综述：下一代微藻和蓝细菌的生物加工技术：作为光合细胞工厂，用于实现生物质生产的规模化以及推动循环型生物经济的发展

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Next generation bioprocessing of microalgae and cyanobacteria as a photosynthetic cell factory for biomass scale up and circular bioeconomy

　　Fayaazuddin Thajuddin | Asraf Sithikka Rasheed | Priyanka Jayam Rajendran | Prakash Palanivel | Thajuddin Nooruddin | Dhanasekaran Dharumadurai
国家微藻和蓝细菌存储库 – 淡水（NRMC-F）（由印度政府科技部DBT资助），Bharathidasan大学，Tiruchirappalli，620 024，泰米尔纳德邦，印度

**摘要**
微藻和蓝细菌被认为是多功能的生物资源，能够应对从生物质生产、气候变化缓解、废水处理到生物能源和生物产品开发等多个全球性挑战。它们具有光合作用效率高、生长迅速、代谢灵活性强以及能够利用非耕地和废物流等固有特性，这使得它们既可用于技术先进的生物过程，也可用于低成本生物过程。最近的研究表明，通过整合先进的光生物反应器设计、多阶段培养技术和过程优化，可以提高微藻系统的体积生产力，从而应用于更广泛的领域。本综述全面评估了从基础实验室到中试规模培养系统的微藻培养和生物质生成过程，涵盖了从小规模到大规模的平台，以实现更高的生物质产量。除了培养之外，还评估了包括照明设施、收获、脱水、干燥和提取在内的整个生产链。开放式培养系统以低成本和可扩展性为优先考虑，但会牺牲控制性和纯度；而封闭式系统则能保证生产力与稳定性，但成本较高。混合培养系统为平衡生产力的稳健性和成本效益提供了有前景的策略。此外，本综述还整合了混合开放式培养、基于废水的资源回收以及人工智能/机器学习驱动的过程控制，构建了一个为下一代光合细胞工厂设计的完整框架，重点关注菌株选择、污染控制、光和气体传输限制以及经济可行性。因此，基于多组学、代谢工程和机器学习的解决方案被认为是下一代微藻生物过程和光合细胞工厂的关键因素。

**引言**
随着对可持续生物质来源需求的增加，微藻和蓝细菌在快速发展的生物经济中成为了战略资源，这得益于营养保健品、动物饲料、绿色化学品和低碳燃料市场的增长，以及减少能源碳排放和利用废物流的监管压力。这些光合微生物能够高效地将简单的二氧化碳、光和无机营养物质转化为富含脂质、蛋白质、碳水化合物和生物活性化合物的宝贵生物质，使其成为食品、燃料、饲料和生物产品的有前景的原料[1][2]。与陆地作物不同，微藻和蓝细菌可以在咸水、半咸水甚至废水中使用工业烟气或浓缩二氧化碳进行培养，同时捕获营养物质和污染物，从而在生物修复和生物质生产方面实现双重效益[3]。尽管微藻是真核生物而蓝细菌是原核生物，但两者在培养、生物质生成和增值策略上有很多共同点[4]。商业生物质生产依赖于受控培养系统，这些系统提供光照、碳和营养物质，并维持适当的温度、pH值和混合条件。主要分为两类：开放式系统（如跑道池、圆形池和静止池）和封闭式光生物反应器（如管式、平板式、气泡柱式和气升式设计）[5][6]。开放式池塘建设及运营成本较低，适用于批量、低价值产品，但存在污染风险和环境控制受限的问题；而封闭式光生物反应器则能更好地控制光照、温度、气体传输和污染，从而提高生产力，但资本和能源成本较高[7][8]。

微藻和蓝细菌可作为光合细胞工厂使用，根据光照和碳源的可用性，可采用光自养、异养、混合营养或光异养方式进行培养。操作方式可以是批处理、补料批处理、连续式、半连续式或两阶段配置[9][10]。连续式配置适用于批量化合物的生产，而两阶段策略则能独立优化生长和产物积累[9][10]。光自养培养适用于低成本、大规模操作，利用阳光和二氧化碳；异养模式可在生物反应器中实现高细胞密度，用于生产高价值产品（如多不饱和脂肪酸PUFAs）。混合营养培养结合了光自养和异养的优势，适用于含有有机碳源的废水处理过程[11][12]。从受控的实验室烧瓶到工业规模的开放式池塘、光生物反应器和生物膜系统，存在一系列相互关联的挑战，包括选择耐逆性强的菌株、设计高效传递光照和二氧化碳的光生物反应器、控制温度、防止污染和泡沫形成，同时将能源、营养和基础设施需求保持在经济可行的范围内。尽管进展迅速，大规模应用仍面临培养经济性、生物反应器配置、设计和放大、污染控制以及能源密集型下游处理等方面的挑战[13][14][15]。先进的光生物反应器设计和混合开放式/封闭式系统旨在平衡生产力与成本和可扩展性。

**循环生物经济**
循环生物经济通过从市政、农业或工业废水中回收氮、磷和有机碳来闭合营养和能源循环，利用烟气或其他排放物中的浓缩二氧化碳作为无机碳源。通过技术经济评估（TEA）和生命周期评估（LCA）将剩余生物质和副产物转化为生物燃料、生物塑料、生物肥料或生物刺激剂，从而将环境负担转化为有价值的原料[3][16][17]。本综述全面讨论了从实验室到工业规模的微藻和蓝细菌培养技术，并探讨了包括生长监测、收获、干燥和产物创新在内的可持续生物质生成过程。

**部分内容**
**实验室规模的微藻培养系统**
高通量微尺度平台和灵活的小规模批处理系统是实验室规模培养微藻和蓝细菌的两种主要类型。摇动烧瓶和光照微孔板是标准工具。光生物反应器也用于中试和大规模生物质生产，以实现协同生物处理。图1展示了广泛用于培养的微藻和蓝细菌。

**生长监测和生化分析**
有效的监测对于提高微藻生物质产量至关重要，可以提供生长速率和阶段数据，并筛查污染情况，从而确定最佳收获时间，有助于维持无菌培养[54]。微藻生长可以通过多种方法进行监测，例如使用血细胞计数器进行显微镜细胞计数，直接评估细胞活力。

**封闭式系统**
光生物反应器（PBRs）是封闭式培养系统，通过提供高度可控的操作条件来提高藻类培养的质量和过程稳定性。可以设计和优化PBRs以满足特定微藻和蓝细菌菌株的需求。这些方法所需土地面积较小，光照利用率高，显著降低污染风险。然而，PBRs也存在一些挑战，如生物污染、过热等问题。

**微藻生物质的收获**
收获的主要目标是高效分离并浓缩微藻生物质，这是简化后续提取过程的关键步骤。收获成本约占总生产成本的20-30%[169][170]。理想的收获过程是在低能耗和低维护要求下实现高生物质浓度[171]。微藻生物质可以通过多种方法进行收获。

**微藻生物质的干燥和储存**
为了保持生物质质量并降低微生物活性，需要去除约80%的水分。此外，生物质中的孔隙水含量会影响脂质提取效率，进而影响生物柴油的产量。有效的干燥方法应将水分含量降至≤10%，以适应各种工业应用。现有的干燥方法包括太阳能干燥和冷冻干燥等。

**在封闭式循环生物经济框架中的微藻生物质放大**
封闭式循环生物经济旨在使生物质、水、营养和能源在最高价值状态下循环利用，同时最小化不可回收废物。因此，生物质系统的设计必须结合回收和增值环节，而不仅仅是单独的生产挑战。生物质系统自然以循环方式运行，因为营养物质和水被回收再利用[209][210][211]。藻类可以从工业烟气或沼气中捕获二氧化碳。

**多组学**
多组学整合了基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学和脂质组学，以追踪细胞内和不同过程条件下的碳和能量流动[225]。多组学应用多种现代组学技术来深入了解藻类，为生物燃料、生物修复和高价值生物产品的广泛应用提供系统级理解[226][227]。下一代测序（NGS）的进步促进了当前菌株的注释。

**当前挑战和未来展望**
大多数野生或现有商业菌株在生产力、对外部环境变化的耐受性和理想产物特性方面存在不足，限制了大规模应用的可行性。通过生物勘探、诱变、代谢工程、藻球工程和适应性进化来改进菌株是主要研究方向，但在大规模应用中保持稳定性能仍具有挑战性[247][248]。生物污染是导致培养失败和生产力下降的主要原因。

**结论**
将微藻和蓝细菌的潜在价值从实验室评估转化为商业化培养是生物过程工程中的关键挑战，需要将生物学优化与技术和经济限制相结合。本综述系统地探讨了从实验室规模平台（如微流控光生物反应器和微孔板）开始的各类培养系统，实现了高通量筛选。

**利益冲突声明**
Dhanasekaran Dharumadurai声明获得了印度科技部生物技术部门的财政支持。其他作者声明没有可能影响本文工作的已知财务利益或个人关系。

**致谢**
我们衷心感谢印度政府科技部（DBT）对国家微藻和蓝细菌存储库 – 淡水及海洋（NRMC-F & M）（第二阶段）（BT/PR29901/PBD26/694/2018）项目的资助。同时，我们也感谢泰米尔纳德邦政府提供的首席部长研究基金（CMRG）（项目编号CMRG2023BMBO7047）和Rashtriya Uchchatar Shiksha Abhiyan（RUSA）?2.0生物科学（TN RUSA: 311/RUSA (2.0)/2018）的财政支持。