基于三层托盘生物反应器的絮凝雨生红球藻生物膜培养技术高效生产虾青素

为解决雨生红球藻(Haematococcus pluvialis)传统悬浮培养系统成本高、采收效率低及生物膜"暗区"问题，中国研究人员创新性地开发了"壳聚糖-NaOH絮凝法+三层托盘生物反应器"联用技术。该研究实现了93.1%的绿色营养细胞采收率，通过生物膜再分布策略使虾青素(astaxanthin)生产的光能消耗降至9.42 kWh g?1 ，为天然虾青素商业化生产提供了经济高效的解决方案。

　　

在追求天然抗氧化剂的浪潮中，雨生红球藻(Haematococcus pluvialis)因其惊人的虾青素(astaxanthin)积累能力被誉为"藻类钻石"。这种被誉为"最强抗氧化剂"的红色色素，在抗衰老、抗炎和神经保护方面展现出独特价值，全球市场需求持续攀升。然而传统悬浮培养模式面临三重困境：昂贵的反应器建造费用、惊人的水资源消耗以及令人头疼的脱水工序。更棘手的是，新兴的生物膜培养技术虽然能提升产量，却陷入"暗区"(dark zone)的泥沼——深层细胞因光照不足变成"懒汉"，严重影响整体生产力。

针对这些行业痛点，中国科研团队开展了一项突破性研究。他们首先攻克了绿色营养细胞的采收难题，创新性地采用壳聚糖(chitosan)与NaOH协同絮凝方案，以93.1%的采收效率完胜传统离心法。更巧妙的是，研究团队设计了三层托盘生物反应器(tri-layer tray bioreactor)，通过独创的冲洗再分布策略，让躲在生物膜深处的细胞也能"晒太阳"，成功将虾青素生产的光能消耗优化至9.42 kWh g^?1
。这项发表在《Journal of Biotechnology》的研究，为天然虾青素的工业化生产开辟了节能高效的新路径。

关键技术方法包括：1)采用BG11培养基培养雨生红球藻GY-D34菌株；2)建立壳聚糖-NaOH双因素絮凝体系；3)开发具有自动冲洗系统的托盘光生物反应器(tray photobioreactor)；4)通过测量生物量浓度(OD680)、叶绿素荧光参数(Fv/Fm)等指标评估培养效果；5)采用HPLC定量分析虾青素含量。

【Microalgae strains and culture conditions】
研究选用商业菌株GY-D34，在BG11培养基中采用12h/12h光暗周期培养，光照强度30 μmol·m^?2
·s^?1
，通过CO₂
调节维持pH6.5-7.0，为后续实验提供标准化生物材料。

【Optimization of flocculation parameters】
通过系统优化发现，50 mg/L壳聚糖配合400 mg/L NaOH可在10分钟内实现93.1%的絮凝效率(FE)。电镜分析揭示其机制在于壳聚糖通过电荷中和与桥联作用，而NaOH通过调节zeta电位增强絮凝效果，该方法较离心法提升生物量产量18.7%。

【Conclusion】
研究证实生物膜再分布策略通过提升光能转化效率，使虾青素生产率达到204 mg·m^?2
·d^?1
。在150 μmol·m^?2
·s^?1
光强下实现9.42 kWh·g^?1
的行业领先能耗水平。

这项研究的创新性体现在三个方面：首先，首次将絮凝技术应用于雨生红球藻生物膜培养系统，解决了绿色营养细胞采收的规模化难题；其次，通过物理再分布策略巧妙破解了"暗区效应"这一行业瓶颈；最后，建立的光能消耗量化模型为工业化生产提供了精准的能耗预测工具。研究团队特别指出，该系统的模块化设计允许根据生产需求灵活扩展，其节水特性尤其适合水资源匮乏地区。这些突破使得室内高密度培养雨生红球藻生产天然虾青素的商业化前景变得清晰可期。