《Processes》：Influence of Volumetric Air Flow on Cyanobacteria Biomass Production in a Bubble Column Photobioreactor Using an Innovative Culture Medium and Phycocyanin Extraction
编辑推荐：
健康问题使得食品工业有必要寻找新的生物化合物来源。蓝细菌因其生物质内的化合物（如色素和蛋白质）而提供了解决方案。研究人员评估了稻壳水提物作为创新培养基，采用四种浓度（分别为16、32、48和64 g/L）用于Limnothrix sp.的生物质生产。48 g/
健康问题使得食品工业有必要寻找新的生物化合物来源。蓝细菌因其生物质内的化合物（如色素和蛋白质）而提供了解决方案。研究人员评估了稻壳水提物作为创新培养基，采用四种浓度（分别为16、32、48和64 g/L）用于Limnothrix sp.的生物质生产。48 g/L浓度的稻壳水提物在Limnothrix sp.生物质生产以及藻蓝蛋白和蛋白质含量方面表现出最佳结果。此外，研究人员在气泡柱光生物反应器中培养Limnothrix sp.，评估了三种体积气流量（分别为157、180和570 mL/min）。在180 mL/min的气流和特定光生物反应器几何结构（高径比10.67）下，通过Sauter直径测量的气泡尺寸为10.81 ± 0.36 mm，确保了内部混合，从而在24天培养中获得最高生物质产量（2.95 ± 0.07 g/L干重（DW）），蛋白质和藻蓝蛋白含量分别为0.29 ± 0.01 g/g和100.83 ± 0.10 mg/g。因此，气泡柱光生物反应器系统内由体积气流量产生的流体力学影响蓝细菌的生长以及蛋白质和藻蓝蛋白的积累，可用于食品工业和第三代生物精炼厂。
研究背景与立项依据：蓝细菌与微藻因富含蛋白质与色素被视为食品工业添加剂来源，其中Spirulina（Arthrospira platensis）已实现商业化。Limnothrix sp.为丝状光合蓝细菌，具速生与环境适应力，有望成为替代商业添加剂源。工业级培养需在能耗、环境与投资上优化，闭式气泡柱光生物反应器（PBR）因可控性强被选用，其高径比通常取1.5–20，混合依赖底部气体分布器注入气体，体积气流量与气泡尺寸直接决定传质与剪切。传统合成培养基（如BG-11）成本高，不可持续；农业废弃物稻壳富含碳水化合物、蛋白质、矿物与二氧化硅，适合作替代培养基，契合循环生物经济。基于此，研究人员开展以稻壳水提物为培养基、在气泡柱PBR中考察体积气流量（157、180、570 mL/min）对Limnothrix sp.生长及藻蓝蛋白、蛋白质积累的影响，成果发表于《Processes》。
主要关键技术方法：研究以墨西哥Cuatrociénegas盐沼“Mezquites River”分离的Limnothrix sp.（保藏于Coahuila自治大学化学院食品研究系）为对象；稻壳经定量酸水解（HPLC测糖）、Soxhlet提取与Kjeldahl定氮、XRD与XRF矿物表征后，以75℃ 1 h水提制得16–64 g/L稻壳水提物（RHE），紫外灭菌；先在空气流动玻璃瓶（AGF）中以157 mL/min筛培养基浓度，继而在高径比10.67、直径4.5 cm玻璃气泡柱PBR中以10%接种量、24天光周期（13 h光73 μmol/(m2·s) LED / 11 h暗）比较三档体积气流量；气泡尺寸用Canon相机摄于初始浊度期，ImageJ算Sauter平均直径d??；藻蓝蛋白用电场8 V/cm欧姆加热至50℃维持8 min促胞壁电穿孔后4℃暗置5天扩散提取，615/652 nm比色定量；蛋白质用25%乙醇-NaOH破壁、Bradford法595 nm定量；流体力学参数由截面风速Ug与通气功率方程核算；统计用单因素ANOVA与Tukey HSD（p<0.05）。
研究结果
3.1 稻壳原料化学表征：稻壳含纤维素37.87%、半纤维素10.51%、木质素12.13%、蛋白14.83%、脂质4.05%、灰分20.61%（其中SiO?占灰分91.24%），XRD示无定形SiO?特征峰，K?CO?峰证钾源，矿物可溶出供蓝细菌微量元素。
3.2 稻壳水提物培养Limnothrix sp.：RHE总糖随浓度升而增，48 g/L时初始碳水0.43 g/L、氮转移约2.17 g/100 g、Si溶出3.27%；AGF中48 g/L RHE获生物质2.78 g/L、蛋白0.28 g/g、藻蓝蛋白97.48 mg/g，优于BG-11（2.40 g/L）与水对照；64 g/L因色饱和度1.37致遮光抑制光合。RHE中无定形硅醇基（Si–OH）缓冲pH，减缓生长碱化与衰亡酸化。
3.3 气泡柱PBR体积气流量评估：48 g/L RHE下，180 mL/min获最高生物质2.95 g/L、碳水消耗65.95%、比生长率0.19 g/(L·day)，Sauter直径10.81 mm，通气功率18.50 W/m3；157 mL/min混合偏弱（消耗41.42%）；570 mL/min气泡d??达16.29 mm、湍流强致细胞机械损伤、蒸发81.54%、功率58.60 W/m3、最终生物质最低。180 mL/min对应Ug≈1.88×10?3 m/s，与文献微藻最优Ug吻合。溶解氧恒定，570 mL/min衰期盐度升示胞溶。
3.4 藻蓝蛋白提取与蛋白定量：180 mL/min组蛋白0.29 g/g、藻蓝蛋白100.83 mg/g（占蛋白34.60%），高于157与570组；提取后残余蛋白0.18 g/g可供他用。
讨论与结论翻译：本研究证实了稻壳作为水溶性生物活性化合物营养源支撑蓝细菌生长与藻蓝蛋白生产的可用性，确立了其作为中试规模生物质生产的有前景替代方案。此外，结果表明柱式PBR内气泡尺寸受体积气流量直接调控；优化该流体力学参数是设计曝气系统的关键特征，旨在最大化营养转移效率同时保全细胞完整性。后续研究应面向更大规模柱式PBR的流体力学优化，并在连续运行条件下评估藻蓝蛋白提取产率的长期稳定性，以推动第三代生物精炼厂发展。
