Precision Microalgae: A New Conceptual Framework for Bioengineering Applications

微藻是生物质生产、碳捕获、生物燃料和高价值生物制品的有前景平台。然而，尽管在培养技术、反应器工程和代谢工程方面取得了显著进展，工业应用仍然有限。这一差距表明，微藻生物技术的主要挑战不在于高产菌株或培养系统的可获得性，而在于管理放大过程中出现的环境和生理异质性。本结构化叙述性综述采用预定义描述符和基于相关性的纳入标准筛选文献，并将证据组织为五个主题领域，涵盖培养规模限制、细胞生理学、生物工程、精准技术和工业转化。本综述考察了与光分布、气体传递、流体动力学和反应器操作相关的宏观空间瓶颈，以及涉及细胞周期调控、碳分配、代谢适应和应激反应的微观空间约束。本文讨论了适应性培养、实时监测、人工智能、数字孪生、计算建模和生物工程方面的最新进展，将其作为将生物和环境变异性转化为可操作信息的工具。基于精准农业中确立的概念，本综述提出“精准微藻”作为概念框架，将反应器工程和细胞生理学与三大操作支柱相结合：实时监测、预测建模和自适应控制。其具体贡献在于将当前分散的技术和生物学进展连接到一个共同框架内，用于管理培养和放大过程中的多尺度异质性。总体而言，现有证据支持该框架的操作逻辑，但其在工业条件下的普遍有效性仍有待验证。