基于响应面优化与无创成像技术的微藻可持续采收效率提升研究

为解决微藻生物质采收成本高、污染风险大的瓶颈问题，研究人员通过响应面方法(RSM)优化沉降参数，结合创新的无创摄影监测技术(SEGCI)，实现了蛋白核小球藻(Chlorella sorokiniana)和卷曲单针藻(Monoraphidium convolutum)最高96.14%的采收效率，成本降低79%，为规模化生物燃料生产提供了经济环保的解决方案。

　　

在应对全球能源转型与碳中和的背景下，微藻因其卓越的光合效率和多用途特性，被视为生物燃料、高值化合物和废水处理的理想原料。然而，传统采收方法如离心（能耗达5.8 kWh m^-3）和化学絮凝（残留铝/铁污染）成为制约产业化的关键瓶颈。被动沉降虽具环保优势，但其效率受pH、盐度等环境参数显著影响，且缺乏实时监测手段，导致规模化应用受阻。

针对这一挑战，曼苏拉大学理学院植物学系的研究团队以两种具有典型形态和生化差异的微藻——富含蛋白质的球形蛋白核小球藻（Chlorella sorokiniana）与富含脂质的椭球形卷曲单针藻（Monoraphidium convolutum）为模型，通过多维度实验设计结合机器学习辅助分析，在《Microbial Cell Factories》发表了创新性解决方案。

研究采用四大关键技术：(1)基于中央复合设计(CCD)的响应面方法优化pH(4-10)和盐度(5-35 ppt)参数；(2)开发基于OpenCV的图像分割算法实现细胞自动计数(R²=98.99%)；(3)首创时间序列摄影测量法(SE_GCI)无创监测沉降过程；(4)生化组分定量分析（Lowry法测蛋白、Bligh-Dyer法提脂质）。

【生长性能评估】
通过五种培养基对比，Bold基础培养基(BBM)使蛋白核小球藻达到29.59×10⁶ cells mL^-1的密度，显著优于BG11等培养基（p<0.05）。生化分析显示蛋白核小球藻蛋白质含量达61.6%，而卷曲单针藻脂质占比39.31%，为后续沉降差异提供了解释依据。

【沉降效率优化】
三维响应曲面分析揭示：酸性pH(4)和低盐(5 ppt)条件下，蛋白核小球藻获得96.14%沉降效率（19.5小时），卷曲单针藻达88.7%（35.42小时）。密封容器和小体积(40 mL)分别提升效率14%和24%，证实气体交换和流体阻力是关键调控因素。

【技术创新验证】
非侵入摄影法与传统OD_440nm测量高度吻合(R²=94.89%)，实现沉降过程零干扰监测。经济分析表明优化方案使采收成本降至0.71-1.01美元/kg，较离心法降低77-79%。

这项研究通过交叉学科方法，首次将响应面优化与计算机视觉技术结合应用于微藻采收领域。其建立的预测模型(调整R²>99%)不仅解决了环境参数敏感性问题，开发的无创监测技术更突破了传统采样法的局限性。特别值得注意的是，研究揭示了细胞形态（球形vs椭球）和生化组成（蛋白vs脂质）对沉降行为的决定性影响，为后续藻种选育提供了理论依据。该成果对推动微藻在生物能源（如生物柴油）、生物塑料等领域的工业化应用具有里程碑意义，其方法论框架还可拓展至其他微生物采收过程优化。