《Algal Research》：Automating microalgal raceway pond operations using real-time spectroradiometric monitoring
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通过非接触式光谱辐射计实时监测藻类生物量浓度，并实现户外循环道池塘的自动稀释控制，验证了浊度统计和优化光照两种培养策略的有效性，分别使生物量产量提升51%和84%，同时解决了传统接触式传感器易污染的问题。
Song Gao | Christopher Katinas | Jerilyn A. Timlin | Thomas A. Reichardt | Scott Edmundson | Michael Huesemann
海洋与海岸研究实验室，太平洋西北国家实验室，1529 W Sequim Bay Road, Sequim, WA, 9838, 美国
摘要
生物质浓度是微藻培养中最重要的指标之一，用于追踪生长情况并指导操作。通常用于测量生物质浓度的传感器需要与培养基直接接触，但在长期应用中常常会面临生物污染等问题。在这项研究中，我们成功地将非接触式光谱辐射传感器集成到户外跑道池中，实现了实时自动稀释控制。通过利用传感器的数据，我们展示了两种培养策略在户外跑道池中的成功应用：对于浊度调节系统（turbidostat），光谱辐射传感器实现了自动稀释控制，从而使生物质浓度能够持续维持在预设的设定点附近；对于“优化光照”（Optimized Illuminance）策略，系统能够实时估计光照分布，并通过自动稀释培养液来减少暗区。在这两种情况下，稀释速率都能根据天气变化动态调整，从而显著提高生物质产量——与半连续稀释培养相比，浊度调节系统的产量提高了51%，“优化光照”策略提高了84%。尽管低太阳角度产生的噪声和泡沫状培养表面会影响传感器精度，但研究结果证明了光谱辐射传感技术在提高藻类产量、降低运营成本以及提升户外培养系统可扩展性方面的潜力。
引言
“综合筛选、品种优化与验证研究”（DISCOVR）联盟项目的建立旨在解决微藻生物燃料及其副产品商业化开发中的关键知识空白和技术障碍[1]。通过结合室内特性分析和室外试验的全面筛选流程，DISCOVR已经筛选出多个具有较高产量的稳健微藻菌株[2][3][4]。然而，进一步提高生物质产量仍然是一个重大挑战，因为这是影响藻类生物燃料生产成本的主要因素之一——这不仅是DISCOVR团队面临的问题，也是其他藻类养殖者所面临的难题[5]。
先进的培养方法比传统的批次或半连续批次培养方法具有更高的生物质产量，这些方法需要实时监测和控制。例如，在浊度调节系统中，通过将生物质浓度维持在合理的设定点来防止自遮蔽造成的光照限制，从而提高了微藻培养的生物质产量和色素产量[6][7][8]。另一种称为“优化光照”（OptiLum）的光驱动培养策略，根据光照穿透情况自动调节稀释，确保整个水柱始终处于光合作用光照范围内，从而最大化光合作用生长体积并最小化暗区中的呼吸消耗。一项室内台架实验表明，OptiLum培养方法几乎可以将生物质产量提高一倍，并降低最低销售价格[9]。尽管存在低太阳角度产生的噪声和泡沫状培养表面影响传感器精度等问题，但这些结果证明了光谱辐射传感技术在提高藻类产量、降低运营成本以及提升户外培养系统可扩展性方面的潜力。
菌株与培养基
本研究中使用的菌株是 LANL1001，它是DISCOVR联盟在户外开放式池塘中筛选出的表现最佳的菌株之一，具有较高的生物质产量和较强的适应性[4][19]。本研究使用的培养基与DISCOVR之前的一系列室外池塘试验中的培养基相同，但进行了部分调整[4]，其中含有0.2 g L?1硫酸铵、0.012 g L?1磷酸二铵和0.3 g L?1碳酸氢钠。
光谱数据
图2展示了一对典型的光谱数据，一个来自下行阳光（downwelling），另一个来自上行藻类培养液（upwelling）。这些光谱数据是在非接触式光谱辐射系统的典型工作时间内连续两秒内收集的。在模型拟合之前，对上行和下行光谱进行了预处理，以确保在低波长（<360 nm）和高波长（>1100 nm）处的光谱值为零。此外，光谱数据还被缩放到一个已知的光谱反射目标值。
结论
本研究展示了光谱辐射技术在实时生物质浓度监测和户外跑道池自动培养策略中的应用效果。非接触式传感器避免了传统浊度或光学密度传感器在长期使用中常见的生物污染等问题。在整个研究过程中，传感器仅在首次实验开始时进行了一次清洁。研究结果表明，该技术能够有效实现实时监测和控制。
CRediT作者贡献声明
Song Gao：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、软件开发、方法论设计、数据分析、概念构建。
Christopher Katinas：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、软件开发、数据分析。
Jerilyn A. Timlin：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、项目监督、资源协调、概念构建。
Thomas A. Reichardt：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文研究结果的财务利益或个人关系。
致谢
“综合筛选、品种优化与验证研究”（DISCOVR）联盟项目得到了美国能源部（DOE）能源效率与可再生能源办公室（Office of Energy Efficiency and Renewable Energy）生物能源技术办公室（Bioenergy Technologies Office）的资助。本文作者的观点和意见不一定代表美国政府或其任何机构的立场。美国政府或其任何机构及其员工均不对本文内容作出任何保证。
