嵌套瓶式光生物反应器与跑道池联用系统提升钝顶螺旋藻混合传质及CO2固定效率的创新研究

本研究针对传统光生物反应器(PBR)存在的光能利用率低、混合传质效率不足等问题，开发了一种嵌套瓶式光生物反应器(NB-PBR)与开放式跑道池(ORWP)的联用系统。通过优化流体动力学设计增强涡流效应，该系统使钝顶螺旋藻(Arthrospira platensis)生物量干重提升38%(达3.1 g/L)，CO2固定效率提高39.9%，光合效率(Fv/Fm)增加8.7%，为微藻规模化培养提供了高效低碳解决方案。

　　

在全球气候变暖与能源转型背景下，微藻生物技术因其高效的CO₂固定能力被视为碳中和战略的重要突破口。然而传统开放式跑道池存在光照不均、混合效率低等问题，而封闭式光生物反应器则面临高能耗、成本瓶颈。如何突破微藻培养系统的传质-光能协同限制，成为制约产业化的关键科学问题。

浙江大学的科研团队在《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》发表研究，创新性地设计出嵌套瓶式光生物反应器(NB-PBR)与跑道池的联用系统。该系统通过独特的双柱三区结构产生双向涡流，结合15% CO₂气源供给，实现了培养液的连续循环优化。研究采用γ射线诱变获得的高CO₂耐受型钝顶螺旋藻突变株(Spirulina sp. ZJU9000)，通过pH探针法测定混合时间(MT)和传质系数(MTC)，利用AquaPen测量光合参数，并采用冻融循环法提取藻胆蛋白。

混合传质性能提升
NB-PBR的曲线臂结构产生多向涡流，使混合时间缩短至15秒，较传统PBR提升15.3%。气液接触路径延长促使CO₂气泡破碎细化，传质系数达3.23 h^-1，提升16.6%。这种"上升-下降"分流设计消除了培养死角，解决了传统系统依赖扩散传质的缺陷。

光合效能突破

联用系统使F_v/F_m值提升8.7%，叶绿素a含量显著增加。研究揭示NB-PBR的分区光照策略使藻细胞在明暗区间周期性移动，既避免光抑制又促进NADH氧化磷酸化，使光能转化效率达到理论峰值。

高价值产物合成

培养144小时后，藻蓝蛋白产量达123 mg/L，较传统系统提高11.8%。研究发现弧形结构产生的剪切力可刺激钝顶螺旋藻分泌更多藻胆体(phycobilisomes)，其中别藻蓝蛋白(APC)作为能量传递枢纽，将捕获的光能高效传递至反应中心。

CO₂固定强化

系统通过延长CO₂气泡滞留时间，使碳固定速率提升39.9%。pH动态监测显示，NB-PBR能快速平衡CO₂水化产生的H⁺，维持培养液在8.9-9.8的理想范围，为碳酸酐酶活性创造最佳环境。

该研究开创性地将流体力学设计与光合机理相结合，证实NB-PBR联用系统可使微藻生物量产率提升38%，且能耗未显著增加。这种"跑道池规模化+NB-PBR增效"的模块化设计，为工业级微藻培养提供了兼具经济性与高效性的技术范式，对实现生物制造碳中和具有重要实践意义。尤其值得注意的是，该系统对电厂烟气等高压CO₂气源展现出独特适应性，这为工业排放物的生物资源化开辟了新路径。