全 文 ：第 １４卷第 １期
２０１６年 １月
生　 物　 加　 工　 过　 程
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｐｒｏｃｅｓｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏｌ􀆰 １４ Ｎｏ􀆰 １
Ｊａｎ􀆰 ２０１６
ｄｏｉ：１０􀆰 ３９６９ ／ ｊ􀆰 ｉｓｓｎ􀆰 １６７２－３６７８􀆰 ２０１６􀆰 ０１􀆰 ０１３
收稿日期：２０１５－０４－２７
基金项目：国家高技术研究发展计划 （ ８６３ 计划） （ ２０１２ＡＡ０２１７０４）；科技部国际合作项目 （ ２０１４ＤＦＡ６１０４０）；江西省重大专项课题
（２０１２４ＡＢＧ０４１０３）
作者简介：刘玉环（１９６３—），男，福建南平人，博士，研究员，研究方向：生物质炼制，Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｌｉｕｙｕｈｕａｎ＠ ｎｃｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
大规模微藻光生物反应器的研究进展
刘玉环１，２，黄　 磊１，王允圃１，２，阮榕生１，２，郑洪立２，巫小丹２，万益琴１
（１􀆰 南昌大学 食品科学与技术国家重点实验室，江西 南昌，３３００４７；
２􀆰 南昌大学 生物质转化教育部工程研究中心，江西 南昌，３３００４７）
摘　 要：微藻同时具备 ＣＯ２固定和有机废水生物净化的双重效果，且微藻生物质在食品、饲（饵）料、生物能源开发
等领域受到广泛关注，然而高效的微藻光生物反应器是微藻大规模养殖的重要瓶颈问题之一。 本文中，笔者综述
了封闭式微藻光生物反应器的类型、基本结构及其优缺点，对开放式微藻光合反应器陆续被改善、研发和试用进行
了介绍，同时对开发复合型微藻光合反应器以及采用封闭型微藻光合反应器制种和开放式光合反应器快速生产的
微藻养殖模式进行了简述，以期为微藻的大规模培养提供一定参考依据。
关键词：微藻；封闭型光生物反应器；开放型光生物反应器；混合型光生物反应器；两段式微藻培养
中图分类号：Ｑ９４９􀆰 ２　 　 　 　 文献标志码：Ａ　 　 　 　 文章编号：１６７２－３６７８（２０１６）０１－００６５－０９
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｍｉｃｒｏａｌｇａｌ ｐｈｏｔｏｂｉｏｒｅａｃｔｏｒｓ ｆｏｒ ｍａｓｓ ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ
ＬＩＵ Ｙｕｈｕａｎ１，２，ＨＵＡＮＧ Ｌｅｉ１，ＷＡＮＧ Ｙｕｎｐｕ１，２，ＲＵＡＮ Ｒｏｇｅｒ１，２，ＺＨＥＮＧ Ｈｏｎｇｌｉ２，
ＷＵ Ｘｉａｏｄａｎ２，ＷＡＮ Ｙｉｑｉｎ１
（１􀆰 Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｆｏｏｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ ３３００４７，Ｃｈｉｎａ；
２􀆰 Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ｂｉｏｍａｓｓ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｎａｎｃｈａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ ３３００４７，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｉｃｒｏａｌｇａｅ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｕｓｅｄ ｗｉｔｈ ｄｏｕｂｌｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｘａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｅｗａｇｅ ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ａｎｄ
ａｌｓｏ ｒｅｃｅｉｖｅｄ ｉｎｔｅｎｓｉｖｅ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｆｏｏｄ，ｆｅｅｄ ａｎｄ ｂｉｏｅｎｅｒｇｙ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｈｏｗｅｒｖｅｒ，ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ
ｂｏｔｔｌｅｎｅｃｋｓ ｉｓ ｈｏｗ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｐｈｏｔｏｂｉｏｒｅａｃｔｏｒｓ（ＰＢＲｓ） ｉｎ ａ ｌａｒｇｅ⁃ｓｃａｌｅ ｍｉｃｒｏａｌｇａｌ ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ． Ｗｅ
ｒｅｖｉｅｗｅｄ ｔｈｅ ｍａｊｏｒ ｔｙｐｅｓ，ｂａｓｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｌｏｓｅｄ ＰＢＲｓ． Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｅ
ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ，ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｒｉａｌｓ ｏｆ ｏｐｅｎ ＰＢＲｓ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ｆｉｎａｌｌｙ，ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｔｈｅ ｈｙｂｒｉｄ
ｔｙｐｅ ＰＢＲ，ａｎｄ ａ ｃｏｕｐｌｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｔｗｏ⁃ｓｔａｇｅ ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ： ｔｏ ｐｒｏｄｕｃｅ ｔｈｅ ｉｎｏｃｕｌｕｍ ｉｎ
ｃｌｏｓｅｄ ＰＢＲ ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｍａｓｓ ｐｒｏｄｕｃｔ ｉｎ ｏｐｅｎ ＰＢＲ，ｗｅｒｅ ｂｒｉｅｆｌｙ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ． Ｔｈｉｓ ｒｅｖｉｅｗ ｐｒｏｖｉｄｅｓ
ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｌａｒｇｅ⁃ｓｃａｌｅ ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｃｒｏａｌｇａｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏａｌｇａｅ； ｃｌｏｓｅｄ ｐｈｏｔｏｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ； ｏｐｅｎ ｐｈｏｔｏｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ； ｈｙｂｒｉｄ ｐｈｏｔｏｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ； ｔｗｏ⁃ｓｔａｇｅ
ｍｉｃｒｏａｌｇａｅ ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ
　 　 微藻广泛分布在陆地、海洋，能有效利用光能、
ＣＯ２进行光合作用，其富含蛋白质、油脂、色素及多种
不饱和脂肪酸等生理活性物质，是食品、动物饲料、生
物能源、医药及精细化工等领域的重要原料来
源［１－４］。 微藻在光自养过程中可固定大量 ＣＯ２，同时，
微藻的养殖可与工业废气、有机污水的处理相结合。
利用热电厂烟道气、沼气发电尾气作为微藻的碳源，
利用经过预处理的养殖企业沼液、酿造企业废水作为
微藻培养基，可以显著降低微藻的规模化生产成
本［５－６］。 基于微藻的这些特征，使得微藻的规模化养
殖及其资源化利用得到国内外广泛的关注。
目前，微藻的大规模、产业化生产仍受限于微
藻光生物反应器的研制。 虽然大量不同构造的微
藻光生物反应器已被开发出来，但能真正高效用于
微藻大规模培养的光生物反应器并不多，其主要挑
战在于如何同时降低微藻光合反应器的制造、运行
以及维护的成本与提高微藻生产能力这两
方面［７－９］。
微藻培养反应器有开放式光生物反应器和封
闭式光生物反应器两大类。
封闭式光生物反应器能够更好地控制培养条
件，降低污染，获得更高的微藻生物量［１０］，但是高昂
的造价及维护成本限制了其在大规模微藻培养中
的应用，现在它的应用主要在实验室或小规模培养
方面。 封闭式光生物反应器一般适合于采用人工
配制无菌的培养基，在严格的人工控制条件下，培
养基因工程藻种或高密度培养微藻以生产高附加
值的藻类产品，如食品添加剂、保健食品、药品等
方面［１１－１２］。
在商业化大规模的微藻养殖过程中，为了降低
生产成本，一般采用像沼液、啤酒废水、养殖废水等
较为低价的培养基，来生产附加值相对低的饲料用
微藻、生物能源原料微藻。 因为，商业化的微藻培
养过程实际上是处理大量的高生物需氧量（ＢＯＤ）
的养殖业和发酵工业的废水，来产出有益的生物
质，从而得到污水处理的环境效益和一定的社会经
济效益。 开放式光生物反应器构建简单、成本低及
操作方便，因此目前大部分微藻商业培养使用的是
开放式光生物反应器。 开放式光生物反应器要考
虑的问题包括如何通过简化结构降低造价和提高
可靠性，提高土地利用效率，降低光合反应器的运
行和维护成本；如何充分利用阳光、ＣＯ２以及重力来
实现节能；商业培养使用的开放式光生物反应器还
要考虑如何控制病虫害以及其他可能的污染。
本文中，笔者将综述封闭式微藻光生物反应器
的类型、基本结构及其优缺点，对开放式微藻光合
反应器的陆续被改善、研发和试用进行介绍，同时
对开发复合型微藻光合反应器以及采用封闭型微
藻光合反应器制种和开放式光合反应器快速生产
的微藻养殖模式进行简述。
１　 封闭式光生物反应器
封闭式光生物反应器一般可以分为柱状光生
物反应器、平板式光生物反应器、管道式光生物反
应器和搅拌型光生物反应器，下面对它们的特点进
行详细分析。
１􀆰 １　 柱状光生物反应器
柱状光生物反应器主要由透明圆柱罐、气体分
布装置、温度控制装置、光源组成。 圆柱罐体材质
一般是玻璃或透光塑料，在圆柱罐底部设有气体分
布器，顶部是气体分离区，温度控制装置多为在圆
柱罐体内侧环形设置与冷却水连通的换热管，这类
反应器光源能够利用太阳光或人造光源，有外置和
内置两种方式［１３－１４］。 外置光源操作方便，但光能利
用率低；内置光源较大地提高了光的利用率，但由
于其产生的热量、细胞的附壁和清洗不便限制了内
置光源的应用。
气体分布器是影响柱状光生物反应的微藻光
合效率的重要因素。 因为藻液的混合搅拌通过气
体提升实现，此过程产生的剪切力小，对藻细胞破
坏比机械搅拌少，同时，藻液循环流动使藻细胞不
断经过光区和暗区，这使微藻的培养更充分。 气体
分布器使用的材质可以是不锈钢或中空纤维膜，其
中，中空纤维膜型能产生更小气泡，藻液混合效果
更显著［１５］。 柱状光生物反应器又可分为鼓泡柱光
生物反应器和气升式光生物反应器，其中气升式光
生物反应器有同轴管式、分隔柱式和外循环式 ３ 种
类型［１６］（图 １）。 气升式光生物反应器有上升区和
下降区两部分，气体分布器设在上升区底部，从中
喷出 ＣＯ２混合气，由于上升区下部气含率大、其密度
小、培养液轻，以达到使上升区的液体上升的目的，
当液体到达上升区的上部时，由于上部空间大，气
体从培养液中逸出，再通过气体分离区从排气口排
出，同时培养液变重，从下降区流回，到反应器底部
时又循环进入上升区，形成反复的循环。
Ｋａｍｏｎｐａｎ等［１７］比较了鼓泡柱反应器和同轴管
气升式反应器中 Ｈａｅｍａｔｏｃｏｃｃｕｓ ｐｌｕｖｉａｌｉｓ 的高浓度培
养，其中反应器培养体积 ３􀆰 ６ Ｌ，温度控制在 ２７ ℃左
右，荧光灯沿反应器平行安置，通过调整荧光灯的
数量以及灯与反应器的距离来控制光强。 结果发
现，在相同条件下，气升式反应器能获得更高的生
物量，气升式反应器中细胞浓度和生长速率分别为
６６ 生　 物　 加　 工　 过　 程　 　 第 １４卷　
７􀆰 ９５×１０５ ｃｆｕ ／ ｍＬ和 ０􀆰 ４５ ｄ－１，鼓泡柱反应器中细胞
浓度和生长速率分别为 ４􀆰 ２ × １０５ ｃｆｕ ／ ｍＬ 和 ０􀆰 ３６
ｄ－１。 这可能是因为气升式反应器中藻液能沿轴循
环流动，延长藻液培养流程，而鼓泡柱反应器中藻
液是随机混合流动的，藻细胞接收的光照不均
匀［１８］。 而 Ｓａｎｃｈｅｚ等［１６］研究使用鼓泡柱反应器和
同轴管式、分隔柱式反应器批次培养 Ｐｈａｅｏｄａｃｔｙｌｕｍ
ｔｒｉｃｏｍｕｔｕｍ，结果发现，在 ３ 种反应器中，微藻最终生
物量和藻生长速率都差别不大，其中在藻指数区最
大的生长速率为 ０􀆰 ０８ ｈ－１。
图 ２　 ２种平板式光生物反应器
Ｆｉｇ􀆰 ２　 Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ （ａ） ａｉｒｌｉｆｔ ＦＰ⁃ＰＢ ａｎｄ （ｂ） ｐｕｍｐ⁃ｄｒｉｖｅｎ ＦＰ⁃ＰＢＲ
柱状光生物反应器具有传质效率高、混合均
匀、剪切力小、能耗低、不存在氧解析困难、操作简
便等优点，但这类反应器存在单位直径过小、光照
面积小、大规模应用造价高、放大困难等问题，现多
应用于实验室规模的高效培养微藻研究。
图 １　 ４种柱式光生物反应器
Ｆｉｇ􀆰 １　 Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ （ａ） ｂｕｂｂｌｅ ｃｏｌｕｍｎ ＰＢＲ，
（ｂ） ｄｒａｆｔ⁃ｔｕｂｅ ａｉｒｌｉｆｔ ＰＢＲ，（ｃ） ｓｐｌｉｔ⁃ｃｏｌｕｍｎ
ａｉｒｌｉｆｔ ＰＢＲ ａｎｄ （ｄ） ｅｘｔｅｒｎａｌ⁃ｌｏｏｐ ａｉｒｌｉｆｔ ＰＢＲ
１􀆰 ２　 平板式光生物反应器
平板式光生物反应器具有光照比表面积（Ｓ ／ Ｖ）
大的特点，广泛用于微藻光合培养。 反应器的透光
材质可以是玻璃、树脂玻璃以及聚碳酸酯等，其中
材质的厚度对光的路程以及反应器比表面积有影
响，厚度越小，光路程越小，微藻光合效率和生物量
越高［１９］。 反应器形状多是垂直立方形，户外规模培
养时反应器通常倾斜一定的角度以获得最佳的入
射光强度［２０］。 根据藻液混合的方式可分为气升式
平板光生物反应器和泵循环平板光生物反应器 ２种
类型（图 ２）。 下面则举例来说明此类反应器的具体
特点和应用。
苏贞峰等［２１］自制一气升式平板光生物反应器，
反应器材质为 ２０ ｍｍ厚透光玻璃，气体分布器上打
有 ２０ μｍ小孔，ＣＯ２混合气以 ５００ ｍＬ ／ ｍｉｎ 的流量从
底部气体分布器通入，水浴控制反应器温度在 ３０
℃，光强度 ６０ Ｌ·ｍｏｌ ／ （ｍ２·ｓ），实验中培养液体积
１􀆰 ２５ Ｌ，１０ ｄ 后培养得到螺旋藻最高生长速率 ０􀆰 ３
ｇ ／ （ｍ２·ｈ）。 Ｂｏｊａｎ 等［２２］开发的平板式光生物反应
器由微藻培养和水浴控温 ２ 个矩形室组成，微藻培
养室和水浴控温室玻璃厚度分别为 ２５ ｍｍ 和 １５
ｍｍ，微藻培养室采用气升系统促进藻液混合，气体
分布器是 １ 根 ２４０ ｍｍ 的不锈钢管，均匀分布有 ２０
个直径 １ ｍｍ 小孔，通过水浴控温室来控制微藻培
养的温度，在距离水浴控温室 ３０ ｃｍ 处装有与反应
器等高的 ＬＥＤ 灯阵列，总个反应器系统的尺寸是
２７０ ｍｍ×３４０ ｍｍ×２２０ ｍｍ。 传统的平板式光生物反
应器在藻液混合、反应器的清洗等方面尚不理想，
许多学者对其进行了改良。 Ｈｕａｎｇ 等［２３］通过在反
７６　 第 １期 刘玉环等：大规模微藻光生物反应器的研究进展
应器内部添加导流板，以增加湍动，促进藻液的混
合。 吴怀之等［２４］提出一种可组装结构，对平板式光
生物反应器进一步改善，可实现反应器的快速拆卸
清洗再组装。
平板式光生物反应器具有光照表面积大、微藻
浓度高、混合均匀等特点，适合于微藻大规模培养
应用，但反应器由于短光程放大较困难，如果增大
反应器的高和宽度，放大反应器，其尺寸应限制在
２～３ ｍ［２５］；反应器的放大宜通过增加反应器单元来
实现，但这增加制造成本。
１􀆰 ３　 管道式光生物反应器
管道式光生物反应器具有光照表面积大的特
点，利用空气泵或气升系统实现培养物在管道内循
环［２６］。 目前，已开发设计出不同类型的光合管道，
包括水平式、倾斜式、螺旋形、锥形等（图 ３），其管道
直径小，一般不超过 ０􀆰 １ ｍ［１０］。
图 ３　 ２种管道式光生物反应器
Ｆｉｇ􀆰 ３　 Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ （ａ） ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ＴＰＢＲ ａｎｄ （ｂ） ｈｅｌｉｃａｌ ＴＰＢＲ
　 　 管道式光生物反应器内部极易发生微藻细胞
的附着而出现细胞贴壁现象，此现象会导致管道表
面粗糙，增大流体阻力，会进一步增加贴壁现象的
发生，最终会影响反应器的透过性，内部微藻细胞
吸收光线不足，导致微藻光合效率下降。 为降低贴
壁现象的影响，现使用的措施有：保持管道内侧的
光滑、减少管道内部装置和弯道、增大管道内径以
提高藻液流速、安装自动清洗设备［１０］。
大多数经济型微藻的最适生长温度在 ２０ ～ ３０
℃，因为低温会使微藻生长减缓，而高温则会抑制
微藻生长，甚至造成死亡。 然而，封闭式光生物反
应器中温度会比周围环境高出 １０ ～ ３０ ℃ ［１０］，所以，
管道式光生物反应器控制温度方法主要有在管道
上盖遮阳物［２７］、喷淋冷却水［２８］、管道浸泡水浴
中［２９］和安装热交换设备［３０］。
管道式光生物反应器由于光照表面积大，其研究
受到学者们的广泛关注。 Ｔｒｅｄｉｃｉ等［３１］研究了内径为
３􀆰 ４ ｃｍ有机玻璃管并排放置的倾斜管状反应器，反
应器南北朝向，管道与水平成 ５°角，管底部连接气体
分布管，顶部设有气液分离管，反应器表面积与体积
比为 ７０ ｍ－１，通过自动蒸发冷却系统维持恒定培养温
度。 结果发现，管道式光生物反应器的藻生物量和光
合效率都比平板式光生物反应器的高。
螺旋管式光生物反应器由透明、柔韧的圆管盘
绕而成，使用泵推动培养液循环，反应器占地面积
小，ＣＯ２吸收路径长、利用率高［３２］。 Ｆａｎ 等［３３］设计
一螺旋管道反应器，反应器由螺旋形光合管道和传
质系统构成，培养体积 ８００ ｍＬ，光合管道由内径 ９
ｍｍ、长度 ８􀆰 １６ ｍ的塑料管盘绕成直径 ２６ ｃｍ 的圆
柱形螺旋管，圆柱高度 １０􀆰 ５ ｃｍ，传质系统为鼓泡柱
结构，通入冷却水保持反应器温度 ２５ ℃，藻液通过
蠕动泵在螺旋光合管道和传质系统中流动。 Ｍｏｒｉｔａ
等［３４］在锥形螺旋式光生物反应器中进行微藻培养，
结果显示在锥形反应器中光合产率能提高 ２ 倍，同
时对藻细胞的机械剪切力比非圆锥形的更小。
微藻高浓度培养时，光的穿透厚度一般为 ０􀆰 ８
ｍｍ左右［３５］。 反应器内分为靠近光照面内壁的光
区与之外的暗区两部分，如果藻细胞以特定频率在
光生物反应器的光区与暗区频繁置换时产生“闪光
效应”，光能利用率会得到很大提高。 Ｕｇｗｕ 等［３６］在
管道式光生物反应器中安装静态混合器，能提高藻
液湍流，加快微藻在光区和暗区之间的循环流动。
反应器管道的内径由 ３􀆰 ８ ｃｍ 提高到 １２􀆰 ５ ｃｍ，微藻
单位面积产率增加，但单位体积产率降低，安装静
态混合器后，微藻在 １２􀆰 ５ ｃｍ 管道反应器中的单位
体积产率比在 ３􀆰 ８ ｃｍ 管道反应器中的高约 ６３％。
Ｌｅｈｒ等［３７］在反应器管道多个位置底部设有气体分
布器，通过泵入 ＣＯ２混合气实现微藻在光区和暗区
８６ 生　 物　 加　 工　 过　 程　 　 第 １４卷　
的混合流动，同时补给微藻光合作用 ＣＯ２，以大幅提
高反应器中微藻生物量。
管道式光生物反应器虽然具有光照表面积大、微
藻生物量高、适合微藻户外培养等优点，但在反应器
中微藻易贴壁、氧解析困难等限制了其发展，另外，管
道式光生物反应器耗能比其他封闭式光生物反应器
更高，占地面积大，管道易出现 ｐＨ、ＣＯ２浓度梯度差［７］
等不利因素，影响了该类反应器的大规模应用。
１􀆰 ４　 搅拌型光生物反应器
机械搅拌式生物反应器广泛运用在微生物培
养上，只要在其内部配套相应的光源，就可成为适
合培养微藻的光生物反应器。 搅拌型光生物反应
器内部一般配置叶轮促进搅拌，添加挡板降低涡
流，在反应器底部通入 ＣＯ２富集气体，能在有限占地
面积内获得较高的微藻密度，对利用现有发酵工程
技术培养微藻具有重要意义。
Ｏｇｂｏｎｎａ 等［３８］设计了内部光照搅拌式反应器
研究蛋白核小球藻（Ｃｈｌｏｒｅｌｌａ ｐｙｒｅｎｏｉｄｏｓａ）培养。 反
应器由透明玻璃制成，内部固定有 ４根 ２􀆰 ４ ｃｍ 玻璃
管，白炽灯作为反应器光源，光强度为 １６３ μｍｏｌ ／
（ｍ２·ｓ），ＣＯ２气体从反应器底部圆环鼓入，同时底部
有搅拌叶片，促进微藻生长。 在该反应器进行培养
体积 ２􀆰 ６ Ｌ的实验中，培养 １２ ｄ 后小球藻能获得藻
质量浓度 １􀆰 ３７ ｇ ／ Ｌ，生长速率为 ０􀆰 １６４ ｋｇ ／ （ｍ３·ｄ），
该类反应器放大可通过增加反应器的数量来实现。
机械搅拌式生物反应器具有技术条件成熟、易
于控制，藻细胞受光、温度分布均匀，藻液混合循环
速度快等优点，但由于反应器内部结构相对复杂，
制造成本更高，不易清洗，同时叶轮的机械搅拌产
生的剪切力对微藻细胞有损害，这些缺陷限制了其
在规模化培养微藻中的使用。
现将封闭式光反应器的特点进行总结，见表 １。
表 １　 封闭式光生物反应器的优缺点
Ｔａｂｌｅ １　 Ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｃｌｏｓｅｄ ｐｈｏｔｏｂｉｏｒｅａｔｏｒｓ
　 　 反应器类型 优点 缺点
柱状光生物反应器 传质效率高，混合均匀，剪切力小，能耗低，不存在氧解析困难，操作简便
单位直径过小，光照面积小，大规模应用造价
高，放大困难
平板式光生物反应器 光照比表面积大，光照利用率高，混合均匀，氧解析快
光路径短，限制了反应器宽度范围，放大较困
难，成本高
管道式光生物反应器 光照比表面积大，光合效率高，较易放大
微藻易贴壁，氧解析困难，占地面积大，易出现
ｐＨ、ＣＯ２浓度差，能耗较大
搅拌型光生物反应器 技术条件成熟，易于控制，藻细胞受光、温度分布均匀，藻液混合循环速度快
内部结构相对复杂，制造成本更高，不易清洗，
机械搅拌易损伤藻细胞
２　 开放式光生物反应器
２􀆰 １　 单层跑道式微藻光生物反应器
开放式光生物反应器可分为自然池塘、人工池
塘、带搅拌装置的循环池以及人工制作开放式光生
物反应器等，具有构造简单、成本低廉、操作方便的
特点。 在过去几十年里使用开放式光生物反应器
用于养殖微藻的研究已报道很多，它也是目前微藻
商业化培养中应用最广泛的系统［３９－４０］。 开放式光
生物反应器的光源以自然光为主要光源，由于太阳
光的穿透厚度只有几毫米，所以微藻在反应器中应
保持浅水培养。 在开放式光生物反应器中，微藻高
浓度规模养殖时，维持藻液有效混合是微藻细胞进
行高效光合作用、获得高密度微藻的需要，一般藻
液流动可通过泵或桨轮来实现。 如果要进行连续
培养模式，一般是在反应器的入口处加入新鲜培养
基，经过反应器循环再以等流速从出口处排出（图
４）。 在此类反应器的大规模应用中，主要使用各类
污水进行微藻养殖［４１］。 如， Ｇｏｌｄｙ 等［４２］ 报 道
Ｃｈｌｏｒｅｌｌａ ｖａｒｉａｂｉｌｉｓ在 ４００ Ｌ 的跑道池中养殖的生长
情况，培养体积 １５０ Ｌ，采用自然光源，藻液通过桨
轮转动在反应器中循环流动，测定藻平均生长率为
０􀆰 ３６ ｄ－１，油脂含量 １０％。
２􀆰 ２　 多层跑道式微藻光生物反应器
开放式光生物反应器虽成本低、运行简单，已
广泛应用于微藻大规模养殖，但其缺陷也很明显：
反应器易受环境、气候的影响，难保持稳定、适宜的
条件；水分易蒸发；易受杂菌、浮游动物等的污染；
反应器占地面积大；微藻光合效率和 ＣＯ２转化率较
低。 这些缺陷大大限制了开放式光生物反应器的
９６　 第 １期 刘玉环等：大规模微藻光生物反应器的研究进展
应用，为此，学者们对其进行了不断的改进。
李志勇等［４３］在开放式浅水跑道池上方覆盖一
些透光物质，使之成为封闭池，其不足之处是长期
使用后，在覆盖物表面上占有灰尘以及内表面有水
汽，会影响光的透过率，因此需经常更换覆盖膜。
丛威等［４４］提出在开放池附加阱式补碳容器的结构，
提高气液接触时间来强化 ＣＯ２的补碳吸收。
为了提高土地利用效率，Ｈｕ 等［４５］试验使用开
放式多层光生物反应器（图 ４），藻液通过重力作用
在每层反应器间流动，可以降低藻液流动能耗，同
时通过空间延伸来减少反应器占地面积，实现延长
藻液流程和加快液体流速有机统一。 在反应器的
实验应用中，使用养猪污水培养 Ｃｈｌｏｒｅｌｌａ ｓｐ􀆰 ，系统
中污水量 １７ Ｌ，每层液面保持高度 ４ ｃｍ，在温度为
（２５± ２） ℃、光强度 １００ μｍｏｌ ／ （ｍ２·ｓ）、光暗比为
１６ ｈ ∶８ ｈ的条件下进行培养，发现 １７ ｄ 后 Ｃｈｌｏｒｅｌｌａ
ｓｐ．产率达 ２７６􀆰 １８ ｍｇ ／ （Ｌ·ｄ），化学需氧量（ＣＯＤ）以
及 ＮＨ３ Ｎ、 ＴＮ 和 ＴＰ 的去除率分别达 ７５１􀆰 ３３
ｍｇ ／ Ｌ、６０􀆰 ３９ ｍｇ ／ Ｌ、３８􀆰 ３５ ｍｇ ／ Ｌ 和 ２０􀆰 ２１ ｍｇ ／ Ｌ，能
够高效获得微藻生物质及有效去除污水中的污染
物质。
为了克服层式光合反应器上层对下层入射光
源的遮蔽作用，笔者等［４６］研制出仿生型叠层式微藻
光合反应器（图 ４）。 依据仿生学原理，通过调整储
液槽的倾角，使不同角度、季节的入射太阳光能充
分被微藻细胞接受，试验中向反应器加入培养基
８ ０００ Ｌ、藻种 ２ ０００ Ｌ，在温度 ３０ ℃、光强 １５ ０００ ｌｘ
条件下进行微藻规模化连续培养，连续培养 ４ ｄ，微
藻生物量由 ０􀆰 ５ ｇ ／ Ｌ 增至 １􀆰 ３ ｇ ／ Ｌ 以上。 仿生型微
藻光合反应器在利用沼液规模养殖微藻和污水净
化耦合示范中得到了实际应用，在收获微藻的同
时，沼液的各项指标均达到国家允许排放标准。
图 ４　 ３种开放式光生物反应器
Ｆｉｇ􀆰 ４　 Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｏｐｅｎ ｔｙｐｅ ｌｉｇｈｔ ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ （ａ） ｒａｃｅｗａｙ ｐｏｎｄ，（ｂ） ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ
ＰＢＲ ａｎｄ （ｃ） ｂｉｏｎｉｃ ｌａｍｉｎａｔｅｄ ＰＢＲ
２􀆰 ３　 膜式光生物反应器
膜式光生物反应器是利用微藻具有吸附在固
体培养基中形成生物膜的趋势研制出的微藻培养
光生物反应器，目前文献报道主要应用于大规模
ＣＯ２固定［９，４７］。 Ｂａｙｌｅｓｓ 等［４７］设计的膜式光生物反
应器，是将微藻吸附在反应器的垂直纤维膜上生
长，烟道气作为 ＣＯ２来源，培养基沿纤维膜表面循环
流动，在反应器顶部安装透镜收集太阳光，通过光
纤导入光线到反应器中供微藻光合作用，微藻的采
收可通过提高培养基流速，增大剪切力使微藻从纤
维膜上脱下而实现。 使用膜式光生物反应器培养
Ｃｈｌｏｒｏｇｌｅｏｐｓｉｓ ｓｐ􀆰 ，通入饱和热烟道气进行微藻培
养，最终藻生长速率在 １０～５０ ｇ ／ （ｍ２·ｄ）。
第一作者［４８］在开放式微藻光合反应器的设计
中引进膜状结构（图 ５），大大提高了微藻光合反应
器的比表面积，使微藻培养物在多数时间内处于透
光、并具有足够持水力和生物亲和性的膜状物体的
表面，可以大大强化藻液均匀接受光照、促进培养
物吸收 ＣＯ２、释放出 Ｏ２的效率。 因为微藻光合反应
器可以充分利用垂直的空间，能大大减少占地面
积，所以可以在反应器的膜系统中设计缓慢旋转的
结构以进一步提高光照的均匀性，强化气体交换，
这样可以大大提高藻液均匀受光程度，使微藻生物
量明显提高。 培养液在膜上的流动是利用重力驱
动，可以节约推动光合反应器中能量，同时减少物
质交换所需的能耗。 此外，该反应器操作简单、维
护方便，可以通过增加并联的同类微藻光合反应器
的个数来扩大生产规模。 在反应器的运行实验中，
５００ Ｌ微藻培养基中以 １５％的接种量接入小球藻
（Ｃｈｌｏｒｅｌｌａ ｖｕｌｇａｒｉｓ）藻种，经过 ６ ｄ的培养，藻液中小
球藻干物质含量由 ０􀆰 ０８ ｇ ／ Ｌ增至 １􀆰 １ ｇ ／ Ｌ。
膜式光生物反应器不需要消耗大量的水资源
０７ 生　 物　 加　 工　 过　 程　 　 第 １４卷　
进行微藻培养，同时微藻收获成本低，但反应器只
限于具有吸附能力的微藻使用。 尽管膜式光生物
反应器表现出了很大的潜力，但目前对其报道的文
献并不多，其应用仍需进一步试验及研究。
图 ５　 旋转挂膜式微藻光合反应器示意图
Ｆｉｇ􀆰 ５　 Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｒｏｔａｒｙ ｈａｎｇｉｎｇ ｍｅｍｂｒａｎｅ
ｍｉｃｒｏａｌｇａｅ ｐｈｏｔｏｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ
图 ６　 两阶段培养示意图
Ｆｉｇ􀆰 ６　 Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｗｏ⁃ｓｔａｇｅ ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ
３　 混合型光生物反应器
封闭式光生物反应器与开放式光生物反应器
各有优缺点，并且不同类型的封闭式光生物反应器
优缺点也不一样，因此许多学者开发、研制结合两
种不同构造的混合型光生物反应器，以一种反应器
优点弥补另一反应器缺点。 混合型光生物反应器
是反应器研制的趋势，对其的研究已大量出现在文
献［３３，４９］。 Ｆｅｒｎａｎｄｅｚ等［４９］开发一种采用气升传质系
统和环形光合管道的混合型光生物反应器，反应器
环形光合管道光比表面积大，光能利用高效，气升
传质系统采用气升式平板光生物反应器原理，能促
进藻液均匀混合，同时解决管道反应器中氧解析困
难的问题，其配制有探测仪。 此混合型反应器可有
效控制培养参数，大幅提高微藻浓度，降低能耗。
Ｌｅｅ等［５０］设计的 α 型光生物反应器是另一混合型
光生物反应器，藻液由气体提升管升至顶部收集
箱，再沿光合管道自重流到底部另一气体提升管重
复此过程，其光合管道与水平方向成 ２５°角，整个反
应器形状成 α 型。 此反应器具有光照表面积体积
比高、通气量低、藻液流速快的特点，微藻光合作用
高效。
４　 光生物反应器两阶段培养模式
开放式光生物反应器成本比密闭式光生物反
应器低，但易被杂菌、原生动物污染；封闭式光生物
反应器虽能减少污染，但制作、运行成本更高。 对
此，有学者研究充分利用这两类反应器的优点进行
微藻两阶段培养：第一阶段，运用封闭式光生物反
应器获得大量稳定、健壮的接种物；第二阶段，在开
放池大规模培养微藻，以大接种量获得微藻竞争优
势。 其中，封闭式光生物反应器中进行连续培养，
开放式光生物反应器中进行批次培养［５１－５２］。 采用
两阶段培养方式能发挥两类反应器的优点，降低微
藻养殖成本，是实现高效、规模养殖经济微藻的有
效思路。 Ｈｕｎｔｌｅｙ等［５３］设计在建有 ２５ ０００ Ｌ管道式
光生物反应器和 ５０ ０００ Ｌ 跑道池的工厂中大规模
获得微藻油脂和虾青素的方法。 在管道式光生物
反应器中培养藻种，跑道池中大规模养殖微藻积累
油脂和虾青素，在实践中系统的平均生物质年产率
是 ３８ ｔ ／ ｈａ，同时油脂年产率达到 １０ ｔ ／ ｈａ。
５　 结语
在一系列不同构造的封闭式光生物反应器中，
平板式和管道式被认为最有潜力用于商业生产，其
具有光照比表面积大、藻生物量大、水分蒸发少的
特点，但反应器投资和运行成本高，在大规模的应
用中可能投入成本将大于微藻收获的效益，同时水
分蒸发减少的量与用于维持反应器适宜温度所需
１７　 第 １期 刘玉环等：大规模微藻光生物反应器的研究进展
的冷却水量相比，并不能节约很多，封闭式光生物
反应器真正最大的优势在于减少污染，能够培养更
多的藻种。 目前封闭式光生物反应器在商业化应
用中主要用于生产高附加值的微藻产品。 对于微
藻开放式光生物反应器的持续改良也是实现产业
化微藻培养体系的选择，叠层型、仿生型、旋转挂膜
型等开放式微藻光合反应器的研发与试用已取得
了不错的效果，同时微藻光生物反应器的研制可充
分利用不同构造反应器的优点，开发新型高效混合
反应器，微藻大规模生产可采用二阶段培养模式，
实现微藻低成本、高浓度采收。
虽然微藻光生物反应器的研究不断取得一些
进展，但是整体而言，技术还是相对落后，滞后于目
前微藻商业化培养规模的需要。 主要原因就是反
应器的设计涉及光科学、材料科学、流体动力学等
多学科综合，其发展受限于其他科学的发展，同时
没有把反应器的研制工作直接在生产实践中接受
检阅，多数是停留在实验规模上，围绕提高光能利
用率、防止氧堆积和提高 ＣＯ２利用率、选择合适的循
环装置节约运行能耗、降低反应器制造成本、避免
藻类沉积以减少光合反应器维护成本都是必须在
具体的中试现场中不断探索和逐步改进的。 随着
各学科技术的发展和生产实际的需要，更好的新型
光生物反应器系统会不断地开发出来，从而实现微
藻大规模培养以及高附加值产品的生产。
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应器：２０１５１０００３０４２．５［Ｐ］．２０１５⁃０１⁃０６．
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ｏｉｌ ｆｒｏｍ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｍｉｃｒｏｂｅｓ：ａ ｎｅｗ ａｐｐｒａｉｓａｌ［Ｊ］ ．Ｍｉｔｉｇ Ａｄａｐｔ
Ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ Ｇｌｏｂａｌ Ｃｈａｎｇｅ，２００７，１２（４）：５７３⁃６０８．
（责任编辑　 荀志金）
３７　 第 １期 刘玉环等：大规模微藻光生物反应器的研究进展