载人航天器或潜艇等密闭环境中CO₂的去除和O₂及时补充,是环控生保系统的重要任务之一。密闭空气中CO₂去除技术首先要求高效、稳定和安全,其次是装置体积小、重量轻、能耗低、寿命长,以及操作和维护简便。本论文围绕上述目标,基于中空纤维膜传质比表面大、设备体积小的优势,选定小球藻（Chlorella vulgaris）和碳酸酐酶（CA）两种作为CO₂固定与转化的高效传递载体,研制中空纤维膜式光生物反应器和中空纤维酶膜反应器,分别用于去除CO₂的系统性研究。 小球藻比C₄植物光合速率高、繁殖快、环境适应性强,是一种高效的CO₂固定转化载体。本文在3L简易式光生物反应器中,首先开展小球藻对去除CO₂的效果试验,考察了碳源、pH、温度、光照强度和供气条件等影响因素。在光强3500 lx、温度25～30℃条件下,采用孔径为0.33μm的中空纤维膜组件曝气,流量为600 ml/min,当进气CO₂浓度为1%时,CO₂去除率约为50%,最大CO₂去除速率达到118 mg/（L·h）。 其次,采用分批补料和碳源补充法,在10 L气升式光生物反应器中进行小球藻的高密度培养,使细胞密度从补料前2.3×10⁷ cells/ml提高到2.675×10⁸cells/ml。在一定的气速下,进气浓度对小球藻光合固定CO₂和产O₂的影响较大,实验结果表明,当进气CO₂浓度为0.04%左右时,不能满足微藻生长所需碳源,当CO₂浓度提高到1%时,藻液pH下降到8.5左右,通常能使细胞密度增加到1.0×10⁸cells/ml以上;另外,降低进气中O₂的含量,有利于小球藻光合产O₂,但对反应器的CO₂去除速率影响并不显著。研究还表明小球藻光合固定CO₂和产生O₂能力与细胞的生长周期紧密相关,在分批式培养过程中,进入静止期后的细胞利用CO₂和产生O₂能力锐减。由此可知,增强单位反应器处理CO₂能力不能一味依赖细胞密度的增加。 然后,在原10 L光生物反应器上串联中空纤维膜组件,采用中空纤维死端流曝气法以改善小球藻供碳方式。试验发现,该法不但能使气泡更加细小均匀,而且气体在藻液中的停留时间由原来的2秒提高到20秒以上,有利于藻液中溶