8種不同絮凝劑對埃氏小球藻絮凝效應(yīng)的研究

趙奎，王亞君，武振晉，陳通，季春麗，薛金愛，李潤植

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)分子農(nóng)業(yè)與生物能源研究所，山西 太谷 030801)

8種不同絮凝劑對埃氏小球藻絮凝效應(yīng)的研究

趙奎，王亞君，武振晉，陳通，季春麗，薛金愛，李潤植*

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)分子農(nóng)業(yè)與生物能源研究所，山西 太谷 030801)

[目的]建立簡易高效收集能源微藻的技術(shù)體系。[方法]以埃氏小球藻(Chlorellaemersonii)為目標(biāo)藻株，選取金屬鹽類(氯化鐵、硫酸鐵、氯化鋁、硫酸鋁鉀，)、堿類(氫氧化鈉、氫氧化鈣)和有機(jī)高分子化合物類(聚丙烯酰胺、殼聚糖)為絮凝劑比較分析其在小球藻采收時(shí)絮凝效率和相應(yīng)的絮凝條件。[結(jié)果]綜合考慮絮凝效果和絮凝劑用量，這8種絮凝劑里硫酸鐵、硫酸鋁鉀，氫氧化鈣和氫氧化鈉可以有效地絮凝小球藻，具體結(jié)果為：靜置80 min，硫酸鐵濃度為0.3 g·L-1，絮凝效率為95%；硫酸鋁鉀濃度為0.7 g·L-1，絮凝效率95%；氫氧化鈣濃度為0.5 g·L-1，絮凝效率97%；氫氧化鈉濃度為0.9 g·L-1，絮凝效率93%。[結(jié)論]綜合成本、絮凝效率、環(huán)境影響等因素，氫氧化鈣是最佳的采收小球藻的絮凝劑，其最佳絮凝條件為藻液pH =8，OD680=1.2，攪拌速率150 r·min-1，攪拌時(shí)間2 min。

埃氏小球藻;采收；絮凝；絮凝劑；絮凝效率

小球藻是一種光合自養(yǎng)型單細(xì)胞淡水藻類，屬于綠藻門、小球藻屬，是最早出現(xiàn)在地球上的生命之一。小球藻分布范圍極其廣泛,具有光合效率高、繁殖周期短、抗逆性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]。除此之外，小球藻還含有極其豐富的蛋白質(zhì)、多糖、不飽和脂肪酸、色素和維生素等營養(yǎng)成分，廣泛用于食品、保健品和飼料等領(lǐng)域，也因此受到全世界越來越多的關(guān)注[2]。近年來，我國先后出現(xiàn)一批小球藻規(guī)?；B(yǎng)殖基地，用于以上領(lǐng)域產(chǎn)品的商業(yè)化生產(chǎn)。值得注意的是,一些小球藻藻株細(xì)胞中可以大量積累油脂，且油脂中脂肪酸類型主要為C16:0和C18:0，與柴油分子中的碳原子數(shù)相近[3]，因此小球藻還可用作生產(chǎn)生物柴油的原料，在生物柴油規(guī)?；a(chǎn)中具有巨大優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿ΑＨ欢?，成本過高一直是制約微藻生物柴油產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的主要因素。由于小球藻藻體僅有3～8 μm，收集難度較大，從藻液中收集藻體的成本占到小球藻生產(chǎn)總成本的20%～30%[4]。因此，建立高效、低成本的小球藻采收方法是有效降低微藻產(chǎn)業(yè)成本的重要途徑。

采收微藻的方式中比較常見的有離心、過濾、絮凝、氣浮等方法[5]，不同種類的微藻對應(yīng)不同的采收方法，藻體比較大的如螺旋藻等，宜采用過濾法，而某些藻體較小的餌料藻如小球藻等，大多采用離心的方法[6]。但離心采收不僅成本較高，而且也不適合微藻規(guī)模培養(yǎng)后的收獲[7]。絮凝沉降法能夠濃縮懸浮液，分離操作簡便，使后續(xù)設(shè)備費(fèi)用降低，是采收微藻尤其是規(guī)模采收時(shí)的理想方法[8]。目前常用的絮凝劑有金屬鹽(氯化鐵、氯化鋁等)、無機(jī)高分子聚合物(聚合氯化鋁等)、有機(jī)高分子聚合物(殼聚糖等)等[9]，但這些絮凝劑對埃氏小球藻絮凝效果和條件還有待研究。

本研究以本實(shí)驗(yàn)室篩選獲得、含油量較高的埃氏小球藻(Chlorellaemersonii)藻株#33為目標(biāo)藻株，選取了3類共8種不同類型絮凝劑：金屬鹽類(氯化鐵、硫酸鐵、氯化鋁、硫酸鋁鉀)、堿類(氫氧化鈣、氫氧化鈉)和有機(jī)高分子化合物類(殼聚糖、聚丙烯酰胺)，首先考察和比較這幾種絮凝劑的濃度和絮凝靜置時(shí)間對埃氏小球藻的絮凝效應(yīng)，從而篩選出適合小球藻絮凝的理想絮凝劑，然后對其絮凝條件進(jìn)一步優(yōu)化，確立高效采收埃氏小球藻的絮凝工藝條件。本研究可為建立規(guī)模化培養(yǎng)小球藻高效低成本采收工藝體系提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 藻種及培養(yǎng)條件

1.1.1 藻種來源

本研究所采用的小球藻種篩選自野外水樣，經(jīng)平板分離所得，純化培養(yǎng)后經(jīng)18sRNA鑒定其為埃氏小球藻，是常見的淡水小球藻。

1.1.2 培養(yǎng)條件

試驗(yàn)所用液體培養(yǎng)基為BG11培養(yǎng)基[10]，121 ℃高壓滅菌20 min備用。試驗(yàn)用固體培養(yǎng)基為瓊脂-BG11培養(yǎng)基，稱取適量的瓊脂粉添加到液體培養(yǎng)基BG11中，使其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%，高壓滅菌20 min后倒平板備用。

1.2 小球藻的培養(yǎng)

本試驗(yàn)中小球藻的培養(yǎng)方法為：(1)將原藻液稀釋1 000倍，取200 μL稀釋后的藻液涂布于平板固體培養(yǎng)基上，置于光照培養(yǎng)箱(25 ℃、光強(qiáng)2 000 lx、光暗比12 h∶12 h)中培養(yǎng)。(2)15 d后待長出肉眼可見的綠色藻落后用顯微鏡進(jìn)行觀察，如藻體有污染需進(jìn)一步純化，直到平板中的藻落沒有雜藻和細(xì)菌等污染時(shí)，挑取部分藻落放入裝有50 mL已滅菌液體培養(yǎng)基的錐形瓶中，置于光照培養(yǎng)箱(25 ℃、光強(qiáng)4 000 lx、光暗比12 h∶12 h)中培養(yǎng)。(3)培養(yǎng)20 d后取上述錐形瓶中的藻液接種于裝有1 L的BG11培養(yǎng)基的藍(lán)蓋瓶中，通入含有體積比3% CO2的空氣-CO2混合氣，置于培養(yǎng)架(光照4 000 lx、光暗比12 h∶12 h)培養(yǎng)，每天定時(shí)取樣，在680 nm處測定吸光度并繪制生長曲線。

1.3 小球藻的絮凝方法

根據(jù)生長曲線和藻液的OD值，取100 mL處于對數(shù)期的小球藻藻液，置于100 mL小燒杯中，并加入一定濃度的絮凝劑，在磁力攪拌器上快速攪拌2 min后靜置一定時(shí)間，待靜置結(jié)束后用移液槍從溶液中部同一位置吸取適量藻液，測定吸光度值。加入的絮凝劑共有8種，分別為氯化鐵、硫酸鐵、氯化鋁、硫酸鋁鉀、氫氧化鈣、氫氧化鈉、殼聚糖和聚丙烯酰胺，每種絮凝劑共設(shè)置7個(gè)濃度梯度0.1、0.3、0.5、0.7、0.9、1.2、1.5 g· L-1，和7個(gè)靜置時(shí)間梯度5、10、20、30、40、60、80 min。注意：吸取藻液時(shí)不能改變位置，動(dòng)作幅度盡量要小，避免已絮凝的藻體上浮。

1.4 小球藻絮凝效率的計(jì)算

根據(jù)式(1)計(jì)算微藻的絮凝效率[11]。

絮凝效率=(OD1-OD2)/OD1×100%

(1)

式中：OD1為取適量對數(shù)期藻液的OD值，OD2為絮凝沉降后的的OD值。

1.5 絮凝條件的優(yōu)化

1.5.1 藻液pH

用1 mol·L-1的HCl溶液和NaOH溶液調(diào)節(jié)藻液pH，設(shè)定pH為5、6、7、8、9，藻液OD為1.2，加入濃度為0.5 g·L-1的氫氧化鈣絮凝，攪拌速率150 r·min-1，攪拌時(shí)間2 min，靜置80 min觀察絮凝情況，計(jì)算絮凝效率。

1.5.2 攪拌時(shí)間

設(shè)定攪拌時(shí)間0.5、1、2、4、6 min，加入濃度為0.5 g·L-1的氫氧化鈣絮凝，攪拌速率150 r·min-1，pH調(diào)節(jié)至8，藻液OD為1.2，靜置80 min觀察絮凝情況。

1.5.3 攪拌速率

設(shè)定攪拌速率50、100、150、200、300 r·min-1，加入濃度為0.5 g·L-1的氫氧化鈣絮凝，攪拌時(shí)間為2 min，pH調(diào)至8，藻液OD為1.2，靜置80 min觀察絮凝情況。

1.5.4 藻液濃度

取原藻液用BG11培養(yǎng)基稀釋至不同濃度，測定OD值分別為0.5、0.8、1.2、1.7、2.2，加入濃度為0.5 g·L-1的氫氧化鈣絮凝，攪拌速率150 r·min-1，攪拌時(shí)間2 min，靜置80 min觀察絮凝情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同金屬鹽對小球藻絮凝效應(yīng)

2.1.1 鐵鹽對小球藻的絮凝效應(yīng)

如圖1、圖2所示，氯化鐵濃度在0.1～0.9 g·L-1之間絮凝效果不顯著，1.2～1.5 g·L-1絮凝效率增長較為突出，其中氯化鐵濃度為1.5 g·L-1，靜置80 min達(dá)到最大絮凝效率87%；而硫酸鐵濃度在0.1～0.9 g·L-1之間絮凝效率隨時(shí)間增長而增大，在1.2～1.5 g·L-1時(shí)，絮凝效率較低，其中硫酸鐵濃度達(dá)到0.3 g·L-1，靜置80 min，達(dá)到最大絮凝效率95%。

圖1 氯化鐵對小球藻絮凝效率的影響Fig.1 Effect of ferric chloride on chlorella flocculation efficiency

圖2 硫酸鐵對小球藻絮凝效率的影響Fig.2 Effect of ferric sulfate on chlorella flocculation efficiency

這兩種鐵鹽對小球藻均有較顯著的絮凝效果，但高濃度的硫酸鐵含有更多的Fe3+,大量的陽離子吸附在藻體表面，反而使得絮體相斥，降低了絮凝效率，因此適合小球藻絮凝的鐵鹽為0.3 g·L-1硫酸鐵，絮凝后靜置80 min，最大絮凝效率為95%。

2.1.2 鋁鹽對小球藻的絮凝效應(yīng)

如圖3、圖4所示，靜置80 min，氯化鋁濃度為0.7 g·L-1時(shí)，絮凝效率達(dá)到最大79%，；硫酸鋁鉀濃度達(dá)到0.5～0.9 g·L-1時(shí)，靜置80 min絮凝效率隨濃度的增加而增大，濃度為0.9 g·L-1，絮凝效率達(dá)到最大97%。

圖3 氯化鋁對小球藻絮凝效率的影響Fig.3 Effect of aluminium chloride on chlorella flocculation efficiency

圖4 硫酸鋁鉀對小球藻的絮凝效率的影響Fig.4 Effect of aluminium potassium sulphate on chlorella flocculation efficiency

圖5 氫氧化鈣對小球藻絮凝效率的影響Fig.5 Effect of calcium hydroxide on chlorella flocculation efficiency

圖6 氫氧化鈉對小球藻絮凝效率的影響Fig.6 Effect of calcium hydroxide on chlorella flocculation efficiency

總體而言，兩種鋁鹽對小球藻均有絮凝效果，硫酸鋁鉀的效果要優(yōu)于氯化鋁，綜合成本考慮，濃度為0.7 g·L-1硫酸鋁鉀是最適合小球藻絮凝的鋁鹽，靜置80 min，最大絮凝效率為95%。

2.1.3 堿類對小球藻的絮凝效應(yīng)

如圖5、圖6所示，氫氧化鈣對藻液的絮凝效率隨濃度增加而增加，而氫氧化鈉對藻液的絮凝效率隨濃度增加先增大后減小。氫氧化鈉濃度為0.9 g·L-1時(shí)靜置80 min，小球藻的絮凝效率最高為93%；氫氧化鈣濃度在0.7～1.5 g·L-1區(qū)間時(shí)，靜置20 min，絮凝效應(yīng)≥90%，高濃度的氫氧化鈣雖然加速了小球藻的絮凝，但過多的鈣鹽會(huì)附著在藻體表面，使得藻體發(fā)白，影響小球藻下游產(chǎn)業(yè)發(fā)展，綜合考慮，濃度為0.5 g·L-1的氫氧化鈣為適宜小球藻絮凝的濃度，絮凝后靜置80 min，絮凝效率97%。

2.1.4 有機(jī)類對小球藻的絮凝效應(yīng)

如圖7、圖8所示，絮凝效應(yīng)隨殼聚糖、聚丙烯酰胺濃度和絮凝時(shí)間的增加而增大，但不顯著；絮凝效應(yīng)隨著絮凝時(shí)間的增長而呈增加趨勢，隨著時(shí)間延長絮凝效應(yīng)增加趨勢明顯。靜置80 min，殼聚糖濃度1.5 g·L-1，最大絮凝效率34%；聚丙烯酰胺1.2 g·L-1，最大絮凝效率45%?？偟每磥?，有機(jī)高分子聚合物類的絮凝劑對小球藻絮凝效果并不理想，不宜作為小球藻的絮凝劑。

圖7 殼聚糖對小球藻絮凝效率的影響Fig.7 Effect of chitosan on chlorella flocculation efficiency

圖8 聚丙烯酰胺對小球藻絮凝效率的影響Fig.8 Effect of polyacrylamide on chlorella flocculation efficiency

2.2 最優(yōu)絮凝劑的選擇

由上述試驗(yàn)可以得出：硫酸鐵、硫酸鋁鉀、氫氧化鈉、氫氧化鈣可有效的對小球藻進(jìn)行絮凝。在達(dá)到最大絮凝效率時(shí)，各絮凝劑濃度分別是硫酸鐵0.3 g·L-1、硫酸鋁鉀0.7 g·L-1、氫氧化鈉0.9 g·L-1、和氫氧化鈣0.5 g·L-1。

在選擇絮凝劑時(shí)除了絮凝效率，絮凝成本也是一個(gè)重要因素。絮凝成本用式(2)計(jì)算。如表1所示，綜合成本、絮凝效果、絮凝效率、選擇氫氧化鈣作為最優(yōu)絮凝劑。

(2)

表1 幾種絮凝劑效率與成本的比較

Table 1 The comparison of flocculantion efficiency and cost between the flocculants

絮凝劑Flocc?ulant絮凝濃度/g·L-1Floccul?ationconcen?tration藻液濃度/g·L-1AlgaeConcent?ration絮凝效率/%Flocculationefficiency市售價(jià)格/元·t-1Marketprice絮凝成本/元·kg-1Floccu?lantcost氫氧化鈣050697650056氫氧化鈉0906932100338硫酸鐵0306951500081硫酸鋁鉀0706951750210

2.3 對氫氧化鈣絮凝條件的優(yōu)化

在對小球藻絮凝時(shí)發(fā)現(xiàn)，絮凝效率的高低還可能受其它方面因素的影響，本研究選擇氫氧化鈣為小球藻的絮凝劑，對絮凝過程中藻液pH值、攪拌速率、攪拌時(shí)間、藻液濃度、進(jìn)行條件優(yōu)化。

2.3.1 藻液pH對絮凝效率的影響

不同pH條件下絮凝效率如圖9所示。氫氧化鈣對小球藻的絮凝效率隨pH值增大而先增加后降低，當(dāng)藻液呈酸性時(shí)，氫氧化鈣絮凝效率降低，絮凝體生成減緩，而當(dāng)藻液呈弱堿性時(shí)，絮體較快生成，總得結(jié)果表明，pH值為8時(shí)，絮凝效率最高，達(dá)到97%。

圖9 不同pH值對小球藻的絮凝效率Fig.9 pH on chlorella flocculation efficiency

2.3.2 攪拌速率

不同攪拌速率條件下絮凝效率如圖10所示。隨攪拌速率的增加，小球藻絮凝效率先增加后降低，攪拌速率50 r·min-1時(shí)，氫氧化鈣無法完全溶解，藻體與絮凝劑接觸時(shí)間減少，絮凝效率降低，而攪拌速率達(dá)到300 r·min-1時(shí)，已形成的絮體又再次分散開來，總得結(jié)果表明，攪拌速率為150 r·min-1時(shí)，絮凝效率最高，達(dá)到97%。

圖10 不同攪拌速率對小球藻的絮凝效率Fig.10 The effect of stirring speed on chlorella flocculation efficiency

2.3.3 攪拌時(shí)間

不同攪拌時(shí)間條件下絮凝效率如圖11所示。隨攪拌時(shí)間的延長，絮凝效率先增加后降低，攪拌時(shí)間為0.5 min時(shí)，絮凝效果不完全，而時(shí)間為6 min時(shí)，形成的絮體又會(huì)再次分散，攪拌時(shí)間為2 min時(shí)，達(dá)到最高絮凝效率。

圖11 不同攪拌時(shí)間對小球藻的絮凝效率Fig.11 The effect of mixing time on chlorella flocculation efficiency

2.3.4 藻液濃度

圖12 不同藻液OD值對小球藻的絮凝效率Fig.12 The effect of algae OD on chlorella flocculation efficiency

不同藻液濃度條件下絮凝效率如圖12所示。隨OD值的增加，絮凝效率先增大后降低，藻液濃度在藻液OD值為0.8、1.2時(shí)，均達(dá)到最高絮凝效率，當(dāng)藻液OD為2.2時(shí)，藻體濃度過高，絮凝體生成不完全，絮凝效率最低，綜合經(jīng)濟(jì)效益考慮最適藻液OD值選擇1.2。

3 討論與結(jié)論

從埃氏小球藻絮凝試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，不同類型絮凝劑對小球藻絮凝效果不同，金屬鹽類絮凝劑，通過中和藻體表面的負(fù)電荷，使藻體斥力減弱、極性降低、碰撞幾率增大，形成絮體，而金屬陽離子還可與水結(jié)合生成弱電解質(zhì)形成氫氧化物，絮體與其呈網(wǎng)捕作用，隨著自然重力沉降；本文選用的4種金屬鹽中，硫酸鐵和硫酸鋁鉀絮凝效果較好，這與郭婷婷等[12]研究結(jié)果一致；曲孟[13]在海水小球藻絮凝采收工藝中研究發(fā)現(xiàn)氫氧化鈣、硫酸鋁、三氯化鐵均對小球藻均有明顯絮凝效果，與本文所得結(jié)果一致。堿類絮凝劑中氫氧化鈣與金屬鹽的絮凝機(jī)理類似，而氫氧化鈉的絮凝機(jī)理是通過調(diào)節(jié)藻液的pH，使藻體斥力減少，實(shí)現(xiàn)自絮凝[14]，研究發(fā)現(xiàn)弱堿性的藻液有利于藻體絮凝，相較于金屬鹽絮凝后培養(yǎng)液陽離子不易去除而言，氫氧化鈣絮凝后的培養(yǎng)液中殘存的鈣離子通入適量二氧化碳即可去除，本研究選用氫氧化鈣作為最優(yōu)絮凝劑，這與王鷹燕[15]選取5種絮凝劑對小球藻的絮凝工藝的研究以及薛蓉等[16]在絮凝法采收小球藻的研究中所得結(jié)果均一致。

微藻作為一種高效的光合自養(yǎng)型生物，以其“不與人爭糧、不與糧爭地”的特性，具有廣闊的應(yīng)用前景，隨著科技進(jìn)步，當(dāng)前微藻產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入蓬勃發(fā)展的時(shí)期，微藻的培養(yǎng)、采收、加工也必將實(shí)現(xiàn)科技化、規(guī)范化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。其中采收環(huán)節(jié)效率的提高將更進(jìn)一步的減少下游產(chǎn)業(yè)的成本。當(dāng)前規(guī)?；墒辗椒ǚN類眾多，絮凝法簡便易行成本低廉，本研究通過對比8種不同絮凝劑對小球藻絮凝沉降實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)果：靜置80 min，使用0.3 g·L-1硫酸鐵，0.7 g·L-1硫酸鋁鉀，0.5 g·L-1氫氧化鈣，絮凝效率均≥95%，而0.9 g·L-1的氫氧化鈉作為絮凝劑，絮凝效率達(dá)到93%；其余絮凝劑，都未能對小球藻實(shí)現(xiàn)高效絮凝；在以上4種備選絮凝劑中綜合經(jīng)濟(jì)效益考慮，選擇氫氧化鈣作為埃氏小球藻最優(yōu)絮凝劑。對其絮凝條件優(yōu)化后發(fā)現(xiàn)，藻液pH值為8、藻液OD值為1.2、攪拌速率150 r·min-1、攪拌時(shí)間2 min時(shí)，靜置80 min，0.5 g·L-1氫氧化鈣對埃氏小球藻的絮凝效率最高達(dá)到97%。

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(編輯：武英耀)

Eight different flocculants study ofChlorellaemersoniiflocculation effect

Zhao Kui, Wang Yajun, Wu Zhenjin, Chen Tong, Ji Chunli, Xue Jin’ai, Li Runzhi*

(InstituteofMolecularAgriculturalandBioenergy,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801,China)

[Objective]Flocculation was distinguished as a promising method in microalgae harvest for its low cost and easy operation.For the establishment of a simple and efficient system to collect microalgae.[Methods]Eight flocculant including metal salts (ferric chloride, ferric sulfate, aluminium chloride and aluminium potassium sulphate), alkaline (sodium hydroxide and calcium hydroxide), and organic polymer compounds (polyacrylamide and chitosan), were chosen to flocculateChlorellaemersoniiin this study, moreover, the flocculated efficiency using different flocculants and appropriate conditions were explored.[Results]Ferric sulfate, aluminium potassium sulphate, sodium hydroxide and calcium hydroxide were effective flocculant for microalgae flocculation considering their flocculation efficiency and consumption. The flocculation efficiency could reached 95% after 80 minutes standing with 0.3 g L-1ferric sulfate or 0.7 g L-1aluminium potassium sulphate. When using calcium hydroxide and sodium hydroxide as flocculants, the flocculation efficiency achieved 97% and 93% with the concentration of 0.5 and 0.9 g L-1respectively.[Conclusion]In view of efficiency, cost and environmental, effect inChlorellaflocculation, calcium hydroxide was selected as the optimal flocculant and other experimental conditions were also optimized then. Results indicated that optimum conditions for flocculation were pH =8, algae solution OD680=1.2, stirring speed 150 r min-1and mixing time 2 min.

Chlorellaemersonii, Harvest, Flocculation, Flocculant, Flocculation efficiency

2016-08-05

2016-09-13

趙奎(1992-)，男(漢)，山西武鄉(xiāng)人，碩士研究生，研究方向：生物能源代謝工程

*通信作者：李潤植，教授，博士生導(dǎo)師。Tel:0354-6288374; E-mail:rli2001@hotmail.com

國家“948”項(xiàng)目(2014-Z39)，山西省煤基重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(FT-2014-01)

Q949.21

A

1671-8151(2017)01-0054-06