殼聚糖改性凹凸棒土絮凝小球藻的研究

張紅兵，李俊磊

(河北經貿大學 生物科學與工程學院,河北 石家莊 050061)

微藻是制備生物柴油的優質原料，其表面帶有負電荷，在水中易形成穩定的懸浮體系，導致收集較為困難。絮凝法采收微藻具有效率較高、適用范圍廣、成本較低的優點，逐漸成為微藻工業化開發利用的熱點。殼聚糖是一種較為理想的藻類絮凝劑，表面含有大量氨基，在酸性環境下呈陽離子性質，能與微藻發生電中和，形成微小藻團并緩慢沉降[1]。對比氯化鐵、氯化鋁等金屬鹽類絮凝劑，殼聚糖無毒易降解，不影響后續產品的加工，但沉降效率較低，往往需要與離心法和過濾法聯用。

為了提高微藻采收效率、縮短收獲時間，本研究利用殼聚糖與凹凸棒土制備改性絮凝劑，研究殼聚糖與凹凸棒土比例、pH、絮凝劑投加量和沉降時間對絮凝劑絮凝性能的影響，并探究其絮凝機理，為微藻采收提供參考。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

小球藻(本實驗組篩選保存)，凹凸棒土(工業品，200目)，殼聚糖(BR，脫乙酰度80.0%～95.0%)，其余試劑均為分析純。

FA1004電子天平;LDZX-50KBS立式壓力蒸汽滅菌器;UV-2500紫外可見光分光光度計;pH-3 CpH計;PQX生化培養箱;Zetasizer Nano ZS 90納米粒徑電位分析儀;EVO18掃描電子顯微鏡。

1.2 絮凝劑的制備

凹凸棒土的酸化預處理：取適量凹凸棒土，用足量的鹽酸溶液(2 mol/L)對凹凸棒土進行酸化處理，攪拌過夜，過濾，用蒸餾水淋洗過濾物，直至濾液呈中性，80 ℃烘箱中烘干至恒重，研磨過200目篩，備用。

取3 g殼聚糖、50 mL(1 mol/L)的鹽酸溶液加入至100 mL燒杯中，室溫攪拌至完全溶解后，各組按設定的殼聚糖與凹凸棒土質量比(1∶2，1∶4，1∶6，1∶8，1∶10，1∶12)分別添加凹凸棒土，室溫下攪拌24 h， 于80 ℃烘箱中烘干至恒重，研磨過200目篩，制得不同質量比的殼聚糖改性凹凸棒土。

1.3 小球藻的培養

BG11培養基成分(g/L)：NaNO3，1.50；Na2CO3，0.02；K2HPO4·3H2O，0.04；MgSO4·7H2O，0.075；CaCl2，0.027 2；EDTA-Na2，0.001；檸檬酸，0.006；檸檬酸鐵銨，0.006；微量元素母液，1 mL。其中微量元素母液成分(g/L)：CuSO4·5H2O，0.08；MnCl2·4H2O，1.86；ZnSO4·7H2O，0.22；H3BO3，2.86；Na2MoO4·2H2O，0.39；Co(NO3)2·6H2O，0.05。121 ℃滅菌20 min，冷卻至室溫備用。

小球藻的培養條件：BG11培養基，pH為7，接種量10%，25 ℃、8000lux下全光照培養，以OD680值來間接測定小球藻的生物量，選用對數生長中后期的小球藻稀釋至吸光值為0.100(細胞密度約為2.1×106個/mL)用于實驗。

1.4 實驗方法

參考楊磊、張高科、湯丹丹等[2]與李凱、劉漢湖、周子森[3]去除銅綠微囊藻的絮凝操作與絮凝率計算方法，取1.3節中稀釋后的藻液300～500 mL錐形瓶中，調節pH并投加絮凝劑，300 r/min攪拌2 min， 150 r/min攪拌5 min，靜置后在設定時間取液面下2 cm處的藻液測OD680值，重復3次，絮凝率計算公式如下：

絮凝率=(原微藻吸光值-絮凝后液面下2 cm吸光值)/原微藻吸光值×100%

1.5 樣品的表征

用掃描電鏡對凹凸棒土、改性后的凹凸棒土(絮凝劑)和絮體進行表征。使用納米粒徑電位分析儀測定pH 5下OD680值為0.100的藻液、0.5 g/L的殼聚糖與凹凸棒土質量比為1∶2的殼聚糖改性凹凸棒土和向OD680值為0.100的藻液中投加0.5 g/L殼聚糖改性凹凸棒土獲得的絮體的Zeta電位值。

2 結果與討論

2.1 殼聚糖與凹凸棒土比例對絮凝效果的影響

根據預實驗結果，用1 mol/L的HCl溶液和NaOH溶液調節500 mL藻液pH至6，分別投加0.5 g/L 的殼聚糖、凹凸棒土和不同比例的殼聚糖改性凹凸棒土，攪拌、靜置、測定2 h和24 h的絮凝率。實驗結果見圖1，數據表明，殼聚糖改性能夠明顯提高凹凸棒土對小球藻的絮凝性能和沉降效率，殼聚糖和凹凸棒土的最佳質量比為1∶2，2，24 h的絮凝率從凹凸棒土的5%，11%增加至53%，73%。隨著質量比的減小，改性絮凝劑的2 h和24 h絮凝率逐漸減小并趨于穩定，但24 h絮凝率也均超過了58%，對比凹凸棒土的11%提升顯著，但低于殼聚糖的92%。考慮到時間成本，確定1∶2為絮凝劑中殼聚糖和凹凸棒土的最佳質量比。

圖1 不同比例殼聚糖改性凹凸棒土對絮凝率的影響

2.2 pH對絮凝效果的影響

見圖2，pH對絮凝劑的性能影響較大，絮凝劑使用的最佳pH為5。實驗結果顯示，pH為4.0，5.0時，絮凝劑的絮凝效率較高，2 h絮凝率分別為88.7%，89.0%，24 h絮凝率分別為91.7%，88.1%，殼聚糖中豐富的氨基在酸性弱酸性條件下被質子化，使絮凝劑表面呈陽離子性質，與小球藻發生電中和使其脫穩沉降；pH為3.0時有所下降，可能是強酸性條件下殼聚糖溶解，導致絮凝效率降低；pH為7.0～9.0時，氨基呈非離子或弱負電性，不利于絮凝劑對小球藻的網捕；pH為10時，絮凝率提高，可能是由于培養基中的Ca2+在堿性條件下生成Ca(OH)2，促進了小球藻的沉降[4]。

圖2 不同pH對絮凝率的影響

2.3 絮凝劑投加量和沉降時間對絮凝效果的影響

絮凝劑的絮凝效果通常會隨著絮凝劑用量的增加和絮凝時間的增長而增強，當絮凝劑的用量和絮凝時間達到一定值時，出現最大值，此時進一步增加絮凝劑用量和延長絮凝時間，提升絮凝效果不明顯，有時還會有所下降。由圖2可知，改性凹凸棒土的投加量﹤0.5 g/L時，絮凝率隨投加量增加而增加，當投加量﹥0.5 g/L時，絮凝效果變化不明顯。隨著沉降時間的增加，絮凝率不斷增大，在2 h左右達到平衡。低于0.5 g/L投加量的實驗組受沉降時間影響顯著，24 h的絮凝率均高于1.5～2.5 h；投加量≥0.5 g/L的實驗組，其絮凝率在2 h時達到最大值并基本不再隨沉降時間延長而變化。因此，最終確定0.5 g/L和2 h為最佳投加量與沉降時間。

圖3 不同絮凝劑投加量與沉降時間對絮凝率的影響

2.4 Zeta電位測定

分散體系的穩定性常用Zeta電位進行檢測，兩者的關系見表1[5]。

表1 Zeta電位值與膠體穩定性的關系

檢測數據顯示，藻液的電位值為(-10.7±2.295) mV，在pH 5的環境下帶負電荷，參照表1中Zeta電位值與膠體穩定性的關系，體系在此狀態下較為不穩定，實際觀察發現，小球藻在靜置培養4～7 d后能夠緩慢沉降，但輕輕晃動后易恢復到重懸浮狀態，這與檢測結果相符；絮凝劑的電位值為(5.39±2.56) mV，這是絮凝劑中的氨基在酸性條件下帶正電荷，使絮凝劑呈陽離子性質，能夠與小球藻作用形成絮體；絮體電位值為(-0.225±3.775)mV，在此狀態下體系易快速凝結或凝聚，因此絮凝劑與微藻結合較為緊密，與觀測結果一致。

2.5 掃描電鏡表征

見圖4，圖A、B分別是凹凸棒土和絮凝劑的SEM圖，在2 μm尺度下，凹凸棒土呈疏松多孔的結構，表面分布大量孔隙，具有較大的表面積，經酸化、殼聚糖改性制成絮凝劑后，空隙數量和大小較改性前增加，說明改性能夠增加凹凸棒土表面積，有利于捕獲小球藻。圖C是絮體的SEM圖，可以看出絮凝劑表面吸附了大量小球藻，且兩者結合較為緊密。

圖4 掃描電鏡圖

3 結論

微藻采收效率與運作成本直接影響能源微藻的生產周期與產品競爭力。實驗結果表明，殼聚糖改性凹凸棒土能夠破壞小球藻穩定的分散狀態，并利用電中和作用將小球藻吸附，所得絮體緊密、不易重懸浮，在殼聚糖和凹凸棒土質量比為1∶2，pH為5，投加量為0.5 g/L的條件下，2 h時的絮凝率可達88.7%，具備一定的應用潛力。