Some Basic Knowledge of Photo Bioreactor

生物技术作为新兴的能源技术，自工业革命以来就备受关注，而中试发酵罐作为生物技术的装置支撑，生物技术中的生物反应器也正在快速发展。作为微藻培养基生物中试发酵罐之一， 光生物反应器 就是其中之一，它利用光合作用的原理，将光能转化为化学能，通过微生物的新陈代谢，将二氧化碳转化为生物燃料。

由于石油等不可再生资源的减少和低碳环保经济的迫切需求，生物能源成为各国研发的重点，但目前生物质能源大多由农作物制备，土地资源有限，生物能源利用效率低下。微藻是一类叶绿素单细胞生物，可自行培养，种类多，分布广，生长速度快，又能利用CO2，有利于实现生物质的可持续发展。

本文将介绍光生物反应器的一些基本知识。

1. 什么是光生物反应器？

光生物反应器 refers to a types of bioreactor that can be used for optical microorganisms and its tissue or cell culture. This reactor has a similar structure to the general biological reactor. Under general conditions, a certain amount of light, temperature, and nutrients are required to cultivate and control the system’s environment.

光生物反应器是一个完整的培养系统，除反应器主体外，还有通风部分、光照系统和测量装置。通风部分一般由充气泵或二氧化碳钢瓶及气体分布装置、过滤器、流量计、气体分布器和加湿器等组成；光照系统由光源和定时器两部分组成。

该反应器的研究开始正视世界石油危机，当时科研人员主要用绿藻进行了大量研究，主要目的是研究其能否替代石油资源作为能源。随着研究的不断深入，在20世纪50年代，人们对光生物反应器已经有了一定程度的掌握。

但此时人们研究的各类光生物反应器主要停留在理论试验阶段。研究，尚无一种光生物反应器应用于实际。开放式光生化相关设备要求不如密闭式反应器精确。密闭式光生物反应器主要用于多种微藻，如麻雀藻、小球藻、盐藻等的规模化培养，并取得了良好的效果。

The main feature of the closed photo bioreactor, as its name implies, is that it is sealed and isolated from the external environment. It is built with transparent materials and is mainly glass materials. This is conducive to the internal microorganisms to get full light. Another point is to observe the phenomenon of reaction changes inside the biological pilot fermenter.

相对于开放式反应器来说，封闭式光生物反应器最主要的优点就是可以达到一定的连续生产，而且由于与外界环境隔离，不容易受到外界环境的影响，可以按照微生物的既定目标进行生产，而且这种生物反应器的应用范围比较广，产氢效率比较高，当然产氢的纯度也比较高。

但密闭式光生物反应器的建造成本较高，需要较大的投资才有可能完成，光生物反应器一旦建成，可以有效地控制反应过程中的温度以及相关微生物的生长条件，而且操作简便，还可以在一定程度上减少环境污染。

2. 光生物反应器的应用有哪些？

（1）能源领域：光生物反应器可用于生物质能源生产的研究，成为解决能源危机的一种途径；（2）食品工业：光生物反应器可用于制作食品添加剂、饲料等；（3）工业材料：光生物反应器可用于高价值化合物的生产、制药工业中的微生物工程等；（4）生态环保：光生物反应器可用于城市光生物固体碳、水体净化、海洋光合作用等领域。

3. 光生物反应器的优点

（1）环保节能：光生物反应器是一种绿色环保的生产方法，利用太阳能作为能源，不需要化石燃料；（2）生物质产量高：光生物反应器的生物质产量远高于传统培养方法；（3）微生物发酵效率高：光生物反应器中微生物发酵效率高，成本低，发酵产物纯度高。

4. 光生物反应器的发展趋势

第一是模块化，未来的光生化反应堆将趋向于模块化设计，按需组装。

第二是新材料，随着光生物反应器应用领域的不断扩大，各种新材料也被应用到生物中试发酵罐的制造中；第三是智能化，智能设计帮助生物反应器通过数据分析改进设计，提高生产效率。

目前微藻常用的光生物反应器有开放式和封闭式两大类，开放式生物反应器结构简单，操作方便，运行成本低；封闭式光生物反应器主要用于实验室或小规模微藻培养，制造、运行和维护成本较前者较高，但能更好地控制培养条件，具有较好的研究价值。

光生物反应器作为一种高效的光合微生物，不仅在科学研究上具有重要的价值，而且在工业生产和环境保护方面也显示出巨大的潜力。通过不断的技术创新和优化，光生物反应器必将在未来生物技术领域的生物反应器中发挥更重要的作用。