《Algal Research》：Light–temperature–nutrient dependent Monod modeling of optimized
Isochrysis galbana growth in a PV-integrated photobioreactor
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光伏集成光生物反应器中异欧衣藻生长预测模型的开发与验证，通过中心复合设计实验考察光伏-PBR间距及LED补光对生物量积累和比生长率的影响，提出整合光强、温度及硝酸盐的扩展Monod模型，验证显示其预测精度（RMSE和R2值）优于传统模型，为动态优化光伏-藻类系统提供理论支持。
M.S.N. Atikah | Mohammad Effendy Ya’acob | R.A. Ilyas | Razif Harun
马来西亚普特拉大学工程学院化学与环境工程系，43400 UPM，Serdang，Selangor，马来西亚
摘要
一个可靠的生长预测模型对于优化Isochrysis galbana的户外培养至关重要，尤其是在光伏（PV）遮荫导致的快速变化的光照和温度条件下。本研究开发并验证了一个扩展的Monod型动力学模型，该模型整合了光照强度、温度和营养物质（硝酸盐）可用性的综合效应，专门为光伏集成光生物反应器（PBR）设计。通过19次实验运行的中心复合设计（CCD）研究了PV–PBR间距和LED补充对生物量积累和特定生长率的影响。实验数据清楚地显示了光照、温度和营养物质吸收之间的相互作用。在PV–PBR间距不理想的情况下，LED补充促进了生长，但其影响随着自然辐照度的增加而减弱。扩展的Monod模型表现出强大的预测能力，其均方根误差（RMSE）较低，R2值较高。参数拟合表明，μmax、Ks和与光照相关的系数对日变化辐照度动态敏感，反映了Isochrysis galbana在混合自然光和人工光照射下的生理行为。在所有CCD条件下的模型验证进一步确认了其稳健性，残差表明没有系统偏差。总体而言，这里开发的多因素Monod框架为预测太阳能集成系统中Isochrysis galbana的生长提供了一种准确且可扩展的方法。这些发现为优化PV–PBR布局、提高生物量生产力以及指导未来构建动态的微藻培养模型提供了实际方向。
引言
微藻作为一种可持续且适应性强的生物质、生物活性化合物和可再生生物燃料来源，持续受到关注。在微藻中，Isochrysis galbana因其快速生长和出色的营养特性而备受重视，特别是其高水平的ω-3多不饱和脂肪酸，如EPA和DHA [1]、[2]、[3]。这些特性使其在营养保健品、功能性食品和水产饲料配方中具有很高的价值。同时，它对光照、温度和营养条件变化的强烈生理响应使其成为探索户外培养复杂性的优秀模式物种 [4]、[5]、[6]。
封闭式光生物反应器（PBR）被广泛用于提高微藻生产力，因为它们可以精确控制温度、光照、混合和污染 [7]。尽管有这些优势，但PBR需要大量的能源输入和昂贵的基础设施，尤其是人工照明和热管理方面。这些需求限制了它们的商业可扩展性，因为运营成本和能源使用仍然很高；考虑到化石燃料仍供应全球80%以上的能源 [8]，这个问题更加紧迫。因此，将可再生能源整合到培养系统中对于减少环境影响和提高长期经济可行性变得至关重要。
一种有前景的方法是将光伏（PV）技术与藻类培养系统相结合。PV模块不仅产生可再生电力，还提供部分遮荫，有助于减少过度辐照和热应力 [9]、[10]、[11]。农业光伏（agrovoltaics）和水产光伏（aquavoltaics）的研究进一步表明，PV遮荫可以提高整体能源效率，降低水分损失，并创造更稳定的培养环境 [12]、[13]。同时，PV结构改变了阳光的光谱质量和每日可用性，这些变化会显著影响Isochrysis galbana的光合作用性能。这些动态条件凸显了开发能够捕捉光照、温度和营养供应同时变化的稳健生长预测模型的重要性。
尽管经典的Monod模型是定义营养限制微藻生长的基础，但它没有考虑光照和温度这两个光合作用和细胞代谢的主要驱动因素 [14]、[15]、[16]。为了克服这一限制，扩展的Monod型公式引入了光照依赖的饱和项和温度驱动的动力学函数，提供了更真实的户外培养环境表示 [17]、[18]、[19]。对于Isochrysis galbana，这种综合方法在波动的辐照度和自然光周期下有效捕捉了生长响应 [20]、[21]。然而，这些模型隐含地假设了相对均匀的户外辐照度场和简化的光照衰减行为，而实际的光生物反应器环境在光照分布上表现出显著的空间和时间异质性 [22]。在光伏集成系统中，这种复杂性进一步加剧，因为光伏板引入了动态遮荫、改变了光路径和模块下的光谱修改，从而在反应器内部创造了异质且随时间变化的辐照环境 [23]。因此，现有生长模型在光伏集成条件下的预测能力仍然不确定，这是当前微藻动力学建模中的一个未解决的限制。
总体而言，本研究介绍了一个实用且可扩展的多因素建模框架，用于预测PV辅助光生物反应器中Isochrysis galbana的生长。通过将受控实验与扩展的动力学建模相结合，这项工作为优化PV–PBR配置、提高生物量生产力以及支持开发更节能的微藻培养系统提供了宝贵的见解 [24]、[25]。
部分内容
藻株和培养条件
海水从马来西亚普特拉大学的Ladang 5收集，并通过双级滤芯系统（20?μm和5?μm；Big Blue housing）过滤，使用自吸增压泵（18?L?min?1）。使用盐度折射仪（MASTER-S/MillM，ATAGO，日本）将滤液的盐度调整至30?ppt，并在120?°C下高压灭菌20分钟（TOMY SX系列高压灭菌器）进行灭菌。一个5升的Erlenmeyer烧瓶在无菌条件下准备了20%的Isochrysis galbana接种物（v/v）
光照（ī）与时间的关系
深度平均辐照度的日变化曲线（）显示，随着PV–PBR间距的减小，可用光照明显减少，反映了光伏板在较短距离内的更强遮荫效应。这种模式与部分遮荫光生物反应器的Beer–Lambert衰减行为一致 [35]、[43]。正如预期的那样，对照组（开放阳光）始终接收到最高的辐照度，而110、90和70?cm的配置依次表现出
结论
本研究开发了一个扩展的Monod型模型，该模型整合了光照、温度和硝酸盐可用性来预测PV集成光生物反应器中Isochrysis galbana的户外生长。结合建模和实验结果表明，PV–PBR间距是培养性能的主要决定因素。较大的间距改善了辐照度和白天气温，支持更高的特定生长率和更快的硝酸盐利用，而较短的间距则导致了
CRediT作者贡献声明
M.S.N. Atikah：撰写——原始草稿、可视化、验证、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。Mohammad Effendy Ya’acob：撰写——审阅与编辑、监督、资源提供。R.A. Ilyas：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、监督、资源提供。Razif Harun：撰写——原始草稿、监督、资源提供。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者衷心感谢马来西亚普特拉大学（UPM）在整个研究过程中提供的实验室设施和技术支持。作者还要感谢马来西亚公共服务部（JPA）对第一作者研究生学习的资助。
