针对光自养藻类，科学家认为有30个相对重要的因素需要考虑。但营养的供给只是微藻培养的一方面，其他环境因子和培养液搅拌混匀的因素也必须考虑。无论是光自养藻类还是异养微藻，主要的营养因子有碳（C）、氮（N）、磷（P）、硅（Si，硅藻需要）、各类微量元素和维生素，而主要的环境因子有光、温度、pH等。
图3.猜猜这是什么藻
2.营养因子
（1）碳源
微藻中，碳元素的含量一般能占到50%（除灰分外）左右。对光自养微藻而言，要保持高速生长，碳源（尤其是CO2）的供应异常重要。葡萄糖是异养中最常用的有机碳源，另外氨基酸、乙酸和甘油也被用于一些藻类的异养。
（2）氮源
氮源是微藻生长的最重要因子，在微藻细胞中，因微藻种类不同，氮元素的含量在1~10%左右，并因氮源的供给量和可利用度而异，通常情况下，氮源的缺乏导致细胞颜色褪化，叶绿素含量减少。硝酸盐、氨和尿素是最常用的三种氮源，氮源对微藻生长造成的影响因种而异，偏好不一。
（3）磷源
磷是跟微藻细胞生长和代谢密切相关的另一个的元素，尽管它在藻类细胞中所占的比例不超过1%，但它是核酸物质（DNA/ RNA）、ATP、细胞膜的基础组成元素，磷的缺乏会严重影响微藻细胞的生命活动。
（4）硅
硅元素，对硅藻而言是一种重要的元素，它构成硅藻的细胞外壳，是硅藻生长的限制因子之一。在培养中，硅一般以五水偏硅酸钠（Na2SiO3·5H2O）和九水偏硅酸钠（Na2SiO3·9H2O）的形式添加，在水中形成硅酸(Si(OH)4)，被细胞吸收后转化为水合氧化硅(SiO2·nH2O)。
（5）其他（微量）元素与维生素
硫（S）、镁（Mg）、钙（Ca）、钾（K）等其他一些（微量）元素也是微藻生长所必须的物质。微藻必需的微量元素还有钼（Mo）、铜（Cu）、钒（V）、钴（Co）、锰（Mn）、锌（Zn）、硼（B）、铁（Fe）等。微藻培养中所需的维生素有B12、B1、生物素等种类，通常自然水体中就有一定含量，具有提升微藻生长的速度的功能。
图4. 在适宜营养及环境因子具备的情况下，自然水域经常见到各色藻华。（澳大利亚Clovelly Beach，由夜光虫形成的藻华）
3.环境因子
（1）光照
对于光自养藻类而言，光是不可或缺的，微藻细胞对光的利用与光强度、细胞密度、光径长度/培养液层厚度和搅拌的剧烈程度都有关系。
（2）温度
温度能影响微藻对营养的需求、新陈代谢的速录和细胞内的组分，因此在微藻培养中需要对其进行控制。如果低于该藻的最适温度，会影响微藻的生长速率，而高于最适问题，则会增加其呼吸作用强度，甚至致死。
（3）pH
微藻的胞内pH依赖一个耗能系统来维持，在非最优pH环境下生长的细胞会加大能量消耗，从而减少了用于生长的能量，降低产率。而水体中CO2, HCO3–和CO3–的含量和比例是维持pH平衡的主要因素。pH会影响微藻对营养物质的吸收和同化。
图5.夜光虫形成的藻华在夜间如梦如幻（2015年5月8日，日本福井县）
4.微藻培养系统
微藻的商业化养殖，要求该藻种易于培养，并能够达到一个合理的养殖规模，因此微藻培养系统的建立不仅需要考虑养殖品种的生物学特性，还要考虑养殖的目的。
微藻培养系统通常分为开放系统和密闭系统，其中密闭系统包括光生物反应器（photobioreactor，PBR）和发酵罐。培养系统的选择，取决于几个因素，包括微藻种类、生长模式、产品形式、产品经济价值和预期用途。培养系统的选择还要考虑微藻的三种营养方式（光自养、异养和兼养），如开放式系统通常只用于光自养藻类，密闭式系统可用于光自养和兼养藻类，而发酵罐系统用来培养可异养的藻类。如表1，对三种培养系统的各自特点进行了罗列。
表1. 不同微藻生产系统的比较
（1）开放式系统
开放系统（如圆池、跑道池池、敞口水箱、湖等）是最粗放的培养系统，依靠阳光作为唯一光源。开放系统最大的优势是造价低廉且运行简单。但是只有有限几种微藻可以在开发式培养系统中养殖生产，比如螺旋藻和小球藻，这些微藻通常具有克制其他微藻繁殖的特征。
图6. 福清新大泽公司位于海南儋州的螺旋藻养殖基地（跑道池）
图7. 东莞绿安奇公司位于广东河源的小球藻养殖基地（圆池）
开放式培养系统的劣势也非常明显，如养殖过程和周边环境的可控性差，因此容易受到污染，生物量难以达到高密度等，产率低且不稳定，成本高。
（2）封闭式光生物反应器
封闭式培养系统能够降低养殖中污染的风险而提高生产的成功率，另外，养殖过程能够得到严密的检测和控制。目前得到应用的密闭式反应器有管道、平板式反应器和气升系统。
使用密闭式系统，能提高光利用效率和细胞密度，从而提高产率。但通常具有单位体积小，建设成本高，运行能耗高等问题。
就目前的技术而言，投资成本和运行成本过大限制了该系统的广泛应用，仅生产高值产物的藻类得以利用此类系统并得到推广，如利用管道式反应器生产含虾青素的雨生红球藻（云南爱生行等）。
图8. 云南石林爱生行公司雨生红球藻养殖基地（管道式）
（3）发酵系统与可异养微藻
发酵系统应用于可异养培养的微藻生产。此系统最初开发应用于细菌和酵母等微生物的生产，多年的发展已经使得此系统非常的完善，在世界范围内的应用非常广泛，规模巨大。异养系统的优势在于制造和运行技术成熟，可推广应用至所有可异养的种类，不需要光，系统集成度高，无地域限制，土地需求小。但发酵系统在微藻中的应用也存在一些劣势，如仅有少部分微藻种类（如小球藻、寇氏隐甲藻）能够进行异养，运行中依然存在染菌问题，微藻对有机物的耐受浓度低，容易受到抑制，异养条件下，藻类的细胞组分发生变化，尤其是一些需要有光存在的条件下才能富集的物质含量减少（如异养培养的小球藻蛋白含量偏低，且无光导致叶绿素含量明显减少）。
图9. 一张小球藻产品的宣传图片，藻粉颜色绿中带黄，明显为异养发酵生产的小球藻，纯光养的小球藻为墨绿色。
图10. 光语公司研发的实验用管道式微藻光生物反应器
微藻异养技术已经在多种微藻中实现（如表2所列多种可异养微藻种类），甚至已经应用于部分种类的规模化生产。虽然发酵系统一向被认为建设投入大、运行成本高，但在规模达到一定程度后，依然可以将生产成本降低到可接受，甚至会低于光自养的生产成本。
表2. 可异养微藻种类及应用
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说到养殖系统的事，关心的人很多，总在比较这个好还是那个好，未来用什么模式合适之类的。在老俞看来，没这个好那个好的问题，就是个合适不合适的问题。往大了说，涉及到资源和目标关系，站国家角度可能更看中资源的利用效率，站个人和企业的角度就要考虑成本和收益，个体户、小企业和大企业各自的立足点也不同，所以采用哪种模式，真的没法一言而定。如澳大利亚养殖盐藻，有大片的天然盐湖可以利用，产率低含量低都不算个事；而以色列的盐藻养殖就得去修跑道池；以色列和云南的红球藻利用管道养殖，而日本富士甚至有采用室内人工光源的反应器；如管道培养的小球藻相对质量稳定，即使成本高，却有充足的理由喊高价。
所以在说哪种系统好，或者合适之前，先回答以下一些问题：要开发哪个藻种？该藻种有什么生物学特性？产品准备用于开发什么产品，卖给哪个客户人群？总市场容量有多少？打算占有多少市场容量？技术门槛和资金门槛准备提到多高？准备在行业内做最大还是最强？手头钱多地少，还是有现成的大片土地？水电资源及原料是否丰富？有没有可靠的技术团队作为支撑等等。
俞建中
2017年01月22日
俞建中博士系列藻类科普文章链接：
光语带你认识微藻 第一篇——什么是微藻
光语带你认识微藻 第二篇——微藻的商业化开发和应用
光语带你认识微藻 第三篇——微藻培养简介
光语带你认识微藻 第四篇——紫球藻
光语带你认识微藻 第五篇——雨生红球藻
光语带你认识微藻 第六篇——虾青素与其功效
光语带你认识微藻 第七篇——盐藻与β-胡萝卜素
光语带你认识微藻 第八篇——地木耳、发菜和葛仙米
光语带你认识微藻 第九篇——微藻与不饱和脂肪酸
光语带你认识微藻 第十篇——裸藻（Euglena）
光语带你认识微藻 第十一篇——螺旋藻（一）
光语带你认识微藻 第十二篇—— 小球藻
