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实现闪光效果的不同策略比较——气动混合与闪光照明
摘要： 光生物反应器中微藻光合培养的主要限制在于低培养密度导致收获及下游工艺成本高昂。通常认为强化培养液混合可通过实现闪光效应提升光能利用效率，从而促进细胞生长。另一种方案是采用闪光光源，在无需额外能耗进行快速混合的情况下实现该效应。虽然混合效应已在不同反应器规模上得到研究，但闪光照明实验多集中于小尺度几何结构。此外，针对具有生产规模特征的大光程光生物反应器的此类研究仍较匮乏。通过数值模拟，我们评估了在直径5厘米、充满莱茵衣藻悬浮液的鼓泡塔中，气动混合与闪光照明实现闪光效应的能力。据我们所知，目前文献尚未报道过闪光照明与气动混合对培养生长影响的数值对比研究。要全面比较这两种方法，需要整合流体流动、光场计算及藻类细胞生长动力学的稳健数值工具。本研究通过追踪微米级颗粒模拟藻类运动，计算了鼓泡塔光生物反应器中的三维流??；通过求解不同波长和生物量浓度下的三维辐射传输方程(RTE)获得光谱光场。流场与光场的耦合使我们能够计算单个藻类细胞的时空光照暴露情况，进而估算鼓泡塔反应器不同运行条件下相应的动态光合反应速率。数值模拟发现：在所研究的运行条件下，与闪光效应相比，单纯气动混合的贡献可忽略不计。相反，在工业相关运行条件下，当闪烁频率超过50Hz时，LED闪光照明可使生长速率提升至2.5倍。因此，不仅需要合理选择占空比以防止光抑制，还需同步最大化闪光光效应。这些结果表明，利用LED闪光光源或将成为未来提升光生物反应器生产力的重要途径。
关键词： 混合、光生物反应器、闪光照明、数值模拟、鼓泡塔
更新于2025-09-23 15:22:29
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通过微藻光合作用与光谱选择性光伏电池相结合实现多带隙太阳能转换
摘要： 微藻光合作用是一种极具前景的太阳能转化过程，可生产高浓度生物质，其应用领域包括生物能源、食物资源和医药等。本研究探讨了微藻培养系统的光学设计规则，旨在高效利用太阳能并提高光合效率。首先，在微藻培养的光生物反应器（PBR）表面涂覆了有机发光染料3,6-双(4′-(二苯氨基)-1,1′-联苯-4-基)-2,5-二己基-2,5-二氢吡咯并[3,4-c]吡咯-1,4-二酮（D1）。与既往研究不同，在0.2和0.6倍太阳光强的人工光照下，该设计并未提升生物质产量。我们通过强光照条件下的光致发光分析，阐明了光生物反应器的局限性及未来设计原则。其次，作为最大化太阳能转化效率的多带隙方案，我们提出将微藻培养与光谱选择性光伏电池（PV）相结合的双能源发生器。在该系统中，光合作用无法高效利用的高能蓝绿光子被宽带隙光伏电池吸收，通过牺牲吸收光谱范围来产生高开路电压（Voc）的电能；未被吸收的红光子则导入光生物反应器实现高效光合作用。在7.2 kWh m?2 d?1的光照条件下，实验验证了基于C60的光伏电池双能源发生器能通过单系统多带隙协同作用，同步实现20.3 g m?2 d?1的生物质产量与220 Wh m?2 d?1的电能产出。
关键词： 光生物反应器、光谱选择性光伏电池、太阳能转换、双能源发电机、微藻光合作用
更新于2025-09-12 10:27:22
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外耦合平面波导光生物反应器的设计与测试
摘要： 波导可用于将光线深入输送至藻类光生物反应器中，从而实现高面积产量的藻类生物膜生长。当前这类反应器的缺点在于依赖人工照明。更实用的方法是利用直射阳光为波导光生物反应器提供光照。本文设计了一种新型光学系统，通过3D打印抛物面镜利用外部光源照射的波导来培育藻类生物膜。研究发现，复合抛物线槽的多边形近似法是一种能有效聚焦自然外光的机制，且易于构建。实验同时证明，当与镜面槽配合使用时，波导上藻类生物膜的生物质产量可提高2.5倍。
关键词： 光生物反应器、太阳能聚光器、藻类生物膜、非成像光学、光波导
更新于2025-09-12 10:27:22
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复合营养物质与多次分批培养对盐生盐杆菌增强细菌视紫红质产量的影响
摘要： 极端嗜盐菌盐生盐杆菌（Halobacterium salinarum）能在其紫膜（PM）中产生细菌视紫红质（BR）蛋白，作为光驱动的ATP合成泵。该菌生长不利用葡萄糖等简单碳源，而依赖复杂的碳/氮源。H. salinarum培养物中BR的产量也强烈依赖于所采用的复杂氮源。本工作使用的各种复杂碳/氮源中，发现胰蛋白胨（而非常用的蛋白胨）是促进H. salinarum生长及BR生产的最佳复合营养物。采用间歇式运行的气泡柱光生物反应器，通过间歇去除生长抑制性代谢物来增强H. salinarum的生长。当培养基中使用0.5%胰蛋白胨作为碳/氮源时，经过210小时重复批次培养获得201.8 mg/L的BR，比摇瓶培养的产量高出约50%。
关键词： 复杂营养物质，细菌视紫红质生产，光生物反应器
更新于2025-09-10 09:29:36