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微藻在能源、食品、饲料、环保及医药等领域具有广泛的应用,光生物反应器是微藻培养的核心装置,特别是微藻能源研发热潮的兴起,对光生物反应器优化与放大的需求尤为迫切。迄今,国内外对光生物反应器虽己开展了不少研究,但光生物反应器的优化仍然基本凭经验、且主要依靠传统的实验方法针对某一特定形式的反应器开展,工作量大且推广性差；近年来出现了采用CFD技术对光生物反应器进行优化,但仅局限于理论计算,很少经过微藻培养的验证；此外,对于光生物反应器的放大,不同的研究者往往采用不同的放大参数,哪种放大参数合适?目前尚不清楚。因此,光生物反应器的优化与放大尚没有一套系统、可靠且具有普适性的方法。究其原因,主要在于众多表征光生物反应器中混合及藻细胞受光特性参数对光生物反应器性能影响的重要性及敏感性,迄今尚不清楚。此外,笔者所在实验室在国内外首创的微藻异养—稀释—光诱导培养技术亟待进行中试放大研究,且光生物反应器也是微藻光诱导的核心装置,亟待研究。鉴于上述情况,本文采用CFD方法与小球藻光诱导(部分为光自养)等热模实验相结合的方法,通过相关性分析确定影响各类光生物反应器性能的具有共性的敏感性因素,然后基于敏感性参数设计、优化了系列规模化的微藻光诱导培养系统,最后开展了小球藻异养—稀释—光诱导串联培养工艺的中试研究。(1)优化并建立了蛋白核小球藻的光衰减模型并研究了藻细胞色素含量对光衰减的影响。Lambert-Beer光衰减模型仅适合于低藻细胞浓度,Hyperbolic光衰减模型对高藻细胞浓度更适合,Cornet光衰减模型适合于较宽藻细胞浓度范围。笔者所建立的M-Hyperbolic模型能较好地拟合藻细胞浓度小于2.68g/L条件下的光衰减过程。此外,在相同藻细胞浓度下,随着细胞中色素含量的增加,光的衰减程度加剧,而在高藻细胞浓度下,藻细胞色素含量对光衰减的影响较小。(2)研究了入射光强、藻细胞浓度及通气量等对平板式光生物反应器中混合及藻细胞受光特性的影响并对不同放大准则进行了理论分析。随着藻细胞浓度增加,比光照速率(qi)和体积平均光强均(Iavv)呈指数趋势下降；随着入射光强增加,qi和Iavv呈线性增加；随着通气量增加,藻液湍动能(TE)及其耗散率(TED)呈线性增加,流体平均径向速率(Ur)呈幂函数增加,混合时间(tm)呈指数下降,藻细胞光暗循环周期(LDCT)呈幂函数下降,藻细胞时均光强(Iavt)和藻细胞在光区停留时间占循环时间的比例(LF)几乎不受影响。以I“v和qi相等为准则对平板式光生物反应器进行放大,外部光强相等时,15L反应器中藻细胞浓度分别仅为3L反应器中藻细胞浓度的0.26倍和0.36倍；初始藻细胞浓度相等时,15L反应器外部光强分别是3L反应器外部光强的3.7倍和2.81倍。以径向混合时间(Tr)、tm和LDCT相等为放大准则时,15L反应器的单位体积通气功率分别约是3L反应器的1倍、2倍和5.7倍。(3)将室内3L平板式光生物反应器、户外70L槽式培养系统和50L鼓泡式培养系统中小球藻的光诱导结果(藻细胞死亡速率、藻细胞叶绿素和蛋白质含量的上升速率)与培养系统中的混合及藻细胞受光特性参数进行相关性分析,结果表明Iavv、Iavt和qi是影响藻细胞光诱导效果的主要参数。在相同外部光强,不同光程下,影响培养系统性能的主要是藻液的受光强度。在相同外部光强及相同的光程下,影响光生物反应器性能的主要因素是藻液的混合。采用相等Iavv、相等qi和相等LDCT为放大准则具有较好的效果,而采用相等Tr和tm为放大准则,效果较差。(4)基于强化藻液在光照方向的混合设计了新型内部构件及相应的15L平板式光生物反应器。小球藻在新型平板式反应器中的光自养培养结果与反应器中混合及藻细胞受光特参数之间的相关性分析表明,流体在光照(光衰减)方向的速率(UL)及藻细胞的LDCT是影响反应器性能的主要敏感性参数。在此基础上,在15L鼓泡式(Bubble).隔板式(Split)及气升式(Airlift)平板反应器中对所确定的敏感性参数进行了验证,并首次系统地确定了这三种平板式光生物反应器的性能：Split平板光生物反应器优于Airlift平板光生物反应器,Bubble平板光生物反应器性能最差。在通气量1.0vvm条件下,类型a反应器中的最高藻细胞浓度和比生长速率分别比对照(Bubble反应器)提高了92.5%和28.0%,类型b反应器中的最高藻细胞浓度和比生长速率分别比对照提高了33.8%和25.6%,类型c反应器中的最高藻细胞浓度和比生长速率分别比对照提高了45.2%和29.8%。(5)基于上述确定的敏感性参数对规模化的光生物反应器进行优化及验证。不同内部结构的1000L平板式光生物反应器及300L柱式立袋、不同操作条件下的中型跑道池及不同桨型下的圆池中微藻的光诱导或光自养培养结果均表明,反应器中流体在光衰减方向的速率(UL)及藻细胞光暗循环周期(LDCT)显著地影响反应器的性能,敏感性参数的准确性不仅得到了进一步验证,而且表明UL及LDCT这两个敏感性参数具有普适性。(6)基于敏感性参数设计了系列规模化的微藻培养系统,并对小球藻异养—稀释—光诱导串联培养技术开展了中试研究。蛋白核小球藻在6000L发酵罐中异养培养的藻细胞平均生长速率后期仍可达3.0g/L/h,与50L发酵罐中生长速率相当；温度显著影响小球藻光诱导效率,且河水可替代自来水进行小球藻光诱导。在上述规模化的中型、大型跑道池及圆池中,经10～20h光诱导后,藻细胞的叶绿素和蛋白质含量可达20mg/g和50%以上,达到小球藻质量标准,这与在小规模光诱导系统中的光诱导效率相当。本文的上述研究结果不仅为光生物反应器的优化和放大提供了依据而且为小球藻的异养-稀释-光诱导培养技术的产业化奠定了良好的基础。