8种不同絮凝剂对埃氏小球藻絮凝效应的研究

赵奎，王亚君，武振晋，陈通，季春丽，薛金爱，李润植

(山西农业大学分子农业与生物能源研究所，山西 太谷 030801)

8种不同絮凝剂对埃氏小球藻絮凝效应的研究

赵奎，王亚君，武振晋，陈通，季春丽，薛金爱，李润植*

(山西农业大学分子农业与生物能源研究所，山西 太谷 030801)

[目的]建立简易高效收集能源微藻的技术体系。[方法]以埃氏小球藻(Chlorellaemersonii)为目标藻株，选取金属盐类(氯化铁、硫酸铁、氯化铝、硫酸铝钾，)、碱类(氢氧化钠、氢氧化钙)和有机高分子化合物类(聚丙烯酰胺、壳聚糖)为絮凝剂比较分析其在小球藻采收时絮凝效率和相应的絮凝条件。[结果]综合考虑絮凝效果和絮凝剂用量，这8种絮凝剂里硫酸铁、硫酸铝钾，氢氧化钙和氢氧化钠可以有效地絮凝小球藻，具体结果为：静置80 min，硫酸铁浓度为0.3 g·L-1，絮凝效率为95%；硫酸铝钾浓度为0.7 g·L-1，絮凝效率95%；氢氧化钙浓度为0.5 g·L-1，絮凝效率97%；氢氧化钠浓度为0.9 g·L-1，絮凝效率93%。[结论]综合成本、絮凝效率、环境影响等因素，氢氧化钙是最佳的采收小球藻的絮凝剂，其最佳絮凝条件为藻液pH =8，OD680=1.2，搅拌速率150 r·min-1，搅拌时间2 min。

埃氏小球藻;采收；絮凝；絮凝剂；絮凝效率

小球藻是一种光合自养型单细胞淡水藻类，属于绿藻门、小球藻属，是最早出现在地球上的生命之一。小球藻分布范围极其广泛,具有光合效率高、繁殖周期短、抗逆性强等优点[1]。除此之外，小球藻还含有极其丰富的蛋白质、多糖、不饱和脂肪酸、色素和维生素等营养成分，广泛用于食品、保健品和饲料等领域，也因此受到全世界越来越多的关注[2]。近年来，我国先后出现一批小球藻规模化养殖基地，用于以上领域产品的商业化生产。值得注意的是,一些小球藻藻株细胞中可以大量积累油脂，且油脂中脂肪酸类型主要为C16:0和C18:0，与柴油分子中的碳原子数相近[3]，因此小球藻还可用作生产生物柴油的原料，在生物柴油规模化生产中具有巨大优势和发展潜力。然而，成本过高一直是制约微藻生物柴油产业化发展的主要因素。由于小球藻藻体仅有3～8 μm，收集难度较大，从藻液中收集藻体的成本占到小球藻生产总成本的20%～30%[4]。因此，建立高效、低成本的小球藻采收方法是有效降低微藻产业成本的重要途径。

采收微藻的方式中比较常见的有离心、过滤、絮凝、气浮等方法[5]，不同种类的微藻对应不同的采收方法，藻体比较大的如螺旋藻等，宜采用过滤法，而某些藻体较小的饵料藻如小球藻等，大多采用离心的方法[6]。但离心采收不仅成本较高，而且也不适合微藻规模培养后的收获[7]。絮凝沉降法能够浓缩悬浮液，分离操作简便，使后续设备费用降低，是采收微藻尤其是规模采收时的理想方法[8]。目前常用的絮凝剂有金属盐(氯化铁、氯化铝等)、无机高分子聚合物(聚合氯化铝等)、有机高分子聚合物(壳聚糖等)等[9]，但这些絮凝剂对埃氏小球藻絮凝效果和条件还有待研究。

本研究以本实验室筛选获得、含油量较高的埃氏小球藻(Chlorellaemersonii)藻株#33为目标藻株，选取了3类共8种不同类型絮凝剂：金属盐类(氯化铁、硫酸铁、氯化铝、硫酸铝钾)、碱类(氢氧化钙、氢氧化钠)和有机高分子化合物类(壳聚糖、聚丙烯酰胺)，首先考察和比较这几种絮凝剂的浓度和絮凝静置时间对埃氏小球藻的絮凝效应，从而筛选出适合小球藻絮凝的理想絮凝剂，然后对其絮凝条件进一步优化，确立高效采收埃氏小球藻的絮凝工艺条件。本研究可为建立规模化培养小球藻高效低成本采收工艺体系提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 藻种及培养条件

1.1.1 藻种来源

本研究所采用的小球藻种筛选自野外水样，经平板分离所得，纯化培养后经18sRNA鉴定其为埃氏小球藻，是常见的淡水小球藻。

1.1.2 培养条件

试验所用液体培养基为BG11培养基[10]，121 ℃高压灭菌20 min备用。试验用固体培养基为琼脂-BG11培养基，称取适量的琼脂粉添加到液体培养基BG11中，使其质量分数为1.2%，高压灭菌20 min后倒平板备用。

1.2 小球藻的培养

本试验中小球藻的培养方法为：(1)将原藻液稀释1 000倍，取200 μL稀释后的藻液涂布于平板固体培养基上，置于光照培养箱(25 ℃、光强2 000 lx、光暗比12 h∶12 h)中培养。(2)15 d后待长出肉眼可见的绿色藻落后用显微镜进行观察，如藻体有污染需进一步纯化，直到平板中的藻落没有杂藻和细菌等污染时，挑取部分藻落放入装有50 mL已灭菌液体培养基的锥形瓶中，置于光照培养箱(25 ℃、光强4 000 lx、光暗比12 h∶12 h)中培养。(3)培养20 d后取上述锥形瓶中的藻液接种于装有1 L的BG11培养基的蓝盖瓶中，通入含有体积比3% CO2的空气-CO2混合气，置于培养架(光照4 000 lx、光暗比12 h∶12 h)培养，每天定时取样，在680 nm处测定吸光度并绘制生长曲线。

1.3 小球藻的絮凝方法

根据生长曲线和藻液的OD值，取100 mL处于对数期的小球藻藻液，置于100 mL小烧杯中，并加入一定浓度的絮凝剂，在磁力搅拌器上快速搅拌2 min后静置一定时间，待静置结束后用移液枪从溶液中部同一位置吸取适量藻液，测定吸光度值。加入的絮凝剂共有8种，分别为氯化铁、硫酸铁、氯化铝、硫酸铝钾、氢氧化钙、氢氧化钠、壳聚糖和聚丙烯酰胺，每种絮凝剂共设置7个浓度梯度0.1、0.3、0.5、0.7、0.9、1.2、1.5 g· L-1，和7个静置时间梯度5、10、20、30、40、60、80 min。注意：吸取藻液时不能改变位置，动作幅度尽量要小，避免已絮凝的藻体上浮。

1.4 小球藻絮凝效率的计算

根据式(1)计算微藻的絮凝效率[11]。

絮凝效率=(OD1-OD2)/OD1×100%

(1)

式中：OD1为取适量对数期藻液的OD值，OD2为絮凝沉降后的的OD值。

1.5 絮凝条件的优化

1.5.1 藻液pH

用1 mol·L-1的HCl溶液和NaOH溶液调节藻液pH，设定pH为5、6、7、8、9，藻液OD为1.2，加入浓度为0.5 g·L-1的氢氧化钙絮凝，搅拌速率150 r·min-1，搅拌时间2 min，静置80 min观察絮凝情况，计算絮凝效率。

1.5.2 搅拌时间

设定搅拌时间0.5、1、2、4、6 min，加入浓度为0.5 g·L-1的氢氧化钙絮凝，搅拌速率150 r·min-1，pH调节至8，藻液OD为1.2，静置80 min观察絮凝情况。

1.5.3 搅拌速率

设定搅拌速率50、100、150、200、300 r·min-1，加入浓度为0.5 g·L-1的氢氧化钙絮凝，搅拌时间为2 min，pH调至8，藻液OD为1.2，静置80 min观察絮凝情况。

1.5.4 藻液浓度

取原藻液用BG11培养基稀释至不同浓度，测定OD值分别为0.5、0.8、1.2、1.7、2.2，加入浓度为0.5 g·L-1的氢氧化钙絮凝，搅拌速率150 r·min-1，搅拌时间2 min，静置80 min观察絮凝情况。

2 结果与分析

2.1 不同金属盐对小球藻絮凝效应

2.1.1 铁盐对小球藻的絮凝效应

如图1、图2所示，氯化铁浓度在0.1～0.9 g·L-1之间絮凝效果不显著，1.2～1.5 g·L-1絮凝效率增长较为突出，其中氯化铁浓度为1.5 g·L-1，静置80 min达到最大絮凝效率87%；而硫酸铁浓度在0.1～0.9 g·L-1之间絮凝效率随时间增长而增大，在1.2～1.5 g·L-1时，絮凝效率较低，其中硫酸铁浓度达到0.3 g·L-1，静置80 min，达到最大絮凝效率95%。

图1 氯化铁对小球藻絮凝效率的影响Fig.1 Effect of ferric chloride on chlorella flocculation efficiency

图2 硫酸铁对小球藻絮凝效率的影响Fig.2 Effect of ferric sulfate on chlorella flocculation efficiency

这两种铁盐对小球藻均有较显著的絮凝效果，但高浓度的硫酸铁含有更多的Fe3+,大量的阳离子吸附在藻体表面，反而使得絮体相斥，降低了絮凝效率，因此适合小球藻絮凝的铁盐为0.3 g·L-1硫酸铁，絮凝后静置80 min，最大絮凝效率为95%。

2.1.2 铝盐对小球藻的絮凝效应

如图3、图4所示，静置80 min，氯化铝浓度为0.7 g·L-1时，絮凝效率达到最大79%，；硫酸铝钾浓度达到0.5～0.9 g·L-1时，静置80 min絮凝效率随浓度的增加而增大，浓度为0.9 g·L-1，絮凝效率达到最大97%。

图3 氯化铝对小球藻絮凝效率的影响Fig.3 Effect of aluminium chloride on chlorella flocculation efficiency

图4 硫酸铝钾对小球藻的絮凝效率的影响Fig.4 Effect of aluminium potassium sulphate on chlorella flocculation efficiency

图5 氢氧化钙对小球藻絮凝效率的影响Fig.5 Effect of calcium hydroxide on chlorella flocculation efficiency

图6 氢氧化钠对小球藻絮凝效率的影响Fig.6 Effect of calcium hydroxide on chlorella flocculation efficiency

总体而言，两种铝盐对小球藻均有絮凝效果，硫酸铝钾的效果要优于氯化铝，综合成本考虑，浓度为0.7 g·L-1硫酸铝钾是最适合小球藻絮凝的铝盐，静置80 min，最大絮凝效率为95%。

2.1.3 碱类对小球藻的絮凝效应

如图5、图6所示，氢氧化钙对藻液的絮凝效率随浓度增加而增加，而氢氧化钠对藻液的絮凝效率随浓度增加先增大后减小。氢氧化钠浓度为0.9 g·L-1时静置80 min，小球藻的絮凝效率最高为93%；氢氧化钙浓度在0.7～1.5 g·L-1区间时，静置20 min，絮凝效应≥90%，高浓度的氢氧化钙虽然加速了小球藻的絮凝，但过多的钙盐会附着在藻体表面，使得藻体发白，影响小球藻下游产业发展，综合考虑，浓度为0.5 g·L-1的氢氧化钙为适宜小球藻絮凝的浓度，絮凝后静置80 min，絮凝效率97%。

2.1.4 有机类对小球藻的絮凝效应

如图7、图8所示，絮凝效应随壳聚糖、聚丙烯酰胺浓度和絮凝时间的增加而增大，但不显著；絮凝效应随着絮凝时间的增长而呈增加趋势，随着时间延长絮凝效应增加趋势明显。静置80 min，壳聚糖浓度1.5 g·L-1，最大絮凝效率34%；聚丙烯酰胺1.2 g·L-1，最大絮凝效率45%。总得看来，有机高分子聚合物类的絮凝剂对小球藻絮凝效果并不理想，不宜作为小球藻的絮凝剂。

图7 壳聚糖对小球藻絮凝效率的影响Fig.7 Effect of chitosan on chlorella flocculation efficiency

图8 聚丙烯酰胺对小球藻絮凝效率的影响Fig.8 Effect of polyacrylamide on chlorella flocculation efficiency

2.2 最优絮凝剂的选择

由上述试验可以得出：硫酸铁、硫酸铝钾、氢氧化钠、氢氧化钙可有效的对小球藻进行絮凝。在达到最大絮凝效率时，各絮凝剂浓度分别是硫酸铁0.3 g·L-1、硫酸铝钾0.7 g·L-1、氢氧化钠0.9 g·L-1、和氢氧化钙0.5 g·L-1。

在选择絮凝剂时除了絮凝效率，絮凝成本也是一个重要因素。絮凝成本用式(2)计算。如表1所示，综合成本、絮凝效果、絮凝效率、选择氢氧化钙作为最优絮凝剂。

(2)

表1 几种絮凝剂效率与成本的比较

Table 1 The comparison of flocculantion efficiency and cost between the flocculants

絮凝剂Flocc⁃ulant絮凝浓度/g·L-1Floccul⁃ationconcen⁃tration藻液浓度/g·L-1AlgaeConcent⁃ration絮凝效率/%Flocculationefficiency市售价格/元·t-1Marketprice絮凝成本/元·kg-1Floccu⁃lantcost氢氧化钙050697650056氢氧化钠0906932100338硫酸铁0306951500081硫酸铝钾0706951750210

2.3 对氢氧化钙絮凝条件的优化

在对小球藻絮凝时发现，絮凝效率的高低还可能受其它方面因素的影响，本研究选择氢氧化钙为小球藻的絮凝剂，对絮凝过程中藻液pH值、搅拌速率、搅拌时间、藻液浓度、进行条件优化。

2.3.1 藻液pH对絮凝效率的影响

不同pH条件下絮凝效率如图9所示。氢氧化钙对小球藻的絮凝效率随pH值增大而先增加后降低，当藻液呈酸性时，氢氧化钙絮凝效率降低，絮凝体生成减缓，而当藻液呈弱碱性时，絮体较快生成，总得结果表明，pH值为8时，絮凝效率最高，达到97%。

图9 不同pH值对小球藻的絮凝效率Fig.9 pH on chlorella flocculation efficiency

2.3.2 搅拌速率

不同搅拌速率条件下絮凝效率如图10所示。随搅拌速率的增加，小球藻絮凝效率先增加后降低，搅拌速率50 r·min-1时，氢氧化钙无法完全溶解，藻体与絮凝剂接触时间减少，絮凝效率降低，而搅拌速率达到300 r·min-1时，已形成的絮体又再次分散开来，总得结果表明，搅拌速率为150 r·min-1时，絮凝效率最高，达到97%。

图10 不同搅拌速率对小球藻的絮凝效率Fig.10 The effect of stirring speed on chlorella flocculation efficiency

2.3.3 搅拌时间

不同搅拌时间条件下絮凝效率如图11所示。随搅拌时间的延长，絮凝效率先增加后降低，搅拌时间为0.5 min时，絮凝效果不完全，而时间为6 min时，形成的絮体又会再次分散，搅拌时间为2 min时，达到最高絮凝效率。

图11 不同搅拌时间对小球藻的絮凝效率Fig.11 The effect of mixing time on chlorella flocculation efficiency

2.3.4 藻液浓度

图12 不同藻液OD值对小球藻的絮凝效率Fig.12 The effect of algae OD on chlorella flocculation efficiency

不同藻液浓度条件下絮凝效率如图12所示。随OD值的增加，絮凝效率先增大后降低，藻液浓度在藻液OD值为0.8、1.2时，均达到最高絮凝效率，当藻液OD为2.2时，藻体浓度过高，絮凝体生成不完全，絮凝效率最低，综合经济效益考虑最适藻液OD值选择1.2。

3 讨论与结论

从埃氏小球藻絮凝试验中发现，不同类型絮凝剂对小球藻絮凝效果不同，金属盐类絮凝剂，通过中和藻体表面的负电荷，使藻体斥力减弱、极性降低、碰撞几率增大，形成絮体，而金属阳离子还可与水结合生成弱电解质形成氢氧化物，絮体与其呈网捕作用，随着自然重力沉降；本文选用的4种金属盐中，硫酸铁和硫酸铝钾絮凝效果较好，这与郭婷婷等[12]研究结果一致；曲孟[13]在海水小球藻絮凝采收工艺中研究发现氢氧化钙、硫酸铝、三氯化铁均对小球藻均有明显絮凝效果，与本文所得结果一致。碱类絮凝剂中氢氧化钙与金属盐的絮凝机理类似，而氢氧化钠的絮凝机理是通过调节藻液的pH，使藻体斥力减少，实现自絮凝[14]，研究发现弱碱性的藻液有利于藻体絮凝，相较于金属盐絮凝后培养液阳离子不易去除而言，氢氧化钙絮凝后的培养液中残存的钙离子通入适量二氧化碳即可去除，本研究选用氢氧化钙作为最优絮凝剂，这与王鹰燕[15]选取5种絮凝剂对小球藻的絮凝工艺的研究以及薛蓉等[16]在絮凝法采收小球藻的研究中所得结果均一致。

微藻作为一种高效的光合自养型生物，以其“不与人争粮、不与粮争地”的特性，具有广阔的应用前景，随着科技进步，当前微藻产业已进入蓬勃发展的时期，微藻的培养、采收、加工也必将实现科技化、规范化、产业化发展。其中采收环节效率的提高将更进一步的减少下游产业的成本。当前规模化采收方法种类众多，絮凝法简便易行成本低廉，本研究通过对比8种不同絮凝剂对小球藻絮凝沉降实验，得出以下结果：静置80 min，使用0.3 g·L-1硫酸铁，0.7 g·L-1硫酸铝钾，0.5 g·L-1氢氧化钙，絮凝效率均≥95%，而0.9 g·L-1的氢氧化钠作为絮凝剂，絮凝效率达到93%；其余絮凝剂，都未能对小球藻实现高效絮凝；在以上4种备选絮凝剂中综合经济效益考虑，选择氢氧化钙作为埃氏小球藻最优絮凝剂。对其絮凝条件优化后发现，藻液pH值为8、藻液OD值为1.2、搅拌速率150 r·min-1、搅拌时间2 min时，静置80 min，0.5 g·L-1氢氧化钙对埃氏小球藻的絮凝效率最高达到97%。

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(编辑：武英耀)

Eight different flocculants study ofChlorellaemersoniiflocculation effect

Zhao Kui, Wang Yajun, Wu Zhenjin, Chen Tong, Ji Chunli, Xue Jin’ai, Li Runzhi*

(InstituteofMolecularAgriculturalandBioenergy,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801,China)

[Objective]Flocculation was distinguished as a promising method in microalgae harvest for its low cost and easy operation.For the establishment of a simple and efficient system to collect microalgae.[Methods]Eight flocculant including metal salts (ferric chloride, ferric sulfate, aluminium chloride and aluminium potassium sulphate), alkaline (sodium hydroxide and calcium hydroxide), and organic polymer compounds (polyacrylamide and chitosan), were chosen to flocculateChlorellaemersoniiin this study, moreover, the flocculated efficiency using different flocculants and appropriate conditions were explored.[Results]Ferric sulfate, aluminium potassium sulphate, sodium hydroxide and calcium hydroxide were effective flocculant for microalgae flocculation considering their flocculation efficiency and consumption. The flocculation efficiency could reached 95% after 80 minutes standing with 0.3 g L-1ferric sulfate or 0.7 g L-1aluminium potassium sulphate. When using calcium hydroxide and sodium hydroxide as flocculants, the flocculation efficiency achieved 97% and 93% with the concentration of 0.5 and 0.9 g L-1respectively.[Conclusion]In view of efficiency, cost and environmental, effect inChlorellaflocculation, calcium hydroxide was selected as the optimal flocculant and other experimental conditions were also optimized then. Results indicated that optimum conditions for flocculation were pH =8, algae solution OD680=1.2, stirring speed 150 r min-1and mixing time 2 min.

Chlorellaemersonii, Harvest, Flocculation, Flocculant, Flocculation efficiency

2016-08-05

2016-09-13

赵奎(1992-)，男(汉)，山西武乡人，硕士研究生，研究方向：生物能源代谢工程

*通信作者：李润植，教授，博士生导师。Tel:0354-6288374; E-mail:rli2001@hotmail.com

国家“948”项目(2014-Z39)，山西省煤基重点科技攻关项目(FT-2014-01)

Q949.21

A

1671-8151(2017)01-0054-06