紫球藻溶氣氣浮法采收條件研究＊

高莉麗，江懷真，劉天中

（1.中國海洋大學，山東青島266003；2.中國科學院青島生物能源與過程研究所，山東青島266101）

紫球藻溶氣氣浮法采收條件研究＊

高莉麗1，江懷真1，劉天中2＊＊

（1.中國海洋大學，山東青島266003；2.中國科學院青島生物能源與過程研究所，山東青島266101）

探討溶氣氣浮法采收紫球藻細胞的可行性，較為詳細地研究了氣浮操作參數(shù)對氣浮采收效果的影響，確定合適的紫球藻細胞溶氣氣浮采收工藝條件。結(jié)果表明，通過調(diào)節(jié)p H值，能夠獲得藻細胞絮體，從而為無絮凝劑添加的紫球藻細胞氣浮采收創(chuàng)造了條件。確定的最佳溶氣氣浮工藝為：p H值10.1，溶氣壓力0.6 MPa，溶氣時間17 h，溶氣水進水流量60 L／h，溶氣水／原料藻液體積比1.0。在此條件下，紫球藻的采收效果很好，細胞采收率可達到90%以上，濃縮倍數(shù)可達到4左右。培養(yǎng)液藻細胞濃度的增加對細胞采收率影響不大，但會降低濃縮倍數(shù)。

紫球藻；溶氣氣??；氣浮工藝條件；采收率；濃縮倍數(shù)

紫球藻是多種天然產(chǎn)物的來源，其生長過程中合成大量的藻膽蛋白、多不飽和脂肪酸（如AA和EPA）和藻多糖等生物活性物質(zhì)［1］，這些高價值活性物質(zhì)除了作為食品和工業(yè)原料外，還可應用于醫(yī)藥、化妝品、精細化工等高附加值產(chǎn)業(yè)，具有廣闊的應用前景和巨大的潛在市場，因而紫球藻具有很高的經(jīng)濟價值［2］。目前，紫球藻的規(guī)模培養(yǎng)和生物活性物質(zhì)的提取工藝已經(jīng)有了較為成熟的研究［3－5］，但是由于紫球藻培養(yǎng)液的濃度較低，藻體密度與水相近，藻細胞形體微小，很脆弱，易受到損傷破裂，而傳統(tǒng)的動力離心、過濾等采收技術(shù)能耗大、成本高、放大困難、對細胞的損傷明顯，不太適用于紫球藻采收，也不利于降低紫球藻產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，成為制約紫球藻開發(fā)利用的主要問題之一［6］。所以開發(fā)適用于紫球藻培養(yǎng)體系的細胞高效低能耗低成本采收分離技術(shù)顯得越來越重要。

氣浮分離技術(shù)形成于1940年代，是1種人為地向水體中導入細小氣泡，使其黏附于絮粒上形成“氣泡—絮?！本奂w以降低絮粒體整體密度，并借氣泡上升的浮力強行使絮粒體上浮形成浮渣層，由此實現(xiàn)固液快速分離的新型固液分離技術(shù)［7］。溶氣氣浮常用于對那些密度接近或小于水的細小顆粒的分離，如用于低濁、富含難以沉淀懸浮顆粒（如油類、纖維、活性污泥、生物膜、動植物或微生物細胞）的水體凈化［8］。目前氣浮法已被廣泛應用于給排水、廢水處理、石油化工、食品工業(yè)、生物發(fā)酵液分離等諸多領(lǐng)域，具有良好的分離效能、相對低廉的投資和操作運營成本。有關(guān)氣浮法用于微藻細胞的分離采收，近來已有一些研究報道，如鹽藻、小球藻、螺旋藻等的氣浮采收，已可達到較高的采收率［9－11］。然而對于紫球藻，由于其在培養(yǎng)過程中容易分泌出胞外多糖，體系黏度相對較大，有關(guān)氣浮法用于紫球藻的采收鮮有報道。

本文以紫球藻為研究對象，通過對藻細胞采收率R和濃縮倍數(shù)E的測定，考察了藻液p H值、溶氣壓力、溶氣時間、溶氣水進水流量、溶氣水／原料藻液體積比、藻液濃度等對紫球藻細胞氣浮采收效果的影響，初步確定了其氣浮采收的操作條件。

1 材料與方法

1.1 材料、儀器

1.1.1 藻種 紫球藻（Porphyridium cruentum）藻種由中國海洋大學水產(chǎn)學院朱葆華老師提供，原始藻種儲存于中國海洋大學藻種庫。

1.1.2 儀器 PHS－2F型p H計（上海精密科學儀器有限公司）；WFJ7200型分光光度計（上海尤尼柯儀器有限公司）；LZB－4玻璃轉(zhuǎn)子流量計（江陰市科達儀表廠）。

1.2 氣浮分離裝置與實驗方法

氣浮分離實驗裝置如圖1所示，其主要由空氣壓縮機、貯氣罐、飽和溶氣罐、流量計和氣浮分離塔等部分組成。其中，由碳鋼制成的空氣貯罐有效容積為100 L，操作壓力為0～1.0 MPa；由不銹鋼制成的飽和溶氣罐有效容積為5 L，操作壓力為0～1.0 MPa；氣浮分離塔由有機玻璃制成，其內(nèi)徑為30 mm，高度為500 mm。

圖1 氣浮分離裝置Fig.1 Schematic of dissolved air flotation device

氣浮實驗流程為：實驗前，先向飽和溶氣罐中一次性通入大約4 L水，打開空氣壓縮機向貯氣罐內(nèi)灌氣，保持一定的溶氣壓力和溶氣時間以制備溶氣水。用1.0 mol／L的HCL和1.0 mol／L的NaOH溶液，將100 m L紫球藻培養(yǎng)液調(diào)節(jié)到一定的p H值后，一次性從分離塔上部倒入，然后從塔底迅速引入溶氣水，控制其進水流量和進水體積。藻細胞開始氣浮。待氣浮完全后，分別計量采收殘余液和濃縮液的體積，并測定殘余液的藻細胞濃度，計算采收率和濃縮倍數(shù)，如下式所示［9］：

其中Cf—采收濃縮液的藻細胞濃度（以OD值表示），C0—原藻液藻細胞濃度，Cr—采收殘余液藻細胞濃度，Vf—濃縮液體積；V0—原藻液體積；Vr—采收殘余液體積。

藻液細胞濃度的測量是以空白培養(yǎng)液為對照，在分光光度上測定藻液在604 nm的光吸收值（OD604）來表示［12］?？紤]到濃縮液中藻細胞易發(fā)生黏壁，且其OD值也過高，測定誤差較大，因此采收濃縮液的藻細胞濃度cf是先測定采余殘液的體積和藻細胞濃度（OD），再通過物料衡算來確定的，如下式所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 藻液p H值對氣浮采收效果的影響

實驗研究了藻液調(diào)節(jié)到不同p H值對氣浮采收效果的影響。取100 m L紫球藻液（初始藻液OD604為0.4），用1.0 mol／LHCl和1.0 mol／LNaOH調(diào)節(jié)到特定p H值后倒入采收塔內(nèi)，按藻液體積與溶氣水體積比1∶1通入預先在0.6 MPa平衡的溶氣水，5 min后測定氣浮采收率和濃縮倍數(shù)，結(jié)果如圖2所示。

圖2 pH值對紫球藻細胞培養(yǎng)液采收率和濃縮倍數(shù)的影響Fig.2 Effect of pH of Porphyridium broth on the recovery rate（R）and concentration fold（E）

可以看出，在低p H下紫球藻細胞幾乎不能氣浮采收。只有當藻液p H＞9.5后，藻液中才開始出現(xiàn)少量的泡絮結(jié)合體，隨著p H值的增大，藻細胞采收率和濃縮倍數(shù)迅速增大，在p H值達到10.1時達到最大，此時其采收率高達92%，對應的采收濃縮液的濃縮倍數(shù)約為4.5。之后，當繼續(xù)調(diào)高p H達到10.3時，紫球藻細胞受堿損傷嚴重，出現(xiàn)少量自溶，絮片含水量增大，絮體反而懸浮在液體中，無法浮出水面，濃縮倍數(shù)也降低。因此對于該紫球藻細胞，其最適氣浮采收p H值為10.1左右。事實上，許多文獻的研究表明，細胞（顆粒）適度絮凝形成一定尺寸的絮粒是實現(xiàn)溶氣氣浮采收的必要條件［13－15］。對紫球藻，由于其沒有纖維素構(gòu)成的典型細胞壁結(jié)構(gòu)，細胞表面是一層由可溶性多糖組成的黏質(zhì)鞘，使其在水溶液中表現(xiàn)出負電性，所以可以通過調(diào)節(jié)溶液p H值的方法來中和其細胞表面的電荷，使藻細胞與溶液中的微小化合物結(jié)核相互聚合，產(chǎn)生脫穩(wěn)現(xiàn)象，從而實現(xiàn)細胞的自絮凝。與螺旋藻和鹽藻采收相似［9－10］，這種采收方法不需要添加絮凝劑或者活性劑，既降低了生產(chǎn)成本，又簡化了后續(xù)處理工藝，且有可能實現(xiàn)連續(xù)培養(yǎng)和連續(xù)采收的工藝耦合。但是由于最佳p H范圍較窄，因此在操作上應注意準確控制其p H值。

2.2 溶氣壓力對氣浮采收效果的影響

溶氣氣浮的原理是利用溶解于水中的氣體在突然減壓的釋氣過程中產(chǎn)生大量細小氣泡，這些氣泡與藻細胞絮體結(jié)合成泡絮結(jié)合體，因其比重略小于水而隨氣泡上浮，從而實現(xiàn)細胞與水體的分離。因此溶氣水中溶解的氣體量大小對于隨后的釋氣過程產(chǎn)生氣泡量的多少密切相關(guān)。理論上，溶氣水中溶解的氣體越多，產(chǎn)生的細小氣泡也就越多，因此氣浮帶走的藻細胞也就越多，氣浮采收率也會提高。顯然對于氣體的溶解而言，按照亨利定律，氣體在水中的溶解度與其壓力成正比，溶氣壓力越大，溶氣水中溶解的空氣量越大。為考察溶氣壓的影響，分別用不同溶氣壓力（0.2，0.4，0.6，0.8 MPa）經(jīng)17 h平衡后的溶氣水進行氣浮實驗。所用的紫球藻細胞培養(yǎng)液的OD604為0.394，調(diào)p H值為10.1，結(jié)果如圖3所示。

圖3 溶氣壓力對紫球藻細胞培養(yǎng)液采收率和濃縮倍數(shù)的影響Fig.3 Effect of air pressure on the recovery rate（R）and concentration fold（E）from Porphyridium broth

可以看出，紫球藻細胞的氣浮采收率R和濃縮液濃縮倍數(shù)E都隨著溶氣壓力的增加而增大。同時在實驗中還觀察到，隨著溶氣壓力的增加，溶氣水產(chǎn)生的氣泡更小，更加均勻，這與對溶氣釋氣過程的熱力學分析結(jié)果一致［16］。從實驗結(jié)果中也可以看出，當溶氣壓力達到0.6 MPa以后，采收率和濃縮倍數(shù)變化不大，這說明在溶氣氣浮過程中，并不是所有的氣泡都參與氣浮，這可能是由于部分氣泡未與微藻絮體發(fā)生碰撞結(jié)合的緣故。從另一個角度講，雖然提高溶氣壓力可改善氣浮效果，但是增大溶氣壓力會使采收成本增加。有研究表明溶氣系統(tǒng)可占整個氣浮分離系統(tǒng)投資和能耗的50%以上［17］，所以綜合考慮后本實驗選用的溶氣壓力為0.6 MPa。

2.3 溶氣時間對氣浮采收效果的影響

空氣屬難溶氣體，其在水中溶解度很小，一般的溶氣水制備是將壓縮空氣直接打入預貯水的密封罐中，很少有攪拌。因此空氣在水中的溶解基本上屬于分子擴散過程，平衡時間很長。如果溶氣時間不夠，則溶氣水中的氣體含量偏小，釋氣時無法產(chǎn)生足夠的氣泡［18］。為此，本文考察了溶氣壓力0.6 MPa，不同溶氣時間（13，15，17，19，21和23 h）對氣浮采收效果的影響。實驗選取的初始紫球藻液OD604為0.306，體積為100 m L、p H調(diào)節(jié)為10.1。通入溶氣水量為100 m L，溶氣水進水流速為60 L／h。實驗結(jié)果見圖4。

圖4 溶氣時間對紫球藻細胞培養(yǎng)液采收率和濃縮倍數(shù)的影響Fig.4 Effect of dissolved time on the recovery rate（R）and concentration fold（E）from Porphyridium broth

從圖4中可以看出，隨著溶氣時間的增加，藻細胞采收率R和濃縮倍數(shù)E都有所增加。但當溶氣時間達到17 h后，R和E基本上不再增大，達到最大值。這表明在本實驗條件下的最佳溶氣時間為17 h。當然，對于不同的溶氣罐結(jié)構(gòu)與操作方式，可能需要的飽和溶氣時間各不相同。從效率來看，通過加設一些強化溶解擴散的內(nèi)構(gòu)件來縮短溶氣時間是非常有利的。近年來，1種新型的多相泵－溶氣泵已在一些氣浮水處理工程中開始得到應用。這種溶氣泵可以直接同時吸入水和空氣，通過泵的高速離心旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)溶氣水的迅速混合與平衡，泵出的水就已經(jīng)達到飽合溶氣－俗稱“白水”，完全省去了傳統(tǒng)的溶氣罐溶氣過程，效率很高。采用這種溶氣泵來制備溶氣水將是微藻氣浮采收的發(fā)展趨勢。

2.4 溶氣水進水流量對采收效果的影響

溶氣水釋氣產(chǎn)生氣泡與藻體結(jié)合形成泡絮結(jié)合體的上浮是一個比較緩慢的過程。由于泡絮結(jié)合體的密度與水非常接近，泡絮結(jié)合體上升的浮力很小。引入的溶氣水流速過快，動能增加，很容易使藻液產(chǎn)生循環(huán)流［19］，從而使泡絮結(jié)合體受到液體流動的擾動因慣性作用而改變方向，停止上浮，甚至下沉（泡絮結(jié)合體因流體動壓而壓縮使密度增大，或擾動剪切動使氣泡破裂而解體）。為確定合適的溶氣水流速，實驗考察了溶氣水進水流量分別為20，40，60，80和100 L／h下的氣浮效果。實驗采用的藻液體積為100 m L，OD604＝0.46，p H值10.1，通入0.6 MPa經(jīng)17 h平衡的溶氣水100 m L，實驗結(jié)果如圖5所示。

可見，采收率R隨著進水流量的增大先增大后減少，濃縮倍數(shù)則在40 L·h–1之后即呈現(xiàn)1個比較平緩的趨勢。這是因為在較低的溶氣水流速時，溶氣水須經(jīng)比較長的釋放時間才能達到預定的溶汽水／藻液體積比，溶解在水中的空氣達不到驟然減壓釋放的效果。隨溶氣水流速的增大，湍流程度加劇，有利于改善釋氣氣泡與藻絮體的混合，使形成的泡絮結(jié)合體機會增多。但當達到一定流速后，溶氣水流速的進一步增大會使體系產(chǎn)生循環(huán)流，反而帶動泡絮結(jié)合體循環(huán)，無法氣浮，從而降低了細胞采收率［16］。因此在本實驗條件下合適的溶氣流速范圍是60 L·h－1。

圖5 溶氣水進水流量對紫球藻培養(yǎng)液采收率和濃縮倍數(shù)的影響Fig.5 Effect of flow rate on the recovery rate（R）and concentration fold（E）from Porphyridium broth

2.5 溶氣水／藻液體積比（α）對氣浮采收效果的影響

取體積為100 m L、OD604＝0.36的紫球藻液，將其p H調(diào)節(jié)為10.1后倒入采收塔內(nèi)，然后分別通入經(jīng)17 h飽和溶氣處理的溶氣水50，75，100，125，150，175和200 m L（對應的溶氣水／藻液體積比α分別為0.5，0.75，1.0，1.25，1.5，1.75和2.0）。實驗結(jié)果見圖6。

圖6 水液比對采收率和濃縮倍數(shù)的影響Fig.6 Effect of water－feed volume ratio on the recovery rate（R）and concentration fold（E）from Porphyridium broth

隨著溶氣水－藻液體積比α的增大，R和E也增大，這是因為隨著α的增大，溶氣水的體積增多，所能釋放的氣泡數(shù)量增多，泡絮結(jié)合體更多，單位質(zhì)量的細胞絮凝體可以捕獲更多的氣泡，泡絮結(jié)合體密度更小，其所受的浮力也就更大，因而有利于更好的氣浮，采收效果更佳。但是較多的溶氣水需要消耗更多的能耗，所以本實驗確定的溶氣水／藻液體積比α為1.0，相較于文獻報道［20］，本實驗的數(shù)值偏大，這是由于在實驗過程中，一部分殘留在管道中的水也會進入分離塔，增加了溶汽水的體積，而本實驗的規(guī)模偏小，所以使得有效溶氣水所占的比例偏小，進而增大了溶氣水的需求量。

2.6 藻液濃度對氣浮采收效果的影響

取體積為100 m L、OD604分別為0.4，0.5，0.6，0.7，0.8和0.9的紫球藻液，將其p H調(diào)節(jié)為10.1后倒入采收塔內(nèi)，然后通入經(jīng)17 h飽和溶氣處理的溶氣水100 m L，實驗結(jié)果見圖7。

圖7 濃度對采收率和濃縮倍數(shù)的影響Fig.7 Effect of concentration on the recovery rate（R）and concentration fold（E）from Porphyridium broth

隨著藻液濃度的增加，E不斷減少，R基本保持穩(wěn)定。這是因為在特定的p H條件下，藻細胞的絮凝狀態(tài)一致，產(chǎn)生的絮凝體占藻細胞總量的比例相同，濃縮液狀態(tài)比較穩(wěn)定，所以隨著原藻液濃度的增加，采收率并未發(fā)生大的波動。而由于濃縮液的濃度并未隨原藻液濃度的增加而增大，所以原藻液濃度越高，濃縮倍數(shù)就越小。這表明，溶氣氣浮法采收作為1種新型固液分離技術(shù)，對紫球藻高密度培養(yǎng)的要求不高，比較適宜于處理濃度比較低的體系，這也正是其區(qū)別于其它常規(guī)固液分離手段的特性和優(yōu)勢所在，所以本文中采用的實驗對象均為OD604在0.4左右的紫球藻液。

3 結(jié)論

細胞高效低能耗采收是降低紫球藻工業(yè)生產(chǎn)成本的重要環(huán)節(jié)。本文研究了溶氣氣浮法從紫球藻細胞培養(yǎng)液中采收紫球藻細胞的工藝條件，得到以下結(jié)論：

（1）利用調(diào)節(jié)p H的方法能夠得到較好的絮凝效果，有助于氣浮分離過程。確定的最佳溶氣氣浮條件為：p H＝10.1，溶氣壓力0.6 MPa，溶氣時間17 h，溶氣水進水流量60 L／h，溶氣水／原料藻液體積比1.0。在此條件下，紫球藻的采收效果很好，細胞采收率可達到90%以上，濃縮倍數(shù)可達到4左右。

（2）增大藻液濃度并不會相應提高細胞采收率，相反還會降低濃縮倍數(shù)。

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Recovery Conditions of Porphyridium cruentum Cells by Dissolved Air Flotation

GAO Li－Li1，JIANG Huai－Zhen1，LIU Tian－Zhong2
（1.School of Food Science and Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266003，China；2.Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology，Chinese Academy of Sciences，Qingdao 266101，China）

Porphyridium is a kind of important valuable microalgal species.It produces many active substances such as phycobiliprotein，polyunsaturated fatty acids（AA／EPA）and algal polysaccharide，which can be used as healthcare and pharmaceutical agents.However，high cost of its harvesting by conventional centrifugation always limits its profits in industrial scale production.The paper focused upon the feasibility of Porphyridium cruentum cells harvesting by air dissolved flotation.It was investigated that all operation factors such as the p H value of the culture medium，air saturation pressure（P）and saturation time（T）for the preparation of air dissolved water，flow rate（V）of air dissolved water and water－feed volume ratio（α）would influence the efficiency of air dissolved flotation.The suitable conditions were determined as pH 10.1，P 0.6 MPa，T 17 h，V 60 L／h，andα1.0，under which the recovery rate and concentration fold of Porphyridium cells could approach about 90%and 4，respectively.Increasing the concentration of Porphyridium cells in the culture medium has no obvious effect on the recovery rate，but lowers the concentration fold.These results indicated that the method of changing pH to recover Porphyridium cells was feasible，and provided important parameters for future design on practical scale of harvesting Porphyridium cells using air dissolved flotation.techniques.

Porphyridium；dissolved air flotation；operation factors；recovery rate；concentration fold

S985.4

A

1672－5174（2010）11－062－05

國家支撐計劃“海洋微藻高效培養(yǎng)工程化技術(shù)集成示范”子課題（2006BAD09A12）資助

2009－05－08；

2009－06－16

高莉麗（1985－），女，碩士生，食品科學與工程專業(yè)，Tel：0532－82031360，E－mail：gll＿115＠163.com

＊＊通訊作者：Tel：0532－80662735，E－mail：Liutz＠qibebt.ac.cn

責任編輯 于 衛(wèi)