雨生红球藻是目前发现的最强抗氧化剂—左旋虾青素（最佳的天然虾青素）的唯一生物来源,因此雨生红球藻的大规模培养是目前生产天然虾青素的唯一方式。迄今,雨生红球藻的大规模培养技术主要是基于光自养的两阶段法,但雨生红球藻培养效率低且光生物反应器占地面积大,严重制约了天然虾青素产业的发展。为此,笔者所在团队在国内外首创“异养-稀释-光诱导串联”培养技术（SHDP）,解决了户外光自养培养效率低及光生物反应器占地面积大的问题。SHDP技术中的异养细胞光诱导生产虾青素工艺已在户外光生物反应器进行了初步的中试研究,但为实现该技术的产业化,所用光生物反应器亟待放大与系统优化。剪应力是光生物反应器放大过程中的重要参数。但目前雨生红球藻的剪应力耐受性尚未阐明,缺少光生物反应器放大依据。此外,量化户外光强和温度对虾青素的影响是光生物反应器系统优化的重要基础。而目前缺少可用的模型,无法指导SHDP技术所用户外光生物反应器的系统优化。鉴于上述情况,本文首先确定了雨生红球藻异养细胞的临界剪应力,籍此对水平管光生物反应器放大过程所需要的泵进行优化,建立了单台体积达20 m3左右的水平管光生物反应器,并建成了光生物反应器总体积约420 m3的雨生红球藻光诱导基地;然后分别在鼓泡柱式光生物反应器及大型水平管光生物反应器中,建立了基于反应内部平均光强和藻液平均温度的雨生红球藻异养细胞虾青素积累模型（包括虾青素产率模型FFBC-ap和FFHT-ap,虾青素含量变化率模型FFBC-ac和FFHT-ac）,并在户外对模型进行了验证;在此基础上,分别对水平管光生物反应器和列管光生物反应器的几何结构、摆放方向及操作条件进行优化,并筛选出最优的光生物反应器类型;最后,在全球范围内,利用所建立的FFHT-ap模型和FFHT-ac模型对适合雨生红球藻异养细胞光诱导的地点进行了筛选,为SHDP技术的全球推广奠定了重要的基础。本文主要结论如下:（1）雨生红球藻不动孢子（进入光诱导时的异养细胞基本为不动孢子）临界剪应力为19.18～27.32 Pa,且不同剪应力对不同虾青素含量的雨生红球藻不动孢子存活率没有显著影响。基于临界剪应力,成功将400 L水平管光生物反应器放大至20 m3,六叶半开式后弯叶轮离心泵是20 m3水平管光生物反应器中最佳的驱动泵。（2）在藻细胞密度0.218～2.5 g L-1及藻细胞虾青素含量0.47%～3.04%范围内,Cornet光衰减模型的预测性能优于Lambert-Beer光衰减模型;当藻细胞密度较低（0.4 g L-1）时,光衰减对细胞内虾青素含量的变化比较敏感;当藻细胞密度较高（2.0 g L-1）时,光衰减对细胞内虾青素含量不敏感。户外3 L鼓泡柱式光生物反应器中,所建立的FFBC-ap模型和FFBC-ac模型预测值与实测值相对偏差小于20%,模型预测性能较好。（3）在15.6 m3五排并联水平管光生物反应器中,所建立的FFHT-ap模型和FFHT-ac模型预测值与实测值的相对偏差不超过21.5%,模型预测性能较好;在此基础上,对五排并联水平管光生物反应器进行了正交优化,优化后全年虾青素面积产率为22.90 g m-2 year-1,优于文献报道的水平。（4）利用第三章建立的FFBC-ap模型和FFBC-ac模型,对100 L列管光生物反应器进行正交优化,优化后全年虾青素面积产率为204.39 gm-2 year-1,而利用第四章建立的FFHT-ap模型和FFHT-ac模型正交优化后的单排水平管光生物反应器,全年虾青素面积产率达297.15 g m-2 year-1,比列管光生物反应器高45.38%,同时比文献报道的水平高约12倍。（5）利用第四章建立的FFHT-ap模型和FFHT-ac模型,预测雨生红球藻规模化生产地点的全年虾青素面积产量,结果表明云南省保山市施甸县为22.90 gm-2,而美国夏威夷卡内奥湾为29.98 g m-2,最适合于雨生红球藻异养细胞光诱导,瑞典斯德哥尔摩市古斯塔夫斯堡全仅为4.50 gm-2,不适合雨生红球藻异养细胞光诱导。本文的上述研究不仅为雨生红球藻基于SHDP技术的高产虾青素这一新模式的产业化提供了高性能的光生物反应器,也为户外大规模光生物反应器的优化提供了依据,同时也为SHDP技术在全球推广奠定了重要基础。