CN102382769A - 通过三氯化铁絮凝作用采收微藻及培养水体的再循环利用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种成本低廉、对微藻沉淀效果明显、对环境安全的三氯化铁应用于微藻的采收，并且采收微藻后的水体仍可继续多次用于培养微藻生物，因而最大限度地使培养水体得到有效的再循环利用。属于微藻细胞采收方法技术领域。具体操作实施过程为：微藻细胞在适宜环境条件培养到高密度值，考察三氯化铁对各种微藻细胞沉淀的效果，确立实施采收微藻细胞时适宜的三氯化铁浓度和沉淀时间。即以中等浓度的三氯化铁、中等长度的絮凝沉淀时间、沉淀期间不光照的方案实施采收微藻细胞最为合适，依不同的微藻种类，微藻细胞的沉淀率可达到43-99％，平均值为67％。对于较大水体调控扩增培养到高密度值的微藻细胞，采用本发明的方法采收，同样可以达到浓缩微藻细胞的目的，得到良好的采收效果。本发明采用的方法具有操作简单，低成本、安全环保、效果好等优点，具良好实用性。

Description

通过三氯化铁絮凝作用采收微藻及培养水体的再循环利用

技术领域

本发明属于微藻细胞的采收技术领域，具体是涉及一种采用成本低廉、对微藻细胞絮凝沉淀效果明显、对环境安全无毒害作用的絮凝剂-三氯化铁应用于微藻细胞体的浓缩、采收，并且采收微藻细胞后的水体仍然可继续多次用于培养微藻细胞生物，因而最大限度地使培养水体得到有效的再循环利用的技术方法。

背景技术

目前已知的微藻种类达10多万种，各种不同类型的微藻具有特定的生物学和生态学特性，它们能通过细胞内发生的各种生物化学反应和代谢途径，合成许多具有独特结构和特异功能的高价值细胞活性物，例如肽类物，蛋白质，脂肪酸，多糖，天然色素，维生素、抗生素、药用毒素等，因此，微藻被广泛开发应用在食品、医药、化妆品，基因工程、生物质燃料，水产养殖，环境保护等行业领域，具有良好的开发应用前景.从微藻中分离提取、纯化天然活性物，是实现藻类高值化利用的重要途径。

微藻是分布广、结构简单、光合作用强、固碳能力高、适应能力强、生长繁殖快的单细胞藻类，但由于微藻细胞自身的生物学特点，通常体积微小，一般细胞直径大小范围仅在几个微米到十几个微米之间，在培养的水体中通常呈均匀分布，自养式培养的情况下，即使细胞密度达10的7次方或8次方个/每毫升水体，要获得一定的生物量也很不容易，得去除大部分水体，这给浓缩、采集收获微藻细胞造成很大的困难。因而，如何采收培养的微藻细胞是微藻资源开发利用过程中应解决的重要问题。

目前已经报道过的浓缩、采收培养微藻细胞的技术方法包括了多种形式。例如有通常传统采用的直接离心分离法和膜过滤法，这两种采收方法，虽然可达到浓缩微藻细胞的目的，但不仅需要用到昂贵的专门设备系统和膜系统，而且由于微藻细胞个体微小，采收大水体藻液中的微藻细胞需要很大功率的离心系统和特殊的小膜径膜系统，以除去大量的水体、滞留住微藻细胞，实施运行耗能大、费用高，操作过程繁琐，难以达到节能经济的效果。分离采收微藻细胞的效果有时也无法达到满意的要求，例如，由于微藻细胞粘附在膜系统上会大大减慢分离速度，而且容易造成设备损坏。近期采用的连续气浮(泡沫)分离法，同样需要使用较昂贵的专门设备系统，结构较复杂，而且分离采收过程中还需要调节水体的PH值至相当的极端值，需要加入相当量的酸、碱化学试剂，同时也要加一定量的絮凝剂以提高分离采收微藻细胞的效果，因而会在相当程度上影响环境水体的质量。另外，分离操作过程较繁复，参数的设定不容易控制，容易影响采收效果，除此之外，对各种不同的微藻细胞的采收效果能达到什么程度，也需要通过反复调节参数设定。

絮凝沉淀法应用于微藻细胞的采收具有多方面的好处，首先是操作简便易行，不需任何昂贵的专门设备系统，属于成本低的无耗能过程。关键在于应确保采用的絮凝沉淀剂对环境不会造成危害，安全无毒，同时具有良好的浓缩微藻细胞的效果。已有某些报道采用不太适宜的絮凝沉淀剂实施浓缩、采收微藻细胞，例如采用硫酸铁、硫酸铝，虽然可达到浓缩微藻细胞的效果，但采收微藻后废水排放中大量的硫酸根、铝离子会危害环境水体，对其生存的生物造成毒害作用。有时超量使用酸、碱等化学试剂，也不利于环境水体保持良好稳定状态。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是针对上面所述的背景技术，通过采用一种成本低廉、对微藻细胞絮凝沉淀效果明显、对环境安全无毒害作用的絮凝剂-三氯化铁应用于微藻细胞体的采收，并且采收微藻细胞后的水体仍然可继续多次用于培养微藻细胞生物，因而最大限度地使培养水体得到有效的再循环利用。属于微藻细胞采收方法技术领域。具体操作实施的过程为：首先提供适宜的环境条件，使微藻细胞达到高密度值。通过实验研究的方法，考察三氯化铁对各种微藻细胞絮凝沉淀的效果，确立实施采收微藻细胞时合理适宜的絮凝沉淀时间长度以及应采用的三氯化铁浓度。即以中等浓度的三氯化铁、中等长度的絮凝沉淀时间、絮凝沉淀期间不光照的方案实施采收微藻细胞最为合适，依不同的微藻种类，微藻细胞的絮凝沉淀率可达到43.00-99.20％，平均值为66.84％。对于较大水体调控扩增培养到高密度值的微藻细胞，实施采用本发明的方法进行采收，同样可以达到浓缩微藻细胞的目的，得到很好的采收效果，并且采收微藻细胞后的水体仍然可继续多次用于培养微藻细胞生物，因而最大限度地使培养水体得到有效的再循环利用。本发明采用的方法具有操作简单，低成本、安全环保、效果好等优点，具有良好的实用性。目前尚缺乏通过采用三氯化铁絮凝沉淀作用浓缩采收微藻细胞而且又能达到培养水体的有效再循环利用的相关报道。

本发明采用的研究材料和方法：

选用、培养7种微藻种类，分别为椭圆小球藻，青岛大扁藻，杜氏盐藻，球等鞭金藻，叉鞭金藻，牟氏角毛藻，三角褐指藻。微藻细胞在适宜的条件下培养至高密度值，各种微藻细胞的藻液加入到玻管中，然后加入三氯化铁(FeCl₃·6H₂O)，置于无光照的环境中，考察6种不同三氯化铁浓度(按浓度值顺序依次表示为F₁、F₂、F₃、F₄、F₅、F₆)以及6种不同沉淀时间长度(按时间长度顺序依次表示为T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆)条件下，对各种微藻细胞的絮凝沉淀效果。

用分光光度计测定微藻细胞液初始时的最大吸收峰波长下的吸光值A₀，经过不同沉淀时间后再测定微藻细胞液上层(藻液深度的1/2处)吸光值A_t，三氯化铁对各种微藻细胞的絮凝沉淀效果按照表达式：藻细胞沉淀度(％)＝[(藻液初始吸光值-藻液上层吸光值)/藻液上层吸光值]×100计算，即藻细胞沉淀度(％)＝[(A₀-A_t)/A₀]×100。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

采用了2因子、6水平的完整实验组合设计，考察、分析6种不同三氯化铁浓度以及6种不同沉淀时间长度完整实验组合条件下，对各种微藻细胞的絮凝沉淀效果的影响，从而筛选、确立合理适宜的三氯化铁浓度和沉淀时间长度应用于浓缩、采收微藻细胞的操作过程，即三氯化铁应用于浓缩、采收微藻细胞应能达到良好效果而且能够尽量浓度较低、沉淀时间较短。絮凝沉淀微藻细胞过程中藻水体不光照。应用于较大水体微藻细胞的浓缩、采收时，三氯化铁絮凝沉淀微藻细胞的时间到点后，用抽水泵抽去上层的水体，抽到另外的水池或其它的容器，收集底部已浓缩的微藻细胞.抽到另外的水池或其它的容器的水体可进行反复多次的有效再循环利用，继续扩增培养微藻细胞，并且每次可实施类似的收集底部已浓缩的微藻细胞的过程。以下是实验设计、实验结果及分析。

表一、三氯化铁对椭圆小球藻絮凝沉淀的效果

表二、三氯化铁对青岛大扁藻絮凝沉淀的效果

表三、三氯化铁对杜氏盐藻絮凝沉淀的效果

表四、三氯化铁对球等鞭金藻絮凝沉淀的效果

表五、三氯化铁对叉鞭金藻絮凝沉淀的效果

表六、三氯化铁对牟氏角毛藻絮凝沉淀的效果

表七、三氯化铁对三角褐指藻絮凝沉淀的效果

表八、三氯化铁对七种微藻絮凝沉淀的效果(平均值)

结论：三氯化铁对各种微藻絮凝沉淀的结果表明(表一至表七)：这种絮凝剂对微藻絮凝沉淀的效果是明显的，但依不同的微藻种类，沉淀作用的程度有差别，其中对青岛大扁藻和三角褐指藻的絮凝沉淀作用特别显著，例如在很低的浓度、而且短期的沉淀时间里(即F₁T₁时)，藻细胞的沉淀率就分别达到92.90％和81.70％，表现出很好的絮凝沉淀效果，当三氯化铁浓度和沉淀时间为中等程度时(即F₃T₃时)，藻细胞的沉淀率已可达到95％以上。其次，三氯化铁对椭圆小球藻、杜氏盐藻、牟氏角毛藻的絮凝沉淀效果亦相当显著，在三氯化铁浓度为F₆、沉淀时间长度为T₆数值情况下，絮凝沉淀的藻细胞可达到80-92％，比较起来，三氯化铁对球等鞭金藻、叉鞭金藻的絮凝沉淀作用相对弱一些，但在三氯化铁浓度为F₆、沉淀时间长度为T₆数值情况下，絮凝沉淀的藻细胞仍可达到55-67％，即絮凝沉淀的藻细胞达到了一半以上。

实验的结果也清楚表明(表一至表八)，三氯化铁的浓度越高、沉淀时间越长，更多的微藻细胞被絮凝沉淀，效果很明显。虽然絮凝沉淀的藻细胞量是随着三氯化铁的浓度以及沉淀时间的长度增大而增加，但考虑到节省成本和时间，应根据不同的微藻种类以及实际情况的需要，确定出合理适宜的浓度和沉淀时间，以便既能节省成本和时间又能达到良好的絮凝沉淀效果，满足实际应用的需要。因而，三氯化铁絮凝剂应用于微藻细胞的沉淀采收具有良好的效果和普遍的意义。

另一点特别值得一提的是：有别于采用其它形式的絮凝剂，使用三氯化铁絮凝剂不存在环境污染、也不会造成生态环境遭致破坏的问题。理由在于三氯化铁产生的铁离子或氯离子均对环境不会有破坏性，铁离子实际上对环境中的藻生物生长代谢还有良好的促进作用，在某些特定的水域中施加铁肥(含铁元素的化合物)正是为了促进浮游微藻的生长和繁殖，以便引发产生更多的藻生物量，在一定程度上还可多吸收环境中的二氧化碳，有利生态环境的改善，属于正向态有益性物质，而氯离子是海水中的常态元素，海水中原本含有大量的氯化钠和氯化钾，因而采用浓缩、采收微藻细胞过程中，三氯化铁产生的氯离子也几乎完全不影响水环境中氯离子浓度状况。

本发明的优点是：

本发明采用了2因子、6水平的完整实验组合设计，考察、分析6种不同三氯化铁浓度以及6种不同沉淀时间长度完整实验组合条件下，对各种微藻细胞的絮凝沉淀效果的影响，从而筛选、确立合理适宜的三氯化铁浓度和沉淀时间长度应用于浓缩、采收微藻细胞的操作过程。本发明建立形成的以絮凝剂三氯化铁浓缩、采收微藻细胞具有多方面的优点，即(1)操作条件温和，无耗能过程，(2)不需任何昂贵的专门设备系统，操作简便易行，成本低(三氯化铁价格低廉)，而且絮凝采收微藻细胞的效果好，对环境和生态系统不会造成危害，是值得应用于浓缩、采收微藻细胞的好方法。

应用于较大水体微藻细胞的浓缩、采收时，三氯化铁絮凝沉淀微藻细胞的时间到点后，用抽水泵抽去上层的水体，抽到另外的水池或其它的容器，收集底部已浓缩的微藻细胞.抽到另外的水池或其它的容器的水体可进行反复多次的有效再循环利用，因转移的水体中本身已含有絮凝沉淀过程中残留的一定量的藻细胞，故无需接种藻就可继续扩增培养微藻细胞，并且每次可实施类似的收集底部已浓缩的微藻细胞的过程。

本发明的目的是：

为了探讨三氯化铁的浓度以及沉淀时间对微藻细胞的絮凝沉淀效果的影响，确立合理适宜的三氯化铁浓度和沉淀时间长度应用于浓缩、采收微藻细胞的操作过程，以便微藻细胞的浓缩、采收能达到良好效果，而且培养水体可达到反复多次的有效再循环利用的目的，有利节能减排。

进一步具体实施例证

采用前述的2因子、6水平的完整实验组合设计，已经获得了6种不同三氯化铁浓度以及6种不同沉淀时间长度完整实验组合条件下，对各种微藻细胞的絮凝沉淀效果的影响和结果。为了进一步验证所得结果的有效性以及培养过微藻细胞的水体实施反复多次的再循环利用的可行性，以较大的水池(约2吨水体容量)培养扩增小球藻，然后实施浓缩、采收微藻细胞。

实施例证1

具体的操作过程为：水池初始水位约15-20公分，接种的藻密度为6X10⁵个藻细胞/毫升，小球藻细胞在提供的适宜环境条件下生长扩增，约经过12-15天时间，小球藻细胞密度可达到高密度值，其间不断增加培养水体的水位，直至水位为50-70公分左右，培养期间光照培养并用气石通气藻水体。藻细胞达到高密度时，测定培养水体的藻细胞液初始时的最大吸收峰波长下的吸光值A₀为0.8417，加入约F₃至F₄数值的中等浓度三氯化铁，以中等的T₄时间数值作为絮凝沉淀的时间长度，其间停止藻水体的光照(用黑布遮光)并且中断气石通气。絮凝沉淀时间到点后，测定的培养水体的藻细胞液吸光值A(T₄)为0.2053，获得的三氯化铁对小球藻细胞絮凝沉淀的效果为：絮凝沉淀的小球藻细胞达75.6％，把絮凝沉淀藻细胞后的上层水体用小型水泵抽到另外一个水池，收集原水池底部已浓缩的微藻细胞。

实施例证2

使用实施例证1中絮凝沉淀藻细胞后转移到另外一个水池的水体继续扩增培养藻细胞，此时不必接种藻细胞，因转移的水体中本身已含有絮凝沉淀过程中残留的一定量的藻细胞，小球藻细胞在提供的适宜环境条件下生长扩增，约经过10-12天时间，小球藻细胞密度可达到高密度值，其间需要时增加培养水体的水位，直至水位为50-70公分左右，培养期间光照培养并用气石通气藻水体。藻细胞达到高密度时，测定培养水体的藻细胞液初始时的最大吸收峰波长下的吸光值A₀为0.8651，加入约F₃至F₄数值的中等浓度三氯化铁，以中等的T₄时间数值作为絮凝沉淀的时间长度，其间停止藻水体的光照(用黑布遮光)并且中断气石通气。絮凝沉淀时间到点后，测定的培养水体的藻细胞液吸光值A(T₄)为0.2579，获得的三氯化铁对小球藻细胞絮凝沉淀的效果为：絮凝沉淀的小球藻细胞达70.2％，把絮凝沉淀藻细胞后的上层水体再用小型水泵抽到另外一个水池，收集原水池底部已浓缩的微藻细胞。

实施例证3

使用实施例证2中絮凝沉淀藻细胞后转移到另外一个水池的水体继续扩增培养藻细胞，此时仍不必接种藻细胞，因转移的水体中本身已含有絮凝沉淀过程中残留的一定量的藻细胞，小球藻细胞在提供的适宜环境条件下生长扩增，约经过10-12天时间，小球藻细胞密度可达到高密度值，其间需要时增加培养水体的水位，直至水位为50-70公分左右，培养期间光照培养并用气石通气藻水体。藻细胞达到高密度时，测定培养水体的藻细胞液初始时的最大吸收峰波长下的吸光值A₀为0.7378，加入约F₃至F₄数值的中等浓度三氯化铁，以中等的T₄时间数值作为絮凝沉淀的时间长度，其间停止藻水体的光照(用黑布遮光)并且中断气石通气。絮凝沉淀时间到点后，测定的培养水体的藻细胞液吸光值A(T₄)为0.114，获得的三氯化铁对小球藻细胞絮凝沉淀的效果为：絮凝沉淀的小球藻细胞达84.6％，把絮凝沉淀藻细胞后的上层水体再用小型水泵抽到另外一个水池，收集原水池底部已浓缩的微藻细胞。

实施例证4

使用实施例证3中絮凝沉淀藻细胞后转移到另外一个水池的水体继续扩增培养藻细胞，此时仍不必接种藻细胞，因转移的水体中本身已含有絮凝沉淀过程中残留的一定量的藻细胞，小球藻细胞在提供的适宜环境条件下生长扩增，约经过10-12天时间，小球藻细胞密度可达到高密度值，其间需要时增加培养水体的水位，直至水位为50-70公分左右，培养期间光照培养并用气石通气藻水体。藻细胞达到高密度时，测定培养水体的藻细胞液初始时的最大吸收峰波长下的吸光值A₀为0.6269，加入约F₃至F₄数值的中等浓度三氯化铁，以中等的T₄时间数值作为絮凝沉淀的时间长度，其间停止藻水体的光照(用黑布遮光)并且中断气石通气。絮凝沉淀时间到点后，测定的培养水体的藻细胞液吸光值A(T₄)为0.0832，获得的三氯化铁对小球藻细胞絮凝沉淀的效果为：絮凝沉淀的小球藻细胞达86.7％，把絮凝沉淀藻细胞后的上层水体再用小型水泵抽到另外一个水池，收集原水池底部已浓缩的微藻细胞。

实施例证5

使用实施例证4中絮凝沉淀藻细胞后转移到另外一个水池的水体继续扩增培养藻细胞，此时仍不必接种藻细胞，因转移的水体中本身已含有絮凝沉淀过程中残留的一定量的藻细胞，小球藻细胞在提供的适宜环境条件下生长扩增，约经过10-12天时间，小球藻细胞密度可达到高密度值，其间需要时增加培养水体的水位，直至水位为50-70公分左右，培养期间光照培养并用气石通气藻水体。藻细胞达到高密度时，测定培养水体的藻细胞液初始时的最大吸收峰波长下的吸光值A₀为0.4873，加入约F₃至F₄数值的中等浓度三氯化铁，以中等的T₄时间数值作为絮凝沉淀的时间长度，其间停止藻水体的光照(用黑布遮光)并且中断气石通气。絮凝沉淀时间到点后，测定的培养水体的藻细胞液吸光值A(T₄)为0.0495，获得的三氯化铁对小球藻细胞絮凝沉淀的效果为：絮凝沉淀的小球藻细胞达89.8％，把絮凝沉淀藻细胞后的上层水体再用小型水泵抽到另外一个水池，收集原水池底部已浓缩的微藻细胞。

由进一步具体实施例证的结果可看出：采用F₃至F₄数值的中等浓度三氯化铁，以中等的T₄时间数值作为絮凝沉淀的时间长度进行浓缩、采收微藻细胞，絮凝沉淀的小球藻细胞可达70.2-89.8％，具有良好的效果。虽然絮凝沉淀的小球藻细胞不可能达到百分之百，但恰好可利用转移的水体中本身已含有絮凝沉淀过程中残留的一定量的藻细胞，进行下一轮的藻细胞的扩增培养，不仅培养水体能得到有效的再循环利用的目的，节能减排，而且还不必进行藻接种过程，具有多方面的优点。

Claims (8)

1.一种通过三氯化铁絮凝作用采收微藻及培养水体的再循环利用，其特征在于：提供适宜的环境条件，使微藻细胞达到高密度值。采用成本低廉、对微藻细胞絮凝沉淀效果明显、对环境安全无毒害作用的絮凝剂三氯化铁采收培养的微藻细胞体，通过实施合理适宜的三氯化铁浓度、絮凝沉淀时间长度以及絮凝沉淀期间不光照的方案，使微藻细胞体有效絮凝沉淀，达到浓缩、采收微藻细胞的目的，同时，采收微藻细胞后的培养水体可继续多次用于培养微藻细胞生物，使培养水体得到有效的再循环利用。

2.按照权利要求1所述的一种通过三氯化铁絮凝作用采收微藻及培养水体的再循环利用，其特征是所述的采收培养的微藻细胞种类是椭圆小球藻、青岛大扁藻、杜氏盐藻、球等鞭金藻、叉鞭金藻、牟氏角毛藻、三角褐指藻，也可以是其它形式的微藻种类或是多种微藻的混合。

3.按照权利要求1所述的一种通过三氯化铁絮凝作用采收微藻及培养水体的再循环利用，其特征是所述的采收微藻细胞时所用的三氯化铁浓度范围为5-150ppm。

4.按照权利要求1所述的一种通过三氯化铁絮凝作用采收微藻及培养水体的再循环利用，其特征是所述的三氯化铁絮凝沉淀微藻细胞的时间范围为2-36小时。

5.按照权利要求1所述的一种通过三氯化铁絮凝作用采收微藻及培养水体的再循环利用，其特征是所述的在三氯化铁絮凝沉淀微藻细胞的时间内，用黑布、黑塑料膜或其它形式的遮光物遮盖培养的藻水体，使藻细胞处于无光照状态。

6.按照权利要求1所述的一种通过三氯化铁絮凝作用采收微藻及培养水体的再循环利用，其特征是所述的三氯化铁絮凝沉淀微藻细胞的时间到点后，用抽水泵抽去上层的水体，抽到另外的水池或其它的容器，收集底部已浓缩的微藻细胞。

7.按照权利要求1或4所述的一种通过三氯化铁絮凝作用采收微藻及培养水体的再循环利用，其特征是所述的抽到另外的水池或其它的容器的原来培养过微藻的水体可继续继续用于微藻细胞的扩增培养，使培养水体得到再次利用。

8.按照权利要求1、4或7所述的一种通过三氯化铁絮凝作用采收微藻及培养水体的再循环利用，其特征是所述的培养水体的循环再利用的次数可反复进行2-5次，并且每次可实施类似的收集底部已浓缩的微藻细胞的过程。