基于內(nèi)置光纖/導(dǎo)光管反應(yīng)器的微藻固碳減排研究

夏 奡 ，任柯欣 ，張敬苗 ，黃 云 ，朱賢青 ，朱 恂 ，廖 強(qiáng)

（1.重慶大學(xué) 低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400044；2.重慶大學(xué) 工程熱物理研究所, 重慶 400044）

0 引 言

2021 年中國(guó)CO2排放量達(dá)到119 億t，其中燃煤CO2排放量超57 億t，約占總排放量的48.4%[1]。燃煤電廠排放的煙氣中含有10%～20% 的CO2，是主要的碳排放源[2]。碳捕集利用與封存技術(shù)（CCUS）可有效減排煙氣中的CO2，可為我國(guó)實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)作出重要貢獻(xiàn)。目前碳捕集方法多樣，如化學(xué)吸收、固體吸脫附、膜吸收分離等[3-4]。微藻生長(zhǎng)周期短、適應(yīng)能力強(qiáng)、分布廣，固碳效率遠(yuǎn)超其他陸地植物。微藻固碳能夠同時(shí)對(duì)CO2進(jìn)行捕集與利用，實(shí)現(xiàn)碳減排并生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品[5]，極具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

微藻細(xì)胞通過色素捕獲光能進(jìn)行光合作用，固定CO2生成有機(jī)物以供細(xì)胞自身生長(zhǎng)利用[6]。目前，微藻的規(guī)?；囵B(yǎng)常使用開放式跑道池反應(yīng)器，其往往需要巨大的占地面積以使微藻獲得充分光照[7]。而封閉式光生物反應(yīng)器占地面積小，可為微藻提供穩(wěn)定的生長(zhǎng)環(huán)境，其微藻固碳效率顯著高于開放式反應(yīng)器[8]。KRUJATZ 等[9]和COLLESELLI 等[10]利用光學(xué)仿真軟件量化反應(yīng)器內(nèi)光分布，發(fā)現(xiàn)外置光源僅有部分光能進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)，且光照強(qiáng)度在藻液內(nèi)快速衰減，使得遠(yuǎn)離光源區(qū)域形成暗區(qū)，即該區(qū)域內(nèi)的微藻受光嚴(yán)重不足。因此，光傳輸是光生物反應(yīng)器內(nèi)微藻生長(zhǎng)固碳的重要限制因素。通過增強(qiáng)光能輸入可提高反應(yīng)器內(nèi)遠(yuǎn)離光源區(qū)域的光強(qiáng)，但過高的光能輸入會(huì)使反應(yīng)器內(nèi)近光源區(qū)域光強(qiáng)過高，抑制微藻生長(zhǎng)[11]。此外，改變反應(yīng)器形狀，擴(kuò)大受光表面積、縮短光在藻液中的傳輸距離，可使反應(yīng)器內(nèi)更多區(qū)域的微藻接收到充足的光進(jìn)行生長(zhǎng)代謝[12-14]。但改變反應(yīng)器形狀會(huì)加大微藻培養(yǎng)工藝難度，且整體固碳效率提升有限。因此，在反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置導(dǎo)光結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)光分布，使更多區(qū)域的微藻接收到適宜生長(zhǎng)固碳的光照非常重要。

導(dǎo)光管可靈活調(diào)節(jié)反應(yīng)器內(nèi)光分布，而光纖可集中傳輸光線且光損耗低，因此研究者們開展了大量相關(guān)研究。SUN 等[15]在反應(yīng)器內(nèi)加入空心導(dǎo)管，使遠(yuǎn)光區(qū)的藻細(xì)胞受到更多光照，發(fā)現(xiàn)微藻生物質(zhì)產(chǎn)量可提高23%。RAHA 等[16]和AHANGAR 等[17]在反應(yīng)器內(nèi)部同時(shí)增添LED 燈條與鏡面，進(jìn)行光的發(fā)射與反射，微藻生物量分別提高30%、91%；但在培養(yǎng)過程中LED 燈條發(fā)熱嚴(yán)重，藻液溫度升高，導(dǎo)致微藻固碳效率降低。ALLIL 等[18]利用熱絕緣體的光纖將太陽(yáng)光集中導(dǎo)入藻液深處，減少反應(yīng)器內(nèi)部熱量同時(shí)使微藻生物量提升了20%。為進(jìn)一步增加光纖發(fā)光面積，WONDRACZEK 等[19]將光纖用砂紙輕度打磨后實(shí)現(xiàn)側(cè)發(fā)光，反應(yīng)器內(nèi)光照區(qū)域可占總體積的50%，微藻生物量提高了93%；但處理后的光纖表面粗糙度增加，易被微藻附著，難以清潔，無法重復(fù)使用。因此，設(shè)計(jì)一種光利用率高、能耗小的封閉式光生物反應(yīng)器對(duì)微藻高效固碳有重要意義。

本文選擇由光纖將光集中傳輸至內(nèi)置導(dǎo)光管向藻液發(fā)射，并通過設(shè)計(jì)階梯型光纖結(jié)構(gòu)、添加內(nèi)置反光件優(yōu)化反應(yīng)器內(nèi)的光分布。為探究?jī)?nèi)置光纖/導(dǎo)光管的發(fā)光效果，采用LightTools 軟件對(duì)光纖/導(dǎo)光管發(fā)光情況進(jìn)行仿真分析和優(yōu)化，通過微藻培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的內(nèi)置光纖/導(dǎo)光管反應(yīng)器內(nèi)的微藻固碳性能提升，為微藻固碳技術(shù)的發(fā)展提供理論依據(jù)與指導(dǎo)建議。

1 仿真與實(shí)驗(yàn)

1.1 微藻光生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究采用購(gòu)買自中國(guó)科學(xué)院武漢水生生物研究所的淡水普通小球藻Chlorella vulgarisFACHB-31，使用Modified BG 11 培養(yǎng)基[20]培養(yǎng)。

內(nèi)置光纖/導(dǎo)光管的封閉式微藻光生物反應(yīng)器整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由塑料光纖、有機(jī)玻璃導(dǎo)光管與有機(jī)玻璃柱形培養(yǎng)腔室組成。柱形微藻培養(yǎng)腔室工作容積2.5 L，底部有氣孔大小一致、分布均勻的氣管。導(dǎo)光管直徑20 mm，完全浸入藻液的發(fā)光段長(zhǎng)度為140 mm，在保證良好透光性的同時(shí)防止藻液與光纖直接接觸。管底放置表面貼有高光反射率鍍鋁反光膜的反光件（如圖1 所示，完全反射的鏡面底、半球型反射件、底∶高為1∶1 的錐形反光件、底∶高為1∶2 的錐形反光件、底∶高為1∶4 的錐形反光件）。光纖組由7 根直徑為20 mm 的光纖組成，整體長(zhǎng)度為800 mm。收集光的輸入端面平整，輸出光的末端為：平面結(jié)構(gòu)光纖（光纖末端處于同平面，如圖1a 所示）和階梯型光纖（光纖中心的細(xì)光纖末端延長(zhǎng)60 mm 形成直徑12 mm 圓的第二層發(fā)射面，如圖1f 所示）。

圖1 內(nèi)置光纖/導(dǎo)光管的封閉式微藻光生物反應(yīng)器Fig.1 Microalgae photobioreactor with different built-in optical fiber/light guide tubes

為對(duì)比評(píng)估導(dǎo)光方式對(duì)光生物反應(yīng)器內(nèi)光分布及微藻培養(yǎng)性能的影響，設(shè)計(jì)了插入不含光纖的導(dǎo)光管且僅在頂部給光的對(duì)照組（Light guide photobioreactor，LG-PBR）、插入平底光纖/導(dǎo)光管的光生物反應(yīng)器（Flat-bottom fiber photobioreactor，F(xiàn)F-PBR）和插入末端為兩級(jí)階梯結(jié)構(gòu)光纖/導(dǎo)光管的光生物反應(yīng)器（Stepped fiber photobioreactor，SF-PBR），如圖2 所示。在3 種反應(yīng)器內(nèi)分別培養(yǎng)小球藻FACHB-31，培養(yǎng)條件為：微藻初始接種濃度0.1 g/L，溫度（25±1）℃，通氣量375 mL/L（通氣比0.15 vvm，5% CO2），光能輸入為1.6、3.3 或5.0 W/L（通過調(diào)節(jié)LED 燈功率控制單位體積藻液內(nèi)光輸入）。

圖2 3 種光生物反應(yīng)器示意Fig.2 Schematic of three types of photobioreactors

1.2 光纖/導(dǎo)光管仿真

采用LightTools 軟件對(duì)單根內(nèi)部含不同結(jié)構(gòu)光纖與反光件的導(dǎo)光管進(jìn)行光線追蹤。根據(jù)實(shí)際光生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，設(shè)定光纖為289 根直徑為1 mm 的細(xì)光纖組合而成。外部有拋物線型反光杯，高60 mm，輸入口直徑20 mm，輸出口直徑為68 mm。材質(zhì)設(shè)定：細(xì)光纖為塑料光纖，數(shù)值孔徑NA 為0.5，芯層折射率1.49、包層折射率1.40；導(dǎo)光管為有機(jī)玻璃，折射率1.49；反光杯為鋁，內(nèi)表面全反射。根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)朗伯型的圓柱形表面光源，波長(zhǎng)為復(fù)合型白光，追蹤的總光線數(shù)為五千萬，接收面在導(dǎo)光管外側(cè)，長(zhǎng)160 mm、寬120 mm，8 991 個(gè)網(wǎng)格，峰值誤差3.8%。

1.3 光纖/導(dǎo)光管側(cè)發(fā)光效果實(shí)測(cè)

為確定不同結(jié)構(gòu)的光纖與反光件組合后導(dǎo)光管的發(fā)光效果，同時(shí)驗(yàn)證仿真結(jié)果的可靠性，利用輻照計(jì)（SY-HYX，世亞科技，中國(guó)）測(cè)量導(dǎo)光管發(fā)光段側(cè)面光強(qiáng)。以光纖末端為起始點(diǎn)1，之后每隔10 mm設(shè)立一點(diǎn)，一共14 個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量過程中每個(gè)點(diǎn)重復(fù)測(cè)3 次，取3 次平均值作為該點(diǎn)光強(qiáng)。

1.4 微藻生長(zhǎng)固碳性能評(píng)價(jià)

微藻生物量采用稱量法[21]，從微藻光生物反應(yīng)器內(nèi)收集藻液，離心后放置在預(yù)先稱量好重量的稱量瓶中80 ℃下干燥24 h 后測(cè)定總重量，通過以下式計(jì)算獲得微藻生物量：

式中：C為微藻生物量，g/L；V為抽取藻液體積，L；W1、W2為稱量瓶?jī)糍|(zhì)量和稱量瓶和干燥后的微藻總質(zhì)量，g。

微藻平均固碳率為單位時(shí)間內(nèi)單位體積微藻懸浮液固定的CO2量，計(jì)算公式[22]如下：

通過LICHTENTHALER[23]提出的色素測(cè)定方法測(cè)定微藻色素含量。將離心后的藻泥加入95%酒精，避光浸泡24 h 萃取微藻內(nèi)色素，通過紫外可見分光光度計(jì)（Persee TU-1901，中國(guó)）在470、648.6、664.1 nm 三種波長(zhǎng)下檢測(cè)溶液中葉綠素a、葉綠素b、總類胡蘿卜素的吸光度，代入公式可計(jì)算出藻細(xì)胞中3 種色素的含量。計(jì)算方程如下所示：

式中：Xa、Xb、X(x+c)為葉綠素a、葉綠素b 與總類胡蘿卜素含量，μg/mL。

微藻懸浮液中色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)α可用以下公式計(jì)算：

所有參數(shù)均重復(fù)測(cè)量了至少2 次，結(jié)果以均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差的形式呈現(xiàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 光纖/導(dǎo)光管的光線仿真結(jié)果

由圖3 可知，光纖將光線從光源處傳遞至末端，在導(dǎo)光管發(fā)光段20 mm 處達(dá)到峰值，之后側(cè)面光強(qiáng)迅速減弱，其原因是光纖末端發(fā)射的光線具有一定的發(fā)散角，光在傳播過程中不斷向外擴(kuò)散[25]。在0～20 mm 內(nèi)，光纖內(nèi)遠(yuǎn)離管壁的細(xì)光纖發(fā)射的光線抵達(dá)導(dǎo)光管壁面時(shí)，比靠近管壁的光纖的射出光線傳播路徑更長(zhǎng)，距光線發(fā)射端更遠(yuǎn)，導(dǎo)光管側(cè)面的光線密度隨距離增加而上升，側(cè)面光強(qiáng)在20 mm 附近達(dá)到最大值；在20～140 mm 區(qū)間隨著光線繼續(xù)傳播，導(dǎo)光管側(cè)面的光線密度逐漸下降，光強(qiáng)開始減小。僅插入平面結(jié)構(gòu)光纖的導(dǎo)光管側(cè)面發(fā)光范圍有限，在導(dǎo)光管底部添加反光件可使發(fā)射角小的光線抵達(dá)導(dǎo)光管管底后，經(jīng)反光件表面反射再射出導(dǎo)光管，從而加大了導(dǎo)光管底部的發(fā)光區(qū)域并提升了側(cè)發(fā)光平均光強(qiáng)。對(duì)比圖4a—圖4e 可以發(fā)現(xiàn)，在導(dǎo)光管底部的錐形反光件比半球型反光件表面反射效果好，且隨著圓錐高度增加，導(dǎo)光管底部光強(qiáng)增強(qiáng)區(qū)域變寬。當(dāng)圓錐底∶高為1∶4 時(shí)，圓錐頂角尖銳，光強(qiáng)增強(qiáng)范圍最大，但圓錐側(cè)表面經(jīng)反射射出的光線與管壁夾角小，使得導(dǎo)光管側(cè)面光強(qiáng)增幅不明顯。綜合考慮光纖/導(dǎo)光管的側(cè)發(fā)光區(qū)域與光強(qiáng)，最終選擇底∶高為1∶2 的圓錐形反光件作為導(dǎo)光管底部的反光件。

圖3 不同光纖/導(dǎo)光管的側(cè)面光強(qiáng)仿真結(jié)果Fig.3 Surface light intensity simulation results of different optical fiber/light guide tubes

圖4 不同光纖/導(dǎo)光管的光線仿真結(jié)果Fig.4 Ray-tracing simulation results of different optical fiber/light guide tubes

添加反光件后導(dǎo)光管底部光強(qiáng)在一定程度上得到提升，但因光線在近光源區(qū)域迅速向外射出，在60～140 mm 區(qū)間內(nèi)導(dǎo)光管側(cè)發(fā)光光強(qiáng)低于40 μmol/（m2·s），需進(jìn)一步調(diào)節(jié)光纖結(jié)構(gòu)以拓寬導(dǎo)光管側(cè)面高光強(qiáng)區(qū)域（圖3）。改變光纖末端結(jié)構(gòu)，延長(zhǎng)光纖中心的細(xì)光纖，呈現(xiàn)階梯形狀，可使傳輸?shù)墓獗环譃閮刹糠謴膬杉?jí)階梯面向外發(fā)出（圖4f）。由于第一級(jí)發(fā)光表面面積縮小，仿真結(jié)果顯示在0～70 mm 范圍內(nèi)階梯型光纖光強(qiáng)相比平面型強(qiáng)度減弱；但在70～140 mm 光強(qiáng)驟減范圍內(nèi)第二級(jí)階梯表面發(fā)射光使導(dǎo)光管下端發(fā)光效果提升，進(jìn)而使導(dǎo)光管側(cè)發(fā)光光強(qiáng)分布更加均勻。

由圖5 可以發(fā)現(xiàn)，使用不同形狀光纖與錐形反光件的光纖/導(dǎo)光管側(cè)面實(shí)際發(fā)光光強(qiáng)與仿真結(jié)果具有良好匹配性。導(dǎo)光管側(cè)面發(fā)光光強(qiáng)與仿真結(jié)果變化趨勢(shì)一致，但具體數(shù)值存在一定差異，該差異主要源于實(shí)際光纖光源與模型設(shè)計(jì)存在不同[9]，實(shí)際光纖比模型內(nèi)均勻排布的光纖更加緊密，細(xì)光纖之間內(nèi)空隙更少，傳輸?shù)墓饩€損耗更少，導(dǎo)光管側(cè)面的實(shí)際光強(qiáng)更高。對(duì)比分析不同結(jié)構(gòu)的光纖/導(dǎo)光管可以發(fā)現(xiàn)，階梯型光纖在0～70 mm 比平面型光纖的導(dǎo)光管側(cè)發(fā)光光強(qiáng)低，在第一級(jí)階梯面光強(qiáng)出現(xiàn)峰值后開始下降，經(jīng)第二級(jí)階梯面補(bǔ)光后光照強(qiáng)度回升，使得導(dǎo)光管整體發(fā)光效果更均勻。

2.2 不同反應(yīng)器的微藻生長(zhǎng)固碳性能

在輸入光能相同情況條件下，F(xiàn)F-PBR 和SFPBR 中實(shí)際平均光強(qiáng)分別為57 μmol/（m2·s）和64 μmol/（m2·s），較對(duì)照組平均光強(qiáng)（18 μmol/（m2·s））分別提高了2.2 倍和2.6 倍，證實(shí)了所設(shè)計(jì)的階梯型結(jié)構(gòu)的光纖具有良好導(dǎo)光效果。光纖末端從平面改為階梯型，使得導(dǎo)光管整體側(cè)面光強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差從45.7 μmol/（m2·s）降低為27.3 μmol/（m2·s），導(dǎo)光管側(cè)面發(fā)光更加均勻。

在微藻培養(yǎng)過程中，藻液受氣升力作用流動(dòng)，而導(dǎo)光管改變反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)，促進(jìn)藻液循環(huán)速率[26]。由圖6a 所示，在培養(yǎng)初期微藻濃度不高，光在反應(yīng)器內(nèi)傳輸良好，藻細(xì)胞可以獲得充足光能，因此微藻迅速適應(yīng)三種反應(yīng)器內(nèi)的培養(yǎng)條件，進(jìn)入指數(shù)生長(zhǎng)期，呈現(xiàn)相似的生長(zhǎng)速率。但隨著培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)，三種反應(yīng)器內(nèi)微藻生物量差距持續(xù)增加，具有階梯結(jié)構(gòu)光纖的SF-PBR 在第7 天達(dá)到最高生物量（1.9 g/L），比FF-PBR（1.3 g/L）增長(zhǎng)46.2%，比僅頂部給光的對(duì)照組LG-PBR（0.9 g/L）顯著增加111.1%。三種反應(yīng)器最終產(chǎn)出不同生物量的微藻的主要原因可能是內(nèi)部光分布不同。對(duì)照組為頂部受光，一部分光直接射入藻液面，一部分光會(huì)通過導(dǎo)光管傳輸至到導(dǎo)光管底部，而導(dǎo)光管側(cè)面發(fā)出的光光強(qiáng)較低。隨著反應(yīng)器內(nèi)微藻生物量提升，此時(shí)光在藻液中衰減嚴(yán)重，光穿透深度減少，反應(yīng)器內(nèi)有效光區(qū)域縮減，微藻的生長(zhǎng)受限[15]。而FF-PBR 與SF-PBR 通過光纖將光線集中射入反應(yīng)器，反應(yīng)器內(nèi)部藻液受光表面積增加，有效光區(qū)域占比提升。FF-PBR 中光纖以平面結(jié)構(gòu)插入導(dǎo)光管，靠近導(dǎo)光管底部、遠(yuǎn)離發(fā)光端面的區(qū)域側(cè)發(fā)光強(qiáng)度低，隨著微藻生物量的提升，光強(qiáng)衰減變快，對(duì)反應(yīng)器深處藻細(xì)胞補(bǔ)光促進(jìn)生長(zhǎng)的效果變小。SF-PBR 的導(dǎo)光管側(cè)表面光強(qiáng)相對(duì)均勻，側(cè)發(fā)光效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其它兩種結(jié)構(gòu)，反應(yīng)器內(nèi)有效光區(qū)域更大。伴隨底部曝氣，微藻在藻液內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，光量子與葉綠體碰撞時(shí)間增加，光利用率增加，CO2固定效率提升[27]。如圖6a 和6b，微藻生物量與生長(zhǎng)速率都有明顯的提升，反應(yīng)器的固碳效率與微藻生長(zhǎng)速率正相關(guān)，所以SF-PBR 平均固碳效率顯著高于其它兩種反應(yīng)器，達(dá)到500.3 mg/（L·d）。如圖6c 所示，SFPBR 中藻細(xì)胞色素的質(zhì)量百分比略低于其他兩種反應(yīng)器，可能是由于在培養(yǎng)初期，LG-PBR、FF-PBR 中光傳輸受限，藻細(xì)胞產(chǎn)生更多的葉綠素以捕獲更多光。隨著生物量增加，LG-PBR、FF-PBR 光衰現(xiàn)象更加嚴(yán)重，反應(yīng)器內(nèi)有效光區(qū)域總體積接近，總色素占比逐漸接近[28]。微藻迅速生長(zhǎng)會(huì)消耗更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，因此在SF-PBR 的培養(yǎng)基中 NO-3消耗更快（圖6d）。

圖6 不同導(dǎo)光方式對(duì)微藻生長(zhǎng)的影響Fig.6 Effects of different light guiding methods on the growth of microalgae

2.3 不同光能輸入對(duì)微藻培養(yǎng)固碳性能的影響

為促進(jìn)微藻在SF-PBR 中高密度生長(zhǎng)，提升該反應(yīng)器的固碳能力，探索了不同輸入光能條件下反應(yīng)器內(nèi)微藻的生長(zhǎng)情況，以獲得適宜微藻生長(zhǎng)的光照強(qiáng)度。當(dāng)輸入光由1.7 W/L 提升至5.0 W/L 時(shí)，導(dǎo)光管第一階梯面從52 μmol/（m2·s）增加到165 μmol/（m2·s），平均光強(qiáng)從32 μmol/（m2·s）增加到100 μmol/（m2·s），高于100 μmol/（m2·s）的區(qū)域占57.1%（圖5b）。輸入光能增加可提高光纖/導(dǎo)光管側(cè)發(fā)光光強(qiáng)且不改變光強(qiáng)變化趨勢(shì)，但管側(cè)不同位置發(fā)光光強(qiáng)增加幅度不同，峰值光強(qiáng)增加幅度更大，光強(qiáng)方差從16.4 μmol/（m2·s）增至41.4 μmol/（m2·s），導(dǎo)光管整體發(fā)光均勻性略有下降。

如圖7a 和7b 所示，微藻生物量與平均固碳速率和光強(qiáng)正向相關(guān)。伴隨著光強(qiáng)增長(zhǎng)，微藻生長(zhǎng)速率提升，進(jìn)而縮短生長(zhǎng)周期[22]。輸入光能為5.0 W/L時(shí)，光穿透深度增加，生物質(zhì)光化學(xué)量子產(chǎn)率與碳循環(huán)加快，使得固碳效率顯著上升[29]；隨著培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)，生長(zhǎng)速率變緩，培養(yǎng)周期結(jié)束時(shí)微藻生物量達(dá)到最大（2.8 g/L），平均固碳速率達(dá)608.3 mg/（L·d），比3.3 W/L 條件下的500.3 mg/（L·d）和1.7 W/L 條件下的273.4 mg/（L·d）平均固碳速率分別提升了21.6%和122.5%。SF-PBR 反應(yīng)器中微藻生物質(zhì)量比其他研究中的接受外部光的S 型光生物反應(yīng)器提升196%[13]，比內(nèi)置LED 的光生物反應(yīng)器提升9.1%[17]。由圖7c 可以發(fā)現(xiàn)，藻細(xì)胞內(nèi)總色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著輸入光能增大略微下降，這是因?yàn)榉磻?yīng)器內(nèi)光強(qiáng)高于100 μmol/（m2·s）的區(qū)域擴(kuò)大，微藻可以獲得較為充足的光照進(jìn)行光合作用，所以細(xì)胞減少產(chǎn)生額外的葉綠素而增加合成碳固定酶[28]。同時(shí)，在較高輸入光能條件下，微藻生長(zhǎng)速率加快，培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消耗速率更快。如圖7d 所示，培養(yǎng)基中NO3-含量快速下降。輸入光能為3.3 W/L 和5.0 W/L 條件下培養(yǎng)6 d 后，培養(yǎng)基內(nèi)的 NO-3剩余量極少，造成培養(yǎng)基內(nèi)氮缺乏，進(jìn)而微藻會(huì)改變碳轉(zhuǎn)化方向，同時(shí)分解自身葉綠素以維持生長(zhǎng)[20]。因此，輸入光能為3.3 W/L和5.0 W/L 條件下培養(yǎng)后期，微藻中色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著下降（圖7c）。

圖7 不同輸入光能對(duì)微藻生長(zhǎng)的影響Fig.7 Effect of different input light energies on the growth of microalgae

3 結(jié) 論

1）利用LightTools 模擬光纖/導(dǎo)光管的側(cè)面發(fā)光性能，獲得的光學(xué)仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)具有良好匹配性。導(dǎo)光管內(nèi)階梯型光纖與錐形反光件相互作用，使輸入光分別從光纖的不同階梯面發(fā)出，再由錐形反光件反射，光纖/導(dǎo)光管的整體發(fā)光范圍擴(kuò)寬、側(cè)面平均光強(qiáng)提升，進(jìn)而使微藻光生物反應(yīng)器內(nèi)光分布更加均勻。

2）在3 種光纖/導(dǎo)光管反應(yīng)器中培養(yǎng)8 d 后，SFPBR 中的微藻生物量可達(dá)到1.9 g/L，比LG-PBR 高111.1%，F(xiàn)F-PBR 高46.2%，驗(yàn)證了階梯型光纖/導(dǎo)光管可優(yōu)化反應(yīng)器內(nèi)的光傳輸，為微藻提供更適宜的光照環(huán)境，促進(jìn)微藻固碳過程，平均固碳效率可達(dá)500.3 mg/（L· d）。

3）當(dāng)輸入光能從1.7 W/L 提升至5.0 W/L 時(shí)，SFPBR 內(nèi)導(dǎo)光管側(cè)面平均光強(qiáng)由32 μmol/（m2·s）增加到100 μmol/（m2·s），培養(yǎng)的微藻生物量達(dá)2.8 g/L，培養(yǎng)期間固碳速率高達(dá)608.3 mg/（L· d），比對(duì)照組LGPBR 固碳速率提高1.9 倍。