椰子油提取物在絮凝收集栅藻中的应用

2018-07-24邵文尧滕飞雪胡超群闫梦文彭淑女

生物加工过程 2018年4期

邵文尧，滕飞雪，胡超群，闫梦文，彭淑女

(厦门大学化学化工学院，福建厦门 361005)

微藻类植物多为水生，且分布广泛，其细胞通过代谢能产生多糖、不饱和脂肪酸和色素等生物活性物质[1]，因此在食品[2]、医药[3]、CO2固定[4]、污水处理[5]和生物能源生产[6]等领域拥有广阔的应用前景。但由于微藻细胞本身个体小(3～30 μm),表面携带电荷并且培养浓度低，微藻采收成本高居不下，其采收成本一般占其养殖成本的20%～30%[7]。传统的微藻收集方法包括沉降法[8]、泡载法[9]、气浮法[10]、化学絮凝沉淀法[11]和电絮凝法[12]等。传统的絮凝沉淀法，虽然其操作简单，但所用的絮凝剂会污染微藻及其目标产物，提取目标产物时需要分离有害的表面活性剂，增加了工艺的复杂性。

椰子油提取物作为絮凝剂可用于高浓度工业废水处理。该组合絮凝剂组成包括椰子油提取物、FeCl3和聚合AlCl3等物质，能有效减少废水中的有毒成分，处理后的废水满足国家排放标准[13]。此外，椰子油提取物作为絮凝剂还可用于城市废水的处理，具有高效、无毒和安全等特点[14]。天然椰子油提取物经过温和的工艺从成熟椰肉中制备，不经过高温加热，是一种不需化学物质精炼的非离子型絮凝剂[15]。采用天然无害的椰子油作为絮凝剂收集微藻，可省去目标产物与絮凝剂的分离。

高温栅藻是一种具有较高叶黄素含量和生物量产率的微藻，被认为是一种新兴的叶黄素来源[16]，且高温栅藻收集方式的研究尚未有相关报道。

基于以上背景，本文研究椰子油提取物作为一种天然絮凝剂对高温栅藻的采收条件，比较其与传统化学絮凝剂对高温栅藻收集率的影响。

1 材料与方法

1.1 材料

高温栅藻分离自台湾南部；所用试剂(包括椰子油提取物)均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

1.2 方法

1.2.1 栅藻的培养

培养条件：温度为30 ℃，磁力搅拌转速为300 r/min，CO2体积分数为2.5%，通气量为0.2 mL/(mL·min)；光照强度为100 lx；培养3～5 d，培养装置如图1所示。

图1 1 L光生物反应器培养示意Fig.1 Schematic diagram of 1 L light bioreactor

1.2.2 絮凝收集藻液效果测试

配制天然椰子油提取物絮凝剂与传统化学絮凝剂，添加进培养好的藻液里进行絮凝作用，考察不同絮凝剂浓度、体系pH、静置时间、搅拌时间及搅拌转速对椰子油絮凝剂絮凝效果的影响，确定最佳絮凝条件。在最佳絮凝条件下，进行椰子油絮凝剂与传统化学絮凝剂的絮凝效果比较。通过测量絮凝发生前后藻液光密度OD，求其收集率R，以表征其絮凝效果。收集率R计算见式(1)。

R=(OD0-OD1)/OD0×100%

(1)

式中：OD0为絮凝发生前藻液的光密度，OD1为絮凝发生后藻液的光密度。

2 结果与讨论

2.1 椰子油提取物浓度对絮凝收集藻液效果的影响

分别以不同质量浓度的椰子油提取物为絮凝剂，加入100 mL培养好的藻液，改变各浓度下絮凝过程静置时间(以15 min为梯度)，在其他相同的絮凝条件下(体系为自然pH，搅拌转速为300 r/min，搅拌时间为3 min)测定藻液上清液OD1，结合起始藻液OD0，求各条件下的收集率R，结果如图2所示。

图2 椰子油提取物浓度对藻液收集率的影响Fig.2 Effects of coconut oil extract concentrations on collection rate

由图2可知：在体系为自然pH、搅拌转速为300 r/min以及搅拌时间为3 min的条件下，改变静置时间，每种浓度的椰子油絮凝剂絮凝效果均呈现加强趋势，但絮凝过程较为缓慢，静置时间为210 min时，收集率均小于80%。相同静置时间下，质量浓度为0.04 g/L的椰子油絮凝剂收集藻液的效果相对较好，但仍劣于行业内报道的传统化学絮凝剂。因此，选取0.04 g/L椰子油絮凝剂作为收集藻液的最佳浓度条件。

2.2 体系pH对椰子油絮凝收集藻液效果的影响

配制含椰子油提取物质量浓度为0.04 g/L的100 mL藻液7份，分别调节其pH为1、3、5、7、9、11和13，其他条件为静置时间为30 min，搅拌转速为300 r/min，搅拌时间为3 min，测定起始藻液OD0及上清液OD1，计算收集率R，结果如图3所示。

图3 体系pH对收集率的影响Fig.3 Effect of different pH on collection rate

由图3可以看出：椰子油絮凝过程的收集率R在体系pH为3时达到最大值95%，且在静置时间30 min内完成，絮凝时间大大缩短，收集率也大幅度提高，可能原因是pH改变了溶液电荷，影响絮凝剂与栅藻的结合。

2.3 静置时间对椰子油絮凝收集藻液效果的影响

配制含椰子油提取物质量浓度为0.04 g/L的100 mL藻液8份，调节藻液pH为3，分别静置5、15、25、35、45、55、65和75 min，取上清液测OD1，其他条件为搅拌转速300 r/min，搅拌时间为3 min，结合起始藻液OD0，计算收集率R，结果如图4所示。

图4 静置时间对收集率的影响Fig.4 Effect of the standing time on collection rate

由图4可知：随着絮凝时间的延长，絮凝效果先增强，而后在静置时间15 min后趋于平稳。这是因为椰子油絮凝剂加入pH=3的藻液后，迅速与藻细胞结合在一起，使体系中出现大量的絮状物悬浮，在重力作用下渐渐地沉降下来，慢慢达到饱和状态；在15 min左右变化趋于缓慢，这是由于随着时间的延长，栅藻的采收速率越来越接近最大值。从经济角度和操作难度来考虑，选用静置15 min来采收栅藻，此时椰子油絮凝收率为93%。

2.4 搅拌时间对椰子油絮凝收集藻液效果的影响

配制含椰子油提取物质量浓度为0.04 g/L的100 mL藻液6份，调节藻液pH为3，静置时间为15 min，搅拌转速为300 r/min，搅拌时间分别为1、2、3、4、5和6 min，测定起始藻液OD0及上清液OD1，计算收集率R，结果见图5。

图5 搅拌时间对收集率的影响Fig.5 Effect of the stirring time on collection rate

由图5可知：在藻液pH=3、椰子油提取物为0.04 g/L时，静置15 min，搅拌速率300 r/min，收集率随搅拌时间的延长而增加；在搅拌时间为2 min时，椰子油提取物的收集率达到97%；在搅拌时间为2～6 min时，栅藻的收集率增加的不多。从经济角度和操作难度来考虑，可选用搅拌时间2 min来采收栅藻，此时椰子油提取物的收集率为97%。

2.5 搅拌转速对椰子油提取收集藻液效果的影响

配制含椰子油提取物质量浓度为0.04 g/L的100 mL藻液5份，调节藻液pH为3，静置时间为15 min，搅拌时间为2 min，搅拌转速分别为100、150、250、350、450和550 r/min，测定起始藻液OD0及上清液OD1，计算收集率R，结果如图6所示。

图6 转速对收集率的影响Fig.6 Effect of the stirring speeds on collection rate

由图6可知：加入絮凝剂后，搅拌速率的大小对栅藻最终的采收效率有较大影响，随着搅拌速率的增大，收集率先增大后减小。搅拌速率在150 r/min以下时，采收速率随着搅拌速率增加而显著增加，这可能是因为搅拌速率增加，絮凝剂与栅藻混合程度增加，加大了絮凝剂与栅藻细胞的结合几率，因此可提高采收效率。当搅拌速率大于150 r/min时，采收速率呈现下降趋势，这主要可能是过快的搅拌速率导致栅藻与絮凝剂结合之后的二次分离，使絮凝剂与栅藻的分散程度增加，从而导致收集率出现下降。此外，过大的搅拌速率会延长后续的静置时间，这会增加整个工艺时间，从而使产业成本增加。综合考虑，最佳搅拌速率取150 r/min，此时在所有最佳条件的综合作用下，絮凝收集率达97.3%。

2.6 化学絮凝剂与椰子油絮凝剂絮凝收集藻液的效果比较

基于以上椰子油絮凝剂的最佳工艺条件，分别以0.04 g/L的 AlCl3、FeCl3、Ca(OH)2和椰子油提取物为絮凝剂，添加至100 mL藻液中，调节体系pH为3，静置时间15 min，搅拌时间2 min，搅拌速率150 r/min，考察絮凝剂的絮凝效果，测定起始藻液OD0及上清液OD1，计算收集率R，结果见图7。

图7 不同絮凝剂对藻液絮凝效果的影响Fig.7 Effect of different flocculants on collection rate

由图7可知：在相同的絮凝条件(椰子油絮凝剂的最佳工艺条件)下，几种传统的化学絮凝剂收集藻液效果不比椰子油絮凝剂强，在此条件下，椰子油絮凝剂的絮凝效果已经较为优异，絮凝收集率已达97.3%，几种传统化学絮凝剂在其各自最佳条件下表现出来的絮凝效果略强于椰子油絮凝剂。此外，椰子油提取物作为絮凝剂安全、无毒，而传统化学絮凝剂不仅在絮凝收集的过程中污染藻液及其目标产物，需要进行二次分离，而且若使用量过大，还会造成环境污染。更为重要的是，椰子油提取物的价格较为低廉，如果大规模应用，其运行成本低。