微藻培养的光“管理”策略

地球上的光合生物(植物、藻类等)通过光合作用每年固定约2400亿吨的二氧化碳,同时为人类提供基础的生活和生产原料。微藻通过光合作用将太阳能转变成化学能存储在细胞内并形成生物质,可作为食品、营养补充剂、水产饵料等,并可进一步加工成生物燃油。然而,目前微藻光合作用的光能转化率约1%左右,远低于理论转化率12%。因此,提高微藻培养的光合作用能量转化率,提高微藻产率,降低应用成本,是微藻产业发展的关键。

太阳能/藻细胞生物质的能量转化率及其管理策略示意

 

一 光采集管理(Managing light collection)

 1 微藻培养地点选择

全球的太阳能分布不均匀,在赤道附近平均太阳能最高(低纬度地区),两极最低。此外,各地区的气候及气象情况(阴雨天多,台风等)也显著地的影响地面上获得的太阳能。此外,还要结合当地的水资源,原材料、人力、基础设施条件来确定微藻培养地点。

2 反应器方向和太阳光跟踪系统

微藻养殖系统的摆布方向显著地影响太阳光的接受。一般而言,朝东-朝西摆放的光生物反应器捕获的光能高于朝南-朝北摆放的反应器。同时,类似向日葵可跟踪太阳位置的光反应器的光能捕获量可提高40-100%(与水平面相比)。当然,此系统过强的光照也会抑制藻细胞的生长,产生光抑制现象。

 

二 光谱分布管理(Managing spectral distribution)

 1 光谱影响

用于光合作用的光波长为400-700nm。不同光谱的光对微藻生长及产物积累的影响具有重要影响。蓝光可以提高小球藻叶绿素合成和微拟球藻的油脂合成。红光能提高雨生红球藻细胞生长,蓝光可以提高藻细胞中虾青素的合成。蓝光条件培养小球藻2天显著促进藻细胞增大,然后在红光条件下促进小球藻细胞分裂,藻细胞产量提高了20%以上。

2  LED灯

LED人工光源具有特定光谱定制的优点,在实验室微藻培养中已经广泛应用,但在大规模微藻培养中的应用受到成本的限制尚未大规模使用。假设电单价0.1$/kwh,光-电转化效率40%,光-藻细胞(化学储能)转化效率13.5%,则1kg干藻的LED电耗微14$。

3 波长转化材料

通过荧光和磷光材料将一种波长的光转化成另外一种波长的光。实验表明在北面使用转光材料的光反应器中,雨生红球藻在低密度培养时,藻细胞浓度提高了36%。

4  等离子体散射(Plasmonic scattering)

光照射到金属纳米颗粒产生的表面等离子能够增强周围的电磁场,有利于特定波长的光进行定向散射。如图所示,等离子基板反射了35%红光(光合作用利用高的光),使得其它波长的光透过基板进入光伏电池系统转化成电能。

 

三 光分布管理(Managing light distribution)

1 藻细胞密度和光程

微藻培养的产率与藻细胞密度、光程、混合等相关,需要从这几个方面进行综合优化。混合与藻细胞的光暗循环频率相关,其影响藻细胞的生长。

2 光稀释

使用球面结构反应器(如管式),改变布局方向,改变倾斜角度均可以实现户外光强的稀释,使得高光强变成中低光强等适合微藻生长的光强范围内。同时,可以使得光传递材料使得外部的光强传递到藻液中进行重新分配和分布,提高光在藻液中的均匀性。

 

四 细胞光能利用管理(Managing cellular light utilization)

通过基因工程手段改造藻细胞的光合系统,从而提高光能转化效率。

 

本文转自:Nature  Communications

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