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利用海洋绿色植物ts浮游生物进行微藻类的大量培养的能量学和经济学研究：使用发电厂烟道废气的影响
- A.Law-st
夏威夷大学海洋学系和夏威夷海洋生物学研究所，夏威夷州卡内奥赫
- L.Bern
电力研究所，邮政信箱10412，加利福尼亚州帕洛阿尔托,1990年6月2日收到，1990年11月6日接受
夏威夷自然能量实验室培养的海洋Ts浮游生物在室外的浅槽中生长了大约六个月。充分日照下，总生产量速率为15-20g，相应的光合作用效率是9-10%。呼吸作用损失量为将近总量的一半。9611%的二氧化碳利用效率是通过逆流槽系统将二氧化碳注进培养菌。以苏打水的形式加入二氧化碳导致了8111%的利用率。推动水槽中的水循环时，阿基米德螺旋泵比桨轮（古代明轮）和螺旋桨更好。在水槽中插入箔片束以实现培养菌的系统混合，明显的提高了产量。比起当箔片相对于垂直方向有一个倾角放置时，箔片相对于水平方向以相同倾角放置时产量提高更大。光调制效应被认为是大多数产量提高的可能原因。利用发电厂烟道废气制得的纯二氧化碳并没有导致恒华器培养基中的Ts浮游生物产量的明显变化。
引言
大约40到50年前，微藻类被当做是生物燃料和蛋白质的潜在的重要来源，早期的海藻大量培养研究主要关注这两方面应用。由于很多原因，通过把微藻类纳入饮食从而满足大量的人类或动物蛋白需求的想法没有普及。用来培养海藻需要大量土地和水资源，一定程度上限制了海藻培养作为一种生物燃料来源的作用，这种海藻培养严重影响了工业化国家的化石燃料消费率。这种应用激发了早期对微藻类大量培养的兴趣，虽然它因此不会很实用，但是微藻类大量培养工业在上世纪20至30年代得到了大规模的扩张。微藻类一直被当做维他命和精细化学制品的重要来源，被当做水产养殖的食草动物的食物，也被当做土壤调理剂和农业生物化肥，以制造氧气以及去除污水池的有毒物质，以及被当做W3多元不饱和脂肪酸,蛋白质，和其他健康食品中的生物化学制品的来源。
最近几年来，人们担忧人类排放的二氧化碳进入大气层可能会引发气候变化，并再一次引发了对可作为二氧化碳吸收者--海藻大规模培养的兴趣。通过烟道废气分离二氧化碳量，仍然是保证工厂产能的方式。美国所有的煤炭燃料发电厂产生的二氧化碳排放量减少20%需要大约2600亿美元资金，每年花费增加将近1700亿美元。如果这样的减少能强制继续保持，二氧化碳的处理将会是微不足道的。2个500兆瓦的煤炭燃料发电厂的产出可以供给当前美国所有的工业用二氧化碳。现在美国化石燃料发电厂的产量是250000兆瓦，其中90%的产量属于煤炭燃料发电厂。
微藻类的大量培养是否是化石燃料发电厂排放的二氧化碳被利用的最实用的方式取决于是否有可以用的土地和水资源以及经济因素。很少公开培养微藻类的花费，部分原因是培育，收获和加工微藻类的方法因为不同的系统和品种而不同。从已有的信息知道，生产成本不等，从产品不纯也不是主要问题的简单系统花费1-2美元，到为健康食品市场生产微藻类花费5-10美元。为了基因和医疗研究而提炼的高纯度生物化学制品，花费甚至更高也是有可能的。为了比较研究，为生物燃料而培育微藻类的花费保本为0.2美元/.公平而言，如果生产成本能够减低，商业微藻类产量和随经济变化而变化的产品范围将会急剧扩大。使用烟道废气二氧化碳是一种显著降低生产成本的方法。
现在的研究致力于辨别可改进的微藻类大量培养系统的组成部分和各个方面，以便能够改善微藻类培养基的经济状况。为了进行这项研究，我们主要着眼于所有微藻类生产系统共同具有的特点和问题。特点包括二氧化碳的来源，向培养基提供无机碳的方法以及循环和混合水的技术。问题包括和充分日照利用效率有关的，抑制性的废物代谢物可能堆积，和呼吸作用以及固定碳排泄有关的产量损耗，烟道废气对海藻潜在的毒性。我们相信来源于这些研究的信息将会大范围的在微藻类的大量室外培养中得到实践。
1.材料和方法
室外培养实验全都是在位于夏威夷群岛的夏威夷自然能量实验室（NELH）进行的。用于实验的Ts浮游生物，一种生长在室外培养系统的绿色植物，是先前研究的副产物。研究中用的这个族系在太阳能研究所的培养基收藏中得到保存，代号为ETRA1，被认为是完全的自养系统。培养系统包括4个浅水槽， 深度19.4厘米，占地24.4平方厘米。水槽两边有Poland,是一种坚硬，无毒，能够在日光下抵抗腐败的合成高分子。每个水槽包括两个宽度为1.22米，间隔0.9米的平行臂杆。两个臂杆一端连接处成80度，另一端连接了一系列的直径30厘米，长度44厘米的聚氯乙烯管道，连接到一个直径53厘米的聚氯乙烯分叉管。通过螺旋桨和阿基米德螺旋泵在水槽里注入和循环水，管汇系统提高了氧气的进入量。
用于Ts浮游生物培养基的海水来自于海洋热能转换（OTEC）设备（位于NELH）的废水。OTEC水通过海底管道引自于近海586米深的地方，并含有如表1所示的大致营养物浓度。OTEC水的温度大约9.4摄氏度，比25-30摄氏度的浅水槽里的水温度低。培养基稀释时为了避免热冲击，OTEC水先被引进一个巨大的玻璃纤维的储存池，在这里保存数天之后才会被引入水槽。当培养基被稀释时，OTEC水和海藻培养基的温度大致相同。
在稀释之后，立即加入营养添加物，营养物包括无机氮，磷酸盐以及在先前大量培养研究中用过的微量金属混合物。无机氮以硫酸铵的形式加入，磷酸盐是磷酸氢二铵，微量金属（钴，铜，锰，钼和锌）以IMR medium要求的比例加入。
培养基以批处理的模式操作。水槽被稀释的任何时候，就会加入足量的营养物，使铵根离子浓度达到1.0mm，利用Strickland和Parsons描述的步骤对铵根进行比色测试。铵和氮的摩尔比例一般为10:1，这是为了保证有过量的氮。IMR金属添加物与氮添加物成正比，因此可以保证达到表1所示的营养物比例。每天都要测试氮含量，为了保证生长基中营养物充足需要时刻检测其含量。
二氧化碳保持着99.9%的高纯度，储存在项目地点的一个容量为200千克的低温池中。水槽中PH值保持为7.5。当光合作用速率使得PH值高于7.5时，二氧化碳会自动加入水槽直到其PH值降到7.5以下。在每个水槽上都会安装一个单独的PH值控制器（Omega,PHCN-32）。
图1.用于起泡和安装螺旋桨和阿基米德螺丝的岐管系统
表1.在NELH和微藻培养基中的OTEC水中的营养物浓度
OTEC水
营养物 浓度
Inorganic carbon 2.5mm
Nitrate 39
Phosphate 3
Silicate 74
Zn 15nm
Cu 3.6nm
Co lt;30pm
Fe 64nm
Mn 20nm
Mo 136nm
培养基
营养物 浓度 铵/营养摩尔比率
Ammonium 1.00mm 1
Phosphate 0.10mm 10
Zn 1.67nm 6.0times;105
Cu 1.00nm 106
Co 1.07nm 9.4times;105
Fe 0.19um 5.4times;103
Mn 0.12um 8.5times;103
Mo 1.00nm 106
水槽实验是为了检验以下微藻类在浅水槽中培养的基本问题：
1.使用轮桨，螺旋桨和阿基米德螺旋泵循环水槽中的水的优点和缺点是什么？
2.为了系统性的混合在水槽中插入箔片束是否有用？如果有，是否有证据证明箔片相对于垂直方向以一个小倾角（大约23度）放置时比箔片相对于水平方向以相同倾角放置时效果更好？
3.直接向培养基中注入二氧化碳和以碳酸水的形式加入二氧化碳相比，前者的优点和缺点是什么？尤其是二氧化碳转化成有机碳的速率上有什么不同吗？
4.在水槽中进行批处理培养时海藻的生理机能是怎么变化的？这种海藻的生理机能变化和它在批处理循环中持续一天，两天或者三天的不同产量有关系吗？
前三个问题已经在为期8周的析因实验中得到解决，从1989年9月21日持续到11月16日。在这段时间中，其中两个水槽随机编号为1和2，使用轮桨；水槽3和4分别使用螺旋桨和阿基米德螺旋泵。在不使用箔片束的情况下，水槽中的水流速率为36-44。所有的培养菌在两天的批处理循环中培育，规定的生长速率为每天增加一倍（也就是说，培养基每两天被稀释到75%）。水槽1和4中直接注入二氧化碳，而水槽2和3加入碳酸水。
分析数据时，假设加入无机碳的方式对海藻产量没有影响，只要Ph值稳定在7.5以下。在8周的研究中，4个水槽中混合培养基（培养中没有箔片，也没有倾向水平方向或垂直方向的箔片）的方法都不相同。在6天的间隔中，其中两个水槽用一种方式混合，另外两个水槽用另外一种方式混合。通过将混合方式凉凉配对，以及在实验中合并所有可能的配对方式，希望去除任何由暂态噪声引起的人为现象，比如由于天气状况的不同。
构造箔片束的箔片是由宽15厘米，长28厘米，厚度为6毫米，平整的不锈铁板制成的。箔片始终与水平方向（水平箔片）或与垂直方向（垂直箔片）保持23度倾角，垂直方向水流方向一致。为了保持在水槽中的位置不变，箔片被固定在不锈铁杆上。箔片束在水槽中的位置间隔为1.2米。
从1989年6月7日到6月15日，进行了为期9天的生理学研究。在这段时间，所有的水槽中使用气提泵（如下）循环水，并且所有的无机碳添加物由直接注入二氧化碳提供。水槽中没有箔片束。因此水槽之间唯一不同的是批处理培养循环的时间长度。1号水槽每天稀释，2号水槽每两天稀释，3号和4号水槽每三天稀释。每种情况下水槽都被稀释，是为了强制保证海藻的平均生长速率每天增加一倍，先前的研究表明这个速率可以保证产量近于最佳。
水槽中的循环通过4种机理实现。在之前1989年5月和6月的研究中，水循环通过气提泵实现，这种气提泵与Law-set描述的那种类似。气提泵接入直径2.4厘米的PVC管道，管道在水下0.7米的地方排水。无油气体由7.5-hp的鼓风机提供。这种情况下的水流速度大约为25，比早期研究中的30的速度小。造成水流减小的原因是早期的研究中PVC管道位于水下1.4米。鉴于现在的系统，从多歧管的底部到水槽表面的距离仅仅只有1米，因此不可能达到像先前研究中那么大的提升。
使用螺旋桨，阿基米德螺旋泵和轮桨来循环水得到了很多令人满意的结果。轮桨由8个叶片构成，每片宽18厘米，长122厘米。叶片由木制成，木头表面覆盖着泡沫玻璃纤维。叶片安装在一个直径为7.6厘米的轴杆上，杆的两端直径缩小到5.1厘米以便容纳轴承和链传动装置。当沉入水中时，叶片延伸12厘米，并且到达底部3.8厘米处。当叶片进入水中之后，安装在导轮上重达18千克的紧链器可以吸收瞬时荷载。轮桨的轴杆安装在钢质的框架上。
阿基米德螺旋泵具有的叶片，直径为29.4厘米。轴杆是方的，边长6.4厘米。螺旋桨是三个叶片的塑料模型，安装在直径5厘米的钢质轴杆上。每个叶片的齿节和螺旋桨直径都是29.4厘米。
轮桨安装在连接多歧管的PVC管道上。螺旋桨和阿基米德螺旋泵安装在连接多歧管的三个PVC管道上。轮桨，螺旋桨和阿基米德螺旋泵都是由连接在1/6-hp发动机上的滑轮驱动的。发动机运转时为1745rpm。齿轮减速将轮桨数据减小到15.
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