螺旋流涡旋助力光生物反应器高效固定微藻 CO2 ，开启低碳新征程

为解决微藻在光生物反应器（PBRs）中 CO2固定及生长的难题，研究人员开展了便携式锥形螺旋挡板（PCHB）对微藻生长影响的研究。结果表明，圆形 PCHB 可提升传质系数，促进微藻生长和色素积累，对优化工业 PBRs 意义重大。

　　在全球对能源需求不断攀升的当下，化石燃料因其在全球能源结构中占比约 85%，成为推动现代生活的关键力量。但它在带来便利的同时，也释放了大量温室气体，其中二氧化碳（CO₂）的排放尤为突出，使得全球气候变化问题日益严峻。在这样的大背景下，寻找可再生能源以替代化石燃料，成为科学界的重要任务。微藻，作为一种神奇的生物，进入了科学家的视野。它在固定 CO₂方面表现卓越，固定效率是维管植物的 2 到 10 倍，而且生长迅速，承担了全球约 45% 的 CO₂封存任务 。不仅如此，微藻还能利用光能合成高营养价值的生物质，富含多种对健康有益的化合物，在生物燃料、食品、制药和化妆品等众多行业展现出巨大的应用潜力。

不过，大规模培养微藻并非易事。在光生物反应器（PBRs）中，气体、热量、光和营养物质的传递过程极为复杂，严重影响微藻的生长和 CO₂固定效率。特别是在柱式光生物反应器（C-PBRs）中，虽然它具备诸多优势，如占地面积小、混合和营养分布良好、可有效减少生物膜积累等，但实现高效的 CO₂固定和氧气去除仍面临挑战，高效的混合和传质装置也亟待优化。

为了攻克这些难题，江苏大学的研究人员展开了深入研究。他们将目光聚焦在便携式锥形螺旋挡板（PCHB）上，希望通过这种独特的设计，优化 C-PBRs 的性能，提升微藻的 CO₂固定能力和生长效率。研究成果发表在《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》上，为微藻培养和 CO₂减排领域带来了新的希望。

在研究过程中，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：首先是数值模拟技术，借助 Rhino - 7 软件设计不同参数的 PCHB，并用 Ansys - 21 ICEM 和 Ansys Fluent - 21 R1 软件对 C-PBR 进行二维网格划分和 CFD 模拟，以此探究 PCHB 对 C-PBR 内流场的影响。其次是实验研究方法，构建多个实验室规模的 C-PBR，设置不同形状和尺寸的 PCHB，通过测量混合时间、传质系数，以及培养丝状螺旋藻（Limnospira fusiformis）来验证模拟结果。

研究结果如下：

• PCHB 在 C-PBRs 中产生螺旋流场：PCHB 显著改变了 C-PBRs 内气泡的流动模式和轨迹。与无 PCHB 的对照组相比，气泡在 PCHB 的作用下，不再直接上升到表面，而是在液体阻力的作用下，围绕 PCHB 循环多次后才到达顶部，大大延长了路径，增加了气液接触时间，促进了 CO₂的溶解。同时，PCHB 在 C-PBR 的中心内 section 产生了旋转和螺旋流涡，这种流涡增强了液体混合和气泡停留时间，提高了传质系数，刺激了微藻生长。
• PCHB 改善气泡混合和传质：研究发现，添加 PCHB 会延长液体的混合时间，促进营养物质的供应。不同形状的 PCHB 对混合时间的影响不同，圆形、倾斜和扁平 PCHB 相较于对照组，混合时间分别增加了 42%、46% 和 57% 。较大尺寸的 PCHB 会增大对 CO₂气泡上升的阻力，促使产生更多的涡旋和螺旋运动，进而提高传质系数。但过大的气泡停留时间会增加流动阻力，降低传质效率。在优化条件下，当 PCHB 尺寸为 0.05m、曝气速率为 0.03L/min 时，传质系数可达 4.95 ± 0.1 h^-1 。
• PCHB 促进微藻生长和光合荧光提升：培养实验表明，安装 PCHB 的 C-PBRs 中微藻的生长速率更高。在培养 120h 后，圆形 PCHB 使微藻干重比对照组、扁平 PCHB 和倾斜 PCHB 分别提高了 48%、34% 和 16% 。在培养过程中，溶液 pH 值先下降后上升。圆形 PCHB 使微藻的可变荧光与最大荧光比值（Fv/Fm）提高了 18%，增强了光利用能力和光化学效率，促进了微藻的光合作用。同时，C-PBRs 中安装 PCHB 后，CO₂固定速率也显著提高，圆形 PCHB 的 C-PBR 在 72h 时，CO₂固定速率达到峰值 0.212 ± 0.005g/L，远高于对照组的 0.097 ± 0.002g/L 。
• PCHB 刺激 C-PBR 中微藻的色素含量增加：与对照组相比，PCHB 培养的微藻细胞中类胡萝卜素和叶绿素 a 的浓度显著更高。圆形 PCHB 培养的微藻中，叶绿素 a 浓度比对照组提高了 31% 。此外，圆形 PCHB 的 C-PBR 中，藻蓝蛋白和别藻蓝蛋白的含量也最高，这对提高微藻生物质产量和商业价值具有重要意义。

综合研究结果，在 C-PBRs 中引入不同的 PCHB，显著促进了微藻生长。其中圆形 PCHB 效果最为突出，它使传质系数提高了 21%，微藻干重达到 2.81 ± g/L，远高于扁平、倾斜 PCHB 和对照组的 1.57g/L 。同时，PCHB 还增加了微藻的色素含量，圆形 PCHB 使叶绿素 a 含量比对照组提高了 26%，藻蓝蛋白含量提高了 18% 。研究证实，圆形 PCHB 能产生更强的螺旋涡旋，生成更小的 CO₂气泡，极大地提升了微藻的生长效率和 CO₂固定能力。

这项研究成果为优化工业 C-PBRs 提供了新的思路和方法，有望推动微藻在 CO₂封存和生物产业中的大规模应用，在应对全球气候变化和可持续发展方面具有重要的意义，为未来微藻培养技术的发展开辟了新的方向，让我们在实现低碳生活的道路上又迈出了坚实的一步。