絮凝沉降法采收小球藻的研究

摘要：考察了明礬、硫酸鋁、聚合氯化鋁、三氯化鐵、硫酸亞鐵、殼聚糖6種常用絮凝劑對(duì)小球藻（Chlorella vulgaris）細(xì)胞采收的效果，并研究了pH對(duì)絮凝采收效果的影響。結(jié)果表明，三氯化鐵和明礬的絮凝效果較好，當(dāng)絮凝劑濃度分別為0.6、1.6 g/L時(shí)，小球藻細(xì)胞采收率分別達(dá)到98.3%和98.2%。pH對(duì)小球藻細(xì)胞最大采收率的影響差異顯著，以三氯化鐵和明礬為絮凝劑時(shí)，pH分別為10和8時(shí)為最佳，此時(shí)細(xì)胞采收率最大。

關(guān)鍵詞：小球藻（Chlorella vulgaris）；絮凝沉降；細(xì)胞采收；采收率

中國分類號(hào)：Q819 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）09-2206-04

單細(xì)胞綠藻小球藻（Chlorella vulgaris）因其含有優(yōu)質(zhì)蛋白、不飽和脂肪酸等營養(yǎng)成分被用作食品、保健品、餌料等，開發(fā)市場廣闊[1]。近幾年，小球藻因其生長過程能夠利用氮、磷而被用于污水處理等方面，并在微藻生物柴油的生產(chǎn)中表現(xiàn)出巨大潛力[2]。但是，與其他藻類比較，小球藻因其細(xì)胞?。?～12 μm），采收困難，影響了其工業(yè)化應(yīng)用。

目前，小球藻細(xì)胞采收的方法有絮凝法、離心法、過濾法和氣浮法等[3-5]，其中離心分離是國內(nèi)外工廠微藻采收普遍使用的方法，但是此法設(shè)備投資大，采收成本高。絮凝沉降法因成本低廉、操作簡單被廣泛應(yīng)用于微藻細(xì)胞的采收，其主要是利用化學(xué)絮凝劑的帶電性質(zhì)使藻細(xì)胞聚集沉降，可與其他方法配合使用[6-8]。在絮凝采收方法的研究中，國內(nèi)外研究大多集中于絮凝劑的選擇上，雖然大多數(shù)化學(xué)絮凝劑對(duì)小球藻有毒害作用，影響小球藻后續(xù)的工業(yè)化應(yīng)用，但是，在小球藻用于污水處理耦合生物柴油的生產(chǎn)過程中，對(duì)此可以不予考慮[4，9]。

本研究考察了絮凝劑的濃度、種類、絮凝時(shí)間、pH對(duì)小球藻采收率的影響。通過比較明礬、硫酸鋁、聚合氯化鋁、三氯化鐵、硫酸亞鐵、殼聚糖6種常用絮凝劑對(duì)小球藻細(xì)胞的沉降效果，尋找一種針對(duì)小球藻的絮凝沉降條件，以期為小球藻用于污水處理等工業(yè)化應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

藻種：普通小球藻，原種購自中國科學(xué)院淡水藻種庫，試驗(yàn)用藻株是由煙臺(tái)大學(xué)微藻生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室保存并提供。

絮凝劑：明礬、硫酸鋁、聚合氯化鋁、三氯化鐵、硫酸亞鐵、殼聚糖，均為化學(xué)純。

儀器：752S型紫外可見分光光度計(jì)（上海棱光技術(shù)有限公司）；PHS-25型數(shù)顯pH計(jì)（上海精密科學(xué)儀器有限公司）；AB104-L型分析天平[馭锘實(shí)業(yè)（上海）有限公司]。

1.2 方法

1.2.1 小球藻的培養(yǎng) 小球藻培養(yǎng)所用培養(yǎng)基為SE培養(yǎng)基，將其放在1 000 mL三角瓶中培養(yǎng)8 d，得到處于穩(wěn)定生長期的小球藻懸浮液。

1.2.2 小球藻生物量的測定 小球藻在680 nm處有特征吸收峰，因此測定藻液在680 nm處的吸光度OD680 nm，以O(shè)D680 nm來間接表示小球藻的生物量，根據(jù)以下公式計(jì)算小球藻細(xì)胞的采收率。

小球藻細(xì)胞采收率=■×100%

式中，OD680 nm-0為初始時(shí)刻藻液的吸光度，OD680 nm-t為絮凝時(shí)間為t時(shí)的藻液吸光度。

1.2.3 絮凝沉降試驗(yàn) 將300 mL小球藻懸浮液置于三角瓶中，其后分別加入不同劑量的鐵系、鋁系及高分子絮凝劑（表1），用玻璃棒攪勻后靜置，然后分別在0、5、15、30、45、60、90、120 min時(shí)取上清液在680 nm下測其吸光度，考察其不同絮凝劑對(duì)小球藻的絮凝效果。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Origin 8.0軟件和SPSS 13.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)需要進(jìn)行單因素方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同絮凝劑對(duì)小球藻絮凝效果的影響

2.1.1 三氯化鐵 不同劑量三氯化鐵對(duì)小球藻的絮凝效果如圖1所示。除了低劑量0.2 g/L三氯化鐵處理外，其他濃度處理下小球藻均在加入絮凝劑5 min 后，細(xì)胞采收率達(dá)到較大值，并且隨著絮凝時(shí)間的延長，采收率變化很小。其中，三氯化鐵濃度為0.4 g/L和0.6 g/L時(shí)，細(xì)胞沉降效果最好，分別在60 min和30 min時(shí)，細(xì)胞采收率達(dá)到最大，分別為98.0%和98.3%；但當(dāng)絮凝劑濃度大于0.8 g/L時(shí)，細(xì)胞采收率反而下降，當(dāng)三氯化鐵濃度為1.0 g/L和1.2 g/L時(shí)，小球藻最大采收率僅為84.7%和77.4%。

2.1.2 硫酸亞鐵 加入硫酸亞鐵后攪拌，小球藻藻液顏色由黃綠色變?yōu)槟G色，之后迅速變?yōu)辄S棕色，并出現(xiàn)絮凝物，顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)有許多黃棕色的團(tuán)狀絮凝物，藻液顏色的變化可能與Fe3+在藻液中的顯色效果有關(guān)。由圖2可知，小球藻細(xì)胞的絮凝沉降效果隨硫酸亞鐵濃度的增加而增大，當(dāng)絮凝劑濃度小于1.0 g/L時(shí)，總體沉降效果較差，最大絮凝采收率均未超過75%，而當(dāng)硫酸亞鐵濃度為1.4 g/L時(shí)，藻細(xì)胞沉降效果最好，在90 min時(shí)最大采收率達(dá)到80.7%。

2.1.3 明礬 不同濃度的明礬對(duì)小球藻絮凝采收效果的影響如圖3所示。從圖3可以看出，當(dāng)明礬濃度為0.6 g/L和0.8 g/L時(shí)，絮凝效果較差，最大絮凝采收率分別為47.0%和56.1%。當(dāng)絮凝劑濃度超過1.0 g/L時(shí)，細(xì)胞采收率明顯提高，但隨著明礬濃度的進(jìn)一步增大，采收率提高不明顯；當(dāng)明礬濃度為1.2、1.6 g/L時(shí)，小球藻分別在60 min和30 min采收率達(dá)到最大，最大采收率分別為97.6%和98.2%。

2.1.4 硫酸鋁 如圖4所示，硫酸鋁濃度對(duì)小球藻細(xì)胞采收的影響較為明顯，小球藻細(xì)胞采收率隨著硫酸鋁鹽濃度的增加而增大，當(dāng)硫酸鋁濃度為1.2 g/L時(shí)，細(xì)胞的絮凝采收效果最好，45 min時(shí)采收率達(dá)到最大96.2%，而硫酸鋁濃度為1.4 g/L時(shí)，小球藻細(xì)胞采收率反而下降，其絮凝效果與濃度為1.0 g/L時(shí)相當(dāng)，120 min時(shí)最大采收率僅為68.5%。因此，以硫酸鋁作為小球藻的絮凝劑時(shí)，硫酸鋁的用量以1.2 g/L為最佳。

2.1.5 聚合氯化鋁 不同濃度聚合氯化鋁對(duì)小球藻的絮凝效果如圖5所示，當(dāng)聚合氯化鋁的濃度分別為0.6、1.0、1.2 g/L時(shí)，3種濃度聚合氯化鋁對(duì)小球藻的絮凝效果相當(dāng)，絮凝采收率都在沉降120 min時(shí)達(dá)到最大，分別為95.6%、95.8%和95.5%；當(dāng)聚合氯化鋁濃度為0.8 g/L時(shí)，絮凝采收效果最好，絮凝采收率在沉降45 min時(shí)達(dá)到最大，為96.5%；但當(dāng)聚合氯化鋁的濃度大于1.2 g/L時(shí)，隨著絮凝劑濃度的增大，絮凝效果反而降低，當(dāng)聚合氯化鋁的濃度為1.6 g/L時(shí)，最大絮凝采收率僅為88.3%。

2.1.6 殼聚糖 如圖6所示，以殼聚糖作為小球藻的絮凝劑時(shí)，不同濃度殼聚糖處理細(xì)胞采收率隨著沉降時(shí)間的延長呈上升趨勢，但是總體上殼聚糖對(duì)小球藻的絮凝效果較差。不同濃度殼聚糖處理?xiàng)l件下，殼聚糖對(duì)小球藻細(xì)胞的最大絮凝采收率僅為49.2%。因此，殼聚糖作為一種高分子絮凝劑，對(duì)小球藻絮凝作用不明顯，不適合作為小球藻采收的絮凝劑。分析原因可能是水溶液中的離子強(qiáng)度較大和某些反鍵離子的屏蔽作用，妨礙了陽離子高分子絮凝劑靠近帶有負(fù)電荷的藻細(xì)胞，從而使高分子絮凝劑無法起到較好的絮凝沉降作用。

2.2 最佳絮凝劑的選擇

絮凝沉降法采收微藻時(shí)，絮凝劑濃度、絮凝時(shí)間和采收率都是評(píng)估絮凝劑性能的重要指標(biāo)，對(duì)6種絮凝劑采收小球藻時(shí)的性能進(jìn)行比較，結(jié)果如表2所示。綜合考慮絮凝劑的最大采收率和最佳絮凝時(shí)間，得到6種絮凝劑中明礬和三氯化鐵均適合作為小球藻絮凝采收的絮凝劑。

2.3 pH對(duì)絮凝效果的影響

選取絮凝效果較好的2種絮凝劑明礬和三氯化鐵，在兩者最佳絮凝劑濃度，即三氯化鐵濃度為0.6 g/L，明礬的濃度為1.6 g/L的前提下，研究pH對(duì)小球藻絮凝沉降效果的影響，結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7為不同pH對(duì)明礬絮凝小球藻的影響，當(dāng)藻液pH 7或pH 8時(shí)，1.6 g/L明礬對(duì)小球藻的絮凝效果較好，最大絮凝采收率分別達(dá)到95.6%和97.4%；當(dāng)pH 6時(shí)，不利于小球藻細(xì)胞的絮凝采收，最大采收率僅為79.1%。因此，偏酸性的條件不利于明礬對(duì)小球藻的絮凝采收，但是當(dāng)pH大于9，沉降效果反而有所降低，這與報(bào)道的高pH有利于藻細(xì)胞的絮凝沉降結(jié)果不一致[10]，分析可能與所加絮凝劑所帶電荷受pH影響不同造成的。

不同pH對(duì)三氯化鐵絮凝小球藻的影響如圖8所示。當(dāng)pH 6～10時(shí)，三氯化鐵對(duì)小球藻的絮凝效果相當(dāng)，最大采收率均在97.1%以上，但是隨著pH繼續(xù)增大，絮凝效果反而下降，不利于對(duì)小球藻細(xì)胞的絮凝采收；當(dāng)pH 12時(shí)，最大絮凝細(xì)胞采收率僅為87.34%。調(diào)節(jié)藻液的pH 10時(shí)，絮凝采收效果最好，最大采收率為98.2%。因此，偏堿性的條件有利于三氯化鐵對(duì)小球藻的絮凝沉降，但堿性不易過強(qiáng)。

不同pH條件下兩種絮凝劑對(duì)小球藻細(xì)胞的最大采收率如圖9所示。通過單因素方差分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)以三氯化鐵和明礬對(duì)小球藻進(jìn)行絮凝沉降時(shí)，pH對(duì)小球藻細(xì)胞的最大采收率有顯著影響（P<0.05）。通過多重比較得知，當(dāng)以三氯化鐵對(duì)小球藻進(jìn)行絮凝沉降時(shí)，pH 6～9時(shí)，三氯化鐵對(duì)小球藻細(xì)胞最大采收率的影響差異不顯著；當(dāng)以明礬作為絮凝劑時(shí)，所選pH范圍內(nèi)，不同的pH對(duì)小球藻最大采收率的影響差異顯著。

3 小結(jié)

本試驗(yàn)所用的6種絮凝劑對(duì)小球藻都有一定的絮凝效果，金屬鹽類絮凝劑主要是通過吸附電中和、吸附架橋和卷掃網(wǎng)捕作用使藻細(xì)胞絮凝沉降[11]。Fe3+和Al3+等金屬陽離子可以中和帶有負(fù)電荷的藻細(xì)胞，使藻細(xì)胞間的排斥力降低，從而形成聚集體。在某些條件下，這些金屬陽離子還可以形成難溶性的鹽，從而通過卷掃網(wǎng)捕作用輔助藻細(xì)胞的絮凝沉降[12]。金屬鹽類絮凝劑中三氯化鐵和明礬的絮凝效果較好，當(dāng)三氯化鐵和明礬的濃度分別為0.6、1.6 g/L藻液時(shí)，最大絮凝采收率分別達(dá)到98.3%和98.2%。硫酸亞鐵對(duì)小球藻的絮凝效果較差，高分子聚合物殼聚糖對(duì)小球藻的絮凝采收效果最差，小球藻細(xì)胞的最大絮凝采收率分別為80.7%和49.2%，因此兩者不適合作為小球藻采收的絮凝劑。pH對(duì)小球藻細(xì)胞絮凝采收效果有顯著影響，并且最佳pH與所采用的絮凝劑的種類有關(guān)。本試驗(yàn)中，以三氯化鐵為絮凝劑時(shí)，在pH 10時(shí)最佳，而以明礬為絮凝劑時(shí)，pH 8時(shí)最佳。

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