微藻細(xì)胞富含蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和多糖等，在食品、醫(yī)藥以及化工等方面應(yīng)用越來越廣泛。螺旋藻是一種多細(xì)胞絲狀藍(lán)藻（Blue Green Algae），又稱藍(lán)細(xì)菌（Cyanobacteria），是微藻培養(yǎng)的典型藻種，具有生長速度快、不易被污染、營養(yǎng)物質(zhì)豐富等特點(diǎn)。
限制微藻大規(guī)模工業(yè)化利用的主要因素是藻產(chǎn)品成本較高，尤其是在微藻培養(yǎng)和采收方面。微藻培養(yǎng)過程中，營養(yǎng)鹽成本占微藻培養(yǎng)成本比重很大，其中碳源、氮源及磷源成本占微藻培養(yǎng)總成本的20%～30%；同時，微藻培養(yǎng)需要消耗大量的水資源。此外，藻細(xì)胞的采收問題也是限制微藻技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用的瓶頸之一。采收過程中存在微藻生物量偏低、藻水分離難度大、藻細(xì)胞不易收獲等技術(shù)問題，這與微藻細(xì)胞微小、帶負(fù)電荷、在水中處于穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)、很難通過重力沉降實(shí)現(xiàn)固液分離有關(guān)。因此，降低微藻培養(yǎng)過程中營養(yǎng)鹽和水資源消耗，尋求高效率的微藻分離采收技術(shù)是當(dāng)前亟需解決的問題。
目前微藻培養(yǎng)系統(tǒng)的兩種主要類型是開放式跑道池和封閉式光生物反應(yīng)器（photobioreactor，PBR）。傳統(tǒng)的PBR沒有固液分離功能，反應(yīng)器中的水力停留時間（hydraulic retention time，HRT）和微藻停留時間（microalgae retention time，MRT）是相同的，獲得的生物質(zhì)濃度較低，給后續(xù)采收過程帶來很大的難度。為解決這個問題，可在膜光生物反應(yīng)器（membrane photobioreactor，MPBR）模式下培養(yǎng)微藻。MPBR是微藻培養(yǎng)和采收的一種全新的方法，它將光生物反應(yīng)器同過濾器相耦合，進(jìn)而將HRT和MRT分開，實(shí)現(xiàn)固液分離。且膜過濾操作簡單，在微藻培養(yǎng)和采收方面的應(yīng)用越來越多，Su等人在MPBR中利用電廠污水培養(yǎng)柵藻；Bilad等人利用浸沒式微濾膜采收微藻生物質(zhì)；同時MPBR中過濾液可以再循環(huán)用作微藻培養(yǎng)液。此外通過膜的過濾作用，提高藻產(chǎn)品生物量濃度，在采收過程中無需使用助凝劑和絮凝劑等化學(xué)藥品。
作者選取鈍頂螺旋藻作為培養(yǎng)對象，在PBR和MPBR中進(jìn)行培養(yǎng)和預(yù)采收，考察不同初始藻密度和稀釋率下螺旋藻的生長及其對營養(yǎng)鹽消耗利用情況，比較得出MPBR在提高藻產(chǎn)品質(zhì)量濃度，節(jié)約水資源，節(jié)約營養(yǎng)鹽等方面的有效性，為規(guī)?；呙芏扰囵B(yǎng)和預(yù)采收微藻提供參考依據(jù)。
1材料與方法
1.1實(shí)驗(yàn)材料
藻種：采用鈍頂螺旋藻，編號FACHB-901，購自中科院水生生物研究所淡水藻種庫。
培養(yǎng)基：采用的改良的Zarrouk培養(yǎng)基配方，見表1、表2。
1.2實(shí)驗(yàn)裝置
采用光生物反應(yīng)器（PBR）作為鈍頂螺旋藻的培養(yǎng)容器，實(shí)驗(yàn)裝置見圖1。反應(yīng)器為中空柱體，由有機(jī)玻璃制成，壁厚6 mm，內(nèi)徑144 mm，總高575 mm，有效容積為7.4 L，微藻培養(yǎng)時放置于GXZ-380B光照培養(yǎng)箱中。
膜光生物反應(yīng)器（MPBR）實(shí)驗(yàn)裝置見圖2。膜組件為PVDF微濾膜，孔徑1μm，膜面積為0.025 m2。將膜組件放入過濾槽中，一端與蠕動泵相連，對藻液進(jìn)行抽濾、濃縮。
1.3實(shí)驗(yàn)設(shè)置
考察鈍頂螺旋藻在PBR中生物量的變化，將培養(yǎng)至對數(shù)期的藻種接入PBR中，使其初始光密度值約為0.5，于光強(qiáng)3 000 Lux、溫度（30±1）℃、光周期16/8（day/night）條件下培養(yǎng)。在培養(yǎng)期間利用空氣泵以曝氣的方式向PBR中不間斷通入空氣，氣速為1.63 L/min，氣體流量采用轉(zhuǎn)子流量計控制。每天測培養(yǎng)初始和結(jié)束時測定硝態(tài)氮、磷酸鹽和溶解性無機(jī)碳濃度等指標(biāo)，初步確定微藻在PBR中生物量變化和營養(yǎng)鹽消耗情況，為后期實(shí)驗(yàn)選取合適的生物量進(jìn)行培養(yǎng)和采收提供參考。實(shí)驗(yàn)設(shè)置3組平行樣，結(jié)果取平均值。
圖1光生物反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)裝置
圖2膜光生物反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)裝置
考察PBR中不同稀釋率和生物量對鈍頂螺旋藻生長和預(yù)采收的影響，根據(jù)初步確定的鈍頂螺旋藻在PBR中生物量的變化情況，選擇不同生長時期的螺旋藻進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)采用半連續(xù)操作，稀釋率分別選取D＝0.05、0.08、0.10、0.13 d-1。每天采收一定體積的藻液作為藻產(chǎn)品，同時加入相同體積的Zarrouk培養(yǎng)基，維持PBR中藻液體積不變，不同稀釋率下每天采收藻液和補(bǔ)加Zarrouk培養(yǎng)基的體積見表3。每天測定采收藻產(chǎn)品的OD560值。光強(qiáng)、溫度等培養(yǎng)條件同上。實(shí)驗(yàn)設(shè)置3組平行樣，結(jié)果取平均值。
表3不同稀釋率下PBR中每天采收藻液和補(bǔ)加Zarrouk培養(yǎng)基的體積
考察利用MPBR培養(yǎng)和預(yù)采收鈍頂螺旋藻，根據(jù)PBR實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇合適的生物量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將膜組件安裝在過濾槽中，利用蠕動泵將反應(yīng)器中藻液抽至過濾槽中，通過膜組件對其進(jìn)行過濾濃縮。蠕動泵轉(zhuǎn)速設(shè)置為100 r/min，每5分鐘測量抽得的過濾液體積，過濾槽中濃藻液體積，計算膜通量和體積濃縮系數(shù)，確定一定藻質(zhì)量濃度下適宜的體積濃縮系數(shù)。MPBR不同稀釋率對螺旋藻生長和預(yù)采收的影響實(shí)驗(yàn)中，采用半連續(xù)操作，稀釋率分別選取D＝0.08、0.10、0.13 d-1。通過膜組件的過濾作用，實(shí)現(xiàn)藻液濃縮得到藻產(chǎn)品，同時將過濾液循環(huán)至光生物反應(yīng)器中重復(fù)利用。每天對藻產(chǎn)品進(jìn)行采收，同時利用一定體積的去離子水代替Zarrouk培養(yǎng)基補(bǔ)加至光生物反應(yīng)器中，維持反應(yīng)器中藻液體積不變，不同稀釋率下每天采收藻液、過濾液，藻產(chǎn)品和補(bǔ)加去離子水的體積見表4。每天測定反應(yīng)器中藻液、藻產(chǎn)品OD560值，計算得生物量質(zhì)量濃度；培養(yǎng)初始每天取藻液30 mL，測定培養(yǎng)初始和結(jié)束時反應(yīng)器中藻液pH值、硝態(tài)氮和磷酸鹽濃度。光強(qiáng)、溫度等培養(yǎng)條件同上。實(shí)驗(yàn)設(shè)置3組平行樣，結(jié)果取平均值。
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