《Bioresource Technology Reports》：A new approach to microalga Porphyridium purpureum (Bory) Ross cultivation based on a pilot-scale vortex photobioreactor
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紫红单胞藻涡旋光生物反应器开发及高粘度培养优化研究，通过CFD模拟验证涡旋流动消除死区提升混合效率，中试试验在200L封闭式反应器中实现16.96g/m2/天生物量产量，关键参数为NaCl≥6g/L和pH>10.0，温室环境有效防控污染达60天以上。
鲁斯兰·G·格沃尔吉兹（Ruslan G. Gevorgiz）|伊戈尔·V·纳乌莫夫（Igor V. Naumov）|布拉特·R·沙里富林（Bulat R. Sharifullin）|谢尔盖·G·斯克里普金（Sergey G. Skripkin）|斯韦特兰娜·N·热列兹诺娃（Svetlana N. Zheleznova）|维多利亚·S·克洛奇科娃（Victoria S. Klochkova）|谢尔盖·V·卡普拉诺夫（Sergey V. Kapranov）
俄罗斯科学院南方海洋生物学研究所（A.O. Kovalevsky Institute of Biology of the Southern Seas of the Russian Academy of Sciences），塞瓦斯托波尔，俄罗斯联邦
摘要
涡流光生物反应器（PBR）为紫藻（Porphyridium purpureum的工业化培养提供了一种新方案，将高培养粘度的挑战转化为混合优势。计算流体动力学（CFD）模拟表明，虽然粘度的增加会在传统矩形池塘中促进停滞区的形成并降低流动均匀性，但悖论的是，它通过产生连贯的环形流场在涡流PBR中增强了流动的均匀性，从而消除了死区。在封闭温室内的200升涡流PBR中进行的中试规模培养中，使用NaHCO?（14克/升）作为替代碳源，实现了16.96克/平方米·天的半连续生产力。确定了关键工艺参数：NaCl浓度≥6克/升对于最大生产力至关重要，而pH值大于10.0会限制低稀释率下的生长。封闭温室环境和半连续操作的成功结合使得超过两个月内没有发生污染。这项工作确立了涡流PBR作为一种实用、节能且可扩展的系统，适用于在自然光照条件下工业化生产紫藻。
引言
红藻在工业规模培养的海洋微藻中起着重要作用（Gaignard等人，2019年）。自20世纪中叶以来，这些微生物由于其相对容易的培养方式、对不同非生物条件的耐受性以及合成多种独特生物活性化合物的能力而持续受到科学和商业界的关注（Li等人，2025年）。这些高价值产品包括R-藻红蛋白、异藻蓝蛋白、胞外硫酸化多糖、葡萄糖酸（Wen等人，2025年）和长链多不饱和脂肪酸（Dubey等人，2025年）。
在红藻中，单细胞红色微藻紫藻（Porphyridium purpureum是工业化生产生物量和生物活性化合物的主要物种（Fuentes-Grünewald等人，2015年）。它的优势在于几个生物技术特性：（1）在基于天然和人工海水的营养介质中具有高生产力；（2）能够在2-75%的广泛盐度范围内生长（Flores-González等人，2024年）；（3）对高浓度的大量元素和微量元素具有耐受性，能够实现光学密度高的培养（>1.5克/升）（Trenkenshu等人，1977年）；（4）在碳吸收方面具有代谢灵活性，可以利用碳酸氢盐离子（NaHCO?高达25克/升）或甘油作为气体CO?的替代品（Jiao等人，2018年）；（5）在密集培养中达到高细胞密度（>10^7个细胞/毫升）而不会显著聚集；（6）对光谱组成不敏感，有利于在自然和人工光照下稳健生长（Ji等人，2025年）；（7）在适当的混合条件下在整个PBR体积内均匀分布，防止光照表面污染，并能够通过原吸收光谱实时监测培养密度和生化组成（Chernyshev等人，2024年）。
尽管具有这些特性以及六十多年的研究，紫藻的生产规模扩大仍然具有挑战性（Fuentes-Grünewald等人，2015年）。两个主要障碍仍然存在：（1）容易受到其他微藻、蓝细菌和原生动物的污染，特别是在开放系统中（Lam等人，2018年；Skifa等人，2025年）；（2）产生大量粘性胞外多糖，这显著增加了培养基的粘度。粘度升高会阻碍混合效率，从而限制质量传递和整体生产力（Naumov等人，2023年）。
污染问题（Lam等人，2018年；Skifa等人，2025年）促使大多数现代大规模培养转向封闭式PBR系统（Fuentes-Grünewald等人，2015年），尽管这种方法通常需要较高的资本和运营成本来维持无菌状态。已经提出了各种策略来最小化PBR中的微藻污染风险（Lam等人，2018年）。
紫藻的一个显著特点是它会在培养基中释放大量粘性代谢产物（Gaignard等人，2019年）。在批次培养中，培养基的动粘度可高达48.6毫米^2·秒^-1（Naumov等人，2023年）。为了提高培养生产力，需要更高的混合强度；然而，这也会增加流体动力阻力，并可能导致机械搅拌器边缘的压力波动导致细胞死亡（Sobczuk等人，2006年；Skifa等人，2025年）以及表面气泡破裂（Camacho等人，2000年）。因此，传统的混合策略不适合这种特别粘性的微藻的工业化规模培养。
尽管已经提出了各种解决方案来解决这些问题（Molina等人，2019年），但仍明显缺乏简单、可靠且经济可行的工业化规模方法。因此，开发高效且经济可行的紫藻培养技术是一项关键且紧迫的任务。
在新兴的PBR设计中，基于涡流的反应器在实验室研究中显示出在均匀化粘性培养方面的巨大潜力（Savelyeva等人，2017年），并且被认为在工业化应用中具有很高的前景（Naumov等人，2023年）。多项研究探索了微藻培养系统中的涡流相关混合策略，显示出对其生长的积极影响。Akca等人（2023年）证明，涡流诱导的振动系统可以显著改善跑道池塘中的垂直混合，使生物量生产力比对照池塘提高超过20%。同一团队后续的研究使用粒子图像测速（PIV）进一步表征了实施VIV的跑道池塘的流体动力学，发现高频光/暗循环可以通过增强垂直混合来实现。Zhu等人（2022年）为开放式池塘开发了一种智能且精确的混合策略，将桨轮操作与动态环境干扰协调起来，实现了相当的生物量生产力，同时将混合能耗降低了约30%。此外，使用计算流体动力学和大涡模拟研究了跑道池塘中被动涡流发生器的应用，表明相对简单的涡流发生器可以产生比传统桨轮更强的、更持久的旋流。
本研究的目的是开发一种新的营养介质，研究紫藻在涡流混合条件下的生产特性，并开发和验证使用200升涡流型光生物反应器进行紫藻密集培养的中试规模技术。最初，在受控条件下使用小型实验室光生物反应器研究了该菌株，以确定最佳介质参数（例如，在平板PBR中的NaCl浓度），从而排除了可变因素。随后，基于获得的数据（例如，在实验室涡流PBR中的连续培养生产力），研究扩大到了中试规模，研究了依赖于系统形状和大小的水动力学等关键方面。
部分摘录
生物体
红色海洋微藻紫藻（Porphyridium purpureum（Bory）Ross，菌株IBSS-70。Gudvilovich等人（2021年）提供了该菌株的详细特征描述。该菌株在0.5升Erlenmeyer烧瓶中经过两周的适应期，适应了密集培养条件，期间持续光照（15-20微埃·米^-2·秒^-1），光照由光照控制器提供。培养悬浮液通过每分钟每体积培养物0.5体积的空气进行搅拌。我们所有的实验都是
紫藻培养物的污染
为了降低空气中颗粒对紫藻悬浮液的污染风险，开放式PBR被放置在温室中。当PBR位于通风的温室中时，早在培养第10天就检测到了绿藻细胞。相比之下，当温室完全封闭时，直到第38天后才检测到绿藻细胞。这表明消除悬浮液自由表面的空气流动显著减少了污染。
结论性评论
本研究开发并验证了一种在温室条件下使用200升涡流PBR进行紫藻密集培养的中试规模方法。主要发现包括：（1）在涡流PBR中，增加的培养粘度提高了混合均匀性，而在矩形池塘中则降低了效率并产生了停滞区。（2）批次培养的生产力达到0.22克/升·天（17.6克/平方米·天），半连续培养的生产力达到0.212克/升·天（16.96克/平方米·天），其中ω=0.2天^-1。
知情同意、人类/动物权利
本项目不存在利益冲突、知情同意或人类或动物权利问题。作者声明没有利益冲突。
CRediT作者贡献声明
鲁斯兰·G·格沃尔吉兹（Ruslan G. Gevorgiz）：写作——审稿与编辑，撰写——初稿，项目管理，数据管理，概念化。伊戈尔·V·纳乌莫夫（Igor V. Naumov）：写作——审稿与编辑，监督，资源获取，资金筹措，形式分析。布拉特·R·沙里富林（Bulat R. Sharifullin）：写作——审稿与编辑，可视化，软件，资源管理，数据管理。谢尔盖·G·斯克里普金（Sergey G. Skripkin）：写作——审稿与编辑，可视化，软件，研究。斯韦特兰娜·N·热列兹诺娃（Svetlana N. Zheleznova）：写作——审稿与编辑，未引用的参考文献
Rodas-Zuluaga等人，2021年
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报告的工作。
致谢
对光生物反应器中粘性悬浮液的动力学研究是在俄罗斯科学基金会（Russian Science Foundation）资助的项目框架内进行的，项目编号为24-19-00233。对紫藻生产特性的研究是在俄罗斯联邦科学与高等教育部的一项国家任务框架内进行的（项目编号124022400152-1）。紫藻（Porphyridium purpureum（Bory）Ross IBSS-70菌株由
