当今世界,化石燃料的大量消耗不断地加剧着能源危机和全球气候变暖的趋势。以微藻为生物质来源的第三代生物燃料被认为是一种有潜力替代化石燃料的生物燃料,此外,微藻可通过光合作用将CO2转化为自身的有机物,其光合固碳效率是陆生植物的10-50倍。因此,微藻光合固碳及能源化利用技术具有缓解化石能源短缺、减少温室气体排放的双重效果,是世界各国争相研究的热点。微藻的高密度大规模光自养培养是实现该技术的关键,光为微藻细胞的光自养生长过程提供能量,然而,当光入射至微藻细胞悬浮液中时,由于微藻细胞内色素对光的吸收、微藻细胞对光的散射以及微藻细胞间的相互遮挡,使得微藻细胞悬浮液内沿光传输方向光强呈指数规律衰减,进而导致微藻细胞悬浮液中光强分布不均匀,不利于微藻生物质的积累。由此可见,强化微藻细胞悬浮液中光的传递,优化微藻细胞悬浮液中的光分布对提高微藻光自养生长至关重要。本文以悬浮式微藻光自养培养技术为背景,立足于强化悬浮式微藻光生物反应器内光的传递进而优化反应器内光强分布,首先,从控制反应器内细胞浓度的角度出发,提出了调控细胞浓度强化反应器内光传递及微藻生长特性的方法,通过定期调控反应器内的微藻细胞浓度增强光在微藻细胞悬浮液中的穿透能力,对调控细胞浓度前后反应器内光分布特性进行了分析,研究了采收比例、细胞浓度调控频率及入射光强对所提出的培养方法性能的影响;接着,从改善反应器内远离光入射面区域微藻细胞光照条件的角度出发,构建了耦合空心导光管的平板式微藻光生物反应器,研究了空心导光管对反应器内光传递的强化作用以及入射光强、通气率对反应器性能的影响。随后,为进一步优化反应器整体区域内光的分布,将纳米导光板引入至微藻培养领域,构建了纳米导光板气升平板式和内置纳米导光板的开放式跑道池微藻光生物反应器,对反应器内光分布特性进行了分析,并研究了纳米导光板长度、相邻纳米导光板间距、初始氮源浓度、导光板表面出射光强对微藻生长及油脂合成的影响。最后,借助于光在纳米导光板气升平板式微藻光生物反应器内良好的分布特性,以纳米导光板气升平板式微藻光生物反应器为基础,系统研究了基于不同生长阶段光照强度调控及基于光谱特性调控的微藻生长及油脂积累强化方法。主要研究成果如下:(1)提出了一种通过调控细胞浓度强化反应器内光传递及微藻生长特性的方法,在微藻的批次培养过程中,定期从反应器内取出一定体积的微藻细胞悬浮液,利用微孔滤膜的过滤作用将取出的藻液中的微藻细胞采收,采收后的透明液体培养基回流至反应器中被继续利用,反应器内微藻细胞浓度被稀释,细胞间的相互遮挡作用降低,光在反应器中的穿透能力增强,进而实现微藻生物质产量的提升。实验结果表明,通过该方法,反应器内的平均光强与对照组反应器相比,提高了27.05–122.06%,最终Chlorella vulgaris FACHB-31的产量提高了46.48%。(2)构建了一种耦合空心导光管的平板式微藻光生物反应器,利用光在空气中传输时的衰减比在微藻细胞悬浮液中小的特点,将尾端发光的空心导光管镶嵌在平板式反应器的前面板上,空心导光管的尾端为反应器后部区域内微藻细胞的生长提供“二次光源”,改善了平板式反应器内远离光入射面区域微藻细胞的光照条件,在一定程度上减弱了光衰减对微藻光自养培养的不利影响。结果表明:空心导光管的引入显著改善了反应器内远离光入射面区域微藻细胞的受光,在微藻培养过程的第三天之后,空心导光管的引入使得平板式反应器后半部区域(距离光入射面3-6 cm的区域)内的平均光强是传统平板式反应器后半部区域平均光强的2-6.5倍,最终空心导光管的引入使得反应器内的C.vulgaris FACHB-31生物质产量与对照组反应器相比提高了23.42%。(3)为进一步优化反应器整体区域内的光分布,提出将纳米导光板引入至微藻培养领域,分别构建了纳米导光板气升平板式微藻光生物反应器和内置纳米导光板的开放式跑道池反应器。纳米导光板可将较强的入射光强进行稀释,并将稀释后的光均匀分布在微藻细胞悬浮液中。实验结果表明:纳米导光板的引入使得纳米导光板气升平板式微藻光生物反应器的光照比表面积、光分布系数分别为传统直接鼓泡平板式微藻光生物反应器的11.3倍和7.22倍,且整个培养过程中纳米导光板气升平板式微藻光生物反应器中的光区比例较传统直接鼓泡平板式微藻光生物反应器中的光区比例提高了21.4-410%。当纳米导光板气升平板式微藻光生物反应器的厚度为25 cm时,所得到的C.vulgaris FACHB-31生物质产量与传统直接鼓泡平板式微藻光生物反应器相比提高了220%。通过对反应器结构参数、初始氮源浓度及导光板出射光强的优化,最终得到的反应器中的微藻生物质浓度、单位干重微藻细胞中的油脂含量、油脂总产量、平均油脂产率分别达到了5.57 g L-1,41.66%,2200.25 mg L-1和273.02 mg L-1 d-1。对于内置纳米导光板的开放式跑道池微藻光生物反应器,纳米导光板的引入显著增大了跑道池反应器内单位体积微藻细胞悬浮液的受光面积,与对照组跑道池反应器相比,其光照比表面积提高了5.53倍,且在整个培养周期内,跑道池反应器内的光区比例提高了19.68-172.72%,最终Nannochloropsis oculata生物质产量提高了193.33%,得到的N.oculata油脂的平均产率为113.06 mg L-1 d-1。(4)借助于光在纳米导光板气升平板式微藻光生物反应器内良好的分布特性,以相邻纳米导光板间距为10 mm的纳米导光板气升平板式微藻光生物反应器为基础,同时考虑到微藻细胞在不同生长阶段对光强需求的变化,研究了基于不同生长阶段光照强度调控的微藻生长及油脂积累强化方法,通过在微藻细胞生长的不同阶段调节纳米导光板表面出射光强的大小,实现了微藻细胞的生长及油脂积累的同步强化。结果表明:基于不同生长阶段光照强度调控的光供给方案对反应器内C.vulgaris FACHB-31细胞的生长及油脂的积累具有重要影响,采用光强递增的光照方式可显著增加反应器内C.vulgaris FACHB-31生物质的产量,而采用光强递减的光照方式不能提高反应器内C.vulgaris FACHB-31生物质的产量。在此基础上,提出了阶段性光供给方案实现了反应器内C.vulgaris FACHB-31生长及油脂积累的同步强化,所得到的C.vulgaris FACHB-31生物质产量和油脂产量进一步提高至5.32 g L-1和1892.54 mg L-1,所对应的平均微藻油脂产率为312.92 mg L-1 d-1。(5)借助于光在纳米导光板气升平板式微藻光生物反应器内良好的分布特性,以纳米导光板气升平板式微藻光生物反应器为基础,研究了基于光谱特性调控的微藻生长及油脂积累强化方法。研究结果表明:光谱特性对C.vulgaris FACHB-31的生长及油脂积累具有显著的影响。对单色光而言,C.vulgaris FACHB-31细胞在红光的照射下具有最高的生长速率、生物质浓度及油脂含量,红蓝光的组合会使C.vulgaris FACHB-31细胞的生长较早的进入稳定期,不利于C.vulgaris FACHB-31生物质的积累。当红光与绿光以9:1的比例混合时,得到的C.vulgaris FACHB-31油脂产量最高,为879.33 mg L-1,而当采用白光LED作光源时,得到的油脂产量最低,仅为591.51 mg L-1,因此,最有利于C.vulgaris FACHB-31细胞生长及油脂积累的光谱条件为红绿光以9:1的比例相混合。