椰子油提取物在絮凝收集柵藻中的應(yīng)用

邵文堯，滕飛雪，胡超群，閆夢文，彭淑女

(廈門大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，福建 廈門 361005)

微藻類植物多為水生，且分布廣泛，其細(xì)胞通過代謝能產(chǎn)生多糖、不飽和脂肪酸和色素等生物活性物質(zhì)[1]，因此在食品[2]、醫(yī)藥[3]、CO2固定[4]、污水處理[5]和生物能源生產(chǎn)[6]等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。但由于微藻細(xì)胞本身個體小(3～30 μm),表面攜帶電荷并且培養(yǎng)濃度低，微藻采收成本高居不下，其采收成本一般占其養(yǎng)殖成本的20%～30%[7]。傳統(tǒng)的微藻收集方法包括沉降法[8]、泡載法[9]、氣浮法[10]、化學(xué)絮凝沉淀法[11]和電絮凝法[12]等。傳統(tǒng)的絮凝沉淀法，雖然其操作簡單，但所用的絮凝劑會污染微藻及其目標(biāo)產(chǎn)物，提取目標(biāo)產(chǎn)物時需要分離有害的表面活性劑，增加了工藝的復(fù)雜性。

椰子油提取物作為絮凝劑可用于高濃度工業(yè)廢水處理。該組合絮凝劑組成包括椰子油提取物、FeCl3和聚合AlCl3等物質(zhì)，能有效減少廢水中的有毒成分，處理后的廢水滿足國家排放標(biāo)準(zhǔn)[13]。此外，椰子油提取物作為絮凝劑還可用于城市廢水的處理，具有高效、無毒和安全等特點(diǎn)[14]。天然椰子油提取物經(jīng)過溫和的工藝從成熟椰肉中制備，不經(jīng)過高溫加熱，是一種不需化學(xué)物質(zhì)精煉的非離子型絮凝劑[15]。采用天然無害的椰子油作為絮凝劑收集微藻，可省去目標(biāo)產(chǎn)物與絮凝劑的分離。

高溫柵藻是一種具有較高葉黃素含量和生物量產(chǎn)率的微藻，被認(rèn)為是一種新興的葉黃素來源[16]，且高溫柵藻收集方式的研究尚未有相關(guān)報(bào)道。

基于以上背景，本文研究椰子油提取物作為一種天然絮凝劑對高溫柵藻的采收條件，比較其與傳統(tǒng)化學(xué)絮凝劑對高溫柵藻收集率的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

高溫柵藻分離自臺灣南部；所用試劑(包括椰子油提取物)均為分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 方法

1.2.1 柵藻的培養(yǎng)

培養(yǎng)條件：溫度為30 ℃，磁力攪拌轉(zhuǎn)速為300 r/min，CO2體積分?jǐn)?shù)為2.5%，通氣量為0.2 mL/(mL·min)；光照強(qiáng)度為100 lx；培養(yǎng)3～5 d，培養(yǎng)裝置如圖1所示。

圖1 1 L光生物反應(yīng)器培養(yǎng)示意Fig.1 Schematic diagram of 1 L light bioreactor

1.2.2 絮凝收集藻液效果測試

配制天然椰子油提取物絮凝劑與傳統(tǒng)化學(xué)絮凝劑，添加進(jìn)培養(yǎng)好的藻液里進(jìn)行絮凝作用，考察不同絮凝劑濃度、體系pH、靜置時間、攪拌時間及攪拌轉(zhuǎn)速對椰子油絮凝劑絮凝效果的影響，確定最佳絮凝條件。在最佳絮凝條件下，進(jìn)行椰子油絮凝劑與傳統(tǒng)化學(xué)絮凝劑的絮凝效果比較。通過測量絮凝發(fā)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計(jì)算見式(1)。

R=(OD0-OD1)/OD0×100%

(1)

式中：OD0為絮凝發(fā)生前藻液的光密度，OD1為絮凝發(fā)生后藻液的光密度。

2 結(jié)果與討論

2.1 椰子油提取物濃度對絮凝收集藻液效果的影響

分別以不同質(zhì)量濃度的椰子油提取物為絮凝劑，加入100 mL培養(yǎng)好的藻液，改變各濃度下絮凝過程靜置時間(以15 min為梯度)，在其他相同的絮凝條件下(體系為自然pH，攪拌轉(zhuǎn)速為300 r/min，攪拌時間為3 min)測定藻液上清液OD1，結(jié)合起始藻液OD0，求各條件下的收集率R，結(jié)果如圖2所示。

圖2 椰子油提取物濃度對藻液收集率的影響Fig.2 Effects of coconut oil extract concentrations on collection rate

由圖2可知：在體系為自然pH、攪拌轉(zhuǎn)速為300 r/min以及攪拌時間為3 min的條件下，改變靜置時間，每種濃度的椰子油絮凝劑絮凝效果均呈現(xiàn)加強(qiáng)趨勢，但絮凝過程較為緩慢，靜置時間為210 min時，收集率均小于80%。相同靜置時間下，質(zhì)量濃度為0.04 g/L的椰子油絮凝劑收集藻液的效果相對較好，但仍劣于行業(yè)內(nèi)報(bào)道的傳統(tǒng)化學(xué)絮凝劑。因此，選取0.04 g/L椰子油絮凝劑作為收集藻液的最佳濃度條件。

2.2 體系pH對椰子油絮凝收集藻液效果的影響

配制含椰子油提取物質(zhì)量濃度為0.04 g/L的100 mL藻液7份，分別調(diào)節(jié)其pH為1、3、5、7、9、11和13，其他條件為靜置時間為30 min，攪拌轉(zhuǎn)速為300 r/min，攪拌時間為3 min，測定起始藻液OD0及上清液OD1，計(jì)算收集率R，結(jié)果如圖3所示。

圖3 體系pH對收集率的影響Fig.3 Effect of different pH on collection rate

由圖3可以看出：椰子油絮凝過程的收集率R在體系pH為3時達(dá)到最大值95%，且在靜置時間30 min內(nèi)完成，絮凝時間大大縮短，收集率也大幅度提高，可能原因是pH改變了溶液電荷，影響絮凝劑與柵藻的結(jié)合。

2.3 靜置時間對椰子油絮凝收集藻液效果的影響

配制含椰子油提取物質(zhì)量濃度為0.04 g/L的100 mL藻液8份，調(diào)節(jié)藻液pH為3，分別靜置5、15、25、35、45、55、65和75 min，取上清液測OD1，其他條件為攪拌轉(zhuǎn)速300 r/min，攪拌時間為3 min，結(jié)合起始藻液OD0，計(jì)算收集率R，結(jié)果如圖4所示。

圖4 靜置時間對收集率的影響Fig.4 Effect of the standing time on collection rate

由圖4可知：隨著絮凝時間的延長，絮凝效果先增強(qiáng)，而后在靜置時間15 min后趨于平穩(wěn)。這是因?yàn)橐佑托跄齽┘尤雙H=3的藻液后，迅速與藻細(xì)胞結(jié)合在一起，使體系中出現(xiàn)大量的絮狀物懸浮，在重力作用下漸漸地沉降下來，慢慢達(dá)到飽和狀態(tài)；在15 min左右變化趨于緩慢，這是由于隨著時間的延長，柵藻的采收速率越來越接近最大值。從經(jīng)濟(jì)角度和操作難度來考慮，選用靜置15 min來采收柵藻，此時椰子油絮凝收率為93%。

2.4 攪拌時間對椰子油絮凝收集藻液效果的影響

配制含椰子油提取物質(zhì)量濃度為0.04 g/L的100 mL藻液6份，調(diào)節(jié)藻液pH為3，靜置時間為15 min，攪拌轉(zhuǎn)速為300 r/min，攪拌時間分別為1、2、3、4、5和6 min，測定起始藻液OD0及上清液OD1，計(jì)算收集率R，結(jié)果見圖5。

圖5 攪拌時間對收集率的影響Fig.5 Effect of the stirring time on collection rate

由圖5可知：在藻液pH=3、椰子油提取物為0.04 g/L時，靜置15 min，攪拌速率300 r/min，收集率隨攪拌時間的延長而增加；在攪拌時間為2 min時，椰子油提取物的收集率達(dá)到97%；在攪拌時間為2～6 min時，柵藻的收集率增加的不多。從經(jīng)濟(jì)角度和操作難度來考慮，可選用攪拌時間2 min來采收柵藻，此時椰子油提取物的收集率為97%。

2.5 攪拌轉(zhuǎn)速對椰子油提取收集藻液效果的影響

配制含椰子油提取物質(zhì)量濃度為0.04 g/L的100 mL藻液5份，調(diào)節(jié)藻液pH為3，靜置時間為15 min，攪拌時間為2 min，攪拌轉(zhuǎn)速分別為100、150、250、350、450和550 r/min，測定起始藻液OD0及上清液OD1，計(jì)算收集率R，結(jié)果如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)速對收集率的影響Fig.6 Effect of the stirring speeds on collection rate

由圖6可知：加入絮凝劑后，攪拌速率的大小對柵藻最終的采收效率有較大影響，隨著攪拌速率的增大，收集率先增大后減小。攪拌速率在150 r/min以下時，采收速率隨著攪拌速率增加而顯著增加，這可能是因?yàn)閿嚢杷俾试黾?，絮凝劑與柵藻混合程度增加，加大了絮凝劑與柵藻細(xì)胞的結(jié)合幾率，因此可提高采收效率。當(dāng)攪拌速率大于150 r/min時，采收速率呈現(xiàn)下降趨勢，這主要可能是過快的攪拌速率導(dǎo)致柵藻與絮凝劑結(jié)合之后的二次分離，使絮凝劑與柵藻的分散程度增加，從而導(dǎo)致收集率出現(xiàn)下降。此外，過大的攪拌速率會延長后續(xù)的靜置時間，這會增加整個工藝時間，從而使產(chǎn)業(yè)成本增加。綜合考慮，最佳攪拌速率取150 r/min，此時在所有最佳條件的綜合作用下，絮凝收集率達(dá)97.3%。

2.6 化學(xué)絮凝劑與椰子油絮凝劑絮凝收集藻液的效果比較

基于以上椰子油絮凝劑的最佳工藝條件，分別以0.04 g/L的 AlCl3、FeCl3、Ca(OH)2和椰子油提取物為絮凝劑，添加至100 mL藻液中，調(diào)節(jié)體系pH為3，靜置時間15 min，攪拌時間2 min，攪拌速率150 r/min，考察絮凝劑的絮凝效果，測定起始藻液OD0及上清液OD1，計(jì)算收集率R，結(jié)果見圖7。

圖7 不同絮凝劑對藻液絮凝效果的影響Fig.7 Effect of different flocculants on collection rate

由圖7可知：在相同的絮凝條件(椰子油絮凝劑的最佳工藝條件)下，幾種傳統(tǒng)的化學(xué)絮凝劑收集藻液效果不比椰子油絮凝劑強(qiáng)，在此條件下，椰子油絮凝劑的絮凝效果已經(jīng)較為優(yōu)異，絮凝收集率已達(dá)97.3%，幾種傳統(tǒng)化學(xué)絮凝劑在其各自最佳條件下表現(xiàn)出來的絮凝效果略強(qiáng)于椰子油絮凝劑。此外，椰子油提取物作為絮凝劑安全、無毒，而傳統(tǒng)化學(xué)絮凝劑不僅在絮凝收集的過程中污染藻液及其目標(biāo)產(chǎn)物，需要進(jìn)行二次分離，而且若使用量過大，還會造成環(huán)境污染。更為重要的是，椰子油提取物的價(jià)格較為低廉，如果大規(guī)模應(yīng)用，其運(yùn)行成本低。

3 結(jié)論

椰子油提取物質(zhì)量濃度為0.04 g/L、體系pH為3、靜置時間15 min、攪拌時間2 min以及攪拌速率150 r/min時，絮凝收集柵藻效果最優(yōu)，收集率達(dá)到97.3%，其收集效果不差于化學(xué)絮凝劑。由于椰子油提取物具備了天然環(huán)保無毒害的優(yōu)點(diǎn)，表現(xiàn)出一定的應(yīng)用前景。