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微藻利用太阳光将CO2、H2O和无机盐等相对廉价的物质通过光合作用转化为蛋白质、多糖、脂类、生物色素、维生素、多不饱和脂肪酸(PUFAs)等细胞组分，为解决人类社会所面临的能源、资源、食品、环境等问题提供了可能的途径。目前，限制微藻大规模应用的关键是其高昂的培养成本，突出表现是反应器的光效率低、流体混合驱动能耗高。主要原因在于，传统的将反应器几何特征、流动条件、比照光面积等作为关键参数进行光生物反应器设计和放大的方法，未能抓住限制微藻光合作用效率的关键因素，即未能从单个藻细胞对光照的最佳生理需求的角度设计和放大光生物反应器，使得反应器光区和暗区混合差、细胞产率低。虽然某些新型光生物反应器通过增加内部结构(如挡板、静态混合器等)、强化湍流的方式强化了藻细胞在光区和暗区的混合，在一定程度上提高了光效率；但同时也带来了流体驱动能耗显著增加的问题，且复杂的内部结构也增加了反应器加工、制造及清洗的难度。如何以较低的能耗实现高的光效率是未来光生物反应器的发展方向。
针对上述问题，本论文主要围绕以下问题开展研究：首先，通过微藻闪光效应的研究确定微藻细胞生长的生理最佳光照条件；其次，研究如何以较低的能耗在反应器内实现这种光照条件，进而建立基于微藻闪光效应的光生物反应器的设计方法并进行实验验证。
为了获得微藻细胞生长的生理最佳光照条件，本论文首先构建了一套可用于研究微藻在各种光照条件(持续、周期)下生理特性的闪光效应研究平台。使用大功率白光LED作为光源，使其可提供最高可比拟户外日光的光强范围(0～4000μmolm-2s-1)；以时间继电器和部分透光的圆盘转动两种方式结合实现光/暗循环，使得光/暗频率范围(0.01～100 Hz)大大拓宽，覆盖了藻细胞在各种反应器内可能经历的各种光照条件；另外，薄层反应器内藻细胞光照条件均一性好且精确、可控，能最大程度反映单个藻细胞对各种光照条件的响应。
在此平台上研究了钝顶螺旋藻、二型栅藻、球等鞭金藻的闪光效应，结果显示：在各种光强、光比例的周期光照条件下，提高光/暗频率均能提高微藻比生长速率/净光合活力/光效率，提高幅度主要受光强影响，光强越高，提高幅度越大，最高可提高3倍以上；光/暗频率超过10 Hz之后，比生长速率/净光合活力/光效率基本不再变化，趋于稳定；光集成效应表明，一定光强、光比例下的周期光照培养所能达到的最优结果是达到相应稀释光强(k*I)的持续光照下的光效率，提高光/暗频率会逐渐接近于此光效率。通过综合分析，获得了微藻细胞生长的生理最佳光照条件，即微藻细胞所经历的光强和光比例的乘积，k*I进入该藻种生长的光限制区，且光/暗频率达到10 Hz以上。这可作为指导光生物反应器设计的一套综合性方法。
就上述光照条件在反应器中的实现，与以往通过增加反应器内部结构强化湍流的方式明显不同，本论文尝试使用光纤合理布置于反应器内作为内光源，创造出空间上有序排布的光区和暗区，控制藻液流动方向和速度，使得藻细胞经历预定的光/暗循环，进而发挥微藻闪光效应。据此思路，本论文首先从理论上对闪光效应光纤光生物反应器进行了设计型和操作型计算；基于理论计算结果，构思了三种可充分发挥微藻闪光效应的光纤光生物反应器结构：气体驱动的箱式结构、泵驱动的板式结构和搅拌罐结构，它们的共同特点是藻液流动方向垂直于光纤或者在光纤垂直方向上有一定的速度分量。
在上述构思的基础上，本论文设计和构建了一套中等规模(130 L)的气升板箱式光纤光生物反应器。使用模块化的光纤布置方式避免了壁面打孔可能带来的渗漏、安装复杂、使用不便等问题；对光强分布、气液传质、光/暗频率等进行的测试显示其具有良好的性能；将其用于螺旋藻、栅藻培养，结果显示，光纤反应器在相同的体积光能输入条件下，生长速率和光效率分别比整体光/暗频率较低的气升式反应器提高38％和28％以上：光纤反应器培养栅藻的光效率(7.1％)分别是室外管式(1.5％)、板式(1.9％)、柱式(5.4％)反应器光效率的3.8倍、2.7倍和1.3倍；表明以充分发挥微藻闪光效应作为指导光生物反应器设计的方法具有可行性和有效性。
在此基础上，对规模化光纤光生物反应器系统进行了概念设计，并对其产能进行了估算。结果显示，光纤光生物反应器可望以较低的能耗实现高的光能利用率，产率可望高于普通密闭式光生物反应器。