《Biochemical Engineering Journal》：Advances in bioprocesses through innovative photobioreactor design and biorefinery schemes for sustainable astaxanthin production
编辑推荐：
•先进的光生物反应器确保光照均匀、气体传递及营养策略的稳定•PBR 设计通过改善生长动力学提高虾青素生产率•基于 LED 的照明增强光合作用和色素生物合成•生物炼制方法最大化生物质增值和资源回收•可持续设计降低成本、碳足迹和废物产生引言微藻是光合微生物，对全球初级生产和碳循环
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先进的光生物反应器确保光照均匀、气体传递及营养策略的稳定
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PBR 设计通过改善生长动力学提高虾青素生产率
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基于 LED 的照明增强光合作用和色素生物合成
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生物炼制方法最大化生物质增值和资源回收
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可持续设计降低成本、碳足迹和废物产生
引言
微藻是光合微生物，对全球初级生产和碳循环贡献巨大 [1]。它们将阳光和 CO?转化为生物质的能力，加上其高代谢灵活性，使其适用于从生物燃料、废水处理到高价值化合物生产等多种工业应用 [2], [3]。例如，雨生红球藻被广泛培养用于商业虾青素生产 [4]，而如小球藻和眉藻等物种则被广泛探索用于生物燃料生产、废水处理及其他高价值生物产品的合成 [5], [6]。特别值得关注的是它们的色素，尤其是类胡萝卜素，它们在光保护和抗氧化防御中起着至关重要的作用 [7]。类胡萝卜素通常分为初级类胡萝卜素和次级类胡萝卜素，前者是光合作用机械的组成部分，后者是在应对环境压力时合成的。在次级类胡萝卜素中，虾青素以其卓越的抗氧化能力和广泛的商业重要性而著称 [8]。
天然虾青素是一种红橙色叶黄素类胡萝卜素，由于其卓越的抗氧化活性引起了巨大的商业关注，据报道其效力强于维生素 C 和 E，比其他类胡萝卜素（如叶黄素和角黄素）强达 10 倍 [9]。它被广泛用于制药、营养保健品、化妆品和水产饲料中，目前合成虾青素主导着市场 [10]。微藻根据环境信号调节类胡萝卜素生物合成，在营养生长期合成如叶黄素等初级色素以支持光合作用，并在胁迫条件下合成如虾青素等次级色素。这种代谢转变代表了一种缓解氧化压力的适应策略。生长相关与胁迫诱导的类胡萝卜素之间的区别突出了微藻色素途径的功能多样性 [11]。然而，消费者对清洁标签和天然衍生成分日益增长的需求推动了人们对微藻虾青素来源的兴趣，特别是雨生红球藻，它在胁迫条件下可积累高达干细胞重量 4-5% 的虾青素 [12]。
尽管具有潜力，天然虾青素的商业规模生产仍面临与生产率、工艺稳定性、污染控制、可扩展性、能耗和生产成本相关的多项挑战。H. pluvialis的生长周期复杂，通常包括绿色的营养生长期，随后是由强光强度、营养限制或盐度等胁迫因子触发的红色孢囊期 [13]。这种两阶段培养需要仔细控制生长参数，使其在技术上要求高且在经济上投入大。此外，开放池塘中通常达到的低细胞密度和污染风险促使人们转向封闭的光生物反应器（PBR）系统，后者提供更好的控制和更高的生产率 [14], [15]。光生物反应器设计在优化光照输送、气体交换、混合和温度控制方面发挥着关键作用，所有这些直接影响生物质积累和虾青素生物合成 [16]。PBRs 为微藻培养提供受控环境，并越来越多地被采用以克服开放系统的局限性。在设计考虑因素中，优化光照供应，特别是强度和光谱质量，仍然是一个持续的挑战 [17]。发光二极管（LED）技术的应用已成为一种有前景的解决方案，能够在提高能源效率的同时精确控制光照条件 [18]。此外，结合不同的营养模式，包括自养、混养和异养，为培养过程引入了灵活性，通常会导致生物质和虾青素产量的增加 [19]。虽然优化培养条件至关重要，但仅此一点并不能保证商业可行性。一种旨在增值整个微藻生物质的生物炼制方法，提供了一种更可持续且经济可行的模型。通过将虾青素生产与脂质、蛋白质和碳水化合物等副产品的回收相结合，这种方法最大限度地减少了废物并最大化了从生物质中提取的总体价值 [20]。理解光生物反应器设计、操作参数和培养策略之间的相互作用，对于优化雨生红球藻生产至关重要。这些见解是提高虾青素产量、增强工艺效率并推动基于 PBR 的系统向商业可行性发展的关键。
本综述提出了对光生物反应器（PBR）系统在提高雨生红球藻虾青素生产中的作用的重点分析。由于反应器设计显著影响光照输送、气体交换、混合和温度控制，PBRs 代表了优化上游培养过程的核心组件。本综述强调了各种 PBR 配置（包括管式、平板式和垂直柱式系统）对细胞生长和虾青素积累的影响。特别关注光照管理、曝气策略和反应器几何形状方面的创新如何有助于提高生产率和可扩展性。此外，本综述考虑了不同 PBR 类型的操作可行性，包括能源效率和设计成熟度方面，以评估其适用于商业虾青素生产。通过整合 PBR 技术的最新进展，本综述旨在提供对其在工业H. pluvialis培养中的潜力和局限性的清晰理解。通过整合生物炼制方法，本综述突出了反应器设计如何增强生产力和循环经济价值。与本综述对齐的可持续发展目标（SDGs）7、9、12 和 13，提供了一种关于虾青素生产未来的新颖视角，通过创新驱动的可持续性架起实验室突破与工业部署之间的桥梁。
章节摘要
PBR 设计挑战与创新
本文审阅的文献是通过在 2025 年 1 月至 2026 年 1 月期间使用 Scopus、Web of Science、PubMed 和 Google Scholar 进行搜索收集的。搜索词包括雨生红球藻、光生物反应器（PBR）、虾青素生产、光分布、气液传质、LED 照明、规模化放大和混合光生物反应器。使用布尔运算符（AND, OR）组合关键词，并通过选择同行评审文章来细化搜索
雨生红球藻培养的反应器设计
雨生红球藻是虾青素最有效的天然生产者，虾青素是一种广泛应用于营养保健品、化妆品和水产养殖的高价值类胡萝卜素。然而，扩大H. pluvialis培养规模以满足全球需求面临着重大挑战。其中关键的是优化反应器设计，以最大化生物质和虾青素产量 [42]。
封闭光生物反应器（PBRs）因其能够提供...
反应器系统成本
培养系统的选择在决定H. pluvialis生产的总体成本方面起着关键作用。虽然传统的开放池塘系统提供了一种低成本的选择，但由于污染风险、光照不一致以及难以维持虾青素生物合成的最佳条件，它们并不适用于H. pluvialis [13]。因此，封闭反应器系统，特别是光生物反应器（PBRs），是商业H. pluvialis培养的优选。
技术经济与可持续性考量
雨生红球藻培养光生物反应器系统的进步引起了人们对其经济实用性和环境影响的日益关注。这些系统提供更大的控制能力，并能显著提高生产率。然而，照明、曝气和温度控制所需的能量往往导致高运营成本。与此同时，对碳排放、用水和养分投入的关注强调了评估其...
光生物反应器创新的前景
光生物反应器（PBRs）的发展预计将进一步完善，重点在于提高光分布、能源效率和自动化。未来的 PBR 系统可能采用适应性照明策略，如动态光调制和光谱调整，以提高雨生红球藻的光合效率和虾青素积累。此外，智能传感器集成和人工智能驱动控制系统可能实现对关键
结论
雨生红球藻的大规模培养以生产天然虾青素需要一种综合方法，将先进的光生物反应器工程与优化的培养策略和可持续性原则相结合。本综述强调了反应器设计的关键作用，特别是在管理光分布、气体交换和混合效率方面，决定了生物质产量和虾青素积累。LED 集成、混合
CRediT 作者贡献声明
Dileep Dasari: 撰写 - 原稿，调查。Reeta Rani Singhania: 撰写 - 原稿，指导。Dong Cheng Di: 验证，指导，资源。Anil Kumar Patel: 撰写 - 审查与编辑，验证，指导，资源，概念化。Chang Jo Shu: 验证，指导，方法论。Meesala Sudhakar: 撰写 - 原稿。
竞争利益声明
作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些可能会影响本文报告的工作。
致谢
RRS 和 AKP 感谢台湾 NSTC 的资助（编号 NSTC 114-2221-E-992-017 和 114-2221-E-992-018）。
Dileep Dasari|Reeta Rani Singhania|Jo-Shu Chang|Meesala Sudhakar|Cheng-Di Dong|Anil Kumar Patel
