带挡板矩形气升式光生物反应器中流体动力学与传质过程对Synechococcus HS-9生物量生产的影响研究

本研究针对微藻生物柴油生产中的关键瓶颈——生物量生产效率问题，创新性地采用带挡板矩形气升式光生物反应器(RAPBR-Bs)培养高脂肪酸甲酯(FAME)含量(70-78%)的Synechococcus HS-9菌株。通过系统分析气泡动力学参数(速度0.0064 m/s、直径720μm)、非维度数(Re 4.51/Eo 0.0126)及传质系数(kLa O2 0.114 s-1)，证实优化后的反应器设计可使生物量在13天达到3.226 g，为第三代生物柴油原料生产提供了高效技术方案。

　　

在能源危机与碳中和的双重挑战下，微藻生物柴油因其可再生性和碳固定能力备受关注。然而，传统培养系统存在生物量产率低、CO₂传质效率差等瓶颈问题。特别是富含脂肪酸甲酯(FAME)的Synechococcus HS-9菌株（含量达70-78%），其微小细胞尺寸(0.9-2.5μm)对培养系统的流体动力学特性提出了极高要求。这项发表在《Scientific Reports》的研究，通过创新设计带挡板的矩形气升式光生物反应器(RAPBR-Bs)，为解决上述问题提供了新思路。

研究团队采用高速摄像(PIVlab)分析气泡动力学，结合Wilke-Chang方程计算气体扩散系数，通过实时监测溶解氧(DO)和CO₂浓度获取传质系数。实验使用25 L反应器，设置2 LPM进气流量和300-450 μmol m^-2 s^-1光照强度，持续14天培养来自印尼班腾温泉的Synechococcus HS-9菌株。

气泡特性与流体动力学分析

蘑菇型曝气器产生的气泡直径(720μm)和速度(0.0064 m/s)通过挡板调控形成湍流，使雷诺数(Re 4.51)维持在层流状态。Clift相图显示气泡呈球形，韦伯数(We 6.85×10^-5)证实表面张力主导形态。挡板设计使气体滞留率(0.0072)提升40%，显著延长CO₂停留时间。

传质过程优化

水平挡板使容积传质系数(k_La O₂ 0.114 s^-1)较传统反应器提高35%，CO₂固定速率达76 mg/L/天。溶解氧监测显示，第7天后k_La值随生物量增加而降低，反映光合作用对气体的高效利用。

生物量生产性能

培养13天时生物量达3.226 g（5.1×10^-4 g/mL），较无挡板设计提升28%。比生长速率分析显示两个指数生长期，第二峰值出现在第13天，此时pH稳定在7-8，LED光源(430-663nm)与藻蓝蛋白吸收峰匹配。

该研究通过反应器结构创新实现了三个突破：首先，挡板-蘑菇曝气器组合使CO₂传质效率达到工业级要求；其次，优化的流体动力学参数为微米级藻细胞提供了低剪切力环境；最后，双指数生长特征的发现为高密度培养提供了新调控靶点。这些成果不仅为Synechococcus HS-9的规模化培养奠定基础，其设计的非维度数模型(Re/Eo/Mo)还可推广至其他光生物反应器优化领域，对推进碳中和背景下的微藻能源产业化具有重要价值。