随着化石燃料的短缺和二氧化碳减排的迫切性,微藻生物质能源产业化的发展备受关注。微藻培养是微藻生物质能源产业化中的重要环节,且高油脂产率是微藻培养的核心目标。高油脂产率微藻培养工艺优化与放大的研究成为近些年的研究热点,但文献结果大多以室内研究为主,即使涉及户外培养但其规模也很小。小球藻是淡水能源微藻中的主要藻种,但对其高产油脂光自养培养工艺优化和放大方面的研究很少。本文主要以小球藻(Chlorella sp.)为研究对象,考察了营养方式、昼夜温度、pH值、营养盐浓度、培养模式等条件对油脂产率的影响,建立了“异养种子-光自养培养”新模式,获得了高产油脂蛋白核小球藻的光自养培养基,并建立了室内高油脂产率小球藻的培养工艺。结合室内培养工艺,建立了户外0.35m2敞开式反应器中的小球藻光自养培养工艺并对其进行了优化。将种子制备工艺从5L摇瓶放大到500L发酵罐,为户外大规模光自养培养提供了充足的种子。此外,还将户外光自养培养规模从0.35m2反应器成功放大到80m2水泥跑道池。本文主要研究结论如下：(1)建立了小球藻“异养种子-光自养培养”新模式(以异养细胞作为种子进行光自养培养)。考虑到能源微藻光自养接种时,由于种子自养培养存在耗时长、易被杂藻和原生动物污染等缺点从而难以提供充足且稳定的藻种,本文首次建立了小球藻“异养种子-光自养培养”的新模式。对于蛋白核小球藻而言,藻种制备过程中异养培养的细胞产率是自养培养的20.9倍；“异养种子-光自养培养”模式下的油脂产率是“自养种子-光自养培养”(以自养细胞作为种子进行光自养培养)的1.59倍；且该模式下的脂肪酸组成主要以2-3个双键且碳链长度在16-18之间的脂肪酸为主,十分适合作为生产生物燃料的原料。此外,该模式还适用于椭圆小球藻和普通小球藻：该模式下椭圆小球藻和普通小球藻的油脂产率分别是“自养种子-光自养培养”模式下的1.52倍和1.58倍。(2)通过筛选及优化获得了适合室内和户外生长的小球藻光自养培养基。结果表明,在室内及户外3L平板式反应器中,小球藻在优化后培养基中的油脂产率分别是初始培养基中的1.61和1.67倍；在户外0.35m2敞开式反应器中,小球藻在优化后培养基中的油脂产率是初始培养基中的1.33倍。(3)白昼温度对油脂产率影响显著。由于户外培养时存在昼夜的变化,夜晚藻细胞密度和油脂含量的下降导致了油脂产率的降低。因此,在一定光暗周期下考察温度与藻细胞密度、油脂含量和脂肪酸组成的变化规律是十分重要的。研究结果表明,30℃是小球藻光自养培养的最适温度。夜晚藻细胞损失会随着白天温度的升高或夜晚温度的降低而下降；夜晚油脂含量的增幅则会随着白天温度的升高或夜晚温度的降低而增加。此外,在任何温度下,随着培养时间的延长(生物量增加),夜晚细胞损失也会逐渐减小：在6种主要的脂肪酸中C16：0含量最高且最易受温度的影响,其值随着温度的升高而增加。(4)在室内建立了基于CO2控制最佳pH及氮胁迫的半连续光自养培养工艺。在分批培养过程中通CO2调节藻液pH值在7.0±0.2时可以提高细胞的油脂产率：在该条件下的油脂产率是分批培养过程中不控pH处理的2.64倍。细胞在适度氮胁迫条件下培养时有利于提高油脂产率。初始硝酸钠浓度为200mg/L处理的油脂含量高达38.7%,是初始硝酸钠浓度为500mg/L处理的1.25倍。此外,在相同的培养条件下,半连续培养方式下的油脂产率是分批培养的1.47倍。因此,在半连续培养过程中结合通CO2进行pH调控及氮胁迫的培养策略可以明显提高油脂产率；而且在每隔24小时带放1/3体积藻液的半连续培养操作时的油脂产率最高,其值是分批培养中不控pH和不限氮条件下的3.64倍。(5)在户外0.35m2敞开式反应器中建立了蛋白核小球藻光自养培养工艺。结果表明,培养过程中的最佳pH值为7.0±0.2且发酵尾气可代替纯CO2进行pH调控以及作为碳源：白天时最佳通气量为0.5vvm,夜晚则不通气最好；最佳的液位深度和初始接种密度分别为14cm和0.3g/L。结合室内培养工艺,进一步优化户外培养工艺：当户外温度较低时(最高温度小于30℃),提高白天培养温度使其值在30-36℃,小球藻的油脂产率可提高81%；在户外相同培养条件下,小球藻在半连续培养方式下的油脂产率是分批培养时的1.85倍。(6)将种子制备工艺从5L摇瓶成功放大到50L和500L发酵罐,为户外放大提供了充足的藻种。首次将“异养种子-光自养培养”模式应用于蛋白核小球藻户外大规模培养,并将培养工艺逐步放大到了80m2水泥跑道池,该培养规模下的油脂产率高达46.4mg/L/d (5.22g/m2/d),是目前文献报道的最大规模及最高油脂产率。上述研究结果不仅为高油脂产率小球藻培养的产业化奠定了基础,而且还对其他能源微藻的培养研究具有重要的参考价值。