微藻自絮凝采收工藝研究

張晉陽　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]通過對微藻表面電荷與細胞自絮凝關系的研究，獲得細胞自絮凝的機理。明確pH、微藻養殖深度、微藻細胞濃度和日輻射量對微藻細胞表面的影響，分析影響試驗結果的主要因素，總結出微藻自絮凝條件。 [結果]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， 3～5 h均可實現自絮凝沉降，沉降率均在75%以上。[結論]該研究可為微藻低成本自絮凝采收提供理論依據。

關鍵詞 微藻；自絮凝；采收；影響因素；沉降率

中圖分類號 S181 文獻標識碼

A 文章編號 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

利用微藻生產生物柴油具有重要的經濟意義，但由于微藻細胞培養過程中的固有特性（個體微小、細胞密度低、細胞表面帶負電荷），個體在培養液中均勻地分散懸浮，形成了穩定的分散體系，采收難度很大[1]。因此，將微藻與培養液分離成為利用微藻生產生物柴油的一個重要環節，尤其是對于工業規模的微藻養殖，從藻液中采收微藻一直是個瓶頸。有資料表明，微藻采收的成本占微藻生產總成本（包括培養和采收）的20%～30%[2]，有的甚至高達50%[3]；特別是在燃油工業方面，目前以微藻為原料的生物柴油生產成本極高，而采收是一個重要的環節，在微藻采收、脫水和干燥作業上可節省大量的費用。因此，改進微藻細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濟意義。

由于微藻及其培養液的特殊性，傳統的固液分離技術都無法直接用于微藻采收，個體過于微小的微藻及其分泌的有機物會導致濾膜堵塞而使過濾失效；穩定的藻液懸浮體系無法自然沉降；而藻液的低濃度則使動力離心效率較低、成本極高[4]。因此，國內外針對微藻的采收一般都先對藻液進行預處理，而后再進行富集分離。

藻類和微生物細胞表層是由一些多羥基的有機酸或糖類組成的，這些組分在水中易發生離解，從而使細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，細胞表面的凈電荷將減少甚至為零（可稱之為“細胞等電點”），此時細胞將發生團結并沉淀的現象，稱之為自絮凝[7]。微藻可在不添加化學絮凝劑的情況下達到采收目的，安全性高，同時該工藝也可較直接離心法能耗大幅度降低[8]。筆者針對微藻出現的自絮凝現象，通過微藻凝機理及Zeta電位分布情況與環境pH、液層深度、日輻射量、藻液濃度等條件對其微藻形成絮凝的影響，得到微藻細胞絮凝所需較為適宜的環境條件，為確定微藻自絮凝采收新工藝提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 藻種。眼點擬微綠球藻藻種由新奧科技發展有限公司藻種庫提供。新奧科技發展有限公司自建180 m2跑道池式光生物反應器，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。

1.1.2 儀器設備。PHS-2F型pH計（上海精密科學儀器有限公司）；UV2550型紫外分光光度計（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 試驗方法

1.2.1 環境pH對微藻自絮凝沉降率的影響。分別取30 mL眼點擬微綠球藻培養液置于50 mL離心管，添加不同劑量1 mol/L 鹽酸溶液分別調整pH為2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、6.9；添加不同劑量1 mol/L NaOH溶液分別調整pH為8.0、9.0、10.0、11.0、12.0，以上各試驗樣品在沉降30 min后對藻樣進行取樣（上端近1/3處），使用紫外分光光度計測量上層液750 nm處的吸光度（OD750 nm），計算微藻沉降率，繪制pH-微藻沉降率散點圖。

1.2.2 環境pH對微藻表面電荷的影響。

在眼點擬微綠球藻培養液中加入不同劑量的1 mol/L NaOH溶液、1 mol/L鹽酸溶液，改變藻液pH，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，樣品沒過電極的銅片，放入儀器，進行電位檢測，記錄數值，繪制pH-微藻細胞表面Zeta Potential（mV）值散點圖。

1.2.3 液層深度對微藻自絮凝沉降率的影響。取OD750nm=8.8 的微藻液于各容器內，液層深度分別設置為2、3、4、5 cm，每隔1 h對各試驗組進行pH監測及光照強度、藻液溫度測量，定時觀察各試驗組藻樣變化情況。使用紫外分光光度計測量上層液OD750nm，計算微藻沉降率。

1.2.4 日輻射量對微藻自絮凝沉降率的影響。取OD750nm=10.0微藻液于各容器內，日輻射量分別為12.1、18.4、28.1 MJ/（m2·d），各試驗組液層深度均為2 cm，每隔1 h對各試驗組進行pH監測及光照強度、藻液溫度測量，定時觀察各試驗組藻樣變化情況。使用紫外分光光度計測量上層液OD750nm，計算微藻沉降率。

1.2.5 藻液濃度對沉降率的影響。取OD750nm分別為5.0、11.7、22.1、32.4的微藻液于各容器內，各試驗組液層深度均為 2 cm，每隔1 h對各試驗組進行pH監測及光照強度、藻液溫度測量，定時觀察各試驗組藻樣變化情況。使用紫外分光光度計測量上層液OD750nm，計算微藻沉降率。

1.3 計算方法 沉降率可以通過下列公式計算：

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 結果與分析

2.1 環境pH對沉降率的影響

從圖1可看出，微藻細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附近出現快速絮凝并沉降，靜置30 min后沉降率達到90.5%。

2.2 環境pH對微藻表面電荷的影響

試驗結果表明，隨著藻液pH的上升，細胞表面的負電荷逐漸降低，當pH上升至10.3附近時，微藻細胞表面電荷趨于“零電荷”，藻液由均一的穩定相變為不均一的非穩定相，此時藻細胞發生絮凝。

2.3 液層深度對沉降率的影響 在未加絮凝劑、攪拌的條件下，液層深度設置為2、3、4、5 cm，其中液層深度為2 cm的試驗組其pH均較其余3組提前達到高pH環境，2 cm試驗組藻樣出現絮凝現象并在該高pH環境持續1 h以上發生沉降，結果如圖2所示。

2.4 日輻射量對沉降率的影響

從圖3、4可看出，在微藻絮凝所需環境條件方面，18.4、28.1 MJ/（m2·d）試驗組環境pH上升趨勢基本一致且均在3 h后達到絮凝所需環境條件，12.1 MJ/（m2·d）試驗組較其他試驗組推遲1 h到達微藻絮凝所需環境條件pH，各試驗組均維持此條件約1 h后開始出現絮凝沉降；在沉降率方面，12.1、18.4、28.1 MJ/（m2·d）各試驗組均出現微藻細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均可到達微藻絮凝所需環境條件pH且維持此條件約1 h后開始出現絮凝沉降，微藻絮凝沉降率為93.8%～98.8%。

2.5 藻液濃度對沉降率的影響

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的沉降率達到84%以上，8 h后超過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，微藻細胞進行光合作用消耗CO2的速度加快，使藻液pH快速上升至微藻絮凝所需pH的時間縮短。

3 小結與討論

微藻在酸性條件下基本無沉降性能，在環境pH至10.0附近其微藻細胞出現絮凝現象，微藻細胞表面電荷趨于“零”電荷，藻液由均一的穩定相變為不均一的非穩定相。

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

環境條件pH，其各試驗組微藻絮凝沉降率均在75%以上。

微藻自絮凝采收技術是微藻采收將來較為理想的潛在應用技術，該技術無需添加任何化學絮凝劑、回收效率高并且對清液回用繼續培養微藻無任何危害；在采收成本方面占有較大優勢，以0.7 g/L微藻采收生物量為例，該法比現有微藻采收成本降幅達70%；但仍有一些技術工藝、工程放大等方面的問題需要解決，例如微藻經自絮凝達到所需絮凝條件值耗時過長；將產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備進一步將濃度進行提升等。

參考文獻

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