化石燃料燃烧排放CO2及其他温室气体造成全球危害环境的变暖效应。减排转化利用CO2方法多样,而采用微藻固定CO2能生产高经济价值的生物质。微藻不仅生长速度快,而且生物质中富含生物活性的碳水化合物、蛋白质和油脂等,可以生产药品、营养食品、动物饲料、化学品和生物燃料等。自养型微藻在光生物反应器中培养能高效转化利用CO2,但是细胞密度低和能量消耗高是制约微藻固碳产业发展的重要瓶颈问题。本文研制开发了带有顺时针/逆时针叶片的自转式螺旋桨,能够在没有外部动力情况下依靠藻液流动产生螺旋流场,强化开放式跑道池中的气液混合促进微藻生长固碳。螺旋桨周围空间产生了旋转流并且在螺旋桨相互之间产生了螺旋流,从而在跑道池流场的三维空间中产生了大范围的壁面剪切力。相比于安装三个逆时针方向叶片的螺旋桨,安装四个顺时针方向叶片的螺旋桨具有更好的混合传质效果。当螺旋桨直径从32毫米增加到60毫米时,CO2气泡生成直径减少了69%,传质系数增加了49%。微藻细胞的光化学效率φPSII提高了25%,而螺距和藻丝长度则增加了7-16%。与未经改造的传统跑道池相比,安装四个顺时针方向叶片的自转式螺旋桨（直径60毫米）使跑道池中的微藻生长固碳速率提高了35%。光生物反应器的混合传质效果对微藻生长固碳速率具有重要影响,通过安装扰流板结构能够改善提升。本文研制开发了蝴蝶状扰流件使气液混合时间减少并且传质系数增加,从而提高了微藻生长固碳速率。当蝴蝶状扰流件尺寸和翼间角度增加时,气液混合时间减少同时传质系数提高。蝴蝶状扰流件产生的垂直涡流加强了光生物反应器中的内柱与外柱之间的光/暗循环,故提高了叶绿素-a含量、实际光化学效率和光合作用的电子传递速率。采用蝴蝶状扰流件的微藻生长固碳速率比无扰流件时提高了33%,螺距和藻丝长度提高了15-16%。为了优化光照分布以提高微藻生长固碳速率,本文在板式光生物反应器中安装了凹形壁面,从而使顶部入口到底部出口之间的微藻溶液产生循环旋转流场,流动旋涡使气液混合时间减少并且传质系数增加。与平壁的板式光反应器相比,凹壁的板式光反应器中微藻生长固碳能力增加了27%,叶绿素-a含量增加了18.5%。这是因为凹壁能散射正面入射光,使更多光子进入板式光反应器的内部区域。凹壁改善了光线分布和旋涡流场,促进了微藻细胞对光照和营养物质的利用,从而使微藻生长固碳速率提高了21%。光生物反应器的入射光谱组成显著影响微藻生长,本文通过滤光限定入射光波长从而控制微藻捕光色素合成。采用聚氯乙烯板（PVCS）滤光片覆盖跑道池,测试微藻生物质产量实验表明:跑道池覆盖过滤波长为480-665 nm的橙色聚氯乙烯板后的生物质干重达到3.3 g/L,比白光对照组（透明聚氯乙烯板的波长为350-750 nm）增加了61%。这是因为橙色聚氯乙烯板过滤后的光线更容易被微藻细胞的捕光色素蛋白复合物吸收,并传递到细胞内的光合作用反应中心。采用橙色聚氯乙烯板过滤的光自养微藻细胞中含有62.7 mg/L叶绿素-a和23.5 mg/L类胡萝卜素,比白光对照组分别提高了40%和29%。