基于微藻闪光效应的光生物反应器分区设计方法

Designing photobioreactor from meeting single microalgal cell's physiologically optimum light requirement is hopefully to obtain maximum light efficiency and cell productivity, thus representing the future development of phobioreactors. Existing research of microalgae's flashing light effects (FLE) is unable to truly elucidate the physiologically optimum light conditions for microalgae cultivation and the corresponding photobioreactor design based on that also has problems of insufficiency in fulfilling FLE of microalgae and high energy consumed for fluid driving. This proposal plans to modify our existing FLE research platform to provide continuously-changing light conditions so as to largely simulate the true lighting history of microalgal cells inside a reactor, investigate the intrinsic photosynthetic responses of microalgae to these light conditions and deduce their equivalent quantitative description indices, establish photosynthetic kinetic model of microalgae under light-limited conditions, identify the physiologically optimum light conditions for microalgae cultivation and perfect the biological basis for photobioreactor design. Furthermore, this proposal will also investigate the reactor performance as affected by light distribution and algal suspension fluid dynamics via the light-intensity-continuously-changing light regions and dark regions which are naturally formed by the layered optical fibers in our existing 130 L optical-fiber photobioreactor, establish partitioning theory of light and dark regions which could reflect the practical light history and photosynthetic responses of microalgal cells and preliminarily form partition-design methodology of photobioreactors based on flashing light effects of microalgae.

从满足单个藻细胞对光照最佳生理需求的角度设计光生物反应器可望获得最大光效率和微藻细胞产率，代表着未来光生物反应器的发展方向。现有的微藻闪光效应研究尚无法真正揭示微藻培养的生理最佳光照条件，相应的光生物反应器设计也存在微藻闪光效应利用不充分且流体驱动能耗大等问题。本项目拟改进现有微藻闪光效应研究平台使其可提供连续变动光照条件，最大程度上模拟藻细胞在光反应器中的真实光照历程；研究此光照条件下微藻的本征响应特征及等效光合响应的定量描述指标，建立光限制条件下微藻光合响应动力学模型；明确微藻培养的生理最佳光照条件，以完善光生物反应器设计的生物学基础。另外，利用逐层排布的光纤所自然形成的光强连续变化的光区和暗区，研究光纤反应器中光强分布、藻液流体力学特性和反应器性能之间的关系，建立可体现藻细胞真实光照历程和光合响应的光区、暗区划分理论，初步形成基于微藻闪光效应的光生物反应器的分区设计方法。

微藻是一种重要的生物质，实现其各种利用的关键是微藻的规模化培养，其核心是光生物反应器。传统的光生物反应器设计通常不考虑藻液在光区和暗区之间的混合，仅将入射光强、反应器比表面积（S/V）、传质系数（kLa）等作为控制条件，由于未能抓住藻细胞照光的本质，经常存在实验室优化培养结果难以放大至室外大规模培养的现象。针对此问题，本项目提出了从满足单个藻细胞对光照最佳生理需求的角度设计光生物反应器的思路和方法，并据此开展了一系列的研究工作。按照任务书的计划完成了微藻闪光效应平台的改进，并在其上开展了钝顶螺旋藻、栅藻等藻种在各种不同光强的连续光照，以及不同光强、不同频率和不同光比例的间歇光照下的生长及放氧特性，明确了微藻培养的生理最佳光照条件；以胞内光合同化力水平为指标建立了反映微藻对不同光照条件本征响应的动力学模型；研究了光纤光生物反应器中的光区/暗区分布、藻液流体力学和藻细胞受光频率，并对微藻实际培养过程进行模拟，验证了基于微藻闪光效应动力学模型的有效性；明确了光生物反应器光区、暗区划分依据，初步掌握了基于微藻闪光效应的光生物反应器分区设计方法，以此方法设计了新型的板式反应器、气升式反应器及挡板开放池，证实了其光效率和微藻细胞产率相对于对照组获得了显著提升。本项目的研究为光生物反应器的设计和放大提供了一种可行的方法。