光生物反应器系统优化：提升微藻生长与生物修复效能的设计与性能框架

这篇综述系统分析了管式（tubular）、平板式（flat-panel）、垂直柱式（vertical column）、混合式（hybrid）和膜集成（membrane-integrated）光生物反应器（PBR）的几何结构与操作策略，揭示了其如何通过光能利用、传质效率（mass transfer）和营养输送优化微藻生长。文章提出"设计-性能"关联框架，整合LED光谱调控、模块化混合配置等创新方案，为降低能耗（如CO2传输技术）和规模化应用提供技术-经济双维度解决方案。

　　

亮点

微藻分类与多样性

微藻是比高等植物更具遗传多样性的光合微生物，目前已鉴定超20万种，尺寸通常为5-50?μm。它们能适应极端环境（如极地和沙漠），并呈现独特的色素特征——比如某些种类会形成彩色斑块。

培养架构：开放池与PBR系统

光生物反应器(PBR)作为可控培养系统，通过精准调控光照、营养和温度提升微藻产能。当前研究聚焦于优化平板式、管式和柱式反应器的设计，以平衡生产率与扩展性之间的矛盾。

反应器操作模式

培养模式（分批、半连续和连续）直接影响生物质产量稳定性。连续培养能维持稳态营养供应，而半连续模式通过定期替换部分培养液可减少脂质波动——例如某研究中采用该策略使脂质生产率稳定在70.28?mg?L^?1?d^?1。

技术与操作挑战

高密度培养面临污染控制、CO₂传输和剪切力平衡等难题。例如，通气速率既影响气液传质（gas–liquid transfer），又可能因湍流损伤细胞。

技术创新

人工智能（AI）和物联网（IoT）技术正变革PBR控制：通过实时监测溶解氧和pH值，AI算法可动态调整光照周期，将光合效率提升25%。

关键讨论

尽管α型、螺旋型等新型PBR几何结构改善了光捕获效率，但其高昂的维护成本制约了工业化应用。例如，管式PBR在户外易受温度波动影响，而膜集成系统虽能减少污染但能耗较高。

结论

当前PBR技术仍需突破成本与能耗瓶颈。混合式配置（如结合开放池）可降低40%运营成本，而CFD（计算流体力学）与生长动力学模型的联用有望加速规模化进程。