电扩散法用于封闭式光生物反应器中生物污损局部去除的检测

《Algal Research》：Electrodiffusion method for local detection of biofouling removal in closed photobioreactors

　　

电扩散（ED）方法通过测量嵌入反应器壁面的微型工作电极处的扩散控制极限电流，实现了对封闭式光生物反应器（PBR）中已形成壁面沉积物局部水动力去除的检测。该方法基于局部壁面剪切速率与极限电流之间的定量关系，当污损层覆盖电极表面时，对流传质受阻，电流显著下降；当沉积物被水动力去除后，电流恢复至洁净壁面参考水平。研究人员在两种实验室规模构型中验证了该方法的可行性：模型管式系统（内径14 mm，工作体积约77 mL）和机械搅拌柱式反应器（内径200 mm，工作体积6 L），分别采用模型膏状物、单培养微藻生物膜和混合培养生物膜进行去除实验。研究定义了归一化平均电流In = IED/IC作为无量纲污损指示指标，其中IC为洁净壁面参考电流。结果表明，ED信号能够清晰指示局部沉积物去除的起始和进程：完全覆盖时电流趋近于零，部分去除时信号呈现高低值之间的间歇性转换，完全清洁时电流恢复至最大值。在管式系统中，沿轴向分布的五个电极展示了空间分辨监测的可行性；在搅拌反应器中，安装于碟形底部的电极成功捕捉了局部生物膜的水动力去除动态。与先前在匹配管式几何和水动力条件下获得的光透射法数据对比显示，两种方法在生物膜去除趋势上具有一致性。该方法不依赖光学通路，对培养介质的光密度、浊度或色素不敏感，因此适用于不透明、高密度或非透明培养系统，包括工业规模的搅拌反应器、鼓泡塔以及管式或平板PBR的不透明部件。研究结论表明，ED方法可作为封闭式光生物反应器中局部污损去除的有效指示手段，弥补了现有光学和重量分析法在不透明系统中无法提供连续、局部解析污损信息的不足。然而，生物膜形成和长期生长监测的适用性仍有待进一步验证。

论文解读

一、研究背景与意义

微藻是一类具有显著生物技术潜力的光合微生物，可应用于高价值化合物、生物燃料、色素、营养补充剂的生产以及废水处理等领域。封闭式光生物反应器（PBR），特别是管式和平板构型，因其能够维持无菌或近无菌条件、防止污染并提供明确的水动力和光照环境，已成为受控、高产量微藻培养的主要平台。然而，商业规模部署仍面临诸多关键操作挑战，其中生物污损——微藻细胞及相关胞外聚合物（EPS）在反应器内表面的粘附与积累——被广泛认为是最持久且经济影响最大的问题之一。

生物污损在封闭式PBR中经历一系列相互关联的阶段：浮游细胞初始可逆附着、EPS介导的增殖与不可逆锚定、生物膜成熟为粘性多层结构，以及最终碎片脱离并分散至主体培养基。EPS主要由多糖、蛋白质、核酸和脂质组成，在细胞-表面相互作用中发挥粘附基质和结构支架的双重作用，赋予生物膜机械稳定性和抗剪切去除能力。在涉及小球藻和 Dictyosphaerium 等物种的混合培养中，EPS基质可被群体结构和致密聚合物网络显著增强，导致生物膜具有比单培养更高的粘附强度和抗水动力脱离能力。污损层在受光照反应器表面的形成会降低光穿透，直接影响光合效率和生物质产量，严重污损甚至可完全消除有效光照。

控制生物污损的策略包括表面改性、水动力壁面剪切方法和定期清洁，其中水动力去除与本文检测方法密切相关。定量表征壁面剪切应力与生物膜形成或去除的关系具有直接实际意义：低于约0.2 Pa的壁面剪切应力可允许封闭培养系统中形成生物膜，而破坏已建立的生物膜需要超过6 Pa的壁面剪切应力，对于强健的混合物种群落有时需接近数十帕。

可靠的污损检测是实施有效控制策略的前提。现有监测方法包括基于光衰减或透射的光学方法、重量分析和显微技术、光谱分析以及电化学或阻抗传感器。光透射法虽已在小试（150 mL）到中试（120 L）规模得到验证，但本质上局限于透明反应器材料，在高生物量浓度下因悬浮培养物的体相光衰减干扰而变得不可靠，且无法应用于工业规模设备中常见的不透明或金属壁系统。电化学传感方法提供了一种补充途径，原则上不受培养介质透明度或光学性质的限制。电扩散（ED）方法最初为化学工程研究中的近壁流动诊断而开发，通过测量嵌入反应器壁面的小型工作电极处的扩散控制极限电流，其大小由探针附近的局部壁面剪切速率决定。由于测量原理基于壁-流体界面的局部电化学传质而非体相电导率或光学性质，ED方法对培养介质的光密度、浊度或色素变化不敏感，可直接应用于不透明、高密度或非透明培养系统。

尽管ED方法在化学和过程工程中已有成熟基础，但其在生物培养系统中用于污损监测和水动力清洁优化的潜力尚未被系统探索。现有PBR生物污损检测方法主要依赖光学或重量分析原理，缺乏在无光学通路条件下提供连续、局部解析污损信息的能力。工业规模和不透明培养系统——包括搅拌反应器、鼓泡塔以及管式或平板PBR的不透明部件——尤其缺乏现有监测能力的覆盖。本研究正是针对这一空白，评估ED方法作为两种实验室规模光生物反应器构型中已建立壁面沉积物水动力去除的局部解析指示手段。

二、关键技术方法

研究人员采用两种互补的实验室规模构型开展实验：模型管式系统（内径14 mm、长度0.50 m、工作体积约77 mL，集成于闭合液压循环回路，含5 L保留容器和蠕动泵）和机械搅拌柱式反应器（内径200 mm、工作体积6 L，配备两个径向挡板和直径70 mm的中央叶轮）。ED测量采用双电极构型：直径0.5 mm的铂工作电极平齐嵌入壁面，不锈钢辅助电极集成于反应器内部。测量前将培养介质补充NaCl至0.1 M以提高电导率，施加恒定直流电位并记录瞬时电流。污损指示采用归一化平均电流I_n = I_ED/I_C。实验涵盖三种污损类型：机械稳定的模型膏状物、单培养微藻生物膜（管式系统中7–10天通气培养）和混合物种生物膜。管式系统配置了单电极和五电极两种构型以实现空间分布监测。

三、研究结果

3.1 管式系统中模型膏状物的水动力去除检测

在管式系统中，研究人员对模型膏状物覆盖的电极进行了逐步增加流速的水动力去除实验。结果显示，当电极完全被膏状物覆盖时，ED电流趋近于零，归一化电流I_n接近0；随着流速增加，膏状物开始局部剥离，电流信号呈现间歇性高低值转换，反映电极表面交替覆盖与暴露的动态过程；当流速足够高、膏状物完全去除后，电流恢复至洁净壁面参考水平，I_n趋近于1。这一清晰的信号变化模式验证了ED方法能够指示局部沉积物去除的起始和进程。

3.2 管式系统中微藻生物膜的水动力去除检测

研究人员在管式系统内直接培养微藻生物膜7–10天后进行去除实验。与模型膏状物相比，微藻生物膜的去除表现出不同的动态特征：生物膜在电极表面的去除更为渐进，ED信号的变化幅度和响应时间与生物膜的结构和粘附强度相关。五电极构型的实验结果表明，沿管轴不同位置的电极记录了略有差异的去除动态，展示了空间分布监测的可行性，能够捕捉局部去除响应的轴向变异性。

3.3 搅拌反应器中沉积物的水动力去除检测

在机械搅拌反应器中，研究人员将ED工作电极安装于碟形底部距中心70 mm处——该位置是持续观察到密集生物膜形成的位置。通过逐步增加叶轮转速，ED信号从完全覆盖时的近零值逐渐恢复至洁净壁面水平。搅拌反应器中的去除动态与管式系统存在差异，反映了不同几何构型下局部水动力条件的差异。模型膏状物和真实微藻生物膜在搅拌反应器中的去除实验均显示了ED方法对局部污损状态的灵敏响应。

3.4 与光透射法的对比验证

研究人员将管式系统中ED方法获得的清洁分支趋势与此前在匹配管式几何和水动力条件下发表的光透射法数据进行了对比。两种方法在生物膜去除趋势上表现出良好的一致性，验证了ED方法作为污损去除指示手段的可靠性。这一对比具有重要意义，因为光透射法依赖于透明壁面的光学通路，而ED方法不依赖光学条件，两者的一致性表明ED方法可在光透射法不适用的系统中提供等效的污损去除信息。

四、讨论与结论

讨论部分指出，ED方法的核心优势在于其测量原理基于局部电化学传质，而非体相电导率或光学性质，因此对培养介质的光密度、浊度或色素不敏感。这一特性使其可直接应用于不透明、高密度或非透明培养系统，包括工业规模的搅拌反应器、鼓泡塔以及管式或平板PBR的不透明部件——这些系统正是现有监测能力最薄弱的领域。ED探针提供的是电极位置的局部测量，不代表整个反应器壁面的全局污损状态，这一特性既是优势（提供局部解析信息）也是局限（需要多点布置才能获得空间分布信息）。

研究结论表明，ED方法能够有效指示封闭式光生物反应器中已建立壁面沉积物的局部水动力去除起始和进程。归一化平均电流I_n提供了稳健的无量纲污损指示指标，适用于模型膏状物、单培养和混合物种微藻生物膜等多种污损类型。ED方法不要求对监测壁面具有光学通路，与光透射法在去除趋势上表现出一致性。然而，生物膜形成和长期生长监测的适用性仍有待验证——本研究的焦点是已建立沉积物的去除检测，而非污损形成的实时监测。未来的工作方向包括验证ED方法在生物膜形成和长期生长过程中的响应特性，以及探索其在更大规模和工业相关构型中的适用性。