《Algal Research》：Energy, environmental, and techno-economic assessments of a renewable energy-driven light-guiding microalgae cultivation system
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提出阶梯光纤/光导管光合生物反应器（SF-PBR），优化内部光照分布，微藻生物量达3.38g/L，碳固定效率712.29mg/(L·d)。生命周期评估显示培养过程环境影响显著，规模化至1000m3并采用风能供电后，单位藻粉全球变暖潜值降至18.32kg CO2-eq，成本77.00元/kg，系统具备经济波动适应性。
张静苗|任可欣|何家军|夏傲|黄云|周梦雪|朱贤清|朱迅|廖强
中国重庆大学低级能源利用技术与系统重点实验室，教育部，重庆，400044
摘要
微藻是一种具有显著碳固定能力的微生物，然而微藻光生物反应器（PBR）内的光照穿透通常会限制其碳固定效率。本研究提出了一种阶梯式光纤/导光管光生物反应器（SF-PBR），以解决PBR内部光传导和光照强度分布不均的问题，并对普通小球藻培养系统进行了能源、环境和技术经济评估。在6.67 W/L的光能输入功率、0.15 vvm的曝气率和5%的CO2浓度培养条件下，生物量浓度和平均碳封存率分别提高了至3.38 g/L和712.29 mg/(L·d)。该1 m3系统的每公斤微藻耗电约为102.71 kWh，微藻粉的成本估计为143.60 RMB/kg，由此产生的全球变暖潜力（GWP20）为每公斤微藻90.82 kg CO2-eq。培养过程对环境的影响大于收获、干燥和清洁过程。由于夏季日照时间较长，系统的GWP20降低了10.07%。当光/暗周期设置为12:12时，GWP20和微藻粉的成本分别降至每公斤微藻61.06 kg CO2-eq和77.00 RMB/kg。此外，即使在电价、PBR成本、微藻粉价格和税率波动±20%的情况下，该系统仍显示出显著的经济效益。
引言
2023年全球CO2排放量达到374亿吨[1]。微藻可以通过光合作用从大气和烟气中吸收CO2，积累有价值的产品，并在生物资源开发和环境保护方面展现出广泛的应用前景[2]。然而，在微藻培养过程中，光生物反应器（PBR）内的光照穿透显著减少，导致生长受到光照限制[3]。为了实现微藻PBR的内部照明，研究人员设计了在培养空间内安装LED照明面板的PBR，这被证明可以显著缩短光程、提高微藻生长速率并增加生物量产量[4]。然而，由于光源位于PBR内部，光源产生的热量会提高微藻悬浮液的温度，可能对微藻细胞造成热损伤，从而影响微藻的生长和产量[5]。因此，需要精确控制产生热量的内部光源或优化PBR内的热量散发。
导光材料可以将外部光源的光线传输到培养液中，替代内部光源[6]。作为常用的导光材料，光纤可以通过全反射高效地将光线从一端传输到微藻悬浮液中，为内部照明提供新的解决方案。对光纤表面进行化学或机械预处理以形成侧发光光纤可以提高光能利用效率[7]。然而，侧发光光纤的独特表面可能导致实际应用中的细胞附着问题，从而影响光发射和随后的光照分布。为了解决这个问题，建议将导光光纤放置在具有高表面光透射率的导光管内，从而减少微藻细胞与光纤的直接接触，防止附着，并确保光线在PBR中均匀释放到培养液中。
微藻领域最近出现了新型PBR和培养模式的发展，为微藻的产业化提供了新的机会[4]。然而，缺乏足够的理论基础和设计大规模微藻培养系统的指导方案，导致其工业应用进展缓慢[8]。为了促进产业化，必须全面评估这些系统的环境和经济影响[9]。从生态角度来看，不同PBR和不同培养条件下的微藻生产可能能耗较高，并可能加剧温室气体排放。生命周期评估（LCA）作为一种系统评估方法，可以详细量化微藻培养的环境影响，确定系统内的潜在优化重点，并提出改进措施以提高微藻培养系统的生态效益[10]。例如，Sarat Chandra等人证明，虽然气升式PBR系统的初级能源需求和全球变暖潜力（GWP）是跑道池系统的3.7倍，但通过优化培养条件将微藻产量提高8.9倍，可以将其GWP降低95%[11]。Prado等人证实，独特的热带气候条件可以缩短光照时间，减少绝缘模块的衰减，从而在微藻培养过程中减少电力输入并降低其环境影响[12]。
新型PBR和培养模式的初步测试和示范规模测试的初始投资通常非常高[13]，这限制了微藻生产技术的全面应用。因此，有必要对基于新设计的微藻反应器进行全面的技经分析（TEA）。这可以评估微藻PBR的性能以及系统建设和运行的可行性，为优化方案和工业应用提供数据支持和指导。Porcelli等人发现，柱式反应器中的人工照明成本很高，需要调整适当的照明时间和功率以降低微藻培养系统的经济成本[13]。Rezvani等人证实，平板反应器在人工光照条件下的经济性优于气升式和管式反应器，由于其高表面积和高产量，可以保持碳负状态[14]。此外，研究人员正在探索各种方法来提高微藻培养系统的技术经济方面。例如，专注于经济可行的光源[15]、转向更可持续的电能选项[16]、优化微藻培养基配方[17]以及缩小系统规模[18]，已被证实对提高系统盈利能力有积极影响。总体而言，对微藻培养系统的LCA和TEA评估可以发现改进能源消耗、环境影响和经济性能的机会，为微藻碳封存技术的实际应用提供重要的理论基础。
本研究开发了一种阶梯式光纤/导光管微藻PBR。评估了光输入功率、CO2浓度和曝气率对微藻产量、成分和碳封存率的影响。在中国内蒙古进行了全面的能源和环境评估以及技经分析，以揭示大规模微藻培养的能源和经济消耗、环境影响以及在不同规模和能源结构下的敏感性，内蒙古拥有丰富的可再生资源。
章节摘录
光纤/导光管光生物反应器设计
采用了一种内置的阶梯式光纤/导光管光生物反应器（SF-PBR）来培养微藻（图S1），通过优化生物反应器内的光照分布来提高碳封存性能[19]。SF-PBR包括一组光纤、一个导光管、一个圆锥形反射器和一个圆柱形培养室。
微藻培养
来自中国科学院武汉水生生物研究所的普通小球藻 FACHB-31在经过灭菌的
SF-PBR中的微藻培养
作为内部光源的阶梯式光纤/导光管显著提高了PBR内的光照均匀性[19]。随着LED输入功率的增加，PBR内的平均光照强度得到增强，为微藻进行光合作用提供了更多的光能。当光输入功率从1.67 W/L增加到6.67 W/L时，生物量浓度达到2.78 g/L[19]。同时，随着CO2浓度的增加，微藻的最终产量
结论
在本研究中，在6.7 W/L的光能输入功率、0.15 vvm的曝气率和5%的CO2浓度下，SF-PBR中实现了3.38 g/L的普通小球藻最大生物量浓度和712.29 mg/(L·d)的碳封存率。在内蒙古建立了一个SF-PBR微藻生产系统，并进行了生命周期评估和技经评价。评估了环境影响和系统对各因素的敏感性（包括生产
CRediT作者贡献声明
张静苗：撰写——原始草稿、方法论、数据管理、概念化。任可欣：撰写——原始草稿、调查。何家军：软件、数据管理。夏傲：撰写——审阅与编辑、监督、概念化。黄云：软件。周梦雪：调查。朱贤清：调查。朱迅：撰写——审阅与编辑、监督。廖强：撰写——审阅与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号：52236009、52021004、52106224）、重庆市自然科学基金（编号：CSTB2023NSCQ-JQX0005、CSTB2025NSCQ-GPX0774）、重庆海外归国人员创业与创新支持计划（编号：cx2022027）、中国电力建设集团公司科技项目资金（编号：DJ-ZDXM-2024-19）以及低级能源利用技术与系统重点实验室的支持
