2.3.2 MPBR中不同稀释率对钝顶螺旋藻生长和预采收的影响
选择体积浓缩系数为2，初始藻液质量浓度为1.828 g/L进行MPBR中不同稀释率对螺旋藻生长和预采收的实验研究。不同稀释率下钝顶螺旋藻生物量质量浓度和pH变化见图6。从图6（a）可以看出，D＝0.08 d-1时反应器中螺旋藻生物量质量浓度稳定在1.820 g/L左右；D＝0.10 d-1时生物量质量浓度开始下降，开始出现冲刷现象；当D增大到0.13 d-1时生物量质量浓度持续下降，出现了明显的冲刷现象，导致反应器中生物量质量浓度不断降低。因此，确定MPBR的最佳稀释率为0.08 d-1。此外，膜组件的过滤作用使藻产品生物量质量浓度明显提高，最高可达3.319 g/L。本实验中体积浓缩系数约为2，与Bilad文献报道中体积浓缩系数为4.4有一定差异，可能与膜组件，藻种等条件有关。因此，为进一步增大体积浓缩系数，后期长期连续实验中考虑改进过滤槽结构，合理选择膜组件材质、孔径、结构等条件；同时进行减缓膜污染的相关研究，提高膜的使用寿命，进而明显减少后续采收过程的能耗和成本。培养过程中MPBR中藻液pH变化见图6（b）。螺旋藻生长过程中pH不断上升，波动范围为9.4～9.8，与图2（b）中pH变化趋势相似，均在螺旋藻生长的适合范围内。
在培养过程中对培养液中的氮磷进行了监测，氮磷质量浓度变化见图7。研究发现，氮磷质量浓度均随着培养时间的进行而下降，分别从初始的297.338、75.945 mg/L分别减少至198.908、55.105 mg/L。分析原因可能有两个：一是螺旋藻对营养盐的吸收利用作用；二是因为每天采收一定体积的藻液，同时加入去离子水，其稀释作用使得培养液中离子浓度不断下降。在第7天实验结束时，培养液中均剩余一定量氮磷营养盐，pH值也在螺旋藻生长的适合范围内，表明实验中培养液中氮磷质量浓度能够满足螺旋藻的生长需求，加入的去离子水并未对螺旋藻的生长产生不良影响。由此可见，一定时间内可以用一定体积的去离子水代替Zarrouk培养基补加到光生物反应器中，节约营养盐，降低螺旋藻培养成本。但在长期实验中，向Zarrouk培养基中加入去离子水的量要控制在保证营养盐满足螺旋藻生长需求的范围内。
MPBR中可将浓缩藻液过程中获得的过滤液循环至光生物反应器中重复利用，减少微藻培养过程中营养盐和水资源的消耗量，降低培养成本。最佳稀释率D＝0.08 d-1条件下，每天培养结束采收藻液后，MPBR中需补加296 mL过滤液和296 mL去离子水（忽略培养初始时取藻液30 mL），PBR中需补加592 mL Zarrouk培养基；由此可见，与PBR相比，MPBR每天节约水资源、氮、磷营养盐的使用量分别为296 mL水、1.48 g NaNO3、0.296 g K2HPO4；MPBR中生物质平均采收量0.983 g/d，即获得1 g生物量，MPBR中可节约水、氮、磷的量分别为0.301 L、0.248 g、0.053 g。此外，在后续实验长期连续运行后，水资源和营养盐的消耗量会进行具体的核算。
图6 MPBR中不同稀释率下钝顶螺旋藻生物量和pH变化
图7培养开始和结束时藻液中氮磷变化
Livansky等研究发现培养基循环利用会导致斜生栅藻生物量产率降低，微藻自身代谢物的积累会限制微藻的生长；可能是由于藻细胞对矿质营养盐有离子选择性吸收的特性，尤其是在长期、大量的循环利用过滤液时，过滤液中非限制性营养物质的积累可能会抑制微藻的生长；同时微藻在生长过程中或者细胞溶解时释放的某些代谢物（例如脂类、多糖、蛋白质等）也会对微藻产生抑制作用。但在本实验中，过滤液循环使用没有对微藻的生长产生不利影响，一方面可能是因为实验时间较短，且每天补加去离子水对非限制性营养物质的积累起到一定的稀释作用；另一方面是因为本实验培养液中生物量质量浓度在2 g/L以下（Livansky研究中斜生栅藻生物量达到了3 g/L），微藻培养液中非限制性营养物质以及藻细胞自身代谢产物等积累量很低，不足以对微藻的生长产生抑制作用。
3结语
基于PBR和MPBR培养和预采收钝顶螺旋藻，确定了不同初始生物量质量浓度和稀释率对螺旋藻生长和预采收的影响以及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。初始生物量质量浓度约为1.8 g/L时进行螺旋藻采收；与PBR相比，稀释率为0.08 d-1时获得1 g生物量，MPBR中可节约水、氮、磷的量分别为0.301 L、0.248 g、0.053 g。实验结果表明，膜组件的加入可完全截留藻细胞，实现微藻培养和采收过程中的固液分离，提高藻产品质量浓度，减轻微藻采收过程中后续脱水的能耗和成本；同时循环利用过滤液，节约水资源节约营养盐，降低了微藻培养成本。
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