基于混合及微藻受光特性参数分析的光生物反应器优化与放大方法

Microalgae are photosynthetic organisms which have high contents of protein and lipid. They have important appliction value in the the fields of both bioenergy and CO2 emission mitigation as well as food industries. It is the first step that microalgae are cultivated massly in photobioreactor for application. Therefor, photobiorector is the key device for microalgae large-scale application. Recently, there appeared a worldwide upsurge of research on bioenergy and CO2 bio-mitigation using microalgae, so the needs for large-scale photobiorector with low cost and high performance is extremely urgent. So far the optimization and scale-up of photobioreactors including enclosed photobioreactor and open pond have be carried out empirically, and the efficiency is very low. The key factors and the formula for both the optimization and scale up of photobiorector have been unclear. This project will firstly obtain mixture and light regime parameters of microalgae in photobiorectors using a method intergrating CFD simulation and light attuention model. And then the sensitive parameters of microglage cultivation will be determined by combining the results of microalgae culture and the above parameters. Accordingly, photobiorectors will be optimized and scaled up, and then their perfomance will be verified by microalgae cultivation experiments. It is expected to establish a universal method for accurately optimizing and scaling up photobirorector, which could lay a solid fundation for the development of microalgae industries, expecially for microagal bioenery and CO2 fixation with mciroalgae.

微藻是一类富含蛋白质及油脂等成分的光合生物，在能源、CO2减排及食品等方面具有重要应用价值。微藻的应用首先是在光生物反应器中通过培养获得大量藻细胞，因此，光生物反应器是微藻大规模应用的核心装置，特别是近年来微藻能源及微藻固碳成为国内外研究热点，对低成本、高效率的大规模光生物反应器的需求尤为迫切。目前光生物反应器的优化与放大基本凭经验，优化效果不明显且光生物反应器放大（光程增加）后的微藻培养效率明显下降。制约光生物反应器优化与放大的关键因素有哪些？其方法又如何？亟待开展系统深入的研究。 项目拟采用CFD模拟与微藻光衰减特性相结合的方法，获得光生物反应器内混合及藻细胞受光特性参数，结合热模实验确定影响微藻培养效率的敏感性参数（群）。藉此，对光生物反应器进行优化和放大并通过培养实验验证，以期建立一套系统、可靠且具有普适性的光生物反应器优化与放大方法，为微藻产业特别是微藻能源和固碳的发展奠定基础。

背景：光生物反应器是微藻光自养培养的核心装置，其性能的优劣会显著地影响微藻培养产率及成本。因此，目前亟需高性能的光生物反应器以实现微藻高产率、低成本及规模化培养。然而，至目前光生物反应器的优化与放大基本凭经验，优化效果不明显且光生物反应器放大后微藻培养效率明显下降，即光生物反应器的优化与放大缺乏可靠的技术参数和有效的理论依据。因此，本项目的主要研究目的是建立光生物反应器优化方法和放大准则，为光生物反应器的设计、优化和放大提供理论依据。.主要研究内容：以平板式光生物反应器和跑道池为主要研究对象，通过计算流体力学和光衰减模型的结合，计算获得混合及微藻受光特性参数，并将其与微藻培养实验结果进行相关性分析，确定影响光生物反应器性能的敏感性参数；以此为基础，对平板式光生物反应器和跑道池进行优化与放大且通过热模验证，同时设计了新型结构的高效光生物反应器；在此基础上，提出并建立了光生物反应器优化与放大方法并进行验证。.重要结果：1）建立了混合及藻细胞受光特性参数的准确计算方法；2）确定了影响光生物反应器性能的敏感性参数群——流体在光照方向的速率、藻细胞的光暗循环频率及比光照速率；3）建立了“基于敏感性参数为核心的计算流体力学模拟和微藻培养热模验证相结合”的光生物反应器优化方法，其核心是使敏感性参数——流体在光照方向的速率及比光照速率最大化，使得藻细胞的光暗循环周期和流体的剪切力最小化；4）建立了“保持光生物反应器放大前后的比光照速率相等或相近，且同时保持藻细胞的光暗循环周期相同或相近”的光生物反应器放大准则。.科学意义：目前，已经发表SCI和EI收录的论文6篇，申请中国发明专利2项。上述研究成果，不仅具有重要的学术价值，还具有重要的应用价值。本项目的部分研究成果（如优化后的光生物反应器）已经成功在相关企业得到有效应用，显著地提高了微藻培养产率，产生了一定的经济效益。