微藻异养高密度培养研究进展与发展趋势
微藻细胞可以积累大量油脂、蛋白质、多糖、色素、不饱和脂肪酸等物质,在能源、食品、饵料、保健品及药品等行业有巨大的应用价值。
然而,微藻在传统光自养模式下,很难实现高密度培养，来大量生产这些重要的物质,进而限制了微藻的实际应用。
相反,微藻在异养模式下生长速度快、生物质浓度高,可以短时间内获得大量微藻生物质。因此，异养高密度培养微藻具备大规模、高效率培养 微藻生产目标产物的巨大潜力。
本研究阐述了微藻异养培养的优缺点及相应技术难点的解决思路、影响微藻异养生长及目标产物积累的主要营养因子和环境因子、微藻 异养高密度培养的方式及微藻异养高密度培养的当前发展水平。
结合文献报道分析微藻异养高密度培养的四个具有极大发展潜力的发展方向,以期更好地利用异养模式来高效率、低成本培养微藻生产大量目标产物,满足上述多个行业对微藻原材料的巨大需求,从而加速微藻产业的发展。
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微藻异养的优缺点、技术难点以及解决思路
研究阐述了和光自养模式比较下，微藻异养的优劣势所在，首先，微藻异养培养时，生长速度快、生物质浓度高，研究表明，微藻异养培养获得的生物质产率是光自养培养时的十几倍。也阐述了微藻异养中，藻株少，生产成本高，容易消耗CO2,不符合“碳中和”理念等缺陷。
图1 尖状栅藻在室外大规模培养时( 10 000 L) 的藻种制备过程
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影响微藻异养生长及目标产物积累主要因素
微藻异养培养需要有机碳源、无机盐和水等基本条件,同时, 其生长状况和目标产物积累还受培养基成分(营养因子)和培养条件(环境因子)的影响。
其中,主要的营养因子包括碳源、氮源、磷源等,主要的环境因子包括酸碱度、温度、溶解氧和盐度(主要是海水藻)等。
图2 尖状栅藻异养培养时两种常见的污染物
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微藻异养高密度培养方式
微藻异养培养和光自养培养相比较,其主要优势体现在高生物质浓度。常用的分批培养只在培养开始阶段加入一定量的营养物质，并不能维持细胞的持续快速生长,进而达不到高密度培养的要求,因此这种培养模式大多用于摇瓶培养阶段研究培养基成分和环境因子等对微藻异养生长及藻细胞生化组分的影响。通过对目前常用的微藻的异养高密度培养方式：补料分批培养、连续培养及细胞回收连续培养的阐述得出结论。
总的来说,尽管微藻异养高密度培养的方式有多种,但是对于不同株系的微藻而言,其异养培养达到生物质最高浓度、目标产物最高产率等指标时所需要的培养模式不尽相同。因此,需要进行对比实验才能确认何种培养方式最有利于异养微藻生产目标产物,甚至可以考虑分阶段采用不同培养模式来实现目标产物的高效生产。此外,还需要考虑不同培养模式下所耗费的成本,从而选取最佳的培养模式来实现目标产物的高效经济化生产。
图3 尖状栅藻在两种策略下进行补料分批培养时藻液葡萄糖浓度和细胞生物质浓度的变化曲线
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微藻异养高密度培养的发展方向
由于微藻异养培养需要以价格较高的有机物为碳源,为了平衡生产价格,目前异养高密度培养技术主要用来生产微藻源高附加值产品。以异养方式培养裂壶菌(藻)商业化生产的DHA产品已经走进千家万户。
此外,以异养方式生产生物燃料或生物质都面临着严峻的价格挑战。为了更加经济、高效地利用异养高密度方式培养微藻,综合文献报道,总结了微藻异养高密度培养技术未来的四个重点发展方向，分别是：
1、异养和光自养或混养模式相结合促进目标产物高效生产
2、新型发酵装置助力异养微藻高效生产目标产物
3、微藻异养培养和废弃物利用相结合实现废弃物资源化利用
4、基因工程手段提高微藻异养生长能力及目标产物的积累能力
图4 微藻异养高密度培养时生产的相关生物制品
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总结
微藻异养高密度培养在生产微藻生物质和目标产物等方面具有诸多优势, 极具工业化应用前景。目前,异养模式已经成功应用于多株微藻的培养中,实现了多株微藻异养高密度培养来商业化生产目标产物。本文分析了影响微藻异养生长的主要环境因子和营养因子,以及多种异养高密度培养的方式,从中也看到这种培养模式存在一定的弊端。
今后可以从异养和光自养或混养模式相结合促进目标产物高效生产、新型发酵装置助力异养微藻高效生产目标产物、微藻异养培养和废弃物利用相结合实现废弃物资源化利用、基因工程手段提高微藻异养生长能力及目标产物的积累能力等四个方面加强研究,进而实现异养模式高效、经济培养微藻生产目标产物,从而加速微藻的产业化发展之路。
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