CN108395993A - 一种用于经济微藻培养的微泡光生物反应器的使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于经济微藻培养的微泡光生物反应器的使用方法，其特征在于包括以下步骤：1)确定待培养目标经济微藻的CO₂传质目标值；2)确定连续通气条件下，维持培养体系最优pH值所需的碳酸盐的投加量以及CO₂混合气浓度；3)基于确定的CO₂传质目标值、CO₂混合气浓度和碳酸盐浓度，计算得到采用微泡生物反应器进行目标经济微藻培养时其结构及操作参数的最优值，用于指导目标经济微藻的培养。本发明可以广泛应用于经济微藻的培养中。

Description

一种用于经济微藻培养的微泡光生物反应器的使用方法

技术领域

本发明属于生物工程领域，特别是涉及一种用于经济微藻培养的微泡光生物反应器的使用方法。

背景技术

经济微藻因富含多种生物活性物质，在食品、水产养殖、医药、美容、生物能源等行业具有广泛的应用。例如小球藻可以应用于单细胞蛋白生产；三角褐指藻被应用于海参养殖育苗；而雨生红球藻因其富含虾青素，具有强大的抗氧化能力，在保健品，化妆品，医药行业拥有广阔市场。因此，经济微藻生物质能产业是各国争先发展的新型产业。而要实现经济微藻生物质能产业的快速发展，首要条件是低成本且高效地获取高密度生物量。

目前经济微藻的主要培养方式为露天培养和光生物反应器培养。传统的露天培养由于可控性不高、占地面积大、易染菌等缺点，使得微藻培养工艺的研发趋势慢慢推向了光生物反应器。相比露天培养，光生物反应器培养具有培养条件可控性高、占地面积小、操作灵活、产率高及适合单一性培养等特点，尤其受到经济微藻培养的青睐。但是传统光生物反应器培养仍然面临着供碳不足、溶氧堆积、光能利用率低等技术瓶颈。具体体现如下：

(a)、光能利用率低：在较高细胞浓度时，易发生藻间遮蔽效应，使得藻细胞对光源的利用变得十分有限，从而难以实现经济微藻的高密度培养。

(b)、CO₂供给不足：微藻的供碳主要通过通入一定比例的CO₂气体来实现，而在实际培养过程中，CO₂的供给并不能满足微藻最优生长的需求。有研究显示微藻对CO₂的吸收速度高达0.2～0.3×10^-4mol/L/min。而传统曝气方式的CO₂传质速率仅为0.4 ×10^-7～0.7×10^-5mol/L/min，远不能满足微藻对溶解CO₂的需求。因此，即使光照充足，如果反应器达不到充足的CO₂供给，同样无法使得微藻最优生长。

(c)、溶氧积累严重：微藻的光合放氧速率可达0.3×10^-4mol/L，而传统鼓气对 O₂的吹脱速率只有约0.16×10^-4mol/L/min，小于微藻的光合放氧速率。因此，在密闭培养中容易发生溶氧的累积，造成溶氧过饱和从而抑制藻类生长。

关于光能利用率的优化，目前的主要思路包括光源的改进和光路的缩短。例如Bourgoin等(专利号US20130029404A1)将由光伏电池组成的照明隔板置于光生物反应器中心，为不同微藻品种提供生长所需波长。Bazaire等(专利号US20090203116A1) 通过内置光纤为反应器提供360度光照。Friederich等(专利号US20140073035A1) 通过导光管将外置LED光源产生的光通量收集并导入光生物反应器内部，为培养提供光照。黄旭雄等(专利号CN104651215A)通过减小光生物反应器内径，并内置LED灯带的方式，实现节能、缩短光程、提高光能利用率等目的。除此之外，还有许多类似的设计，在一定程度上提高了反应器的光能利用率。然而这些设计并没有从根本上解决高浓度时藻间遮蔽的问题，此外，在传统CO₂供给不能满足微藻快速生长所需的条件下，光源或光路的优化并不能真正有效地提高光能利用率，相反过剩的光照可能导致微藻光呼吸作用从而影响生物质产量。

对于CO₂供给不足及溶氧堆积问题，提高曝气装置的气液传质能力是主要的解决方法。郑范锡等(专利号CN102776117)将CO₂供应至光生物反应器外接的中空纤维膜模件中，与培养基充分混合，增加培养基中的CO₂饱和率。此方法的原理是通过填料的多孔结构，增加气体与液体接触时间，从而提高气液传质效率。然而该发明专利中的外接气液混合装置(也就是中空纤维膜模件)还需要配备液体泵将培养基抽吸到反应器主体中，增加了系统复杂程度及额外能耗。施云海等(专利号CN105985910)通过将藻液以雾化喷淋的方式通入反应器外接吸收塔中，使其与塔底部通入的CO₂气体充分接触，以提高气-液传质。经过吸收塔的藻液含有较高CO₂浓度，经液体泵抽回反应器主体中。此方法利用增加气-液比表面积的原理提高CO₂传质。然而，藻液经过喷淋雾化装置极有可能造成细胞损伤，从而影响其生长。相比雾化藻液，增加气-液传质比表面积更为合理且有效的方法是雾化气泡，即微气泡。目前，微气泡被广泛应用于水处理业，可有效提高溶氧的传质。而其在微藻培养邻域的应用较少，即使已有的相关专利也主要用于微藻采收，例如潘克厚等(专利号CN105002086)通过微气泡持续气浮采收跑池中的藻细胞。将微泡作为CO₂气体的载体，可大幅增加微藻对CO₂利用率从而克服供碳不足的瓶颈。成光模(专利号CN102978102A)利用外接微泡发生器产生含有微泡的工艺水，并将工艺水供应至光生物反应器用于培养微藻。杨卫民等(专利号CN106434326等)通过转子螺旋泵的高速轴向旋转，将气液两项流体中的CO₂气泡切成微小气泡，之后将含有微小气泡的微泡液通入管式光生物反应器中培养微藻。这两个方法在原理上均通过微泡高效的气液传质提高微藻的生物质产量，然而前者微泡产生的原理是将CO₂气体注入到混合室内呈螺旋缠绕的软管中与软管中的水混合，通过较长的停留时间，CO₂溶于液体或以微小气泡形式滞留于水中形成工艺水，再将工艺水通入培养体系中提供微藻生长所需。后者利用机械剪切的原理产生微泡水，供给培养体系。然而两者只考虑到了微泡的传质特性，却忽略了微泡高效动量传导的优点，均采取了外接微泡发生器的方式制作微泡水，因此需通过额外的液体泵为光生物反应器主体供给微泡水及加强液体循环。此外两者产生的微气泡大小不可控，对于不同经济微藻对碳的需求量可能存在供给过剩或供给不足的问题。同时，微泡水的产生还伴随着较大的能耗以及较复杂的微泡产生工艺，在工业化扩大的应用中可能存在维护成本、能耗成本、建造成本等过高的问题。

综上，近年来国内外已经对经济微藻的培养工艺进行了大量的研究，但上述技术瓶颈仍未得到有效的解决，大部分研究依然停留在实验室阶段，只有极个别公司和研究机构建立了工业化生产模式，不免形成了生产技术和产品价格上的垄断。因此如何突破这些技术瓶颈，实现经济微藻的高密度培养仍然是国内外微藻生物技术邻域研究的焦点。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于经济微藻培养的微泡光生物反应器的使用方法，其能够一站式解决传统培养所面临的主要技术瓶颈，激发微藻生长潜能，提高经济微藻生物质产量，适用于实验室及规模化培养。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于经济微藻培养的微泡光生物反应器的使用方法，其特征在于包括以下步骤：1)确定待培养目标经济微藻的CO₂传质目标值；2)确定连续通气条件下，维持培养体系最优pH值所需的碳酸盐的投加量以及CO₂混合气浓度；3)基于确定的CO₂传质目标值、CO₂混合气浓度和碳酸盐浓度，计算得到采用微泡生物反应器进行目标经济微藻培养时其结构及操作参数的最优值，用于指导目标经济微藻的培养。

所述步骤1)中，待培养目标经济微藻的CO₂传质目标值的确定方法，包括以下步骤：1.1)选取用于目标经济微藻培养的密闭式容器；1.2)设置多组不同浓度碳梯度的培养液，在培养过程中，保持密闭式容器密闭，防止CO₂传质至空气中，同时设置对照组，扣除非目标经济微藻吸收所致的总碳浓度变化；1.3)定期检测各组密闭式容器中目标经济微藻生物量及溶液中总碳浓度；1.4)采用图解法对得到的周期性测量数据进行处理，得到目标经济微藻的最大比生长速率、碳半饱和常数、得率系数；1.5) 将步骤1.4)中得到的各参数代入已有生长及耗碳动力学模型，模拟计算该目标经济微藻最优生长情况及其对应每日所需耗碳量；1.6)根据目标最终生物量或目标培养周期，确定最大日耗碳量，根据最大日耗碳量计算CO₂传质系数，作为该目标经济微藻所需的CO₂传质目标值。

所述步骤2)中，碳酸盐的投加量以及CO₂混合气浓度最优值的确定方法，包括以下步骤：2.1)根据目标经济微藻种类确定其最优pH值；2.2)根据目标经济微藻种类确定其对碳酸盐浓度的耐受范围；2.3)根据得到的最优PH值以及碳酸盐浓度耐受范围，采用平衡pH模型模拟计算最优pH值条件下，碳酸盐浓度耐受范围内各碳酸盐浓度值对应的CO₂混合气浓度值，得到多组参数；2.4)根据实际培养条件，对步骤2.3) 中符合筛选条件的参数组进一步筛选，得到维持培养体系最优pH值的CO₂混合气浓度和碳酸盐浓度的最优参数，进行目标经济微藻的培养。

所述步骤2.3)中，所述平衡pH模型为：

pH^*＝7.6543+0.4063ln([NaHCO₃]_mol/L)-0.4551ln(CO₂％)，

式中，pH^*代表溶解平衡时的pH值，即平衡pH；[NaHCO₃]代表NaHCO₃浓度；CO₂％代表CO₂混合气浓度。

所述步骤3)中，所采用的微泡光生物反应器包括具有预定容积的光生物反应器主体、可控粒径微泡发生装置、导流装置、以及LED波频双变光照系统；所述可控粒径微泡发生装置设置在所述光生物反应器主体底部，用于提供经济微藻培养所需的碳传质和循环动力，同时解析溶氧；所述导流装置悬挂设置在所述光生物反应器主体内部，用于促进液体循环及微泡传质；所述LED波频双变光照系统设置在所述光生物反应器主体外侧或内部，用于根据特定经济微藻需求提供其生长最优波长及光暗频率。

所述步骤3)中，采用微泡生物反应器进行目标经济微藻培养时其结构及操作参数的最优值的确定方法，包括以下步骤：3.1)确定微泡光生物反应器的具体结构参数以及操作参数的预设取值范围，包括微泡直径d_B取值范围、反应器高径比H/D取值范围、液体下降区面积与上升区面积比A_d/A_r的取值范围、光的穿透范围L及占地面积的取值范围；3.2)针对不同微泡直径d_B，在不同微泡气通量Q及不同反应器高径比H/D条件下，对微泡光生物反应器进行传质性能测试，得到其传质模型；3.3)根据目标培养体积、CO₂传质系数目标值、经验系数α、传质模型，以微泡直径和高径比的取值范围为基础，得到满足微泡气通量筛选条件的微泡直径和高径比取值范围及其对应的微泡气通量数据作为第一参数集合；3.4)分别以液体下降区面积与上升区面积比的预设取值范围以及第一参数集合中高径比的取值范围为基础，得到满足反应器结构筛选条件的反应器有效高度、反应器直径、导流筒直径以及导流筒与反应器主体的间距数据作为第二参数集合；3.5)根据实际培养条件，对步骤3.3)和步骤3.4)中的第一、第二两参数集合进一步优选，得到微泡光生物反应器结构和操作的最优参数组。

所述步骤3.2)中，所述传质模型为：

式中，H/D为反应器高径比；d_B为微泡直径，单位为μm；Q为微泡气通量，单位为Lmin^-1；V_L为培养体积，单位为L；K_La代表CO₂传质系数，单位为min^-1；α为一经验系数，其值为6×10⁶。

所述步骤3.3)中，第一参数集合的获得方法，包括以下步骤：3.3.1)分别在微泡直径和高径比预设取值范围内随机选取一组数据，与目标培养体积、CO₂传质系数目标值、经验系数α共同输入到传质模型中，计算得到该组微泡直径和高径比对应的微泡气通量Q；3.3.2)以目标培养体积确定微泡气通量的筛选范围，对步骤3.3.1)中得到的微泡气通量Q进行筛选，若超出筛选范围，则返回步骤3.3.1)重新计算；否则，进入步骤3.3.3)；其中，微泡气通量的筛选范围为目标培养体积的0.5-1％以内； 3.3.3)将符合筛选条件微泡直径和高径比取值范围及其对应的微泡气通量数据作为第一参数集合。

所述步骤3.4)中，第二参数集合的获得方法，包括以下步骤：3.4.1)分别在液体下降区面积与上升区面积比的预设取值范围内以及第一参数组确定的高径比取值范围内选取一组A_d/A_r和H/D数据，对反应器的结构参数进行计算，得到反应器有效高度H、反应器直径D、导流筒直径d以及导流筒与反应器主体间距L；3.4.2)以光的穿透距离及占地面积为筛选条件，对步骤3.4.1)中反应器的结构参数进行筛选，若超出筛选范围，则返回步骤3.4.1)；否则，进入步骤3.4.3)；3.4.3)将符合筛选条件的反应器有效高度H、反应器直径D、导流筒直径d以及导流筒与反应器主体的间距L数据作为第二参数集合。

所述步骤3.5)中，对第一参数集合和第二参数集合进行进一步筛选的方法，包括以下步骤：3.5.1)以反应器有效高度H最小为筛选条件，再以L最小为筛选条件，从第二参数集合中，得到满足筛选条件的最优解H、D、d、L，并计算得到h、h_h和 h_c；3.5.2)根据得到的高径比H/D从第一参数集合中进行筛选，得到该高径比对应的微泡直径及微泡气通量的优选解集{d_B,Q}；3.5.3)以微泡气通量Q最小为筛选条件，从得到的微泡直径及微泡气通量的优选解集中选出最优操作参数解。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明在对目标经济微藻培养时，首先确定该目标经济微藻培养所需的CO₂传质目标值，能够确保目标经济微藻生长最优。2、本发明提出平衡PH模型计算公式，根据不同目标经济微藻培养确定其碳酸盐投加浓度和CO₂混合气浓度，用于指导经济微藻培养时的具体操作参数，更加符合实际情况，进一步保证经济微藻培养的最适宜生长环境。3、本发明根据微泡光生物反应器的结构，提出其传质模型，根据该传质模型以及具体培养的微藻种类，得到微泡光生物反应器的最优结构参数，有效提高经济微藻培养效率的同时，降低了生产成本。本发明的微泡光生物反应器使用方法同时具备普适性及灵活性，可应用于各种经济微藻实验室或规模化培养，并且可根据某一经济微藻藻种具体培养目的，选择其最优操作参数及更换反应器参数。因此，本发明可以广泛应用于经济微藻培养中。

附图说明

图1(a)为本发明用于经济微藻培养的微泡光生物反应器结构示意图；

图1(b)为本发明用于经济微藻培养的微泡光生物反应器的3D示意图；

图2(a)为本发明微泡发生器的结构示意图；

图2(b)为本发明微泡发生器的3D示意图；

图2(c)为本发明微泡发生器底座3D示意图；

图3为使用微泡光生物反应器培养经济微藻示意图；

图4(a)为本发明的微泡光生物反应器多个单元环型联立结构示意图；

图4(b)为本发明的微泡光生物反应器多个单元线型联立结构示意图；

图5(a)为本发明微泡光生物反应器结构参数示意图；

图5(b)为本发明微泡光生物反应器结构及操作参数优选方法的程序示意图；

图6(a)为本发明不同孔径微孔陶瓷膜片产生微气泡粒径分布图；

图6(b)为本发明不同条件下微泡光生物反应器传质系数测试结果；

图7(a)为本发明使用微泡光生物反应器培养雨生红球藻所获生长曲线及其与传统培养对照；

图7(b)为本发明使用微泡光生物反应器培养小球藻所获生长曲线及其与传统培养对照；

图7(c)为本发明使用微泡光生物反应器培养杜氏藻所获生长曲线及其与传统培养对照；

附图中涉及的附图标记如下所示：1、微泡光生物反应器(MPBR)；2、可控粒径微泡发生器；3、内置导流筒；4、导流装置支点；5、光生物反应器主体；6、反应器封盖；7、LED波频双变光照系统；8、卸流阀门；9、进气阀门；10、微孔陶瓷膜片；11、导流渠；12、环形固定片；13、底座；14、底座紧固螺纹；15、卸流端螺纹；16、弧形气腔；17、环形固定片第一紧固螺母；18、环形固定片第二紧固螺母；19、变径进气嘴；20、微泡光生物反应器支架；21、固定卡箍；22、固定底托；23、进气管道； 24、藻液；25、CO₂混合气；26、出气口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1(a)、图1(b)所示，本发明提供的一种用于经济微藻培养的微泡光生物反应器，包括：微泡光生物反应器1，该微泡光生物反应器1包括具有预定容积的光生物反应器主体5、可控粒径微泡发生装置2、导流装置3、以及LED波频双变光照系统7。其中，可控粒径微泡发生装置2设置在光生物反应器主体5底部，用于提供经济微藻培养所需的碳传质和循环动力，同时解析溶氧；导流装置3悬挂设置在光生物反应器主体5内部，用于促进液体循环及微泡传质并可以根据实际需求调节悬置高度； LED波频双变光照系统7设置在光生物反应器主体5外侧或内部，用于根据特定经济微藻需求提供其生长最优波长及光暗频率。

光生物反应器主体5为管状或板状结构，其顶部设置有带出气口26的可拆卸反应器封盖6，底部螺栓连接可控粒径微泡发生装置2。

如图2(a)～图2(c)所示，可控粒径微泡发生装置2包括可拆卸底座13、微孔陶瓷膜片10和环形固定片12。其中，可拆卸底座13包括基板和设置在基板上的腔体，基板上设置有用于与光生物反应器主体5底部侧壁螺栓连接的底座紧固螺纹14，腔体上设置有用于连接卸流阀门8的卸流端螺纹15；腔体上部中央设置有一圆锥形凹槽，该圆锥形凹槽中部设置有贯穿腔体上、下两端的进气口，该进气口下端与设置在基板中部的变径进气嘴19相连，变径进气嘴19的另一端依次通过进气阀门9、进气管道23与CO₂混合气25相连；微孔陶瓷膜片10通过环形固定片12固定设置在可拆卸底座13的上表面，且微孔陶瓷膜片10下表面与可拆卸底座13的圆锥体凹槽之间形成用于气体积累增压的弧形气腔16，微孔陶瓷膜片10的侧面与圆锥体凹槽之间预留有用于气体流通的1～2mm的间隙。

微孔陶瓷膜片10的上表面设置有多个用于气体流通的微孔，微孔的孔径为0.01～10微米；微孔陶瓷膜片10内部设置有多条导流渠11，各导流渠11的入口位于微孔陶瓷膜片10的侧面，其用于分布入射气体，防止在微孔出气表面某一区域发生微气泡堆积合并，保证微气泡的均匀分布。

导流装置3通过设置在其上、下两端的导流装置支点4悬挂设置在光生物反应器主体5腔体内部，导流装置3将光生物反应器主体5腔体内部划分为上升区和下降区，上升区是指位于导流装置3内部的光生物反应器主体5腔体部分，下降区是指位于导流装置3外部的光生物反应器主体5腔体部分。其中，导流装置3根据光生物反应器主体5的结构可以采用空心导流筒或导流挡板，当光生物反应器主体5为管状结构时，则采用空心导流筒，当光生物反应器主体5为板状结构时，则采用导流挡板。另外，导流装置3可以根据实际培养需要进行更换、位置调整、清洗等。

LED波频双变光照系统7包括预设数量和比例的白、红、蓝三色LED灯珠、变频系统以及时间继电器。变频系统用于根据实际培养需求实现白、红、蓝及任意两种或多种波长的组合光照，并对光照强度进行调节；时间继电器用于根据实际培养需求，实现光照时间及暗处理时间调节，实现“光闪效应”，提高光合效率。

作为一个优选的实施例，光生物反应器主体5底部可以设置为漏斗状，用于减少结构死角带来的细胞沉降堆积，同时促进流体循环。可以理解的是，光生物反应器主体5可以采用其他能够有效减少结构死角的结构。

作为一个优选的实施例，光生物反应器主体5采用较高高径比，用于增加气相在光生物反应器主体5中的停留时间并减少占地面积。其中，光生物反应器主体5的高径比的具体数值可以根据具体培养规模及目标传质值决定。

作为一个优选的实施例，可控粒径微泡发生装置2中，环形固定片12下表面设置有一用于放置0形橡胶圈的凹槽，且该环形固定片12通过环形固定片第一、第二紧固螺母17、18实现点压式密封。

作为一个优选的实施例，在实际应用中，考虑到工程操作的便利，可控粒径微泡发生装置2可以采用一体式设计，其中，微孔陶瓷膜片10、微泡发生器底座13及环形固定片12通过强力胶水或其他方式粘合，制成具有固定孔径的微泡发生器，并直接通过更换不同孔径的微泡发生器来获得目标微泡粒径。

作为一个优选的实施例，当采用外置光照时，导流装置3采用可以增加光反射提高光能利用率的镜面反光材料，光生物反应器主体5采用透明有机玻璃材料制作，当采用内置光照时，导流装置3采用透明有机玻璃材料制作，光生物反应器主体5采用镜面反光材料制作。

作为一个优选的实施例，当导流装置3采用空心导流筒时，其内径与光生物反应器主体5腔体内径的比例关系根据实际培养规模确定，以增大光生物反应器主体5内部液体在上升区及下降区的流速，并减少停留时间。

作为一个优选的实施例，本发明用于经济微藻培养的微泡光生物反应器还包括一微泡光生物反应器支架20，该微泡光生物反应器支架20为长方体框架，该长方体框架底部一边上设置有固定底托22，用于固定光生物反应器主体5底部，长方体框架上部一边上设置有固定卡箍21，用于固定光生物反应器主体5上部，长方体框架的各侧边用于固定LED波频双变光照系统7中的三色LED灯珠。

下面对本发明用于经济微藻培养的微泡光生物反应器的使用方法，做进一步介绍，具体包括以下步骤：

如图3所示，使用微泡光生物反应器1进行单个单元培养经济微藻时，将微泡光生物反应器1置放于微泡光生物反应器支架20中，通过固定底托22和固定卡箍21 将其固定。将光照系统中的LED波频双变生长灯放置于微泡光生物反应器四周，或者固定于反应器支架20上。培养过程中，CO₂混合气25由高压气瓶提供，并通过进气管道23进入可控粒径微泡发生装置2。CO₂混合气通过变径气嘴19进入弧形气腔16积累增压，并从微孔陶瓷膜片10侧面进入内部导流渠11，在微孔出气表面上产生均匀分布的微气泡。经可控粒径微泡发生装置2喷出的微气泡进入光生物反应器主体5内，在外置光照情况下，导流装置3的内部为暗区，外部为光区，暗区内，微泡上升带动液体上升，基于流体连续性，上升的液体在光区下降，从而实现液体在暗区和光区间的交替循环流动(如图1(a)中箭头所示)。考虑到微泡较高的气滞率，光生物反应器主体5内藻液24的液面与反应器封盖6预留一定空间，防止液面溢流，尾气通过出气口26排出。

如图4(a)和图4(b)所示，在实际工业化扩大培养过程中，还可以对多个反应器单元进行环形或者线形串联，达到规模化培养体积要求。相比单个反应器单元放大，多个反应器单元联立运行具有更好的可控性和灵活性，同时便于维修。

基于上述用于经济微藻培养的微泡光生物反应器，本发明还提供一种用于经济微藻培养的微泡光生物反应器的使用方法，包括以下步骤：

1)确定待培养目标经济微藻的CO₂传质目标值，具体包括以下步骤：

1.1)选取用于目标经济微藻培养的密闭式容器，例如杜伦瓶；

1.2)设置多组不同浓度碳梯度的培养液，其方法为(但不限于)往一定体积培养液中加入不同质量碳酸氢钠；在培养过程中，保持密闭式容器密闭，防止CO₂传质至空气中，同时设置对照组，扣除非目标经济微藻吸收所致的总碳浓度变化；

1.3)定期检测各组密闭式容器中目标经济微藻生物量及溶液中总碳浓度；

1.4)采用图解法对得到的周期性测量数据进行处理，得到目标经济微藻的最大比生长速率、碳半饱和常数、得率系数；

1.5)将步骤1.4)中得到的各参数代入已有生长及耗碳动力学模型，模拟计算该目标经济微藻最优生长情况及其对应每日所需耗碳量：

w＝w₀e^μt (1)

C＝C₀-△C (4)

式中：μ和μ_max分别为比生长速率和最大比生长速率(d^-1)；w及w₀分别为微藻生物量及起始生物量(g L^-1)；Y_w/C为得率系数(g mol^-1)；K_C为半饱和常数(mol L^-1)； C及△C分别为总碳浓度和总碳消耗量(mol L^-1)；

1.6)根据目标最终生物量或目标培养周期，确定最大日耗碳量，根据最大日耗碳量计算CO₂传质系数，作为该目标经济微藻所需的CO₂传质目标值。

应理解，本发明为了减少工艺复杂性，直接以最大日耗碳量作为整个目标培养周期内的目标传质值，但如果以其它因素例如碳捕捉效率为主要考量依据，在目标培养周期内，可以有多个阶段性目标传质值。例如可以根据日耗碳量计算每天的目标传质值，并在实际应用中通过逐渐放大气通量来逐一实现每天的目标传质值，从而减少CO₂浪费，提高捕捉效率。

2)确定连续通气条件下，维持培养体系最优pH值所需的碳酸盐的投加量以及CO₂混合气浓度。具体包括以下步骤：

2.1)根据待培养目标经济微藻种类确定其最优pH值，最优pH值的获取可以通过文献或者单独实验获得。

2.2)根据待培养目标经济微藻种类确定其对碳酸盐浓度的耐受范围，耐受范围的获取同样可以通过文献或者单独实验获得。

2.3)根据得到的最优pH值以及碳酸盐浓度耐受范围，采用平衡pH模型模拟计算最优pH值条件下，碳酸盐浓度耐受范围内各碳酸盐浓度值对应的CO₂混合气浓度值，得到多组参数用于进一步筛选。

由亨利定律可知，水溶CO₂的平衡浓度取决于CO₂的气相分压，即CO₂在气相中的百分比浓度。因此，固定某种CO₂混气体浓度，就意味着固定了其所对应的水溶CO₂的平衡浓度。另一方面，当CO₂溶于溶液中，发生化学反应，以水溶CO₂、HCO₃ ^-、及CO₃ ^2-的形式存在于溶液中，而它们的浓度和pH之间存在数学关系。这三种形态所对应的平衡浓度分别受它们各自反应的平衡常数所控制，最终，溶液的pH值与水溶CO₂浓度的关系式表示为：

式中，△[Na⁺]表示往溶液中添加的NaHCO₃或Na₂CO₃或NaOH的钠离子浓度。

由此可见，溶液的pH值和水溶CO₂浓度及添加的NaHCO₃浓度密切相关，而水溶CO₂的平衡浓度又取决于CO₂混合气浓度，因此pH值、NaHCO₃浓度和CO₂混合气浓度三者之间必定存在某种数学关系。经过大量试验，本发明提供了一经验公式,阐明了该数学关系：

pH^*＝7.6543+0.4063ln([NaHCO₃]_mol/L)-0.4551ln(CO₂％) (6)

式中，pH^*代表溶解平衡时的pH值，即平衡pH；[NaHCO₃]代表NaHCO₃浓度；CO₂％代表CO₂混合气浓度。

2.4)根据实际培养条件(例如实际可获得CO₂混合气百分比、投入成本等)，对步骤2.3)中得到的参数组进一步筛选，得到维持培养体系最优pH值的CO₂混合气浓度和碳酸盐浓度的最优参数，进行目标经济微藻的培养。

3)如图5所示，基于步骤1)中确定的CO₂传质目标值、步骤2)中确定的CO₂混合气浓度和碳酸盐浓度，计算得到采用微泡生物反应器进行目标经济微藻培养时其结构及操作参数的最优值，用于指导目标经济微藻的培养。

本发明中以管状的微泡光生物反应器为例进行介绍，对光生物反应器主体5的结构参数以及操作参数的优化选择方法，包括以下步骤：

3.1)确定微泡光生物反应器的具体结构参数以及操作参数的预设取值范围，包括微泡直径取值范围、反应器高径比取值范围、液体下降区面积与上升区面积比的取值范围、光的穿透范围及占地面积的取值范围等。

由图5(a)中可以看出，微泡光生物反应器的结构参数主要包括：反应器有效高度H、反应器直径D、导流筒高度h、导流筒直径d、导流筒与反应器主体的间距L、导流筒与液面的间距h_h、导流筒悬挂高度h_c、以及液体下降区面积与上升区面积比 A_d/A_r。其中，考虑到工艺可实施性并结合文献调研，本发明中确定的微泡直径d_B的取值范围为100～600μm；反应器高径比H/D的取值范围为1～10；液体下降区面积与上升区面积比A_d/A_r的取值范围为0.3～0.6；反应器直径D的取值范围为10～25cm；导流筒与反应器主体的间距L(也即光的穿透距离)的取值范围为1.5～5cm。

3.2)针对不同微泡直径d_B，在不同微泡气通量Q及不同反应器高径比H/D条件下，对微泡光生物反应器进行传质性能测试，得到其传质模型：

式中，H/D为反应器高径比；d_B为微泡直径(μm)；Q为微泡气通量(L min^-1)； V_L为培养体积(L)；K_La代表CO₂传质系数(min^-1)；α为一经验系数，其值约为6×10⁶。

3.3)根据目标培养体积、CO₂传质系数目标值、经验系数α、传质模型，以微泡直径和高径比的取值范围为基础，得到满足微泡气通量筛选条件的微泡直径和高径比取值范围及其对应的微泡气通量数据作为第一参数组。

如图5(b)所示，具体的，包括以下步骤：

3.3.1)分别在微泡直径和高径比预设取值范围内随机选取一组数据，与目标培养体积、CO₂传质系数目标值、经验系数α共同输入到传质模型中，计算得到该组微泡直径和高径比对应的微泡气通量Q。

3.3.2)以目标培养体积确定微泡气通量的筛选范围，对步骤3.3.1)中得到的微泡气通量Q进行筛选，若超出筛选范围，则返回步骤3.3.1)重新计算；否则，进入步骤3.3.3)；其中，微泡气通量的筛选范围通常为目标培养体积的0.5-1％以内。

3.3.3)将符合筛选条件微泡直径和高径比取值范围及其对应的微泡气通量数据作为第一参数组。

3.4)分别以液体下降区面积与上升区面积比的预设取值范围以及第一参数组中高径比的取值范围为基础，得到满足反应器结构筛选条件的反应器有效高度H、反应器直径D、导流筒直径d以及导流筒与反应器主体的间距L数据作为第二参数集合。

具体的，包括以下步骤：

3.4.1)分别在液体下降区面积与上升区面积比的预设取值范围内以及第一参数组确定的高径比取值范围内选取一组A_d/A_r和H/D数据，对反应器的结构参数进行计算，得到反应器有效高度H、反应器直径D、导流筒直径d以及导流筒与反应器主体的间距L。

其中，进行反应器结构参数计算的公式为：

L＝(D-d)/2 (10)

H＝D×(H/D) (11)

3.4.2)以光的穿透距离及占地面积为筛选条件，对步骤3.4.1)中反应器的结构参数进行筛选，若超出筛选范围，则返回步骤3.4.1)；否则，进入步骤3.4.3)。

3.4.3)将符合筛选条件的反应器有效高度H、反应器直径D、导流筒直径d以及导流筒与反应器主体的间距L数据作为第二参数集合。

3.5)根据实际培养条件(例如运行成本、建造成本、能耗成本等)，对步骤3.3) 和步骤3.4)中的两参数集合进一步优选，得到微泡光生物反应器结构和操作的最优参数组。

3.5.1)先以反应器有效高度H最小为筛选条件，再以L最小为筛选条件，从第二参数集合中，得到满足筛选条件的最优解H、D、d、L，并计算得到h、h_h和h_c。

本发明中根据反应器设计经验，假设h/H＝0.8，h_h＝h_c＝(H-h)/2，计算得到h、 h_h和h_c，并进而得到高径比H/D。

3.5.2)根据得到的高径比H/D从第一参数集合中进行筛选，得到该高径比对应的微泡直径及微泡气通量的优选解集{d_B,Q}。

3.5.3)以微泡气通量Q最小为筛选条件，从得到的微泡直径及微泡气通量的优选解集中选出最优操作参数解。

实施例一:

如图6(a)和图6(b)所示，本实施例中，采用4种不同孔径微孔陶瓷膜片构成微泡光生物反应器，对微泡光生物反应器的粒径分布及传质性能进行测试。

如图6(a)所示，为微泡光生物反应器微泡粒径分布结果。在500ml培养液中，以50mlmin^-1流速通入1％浓度的CO₂混合气体至由4种不同孔径微孔陶瓷膜片(Type1、 Type2、Type3、Type4)构成的微泡发生器中，所产生的微气泡平均粒径d₃₂分别为554 μm、464μm、333μm及115μm。其中Type1陶瓷膜片所产生的微泡较大，约30％的微泡其粒径为400-500um，可用于大多数经济微藻的培养前期或实验室藻种预培养。在由Type2和Type3陶瓷膜片所产生的微泡中，粒径100-200μm的微泡数量分别占约 35％和65％，可用于经济微藻对数生长的前期或实验室藻种扩培。Type4陶瓷膜片所产生的微泡最小，约65％的微泡粒径小于100μm，其中25％的微泡粒径小于50μm，可以用于经济微藻对数生长的中后期或规模化高密度培养。

如图6(b)所示，对这四种由不同孔径微孔陶瓷膜片所构成的微泡发生器在不同气通量及不同反应器高径比条件下进行传质性能测试。总体上，对于同种类型微孔陶瓷膜片，传质系数K_La随着气通量或者高径比的增加而增加；而对于同种气通量及高径比条件，传质系数K_La随着微泡平均粒径的减小而增加。上述四种不同孔径微孔陶瓷膜片所构成的微泡发生器传质系数总体上可达0.0035min^-1-1.92min^-1,约为传统气泡(例如粒径3mm)传质性能的200–30000倍，可以满足不同经济微藻不同生长时期的碳需求。另一方面，结合上述微泡粒径和传质性能的测试结果及理论推导，本发明提供了影响传质性能主要因素(气泡粒径、反应器高径比、气通量)与传质系数之间的数学模型，为微泡光生物反应器结构及操作参数的优选方法提供了理论依据。

实施例2：CO₂目标传质值获得方法

为了满足经济微藻最优生长所需，单位时间内光生物反应器所提供的CO₂量，即传质速率不应低于微藻最优生长的耗碳速率，否则溶液中CO₂底物浓度将逐渐减少，导致比生长速率下降，从而使微藻由对数生长转变为线性增长。因此，反应器的CO₂目标传质值需根据具体某种经济微藻的耗碳动力学分析来确定。以下将以雨生红球藻为例，详细说明确定CO₂目标传质值的步骤。

1)准备15个密闭式容器(例如杜伦瓶)，分别加入150mlBBM培养基，高压灭菌20min，温度降至室温；

2)设置5组碳梯度，往BBM中加入不同质量碳酸氢钠,使总碳最终浓度分别为2mM、4mM、8mM、16mM。接入处于对数生长期的健康细胞，开始培养。培养过程中，容器密闭，防止CO₂传质至空气中，同时设置对照组，扣除非微藻吸收所致的总碳浓度变化。

3)每12小时检测微藻生物量及溶液中总碳浓度；

4)根据所得数据分析计算微藻最大比生长速率、碳半饱和常数、得率系数，其结果分别为0.9d^-1、0.0032mol L^-1、142.9gmol^-1；

5)将所获参数代入生长及耗碳动力学模型(即上述式(1)～式(4))，计算模拟微藻最优生长情况及其对应每日所需耗碳量；

6)根据目标最终生物量或目标培养周期，计算最大日耗碳量，根据该值计算传质系数，将其定为目标值。例如目标培养周期为7天，模拟得到雨生红球藻每日耗碳速率随着生物量的增长由第一天的3.4×10^-5molL^-1d^-1增加至第七天的8×10^-3molL^-1d^-1，最大日耗碳量即可定为8×10^-3mol L^-1d^-1。若采用5％CO₂混合气通气，满足该耗碳量的传质系数经计算约为0.003min^-1，该值即为反应器需达到的目标传质值。

实施例3：维持培养体系最适pH值的方法

为了减少传统光生物反应器的工艺复杂性，本发明所述的微泡光生物反应器采用极简的设计，去除传统光生物反应器的pH调控系统，利用微泡高效的CO₂传质能力配合碳酸氢钠缓冲盐，在持续微泡曝气的条件下控制溶液CO₂平衡浓度，从而维持培养体系最适pH。

例如，据文献所得，雨生红球藻的最适pH为7.5，已知CO₂混合气浓度为5％或2％，则根据公式6可知微泡光生物反应器中所需添加的NaHCO₃浓度分别为25mM或8mM。

实施例4：微泡光生物反应器结构及操作参数优选方法

例如目标为50L的雨生红球藻微泡光生物反应器培养，已知其目标传质系数需达到约0.003min^-1，根据公式7计算得到不同高径比H/D(1-10)及不同微泡粒径d_B (100-600μm)下所需气通量Q，获得一系列Q值(0.0014-1.5L min^-1不等)，并以体积百分比0.5％-1％即0.25-0.5L min^-1为筛选条件，记录符合条件的Q值及其所对应的高径比H/D和微泡粒径d_B，视为第一参数集合。再根据目标有效体积50L，计算获得不同A_d/A_r(取值范围为：0.3-0.6)及不同高径比H/D(取值范围为第一参数集合) 下对应的反应器主要结构参数值，分别为H(1-1.9m)、D(0.19-0.25m)、d (0.14-0.22m)、L(0.011-0.026m)。以D(0.1-0.25m)及L(0.015-0.05m)为筛选条件，对得到的集合进行筛选，得到第二参数集合。在第二参数集合中选出H最小的解集，再以L最小为筛选条件，获得反应器主要结构参数最优解H(1m)、D(0.25m)、 d(0.22m)、L(0.015m)，并计算获得h(0.8m)、h_h(0.1m)和h_c(0.1m)。以最优H/D (4)为筛选条件，在第一参数集合中优选反应器操作参数最优解，获得d_B(500μm) 和Q(0.34L min^-1)。综上，目标为50L的雨生红球藻微泡光生物反应器培养其最优结构为H(1m)、D(0.25m)、d(0.22m)、L(0.015m)、h(0.8m)、h_h(0.1m)和h_c (0.1m)；其最优操作参数为：d_B(500μm)、Q(0.34Lmin-1)。

应理解，上述d_B、H/D、A_d/A_r等参数的取值范围均为参考值，可根据实际应用的需要、文献调研、工艺可实施性等因素进行适当调整。

实施例5：微泡光生物反应器培养经济微藻

1)微泡光生物反应器培养雨生红球藻

如图7(a)所示，为雨生红球藻的生物量变化图。本实施例中，实用体积5L的 微泡光生物反应器对雨生红球藻(Haematococcus.P)进行培养。微泡光生物反应器 装液高度53cm，微泡光生物反应器主体直径12cm，导流筒直径8.5cm，导流筒高度42cm， 导流筒悬挂高度5cm，微孔陶瓷膜片直径6.5cm，所产生微气泡平均粒径约为400μm， 通气气体为1％CO₂混合气，气通量为0.15L min^-1。反应器四周放置4根LED灯管， 照明强度为1000lux，随着培养进行，逐渐增加至8根。初始藻细胞接种密度约为0.03g L^-1，培养周期为10天。最终细胞浓度达到约0.46g L^-1，总比生长速率为0.26d^-1。

另设一对照组，实验室250ml锥形瓶培养，装液体积为100ml，LED照明强度为1000lux，藻细胞起始浓度约为0.03g L^-1。培养10天最终浓度达约0.09g L^-1，总比生长速率为0.08d^-1。

两种方式比较的结果说明：较传统实验室培养雨生红球藻，利用本发明的微泡光生物反应器培养雨生红球藻可以提高细胞密度约14倍，提高总比生长速率约2.2倍。

2)微泡光生物反应器培养小球藻

如图7(b)所示，为小球藻的生物量变化示意图。实用体积3L的微泡光生物反应器对小球藻(Chlorella.sp)进行培养。微泡光生物反应器装液高度25cm，微泡光生物反应器主体直径12cm，导流筒直径9.8cm，导流筒高度20cm，导流筒悬挂高度 2.5cm，微孔陶瓷片直径9cm，所产生微气泡平均粒径约为200μm，通气气体为5％CO₂混合气，气通量为0.1L min^-1。反应器四周放置4根LED灯管，照明强度为1000lux，随着培养进行，逐渐增加至8根。初始藻细胞接种密度约为0.01g L^-1。培养周期为10 天，其生物量变化如图7(b)所示。最终细胞浓度达到约1.2g L^-1，总比生长速率为0.53d^-1。

另设一对照组，实验室250ml锥形瓶培养，装液体积为100ml，LED照明强度为1000lux，藻细胞起始浓度约为0.01g L^-1。培养10天最终浓度达约0.15g L^-1，总比生长速率为0.28d^-1。

两种方式比较的结果说明：较传统实验室培养小球藻，利用本发明的微泡光生物反应器培养小球藻可以提高细胞密度约7倍，提高总比生长速率约90％。

3)微泡光生物反应器培养杜氏藻

如图7(c)所示，为本实施例中杜氏藻的生物量变化示意图。实用体积200L的微泡光生物反应器对小球藻(Dunaliella.sp)进行培养。微泡光生物反应器装液高度200cm，反应器主体直径35cm，导流筒直径30cm，导流筒高度180cm，导流筒悬挂高度10cm，微孔陶瓷片直径32cm，所产生微气泡平均粒径约为300μm，通气气体为 5％CO₂混合气，气通量为2.2Lmin^-1。反应器四周放置4根LED灯管，照明强度为1000lux，随着培养进行，逐渐增加至8根。初始藻细胞接种密度约为0.07g L^-1。培养周期为14 天，其生物量变化如图7(c)所示。最终细胞浓度达到约3.1g L^-1，总比生长速率为0.27d^-1。

另设一对照组，实验室250ml锥形瓶培养，装液体积为100ml，LED照明强度为1000lux，藻细胞起始浓度约为0.07g L^-1。培养14天最终浓度达约0.46g L^-1，总比生长速率为0.14d^-1。

两种方式比较的结果说明：较传统实验室培养杜氏藻，利用本发明的微泡光生物反应器培养杜氏藻可以提高细胞密度约6倍，提高总比生长速率约90％。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种用于经济微藻培养的微泡光生物反应器的使用方法，其特征在于包括以下步骤：

1)确定待培养目标经济微藻的CO₂传质目标值；

2)确定连续通气条件下，维持培养体系最优pH值所需的碳酸盐的投加量以及CO₂混合气浓度；

3)基于确定的CO₂传质目标值、CO₂混合气浓度和碳酸盐浓度，计算得到采用微泡生物反应器进行目标经济微藻培养时其结构及操作参数的最优值，用于指导目标经济微藻的培养。

2.如权利要求1所述的一种用于经济微藻培养的微泡光生物反应器的使用方法，其特征在于：所述步骤1)中，待培养目标经济微藻的CO₂传质目标值的确定方法，包括以下步骤：

1.1)选取用于目标经济微藻培养的密闭式容器；

1.2)设置多组不同浓度碳梯度的培养液，在培养过程中，保持密闭式容器密闭，防止CO₂传质至空气中，同时设置对照组，扣除非目标经济微藻吸收所致的总碳浓度变化；

1.3)定期检测各组密闭式容器中目标经济微藻生物量及溶液中总碳浓度；

1.4)采用图解法对得到的周期性测量数据进行处理，得到目标经济微藻的最大比生长速率、碳半饱和常数、得率系数；

1.5)将步骤1.4)中得到的各参数代入生长及耗碳动力学模型，模拟计算该目标经济微藻最优生长情况及其对应每日所需耗碳量；

1.6)根据目标最终生物量或目标培养周期，确定最大日耗碳量，根据最大日耗碳量计算CO₂传质系数，作为该目标经济微藻所需的CO₂传质目标值。

3.如权利要求1所述的一种用于经济微藻培养的微泡光生物反应器的使用方法，其特征在于：所述步骤2)中，碳酸盐的投加量以及CO₂混合气浓度最优值的确定方法，包括以下步骤：

2.1)根据待培养目标经济微藻种类确定其最优pH值；

2.2)根据待培养目标经济微藻种类确定其对碳酸盐浓度的耐受范围；

2.3)根据得到的最优pH值以及碳酸盐浓度耐受范围，采用平衡pH模型模拟计算最优pH值条件下，碳酸盐浓度耐受范围内各碳酸盐浓度值对应的CO₂混合气浓度值，得到多组参数；

2.4)根据实际培养条件，对步骤2.3)中得到的参数组进一步筛选，得到维持培养体系最优pH值的CO₂混合气浓度和碳酸盐浓度的最优参数，进行目标经济微藻的培养。

4.如权利要求3所述的一种用于经济微藻培养的微泡光生物反应器的使用方法，其特征在于：所述步骤2.3)中，所述平衡pH模型为：

pH^*＝7.6543+0.4063ln([NaHCO₃]_mol/L)-0.4551ln(CO₂％)，

式中，pH^*代表溶解平衡时的pH值，即平衡pH；[NaHCO₃]代表NaHCO₃浓度；CO₂％代表CO₂混合气浓度。

5.如权利要求1所述的一种用于经济微藻培养的微泡光生物反应器的使用方法，其特征在于：所述步骤3)中，所采用的微泡光生物反应器包括具有预定容积的光生物反应器主体、可控粒径微泡发生装置、导流装置、以及光照系统；所述可控粒径微泡发生装置设置在所述光生物反应器主体底部，用于提供经济微藻培养所需的碳传质和循环动力，同时解析溶氧；所述导流装置悬挂设置在所述光生物反应器主体内部，用于促进液体循环及微泡传质；所述光照系统设置在所述光生物反应器主体外侧或内部，用于根据特定经济微藻需求提供其生长最优波长及光暗频率。

6.如权利要求1所述的一种用于经济微藻培养的微泡光生物反应器的使用方法，其特征在于：所述步骤3)中，采用微泡生物反应器进行目标经济微藻培养时其结构及操作参数的最优值的确定方法，包括以下步骤：

3.1)确定微泡光生物反应器的具体结构参数以及操作参数的预设取值范围，包括微泡直径d_B取值范围、反应器高径比H/D取值范围、液体下降区面积与上升区面积比A_d/A_r的取值范围、光的穿透范围L及占地面积的取值范围；

3.2)针对不同微泡直径d_B，在不同微泡气通量Q及不同反应器高径比H/D条件下，对微泡光生物反应器进行传质性能测试，得到其传质模型；

3.3)根据目标培养体积、CO₂传质系数目标值、经验系数α、传质模型，以微泡直径和高径比的取值范围为基础，得到满足微泡气通量筛选条件的微泡直径和高径比取值范围及其对应的微泡气通量数据作为第一参数集合；

3.4)分别以液体下降区面积与上升区面积比的预设取值范围以及第一参数集合中高径比的取值范围为基础，得到满足反应器结构筛选条件的反应器有效高度、反应器直径、导流筒直径以及导流筒与反应器主体的间距数据作为第二参数集合；

3.5)根据实际培养条件，对步骤3.3)和步骤3.4)中的第一、第二两参数集合进一步优选，得到微泡光生物反应器结构和操作的最优参数组。

7.如权利要求6所述的一种用于经济微藻培养的微泡光生物反应器的使用方法，其特征在于：所述步骤3.2)中，所述传质模型为：

式中，H/D为反应器高径比；d_B为微泡直径，单位为μm；Q为微泡气通量，单位为L min^-1；V_L为培养体积，单位为L；K_La代表CO₂传质系数，单位为min^-1；α为一经验系数，其值为6×10⁶。

8.如权利要求6所述的一种用于经济微藻培养的微泡光生物反应器的使用方法，其特征在于：所述步骤3.3)中，第一参数集合的获得方法，包括以下步骤：

3.3.1)分别在微泡直径和高径比预设取值范围内随机选取一组数据，与目标培养体积、CO₂传质系数目标值、经验系数α共同输入到传质模型中，计算得到该组微泡直径和高径比对应的微泡气通量Q；

3.3.2)以目标培养体积确定微泡气通量的筛选范围，对步骤3.3.1)中得到的微泡气通量Q进行筛选，若超出筛选范围，则返回步骤3.3.1)重新计算；否则，进入步骤3.3.3)；其中，微泡气通量的筛选范围为目标培养体积的0.5-1％以内；

3.3.3)将符合筛选条件微泡直径和高径比取值范围及其对应的微泡气通量数据作为第一参数集合。

9.如权利要求6所述的一种用于经济微藻培养的微泡光生物反应器的使用方法，其特征在于：所述步骤3.4)中，第二参数集合的获得方法，包括以下步骤：

3.4.1)分别在液体下降区面积与上升区面积比的预设取值范围内以及第一参数组确定的高径比取值范围内选取一组A_d/A_r和H/D数据，对反应器的结构参数进行计算，得到反应器有效高度H、反应器直径D、导流筒直径d以及导流筒与反应器主体间距L；

3.4.2)以光的穿透距离及占地面积为筛选条件，对步骤3.4.1)中反应器的结构参数进行筛选，若超出筛选范围，则返回步骤3.4.1)；否则，进入步骤3.4.3)；

3.4.3)将符合筛选条件的反应器有效高度H、反应器直径D、导流筒直径d以及导流筒与反应器主体的间距L数据作为第二参数集合。

10.如权利要求6所述的一种用于经济微藻培养的微泡光生物反应器的使用方法，其特征在于：所述步骤3.5)中，对第一参数集合和第二参数集合进行进一步筛选的方法，包括以下步骤：

3.5.1)以反应器有效高度H最小为筛选条件，再以L最小为筛选条件，从第二参数集合中，得到满足筛选条件的最优解H、D、d、L，并计算得到h、h_h和h_c；

3.5.2)根据得到的高径比H/D从第一参数集合中进行筛选，得到该高径比对应的微泡直径及微泡气通量的优选解集{d_B,Q}；

3.5.3)以微泡气通量Q最小为筛选条件，从得到的微泡直径及微泡气通量的优选解集中选出最优操作参数解。