CN102127509A - 分离微藻的方法、装置和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及分离微藻的方法、装置和系统。具体涉及从微藻悬浮液中分离微藻的方法，其包括以下步骤：a)提供含有藻类的悬浮液；b)向所述悬浮液中加入表面活性剂或表面活性剂的溶液，使所述表面活性剂溶解或分散；c)从所述溶解表面活性剂的悬浮液的底部充入气泡，使气泡在上升过程中与微藻接触；d)使所述微藻吸附在气泡上，以形成包含气泡和藻类的聚集物；e)使所述聚集物上浮到该悬浮液的液面上，形成泡沫层；f)收集所述聚集物构成的泡沫层。本发明方法、装置和系统对设备要求较低、经济、利于放大生产和产业化应用。

Description

分离微藻的方法、装置和系统

技术领域：

本发明涉及微藻分离技术，特别涉及一种采用表面活性剂来分离微藻的技术。

背景技术：

微藻是一类个体微小的光能自养和/或异养型单细胞生物，具有分布广泛、种类繁多、光合效率高、生长速度快、适应性强等特点。微藻每年固定的CO₂约占全球净光合产量的40％，再加上其富含酯类、烃类、蛋白、可溶性多糖，以及虾青素、β-胡萝卜素等高价值天然色素，因此在环保、能源和健康等问题倍受瞩目的今天，微藻越来越受到人们的关注。

微藻分离和收集中存在的问题一直是制约微藻产业发展的瓶颈。由于微藻个体微小、生物量浓度通常较低，且细胞密度与水体相当，故利用传统的固液分离手段(离心、过滤、絮凝沉淀等)普遍存在着能耗高、效率低等问题。

中国专利申请(申请号：97180873.2，公开日：2000.01.12，公开号：CN1241209A)公开了一种破裂水悬液中微藻细胞的方法，其一个实施方案是通过如下方式使水悬液在足以破裂细胞的压力下，经压缩部进入液相：使水悬液在足以破裂细胞的压力和再循环百分数下，循环通过泵环路中的压缩部，借助于该方法，可使盐生杜氏藻(Dunaliella salina)细胞破裂，从而促进为了回收混合类胡萝卜素对这种细胞的泡沫浮选和机械过滤作用。中国专利申请(申请号：97180868.6，公开日：2000.01.12，公开号：CN1241149A)公开了从盐生杜氏藻中回收混合类胡萝卡素的方法和系统，其采用在高压下使藻悬浮液通过泵环路循环破坏所收获的细胞，然后利用气泡吸附分离技术使细胞脱水，该技术包括具有粗选区和精选区的泡沫浮选回路；还公开了从藻中提取混合类胡萝卜素和其它成分的各种方法，其中包括高密度气体萃取以及采用天然的和合成的香味剂和食用油萃取。中国专利申请(申请号：97180839.2，公开日：2000.01.12，公开号：CN1241148A)公开了一种微藻水悬浮液的脱水方法，将微藻水悬浮液通入气泡塔或改造的气泡塔，产生泡沫和被吸附的水藻细胞，使水藻从水悬浮液中得以分离，其一个实施方案是，气泡塔为多级循环流浮选塔，具有3个循环流区域，每个区域由安装在塔中央的引流管限定，并将每个循环流区域分为上流管和下流管，气体细泡与盐水在上流管中并流上流，在下流管中并流下流，在下流管中盐水在循环流中向下循环上流管内气体滞留量比下流管内气体滞留量高，盐水在循环流中循环，向上通过上流管，向下通过下流管，相邻两个循环流区域的液体交流基本可以避免，形成富集水藻的泡沫，水藻与盐水实现了分离，该方法可以用于从盐生杜氏藻中提取混合类胡萝卜素。然而，上述收集微藻细胞中类胡萝卜素的方法存在着专一性强、广泛适用性差的缺点。收集之前先要将细胞破碎，使细胞里面的目的提取物(例如类胡萝卜素)等物质的溶出，以利于类胡萝卜素的泡沫分离提取。但是一方面，有的微藻细胞壁厚实、不易破碎，如眼睑拟微球藻利用高压均质机在2000bar下仍不能破壁；另一方面，若微藻中目标提取物易氧化，则用于鼓泡的气体中不能含有氧气，整个分离过程应尽量避免与氧气/空气接触。因此，上述公开的方法具有很大的局限性。

中国专利申请(申请号：200910202971.3，公开日：2009.10.14，公开号：CN101555455A)公开了利用调节pH值使微藻细胞絮凝的气浮法，它们均采用了调节藻液的pH值使微藻细胞絮凝为多细胞的聚集体，然后通入微气泡，并与藻细胞絮凝体结合，从而降低细胞絮凝体整体密度，使细胞絮凝体随上浮微气泡上升至液相(藻液)表面，最终利用溢流及刮板等方式收集液相表面的细胞絮凝体。上述藻细胞收集法同样存在着应用局限性，对于大多数藻不能利用调节藻液pH值的方法实现藻细胞絮凝或絮凝效果不佳，以致不能进行气浮收集；此外，采用气浮法收集到的终产物为藻细胞絮凝体的水溶液(即与初始藻液相比，最终得到藻细胞浓度较高的藻液)，含水量高、流动性好，后期还需进行更近一步的脱水及干燥处理，且由于藻细胞絮凝体含水量高，此过程能耗很高。

美国专利US6524486B2公开了一种从水中分离微藻细胞的方法。此方法先利用絮凝剂使水中的微藻细胞形成多细胞絮凝体；然后将其全部打入浮选塔，在浮选塔底部通入溶气水，以产生极其微小的气泡，并与水中的藻细胞絮凝体结合，从而降低细胞絮凝体整体密度，使细胞絮凝体随上浮微气泡上升至液相(藻液)表面，形成絮凝体层；接着调节浮选塔的出口(即溢流口)高度，使之与水面相齐，从而使絮凝体层沿出口溢出；最后利用滤布近一步浓缩收集到的藻细胞絮凝体，并进行干燥处理，最终得到干燥的藻粉。上述美国专利实质上为固液分离中应用较普遍的溶气气浮法：主要特征为(1)首先向藻液中加入了絮凝剂使微藻絮凝(US6524486B2中摘要3～6行)；(2)通入溶气水以产生微气泡(US6524486B2中第4页17～18，第5页20～21行)；(3)气泡(见本发明图2c，16)在藻液中与絮凝物(见本发明图2c，17)结合，从而降低泡沫-絮凝物整体密度，使絮凝物随上浮的气泡到达液面(US6524486B2中第5页25～32行)；(4)浮到液面上的含有微藻的泡沫，即气泡-絮凝物，沿溢流口被撇去(US6524486B2中摘要8～11行)。以上四点特征均与溶气气浮法特征相同：溶解空气气浮法，是使空气在适当的压力下，溶解于水中，然后突然减压，使絮凝的悬浮物颗粒，附在细小的气泡上，同气泡一起上浮到水面而被刮走(参见，马青山，等，絮凝化学和絮凝剂，中国环境科学出版社，1988年，第161页)。上述美国专利存在着如下不足：首先，溶气水的制备需要溶气泵或耐压储罐，而目前国产溶气泵产生的气泡较大，不能实现理想的气浮效果，而进口设备虽可形成极小的微气泡满足气浮要求，但成本较高，故此法对微气泡的质量要求较高，对设备要求也较高；其次，溶气气浮的终产物即上述含有微藻的泡沫层(即气泡-絮凝物)(图2d，18)总高度低，不利于絮凝物中的水份流出，使絮凝物含水量高、成液态，最终泡沫沿溢流口被撇出正证实了这一点；再次，得到的絮凝物含水量高仍需更近一步脱水处理。最后，由于絮凝物含水量高沿溢流口流出，因此为使絮凝物充分流出，需调节溢流口与藻液液面高度保持一致，从而使泡沫塔的结构复杂。

发明内容：

本发明所要解决的问题是提供一种简单、高效、能耗低的可用于自养和/或异养型微藻细胞分离的方法。

本发明人令人惊奇地发现，通过向微藻悬浮液中加入特别的表面活性剂，然后向该悬浮液中充入气泡，可以使细小的微藻聚集在气泡周围，并且聚集的微藻借助于气泡相对低的密度而上浮，从而可以有效的使微藻从悬浮液中分离出来。本发明基于上述发现而得以完成。

概括地说，本发明主要提供以下几个方面以及各个方面的更具体项：

本发明第一方面提供一种从微藻悬浮液中分离微藻的方法，其包括以下步骤：

a)提供含有藻类的悬浮液；

b)向所述悬浮液中加入表面活性剂或表面活性剂的溶液，使所述表面活性剂溶解或分散；

c)从所述溶解表面活性剂的悬浮液的底部充入气泡，使气泡在上升过程中与微藻接触；

d)使所述微藻吸附在气泡上，以形成包含气泡和藻类的聚集物；

e)使所述聚集物上浮到该悬浮液的液面上，形成泡沫层；

f)收集所述聚集物构成的泡沫层；和任选的

g1)使泡沫破裂，得到淤浆状的藻泥；

g2)使含有湿份的藻泥干燥，和/或

g3)除去所述含有湿份的藻泥或者干燥的藻泥中的表面活性剂。

根据本发明第一方面任一项的方法，其中所述步骤c)～f)是在微藻分离装置中进行。在一个实施方案中，所述微藻分离装置具有本发明第二方面任一项所述的特征。

根据本发明第一方面任一项的方法，其中所述含有藻类的悬浮液为水性悬浮液。在一个实施方案中，所述含有藻类的悬浮液选自：包含藻类的悬浮液、藻类培养液、来自微藻池的培养悬浮液、来自微藻反应器的培养悬浮液、来自自然界的长有微藻的溪流水、湖泊水、海洋水等、来自微藻分离过程处理(例如离心处理、过滤处理、溶剂例如有机溶剂处理，等等)之后的悬浮液，以及它们的浓缩物或任意组合物。

根据本发明第一方面任一项的方法，其中所述表面活性剂是离子型表面活性剂。在一个实施方案中，所述离子型表面活性剂是阳离子表面活性剂或两性离子表面活性剂。在一个实施方案中，所述离子型表面活性剂是阳离子表面活性剂，其选自：C_6-26烷基-NH₂、C_6-26烷基-NH(CH₃)、(C_6-26烷基)₂-NH、C_6-26烷基-N(CH₃)₂、(C_6-26烷基)₂-N(CH₃)、C_6-26烷基-N⁺(CH₃)₃、和(C_6-26烷基)₂-N⁺(CH₃)₂以及它们的盐。在一个实施方案中，所述离子型表面活性剂是阳离子表面活性剂，其选自：C_10-20烷基-NH₂、C_10-20烷基-NH(CH₃)、(C_10-20烷基)₂-NH、C_10-20烷基-N(CH₃)₂、(C_10-20烷基)₂-N(CH₃)、C_10-20烷基-N⁺(CH₃)₃、和(C_10-20烷基)₂-N⁺(CH₃)₂以及它们的盐。在一个实施方案中，所述离子型表面活性剂是阳离子表面活性剂，其选自：C_10-18烷基-NH₂、C_10-18烷基-NH(CH₃)、(C_10-18烷基)₂-NH、C_10-18烷基-N(CH₃)₂、(C_10-18烷基)₂-N(CH₃)、C_10-18烷基-N⁺(CH₃)₃、和(C_10-18烷基)₂-N⁺(CH₃)₂以及它们的盐。在一个实施方案中，所述离子型表面活性剂是阳离子表面活性剂，其具有以下式I或式II结构：

或其中R₁各自独立地是C_6-26烷基链或C_6-26烯基链(例如C_10-22烷基链或C_10-22烯基链，例如C_10-20烷基链，例如C_10-18烷基链，例如C_12-18烷基链)，R₂、R₃和R4_各自独立地是C_1-4烷基链(例如C_1-3烷基链，例如C_1-2烷基链，例如甲基、乙基)，X^-是可相容的阴离子(例如氟、氯、溴或碘离子)。在一个实施方案中，所述离子型表面活性剂是阳离子表面活性剂，其选自：十二烷基胺、十三烷基胺、十四烷基胺、十五烷基胺、十六烷基胺、十七烷基胺、十八烷基胺、二十烷基胺的盐，双十二烷基胺、双十三烷基胺、双十四烷基胺、双十五烷基胺、双十六烷基胺、双十七烷基胺、双十八烷基胺、双二十烷基胺，十二烷基二甲叔胺，二甲基十二、十四脂肪烷基苄基氯化铵，新洁尔灭，氯化苯扎铵，溴化十六烷基三甲铵，十二烷基三甲基季铵、十八烷基三甲基氯化铵、烷基苄基二甲基氯化铵，以及它们的盐。在一个实施方案中，所述阳离子表面活性剂是：碱金属盐例如钠盐、钾盐、锂盐，碱土金属盐例如钙盐、镁盐、铝盐，或者卤化物的盐例如与氟、氯、溴或碘成的盐特别是与氯或溴成的盐。在一个实施方案中，所述阳离子表面活性剂是十六烷基三甲基溴化铵。在一个实施方案中，所述表面活性剂是两面性离子型表面活性剂，其例如但不限于氨基酸型表面活性剂和甜菜碱型表面活性剂。在一个实施方案中，所述氨基酸型表面活性剂例如但不限于：十二烷基氨基丙酸甲酯、十二烷基氨基丙酸钠、十二烷基氨基二乙酸钠、十八烷基氨基丙酸钠。在一个实施方案中，所述甜菜碱型表面活性剂例如但不限于：十八烷基二甲基甜菜碱、十二烷基二羟乙基甜菜碱、二甲基十二烷基甜菜碱、二甲基椰子基甜菜碱。

根据本发明第一方面任一项的方法，其中所述表面活性剂是生物表面活性剂。在一个实施方案中，所述的生物表面活性剂是包含选自单糖、聚糖、氨基酸及其低聚物、羧基、磷酸基等的亲水基团以及C_6-26脂肪酰基链(例如C_8-22脂肪酰基链、C_10-20脂肪酰基链、C_12-20脂肪酰基链)的疏水基团的生物表面活性剂。在一个实施方案中，所述的生物表面活性剂选自鼠李糖脂、乙二醇脂、槐糖脂、海藻糖脂。

根据本发明第一方面任一项的方法，其中所述表面活性剂是以溶液的形式加入到微藻悬浮液中，即是将表面活性剂配制成浓缩溶液，这样有助于各方面的操作，例如加料的便利性、准确性、操作方便性等。在一个实施方案中，所述表面活性剂是以其水溶液的形式加入到微藻悬浮液中的。

根据本发明第一方面任一项的方法，其中所述表面活性剂是以0.001～100mmol/L的量加至所述含有藻类的悬浮液中；优选的加入量为0.001～10mmol/L、或为0.001～1mmol/L，或为0.01～100mmol/L、或为0.1～100mmol/L，或为0.01～10mmol/L、或为0.1～1mmol/L，或为0.001～0.01mmol/L、或为0.01～0.1mmol/L、或为0.1～1mmol/L、或为1～10mmol/L、或为10～100mmol/L。

根据本发明第一方面任一项的方法，其中所述表面活性剂是十六烷基三甲基溴化铵，其是以0.01～10mmol/L的量加至所述含有藻类的悬浮液中；优选的加入量为0.1～1mmol/L。

根据本发明第一方面任一项的方法，其中从所述溶解表面活性剂的悬浮液的底部充入的气泡为选自以下的气体：空气、二氧化碳、氮气、氧气、工厂废气(例如电厂、水泥厂、化工厂等工厂排放的废气)，优选为空气。在一个实施方案中，所述从所述溶解表面活性剂的悬浮液的底部充入的气泡的直径为约0.01～10mm，优选为约0.1～5mm，优选为约0.5～3mm，例如为约0.01～0.1mm、约0.1～1mm、约1～2mm、约2～4mm、约4～6mm。所述气泡充入到微藻悬浮液中的速度(或称为充气量)可以是不受限制的，而是可以根据具体的生产条件而作广泛的调整。所述的生产条件例如，但不限于，悬浮液中藻类的浓度、藻类的种类及比例、所用表面活性剂类型和用量、微藻分离装置的形状和尺寸以及悬浮液在所述微藻分离装置中的水平方向和垂直方向尺寸例如悬浮液的深度等、对悬浮液的处理时间以及悬浮液从微藻分离装置中排出的速度，等等。在一个实施方案中，所述气泡充入到微藻悬浮液中的速度(或称为充气量)可以是1～1000ml/升悬浮液/min，例如为10～100ml/升悬浮液/min，例如为20～80ml/升悬浮液/min，例如为1～10ml/升悬浮液/min，例如为10～50ml/升悬浮液/min，例如为50～100ml/升悬浮液/min，例如为100～200ml/升悬浮液/min，例如为200～300ml/升悬浮液/min，例如为300～500ml/升悬浮液/min，例如为500～1000ml/升悬浮液/min。

根据本发明第一方面任一项的方法，其中步骤c)向悬浮液充气以及使气泡与微藻接触的时间可以是不受限制的，而是可以根据具体的生产条件而作广泛的调整。所述的生产条件例如，但不限于，悬浮液中藻类的浓度、藻类的种类及比例、所用表面活性剂类型和用量、微藻分离装置的形状和尺寸以及悬浮液在所述微藻分离装置中的水平方向和垂直方向尺寸例如悬浮液的深度等、对悬浮液的处理时间以及悬浮液从微藻分离装置中排出的速度，等等。在一个实施方案中，所述步骤c)向悬浮液充气以及使气泡与微藻接触的时间可以是10分钟至10天，例如1小时至5天，例如2小时至2.5天，例如3小时至2天，例如3小时至24小时，例如5小时至12小时。在一个实施方案中，所述步骤c)向悬浮液充气以及使气泡与微藻接触的时间可以是使得在收集已形成的泡沫层之后，新形成的泡沫层无绿色和/或悬浮液层无绿色。

根据本发明第一方面任一项的方法，其中步骤e)中所述聚集物构成的泡沫层，其高度与悬浮液层高度是不受限制的，而是可以根据具体的生产条件而作广泛的调整。所述的生产条件例如，但不限于，悬浮液中藻类的浓度、藻类的种类及比例、所用表面活性剂类型和用量、微藻分离装置的形状和尺寸以及悬浮液在所述微藻分离装置中的水平方向和垂直方向尺寸例如悬浮液的深度等、对悬浮液的处理时间以及悬浮液从微藻分离装置中排出的速度，等等。在一个实施方案中，所述步骤e)中所述聚集物构成的泡沫层，其高度与悬浮液层高度比可以是0.1∶1至10∶1，例如0.5∶1至10∶1、例如1∶1至10∶1、例如2∶1至10∶1、例如3∶1至10∶1、例如5∶1至10∶1，或者例如0.5∶1至7.5∶1、例如0.5∶1至5∶1、例如0.5∶1至2.5∶1，或者约0.5∶1、约0.75∶1、约1∶1、约1.25∶1、约1.5∶1、约2∶1、约2.5∶1、约3∶1。

根据本发明第一方面任一项的方法，其中步骤f)收集的泡沫层和/或步骤g1)得到的藻细胞间的含水量不超过20％(wt/wt)，优选不超过15％(wt/wt)，优选不超过12％(wt/wt)，优选不超过10％(wt/wt)，优选不超过8％(wt/wt)，例如不超过10％(wt/wt)、不超过9％(wt/wt)、不超过8％(wt/wt)、不超过7％(wt/wt)、不超过6％(wt/wt)、不超过5％(wt/wt)，例如约10％(wt/wt)、约9％(wt/wt)、约8％(wt/wt)、约7％(wt/wt)、约6％(wt/wt)、约5％(wt/wt)。

根据本发明第一方面任一项的方法，其中所述的微藻或藻细胞可以是自养型藻细胞、异养型藻细胞或其任意组合。

根据本发明第一方面任一项的方法，其可以是不间断地、连续地从微藻悬浮液中分离微藻，亦可以是间断地、分批次地从微藻悬浮液中分离微藻。根据本发明第一方面任一项的方法，其中已完成分离操作的悬浮液可重复用于微藻培养等操作工艺。

本发明上述第一方面任一项的特征适用于本发明任何其它方面及任何其它方面的任一项。

本发明第二方面提供了一种微藻分离装置，其可用于本发明第一方面所述从微藻悬浮液中分离微藻的方法，亦可作为一个单元装置用于本发明第三方面所述微藻分离系统。

为此，本发明第二方面提供了一种微藻分离装置，其包括：

i)分离容器，其可用于容纳微藻悬浮液以及与该悬浮液分离的泡沫层；

ii)进液口，其设置于所述分离容器的上部，用于将微藻悬浮液导入所述分离容器中；

iii)排液口，其设置于所述分离容器的下部和/或底部，用于将经过分离处理的微藻悬浮液从所述分离容器中导出；

iv)曝气元件，其设置于所述分离容器的下部和/或底部，用于向所述微藻悬浮液输送气泡；和

v)泡沫导出部件，用于将从微藻悬浮液中经分离处理形成的泡沫层从所述分离容器中排出。

根据本发明第二方面任一项提供的微藻分离装置，其中所述的分离容器可以是任何形状的容器。在一个实施方案中，所述的分离容器是一圆柱桶状容器。进一步的，该圆柱状容器包括上顶、下底、和设置于上顶和下底之间的桶壁。在一个实施方案中，所述的进液口设置于所述桶壁的上部；优选地，从圆柱桶状容器的下底向上计，所述的进液口设置于桶壁高度的约4/8至小于8/8处，优选设置于桶壁高度的约5/8至小于8/8处、优选设置于桶壁高度的约6/8至小于8/8处、或约6/8至小于7/8处、或约7/8至小于8/8处。在一个实施方案中，所述的进液口设置于常规分离操作的悬浮液的液面以上。在一个实施方案中，所述的排液口设置于所述桶壁的下部；优选地，从圆柱桶状容器的下底向上计，所述的排液口设置于桶壁高度的约2/8以下，优选设置于桶壁高度的约1/8以下，或约0.5/8以下。在一个实施方案中，所述的排液口设置于所述分离容器的底部。在一个实施方案中，所述的进液口和/或排液口任选包括阀门以及流量调节器，以控制液体进出分离容器或者进出速度。

根据本发明第二方面任一项提供的微藻分离装置，其中所述的曝气元件向微藻悬浮液中充入的气泡的直径为约0.01～10mm，优选为约0.1～5mm，优选为约0.5～3mm，例如为约0.01～0.1mm、约0.1～1mm、约1～2mm、约2～4mm、约4～6mm。其充气速度可适用于本发明第一方面所述的特征。在一个实施方案中，所述的曝气元件设置于所述分离容器的下部并且优选接近或抵靠于分离容器的下底面；在本实施方案中，进一步的子方案是，所述的曝气元件可以是曝气管、曝气柱、曝气球等，其材质包括但不限于：金属、塑料、垂熔玻璃、多孔陶瓷、垂熔砂滤器、纤维、PVC、PVDF、PE、树酯、橡胶等等；在本实施方案中，可以通过导气管与所述曝气元件连通，以便向该曝气元件供应气体。在一个实施方案中，所述的曝气元件设置于所述分离容器的底部，即作为该分离容器的下底或者作为下底的一部分；在本实施方案中，进一步的子方案是，所述的曝气元件可以是曝气板、曝气片等，其材质包括但不限于：金属、塑料、垂熔玻璃、多孔陶瓷、垂熔砂滤器、纤维、PVC、PVDF、PE、树酯、橡胶、无机滤膜或有机滤膜等等；在本实施方案中，由于该曝气元件设置于所述分离容器的底部，作为该分离容器的下底或者作为下底的一部分，从而可以在所述分离容器的下底面以下设置一空腔，直接向所述该空腔内供应气体，使得气体可以经由该空腔通过曝气板、曝气片的曝气元件而进入分离容器内容纳的微藻悬浮液中。

根据本发明第二方面任一项提供的微藻分离装置，其中所述的泡沫导出部件是可用于将从微藻悬浮液中经分离处理形成的泡沫层从所述分离容器中排出。在一个实施方案中，所述的泡沫导出部件是泡沫导出管。在一个实施方案中，所述的泡沫导出部件是泡沫导出管，其设置于所述分离容器的顶部，亦可以设置于类似于上文针对进液口所述的高度。在本发明中，所述泡沫导出部件例如泡沫导出管设置于分离容器顶部是优选的。随着气泡不断形成，在悬浮液层上面形成的气泡层厚度逐渐增加，从而使得气泡层可以自动地从泡沫导出部件例如泡沫导出管溢出。

本发明上述第二方面任一项的特征适用于本发明任何其它方面及任何其它方面的任一项。

本发明第三方面提供了一种微藻分离系统，其可用于本发明第一方面所述从微藻悬浮液中分离微藻的方法，并且其可使用作为一个单元装置的本发明第二方面所述微藻分离装置。

为此，本发明第三方面提供了一种微藻分离系统，其包括：

①微藻悬浮液供应池，用于供应包含藻类并且待分离微藻的微藻悬浮液；

②表面活性剂储罐，其用于贮藏并向所述系统中提供表面活性剂或溶解有表面活性剂的溶液；

③本发明第二方面任一项所述的微藻分离装置，用于使微藻从其悬浮液中分离；

④物料输入单元，其用于将待处理的微藻悬浮液以及表面活性剂或其溶液输入到所述微藻分离装置(任选地和/或优选地，在将所述微藻悬浮液以及表面活性剂或其溶液输入到微藻分离装置中之前，该物料输入单元还可以使微藻悬浮液以及表面活性剂或其溶液混合均匀)；

⑤气体供应单元，其用于向所述微藻分离装置中供应气体，使气体经由所述曝气元件向微藻悬浮液中充入的气泡；

⑥泡沫收集罐，其用于收集从所述微藻分离装置的泡沫导出部件排出的泡沫(任选地和/或优选地，所述泡沫收集罐还可以为泡沫提供泡沫破裂而变成藻泥的场所)。

根据本发明第三方面任一项的微藻分离系统，其中所述微藻悬浮液供应池包括但不限于：微藻池、微藻反应器、微藻培养池、自然溪流、湖泊或海洋等。

根据本发明第三方面任一项的微藻分离系统，其中所述表面活性剂是以溶液的形式提供，以用于加入到微藻悬浮液中或与微藻悬浮液混合，即是将表面活性剂配制成浓缩溶液，这样有助于各方面的操作，例如加料的便利性、准确性、操作方便性等。在一个实施方案中，所述表面活性剂是以其水溶液的形式提供，以用于加入到微藻悬浮液中或与微藻悬浮液混合。

根据本发明第三方面任一项的微藻分离系统，其中所述物料输入单元用于将待处理的微藻悬浮液以及表面活性剂或其溶液输入到所述微藻分离装置的进液口。所述物料输入单元的一种实施方案是采用水泵(例如蠕动泵、活塞泵、柱塞泵、有齿轮泵、螺杆泵、叶片泵、水环泵、离心泵、轴流泵、混流泵、漩涡泵、喷射式泵)或利用势能差等输送各种溶液或物料，还可以采用混流泵或加设装有搅拌装置的混合罐等将各种物料混合。

根据本发明第三方面任一项的微藻分离系统，其中所述气体供应单元的一种实施方案是采用气泵、空气压缩机、鼓风机等，向所述曝气元件中输送气体例如空气，进一步经由该曝气元件向微藻悬浮液中充入的气泡。

根据本发明第三方面任一项的微藻分离系统，其中还包括第一表面活性剂去除装置。该第一表面活性剂去除装置与所述微藻分离装置的排液口连接，接受经微藻分离处理后从排液口排出的溶液，将该溶液中的表面活性剂除去，除去表面活性剂的溶液还可进一步返回到微藻悬浮液供应池，循环用于微藻的培养。在所述第一表面活性剂去除装置中，去除表面活性剂的方法是本领域技术人员公知的，其方法包括但不限于：水洗、有机溶剂洗脱(萃取)、烘培等等。

根据本发明第三方面任一项的微藻分离系统，其中还包括微藻干燥设备。该微藻干燥设备接受来自所述泡沫收集罐中的泡沫或者泡沫破裂后的藻泥，并将所述泡沫或藻泥干燥。所述的藻泥或其干燥品可用于后续的应用，例如用于制备生物柴油或者用于提取有效成分或者用于衍生产品的深加工。

根据本发明第三方面任一项的微藻分离系统，其中还包括第二表面活性剂去除装置。该第二表面活性剂去除装置与所述泡沫收集罐连接，或者与所述微藻干燥设备连接，接受泡沫收集罐中的泡沫或藻泥或者经干燥处理后的微藻，将该泡沫或藻泥或干燥微藻中的表面活性剂除去。在所述第二表面活性剂去除装置中，去除表面活性剂的方法是本领域技术人员公知的，其方法包括但不限于：水洗、有机溶剂洗脱(萃取)、烘培等等。

本发明上述第三方面任一项的特征适用于本发明任何其它方面及任何其它方面的任一项。

进一步地，本发明还可根据本发明第一方面的方法、第二方面的装置和第三方面的系统所获得的微藻或微藻衍生品。

为此，本发明第四方面提供了一种微藻，其由本发明第一方面任一项所述方法获得。或者，本发明第四方面提供了一种微藻，其中含有工业应用可接受的量的表面活性剂，所述表面活性剂如本发明第一方面任一项所述定义。或者，本发明第四方面提供了一种微藻，其由本发明第一方面任一项所述方法获得，并且该微藻中含有工业应用可接受的量的表面活性剂，所述表面活性剂如本发明第一方面任一项所述定义。

本发明第五方面提供了一种微藻衍生品，其由本发明第一方面任一项所述方法获得的微藻制成。或者，本发明第五方面提供了一种微藻衍生品，其中含有工业应用可接受的量的表面活性剂，所述表面活性剂如本发明第一方面任一项所述定义。或者，本发明第五方面提供了一种微藻衍生品，其由本发明第一方面任一项所述方法获得的微藻制成，并且该微藻衍生品中含有工业应用可接受的量的表面活性剂，所述表面活性剂如本发明第一方面任一项所述定义。进一步地，所述微藻衍生品例如但不限于：生物柴油、航空煤油、微藻油、乙醇、沼气、微藻提取物、食品、食品添加剂、饲料、饲料添加剂等。

本发明采用泡沫分离法收集微藻细胞，其适用性广，对各类微藻细胞普遍适用。尤其对于细胞微小、细胞壁厚实、沉降性极差，且用传统的过滤、离心、沉降及破碎细胞后直接回收胞内成份的泡沫分离法均不能将其有效回收的眼睑拟微球藻。由于未破坏微藻细胞壁，收集到的微藻细胞完整，胞内成份未流出。通入的气体可以是空气，不存在防止氧化问题。泡沫分离法中对鼓入的气泡大小要求较低，一般2mm左右均可，用一般的砂滤片或打孔筛板均可实现。

下面对本发明的各个方面和特点作进一步的描述。

本发明所引述的所有文献，它们的全部内容通过引用并入本文，并且如果这些文献所表达的含义与本发明不一致时，以本发明的表述为准。此外，本发明使用的各种术语和短语具有本领域技术人员公知的一般含义，即便如此，本发明仍然希望在此对这些术语和短语作更详尽的说明和解释，提及的术语和短语如有与公知含义不一致的，以本发明所表述的含义为准。

如本文使用的，术语“藻类”、“微藻”、“藻细胞”和“微藻细胞”等，如无另外指明，它们的含义是相同的，即它们可以互换使用。

如本文使用的，术语“C_6-26烷基”是指具有指定数目碳原子的烷基，其可以是直链或支链的烷基，优选是直链烷基。术语“C_6-26烷基链”、“C_6-26烯基链”、或“C_1-4烷基链”也具有与此类似的含义。

如本文使用的，术语“可相容的阴离子”是指与可与所述季铵离子基团配对的任何阴离子，例如本文所罗列的卤素离子。

如本文使用的，术语“生物表面活性剂”是指由微生物在一定培养条件下，在其代谢过程中分泌出的具有一定表面活性的代谢产物，它们的分子结构主要由两部分组成：一部分是疏油亲水的极性基团，如单糖、聚糖、磷酸基等；另一部分是由疏水亲油的碳氢链组成的非极性基团，如饱和或非饱和的脂肪醇及脂肪酸等。疏水基一般为脂肪酰基链，极性亲水基则有多种形式，如中性脂的酯或醇官能团。按照其结构特点可分为以下五大类：(1)以糖为亲水基的糖脂；(2)以低缩氨基酸为亲水基的含氨基酸类脂；(3)以磷酸基为亲水基的磷脂；(4)以羧基为亲水基的脂肪酸；(5)结合多糖、蛋白质及脂的聚合物。根据本发明的一个优选方案。所述的生物表面活性剂是包含选自单糖、聚糖、氨基酸及其低聚物、羧基、磷酸基等的亲水基团以及C_6-26脂肪酰基链(例如C_8-22脂肪酰基链、C_10-20脂肪酰基链、C_12-20脂肪酰基链)的疏水基团的生物表面活性剂。常用的例如：鼠李糖脂、乙二醇脂、槐糖脂、海藻糖脂等，它们对于本发明而言是优选的。本发明采用可自行降解的生物表面活性剂，可以有利于微藻细胞的后续加工和利用。生物表面活性剂的进一步信息可参见“张天胜，等，生物表面活性剂及其应用，化学工业出版社，2005年3月”，其全部内容通过引用并入本文。

如本文使用的，短语“表面活性剂是以0.001～100mmol/L的量加至所述含有藻类的悬浮液中”是指向所述含有藻类的悬浮液中加入表面活性剂并使该表面活性剂溶解或混均后，表面活性剂在该悬浮液中的浓度为0.001～100mmol/L。

如本文使用的，短语“所述从所述溶解表面活性剂的悬浮液的底部充入的气泡的直径为约0.01～10mm”是指以直径表征的气泡大小，由于气泡在液体中上升的过程中，其直径通常会有所变大，因此，在本文中，所述直径优选是指接近于悬浮液底部即气泡发生处的气泡大小，气泡的大小可以通过目测法、或显微观测法、拍照法、红外线法、核磁共振成像法等得到，或者根据本领域技术人员已知的其它方法测定得到。

如本文使用的，术语“分离容器”，在本文中，亦可称为泡沫分离塔、泡沫塔、泡沫塔主体等。

如本文使用的，术语“工业应用可接受的量的表面活性剂”是指是指表面活性剂的量，其存留于所述的微藻或微藻衍生品中，其存留量是工业上可接受的，例如痕量、残余量、残留量、微量的等等。该量在后续应用或产品中是可以接受的而不会对后续应用或产品造成不利影响。例如所述微藻作为食品添加剂时，其中的表面活性剂的量不致对动物例如人产生不利的影响或者有合理的利益/风险比。

如本文使用的，术语“藻细胞间的含水量”是指从本发明方法中分离出来的泡沫或泡沫破裂后所形成的藻泥，其藻细胞之间的水分含量，即除了细胞内水份以外的水份含量。

如本文使用的，短语“气泡-表面活性剂-微藻三者结合的结合体”是指气泡-表面活性剂-微藻三者形成的聚集物，或者是指携带着藻细胞的气泡。

本发明采用泡沫分离技术，其是根据表面吸附原理，通过鼓泡使溶质选择性的吸附在气液界面上，并随气泡上升至液相主体上方形成富含溶质的泡沫层，最终收集泡沫即可实现溶质的分离提取。此方法最早用于矿物的浮选，多用于表面活性物质如蛋白的回收，尤其适用于溶液中痕量物质的提取。由于微藻细胞表面普遍带有负电荷，而阳离子表面活性剂其分子溶于水发生电离后，与疏水基相连的亲水基带正电荷。当有气泡形成时，表面活性剂的疏水基暴露于气泡内的气体中，而亲水基分布于气泡表面并暴露于液相主体，可与带负电的微藻细胞结合。因此，可在泡沫分离过程中利用阳离子表面活性剂的特性，收集溶液中的微藻细胞。

本发明通过泡沫分离收集微藻的方法具有明显的优点，其无需破碎微藻细胞，在微藻细胞悬浮液中加入表面活性剂(例如阳离子型)，采用由塔底通气鼓泡，收集夹带有微藻细胞的泡沫，进而得到微藻细胞，对于绝大多数微藻细胞的收集普遍适用。分离效率高、且得到的藻细胞胞间含水量可达约6％以下。未破坏微藻细胞壁，收集到的微藻细胞完整，胞内成份未流出。泡沫分离法中对鼓入的气泡大小要求较低，一般2mm左右均可实现，用一般的砂滤片或打孔筛板均可实现。泡沫层高度与液层高度可大于1∶1，吸附有微藻的气泡在泡沫层上升的过程中发生聚并，有充分的排液时间，从而使最终收集到的微藻细胞间含水量极低，成泥状。终产物成泥状，故不需近一步脱水过程，可直接干燥。载有藻细胞的泡沫层中泡沫均可沿泡沫倒出管流出，不需要调节倒出管高度，泡沫塔结构简单，便于放大，易于实现在工业化中应用。本发明方法的整个过程动力消耗少，只需输气鼓泡。总之，与现有微藻收集方法相比，同时兼具回收效率高、能耗低、设备简单、易于工业化放大、收集到的微藻细胞细胞间含液量低，可直接干燥，对于各种微藻普遍适用的优点。可见，本发明方法对设备要求较低、经济、利于放大生产和产业化应用。

附图说明：

图1示出了根据本发明一个实施方案的泡沫分离装置示意图。

图2示出了根据本发明一个实施方案的泡沫分离装置在进行泡沫分离时的示意图。

图2(a)示出了气泡-表面活性剂-微藻三者结合的示意图。

图2(b)示出了表面活性剂与微藻细胞结合的示意图。

图2c和图2d示出了现有技术的气浮法从水中分离微藻细胞的方法的示意图。

图3以流程图的方式示意了本发明方法及其所采用的微藻分离装置的工作过程。

图4示出了本发明微藻分离系统的各个必要单元或任选单元，以及各单元之间的连接关系和工作流程。

本发明使用的主要附图标记概括如下：

1、泡沫导出管             18、絮凝物层

2、泡沫塔顶盖             19、液层

3、泡沫塔主体             20、微藻悬浮液供应池

4、排液口                 21、表面活性剂储罐

5、砂芯片                 22、泡沫分离塔

6、泡沫塔塔底             23、泡沫收集罐

7、通气口                 24、干燥设备

8、进液口                 25、表面活性剂去除罐

9、液面                   26、气泵

10、泡沫层                27、水泵

11、液层                  28、补料罐

12、气泡                  29，30，31，33，37，38、阀门

13、微藻细胞              32、气体流量计

14、表面活性剂的亲水基    34、中/终产物储罐

15、表面活性剂的疏水基    35、生物柴油制备工艺

16、微气泡                36、有效成分提取精制工艺

17、藻细胞絮凝物

具体实施方式：

下面结合附图详述和实施例/试验例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些附图详述和实施例/试验例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。

本发明对试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性和/或具体的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在下文中，如果未特别说明，本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。

1、本发明的方法、装置和工作原理

参见图1，其中示出了根据本发明一个实施方案的泡沫分离装置示意图，其包括i)分离容器，在本文中亦可称为泡沫塔主体(3)，其可用于容纳微藻悬浮液以及与该悬浮液分离的泡沫层；ii)进液口(8)，其设置于所述分离容器的上部，用于将微藻悬浮液导入所述分离容器中；iii)排液口(4)，其设置于所述分离容器的下部和/或底部，用于将经过分离处理的微藻悬浮液从所述分离容器中导出；iv)曝气元件，在本实施例中为砂芯片(5)，其设置于所述分离容器的底部，用于向所述微藻悬浮液输送气泡；和v)泡沫导出管(1)，其设置于所述分离容器的顶部，用于将从微藻悬浮液中经分离处理形成的泡沫层从所述分离容器中排出。在本实施方案中，采用砂芯片(5)作为泡沫塔主体(3)的底面，在该砂芯片(5)的下面还可以设置有泡沫塔塔底(6)，一种简单而且有效的设置是将砂芯片(5)夹持在泡沫塔主体(3)和泡沫塔塔底(6)之间，在该泡沫塔塔底(6)的底部还可设置一通气口(7)，气体从通气口(7)进入泡沫塔塔底(6)，通过所述砂芯片(5)，进而实现向微藻悬浮液中曝气。

进一步参见图2，其中示出了根据本发明一个实施方案的泡沫分离装置在进行泡沫分离时的示意图，其中微藻悬浮液的液层(11)占据泡沫塔主体的约5/8的体积，液面(9)以上是泡沫层(10)，随着充气持续进行，表面活性剂倾向聚集于气泡表面，而通过表面活性剂与微藻的相互作用使得气泡-表面活性剂-微藻三者形成聚集物，使所述聚集物借助于气泡的低密度而上浮到悬浮液的液面以上，所述聚集物构成的泡沫层，随着泡沫层的逐渐增加，泡沫可以从泡沫导出管(1)排出。

进一步从微观上并通过对照现有技术来解释本发明的原理。参见图2(a)，其示出了气泡-表面活性剂-微藻三者结合的示意图，其中在气泡(12)的周围，由于表面张力的作用，使得包括亲水端和疏水端的表面活性剂环绕在气泡(12)的周围，表面活性剂的疏水端朝向气泡(12)(即气相，非连续相)，表面活性剂的亲水端向外朝向微藻悬浮液(即水相，连续相)；在包围有表面活性剂的气泡之外，由于表面活性剂的亲水端荷正电，该荷正电的亲水端可进一步与通常荷负电的微藻细胞结合，从而形成气泡-表面活性剂-微藻三者结合的的结合体。更详细地，图2(b)示出了表面活性剂与微藻细胞结合的示意图，其中表面活性剂包括带正电荷的亲水基(14)一端和疏水基(15)一端，表面活性剂的带正电荷的亲水基(14)一端与普遍带负电荷的微藻细胞(13)结合。

相比之下，图2c和图2d示出了现有技术例如美国专利US 6 524486 B2公开的气浮法从水中分离微藻细胞的方法的示意图。图中，在微藻悬浮液中，细小的微气泡(16)与通过絮凝剂使微藻絮凝而获得的藻细胞絮凝物(17)结合，从而降低泡沫-絮凝物整体密度，使该絮凝物(17)在微藻悬浮液的液层(19)中随气泡上浮到达液面，在液面形成絮凝物层(18)，该絮凝物层(18)沿着浮选塔的出口(即溢流口)溢出。从上述原理示意图可见，现有技术的方法获得的藻细胞絮凝物将会含有大量的水分，需进一步进行脱水处理后方可进行干燥。这在下文对比实验例的结果中也可以看出。

下面结合图1、图2、图2(a)和图2(b)，以示例性的方式对本发明方法以及本发明装置作进一步的说明。本发明提供的一种从微藻细胞的悬浮液中收集微藻细胞的方法，其实现过程如下：向微藻细胞悬浮液中加入表面活性剂，充分搅拌并静置。经由泡沫塔(图1)塔底(6)通气口(7)向塔内通入空气。再将微藻细胞悬浮液与表面活性剂的混合物由泡沫塔(图1)的进液口(8)注入泡沫塔内，液面低于泡沫塔(图1)进液口(8)，液面(9)将泡沫塔主体(3)分成两部分：上段为泡沫层(10)、下段为液层(11)。调节通入气体流量，随着气体的不断通入气泡穿过液层(11)，表面活性剂疏水基(15)伸入气泡内部，亲水基(14)分布于气泡外表面暴露于液相中并通过静电效应与藻细胞(13)结合(图2a)，最终携带着藻细胞(13)的气泡(12)在泡沫层(10)聚集。气泡在泡沫塔泡沫层(10)上升过程中，小气泡不断聚并形成大气泡，同时气泡间的间隙液沿气泡流下，从而降低了最终收集到的藻细胞间的含水量。并且此过程再次为藻细胞(13)与气泡表面的表面活性剂亲水基(14)的结合提供了机会，从而提高藻细胞回收率(尤其在分离过程后期，液层(11)中藻细胞浓度极低的情况下)。塔中泡沫层顶部泡沫呈绿色，且泡沫间含液量极少。顶层泡沫沿泡沫导出管(1)流入指定容器。若在合适范围的(例如优选范围或最佳范围的)表面活性剂加入量下，泡沫流入指定容器后会自动破裂。若加入的表面活性剂的量多于或少于合适范围的(例如优选范围或最佳范围的)添加量，流出的泡沫会比较稳定，不易于自行破裂，则可采用机械搅拌或加入极少量消泡剂和/或结合搅拌使气泡破裂，最终得到含液量极少(泥状)的微藻细胞，即本发明呈淤浆状的藻泥。在本实施方案中，泡沫层(10)高度与液层(11)高度之比可大于1∶2，吸附有微藻的气泡在泡沫层上升的过程中发生聚合，有充分的排液时间，从而使最终收集到的微藻细胞间含水量极低，成泥状。由于此过程终产物成泥状，故不需近一步脱水过程，可直接干燥，简化了工艺。此外，载有藻细胞的泡沫层(10)中泡沫均可沿泡沫导出管(1)流出，不需要像现有技术(例如US 6 524 486 B2中所示的)那样调节导出管高度，泡沫塔结构简单，便于实现放大生产，易于实现在工业化中应用。另外，本发明方法的整个过程动力消耗少，主要动力消耗是输气鼓泡。总之，与现有微藻收集方法相比，同时兼具回收效率高、能耗低、设备简单、易于工业化放大、收集到的微藻细胞细胞间含液量低，可直接干燥，对于各种微藻有普遍适用的优点。

此外，在图3中，以流程图的方式示意了本发明方法及其所采用的微藻分离装置的工作过程。其中，首先提供微藻细胞悬浮液(培养液或从自然界中收集；可以是自养型或异养型)；然后使使微藻细胞悬浮液与表面活性剂混合；再向泡沫塔中通气，并将上述混合液注入泡沫塔，开始泡沫分离；收集从泡沫导出部件(即泡沫导出管)排出的泡沫层(呈稠泥状)。通过以上简单的过程可以容易地实现本发明。

2、本发明的微藻分离系统

参见图4，其中示出了本发明微藻分离系统的各个必要单元或任选单元，以及各单元之间的连接关系和工作流程。

如图所示，微藻悬浮液供应池(20，其可以是微藻池、微藻反应器等)中的微藻悬浮液通过水泵(27)向泡沫分离塔(22)输送，表面活性剂储罐(21)流经阀门(29)亦向泡沫分离塔(22)输送，所述表面活性剂和微藻悬浮液在进入泡沫分离塔(22)预先经混合，在表面活性剂和微藻悬浮液进入泡沫分离塔(22)之前可以用阀门(37)来控制其流量、流速、开头等操作或条件。此外，还可以设置一补料罐(28)，以便在循环连续操作的情况下可以向微藻悬浮液供应池(20)补充物料，补料罐(28)与微藻悬浮液供应池(20)之间可以设置阀门例如阀门(38)以控制操作流程。空气经气泵(26)充入泡沫分离塔(22)，通过泡沫分离塔(22)内的曝气元件向微藻悬浮液中充入的气泡(图中未示出)。气泵(26)与泡沫分离塔(22)(或其曝气元件)之间可以连接阀门(30)和气体流量计(32)，以便控制气体进入泡沫分离塔(22)的流量、流速、开头等操作或条件。在泡沫分离塔(22)中经过处理的液体通过排液口排出，直接导入微藻悬浮液供应池(20)以供反复利用。或者，经过处理的液体通过排液口排出后导入到表面活性剂去除罐(25)，在该罐内除去液体中的表面活性剂，然后再将经除去表面活性剂的溶液排入到微藻悬浮液供应池(20)以供反复利用。或者上述经过或未经表面活性剂去除处理的液体可以直接排到其它下水道，例如在满足环境安全性的情况下直接排入到环境中。在泡沫分离塔(22)中经过处理的液体排出和任选的除表面活性剂处理过程中，可以设置阀门例如阀门(31)、阀门(33)，以控制操作流程。在泡沫分离塔(22)中经过处理后聚集的泡沫通过泡沫导出口排出，进入泡沫收集罐(23)，该泡沫收集罐(23)中收集的藻泥可任选进入干燥设备(24)，使藻泥干燥。干燥微藻或者未干燥的藻泥可以临时保存在中/终产物储罐(24)，以便为后续的其它深加工或利用提供原料，例如该干燥微藻或者未干燥的藻泥进入生物柴油制备工艺(35)或有效成分提取精制工艺(36)，或者制备其它衍生品例如食品。

参考图4进一步说明本发明微藻分离系统的操作原理。首先，开启气泵(26)向泡沫塔分离塔(22)通入空气，经由气体流量计(32)调节气体流速；接着，利用水泵(27)将微藻悬浮液供应池(例如微藻池/微藻反应器，20)中一定体积的藻液打入泡沫分离塔(22)，通过阀门(37)控制藻液向泡沫塔中流入速度，同时打开阀门(29)，使表面活性剂储罐(21)中一定体积表面活性剂缓缓流入泡沫塔(22)，与藻液充分混合；调节气体流量计(32)使到达塔顶的泡沫干燥稳定；载有微藻细胞的泡沫进入泡沫收集罐(23)，若泡沫不能自行破裂可加入少量消泡剂消泡，泡沫收集罐(23)中可以装有有机溶剂或其与适量(例如少量)水的混合物，有机溶剂或含水有机溶剂(在本实施例中有机溶剂是乙醇、癸醇，此处用有机溶剂除表面活性剂的方法可通过本领域技术人员的已有知识和经验来脱除从微藻分离装置的排液口排出的经处理的液体)可用于萃取包裹在藻细胞表面的表面活性剂，脱除表面活性剂的藻细胞留在水相，脱除表面活性剂的藻细胞经干燥设备(24)处理后即可得到干燥的藻粉，置于中/终产物储罐(34)；藻粉可直接作为最终产品，或根据藻粉本身成份特点，经生物柴油制备工艺(35)制备生物柴油或经过有效成份提取精制工艺制备营养品等。待泡沫塔中藻液呈无色时，开启阀门(31)将泡沫塔(22)中废液(含有微量表面活性剂)排入表面活性剂去除罐(25)，表面活性剂去除罐(25)中装有少量有机溶剂用于脱除废液中残留的表面活性剂；开启阀门(33)将脱除表面活性剂的废水排入微藻池/微藻反应器(20)中以循环利用，同时开启补料罐阀门(38)向微藻池/微藻反应器(20)中补入微藻生长所需的营养物质。此工艺既可分批操作，也可连续操作。根据本发明的系统，可以除去中/终产物和泡沫塔废液中的表面活性剂，避免了加入的表面活性剂对产品及废水回用的不利影响。

另外，还可以使用无毒副作用/食品级/生物表面活性剂/可自行降解的表面活性剂，避免了加入的表面活性剂对产品及废水回用的不利影响。其亦可参考图4进行描述具体操作过程。若使用无毒副作用/食品级/生物表面活性剂/可自行降解的表面活性剂，则可省略图4中装置26，且泡沫收集罐(23)中不必再装有有机溶剂或含水有机溶剂。首先，开启气泵(26)向泡沫塔分离塔(22)通入空气，经由气体流量计(32)调节气体流速；接着，利用水泵(27)将微藻池/微藻反应器(20)中一定体积的藻液打入泡沫分离塔(22)，通过阀门(37)控制藻液向泡沫塔中流入的速度，同时打开阀门(29)，使表面活性剂储罐(21)中一定体积/量的表面活性剂缓缓流入泡沫塔(22)，与藻液充分混合；调节气体流量计(32)使到达塔顶的泡沫干燥稳定；载有微藻细胞的泡沫进入泡沫收集罐(23)，若泡沫不能自行破裂，则可加入少量消泡剂消泡，得到的泥状或泥浆状藻细胞经干燥设备(24)处理后即可得到干燥的藻粉，置于中/终产物储罐(34)；藻粉可直接作为最终产品，或根据藻粉本身成份特点，经生物柴油制备工艺(35)制备生物柴油或经过有效成份提取精制工艺制备营养品等。待泡沫塔中藻液呈无色时，开启阀门(31)将泡沫塔(22)中废液(含有微量表面活性剂，但无毒害)直接排入微藻池/微藻反应器(20)中以循环利用，同时开启补料罐阀门(38)向微藻池/微藻反应器(20)中补入微藻生长所需的营养物质。此工艺既可分批操作，也可连续操作。

3、本发明的微藻分离操作试验

在本发明的一个实施例中，以实验室的规模来实施本发明方法并验证本发明微藻分离装置的实用性。实验所用泡沫塔为有机玻璃加工而成。外径5cm、内径4cm、高60cm。采用电磁空气泵向泡沫塔底部通入空气，空气泵和泡沫塔之间依次接入开关、转子流量剂和空气过滤器(其非必须的，可视具体情况而定)。

取0.5升眼睑拟微球藻细胞悬浮液，经血球计数板测量后其中细胞浓度为2.225＊10⁷个/毫升。向其中加入68毫克CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)，充分搅拌至CTAB充分溶解，静置15分钟。开启电磁空气泵与泡沫塔间的阀门及空气泵经由泡沫塔(图1)塔底(6)通气口(7)向塔内通入空气，调节串接在电磁空气泵和塔底通气口间的转子流量计至通气流量为5ml/min(以防止微藻细胞悬浮液沿砂芯片(5)渗入泡沫塔塔底(6))。再将部分上述微藻细胞悬浮液与表面活性剂的混合物由泡沫塔(图1)的进液口(8)注入泡沫塔(图1)，液高35厘米，即泡沫层(10)高度为25厘米、液层(11)深度为35厘米。调节转子流量计，保持通入塔内气速为30ml/min，泡沫层顶部的泡沫呈绿色且干燥(含水量低)，由塔顶泡沫导出管(1)流出的泡沫至烧杯中后自动破裂。待由泡沫导出管(1)中流出的泡沫无绿色且液层(11)澄清无绿色，分离过程停止。烧杯中富集后的微藻呈泥状，细胞间的含水量约6％。整个过程藻细胞回收率达97.6％。

4、微藻分离操作的其它试验

参考本文“3、本发明的微藻分离操作试验”实验设备及藻液与其中提供的方法，按下表所列条件进行试验，结果见表1。

表1

实验序号

表面活性剂

表面活性剂用量(mmol/L)

泡沫层高度/液层高度

气泡大小(mm)

气速＊

细胞间含水量

藻细胞收率

1

溴化十六烷基吡啶(CPB)

0.5

1∶1

1

70

5％

98.6％

2

溴代十四烷基吡啶(TPB)

0.3

1∶2

2

100

9％

94.1％

^＊气速，单位为：ml/升悬浮液/min。

参考上文“马青山，等，絮凝化学和絮凝剂，中国环境科学出版社，1988年，第161页”提供的气浮法，实验藻液与本文“3、本发明的微藻分离操作试验”相同，按下表所列条件进行试验，同时将所得结果列于表2中：

表2

实验序号

絮凝剂

絮凝剂用量

气泡大小

气速＊

细胞间含水量

藻细胞收率

1

三氯化铝

0.2mmol/L

2mm

100

45％

90％

^＊气速，单位为：ml/升悬浮液/min。

本发明的微藻分离操作的优点根据本发明以上实例详细描述而变得明显。具体地说，整个收集过程中无需破碎细胞，细胞内的油脂、营养物质始终保持在细胞内，不会在分离过程中被氧化，且细胞回收率高，从而提高了胞内物质回收率。本发明收集微藻的方式适用性广，对绝大多数微藻细胞普遍适用。尤其对于类似于眼睑拟微球藻个体极其微小、密度与水相似、利用传统离心/过滤等方式仍不能有效收集的几类微藻，此种收集方式更能彰显优势。此外，本发明方法对鼓入的气泡大小要求较低，本实施例中气泡直径约为1～2mm，用一般的砂芯片得以实现，故此法对设备要求较低，经济易于放大，规模化应用。在实施本发明的过程中，泡沫层高度与液层高度可大于5∶7，吸附有微藻的气泡在泡沫层上升的过程中聚并，有充分的排液时间，从而使最终收集到的微藻细胞间含水量约6％，成泥状。由于此过程终产物成泥状(细胞间含水量约6％)，故不需进一步脱水过程，可直接干燥，简化了工艺。载有藻细胞的泡沫层中泡沫均可沿泡沫导出管流出，导出管固定于塔顶，不需调节高度，泡沫塔结构简单，便于放大，易于实现在工业化中应用。实现本发明方法的设备简单，能耗低，易于产业化放大。且分离到的藻细胞胞间含水量极低，减小了后续干燥过程处理量。此外，如果需要的话，可利用加入的表面活性剂在不同溶剂中溶解度的差异，或表面活性剂本身的特性(如分解温度)，去除细胞间夹带的表面活性剂。此外，根据本发明，还可采用可自行降解的生物表面活性剂，以利于微藻细胞的后续加工和利用。在本发明中采用可自行降解的生物表面活性剂的优点是显然的，例如分离出来的微藻细胞可以不经除表面活性剂的过程而直接用于后续的加工，而且由分离装置排出的经分离处理后的(不含微藻细胞)的液体也不需经除表面活性剂过程而直接排入微藻悬浮液供应池以循环利用。

Claims (14)

1.从微藻悬浮液中分离微藻的方法，其包括以下步骤：

a)提供含有藻类的悬浮液；

b)向所述悬浮液中加入表面活性剂或表面活性剂的溶液，使所述表面活性剂溶解或分散；

c)从所述溶解表面活性剂的悬浮液的底部充入气泡，使气泡在上升过程中与微藻接触；

d)使所述微藻吸附在气泡上，以形成包含气泡和藻类的聚集物；

e)使所述聚集物上浮到该悬浮液的液面上，形成泡沫层；

f)收集所述聚集物构成的泡沫层；和任选的

g1)使泡沫破裂，得到淤浆状的藻泥；

g2)使含有湿份的藻泥干燥，和/或

g3)除去所述含有湿份的藻泥或者干燥的藻泥中的表面活性剂。

2.根据权利要求1的方法，其中所述含有藻类的悬浮液为水性悬浮液。

3.根据权利要求1的方法，其中所述表面活性剂是离子型表面活性剂，优选是阳离子表面活性剂或两性离子表面活性剂。

4.根据权利要求3的方法，其中所述表面活性剂选自：

C_6-26烷基-NH₂、C_6-26烷基-NH(CH₃)、(C_6-26烷基)₂-NH、C_6-26烷基-N(CH₃)₂、(C_6-26烷基)₂-N(CH₃)、C_6-26烷基-N⁺(CH₃)₃、和(C_6-26烷基)₂-N⁺(CH₃)₂以及它们的盐；

C_10-20烷基-NH₂、C_10-20烷基-NH(CH₃)、(C_10-20烷基)₂-NH、C_10-20烷基-N(CH₃)₂、(C_10-20烷基)₂-N(CH₃)、C_10-20烷基-N⁺(CH₃)₃、和(C_10-20烷基)₂-N⁺(CH₃)₂以及它们的盐；

C_10-18烷基-NH₂、C_10-18烷基-NH(CH₃)、(C_10-18烷基)₂-NH、C_10-18烷基-N(CH₃)₂、(C_10-18烷基)₂-N(CH₃)、C_10-18烷基-N⁺(CH₃)₃、和(C_10-18烷基)₂-N⁺(CH₃)₂以及它们的盐；

具有以下式I或式II结构的化合物：

或

其中R₁各自独立地是C_6-26烷基链或C_6-26烯基链(例如C_10-22烷基链或C_10-22烯基链，例如C_10-20烷基链，例如C_10-18烷基链，例如C_12-18烷基链)，R₂、R₃和R₄各自独立地是C_1-4烷基链(例如C_1-3烷基链，例如C_1-2烷基链，例如甲基、乙基)，X^-是可相容的阴离子(例如氟、氯、溴或碘离子)；或

十二烷基胺、十三烷基胺、十四烷基胺、十五烷基胺、十六烷基胺、十七烷基胺、十八烷基胺、二十烷基胺的盐，双十二烷基胺、双十三烷基胺、双十四烷基胺、双十五烷基胺、双十六烷基胺、双十七烷基胺、双十八烷基胺、双二十烷基胺，十二烷基二甲叔胺，二甲基十二、十四脂肪烷基苄基氯化铵，新洁尔灭，氯化苯扎铵，溴化十六烷基三甲铵，十二烷基三甲基季铵、十八烷基三甲基氯化铵、烷基苄基二甲基氯化铵，以及它们的盐。

5.根据权利要求3的方法，其中所述表面活性剂是生物表面活性剂；例如是包含选自单糖、聚糖、氨基酸及其低聚物、羧基、磷酸基等的亲水基团以及C_6-26脂肪酰基链(例如C_8-22脂肪酰基链、C_10-20脂肪酰基链、C_12-20脂肪酰基链)的疏水基团的生物表面活性剂；例如所述的生物表面活性剂选自鼠李糖脂、乙二醇脂、槐糖脂、海藻糖脂。

6.根据权利要求1至5任一项的方法，其中所述表面活性剂是以0.001～100mmol/L的量加至所述含有藻类的悬浮液中。

7.根据权利要求1至6任一项的方法，其中所述表面活性剂是十六烷基三甲基溴化铵，其是以0.01～10mmol/L的量加至所述含有藻类的悬浮液中；优选的加入量为0.1～1mmol/L。

8.根据权利要求1至7任一项的方法，所述从所述溶解表面活性剂的悬浮液的底部充入的气泡的直径为约0.01～10mm、约0.1～5mm、约0.5～3mm、约0.01～0.1mm、约0.1～1mm、约1～2mm、约2～4mm、或约4～6mm。

9.根据权利要求1至8任一项的方法，所述步骤e)中所述聚集物构成的泡沫层，其高度与悬浮液层高度比可以是0.1∶1至10∶1、或0.5∶1至10∶1、或1∶1至10∶1、或2∶1至10∶1、或3∶1至10∶1、或5∶1至10∶1，或者0.5∶1至7.5∶1、或0.5∶1至5∶1、或0.5∶1至2.5∶1。

10.根据权利要求1至9任一项的方法，其中步骤f)收集的泡沫层和/或步骤g1)得到的藻细胞间的含水量不超过20％(wt/wt)、或不超过15％(wt/wt)、或不超过12％(wt/wt)、或不超过10％(wt/wt)、或不超过8％(wt/wt)、或不超过6％(wt/wt)。

11.一种微藻分离装置，其包括：

i)分离容器，其可用于容纳微藻悬浮液以及与该悬浮液分离的泡沫层；

ii)进液口，其设置于所述分离容器的上部，用于将微藻悬浮液导入所述分离容器中；

iii)排液口，其设置于所述分离容器的下部和/或底部，用于将经过分离处理的微藻悬浮液从所述分离容器中导出；

iv)曝气元件，其设置于所述分离容器的下部和/或底部，用于向所述微藻悬浮液输送气泡；和

v)泡沫导出部件，用于将从微藻悬浮液中经分离处理形成的泡沫层从所述分离容器中排出。

12.根据权利要求11的微藻分离装置，其特征在于以下一项或多项：

所述的分离容器是一圆柱桶状容器；

该圆柱状容器包括上顶、下底、和设置于上顶和下底之间的桶壁；

所述的进液口设置于所述桶壁的上部；

所述的排液口设置于所述桶壁的下部；

所述的排液口设置于所述分离容器的底部；

所述的曝气元件向微藻悬浮液中充入的气泡的直径为约0.01～10mm；

所述的曝气元件设置于所述分离容器的下部并且优选接近或抵靠于分离容器的下底面；

所述的曝气元件设置于所述分离容器的底部，即作为该分离容器的下底或者作为下底的一部分；

所述的曝气元件可以是曝气板、曝气片等，其材质包括但不限于：金属、塑料、垂熔玻璃、多孔陶瓷、垂熔砂滤器、纤维、PVC、PVDF、PE、树酯、橡胶、纤维素膜或有机膜等等；和

所述的泡沫导出部件是泡沫导出管，其设置于所述分离容器的顶部。

13.一种微藻分离系统，其包括：

①微藻悬浮液供应池，用于供应包含藻类并且待分离微藻的微藻悬浮液；

②表面活性剂储罐，其用于贮藏并向所述系统中提供表面活性剂或溶解有表面活性剂的溶液；

③权利要求11至12任一项所述的微藻分离装置，用于使微藻从其悬浮液中分离；

④物料输入单元，其用于将待处理的微藻悬浮液以及表面活性剂或其溶液输入到所述微藻分离装置；

⑤气体供应单元，其用于向所述微藻分离装置中供应气体，使气体经由所述曝气元件向微藻悬浮液中充入的气泡；

⑥泡沫收集罐，其用于收集从所述微藻分离装置的泡沫导出部件排出的泡沫。

14.一种微藻或微藻衍生品，其由权利要求1至10任一项所述方法获得，或者其由权利要求11至12任一项所述的微藻分离装置获得，或者其由权利要求13所述的微藻分离系统获得；进一步地，所述微藻或微藻衍生品含有工业应用可接受的量的表面活性剂，所述表面活性剂如权利要求1至10任一项所述定义。

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