天然虾青素产业化构思

1. 天然虾青素产业化构思 王俊 2012.12.2

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

3. 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”。 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。

4. 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。

5. 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

6. 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。

7. 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

8. 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 pero- xidase) 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）。

9. 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。

10. 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。

11. 以天然湖泊深层水为例 水源 臭氧分解 余氯检测 臭氧灭菌 过渡池 前处理 沉淀、过滤 氯法灭菌 泵 回收利用 雨生红球藻培养、光生物反应器养殖用水 废水处理 紫外/TiO2灭菌通道 泵 废水排出

12. 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。

13. 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。

14. 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。

15. 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 ）。

16. 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）。

17. 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%

19. 谢谢