微藻自絮凝采收工艺研究

张晋阳　王慧岭　滕杰　罗建涛　白雪梅 耿金峰

摘要 [目的]研究微藻低成本采收工艺。[方法]通过对微藻表面电荷与细胞自絮凝关系的研究，获得细胞自絮凝的机理。明确pH、微藻养殖深度、微藻细胞浓度和日辐射量对微藻细胞表面的影响，分析影响试验结果的主要因素，总结出微藻自絮凝条件。 [结果]在750 nm处吸光度（OD750nm）大于5.0、液层深度2 cm、日辐射量16.2～28.1 MJ/（m2·d）时， 3～5 h均可实现自絮凝沉降，沉降率均在75%以上。[结论]该研究可为微藻低成本自絮凝采收提供理论依据。

关键词 微藻；自絮凝；采收；影响因素；沉降率

中图分类号 S181 文献标识码

A 文章编号 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经济意义，但由于微藻细胞培养过程中的固有特性（个体微小、细胞密度低、细胞表面带负电荷），个体在培养液中均匀地分散悬浮，形成了稳定的分散体系，采收难度很大[1]。因此，将微藻与培养液分离成为利用微藻生产生物柴油的一个重要环节，尤其是对于工业规模的微藻养殖，从藻液中采收微藻一直是个瓶颈。有资料表明，微藻采收的成本占微藻生产总成本（包括培养和采收）的20%～30%[2]，有的甚至高达50%[3]；特别是在燃油工业方面，目前以微藻为原料的生物柴油生产成本极高，而采收是一个重要的环节，在微藻采收、脱水和干燥作业上可节省大量的费用。因此，改进微藻细胞生物量的采收和分离，寻求一种高效率、低成本的采收方法具有重要的经济意义。

由于微藻及其培养液的特殊性，传统的固液分离技术都无法直接用于微藻采收，个体过于微小的微藻及其分泌的有机物会导致滤膜堵塞而使过滤失效；稳定的藻液悬浮体系无法自然沉降；而藻液的低浓度则使动力离心效率较低、成本极高[4]。因此，国内外针对微藻的采收一般都先对藻液进行预处理，而后再进行富集分离。

藻类和微生物细胞表层是由一些多羟基的有机酸或糖类组成的，这些组分在水中易发生离解，从而使细胞表面带有一定量的电荷[5-6]。在某些特定的 pH 或离子条件下，细胞表面的净电荷将减少甚至为零（可称之为“细胞等电点”），此时细胞将发生团结并沉淀的现象，称之为自絮凝[7]。微藻可在不添加化学絮凝剂的情况下达到采收目的，安全性高，同时该工艺也可较直接离心法能耗大幅度降低[8]。笔者针对微藻出现的自絮凝现象，通过微藻凝机理及Zeta电位分布情况与环境pH、液层深度、日辐射量、藻液浓度等条件对其微藻形成絮凝的影响，得到微藻细胞絮凝所需较为适宜的环境条件，为确定微藻自絮凝采收新工艺提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 藻种。眼点拟微绿球藻藻种由新奥科技发展有限公司藻种库提供。新奥科技发展有限公司自建180 m2跑道池式光生物反应器，光照为自然光源，温度为25～35 ℃，通入10%二氧化碳与空气混合气体培养。

1.1.2 仪器设备。PHS-2F型pH计（上海精密科学仪器有限公司）；UV2550型紫外分光光度计（日本岛津公司）；激光粒度Zeta电位仪（Nano Zetasizer Series，MALVERN）。

1.1.3 试剂。1 mol/L NaOH溶液：称取40 g NaOH，于1 000 mL容量瓶，加水至刻度，均匀待用。1 mol/L盐酸溶液：量取38%盐酸87.72 mL于1 000 mL容量瓶中，加水至刻度，均匀待用。

1.2 试验方法

1.2.1 环境pH对微藻自絮凝沉降率的影响。分别取30 mL眼点拟微绿球藻培养液置于50 mL离心管，添加不同剂量1 mol/L 盐酸溶液分别调整pH为2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、6.9；添加不同剂量1 mol/L NaOH溶液分别调整pH为8.0、9.0、10.0、11.0、12.0，以上各试验样品在沉降30 min后对藻样进行取样（上端近1/3处），使用紫外分光光度计测量上层液750 nm处的吸光度（OD750 nm），计算微藻沉降率，绘制pH-微藻沉降率散点图。

1.2.2 环境pH对微藻表面电荷的影响。

在眼点拟微绿球藻培养液中加入不同剂量的1 mol/L NaOH溶液、1 mol/L盐酸溶液，改变藻液pH，分别制备得到pH为7.01、10.05、10.28、10.31的微藻样品。使用移液枪移取1 mL各待测微藻样品，加入到与激光粒度Zeta电位仪相配套的电极中，样品没过电极的铜片，放入仪器，进行电位检测，记录数值，绘制pH-微藻细胞表面Zeta Potential（mV）值散点图。

1.2.3 液层深度对微藻自絮凝沉降率的影响。取OD750nm=8.8 的微藻液于各容器内，液层深度分别设置为2、3、4、5 cm，每隔1 h对各试验组进行pH监测及光照强度、藻液温度测量，定时观察各试验组藻样变化情况。使用紫外分光光度计测量上层液OD750nm，计算微藻沉降率。

1.2.4 日辐射量对微藻自絮凝沉降率的影响。取OD750nm=10.0微藻液于各容器内，日辐射量分别为12.1、18.4、28.1 MJ/（m2·d），各试验组液层深度均为2 cm，每隔1 h对各试验组进行pH监测及光照强度、藻液温度测量，定时观察各试验组藻样变化情况。使用紫外分光光度计测量上层液OD750nm，计算微藻沉降率。

1.2.5 藻液浓度对沉降率的影响。取OD750nm分别为5.0、11.7、22.1、32.4的微藻液于各容器内，各试验组液层深度均为 2 cm，每隔1 h对各试验组进行pH监测及光照强度、藻液温度测量，定时观察各试验组藻样变化情况。使用紫外分光光度计测量上层液OD750nm，计算微藻沉降率。

1.3 計算方法 沉降率可以通过下列公式计算：

沉降率=（1-a/b）×100%

式中，a为取上层液的OD750nm；b为采收前样品的OD750nm。

2 结果与分析

2.1 环境pH对沉降率的影响

从图1可看出，微藻细胞在酸性条件下未观察到明显絮凝、基本不沉降，但在pH=10.0附近出现快速絮凝并沉降，静置30 min后沉降率达到90.5%。

2.2 环境pH对微藻表面电荷的影响

试验结果表明，随着藻液pH的上升，细胞表面的负电荷逐渐降低，当pH上升至10.3附近时，微藻细胞表面电荷趋于“零电荷”，藻液由均一的稳定相变为不均一的非稳定相，此时藻细胞发生絮凝。

2.3 液层深度对沉降率的影响 在未加絮凝剂、搅拌的条件下，液层深度设置为2、3、4、5 cm，其中液层深度为2 cm的试验组其pH均较其余3组提前达到高pH环境，2 cm试验组藻样出现絮凝现象并在该高pH环境持续1 h以上发生沉降，结果如图2所示。

2.4 日辐射量对沉降率的影响

从图3、4可看出，在微藻絮凝所需环境条件方面，18.4、28.1 MJ/（m2·d）试验组环境pH上升趋势基本一致且均在3 h后达到絮凝所需环境条件，12.1 MJ/（m2·d）试验组较其他试验组推迟1 h到达微藻絮凝所需环境条件pH，各试验组均维持此条件约1 h后开始出现絮凝沉降；在沉降率方面，12.1、18.4、28.1 MJ/（m2·d）各试验组均出现微藻细胞絮凝沉降条件且沉降率分别为93.8%、95.8%、98.8%。因此，OD750nm =10.0微藻待采收液在日辐射量12.1～28.1 MJ/（m2·d）条件下3～5 h均可到达微藻絮凝所需环境条件pH且维持此条件约1 h后开始出现絮凝沉降，微藻絮凝沉降率为93.8%～98.8%。

2.5 藻液浓度对沉降率的影响

从图5可看出，OD750nm=5.0藻液的pH上升缓慢，4 h的沉降率仅5%，8 h后达到76%；OD750nm大于11.0的高浓度藻液的pH均上升迅速，4 h的沉降率达到84%以上，8 h后超过96%。由此可知，藻液浓度显著影响藻液pH的上升速度和沉降率。在相同的光照条件下，随着藻液浓度的增加，微藻细胞进行光合作用消耗CO2的速度加快，使藻液pH快速上升至微藻絮凝所需pH的时间缩短。

3 小结与讨论

微藻在酸性条件下基本无沉降性能，在环境pH至10.0附近其微藻细胞出现絮凝现象，微藻细胞表面电荷趋于“零”电荷，藻液由均一的稳定相变为不均一的非稳定相。

当OD750nm大于5.0、液层深度2 cm、日辐射量16.2 ～28.1 MJ/（m2·d） 时，各试验组3～5 h均可到达微藻絮凝所需

环境条件pH，其各试验组微藻絮凝沉降率均在75%以上。

微藻自絮凝采收技术是微藻采收将来较为理想的潜在应用技术，该技术无需添加任何化学絮凝剂、回收效率高并且对清液回用继续培养微藻无任何危害；在采收成本方面占有较大优势，以0.7 g/L微藻采收生物量为例，该法比现有微藻采收成本降幅达70%；但仍有一些技术工艺、工程放大等方面的问题需要解决，例如微藻经自絮凝达到所需絮凝条件值耗时过长；将产生的微藻絮体与清液分离后，得到的微藻浓缩液仍存有大量水分，需要使用固液分离设备进一步将浓度进行提升等。

参考文献

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