一种用于在线测定微藻跑道反应器中传质速率和氧气生成速率的新方法

《Algal Research》：A new method for the online determination of mass transfer and oxygen production rates in microalgae raceway reactors

实时测定方法结合溶解氧监测与可控空气脉冲注入，成功解决了大规模raceway反应器中氧转移系数和产氧率的在线测量难题。研究表明氧产率与太阳辐射呈线性关系，沉泥部分贡献率达60%，方法有效提升了微藻培养系统的过程控制优化能力。

　　本研究提出了一种新的方法，用于在大型跑道式反应器中实时测定质量传递系数和氧气生成速率。该方法基于溶解氧（DO）测量和受控气脉注入，为微藻培养的光合作用性能和反应器内的气体交换机制提供了准确且实时的洞察。实验在80平方米的跑道式反应器中进行，反应器处于连续运行状态。通过在不同流量（125、250、375和500升/分钟）下进行受控气脉注入，能够在一天内评估氧气生成速率在不同光照强度下的变化情况。该方法设计为在不干扰培养稳定性的情况下运行，并确保对跑道式反应器中质量传递动态的连续监测。研究确定了该方法的最佳使用条件，并验证了结果的稳健性和准确性。实验结果表明，氧气生成速率与太阳辐射直接相关，呈现出线性趋势，这种趋势可以作为生物量生产效率的替代指标。研究确认了反应器底部区域（即“池”）在氧气脱附过程中起着至关重要的作用，质量传递系数在最大表观气体流速低于0.02米/秒时可达到200小时?1，随后进入均匀气泡阶段。这项研究为优化大型微藻生产系统提供了一个强有力的工具，使得能够进行实时性能监测和动态过程控制，从而提高生物量的生产效率。

随着全球对微藻工业生产的关注日益增加，微藻在制药、化妆品、营养补充剂、食品和饲料、农业以及其他废水处理、二氧化碳捕获和生物燃料生产等领域正逐步得到应用。微藻相较于传统作物具有显著优势，包括快速生长能力和能够在非耕地及非淡水环境中进行生产的能力。虽然异养和兼养生产方式是可能的，但传统的生产模式主要依赖太阳能作为驱动力。因此，微藻通常被培养在光生物反应器中，而光生物反应器的合理设计和操作对于优化生产效率至关重要。

在多种类型的光生物反应器中，跑道式反应器因其较低的成本和易于扩大规模而被广泛采用。然而，氧气的质量传递能力却限制了跑道式反应器的扩展。在光合作用过程中，微藻消耗二氧化碳并释放氧气，因此，二氧化碳的供应和氧气的去除能力决定了整个光合作用过程的性能。挑战在于既要避免碳源不足，又要防止因氧气积累过多而对微藻细胞造成抑制。这些限制因素与反应器底部区域的质量传递能力密切相关。研究表明，尽管氧气在通道和桨叶轮区域被释放到大气中，但反应器底部区域才是主要贡献氧气脱附的部分。此外，也确认了质量传递进入底部区域与底部区域的设计以及提供给该区域的气流速率有关。为了评估跑道式反应器中的质量传递能力，通常采用不含微藻培养的实验方法，使用传统的动态或稳态方法，但这些方法需要较长时间，并且涉及氮气或化学物质（如亚硫酸盐）的消耗。另一种方法则是采用数值模拟和计算流体动力学工具，但这种方法通常需要额外的验证步骤，而这些步骤在实际应用中往往未被实施。因此，需要新的方法来评估和校准现有大型反应器中的质量传递能力。

户外微 algae培养的性能并不是恒定的，主要原因是微藻在一天中和不同季节都会受到环境条件的变化影响，同时，其他扰动如不适宜的培养条件或病原体的存在也可能降低其性能。太阳辐射的日常变化是影响微藻细胞性能的主要因素，同时，太阳辐射和环境温度共同决定了培养液的温度及其性能。在培养条件方面，如果实施了适当控制策略，pH值和溶解氧浓度可以维持在其最佳设定值。否则，出现较大的偏差会降低微藻细胞的性能。此外，捕食者或寄生虫如水霉的存在，可以显著降低任何微藻培养的氧气生成和二氧化碳需求。为了评估大型跑道式反应器中的微藻培养性能，只采用离线测量方法，如干重或光呼吸测定法。然而，这在优化反应器管理方面是一个关键参数，因此，对于持续优化这些生产系统，需要在线测量。

近年来，对开放式光生物反应器的设计和操作进行了大量优化工作。然而，对关键参数如氧气生成和质量传递的准确和持续监测仍然是一个技术挑战，尤其是在动态户外条件下。传统的质量传递系数（kLa）测定方法通常涉及侵入性或非连续性的技术，如气体剥离、氧气富集脉冲或明暗循环，这些方法在大规模应用中存在困难，并且可能干扰系统的自然动态。相比之下，本研究提出的方法能够在不使用示踪气体或进行干扰性干预的情况下，利用溶解氧监测和受控气脉注入，实现对氧气生成速率和质量传递能力的在线和现场测定。这种方法代表了重要的技术进步，因为它允许在稳态、真实世界条件下进行持续评估，而不依赖于示踪气体或破坏性干预。该方法在跑道式反应器中的应用，为大规模量化光合作用活性和气体交换效率提供了一种新颖的解决方案，有助于更稳健的过程控制和优化微藻相关生产系统。

为了确保任何生物过程，包括微藻相关的生产过程，都能达到最佳性能，实施适当的控制策略至关重要。先进的控制策略是基于对系统行为的理解而开发的。如果由于微藻培养状态的变化而导致系统行为发生改变，那么控制策略也需要相应调整。可以开发自动程序用于在线调整控制参数，但所有这些程序都需要对系统行为进行在线测量。此外，如果具备能够预测培养行为的合适模型，就可以开发模型预测控制系统，以提前预知这些变化，从而实现系统的最佳性能。为此，对反应器质量传递能力和微藻细胞性能的在线测量具有很高的价值。

本研究的目标是开发一种用于在线传感器的测定技术，以评估大型微藻反应器中的质量传递能力和氧气生成速率。该技术主要针对跑道式反应器，但也可应用于其他类型的光生物反应器。此外，该技术对于开发稳健和可靠的微藻培养性能模型具有重要意义，这些模型可用于开发先进的控制策略，以最大化大型微藻生产系统的性能。总之，本研究提出的技术在微藻跑道式反应器的规模化和优化过程中具有强大的应用价值。