针对微藻固碳性能受限于反应器内光传输的问题，本文设计了一种阶梯型光纤/导光管微藻光生物反应器。通过光学仿真分析获得了光纤/导光管壁的光强分布特性，采用导光管底锥形反光件、阶梯型光纤结构等方法调节微藻光生物反应器内光强分布的均匀性。在不同反应器、输入光能条件下开展了微藻生长固碳实验，获得了微藻生物量、固碳速率与叶绿素含量的变化规律，发现内置光纤/导光管反应器内微藻固碳性能显著优于常规反应器。
基于内置光纤/导光管反应器的微藻固碳减排研究
夏奡1,2，任柯欣1,2，张敬苗1,2，黄云1,2，朱贤青1,2，朱恂1,2，廖强1,2，
1. 重庆大学 低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室
2. 重庆大学 工程热物理研究所
我国燃煤电厂每年排放CO2超过57亿 t，为保障双碳目标如期实现，必须大幅降低燃煤电厂的CO2排放。微藻固碳通过高效的光合作用吸收CO2转化为生物质，是极具潜力的燃煤电厂减碳技术，但目前微藻固碳性能严重受限于反应器内光传输。导光管可灵活调节反应器内光分布，而光纤可集中传输光线且光损耗低，因此提出光纤/导光管微藻光生物反应器，扩大藻液受光面积，增加藻细胞色素的光捕集，促进微藻光合固碳。利用光学仿真软件对光纤/导光管内传输的光线进行追踪，获得了光纤/导光管管壁的光强分布。在不同反应器、输入光能条件下进行微藻培养实验，获得了微藻生物量、固碳速率与叶绿素含量的变化趋势，分析了内置光纤/导光管对微藻固碳的影响规律。结果表明：平面末端的光纤射出光的光强在导光管侧30～140 mm内迅速下降，导光管发光范围集中。在导光管底部添加锥形反光件反射抵达管底的透射光、并设计阶梯型光纤使输入光由不同阶梯分级发出，可使微藻光生物反应器内光分布更加均匀，反应器内部远离光源区域的藻细胞可以有效接受光能进行光合固碳。当光能输入为3.3 W/L时，含两级阶梯结构光纤和锥形反光件的导光管管侧表面最低光强为47 μmol/（m2·s），平均光强达64 μmol/（m2·s），较无光纤仅顶部给光的导光管侧面平均光强提高了2.6倍。微藻在插入阶梯型光纤的光生物反应器（SF-PBR）培养7 d后生物量达到1.9 g/L，比在插入平面端光纤的光生物反应器（FF-PBR）中培养的生物量高46.2%，比仅顶部受光的光生物反应器（LG-PBR）中培养的生物量高111.1%。当提升光源输入至5.0 W/L，微藻培养7 d后的生物量高达2.8 g/L，培养期间保持高固碳速率（608.3 mg/（L·d）），比对照组LG-PBR的固碳速率提高1.9倍。
教授
博士生导师
夏奡，男，汉族，1986年生，重庆人，工学博士，教授，博士生导师，国家优秀青年基金获得者，中国科协青年人才托举工程人选，重庆市杰出青年基金获得者，重庆市百名海外高层次人才集聚计划特聘专家，重庆英才计划青年拔尖人才。担任4本SCI/EI期刊副编辑或编委、中国可再生能源学会生物质能专委会委员、国际研究中心APEC Research Center for Advanced Biohydrogen Technology指导委员会委员等职，入选斯坦福大学“全球前2%顶尖科学家”榜单。
长期从事生物固碳减排、绿色燃料及高附加值材料制备、生物质转化系统集成及全生命周期评估等方面的研究工作，主持或完成国家级/省部级科研项目十余项（包括国家自然科学基金项目4项）。在Trends in Biotechnology、Trends in Microbiology、Renewable and Sustainable Energy Reviews、Green Chemistry、Chemical Communications、Applied Energy、ACS Sustainable Chemistry & Engineering等高水平期刊上发表论文170余篇，3篇论文入选封面/封底，出版Springer专著1部，应邀撰写Springer重要参考书1章，合作撰写国际能源署（IEA）生物天然气出版物1部，总引用7000余次。
夏奡, 任柯欣, 张敬苗等. 基于内置光纤/导光管反应器的微藻固碳减排研究[J]. 煤炭科学技术, 2024, 52(2): 1−9.
XIA Ao, REN Kexin, ZHANG Jingmiao, et al. Promotion of carbon fixation and emission reduction by microalgae with optical fiber/light guide tubes[J]. Coal Science and Technology, 2024, 52(2): 1−9.
END 责任编辑：黄小雨
整 理：黄小雨
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