基于强碱诱导的埃氏小球藻电解絮凝技术体系的建立

杭伟，张宏江，马浩天，赵奎，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)

微藻是一类单细胞光合自养生物，其自身能高水平合成积累蛋白质、油脂、多糖、维生素和其它生理活性物质，是食品、医药、美容、环保、饲料和生物化工等产业的重要优质原料[1]。例如，微藻产生的Ω-3 脂肪酸、二十二碳六烯酸(EPA)(俗称“脑黄金”)和二十碳五烯酸(DHA) 等保护心脑血管的代谢产物[2～4]。尤其是在化石燃料日益枯竭及化石燃料使用带来严重污染的今天，微藻已经成为第三代新型清洁能源的重要来源之一[5,6]，且已成功用于工业化生产甲烷、氢气等清洁燃料[7～10]。目前制约微藻大规模工业化生产和应用的限制性因素是生产成本过高，特别是藻体采收环节，占整个微藻产业成本的20%～30%[11]。研究表明，个体微小[12,13]及藻细胞表面的负电荷[14,15]制约了采收效率，增加了采收技术难度，提高了采收成本。如在对数生长阶段藻体表面富集的大量负电荷，使单细胞藻体在培养液介质中分散悬浮形成稳定的分散体系而导致采收难度增加[14,15]。

目前应用于微藻采收的方法主要是利用物理和化学方法进行藻体的絮凝以提高采收效率，如离心法、过滤法、添加絮凝剂法及电解絮凝法等，通过离心、过滤收集藻体的方法，具有操作灵活、简单易行的优点，但同时也面临着能耗大、运行成本较高的问题，尤其是在大规模收集低密度藻液的时候不适用[16～18]。通过向藻液添加无机或有机絮凝剂，如聚合氯化铝、氯化铁、聚丙烯酰胺及壳聚糖等能够凝集藻体来提高采收效率。研究表明，当壳聚糖的量与藻细胞干重比值为10∶1时，液pH低于7时，絮凝效率达到99%[19]。Alexandre 等学者采用高pH值诱导絮凝收集杜氏盐藻的采收效率达到90%[20]。虽然通过添加絮凝剂，会使藻体产生一定的絮凝效果，但是这种高浓度的无机絮凝剂势必会富集在藻体表面，对藻体下游产品加工带来不便，甚至会产生二次环境污染。而采用微生物共生絮凝法[21]虽然避免了有机和无机化合物的影响，但是，藻菌互作后难以分离，也会造成生物污染，影响下游产品的质量。

与添加化学絮凝剂易造成环境污染不同，电解絮凝等物理方法是在电解作用下，阳极的铝电极和阴极的氢电极生成铝离子和氢气微泡，铝离子通过中和或降低藻细胞表面的负电荷，使微藻形成絮凝体，而氢气微泡附着于絮凝体上使其上浮，从而实现微藻的富集[22～25]。Wong 等[26]利用电解法处理小球藻(Chlorococcumsp.)，采收效率可达98%。该方法最大的缺点是仪器设备技术要求比较高, 需要定期更换电极，能耗大, 进而增加了生产成本而在应用上受限制。因此，建立低成本、高效率、无污染的微藻生物质采收工艺是推动微藻产业化发展亟需解决的问题。

为此，本文以埃氏小球藻(Chlorellaemersonii)株系Ce-SXC3为试材，通过优化pH调节剂、电极材料，极板宽度、极板间距、电压大小、搅拌速率、搅拌时间等参数，构建高效的微藻采收技术体系，该技术体系能够显著提高小球藻采收率并降低生产成本。

1 材料和方法

1.1 材料

本试验所用微藻为从山西境内水系(太谷县凤凰山附近水池)分离纯化的一株埃氏小球藻(Chlorellaemersonii) Ce-SXC3。此藻株生长快(1.82 g·L-1·d-1), 油脂含量达到47.53% (1/2 N胁迫)，是一株可工业化应用的优异藻株。

采用BG-11培养基，在光照4 000 lx、光暗比12 h∶12 h下培养。

1.2 电解絮凝试验

利用电极材料在电解液的放电的优先顺序，分别作为两极。通电后，置于电解质及藻液中的阳极发生氧化反应产生氧离子，阴极发生还原反应产生氢离子，离子和电子定向移动，打破藻体表面的电离平衡，从而达到藻体富集和絮凝。电解絮凝简易装置如图1所示。

图1 电解絮凝试验简易装置示意图Fig.1 Schematic diagram of simple device for electrolytic flocculation test1—阳极电极板；2—阴极电极板；3—磁力搅拌器；4—直流电源1—Anode plate；2—Cathode plate；3—Magnetic stirrer;4—DC power supply 注：烧杯上须放置固定架。移动鳄鱼夹调节电极板的间距，确保电极平行放置且间距相等Note: A holder must be placed on the beaker. Make sure the electrodes are placed in parallel and at equal intervals

取450 mL对数期的藻液置于500 mL的烧杯中，按图1所示将电极板连接好并置于藻液中。固定好电极板距离后，打开磁力搅拌器，并控制一定的转速，使藻液匀速转动。接通电源，调节电压旋钮控制电压至稳定。在试验要求的电压下，电解一定时间后，关闭磁力搅拌。用移液器取溶液中部液体，在紫外分光光度计680 nm波长处测定藻液的吸光度(OD值)。

1.3 电絮凝效率的计算

电絮凝效率计算：絮凝效率=(OD1-ODt)/OD1×100%

其中OD1为电絮凝前小球藻的原始OD值，ODt为絮凝开始后时间t时的小球藻OD值。

1.4 电解絮凝条件的优化

分别选取铜、铁、石墨、铝做电极材料，厚度1 mm、长×宽=7 cm×2 cm，电压15 V，极板间距2 cm。取对数期小球藻藻液作絮凝样本，观察絮凝效果，计算絮凝效率。

利用厚度为1 mm的铝作电极，分别在不同的极板宽度、极板间距、电压、搅拌时间、藻液pH、藻液浓度的条件下，观察絮凝效果，计算小球藻絮凝效率。

诱导藻细胞絮凝的强碱剂选用及藻液pH的调节。选用价格低廉、副作用较小的0.1 mol·L-1氢氧化钠为强碱剂。实验开始时，仅添加微量氢氧化钠溶液以维持藻细胞的完整性。在电解产生气泡时，再向装置中逐渐加入氢氧化钠溶液以快速诱导藻体絮凝。根据最终藻体絮凝效率确定藻液的最优pH值。

2 结果与分析

2.1 不同电极材料对小球藻絮凝效率的比较

4种不同电极材料(厚度1 mm、长×宽=7 cm×2 cm)在直流电源电压为15 V、藻液OD=1.401、藻液pH=8.46时电解10 min，检测小球藻絮凝效果。铜做电极时，结果显示，电解10 min后，可以观察到藻体明显絮凝并上浮至藻液表面，细胞表面粘附淡蓝色絮状物，絮凝后液体呈现蓝绿色，最终小球藻絮凝效率为77.78 %(图2)。铁和铝作电极时，电解絮凝后，藻液分别呈现淡黄色和无色，藻体粘附少量褐色絮状物和白色絮状物，最终絮凝效率分别为91.32%和93.39%(图2)。石墨作电极时，藻液只放出大量气体。在外加电场作用下，藻体电离平衡被打破，藻细胞包裹小气泡发生絮凝上浮至液表面。溶液无色，由于没有稳定的絮凝核，形成的絮体极易分散且絮凝效率相较金属电极较低。电解10 min絮凝效率仅为70.31%(图2)。考虑到絮凝效率高低和副作用大小，选择铝电极板进行后续小球藻电絮凝研究。

图2 不同电极材料对小球藻絮凝效率的影响Fig.2 Effects of different electrode materials on flocculation efficiency of C. emersonii

2.2 不同铝电极板宽度对小球藻絮凝效率的影响

电压15 V、极板间距2 cm，藻液OD=1.401、藻液pH=8.46时电解9 min条件下，测试4种不同电极宽度对小球藻电絮凝效果(图3)。随着电絮凝时间的延长，小球藻絮凝效率逐步增大。在同等电解6 min时，极板宽度3 cm，电絮凝效率最大，为97%，宽度4 cm时絮凝效率为93%，宽度2 cm时絮凝效率为92%，宽度1 cm时，絮凝效率最低，为74%。分析认为，在同等电压和极板间距情况下，电极板宽度的不同影响着单位面积流过的电荷量，进而导致了同等时间内Al3+以及气体生成量的不同，最终影响到小球藻絮凝效率。从试验结果中可看出，宽度为1 cm时，Al3+和气体生成量较少，在絮凝初期由于金属阳离子生成量较低，不能使小球藻形成絮状体，导致絮凝2 min时效率出现负值，但随着絮凝时间的延长，电消耗量的增加也可使小球藻完全絮凝。而宽度为4 cm时，Al3+和气体生成过量，絮体下层出现大量白色絮状沉淀，小球藻絮凝效率先升高后降低，并不利于小球藻的采收。极板宽度为3 cm和2 cm时，小球藻的絮凝效率差异不显著。基于成本及能耗考虑，选择2 cm 宽×7 cm长电极板为优化参数。

图3 不同铝电极板宽度对小球藻的絮凝效率的影响Fig.3 Effects of different width of aluminum electrode on flocculation efficiency of C. emersonii

2.3 不同极板间距对小球藻絮凝效率的影响

电压15 V，极板宽度2 cm，藻液OD=1.401、藻液pH=8.46时电解11 min条件下，测试4种不同电极距离对小球藻电絮凝效率同等絮凝时间，随着电极板间距的不断增大，絮凝效率逐步减小(图4)。极板间距为3 cm和4 cm时，两电极之间相距较远，极板间电阻率较大，故而单位时间内电荷量流过较少，Al3+和气体也随之生成减少，小球藻此时无法完全絮凝，只能通过时间的延长，实现小球藻絮凝。极板间距为1 cm和2 cm时，两极之间相距较近，单位时间流过的电荷量增多，导致同等时间内Al3+和气体生成增多，加速了小球藻的絮凝。综合成本和能耗情况，我们选择极板间距为2 cm作为优化参数。

图4 不同铝极板间距对小球藻絮凝效率的影响Fig.4 Effects of different distances between the aluminum electrodes on flocculation efficiency of C. emersonii

2.4 不同电压对小球藻絮凝效率的影响

在电极板宽度2 cm、电极板间距为2 cm、藻液OD=1.401、藻液pH=8.46时电解9 min条件下，测试4种不同电压对小球藻电絮凝效率的影响(图5)。在极板间距和极板横截面恒定的情况下，电压成为影响单位时间流过电荷量的主要因素。随着电压的升高，气体生成增多，小球藻絮凝效率也逐步增大。电压25 V、电解絮凝4 min时，小球藻絮凝效率达到94%，静止1 min后絮凝效率达到99%，小球藻几乎完全絮凝。然而，电压10 V、电解9 min时，小球藻絮凝效率仅达到91%。试验还发现，电压过高时，虽加速了小球藻絮凝，但过量的铝离子会生成白色絮状沉淀粘附在藻体表面，而低电压时，阳离子的减少极易造成藻体絮凝不完全。综合考虑这些因素，选择15 V作为小球藻电絮凝的优化参数。

图5 不同电压对小球藻絮凝效率的影响Fig.5 Effects of different voltage on flocculation efficiency of C. emersonii

2.5 藻液pH对小球藻电絮凝效率的影响

在电压15 V、电极板间距2 cm、极板宽度2 cm、藻液OD=1.401、电解5 min条件下， 测试5种不同藻液pH的絮凝效率(图6)。pH值为11时，小球藻始终保持较高的絮凝效率。本试验使用浓度为0.1 mol·L-1NaOH调节pH，而NaOH本身即可作为小球藻的絮凝剂，当pH达到11时，小球藻已实现部分絮凝，电解2 min后絮凝效率即达到81%，电解4 min絮凝效率达到96%。总的看来，藻液处于碱性条件下，小球藻絮凝效率适中，可满足生产需要。综上，选择pH值11作为优化参数。

图6 藻液pH对小球藻电絮凝的影响Fig.6 Effects of algae pH in algal medium on flocculation efficiency of C. emersonii

2.6 藻液浓度对小球藻电絮凝效率的影响

电压15 V、电极板间距2 cm、极板宽度2 cm、藻液pH相同、电解7 min条件下， 测试不同OD值藻液的电絮凝效果。同等絮凝时间内，随着 OD值的升高，小球藻电絮凝效率逐步降低(图7)。OD值为0.92时，藻液浓度较低，电解5 min絮凝效率达到97%。当OD值为3.01时，藻液浓度较大，电解5 min絮凝效率仅为89%。当OD值为2.02时，藻液浓度适中，电解5 min絮凝效率达到95%。由此看来，过高的藻液浓度并不利于小球藻电絮凝，藻液OD值在2～2.5时，小球藻絮凝效率即可满足生产实际需求。

图7 藻液浓度对小球藻电絮凝效应的影响Fig.7 Effects of algae OD on flocculation efficiency of C. emersonii

2.7 搅拌速率与搅拌时间对小球藻絮凝效率的影响

电压15 V、电极板宽度2 cm、极板间距2 cm、藻液OD=1.401 藻液pH为11、电解5 min条件下，测试不同搅拌速率与搅拌时间对小球藻电絮凝效率的影响(图8)。同等搅拌时间内，随着搅拌速率的增加，絮凝效率逐渐增大。但在搅拌速率为200 r·min-1和300 r·min-1，搅拌时间超过120 s时，小球藻絮凝效率反而降低。搅拌时间不充分以及搅拌速率过慢，会造成小球藻絮凝不完全，降低絮凝效率。然而，过快的搅拌速率和过久的搅拌时间，会使已絮凝的小球藻再次反混，最终降低了絮凝效率。综合考虑, 选择200 r·min-1、2 min作为最适宜的搅拌速率和搅拌时间。

图8 搅拌速率与搅拌时间对小球藻絮凝效率的影响Fig.8 Effects of stirring rate and stirring time on flocculation efficiency of C. emersonii

3 讨论与结论

在各种微藻采收方法中，pH诱导絮凝和电解絮凝各自具有一定的优势。已有诸多研究将这2种方法分别应用不同藻种的采收，研究结果变化多样，不尽一致。Alexandre[20]和Wu[27]等人采用高pH分别对杜氏盐藻、小球藻进行絮凝试验，获得了一定的采收效率。这种化学试剂诱导絮凝，其化学试剂会对环境造成二次污染。Zheng[28]、Wan[29]等学者通过微生物的次级代谢产物诱导絮凝藻液，达到了一定絮凝效果，但是，这种菌体微生物在一定层面上会污染藻体，影响微藻生物量，并且影响下游产品开发。Wong等[26]用一块阳极，两块阴极电解絮凝且在酸性条件下诱导提高了普通小球藻絮凝效率。电极板材料的增加造成了不必要的浪费，且铝极板在酸性条件下会腐蚀，这样缩短了电极板的使用年限。

本文结合碱性诱导絮凝和电解絮凝各自优点，建立了优化的微藻采收方法。采用两块铝板电极材料构建电解絮凝体系，动态加入氢氧化钠上调藻液pH。NaOH可促进微藻细胞形成絮状体，粘附在电解产生的氢气(H2)气泡表面，随着气泡的上浮而快速富集，絮凝效率高，絮凝时间短。在电解体系中加入氢氧化钠还有利于延长电极板的使用寿命。氢氧化钠分解产生的OH-会和阳极电解产生的金属铝离子(Al3+)形成难溶于水的氢氧化铝(Al(OH)3)沉淀。将氢氧化铝分离、回收后，培养基还可以重复回收利用。回收的氢氧化铝可作他用，不影响微藻下游产品加工。这样既得到了干净的藻体，又得到了剩余培养基和沉淀的氢氧化铝而重复利用，形成循环、高效的微藻絮凝采收体系。

总之，铝板作为电解材料的电解体系运行稳定。向藻液中加入氢氧化钠，控制藻液pH约为11，经大约4 min电解絮凝，小球藻絮凝效率达95%以上。本研究以埃式小球藻为试材，结合pH诱导絮凝和电解絮凝各自的优点，建立了整合强碱和电解絮凝提高微藻采收效率的简捷有效方法，为进一步建立工业化微藻高效、绿色、低成本采收工艺提供了科学依据。