全 文 ：第 １２卷第 ５期
２０１４年 ９月
生　 物　 加　 工　 过　 程
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｐｒｏｃｅｓｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏｌ􀆰 １２ Ｎｏ􀆰 ５
Ｓｅｐ􀆰 ２０１４
ｄｏｉ：１０􀆰 ３９６９ ／ ｊ􀆰 ｉｓｓｎ􀆰 １６７２－３６７８􀆰 ２０１４􀆰 ０５􀆰 ０１５
收稿日期：２０１４－０３－１９
基金项目：福建省教育厅科技项目（ＪＡ１２１９０）；黄慧贞集美大学学科建设基金（Ｃ５１３０３２）
作者简介：陈智杰（１９８０—），男，福建仙游人，讲师，研究方向：光生物反应器规模化放大；何宏舟（联系人），教授，Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｈｈｅ９９＠ ｊｍｕ􀆰 ｅｄｕ􀆰 ｃｎ
微藻培养系统内光现象的研究进展
陈智杰，何宏舟
（集美大学 福建省能源清洁利用与开发重点实验室，厦门 ３６１０２１）
摘　 要：分析了微藻培养系统内光传递过程的数学模型和光分布影响因素，重点综述了光暗循环对微藻生长影响
的实验研究和 ＣＦＤ技术应用研究进展，展望了微藻培养系统内光现象的发展方向，以期为规模化、高效微藻培养光
生物反应器的设计、优化和放大提供参考。
关键词：微藻；光生物反应器；光分布；光暗循环；ＣＦＤ
中图分类号：Ｑ８１９；ＴＫ６　 　 　 　 文献标志码：Ａ　 　 　 　 文章编号：１６７２－３６７８（２０１４）０５－００８５－０６
Ｌｉｇｈｔ ｐｈｅｎｏｍｅｎａ ｉｎ ｍｉｃｒｏａｌｇａｅ ｃｕｌｔｕｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ
ＣＨＥＮ Ｚｈｉｊｉｅ，ＨＥ Ｈｏｎｇｚｈｏｕ
（Ｆｕｊｉａｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｌｅａｎｉｎｇ Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，Ｊｉｍｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉａｍｅｎ ３６１０２１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｌｉｇｈｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｉｎ ｍｉｃｒｏａｌｇａｅ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｓ ｗａｓ ｂｕｉｌｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ
ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ ｌｉｇｈｔ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎ ｐｈｏｔｏｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｔｈｉｓ ｒｅｖｉｅｗ ｆｏｃｕｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓ
ｏｆ ｌｉｇｈｔ ／ ｄａｒｋ ｃｙｃｌｅ ｆｏｒ ｍｉｃｒｏａｌｇａｅ ｃｕｌｔｕｒｅ ａｎｄ ＣＦＤ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｌｉｇｈｔ ／ ｄａｒｋ ｃｙｃｌｅ ｉｎ
ｐｈｏｔｏｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ，ｂｙ ｔｈｅ ｗａｙ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔ ｐｈｅｎｏｍｅｎａ ｉｎ ｍｉｃｒｏａｌｇａｅ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｗｅｒｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ． Ｔｈｅｓｅ ｗｏｕｌｄ
ｐｒｏｖｉｄｅ ｐｒｅｒｅｑｕｉｓｉｔｅ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｚｔｉｏｎ， ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｓｃａｌｅ⁃ｕｐ ｏｆ ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｐｈｏｔｏｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ
ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｍｉｃｒｏａｌｇａｅ ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏａｌｇａｅ；ｐｈｏｔｏｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ；ｌｉｇｈｔ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ；ｌｉｇｈｔ ／ ｄａｒｋ ｃｙｃｌｅ；ＣＦＤ
　 　 微藻的生长离不开光照。 在光自养培养过程
中，过强或过低的光照强度都会影响微藻的生长。
为了营造良好的光环境以满足微藻的生长，学者们
开发了许多结构不同的光生物反应器，但其本质上
都是为了提高培养系统内的光分布效率［１］。 提供
均匀、有效的光照已成为高效光生物反应器研究的
主要内容之一［２－３］，因此，深入研究微藻培养系统内
的光现象具有重要的现实意义。
本文中笔者重点综述微藻培养系统内光暗循
环对微藻生长的影响和 ＣＦＤ 技术应用于光暗循环
的研究进展，以期为实现光生物反应器内高效、均
匀的布光提供理论参考。
１　 光传递数学模型
光能在微藻培养系统中只能被吸收，多余的光
能通常以热能的形式被耗散。 由于微藻细胞对光
的吸收和散射作用［４］以及藻细胞相互遮蔽的影响，
使得入射光在穿透藻液时不断发生衰减，致使微藻
培养体系内光分布不均匀。
掌握光在藻液中的衰减和分布规律以及光照
强度与微藻生产量的关系是实现高效光生物反应
器设计的前提条件。 为了准确描述光在微藻培养
系统内的光衰减现象，学者们建立了不同的数学模
型来描述光在微藻培养液中的衰减规律。
１􀆰 １　 辐射传输模型
１９７８年，Ｉｎｃｒｏｐｅｒａ等［５］和 Ｐｒｉｖｏｚｎｉｋ等［６］在研究
中考虑了藻细胞对光的吸收和散射作用，率先采用
辐射传输理论来描述光能在蛋白核小球藻培养液
内的衰减规律，获得其稳态的数学模型（式（１））。
ｃｏｓ θ
ｄＩλ ｚ，Ω，λ( )
ｄｚ
＝ － ｋλ ＋ σλ( ) Ｉλ ｚ，Ω，λ( ) ＋
σλ
４π∫
２π
０
∫
π
０
Ｉλ ｚ，Ω，λ( ) Ｐλ Ω′ → Ω( ) ｄΩ′ （１）
式中： Ｉλ ｚ，Ω，λ( ) 为单色光强度，Ｗ ／ ｍ２； θ为光的入
射角，（°）； ｚ为光径，ｍ； ｋλ和 σλ分别为单色光的吸
收系数和散射系数，１ ／ ｍ； Ｐλ 分别为介质的散射相
函数； Ω为方位角，（°）。
由于辐射传输模型的求解过程较为复杂，
Ｃｏｒｎｅｔ等［７］借助舒斯特 施瓦茨舍德二通量法简化
了辐射传输方程的求解过程，建立了较为简化的光
衰减数学模型，见式（２）。
ＩＬ
Ｉ０
＝ ４α
１ ＋ α( ) ２ｅδ － １ － α( ) ２ｅ －δ
（２）
α ＝ １
２
Ｅａ ／ Ｅａ ＋ Ｅｓ( )[ ] ；δ ＝ Ｅａ ＋ Ｅｓ( ) αＣｘＬ
式中： Ｅａ和 Ｅｓ分别为质量吸收系数和质量散射系数，
ｍ２ ／ ｋｇ ； Ｉ０ 和 ＩＬ 分别为初始和 Ｌ 位置的光照强度，
Ｗ／ ｍ２ ； α 为光吸收系数， １ ／ ｍ ； Ｃｘ 为细胞密度，
ｋｇ ／ ｍ３ ；Ｌ为光径，ｍ。
此外，Ｌｉ 等［８］借助双流模型简化辐射传输方
程，建立了内外同时布置光源的气升式光生物反应
器的光分布数学模型，实现了实时、精确的计算光
分布计算公式。
上述学者所建立的模型仅考虑了藻细胞对光
衰减的影响。 Ｂｅｒｂｅｒｏｇｌｕ 等［９］基于辐射传输理论，
结合理论计算和实验测量的方法确定了藻细胞和
气泡的光特性，建立了同时考虑微藻培养液内藻细
胞和气泡的光衰减数学模型，并验证了其准确性。
１􀆰 ２　 Ｌａｍｂｅｒｔ⁃Ｂｅｅｒ及其修正模型
一般来说，对于混合均匀的系统常采用经典光
学理论的 Ｌａｍｂｅｒｔ Ｂｅｅｒ 定律来描述光照强度随光
径和细胞浓度的指数变化规律，如式（３）。
ｌｎ
ＩＬ
Ｉ０
＝ － αＬ ＝ － ｋａＣｘＬ （３）
式中： ｋａ 为比消光系数，ｍ２ ／ ｋｇ。
但是，由于 Ｌａｍｂｅｒｔ Ｂｅｅｒ定律忽略了藻细胞对
光的可选择性吸收和光散射，当藻细胞浓度较大
时，光衰减规律会偏离 Ｌａｍｂｅｒｔ Ｂｅｅｒ 定律。 基于
此，学者们利用 Ｌａｍｂｅｒｔ Ｂｅｅｒ 定律的指数衰减规
律，建立了修正后的 Ｌａｍｂｅｒｔ Ｂｅｅｒ 定律，如线性数
学模型、多项式数学模型和指数模型等［１０］。 此外，
还有学者对光吸收系数 α 进行修正，建立基于浓
度［１１－１２］、光径［１３］以及基于浓度和光径［１４］的双曲
模型。
总的来说，辐射传输模型由于同时考虑了藻细
胞的光吸收和散射效应，能较真实的描述光在微藻
培养介质中的光衰减现象，但数学模型中参数的测
量和方程的求解较为复杂，而 Ｌａｍｂｅｒｔ Ｂｅｅｒ定律及
其修正模型由于模型简单且参数易于测量。 因此，
在实际应用中被广泛采用。
２　 光分布数学模型及其影响因素
２􀆰 １　 数学模型
光是影响微藻生长的主要影响因子。 因此，了解
光在光生物反应器内的分布可以帮助判断光生物反
应器的性能优劣。 入射光强度由于易于测量而在较
长时间内被用来表示光生物反应器内的光环境［１５］，
但该参数仅在藻细胞浓度较低和光径较小时才有
意义。
为了更直观地反映光生物反应器内的光环境，学
者们常采用“面容比” ［１６］来表征光在光生物反应器内
的优劣。 刘春朝等［２］认为光强在藻液中发生衰减，由
此可分为 ３个区域：①光强过大抑制生长区域；②生
长区域；③光强较弱的生长停滞区域。 而采用面容比
无法描述出光分布与细胞浓度之间的关系。
由光学理论可知，光生物反应器的几何结构直接
影响光在光生物反应器内的分布，为了确切地描述整
个光生物反应器内的光分布情况，学者们假设每个藻
细胞在反应器内任何位置停留时间非常短暂，引入了
平均光强［１７］来估算光生物反应器内每一个藻细胞所
获得的光能。 平均光强 Ｉａｖ的计算见式（４）。
Ｉａｖ ＝
∫Ｌ
０
Ｉ０ｅｘｐ － ｋａＣｘＬ( ) ｄＬ
∫
Ｌ
０
ｄＬ
（４）
　 　 目前，光生物反应器的结构主要有开放式和封闭
式，光源有太阳光和人造光源，光的布置方式有外置
６８ 生　 物　 加　 工　 过　 程　 　 第 １２卷　
和内置。 针对不同培养体系、不同光源和数目以及不
同光源布置方式，文献［１８］阐述了各条件下光生物反
应器内的平均光强。 由于平均光强涉及光强随藻细
胞浓度变化，因此，所建立的平均光强数学模型能较
真实地反映不同光生物反应器结构内的光分布。
２􀆰 ２　 影响因素
影响光分布的影响因素有很多，如培养液的流
动和液面波动、培养液内的气含率和气泡尺寸、藻
细胞的光学特性等，但均涉及较为复杂的流动与光
传递过程，因而相关研究较少。 而由于易于实现改
变光生物反应器的面容比，故成为改善光生物反应
器内光分布的 １种手段。
２􀆰 ２􀆰 １　 培养液的流动
对开放式培养系统来说，培养液的流动和液面波
动也会对光分布产生影响。 张运林等［１９］分析了静
止、小水流和大水流 ３种不同的水流状态对水下光场
的影响，得到光衰减随着水流速度的增大而增大，且
光衰减系数随着波长的增加大致呈下降趋势的结论。
关于流动对光分布的影响方面的研究较少，多数
学者都认为流动影响培养液的湍流程度，改变湍流程
度可以影响藻细胞的受光轨迹，从而影响生产率。
２􀆰 ２􀆰 ２　 气泡
微藻培养过程需要供给无机碳，而无机碳通常
采用搅拌或鼓泡的形式供给，这就使得微藻培养液
内会存在较多的微气泡，对于鼓泡式培养系统尤为
明显。 由于气泡的存在，培养液的光学特性与无气
泡时会有显著的区别。 Ｂｅｒｂｅｒｏｇｌｕ 等［９］采用理论计
算的方法，证明了气泡的存在对光分布易产生影响。
Ｍｉｒｏｎ等［２０］对垂直鼓泡式光生物反应器进行了
实验研究，以海水和自来水为样品，分析了太阳位置
和鼓泡量对反应器内光照强度的影响，得到气泡的存
在会影响反应器内的光分布的结论：即气泡越大，鼓
气量越大，对提高反应器内的光照强度越有利。 早晚
太阳位置较低时，气泡可以提高鼓泡式光生物反应器
内的光照强度；而接近正午时，气泡的存在会使得光
生物反应器内光照强度比静置条件下的光照强度更
低，这主要是由于气泡的遮蔽和反射所造成。
２􀆰 ２􀆰 ３　 微藻细胞的光特性
微藻细胞是微藻培养液中极其重要的光学组
分，微藻细胞对光的吸收和散射特性直接影响光在
微藻培养液中的衰减规律。 因此，深入开展微藻细
胞的光特性研究对于光生物反应器的设计、优化和
放大具有十分重要的意义。
１）实验研究
通常采用相关的仪器测量微藻细胞的光特性参
数，如：光吸收系数、光衰减系数、光散射系数和体散
射相函数等。 此外，还有学者对实验方法进行研究。
实验研究中存在的主要差异是散射对消光是否占主
导 地 位 的 讨 论。 Ｐｒｉｖｏｚｎｉｋ 等［６］ 研 究 Ｃｈｌｏｒｅｌｌａ
ｐｙｒｅｎｏｉｄｏｓｎ悬浮液后发现，前向散射占散射的主要部
分。 而根据 Ｃｏｒｎｅｔ 等［２１］和 Ｍｅｒｚｌｙａｋ 等［２２］的实验数
据可知，散射不是影响消光系数的主要因素。 而
Ｂｅｒｂｅｒｏｇｌｕ 等［２３］ 认为上述差异主要是由于文献
［２１－２２］实验中没有考虑前向散射的作用而造成的；
针对散射对消光的影响进行研究，认为传统的测量方
法将测量细胞悬浮于蒸馏水会造成细胞因为和纯水
间有较大的渗透梯度而形成膨胀，从而引起测量误
差；于是提出采用 ＰＢＳ 溶液替代传统的蒸馏水的方
法，并测量了 Ｂｏｔｒｙｏｃｏｃｃｕｓ ｂｒａｕｎｉｉ、 Ｃｈｌｏｒｅｌｌａ ｓｐ􀆰 和
Ｃｈｌｏｒｏｃｏｃｃｕｍ ｌｉｔｔｏｒａｌｅ ３种绿藻的光吸收和散射系数，
证明散射对消光起主导作用。
２）理论研究
Ｂｒｉｃａｕｄ等［２４］基于 ｖａｎ ｄｅ Ｈｕｓｔ提出的奇异衍射
近似理论，建立了藻类细胞光学特性的理论模型。
Ｓｔｒａｍｓｋｉ等［２５］结合实验测量和 Ｍｉｅ 理论模型，分析
了海洋微生物的光特性。 周雯等［２６］在此基础上，采
用 Ｍｉｅ理论模型对不同粒径和复折射率浮游植物吸
收和散射特性进行了模拟。
目前，应用于藻细胞光特性理论研究的数学模
型有均匀球形模型和非球形模型 ２ 种［２６］。 其模型
均涉及较为复杂的电磁理论推导及求解过程，刘振
宇［２７］给出了较为全面的总结。
总的来说，目前关于微藻细胞的光学特性的研究
多针对于赤潮水体的光学性质和光学遥感测量等领
域，仅部分学者利用辐射传输理论描述光衰减规律
时，对不同藻细胞的光吸收和散射进行实验测量。 因
此笔者认为，深入分析微藻细胞的光学特性，通过光
谱模拟的方法掌握微藻培养系统内光分布规律，将有
助于光生物反应器的设计、优化和放大研究。
３　 光暗循环
微藻的生长离不开光合作用，但光合作用不需
要连续的光照［１］。 在自然培养条件下，太阳提供了
微藻生长所需的光，但太阳光的周期性变化致使光
照持续时间会发生变化。 光在藻液内传播时不断
衰减会形成光区域和暗区域，在人工培养条件下，
７８　 第 ５期 陈智杰等：微藻培养系统内光现象的研究进展
由于搅拌或鼓泡引起的培养液流动，导致微藻细胞
受光发生波动并体现为光暗循环。
Ｇｒｏｂｂｅｌａａｒ［２８］研究发现微藻生长受 ３ 种不同光
暗循环周期的影响：①高频率的间歇光即光暗循环
周期小于 ０􀆰 １ ｓ，通常也称为“闪光效应”；②中频率
的间歇光，即光暗循环周期约为秒到分钟；③低频
率的间歇光，即光暗循环周期约为小时、天或年。
因此，深入分析不同光暗循环周期对微藻生长的影
响具有十分重要的意义，同时探索微藻培养系统内
的光暗循环特性能为高效光生物反应器的设计、优
化和放大能提供参考依据。
３􀆰 １　 实验研究
３􀆰 １􀆰 １　 高频率
Ｎｅｄｂａｌ 等［２９］ 采用红色 ＬＥＤ 灯培养 Ｃｈｌｏｒｅｌｌａ
ｖｕｌｇａｒｉｓ时发现，在相同的光照条件下，闪光效应能
够促进藻细胞的生长，且光暗循环周期越小，间歇
光与连续光的差别越明显。 Ｃｏｎｔｒｅｒａｓ 等［３０］研究蓝
绿藻 Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｉａ ｓｐ􀆰 时发现，在高细胞培养密度时，
光照强度为 ５０ Ｗ ／ ｍ２的连续光与光照强度为 ７５
Ｗ ／ ｍ２光暗循环周期为 ０􀆰 １ ｓ 的间歇光具有相同的
最大生产速率，因此认为这是由于较高的光照强度
使得藻细胞类囊体在短时间内积累了足够的暗反
应能量，从而保持了最大的生产速率。
Ｐａｒｋ等［３１］认为采用高光照强度的频闪光是解决
高密度培养条件下藻细胞相互遮蔽的有效方法，而对
于低密度培养时反而会由于光照强度过大而引起光
抑制，从而影响生产率。 Ｃａｒｖａｌｈｏ 等［１］分析认为，光
合作用效率不会随光暗循环周期的变化而变化，但是
闪光效应能够提高光的利用效率。 高细胞密度培养
时，采用较高光照强度的间歇光可以使更多的光子渗
透到较深的培养液中，从而减少藻细胞间的相互遮蔽
效果，使藻细胞可以吸收足够的光进行光合作用。
３􀆰 １􀆰 ２　 中频率
Ｍｅｒｃｈｕｋ 等［３２］ 采用管式光生物反应器培养
Ｐｏｒｐｈｙｒｉｄｉｕｍ ｓｐ􀆰 ，研究发现：当暗循环时间约为 ５􀆰 ６ ｓ
时，不管光暗循环周期是 ２７、６０ ｓ还是 １１０ ｓ藻细胞的
最大生产率是一样的，由此说明，延长光循环时间不
会影响生产率。 但是，Ｌｅｅ 等［３３］却得出相反的结论，
他们在研究 Ｃｈｌｏｒｅｌｌａ ｖｕｌｇａｒｉｓ 时发现，光暗循环周期
为 ４０ ｓ、暗循环时间为 ９􀆰 ２ ｓ 时，可保持最大的生产
率，但延长暗循环时间会导致生产率下降。
Ｇｒｏｂｂｅｌａａｒ［２８］研究中频率光暗循环周期（４􀆰 １ ～
５０ ｓ）对 Ｃｈｌｏｒｅｌｌａ ｖｕｇａｒｉｓ生长的影响，发现在相同的
光暗比下，改变光暗循环周期不会影响微藻的生产
率，但降低光暗比会引起生产率的下降。 Ｗｕ 等［３４］
分析当光暗循环周期为 ２８􀆰 ３～４５ ｓ时，不同光强下，
光暗比对低藻细胞浓度 （ １􀆰 ０ × １０７ ～ １􀆰 ２０ × １０８
个 ／ ｍＬ）Ｐｏｒｐｈｙｒｉｄｉｕｍ ｓｐ􀆰 （ＵＴＥＸ６３７）生长的影响，发
现光照时间越长，藻细胞的生产率越大。 刘晶璘［３５］
认为中频率光暗循环的频率变化不会影响生产率，
生产率主要受光暗比的影响。
３􀆰 １􀆰 ３　 低频率
Ｌｏｐｅｓ等［３６］研究 ２４ ｈ 内不同光照时间（０、２、４、６、
８、１０、 １２、 １４、 １６、 １８、 ２０、 ２２ 和 ２４ ｈ） 对 Ａｐｈａｎｏｔｈｅｃｅ
ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃａ Ｎａｇｅｌｉ生长的影响，发现提高光暗循环中
的光循环可以提高微藻细胞生产率。 王大志等［３７］分
析不同光暗周期对三角褐指藻培养的影响，发现光暗
周期为 １６ ｈ ／ ８ ｈ的生长率比 １２ ｈ ／ １２ ｈ和８ ｈ ／ １６ ｈ快。
综上所述，关于光暗循环的研究，除了低频率是
采用改变入射光的照射时间来调节光暗比，高和中频
率的实验设计都是通过改变光 ／暗的体积来实现，该
方法虽然使得入射到光生物反应器内光的总能量发
生变化，但却未能使所有藻细胞均匀地接受相同的光
暗比。 目前，关于单个藻细胞在间歇光照环境下的表
现仍然没有弄清楚，但学者们已经认识到光合作用速
率应该是间歇光频率、光暗比和光照强度的函数［３５］。
对于规模化微藻培养系统来说，微藻细胞在培养系统
内可能存在的光暗循环周期为中频率，因此笔者认为
应进一步深入研究中频率的光暗循环周期下，光暗比
对低培养密度时藻细胞生长的影响，进而通过改变光
生物反应器结构来提高生产率。
关于不同类型的光生物反应器结构对光暗循
环的影响，刘春朝等［２］给出了较为详细的综述。
３􀆰 ２　 ＣＦＤ研究
随着计算机技术的发展，计算流体力学（ＣＦＤ）已
经成为研究光生物反应器内流动与传质的重要手段。
近年来，有学者结合计算流体力学的拉格朗日法，采
用 ＣＦＤ流体力学软件分析光生物反应器内微藻细胞
的运动轨迹及其受光历史，以期改变微藻细胞受光历
史的光暗比，为提高生产率提供理论指导。
Ｐｒｕｖｏｓｔ等［３８－３９］采用 ＰＩＶ 实验验证了采用拉格
朗日法确定藻细胞运动轨迹的可行性，首次通过
Ｆｌｕｅｎｔ软件模拟了圆环形光生物反应器内的流动，
并结合拉格朗日法得到该反应器内微藻细胞的受
光历史。
Ｎｏｃｈｔａ等［４０］采用 Ｆｌｕｅｎｔ 软件中的随机步机模
８８ 生　 物　 加　 工　 过　 程　 　 第 １２卷　
型（ＤＲＷ）模拟螺旋管式光生物反应器内的微藻细
胞的受光轨迹，证明可以将 ＣＦＤ技术应用于光生物
反应器的放大研究。 Ｗｕ 等［４１］采用 Ｆｌｕｅｎｔ 软件，结
合离散坐标辐射传热模型（ＤＯＲＭ）和离散随机步机
模型（ＤＲＷ）螺旋管式光生物反应器内小球藻细胞
的受光照历史，并进行了优化设计。 此外，还有学
者采用该 ＣＦＤ技术分析了板式［４２］、气升隔板式［４３］、
管式［４４－４５］和跑道池式［４６］光生物反应器内微藻细胞
的光轨迹，并分析了其光暗循环的频率。
但是，目前基于 ＣＦＤ技术的光暗循环研究多应
用于分析不同光生物反应器内微藻细胞的受光轨
迹，并尝试优化培养环境，仅部分学者［４１－４７］将该方
法应用于优化光生物反应器结构的研究。 因此笔
者认为，应进一步深入探索中、低频率光暗循环周
期下光暗比对微藻生长的影响，探寻适合微藻生长
的最适光暗比，通过 ＣＦＤ技术优化光生物反应器结
构，以期最终实现微藻的规模化培养。
４　 结　 论
对规模化微藻培养来说，提高培养系统内的光
分布效率涉及光学、生物学、热物理等多个学科，不
仅仅是提高面容比和增强湍流程度。 因此笔者认
为，对高效规模化微藻培养光生物反应器的设计、
优化和放大应从以下 ３个方面进行深入研究：
１）基于现代实验测试技术，系统分析藻细胞的
光学特性，以及培养液流动和气含率对光分布的影
响机制，探索气含率、气泡尺寸和藻细胞浓度等参
数对光衰减系数的影响规律。
２）探索适合微藻生长的最佳光照强度、光暗循
环周期、光暗比和湍流程度，结合 ＣＦＤ技术，优化现
有的光生物反应器结构。
３）探索各影响参数在规模放大中的变化规律，
开发能源微藻规模化培养的高效光生物反应器。
参考文献：
［ １ ］　 Ｃａｒｖａｌｈｏ Ａ Ｐ，Ｓｉｌｖａ Ｓ Ｏ，Ｂａｐｔｉｓｔａ Ｊ Ｍ，ｅｔ ａｌ．Ｌｉｇｈｔ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｉｎ
ｍｉｃｒｏａｌｇａｌ ｐｈｏｔｏｂｉｏｒｅａｃｔｏｒｓ： ａｎ ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｏｆ ｂｉｏｐｈｏｔｏｎｉｃ ａｓｐｅｃｔｓ
［ Ｊ］ ． Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ２０１１， ８９ （ ５ ）：
１２７５⁃１２８８．
［ ２ ］ 　 刘春朝，刘瑞，王锋．微藻培养过程的光特性研究进展［ Ｊ］ ．生
物加工过程，２０１１，９（６）：６９⁃７６．
［ ３ ］ 　 Ｏｇｂｏｎｎａ Ｊ Ｃ，Ｔａｎａｋａ Ｈ．Ｌｉｇｈｔ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｃｅｌｌ
ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ⁃ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｆｏｒ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｌｉｇｈｔ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ
ｉｎ ｐｈｏｔｏｂｉｏｒｅａｃｔｏｒｓ ［ Ｊ］ ． Ｊｏｒｕｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｃｏｌｏｇｙ，２０００，１２
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ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ ａｎｄ ｍｉｘｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｉｎ ａ ｔｏｒｕｓ ｐｈｏｔｏｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ
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［４１］ 　 Ｗｕ Ｌ Ｂ， Ｌｉ Ｚ， Ｓｏｎｇ Ｙ Ｚ． Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｌｏｗ
ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｉｒｒａｄｉａｎｃｅ ｈｉｓｔｏｒｙ ｉｎ ａ ｎｏｖｅｌ ｐｈｏｔｏｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ
［Ｊ］ ．Ａｆｒｉｃａｎ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００９，８（１８）：４６７２⁃４６７９．
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ａｎｄ ｍｉｃｒｏａｌｇａｅ ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ ｉｎ ａ ｎｏｖｅｌ ｆｌａｔ⁃ｐｌａｔｅ ｐｈｏｔｏｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ
［Ｊ］ ．Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ，２０１３，２９（１）：１２７⁃１３４．
［４３］ 　 王新峰．能源微藻生物反应器内辐射传递的数值模拟［Ｄ］．哈
尔滨：哈尔滨工业大学，２０１３．
［４４］ 　 Ｚｈａｎｇ Ｑ Ｈ， Ｗｕ Ｘ， Ｘｕｅ Ｓ Ｚ， ｅｔ ａｌ． Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ
ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｉｎ ｔｕｂｕｌａｒ ｐｈｏｔｏｂｉｏｒｅａｃｔｏｒｓ ［ Ｊ］ ． Ｂｉｏｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ
Ｂｉｏｓｙｓｔｅｍｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１３，３６（２）：１４３⁃１５０．
［４５］ 　 Ｍｏｂｅｒｇ Ａ Ｋ， Ｅｌｌｅｍ Ｇ Ｋ， Ｊａｍｅｓｏｎ Ｇ Ｊ， ｅｔ ａｌ． Ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｃｅｌｌ
ｔｒａｊｅｃｔｏｒｉｅｓ ｉｎ ａ ｓｔｒａｔｉｆｉｅｄ ｇａｓ⁃ｌｉｑｕｉｄ ｆｌｏｗ ｔｕｂｕｌａｒ ｐｈｏｔｏｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ
［Ｊ］ ．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｃｏｌｏｇｙ，２０１２，２４（３）：３５７⁃３６３．
［４６］ 　 诸发超，黄建科，陈剑佩，等． 敞开式跑道池光生物反应器的
ＣＦＤ模拟与优化［Ｊ］ ．化工进展，２０１２，３１（６）：１１８４⁃１１９２．
［４７］ 　 程军，庄良，黄云，等． 平板式微藻光生物反应器的流场优化
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１９５８⁃１９６３．
（责任编辑　 周晓薇）
０９ 生　 物　 加　 工　 过　 程　 　 第 １２卷