优化混合速率提升自冷却平板光生物反应器中钝顶螺旋藻（Arthrospira platensis）产量的关键研究

全球粮食需求增长，微藻作为潜在蛋白源备受关注。为解决微藻培养成本高、生产力低的问题，研究人员探究混合速率对钝顶螺旋藻（A. platensis）生长的影响。结果表明存在最佳混合速率，且建立的模型可靠。这为大规模培养提供依据，提升了 IRF PBR 技术的可行性。

　　在全球人口持续增长的大背景下，粮食需求日益增加，饥饿问题愈发严峻。据统计，全球每 9 个人中就有 1 人受饥饿困扰，预计到 2050 年，全球人口将达到 97 亿，对蛋白质资源的需求也会大幅提升。在这样的形势下，微藻凭借其在多个领域的巨大应用潜力，成为了研究的热点。其中，钝顶螺旋藻（Arthrospira platensis，俗称螺旋藻）更是因其丰富的蛋白质含量，成为极具潜力的高蛋白质来源，在食品、医药、化妆品、水产养殖及动物饲料等行业广泛应用。

然而，当前钝顶螺旋藻的大规模培养面临诸多挑战。传统的开放式跑道池塘虽然成本较低，但存在蒸发损失大、生物量生产力低、易受污染以及需大量土地等问题。而封闭式光生物反应器（Photobioreactor，PBR）虽能有效解决上述部分问题，如具有较高的生物量生产力、能更好地控制培养条件、减少蒸发导致的水分损失以及降低污染风险，但因其较高的建设和运营成本，限制了其大规模应用。因此，探索既能降低成本又不影响光生物反应器性能的策略迫在眉睫。

在众多影响微藻培养的参数中，混合速率对微藻生长和生产力有着至关重要的影响。优化混合速率不仅能提高光摄入能力和光生物反应器的整体效率，还能改善光分布和气体交换。但目前对于混合速率的研究仍不够深入，其对钝顶螺旋藻生长和生产力的具体影响尚不明确。

为了深入探究这些问题，来自澳大利亚默多克大学（Murdoch University）的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们旨在研究混合速率对钝顶螺旋藻在配备红外反射薄膜（Infrared Reflective Film，IRF）的平板光生物反应器中培养和生产力的影响，并建立生长模型来模拟不同条件下的反应器性能。该研究成果发表在《Algal Research》上。

研究人员采用了一系列关键技术方法。在实验装置上，使用两个 140L 的平板光生物反应器，其具有较高的表面积与体积比（SVR），且表面涂有红外反射薄膜，能有效控制温度。实验过程中，通过调节空气泵和流量计改变空气注入流量，进而调整混合速率。同时，利用水下温度记录仪、量子 PAR 仪和便携式叶绿素 a 荧光计分别监测培养温度、光合有效辐射（PAR）和有效量子产率（f'q/f'm）。在数据处理方面，运用数学模型模拟反应器温度和钝顶螺旋藻的生产力，并通过统计分析评估实验结果的显著性。

研究结果主要包括以下几个方面：

1. 混合速率对有效量子产率（f'q/f'm）的影响：研究发现，当空气注入流量增加时，钝顶螺旋藻的 f'q/f'm 会发生变化。在控制组中，以 0.21vvm（对应表观气速 0.00389m?s^-1）的空气注入流量培养时，f'q/f'm 在实验过程中保持稳定。而在实验组中，当空气注入流量超过 0.23vvm（对应表观气速 0.00426m?s^-1）时，f'q/f'm 显著下降。在 0.25vvm（对应表观气速 0.00463m?s^-1）时，f'q/f'm 降至平均 0.27，表明微藻受到较大压力；当流量进一步增加到 0.27vvm（对应表观气速 0.005m?s^-1）时，f'q/f'm 降至平均 0.18，显示微藻受到严重压力甚至可能受到损害。这表明在平板光生物反应器中，合理管理混合速率对于维持微藻的健康状态和最大化有效量子产率至关重要。
2. 适应期及初步见解：该研究在澳大利亚珀斯的春季进行，实验中观察到不同季节环境因素对钝顶螺旋藻生长的显著影响。通过对比春季和冬季的实验数据发现，尽管使用相同的 IRF 系统，但春季的生产力比冬季高出 41%。这主要是因为春季的光照强度和温度更适宜钝顶螺旋藻生长，充分说明了环境因素，尤其是温度和光照强度，在驱动钝顶螺旋藻生物量生产方面起着关键作用。同时，实验还发现，在适应期内，两个相同的 IRF 光生物反应器能够维持稳定的生物量浓度，进一步证明了 IRF 系统在不同季节优化培养条件的有效性。
3. 混合速率对 IRF PBR 中培养的影响：通过一系列批次实验，研究人员探究了不同空气注入流量（0.17 - 0.23vvm，对应表观气速 0.00315 - 0.00426m?s^-1）对钝顶螺旋藻生产力的影响。结果显示，混合速率的增加与生物量浓度和生产力呈正相关，但超过一定阈值（0.23vvm）后，继续增加混合速率对生物量生产力的提升不再显著。较低的空气注入流量（0.17vvm 和 0.19vvm）与对照组（0.21vvm）相比，生物量生产力差异显著；而 0.23vvm 与对照组的生物量生产力差异不显著。此外，研究还发现混合速率会影响光生物反应器内的温度调节和 pH 值变化。较高的混合速率能增强对流热传递，有助于稳定温度；而 pH 值的变化则与钝顶螺旋藻的代谢过程相关。
4. 热模型和生物量模型：研究人员建立了热模型和生物量生长模型来预测光生物反应器中的温度变化和生物量生产力。通过与实验数据对比验证，发现模型预测结果与实验数据高度吻合。生物量浓度模型预测的 R²值达到 94.5%，温度模型的 R²值为 81.2%，且预测值与实验值在平均温度和平均微藻生产力上的差异不显著。这表明模型具有较高的可靠性，能够准确模拟反应器性能，为优化大规模培养提供了有力的预测工具。

研究结论和讨论部分指出，该研究明确了混合速率对钝顶螺旋藻生产力的重要影响，找到了最佳混合速率条件，即表观气速为 0.00389m?s^-1时，生物量生产力最高。同时，季节因素对钝顶螺旋藻生长的影响也得到了充分验证，春季更有利于其生长。建立的数学模型与实验数据高度一致，可用于预测不同环境条件下的微藻生长和优化培养策略。此外，自冷却 IRF 系统在稳定培养条件、降低能源成本方面表现出色，为大规模微藻培养提供了一种节能的选择。然而，研究也存在一些局限性，如模型中未考虑动态 CO₂吸收、更详细的光衰减剖面、营养物质吸收动态和流体动力学等因素。未来的研究可以朝着这些方向进行改进，同时还可以将 IRF 技术应用于其他反应器设计，结合 AI 驱动的自动化控制，进一步优化微藻培养过程，提高生物量产量和运营效率，拓展其在不同微藻培养中的应用。

总的来说，这项研究为钝顶螺旋藻的大规模培养提供了重要的理论依据和实践指导，对于推动微藻产业的发展具有重要意义。它不仅帮助人们更好地理解混合速率和环境因素对微藻生长的影响，还为优化光生物反应器的设计和操作提供了关键参考，有望促进微藻在食品、医药等领域的更广泛应用。