張晉陽(yáng)　王慧嶺　滕杰　羅建濤　白雪梅 耿金峰

摘要 [目的]研究微藻低成本采收工藝。[方法]通過(guò)對(duì)微藻表面電荷與細(xì)胞自絮凝關(guān)系的研究，獲得細(xì)胞自絮凝的機(jī)理。明確pH、微藻養(yǎng)殖深度、微藻細(xì)胞濃度和日輻射量對(duì)微藻細(xì)胞表面的影響，分析影響試驗(yàn)結(jié)果的主要因素，總結(jié)出微藻自絮凝條件。 [結(jié)果]在750 nm處吸光度（OD750nm）大于5.0、液層深度2 cm、日輻射量16.2～28.1 MJ/（m2·d）時(shí)， 3～5 h均可實(shí)現(xiàn)自絮凝沉降，沉降率均在75%以上。[結(jié)論]該研究可為微藻低成本自絮凝采收提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞 微藻；自絮凝；采收；影響因素；沉降率

中圖分類號(hào) S181 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A 文章編號(hào) 0517-6611（2018）18-0057-02

Study on Selfflocculation Harvesting Technology of Microalgae

ZHANG Jinyang，WANG Huiling， TENG Jie et al （ENN Science & Technology Development Co.， Ltd.State Key Laboratory of Coalbased Low Carbon Energy，Langfang，Hebei 065001）

Abstract [Objective] The research aimed to study the process of microalgae harvesting at low cost.[Method] The relationship between cell surface charge and cell aggregation was studied， and the mechanism of microalgal cell aggregation was obtained.The effects of pH， microalgae culture depth， microalgal cell concentration and daily radiation on the surface charge of microalgae were determined.By analyzing the main factors affecting the experimental results， the flocculating conditions of microalgae were summarized.[Result] When OD750nm was greater than 5， the depth of liquid layer was 2 cm， and the daily radiation was 16.2-28.1 MJ/（m2·d）， the cell aggregation and sedimentation occurred after the reaction time was 3-5 hours.The settlement rate was above 75%. [Conclusion] This study can provide a theoretical basis for low cost harvesting of microalgae.

Key words Microalgae；Selfflocculation；Harvesting；Influence factors；Sedimentation rate

利用微藻生產(chǎn)生物柴油具有重要的經(jīng)濟(jì)意義，但由于微藻細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程中的固有特性（個(gè)體微小、細(xì)胞密度低、細(xì)胞表面帶負(fù)電荷），個(gè)體在培養(yǎng)液中均勻地分散懸浮，形成了穩(wěn)定的分散體系，采收難度很大[1]。因此，將微藻與培養(yǎng)液分離成為利用微藻生產(chǎn)生物柴油的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，尤其是對(duì)于工業(yè)規(guī)模的微藻養(yǎng)殖，從藻液中采收微藻一直是個(gè)瓶頸。有資料表明，微藻采收的成本占微藻生產(chǎn)總成本（包括培養(yǎng)和采收）的20%～30%[2]，有的甚至高達(dá)50%[3]；特別是在燃油工業(yè)方面，目前以微藻為原料的生物柴油生產(chǎn)成本極高，而采收是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，在微藻采收、脫水和干燥作業(yè)上可節(jié)省大量的費(fèi)用。因此，改進(jìn)微藻細(xì)胞生物量的采收和分離，尋求一種高效率、低成本的采收方法具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。

由于微藻及其培養(yǎng)液的特殊性，傳統(tǒng)的固液分離技術(shù)都無(wú)法直接用于微藻采收，個(gè)體過(guò)于微小的微藻及其分泌的有機(jī)物會(huì)導(dǎo)致濾膜堵塞而使過(guò)濾失效；穩(wěn)定的藻液懸浮體系無(wú)法自然沉降；而藻液的低濃度則使動(dòng)力離心效率較低、成本極高[4]。因此，國(guó)內(nèi)外針對(duì)微藻的采收一般都先對(duì)藻液進(jìn)行預(yù)處理，而后再進(jìn)行富集分離。

藻類和微生物細(xì)胞表層是由一些多羥基的有機(jī)酸或糖類組成的，這些組分在水中易發(fā)生離解，從而使細(xì)胞表面帶有一定量的電荷[5-6]。在某些特定的 pH 或離子條件下，細(xì)胞表面的凈電荷將減少甚至為零（可稱之為“細(xì)胞等電點(diǎn)”），此時(shí)細(xì)胞將發(fā)生團(tuán)結(jié)并沉淀的現(xiàn)象，稱之為自絮凝[7]。微藻可在不添加化學(xué)絮凝劑的情況下達(dá)到采收目的，安全性高，同時(shí)該工藝也可較直接離心法能耗大幅度降低[8]。筆者針對(duì)微藻出現(xiàn)的自絮凝現(xiàn)象，通過(guò)微藻凝機(jī)理及Zeta電位分布情況與環(huán)境pH、液層深度、日輻射量、藻液濃度等條件對(duì)其微藻形成絮凝的影響，得到微藻細(xì)胞絮凝所需較為適宜的環(huán)境條件，為確定微藻自絮凝采收新工藝提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 藻種。眼點(diǎn)擬微綠球藻藻種由新奧科技發(fā)展有限公司藻種庫(kù)提供。新奧科技發(fā)展有限公司自建180 m2跑道池式光生物反應(yīng)器，光照為自然光源，溫度為25～35 ℃，通入10%二氧化碳與空氣混合氣體培養(yǎng)。

1.1.2 儀器設(shè)備。PHS-2F型pH計(jì)（上海精密科學(xué)儀器有限公司）；UV2550型紫外分光光度計(jì)（日本島津公司）；激光粒度Zeta電位儀（Nano Zetasizer Series，MALVERN）。

1.1.3 試劑。1 mol/L NaOH溶液：稱取40 g NaOH，于1 000 mL容量瓶，加水至刻度，均勻待用。1 mol/L鹽酸溶液：量取38%鹽酸87.72 mL于1 000 mL容量瓶中，加水至刻度，均勻待用。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 環(huán)境pH對(duì)微藻自絮凝沉降率的影響。分別取30 mL眼點(diǎn)擬微綠球藻培養(yǎng)液置于50 mL離心管，添加不同劑量1 mol/L 鹽酸溶液分別調(diào)整pH為2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、6.9；添加不同劑量1 mol/L NaOH溶液分別調(diào)整pH為8.0、9.0、10.0、11.0、12.0，以上各試驗(yàn)樣品在沉降30 min后對(duì)藻樣進(jìn)行取樣（上端近1/3處），使用紫外分光光度計(jì)測(cè)量上層液750 nm處的吸光度（OD750 nm），計(jì)算微藻沉降率，繪制pH-微藻沉降率散點(diǎn)圖。

1.2.2 環(huán)境pH對(duì)微藻表面電荷的影響。

在眼點(diǎn)擬微綠球藻培養(yǎng)液中加入不同劑量的1 mol/L NaOH溶液、1 mol/L鹽酸溶液，改變?cè)逡簆H，分別制備得到pH為7.01、10.05、10.28、10.31的微藻樣品。使用移液槍移取1 mL各待測(cè)微藻樣品，加入到與激光粒度Zeta電位儀相配套的電極中，樣品沒(méi)過(guò)電極的銅片，放入儀器，進(jìn)行電位檢測(cè)，記錄數(shù)值，繪制pH-微藻細(xì)胞表面Zeta Potential（mV）值散點(diǎn)圖。

1.2.3 液層深度對(duì)微藻自絮凝沉降率的影響。取OD750nm=8.8 的微藻液于各容器內(nèi)，液層深度分別設(shè)置為2、3、4、5 cm，每隔1 h對(duì)各試驗(yàn)組進(jìn)行pH監(jiān)測(cè)及光照強(qiáng)度、藻液溫度測(cè)量，定時(shí)觀察各試驗(yàn)組藻樣變化情況。使用紫外分光光度計(jì)測(cè)量上層液OD750nm，計(jì)算微藻沉降率。

1.2.4 日輻射量對(duì)微藻自絮凝沉降率的影響。取OD750nm=10.0微藻液于各容器內(nèi)，日輻射量分別為12.1、18.4、28.1 MJ/（m2·d），各試驗(yàn)組液層深度均為2 cm，每隔1 h對(duì)各試驗(yàn)組進(jìn)行pH監(jiān)測(cè)及光照強(qiáng)度、藻液溫度測(cè)量，定時(shí)觀察各試驗(yàn)組藻樣變化情況。使用紫外分光光度計(jì)測(cè)量上層液OD750nm，計(jì)算微藻沉降率。

1.2.5 藻液濃度對(duì)沉降率的影響。取OD750nm分別為5.0、11.7、22.1、32.4的微藻液于各容器內(nèi)，各試驗(yàn)組液層深度均為 2 cm，每隔1 h對(duì)各試驗(yàn)組進(jìn)行pH監(jiān)測(cè)及光照強(qiáng)度、藻液溫度測(cè)量，定時(shí)觀察各試驗(yàn)組藻樣變化情況。使用紫外分光光度計(jì)測(cè)量上層液OD750nm，計(jì)算微藻沉降率。

1.3 計(jì)算方法 沉降率可以通過(guò)下列公式計(jì)算：

沉降率=（1-a/b）×100%

式中，a為取上層液的OD750nm；b為采收前樣品的OD750nm。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境pH對(duì)沉降率的影響

從圖1可看出，微藻細(xì)胞在酸性條件下未觀察到明顯絮凝、基本不沉降，但在pH=10.0附近出現(xiàn)快速絮凝并沉降，靜置30 min后沉降率達(dá)到90.5%。

2.2 環(huán)境pH對(duì)微藻表面電荷的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著藻液pH的上升，細(xì)胞表面的負(fù)電荷逐漸降低，當(dāng)pH上升至10.3附近時(shí)，微藻細(xì)胞表面電荷趨于“零電荷”，藻液由均一的穩(wěn)定相變?yōu)椴痪坏姆欠€(wěn)定相，此時(shí)藻細(xì)胞發(fā)生絮凝。

2.3 液層深度對(duì)沉降率的影響 在未加絮凝劑、攪拌的條件下，液層深度設(shè)置為2、3、4、5 cm，其中液層深度為2 cm的試驗(yàn)組其pH均較其余3組提前達(dá)到高pH環(huán)境，2 cm試驗(yàn)組藻樣出現(xiàn)絮凝現(xiàn)象并在該高pH環(huán)境持續(xù)1 h以上發(fā)生沉降，結(jié)果如圖2所示。

2.4 日輻射量對(duì)沉降率的影響

從圖3、4可看出，在微藻絮凝所需環(huán)境條件方面，18.4、28.1 MJ/（m2·d）試驗(yàn)組環(huán)境pH上升趨勢(shì)基本一致且均在3 h后達(dá)到絮凝所需環(huán)境條件，12.1 MJ/（m2·d）試驗(yàn)組較其他試驗(yàn)組推遲1 h到達(dá)微藻絮凝所需環(huán)境條件pH，各試驗(yàn)組均維持此條件約1 h后開(kāi)始出現(xiàn)絮凝沉降；在沉降率方面，12.1、18.4、28.1 MJ/（m2·d）各試驗(yàn)組均出現(xiàn)微藻細(xì)胞絮凝沉降條件且沉降率分別為93.8%、95.8%、98.8%。因此，OD750nm =10.0微藻待采收液在日輻射量12.1～28.1 MJ/（m2·d）條件下3～5 h均可到達(dá)微藻絮凝所需環(huán)境條件pH且維持此條件約1 h后開(kāi)始出現(xiàn)絮凝沉降，微藻絮凝沉降率為93.8%～98.8%。

2.5 藻液濃度對(duì)沉降率的影響

從圖5可看出，OD750nm=5.0藻液的pH上升緩慢，4 h的沉降率僅5%，8 h后達(dá)到76%；OD750nm大于11.0的高濃度藻液的pH均上升迅速，4 h的沉降率達(dá)到84%以上，8 h后超過(guò)96%。由此可知，藻液濃度顯著影響藻液pH的上升速度和沉降率。在相同的光照條件下，隨著藻液濃度的增加，微藻細(xì)胞進(jìn)行光合作用消耗CO2的速度加快，使藻液pH快速上升至微藻絮凝所需pH的時(shí)間縮短。

3 小結(jié)與討論

微藻在酸性條件下基本無(wú)沉降性能，在環(huán)境pH至10.0附近其微藻細(xì)胞出現(xiàn)絮凝現(xiàn)象，微藻細(xì)胞表面電荷趨于“零”電荷，藻液由均一的穩(wěn)定相變?yōu)椴痪坏姆欠€(wěn)定相。

當(dāng)OD750nm大于5.0、液層深度2 cm、日輻射量16.2 ～28.1 MJ/（m2·d） 時(shí)，各試驗(yàn)組3～5 h均可到達(dá)微藻絮凝所需

環(huán)境條件pH，其各試驗(yàn)組微藻絮凝沉降率均在75%以上。

微藻自絮凝采收技術(shù)是微藻采收將來(lái)較為理想的潛在應(yīng)用技術(shù)，該技術(shù)無(wú)需添加任何化學(xué)絮凝劑、回收效率高并且對(duì)清液回用繼續(xù)培養(yǎng)微藻無(wú)任何危害；在采收成本方面占有較大優(yōu)勢(shì)，以0.7 g/L微藻采收生物量為例，該法比現(xiàn)有微藻采收成本降幅達(dá)70%；但仍有一些技術(shù)工藝、工程放大等方面的問(wèn)題需要解決，例如微藻經(jīng)自絮凝達(dá)到所需絮凝條件值耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)；將產(chǎn)生的微藻絮體與清液分離后，得到的微藻濃縮液仍存有大量水分，需要使用固液分離設(shè)備進(jìn)一步將濃度進(jìn)行提升等。

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