户外五列平行水平管式光生物反应器中雨生红球藻虾青素积累的建模与优化

《Journal of Biotechnology》：Modeling and optimization of astaxanthin accumulation in Haematococcus pluvialis cultivated in outdoor five-row parallel horizontal tubular photobioreactors

　　

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  FFHT-ap/FFHT-ac模型阐明了波动光照-温度效应对虾青素的影响。
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  两个模型的可靠性在15.6 m³五排平行HTPBR中得到验证。
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  对15.6 m³ HTPBR的几何构型和运行条件进行了优化。
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  最高年虾青素生产率达到22.90 g m^-2 year^-1。

引言

虾青素是一种红色酮类类胡萝卜素色素。它主要作为人类膳食补充剂，此外还作为水产养殖中的饲料添加剂（Amendola等，2023）。该化合物可由多种生物从头合成，包括微藻、植物、酵母和细菌，也可通过化学合成产生（Zhou等，2025）。然而，化学合成的虾青素由三种光学异构体——(3S,3′S)、(3R,3′S)和(3R,3′R)——以约1:2:1的比例组成，导致其抗氧化活性相对较低（Tramontin等，2019）。相比之下，Haematococcus pluvialis（雨生红球藻）生物合成的虾青素主要由(3S,3′S)立体异构体组成，该异构体以具有最强抗氧化能力而著称（Jannel等，2020）。此外，H. pluvialis是已知生物中虾青素含量最高的，使其成为商业规模生产天然虾青素的首选。

鉴于特定胁迫因子——包括强光、温度变化、盐和活性氧（ROS）——可以诱导虾青素积累同时抑制H. pluvialis的生长（Boussiba和Vonshak，1991；Cordero等，1996；Tjahjono等，1994），其生产通常采用两阶段工艺（Park等，2014）。第一阶段在最佳生长条件下促进H. pluvialis生物量的快速积累，此时细胞活跃分裂。相比之下，第二阶段利用胁迫条件诱导虾青素积累，在此期间细胞分裂停止（Fei等，2022；Oslan等，2021）。先前的研究建立了序贯异养-稀释-光诱导（SHDP）策略以提高虾青素产量（Fang等，2019；Liao等，2023）。该两阶段工艺具体包括：通过发酵罐异养培养获得高密度H. pluvialis细胞，然后稀释并转移到室外光生物反应器中进行虾青素光诱导（Wan等，2015）。

在H. pluvialis虾青素生产过程中，水平管式光生物反应器（HTPBR）是用于大规模培养和光诱导的系统之一（Onorato和R?sch，2020）。由于其光程短、比表面积大、内部环境相对可控，且不易受外界生物污染，近年来HTPBR几乎完全取代了传统跑道池用于H. pluvialis的培养（Sathinathan等，2023；Yang等，2025）。在先前研究中，泵驱动HTPBR在异养培养的H. pluvialis光诱导中展现了优势（Fan等，2021a）。然而，针对异养细胞光诱导阶段的光生物反应器的优化尚待探索。因此，为促进SHDP工艺的产业应用，必须优化HTPBR的设计和运行以最大化光诱导期间虾青素的生产率。

模型可以指导和优化微藻生长和产品积累的过程（Wan等，2015；Yu等，2022）。然而，现有的H. pluvialis模型存在关键局限，如García-Malea等提出的针对220 L室外鼓风HTPBR的稳态数学模型，其忽略了关键环境因素。该模型虽然考虑了内部光照分布，却忽略了温度的影响（G García-Malea等，2006）。此外，发酵罐中H. pluvialis的异养培养可实现超过1.2×10⁷ cells mL^-1的细胞密度，通常为光自养培养（5×10⁶ cells mL^-1）的2-3倍（Ranjbar等，2008）。尽管有此优势，所得细胞对低温和高光强表现出更高的敏感性。这使得其光诱导需要使用比常规光自养细胞更高的初始接种密度。异养细胞和光自养细胞之间显著的生理差异导致不同的光诱导条件。具体而言，异养来源细胞增强的胁迫敏感性要求光诱导初期对环境参数进行更严格的控制，包括渐进式光照驯化和温度稳定。迄今为止，尚无研究调查HTPBR针对异养培养的H. pluvialis光诱导的优化设计，也没有已发表的工作涉及大规模室外HTPBR中异养细胞虾青素积累的建模。

为提高虾青素生产率，本研究建立了两个描述异养H. pluvialis细胞虾青素积累的模型，纳入了15.6 m³ HTPBR内的平均光照强度和温度。随后，通过室外实验验证了这两个模型。利用这些经验证的模型，采用正交实验设计对HTPBR的方向、几何构型和运行参数进行了优化。本研究首先开发了FFHT-ap（生产率模型）和FFHT-ac（含量模型），显式纳入了光照和温度的昼夜波动对异养预培养H. pluvialis虾青素积累的影响。本研究揭示了虾青素含量变化与环境及光生物反应器参数之间的关系。这些模型为优化气候条件与本研究相似地区的光诱导工艺和光生物反应器设计提供了理论基础。

章节摘要

微藻菌株和培养基

H. pluvialis（雨生红球藻）菌株ZY-18由嘉兴紫元生物制品有限公司提供。通过在20 m³发酵罐中使用改良NIES-C培养基（C和N含量均减半）培养该微藻，获得高密度异养细胞（Hata等，2001）。培养采用补料批次模式，维持乙酸钠浓度在1.6 g L^-1，并放大至最终体积10 m³。异养温度维持在25 ± 1℃。

15.6 m3 HTPBR中虾青素积累模型的建立

基于第2.5节中列出的假设，对HTPBR中异养H. pluvialis的光诱导过程进行了建模。使用Levenberg-Marquardt算法对15.6 m3 HTPBR（云南省石甸县；东经99.19°，北纬24.72°）的一年实验数据进行了非线性拟合，遵循先前建立的方法（Fan等，2021b）。该过程获得了FFHT-ap（虾青素生产率）和FFHT-ac（虾青素含量变化率）模型的参数。

结论

本研究开发了两个室外模型——FFHT-ap和FFHT-ac，用于预测HTPBR中培养的H. pluvialis虾青素积累。利用15.6 m3五排平行HTPBR在不同倾斜角下的数据进行验证，模型展现出高度可靠性，虾青素生产率和含量变化率的预测值与测量值之间最大偏差为21.44%。利用这些模型，对五排

CRediT作者贡献声明

Yu Tao： 撰写——审阅与编辑，撰写——原稿，验证，资金获取，形式分析。Wu Xiaoyue： 撰写——审阅与编辑，软件。Fan Fei： 撰写——原稿，验证，方法论。Bai Wenmin： 资源。Wang Weiliang： 撰写——审阅与编辑。Wan Minxi： 撰写——审阅与编辑，方法论，资金获取，形式分析。Li Yuanguang： 撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些因素可能影响本论文中报告的工作。

致谢

本研究受国家自然科学基金（项目编号32503223）、上海市自然科学基金（项目编号25ZR1402114和24ZR1416600）以及中央高校基本科研业务费资助。

Tao Yu|Fei Fan|Xiaoyue Wu|Weiliang Wang|Wenmin Bai|Yuanguang Li|Minxi Wan