楚。

最近,青岛能源所刘天中研究员领导的微藻生物技术团队比较研究了光在传统跑道池系统中和膜培养系统中的传递特性,结果表明20厘米深的典型室外跑道池系统,其最初3天内全部培养液都能接受到高于光补偿点的光照,从第四天开始随着细胞浓度升高,有效照光比例降低,经过约30天后,微藻细胞浓度达到最大,约0.5gL^-1,此时有效光照比例为31.1%。而对于膜培养系统来说,从培养第1天开始一直到第10天,透过膜的光能仍然足够支撑细胞生长,表明膜内细胞100%能受到有效光照(Figure 1)。接受有效光照的比例差异可能是膜培养系统高效率的重要原因。

此外,微藻培养的水足迹是评价微藻培养技术的重要参数。目前普遍采用的跑道池或密闭式光反应器等悬浮培养系统,需水量极大。该团队在微藻贴壁培养技术的基础上,通过分析影响培养水足迹的因素,提出了减少微藻培养水足迹的策略和反应器新结构,主要包括:1)将微藻膜密封在水蒸气饱和的腔室内;2)微藻膜接种在含有足够多营养元素的培养基中;3)以最小流速通入足够量的CO₂碳源。以雨生红球藻(Haematococcus pluvialis)为例,采用该策略,每生产1kg藻粉,培养过程水足迹是35.7L,生产1kg虾青素,培养过程水足迹是1440L,远远小于目前利用悬浮培养系统的数值,实现了微藻培养大幅度节水的目的。

上述研究得到了国家自然科学基金(41276144)、所长创新基金和山东省科技发展计划资助(2013GHY11520)。相关研究论文发表在Biotechnology for Biofuels和Biotechnology Letters上。