微藻光自养培养过程中剪切力对藻细胞的伤害作用机制及其调控

Microalgae can assimilate CO2 and conduct photosynthesis to synthesis and accumulate the lipid, protein and other high-value compound such as pigment. Mixing is one of the key factors for photoautotrophic growth. Mixing can increase algal cell growth through enhancing the light-dark frequency and gas-liquid mass transfer. However, extensive emphasis is on the good side of the mixing, and the cell damaging by mixing-induced shear stress is always neglected. To date, it exists the greatly divergence on which is the main zone, including gas entrance zone, turbulent area, wall boundary layer and gas-liquid interface, where the algal cells are damaged by shear stress. It is not very clear about the mechanism of shear stress damaging the algal cell. In this project, firstly, various hydrodynamics parameters including shear stress inside the photobioreactor will be calculated by the means of computational fluid dynamics. Secondly, the hydrodynamics action which damage the algal cells and its corresponding zones will be determined through integrating the results of microalgae photoautotrophic growth. Lastly, the high-efficiency photoautotrophic cultivation of microalgae with best strategy of regulating the mixing degree will be established. The results of this study will be beneficial to optimization and scale-up of process of microalgae culture as well as photobioreactor.

微藻可通过吸收二氧化碳进行光合作用合成油脂、蛋白质及色素等其它高附加值物质，在能源、碳减排及食品等领域具有重要应用价值。混合是影响微藻光自养培养的关键因素之一，它具有提高细胞光暗循环频率及气液传质等促进藻细胞生长的作用。然而，目前在微藻光自养培养及光生物反应器的优化与放大过程中，过度地强调混合对藻细胞生长的促进作用而往往忽视了混合产生的剪切力对藻细胞的伤害作用。迄今，国内外有关剪切力对藻细胞可能产生伤害的主要区域（进气区域、湍流区域、壁面边界层及气液表面）的认识存在着分歧，尚未明晰剪切力对藻细胞伤害作用的机制。本项目拟采用计算流体力学计算获得光生物反应器中的剪切力等流体动力学参数；然后，结合微藻光自养培养，确定对藻细胞产生伤害作用的主要流体动力学行为及其区域；最后，建立具有最佳混合调控策略的微藻高效光自养培养工艺。本项目的研究结果可为微藻光自养培养及光生物反应器的优化与放大提供坚实的基础。

微藻在培养过程中可以吸收二氧化碳且藻细胞富含油脂、蛋白质及色素等多种高附加值物质。因此，微藻在碳减排、食品及食品添加剂、可再生能源等领域具有广泛的应用。混合在微藻培养过程中必不可少，但目前人们对于混合产生的流体剪切力对藻细胞伤害作用机制不太清楚，同时对于混合的有利因素（促进藻细胞光暗序号）和不利因素（流体剪切力产生的剪切伤害）对藻细胞生长的耦合作用影响也尚未明晰。因此本项目以小球藻和雨生红球藻为研究藻种，开展了不同混合强度下光生物反应器的混合特性参数计算及不同混合强度下的藻细胞培养，通过相关分析确定流体剪切力对藻细胞产生伤害的主要区域及相关条件，同时建立了含有光暗循环频率和流体剪切力参数的藻细胞的生长动力学理论模型并研究了剪切力保护剂对藻细胞生长影响，最后根据研究获得的相关机制及理论，开发并优化了多种光生物反应器并建立了基于混合调控策略的小球藻和雨生红球藻的高效培养工艺。.通过本项目实施：1）阐明了光生物反应器中流体剪切力对藻细胞产生伤害作用的主要机制，为光生物反应器的设计，尤其是为剪切敏感型藻种培养用的光生物反应器的设计、开发和优化提供了理论依据；2）明晰了混合的有利因素（藻细胞光暗循环等）和不利因素（剪切力）的耦合作用对藻细胞生长的影响规律，为微藻培养工艺的优化与放大奠定了扎实的基础；3）优化开发了多种低剪切力和高效率的光生物反应器并建立了藻细胞的高效培养工艺，这为微藻培养提供了高性能的装备并显著地提高了微藻培养产率。.上述研究成果不仅具有重要的学术理论价值，还具有显著地的应用价值。本项目研究确定的流体剪切力对藻细胞产生伤害作用机制已经成功应用于相关企业中搅拌式及管式生物反应器等微藻规模化培养系统的设计，开发的多种高效光生物反应器也已经在相关企业中得到成功应用。