微藻细胞富含蛋白质、脂质和多糖等，在食品、医药以及化工等方面应用越来越广泛。螺旋藻是一种多细胞丝状蓝藻（Blue Green Algae），又称蓝细菌（Cyanobacteria），是微藻培养的典型藻种，具有生长速度快、不易被污染、营养物质丰富等特点。
限制微藻大规模工业化利用的主要因素是藻产品成本较高，尤其是在微藻培养和采收方面。微藻培养过程中，营养盐成本占微藻培养成本比重很大，其中碳源、氮源及磷源成本占微藻培养总成本的20%～30%；同时，微藻培养需要消耗大量的水资源。此外，藻细胞的采收问题也是限制微藻技术商业化应用的瓶颈之一。采收过程中存在微藻生物量偏低、藻水分离难度大、藻细胞不易收获等技术问题，这与微藻细胞微小、带负电荷、在水中处于稳定的悬浮状态、很难通过重力沉降实现固液分离有关。因此，降低微藻培养过程中营养盐和水资源消耗，寻求高效率的微藻分离采收技术是当前亟需解决的问题。
目前微藻培养系统的两种主要类型是开放式跑道池和封闭式光生物反应器（photobioreactor，PBR）。传统的PBR没有固液分离功能，反应器中的水力停留时间（hydraulic retention time，HRT）和微藻停留时间（microalgae retention time，MRT）是相同的，获得的生物质浓度较低，给后续采收过程带来很大的难度。为解决这个问题，可在膜光生物反应器（membrane photobioreactor，MPBR）模式下培养微藻。MPBR是微藻培养和采收的一种全新的方法，它将光生物反应器同过滤器相耦合，进而将HRT和MRT分开，实现固液分离。且膜过滤操作简单，在微藻培养和采收方面的应用越来越多，Su等人在MPBR中利用电厂污水培养栅藻；Bilad等人利用浸没式微滤膜采收微藻生物质；同时MPBR中过滤液可以再循环用作微藻培养液。此外通过膜的过滤作用，提高藻产品生物量浓度，在采收过程中无需使用助凝剂和絮凝剂等化学药品。
作者选取钝顶螺旋藻作为培养对象，在PBR和MPBR中进行培养和预采收，考察不同初始藻密度和稀释率下螺旋藻的生长及其对营养盐消耗利用情况，比较得出MPBR在提高藻产品质量浓度，节约水资源，节约营养盐等方面的有效性，为规模化高密度培养和预采收微藻提供参考依据。
1材料与方法
1.1实验材料
藻种：采用钝顶螺旋藻，编号FACHB-901，购自中科院水生生物研究所淡水藻种库。
培养基：采用的改良的Zarrouk培养基配方，见表1、表2。
1.2实验装置
采用光生物反应器（PBR）作为钝顶螺旋藻的培养容器，实验装置见图1。反应器为中空柱体，由有机玻璃制成，壁厚6 mm，内径144 mm，总高575 mm，有效容积为7.4 L，微藻培养时放置于GXZ-380B光照培养箱中。
膜光生物反应器（MPBR）实验装置见图2。膜组件为PVDF微滤膜，孔径1μm，膜面积为0.025 m2。将膜组件放入过滤槽中，一端与蠕动泵相连，对藻液进行抽滤、浓缩。
1.3实验设置
考察钝顶螺旋藻在PBR中生物量的变化，将培养至对数期的藻种接入PBR中，使其初始光密度值约为0.5，于光强3 000 Lux、温度（30±1）℃、光周期16/8（day/night）条件下培养。在培养期间利用空气泵以曝气的方式向PBR中不间断通入空气，气速为1.63 L/min，气体流量采用转子流量计控制。每天测培养初始和结束时测定硝态氮、磷酸盐和溶解性无机碳浓度等指标，初步确定微藻在PBR中生物量变化和营养盐消耗情况，为后期实验选取合适的生物量进行培养和采收提供参考。实验设置3组平行样，结果取平均值。
图1光生物反应器实验装置
图2膜光生物反应器实验装置
考察PBR中不同稀释率和生物量对钝顶螺旋藻生长和预采收的影响，根据初步确定的钝顶螺旋藻在PBR中生物量的变化情况，选择不同生长时期的螺旋藻进行研究。实验采用半连续操作，稀释率分别选取D＝0.05、0.08、0.10、0.13 d-1。每天采收一定体积的藻液作为藻产品，同时加入相同体积的Zarrouk培养基，维持PBR中藻液体积不变，不同稀释率下每天采收藻液和补加Zarrouk培养基的体积见表3。每天测定采收藻产品的OD560值。光强、温度等培养条件同上。实验设置3组平行样，结果取平均值。
表3不同稀释率下PBR中每天采收藻液和补加Zarrouk培养基的体积
考察利用MPBR培养和预采收钝顶螺旋藻，根据PBR实验结果，选择合适的生物量进行实验。将膜组件安装在过滤槽中，利用蠕动泵将反应器中藻液抽至过滤槽中，通过膜组件对其进行过滤浓缩。蠕动泵转速设置为100 r/min，每5分钟测量抽得的过滤液体积，过滤槽中浓藻液体积，计算膜通量和体积浓缩系数，确定一定藻质量浓度下适宜的体积浓缩系数。MPBR不同稀释率对螺旋藻生长和预采收的影响实验中，采用半连续操作，稀释率分别选取D＝0.08、0.10、0.13 d-1。通过膜组件的过滤作用，实现藻液浓缩得到藻产品，同时将过滤液循环至光生物反应器中重复利用。每天对藻产品进行采收，同时利用一定体积的去离子水代替Zarrouk培养基补加至光生物反应器中，维持反应器中藻液体积不变，不同稀释率下每天采收藻液、过滤液，藻产品和补加去离子水的体积见表4。每天测定反应器中藻液、藻产品OD560值，计算得生物量质量浓度；培养初始每天取藻液30 mL，测定培养初始和结束时反应器中藻液pH值、硝态氮和磷酸盐浓度。光强、温度等培养条件同上。实验设置3组平行样，结果取平均值。
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