CN103045479A - 利用磁性絮凝纳米微粒快速收集藻体的方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用磁性絮凝纳米微粒快速收集藻体的方法与应用。该方法首先将微藻培养液的pH值调至≥6.0，加入磁性絮凝纳米微粒，混合搅拌，得到微藻细胞和磁性絮凝纳米微粒的聚合物；接着通过磁场发生器对微藻细胞和磁性絮凝纳米微粒的聚合物进行磁性吸附，分离得到微藻细胞和磁性絮凝纳米微粒的聚合物。该方法能在4分钟内收集得到藻体，pH适用范围广，磁性絮凝纳米微粒用量少，成本低，而且现场的操作性强，整个过程不会对微藻的组分产生破坏，且整个过程无污染。因此，本发明提供的方法不仅可应用于大规模收集藻体，而且可用于污水处理。

Description

利用磁性絮凝纳米微粒快速收集藻体的方法与应用

技术领域

本发明涉及一种收集藻体的方法，特别涉及一种利用磁性絮凝纳米微粒快速收集藻体的方法与应用。

背景技术

在能源危机对各行业影响日益加剧的今天，社会各界对可再生能源的关注度不断提高，生物柴油作为化石能源的替代燃料，现已成为国际上发展最快、应用最广的环保可再生能源。传统的生物柴油的原料，一直集中在陈化粮、木质素等领域，其生产导致了对农作物的大量需求，造成农作物的短缺。能源藻类细胞中油脂含量高，可达到80%左右，具有转化高品质燃油的潜力，是一类经济的新生物能源。虽然利用微藻生产柴油具有重要的经济意义，但是由于微藻细胞在培养液中形成稳定的分散体系，采收难度较大，所以微藻与培养液分离成为生产生物柴油的一个重要环节。

目前常用的采收方法有下面几种：1）沉降法收集，利用藻细胞自身重力进行自然沉降和收集，该法成本较低但效率也低；2）离心法和泡载法收集，该法能耗较大，成本较高；3）过滤法收集，由于微藻体积小，一般滤纸很难过滤，采用超滤法会由于藻液的沉积而堵塞滤孔，过滤难以持续进行下去；4）疏水法是利用藻类疏水性并相互作用的原理收集藻细胞，但这种方法只对高盐浓度中的藻液适用，对淡水培养的藻液效果较差，所以不具有普遍性；5）超声法能耗大，且超声波频率对采收效果影响不显著；6）电泳法在变压和整流过程中有电能损耗，所以现有的电泳法采收微藻能耗巨大，很难真正应用于工业大规模的采收；7）絮凝法收集耗时久，并且收集后的藻泥较为松散，占用较大的体积；8）磁性吸附法能快速收集到藻体，但是现有的磁性吸附法收集藻体所耗时间和适用范围还不能满足使用需求。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种利用磁性絮凝纳米微粒快速收集藻体的方法。

本发明的另一目的在于提供所述利用磁性絮凝纳米微粒快速收集藻体方法的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种利用磁性絮凝纳米微粒快速收集藻体的方法，包含以下步骤：

（1）将微藻培养液的pH值调至≥6.0，加入磁性絮凝纳米微粒，混合搅拌，得到微藻细胞和磁性絮凝纳米微粒的聚合物；

（2）通过磁场发生器对微藻细胞和磁性絮凝纳米微粒的聚合物进行磁性吸附，分离得到微藻细胞和磁性絮凝纳米微粒的聚合物；

所述的微藻优选为蛋白核小球藻或斜生栅藻中的一种或两种；

所述的pH值优选通过氢氧化钠或盐酸调节；

所述的磁性絮凝纳米微粒通过包含以下步骤的方法得到：

①将四氧化三铁纳米颗粒分散到含有壳聚糖的醋酸溶液中，调节pH值至4.0～6.0，超声分散；

②在搅拌过程中滴入pH值为7.0～7.5的三聚磷酸钠溶液，将三聚磷酸钠溶液滴加完后继续反应，得到磁性絮凝纳米微粒；其中，四氧化三铁纳米颗粒、壳聚糖和三聚磷酸钠按质量比5：0.6：0.06配比；

所述的含有壳聚糖的醋酸溶液优选通过以下方法制备得到：在体积百分比1%的醋酸溶液中加入壳聚糖，溶解后得到；

步骤①中所述的超声分散的条件优选为30kHz频率，分散30min；

步骤②中所述的搅拌的速度优选为200～400r/min；

步骤②中所述的反应的时间优选为25～30min；

所述的磁性絮凝纳米微粒的粒径为纳米级，为50～100nm；

所述的磁性絮凝纳米微粒的用量优选为：微藻低生物量：微藻培养液中微藻生物量＜10⁸cell/ml，每升微藻培养中使用的磁性絮凝纳米微粒为0.24～0.25g；微藻高生物量：微藻培养液中微藻生物量≥10⁸cell/ml，每升微藻培养中使用的磁性絮凝纳米微粒为0.73～0.74g；

所述的微藻生物量优选通过如下方法测定得到：通过分光光度计测定藻细胞样品的最大吸收波长，不同藻液浓度的OD值对应不同藻液浓度的细胞数，建立OD值与微藻生物量的相关曲线，通过测定OD值计算出微藻生物量；

步骤（1）中所述的混合搅拌的时间优选为1～2min；

步骤（2）中所述的磁场发生器优选为电磁铁装置；其通过改变电压或者电流的大小就可以改变磁场的强度；

所述的电磁铁装置的操作参数优选为磁场强度为0.5～0.6T。

所述的利用磁性絮凝纳米微粒快速收集藻体的方法可用于大规模收集藻体，也可应用于污水处理；

城市污水处理一般分为三级：一级处理，系应用物理处理法去除污水中不溶解的固形物；二级处理是一级处理后的污水经过具有活性污泥的曝气池及沉淀池的处理，使污水进一步净化的工艺过程；经过二级处理后的污水含有丰富的氮和磷；现有的污水三级处理方法主要采用化学沉淀法除磷，物理化学方法除氮或是使用生物法（主要为硝化细菌）除氮。现有的污水三级处理方法成本高，而且当使用生物法除氮时，效率较为缓慢；当使用化学法除磷和氮，二次污染的潜在风险较大。藻类在对数生长期，需消耗大量的磷和氮，但是氮和磷是藻类生长所必需的营养成分，所以在三级污水中加入微藻，随着微藻的生长会消耗掉三级污水中的氮磷等营养成分，然后再收集所需微藻，这样三级污水中的氮磷等营养成分就会被消耗掉，从而达到可以排放的标准。起到“一举两得”的作用。采用本发明提供的方法收集微藻速度很快，并能保证污水的及时净化和排出。

一种污水处理方法，包含以下步骤：

（1）在污水的三级处理池中加入微藻母液，室外培养3～4天。

（2）当水体的氮、磷值符合排放标准，应用上述的利用磁性絮凝纳米微粒快速收集藻体的方法收集藻体，排放处理后的污水。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

（1）本发明提供的利用磁性絮凝纳米微粒快速收集藻体的方法收集藻体的速度快，能在4分钟内收集得到藻体，所收集的藻体的量（湿重）为：低生物量：蛋白核小球藻是0.35g/L，斜生栅藻是0.30g/L；高生物量：蛋白核小球藻是0.72g/L，斜生栅藻是0.64g/L。

（2）本发明提供的利用磁性絮凝纳米微粒快速收集藻体的方法适用范围广，对含有藻体的液体在pH值≥6.0时，均可快速收集到藻体。

（3）本发明提供的利用磁性絮凝纳米微粒快速收集藻体的方法，所使用的磁性絮凝纳米微粒用量少，成本低。

（4）本发明在污水处理应用中也有较好的效果，污水处理后水体的pH在7.0左右，所以无需进行pH调节即可采收，比较省时省料。

（5）现场的操作性强，整个过程不会对微藻的组分产生破坏，且整个过程无污染。

附图说明

图1是蛋白核小球藻OD值与细胞密度的线性关系图。

图2是栅藻OD值与细胞密度的线性关系图。

图3是五种方法对小球藻和栅藻采收回收率对比图。

图4是五种方法对小球藻和栅藻采收凝集率对比图。

图5是五种方法对小球藻和栅藻采收沉降速率对比图。

图6是五种方法对小球藻和栅藻采收时间对比图。

图3、4、5和6中，a为采用四氧化三铁纳米颗粒采收方法，b为采用聚丙烯酰胺采收微藻的方法，c为通过调节pH值采收微藻的方法，d为采用壳聚糖絮凝采收微藻的方法，e为采用本发明制备磁性絮凝纳米微粒采收微藻的方法。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

具体实施方式中的测定方法：

（1）微藻的最大吸收波长：取微藻藻液3.5ml放入比色皿中，然后通过分光光度计扫描，波长范围为200nm～700nm。

（2）测定指标：

$\mathrm{\μ}=\frac{{\mathrm{OD}}_a-{\mathrm{OD}}_b}{{\mathrm{OD}}_a}\×100\%$

①回收率：

OD_a---------原藻液液面下10cm的初始OD值；

OD_b---------藻沉降后藻液液面下10cm的OD值；

回收率越大，采收效率越高。

②凝集率：F=V₀/V₁

V₀---------藻沉降后藻泥的体积；

V₁---------原藻液的总体积；

凝集率越小，说明藻细胞越密实，采收效果越好。

③沉降速率：测定在藻液液面下10cm处，获得OD值降低为原来的50％时所需的时间。V=S/T

S---------藻液液面下10cm处；

T---------藻液液面下10cm处得OD值降低为原来的50％时所需的时间；沉降速率越大，采收所用时间越短。

实施例1

回收蛋白核小球藻：

（1）磁性絮凝纳米微粒的制备：称取0.5g Fe₃O₄纳米颗粒（20nm，阿拉丁公司，下同），将其分散到20ml含有壳聚糖的醋酸溶液（醋酸溶液的浓度为体积百分比1%，分子量为20万的壳聚糖的终浓度为3mg/ml）中，用0.1mol/L的盐酸调节pH值为4.0，室温下30kHz超声30min，然后以300r/min的速度进行搅拌，搅拌过程中滴入3ml浓度为2mg/ml的三聚磷酸钠溶液（pH值为7.0），滴加速度为30滴（一滴相当于50微升）/min，并保持搅拌30min，其中四氧化三铁纳米颗粒、壳聚糖和三聚磷酸钠质量比为5：0.6：0.06，反应完毕得到磁性絮凝纳米微粒悬浮液。通过透射电镜确定粒径为50～100nm。

（2）微藻培养液中蛋白核小球藻生物量的确定：通过分光光度计测定蛋白核小球藻样品【藻种由暨南大学赤潮与海洋生物学研究中心藻种室提供（已在文献“苯丙醇类抗生素对蛋白核小球藻生长的影响.暨南大学学报（自然科学版），2012（03）”公开），用经过改良的BG11培养基，在25℃，光照强度为1500μmol·m^-2·s^-1，光照条件12L:12D的培养箱培养】的最大吸收波长为540nm。用分光光度计测定其在540nm下的吸光度（OD₅₄₀），重复3次，取平均值；同时采用细胞计数板计数获得细胞密度，重复3次，取平均值；建立OD值与蛋白核小球藻生物量的相关曲线，如图1所示。结果显示二者具有良好的线性关系。

改良的BG11培养基的配制过程如下：①首先配制母液：10g硝酸钠+400ml水得到硝酸钠母液，1g二水氯化钙+400ml水得到氯化钙母液，3g七水硫酸镁+400ml水得到硫酸镁溶液，3g磷酸氢二钾+400ml水得到磷酸氢二钾溶液，7g磷酸二氢钾+400ml水得到磷酸二氢钾母液，1g氯化钠+400ml水得到氯化钠母液；②步骤①配制的六种母液各10ml（共60ml）+940ml水，得到溶液A；③在100ml水中加入0.1g维生素B1，15×10^-6g维生素B12和25×10^-6g生物素，得到溶液B；④在1升水中先加入0.75g Na₂EDTA，完全溶解再加：FeCL₃.6H₂O97mg、MnCL₂.4H₂O 41mg、ZnCL₂5mg、CoCL₂.6H₂O 2mg、Na₂MoO₄.2H₂O4mg，得到溶液C；⑤1000ml溶液A+3ml溶液B和6ml溶液C，得到改良的BG11培养基。

（3）磁性絮凝纳米微粒采收蛋白核小球藻

①在低生物量时的采收

在蛋白核小球藻培养的初始期（生物量是3×10⁷cell/ml），取1L的小球藻培养液于量筒中，调节pH值至6.5。然后加入0.246g步骤（2）制备的磁性絮凝纳米微粒悬浮液，混合搅拌均匀，观察到聚合物的生成，立刻放在电磁铁（磁场强度为0.5T）上进行采收，重复3次，取平均值。

测定结果可知，小球藻的回收率高达96.49%（如图3所示）；小球藻的凝集率为0.044（如图4所示）；小球藻的沉降速率为2.3cm/min（如图5所示），采收时间为10cm÷2.3cm/min=4.3min（如图6所示）。

②在高生物量时的采收

小球藻培养达到高生物量（生物量是3×10⁹cell/ml）时，取1L的微藻培养液于量筒中，调节pH值至6.5。然后加入0.738g步骤（2）制备的磁性絮凝纳米微粒悬浮液，混合搅拌均匀，观察到聚合物的生成，立刻放在电磁铁（磁场强度为0.5T）上进行采收，重复3次，取平均值。

虽然高生物量的微藻难于采收，但是本发明提供的方法对于小球藻处于高生物量时的回收率也高，小球藻的回收率可达到94.53%（如图3所示）；小球藻的凝集率为0.102（如图4所示）；小球藻的沉降速率达到2.85cm/min（如图5所示），采收时间为3.5min（如图6所示）。

实施例2

回收斜生栅藻：

（1）磁性絮凝纳米微粒的制备和微藻培养液中微藻生物量的确定方法同实施例1。

（2）斜生栅藻浓度测定，如图2所示，OD值与斜生栅藻浓度具有良好的线性关系。

（3）磁性絮凝纳米微粒采收斜生栅藻

①在低生物量时的采收

在斜生栅藻【藻种由暨南大学赤潮与海洋生物学研究中心藻种室提供（已在文献“叔丁基对羟基茴香醚和诺氟沙星对水生生物的影响.生态科学，2007（01）”公开），用经过改良的BG11培养基，在25℃，光照强度为1500μmol·m^-2·s^-1，光照条件12L:12D的培养箱培养】培养的初始期（生物量是3×10⁷cell/ml），取1L的栅藻培养液于量筒中，调节pH值至6.5。然后加入0.246g步骤（2）制备的磁性絮凝纳米微粒悬浮液，混合搅拌均匀，观察到聚合物的生成，立刻放在电磁铁（磁场强度为0.6T）上进行采收，重复3次，取平均值。

测定结果可知，栅藻的回收率高达95.15%（如图3所示）；栅藻的凝集率为0.043（如图4所示）；栅藻的沉降速率为2.61cm/min（如图5所示），采收时间为3.83min（如图6所示）。

①在高生物量时的采收

微藻培养达到高生物量（微藻生物量是3×10⁹cell/ml）时，取1L的微藻培养液于量筒中，调节pH值至6.5。然后加入0.738g步骤（2）制备的磁性絮凝纳米微粒悬浮液，混合搅拌均匀，观察到聚合物的生成，立刻放在电磁铁（磁场强度为0.6T）上进行采收，重复3次，取平均值。

虽然高生物量的微藻难于采收，但是本发明提供的方法对高密度的栅藻也有很高的回收率，达95.21%（如图3所示）；栅藻的凝集率为0.097（如图4所示）；沉降速率达2.54cm/min（如图5所示），采收时间为3.9min（如图6所示）。

实施例3

（1）在低生物量时的采收效果测定：

在两种微藻培养的初始期（含有小球藻的培养液同实施例1，微藻生物量为3×10⁷cell/ml，含有栅藻的培养液同实施例2，微藻生物量为3×10⁷cell/ml）进行采收，取1L的藻液（pH为6.5）于量筒中，然后分别向量筒中加入0、0.123、0.246、0.492、0.738和0.984g的实施例1制备的磁性絮凝纳米微粒，做三个重复，混合搅拌均匀，观察到聚合物的生成，立刻放在电磁铁（磁场强度为0.5T）上进行采收。

测定结果可知：不加微粒时，微藻的自然沉降回收率为8.02%，加入微粒后，微藻的回收率大大提高，当微粒剂量为0.246g/L时，微粒对微藻的作用最为明显，小球藻回收率达96.32%，栅藻回收率达95.04%。随着微粒量的加入，回收率逐渐下降，可能是因为微粒量增加，微粒之间的相互作用增强，对藻的吸附起不到很好的作用，并且微粒量增加，对藻的吸附会产生影响，从外观观察，吸附到底部的藻被微粒包被，导致全部是黑色。所以微粒量加入多会对藻的回收有一定的影响。

微藻自然沉降凝积力很低，在烧杯底部有很少的藻沉降，加入微粒后，微粒对藻的吸引力增加，当微粒剂量为0.246g/L时，小球藻凝积力为0.045，栅藻凝积力为0.043。随着微粒量的加入，最后沉降在烧杯底部的量也在增加，所以凝积力也在增大。

微藻的自然沉降速率很小，当加入微粒后，微藻沉降速率明显增大，微粒量加入的不同，与藻结合的时间也不同，导致沉降的速率不同。其中加入0.246g/L和0.984g/L的沉降速率很快，但二者很接近，小球藻沉降速率都在2.1cm/min左右，栅藻沉降速率都在2.2cm/min左右。考虑到当在藻液中加入0.984g/L的微粒，太多的微粒会对藻的回收有很大的影响，也比较消耗原料，所以加入0.246g/L比较合适。

（2）在高生物量时的采收

在两种微藻培养到高生物量（含有小球藻的培养液同实施例1，微藻生物量为3×10⁹cell/ml，含有栅藻的培养液同实施例2，微藻生物量为3×10⁹cell/ml）时进行采收，此时藻液pH为6.5，采收方法同步骤（1）低生物量的采收方法。

测定结果可知：不加微粒时，微藻的自然沉降回收率为10.026%，加入微粒后，微藻的回收率大大提高，当微粒剂量为0.738g/L时，微粒对微藻的作用最为明显，小球藻回收率达到92.65%，栅藻回收率达到95.11%。

微藻自然沉降凝积力很低，在烧杯底部有很少的微藻沉降，加入微粒后，微粒对藻的吸引力增加，当微粒剂量为0.738g/L时，小球藻凝积力为0.107，栅藻凝积力为0.098。随着微藻生物量增加，最后沉积在底部的藻泥也在增加。

微藻的自然沉降速率很小，向藻液加入0.738g/L的微粒量，微藻的沉降速率最大，小球藻达到2.4cm/min，栅藻为2.3cm/min。

实施例4

关于pH对磁性絮凝纳米微粒加入微藻的影响分析

（1）在低生物量时的采收

在两种微藻培养的初始期（含有小球藻的培养液同实施例1，微藻生物量为3×10⁷cell/ml，含有栅藻的培养液同实施例2，微藻生物量为3×10⁷cell/ml）进行采收，取1L的藻液于量筒中并加入0.246g实施例1制备的磁性絮凝纳米微粒，然后用盐酸和氢氧化钠调节藻液的pH，范围是4.0～13.0，做三个重复，混合搅拌均匀，观察到聚合物的生成，立刻放在电磁铁（磁场强度为0.5T）上进行采收。

测定结果可知：当pH≥6.0时，两种微藻的回收率都很高，达到95%以上，原因可能是在此pH范围内，微粒和藻细胞能成稳定的电位，有利于两者的结合，从而加快微藻的沉降。其中当pH=6.5左右时，两种微藻的回收率最大，小球藻的回收率为96.49%，栅藻回收率为95.15%；两种藻凝积力变化不大，都在0.043左右。

在pH=6.5左右，由于微粒和藻细胞能形成稳定的絮凝团，所以沉降速率很快，其中小球藻沉降速率达到2.28cm/min左右，栅藻沉降速率达到2.60cm/min左右。

综上所述，当微粒加入量为0.246g，pH≥6.0时，微藻的采收效果很好。

（2）在高生物量时的采收

在两种微藻培养到高生物量（含有小球藻的培养液同实施例1，微藻生物量为3×10⁹cell/ml，含有栅藻的培养液同实施例2，微藻生物量为3×10⁹cell/ml）时进行采收，取1L的藻液于量筒中并加入0.738g实施例1制备的磁性絮凝纳米微粒，其他条件和步骤（1）相同。

测定结果可知：当pH=6.5左右或者pH=10.0左右，两种微藻的回收率都很高，都达到95%左右，当pH=6.5时，小球藻的回收率为94.53%，栅藻的回收率为95.21%；当pH=10.0时，小球藻的回收率为93.85%，略小于pH=6.5左右的回收率，栅藻的回收率为94.86%，略小于pH=6.5左右的回收率；两种微藻的凝集率变化不大，都在0.10左右。

当pH=6.5时，由于微粒和藻细胞能形成稳定的絮凝团，所以沉降速率很快，其中小球藻沉降速率达到2.85cm/min，栅藻沉降速率达到2.54cm/min，其中在pH=10.0范围内，两种微藻的沉降速率维持在2.50cm/min左右。

综上所述，对于采收高生物量的微藻，微粒加入量为0.738g，pH≥6.0时，微藻的采收效果都很好。

对比实施例1

（1）改变微粒组分的比例进行采收效果对比。在对比实验中，四氧化三铁纳米颗粒、壳聚糖和三聚磷酸钠按质量比为5：0.9：0.06方式制备微粒，通过投射电镜测得该微粒粒径在100μm左右，然后进行下述实验。

（2）微藻采收效果对比实验

①在低生物量时的采收

在两种微藻培养的初始期（含有小球藻的培养液同实施例1，微藻生物量为3×10⁷cell/ml，含有栅藻的培养液同实施例2，微藻生物量为2×10⁷cell/ml），两种微藻培养液各取1L于不同的量筒中，调节pH值至6.5。然后加入0.246g步骤（1）制备的微粒悬浮液，混合搅拌均匀，观察到聚合物的生成，立刻放在电磁铁（磁场强度为0.5T）上进行采收，重复3次，取平均值。

测定结果可知，小球藻回收率为76.68%，低于实施例1的小球藻回收率96.49%，栅藻的回收率为75.12%；低于实施例2的栅藻回收率95.15%；小球藻的凝集率为0.059，高于实施例1的小球藻凝集率0.044，栅藻的凝集率为0.051，高于实施例2的栅藻凝集率0.043；小球藻的沉降速率为0.416cm/min，低于实施例1的小球藻沉降速率2.30cm/min，栅藻的沉降速率为0.434cm/min，低于实施例2的栅藻沉降速率2.61cm/min。

②高生物量时的采收

在两种微藻培养到高生物量（含有小球藻的培养液同实施例1，微藻生物量为3×10⁹cell/ml，含有栅藻的培养液同实施例2，微藻生物量为1×10⁹cell/ml）时，两种微藻培养液各取1L于不同的量筒中，调节pH值至6.5。然后加入0.738g步骤（1）制备的微粒悬浮液，混合搅拌均匀，观察到聚合物的生成，立刻放在电磁铁（磁场强度为0.5T）上进行采收，重复3次，取平均值。

测定结果可知，小球藻回收率为67.51%，低于实施例1的小球藻回收率94.53%，栅藻的回收率为62.08%，低于实施例2的栅藻回收率95.21%；小球藻的凝集率为0.103，略高于实施例1的小球藻凝集率0.102，栅藻的凝集率为0.098，略高于实施例2的栅藻凝集率0.097；小球藻的沉降速率为0.721cm/min，远低于实施例1的小球藻沉降速率2.85cm/min，栅藻的沉降速率为0.635cm/min，远低于实施例2的栅藻沉降速率2.54cm/min。

对比实施例2

通过调节pH的方法采收微藻，此方法仅为实验室条件下的对比实验。

（1）在低生物量时的采收

在两种微藻培养的初始期（含有小球藻的培养液同实施例1，微藻生物量为3×10⁷cell/ml，含有栅藻的培养液同实施例1，微藻生物量为2×10⁷cell/ml），两种微藻培养液各取1L于不同的烧杯中，用1mol/L氢氧化钠和1mol/L盐酸溶液将小球藻培养液调节为不同的pH值，分别将培养液调节至不同的pH值（pH值的排布为4.0～13.0），晃动搅拌，静止20min后，测定指标，重复3次，取平均值。

测定结果可知：在pH值为12.0时为采收最佳值，小球藻的回收率90.86%，栅藻的回收率为91.66%（如图3所示），低于用磁性絮凝纳米微粒采收的回收率；两种微藻的凝集率相差不大，都在0.040左右（如图4所示）；小球藻的沉降速率为0.29cm/min，栅藻的沉降速率为0.33cm/min（如图5所示），采收时间分别为34.5min和30.3min（如图6所示）；均明显低于本发明提供的方法。

（2）在高生物量时的采收

在两种微藻培养到高生物量（含有小球藻的培养液同实施例1，微藻生物量为3×10⁹cell/ml，含有栅藻的培养液同实施例1，微藻生物量为1×10⁹cell/ml）时进行采收，采收方法同上（1）低生物量的采收方法。

对于高生物量的采收，调节pH不是很明显，测定结果可知pH最优值为13.0，小球藻的回收率为78%，明显低于实施例1的小球藻回收率94.53%，栅藻的回收率为74%（如图3所示）明显低于实施例2的栅藻回收率95.21%；小球藻的凝集率为0.11，高于实施例1的小球藻凝集率0.102，栅藻的凝集率为0.103，高于实施例2的栅藻凝集率0.097（如图4所示）；两种微藻的沉降速率很接近，都在0.40cm/min左右（如图5所示），采收时间为25min左右（如图6所示），很明显低于实施例1和2的微藻沉降速率和采收时间。

对比实施例3

用壳聚糖絮凝的方法采收小球藻和栅藻：

（1）在低生物量时的采收

在两种微藻培养的初始期（含有小球藻的培养液同实施例1，微藻生物量为3×10⁷cell/ml，含有栅藻的培养液同实施例1，微藻生物量为2×10⁷cell/ml），两种微藻培养液各取100ml于不同的玻璃试管中，分别在试管中加入1mg壳聚糖（壳聚糖的分子量为20万，通过实验测定壳聚糖采收微藻的最适量），用1mol/L的氢氧化钠调节pH为6.5（通过实验测定壳聚糖采收的最适pH），混合溶液，以350rpm快速搅拌1min，然后以转速50rpm搅拌10min，静止25min，测定指标,重复3次，取平均值。

加入壳聚糖可以回收两种微藻，小球藻的回收率为93.57%，略低于实施例1的小球藻回收率96.49%，栅藻的回收率为92.36%，略低于实施例2的栅藻回收率95.15%（如图3所示）；小球藻的凝集率为0.099，远高于实施例1的小球藻凝集率0.044，栅藻的凝集率为0.105（如图4所示），远高于实施例2的栅藻凝集率0.043；小球藻的沉降速率为0.394cm/min，栅藻的沉降速率为0.416cm/min（如图5所示），采收时间分别为25.4min和24min（如图6所示）；明显低于用本发明方法的沉降速率和采收时间。

（2）在高生物量时的采收

在两种微藻培养到高生物量（含有小球藻的培养液同实施例1，微藻生物量为2×10⁹cell/ml，含有栅藻的培养液同实施例1，微藻生物量为1×10⁹cell/ml）时进行采收，两种微藻培养液各取100ml于不同的玻璃试管中，分别在试管中加入2mg壳聚糖（壳聚糖的分子量为20万，通过实验测定壳聚糖采收微藻的最适量），其他方法同上（1）低生物量的采收方法，测定指标。

对于高生物量的采收，壳聚糖絮凝采收效果一般，小球藻的回收率86%，低于实施例1的小球藻回收率94.53%，栅藻回收率84%，低于实施例2的栅藻回收率95.21%（如图3所示）；小球藻的凝集率为0.19，栅藻的凝集率为0.17（如图4所示），这种方法采收的凝集率很明显高于本发明的凝集率0.10左右；两种微藻的沉降速率很接近，都在0.70cm/min左右（如图5所示），明显低于实施例1和2中微藻的沉降速率2.3cm/min左右，采收时间（如图6所示）远远高于实施例1和2。

对比实施例4

加入聚丙烯酰胺采收小球藻和栅藻：

（1）在低生物量时的采收

在两种微藻培养的初始期（含有小球藻的培养液同实施例1，微藻生物量为2×10⁷cell/ml，含有栅藻的培养液同实施例1，微藻生物量为2×10⁷cell/ml），两种微藻培养液各取100ml于不同的玻璃试管中，分别在试管中加入2mg聚丙烯酰胺（AR250G，天津大茂）（通过实验测定聚丙烯酰胺采收的最适量），用1mol/L的氢氧化钠调节pH为10.0（通过实验测定聚丙烯酰胺采收的最适pH范围），混合溶液，以300rpm快速搅拌2min，然后以转速100rpm搅拌10min，静止观察，测定指标，重复3次，取平均值。

加入聚丙烯酰胺对两种微藻的采收效果差异不明显，小球藻的回收率为87.46%，远低于实施例1的小球藻回收率96.49%，栅藻的回收率为85.04%，明显低于实施例2的栅藻回收率95.15%（如图3所示）；两种微藻的凝集率相差不大，都在0.086左右（如图4所示），明显高于本发明采收的微藻凝集率0.044左右；小球藻的沉降速率为0.153cm/min，低于实施例1的小球藻沉降速率2.30cm/min，栅藻的沉降速率为0.144cm/min，低于实施例2的栅藻沉降速率2.61cm/min（如图5所示），采收时间（如图6所示）远远高于实施例1和2。

（2）在高生物量时的采收

在两种微藻培养到高生物量（含有小球藻的培养液同实施例1，微藻生物量为2×10⁹cell/ml，含有栅藻的培养液同实施例1，微藻生物量为2×10⁹cell/ml）时进行采收，两种微藻培养液各取100ml于不同的玻璃试管中，分别在试管中加入3mg聚丙烯酰胺（AR250G，天津大茂）（通过实验测定聚丙烯酰胺采收的最适量），其他方法同上（1）低生物量的采收方法，测定指标。对于高生物量的采收，加入聚丙烯酰胺采收效果一般，小球藻的回收率为81%，远低于实施例1的小球藻回收率94.53%，栅藻的回收率为83%，远低于实施例2的栅藻回收率95.21%（如图3所示）；小球藻的凝集率为0.157，明显高于实施例1的小球藻凝集率0.102，栅藻的凝集率为0.171，明显高于实施例2的栅藻凝集率0.097（如图4所示）；小球藻的沉降速率为0.172cm/min，低于实施例1的小球藻沉降速率2.85cm/min，栅藻的沉降速率为0.181cm/min，低于实施例2的栅藻沉降速率2.54cm/min（如图5所示），采收时间（如图6所示）远远高于实施例1和2。

对比实施例5

四氧化三铁纳米颗粒（粒径范围是20nm，阿拉丁公司）采收小球藻和栅藻：

纳米四氧化三铁颗粒和微藻细胞之间有静电吸引力，他们可以互相结合成复合物，再通过外加磁场来进行采收。分别取100ml的两种微藻溶液（小球藻生物量为2×10⁷cell/ml，栅藻生物量为2×10⁷cell/ml）于烧杯中，在烧杯中加入20mg四氧化三铁纳米微粒（通过实验测定纳米四氧化三铁颗粒采收的最适量），用1mol/L的氢氧化钠调节pH值为7.0（通过实验测定四氧化三铁纳米采收的最适pH），混合溶液，以160rpm快速搅拌2min，然后用电磁铁吸附复合物，测定指标，重复3次，取平均值。

加入纳米四氧化三铁采收效果不佳，小球藻的回收率为21%，栅藻的回收率为29%，很明显低于实施例1和2中的微藻回收率（如图3所示），由于回收率比较低，所以凝集率和沉降速率无法测定。

通过以上实施例和对比实施例可以看出，本发明提供的磁性絮凝纳米微粒能有效收集微藻，实现了快速高效回收，并且微粒制备方法简单，适用于工业规模化采收。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用磁性絮凝纳米微粒快速收集藻体的方法，其特征在于包含以下步骤：

（1）将微藻培养液的pH值调至≥6.0，加入磁性絮凝纳米微粒，混合搅拌，得到微藻细胞和磁性絮凝纳米微粒的聚合物；

（2）通过磁场发生器对微藻细胞和磁性絮凝纳米微粒的聚合物进行磁性吸附，分离得到微藻细胞和磁性絮凝纳米微粒的聚合物；

所述的磁性絮凝纳米微粒通过包含以下步骤的方法得到：

①将四氧化三铁纳米颗粒分散到含有壳聚糖的醋酸溶液中，调节pH值至4.0～6.0，超声分散；

②在搅拌过程中滴入pH值为7.0～7.5的三聚磷酸钠溶液，将三聚磷酸钠溶液滴加完后继续反应，得到磁性絮凝纳米微粒；其中，四氧化三铁纳米颗粒、壳聚糖和三聚磷酸钠按质量比5：0.6：0.06配比。

2.根据权利要求1所述的利用磁性絮凝纳米微粒快速收集藻体的方法，其特征在于：所述的微藻为蛋白核小球藻、斜生栅藻或三角褐指藻。

3.根据权利要求1所述的利用磁性絮凝纳米微粒快速收集藻体的方法，其特征在于：所述的含有壳聚糖的醋酸溶液通过以下方法制备得到：在体积百分比1%的醋酸溶液中加入壳聚糖，溶解后得到。

4.根据权利要求1所述的利用磁性絮凝纳米微粒快速收集藻体的方法，其特征在于：步骤①中所述的超声分散的条件为30kHz频率，分散30min；

步骤②中所述的搅拌的速度为200～400r/min；

步骤②中所述的反应的时间为25～30min；

所述的磁性絮凝纳米微粒的粒径为纳米级，为50～100nm。

5.根据权利要求1所述的利用磁性絮凝纳米微粒快速收集藻体的方法，其特征在于：所述的磁性絮凝纳米微粒的用量为：微藻低生物量：微藻培养液中微藻生物量＜10⁸cell/ml，每升微藻培养中使用的磁性絮凝纳米微粒为0.24～0.25g；微藻高生物量：微藻培养液中微藻生物量≥10⁸cell/ml，每升微藻培养中使用的磁性絮凝纳米微粒为0.73～0.74g。

6.根据权利要求5所述的利用磁性絮凝纳米微粒快速收集藻体的方法，其特征在于：所述的微藻生物量通过如下方法测定得到：通过分光光度计测定藻细胞样品的最大吸收波长，不同藻液浓度的OD值对应不同藻液浓度的细胞数，建立OD值与微藻生物量的相关曲线，通过测定OD值计算出微藻生物量。

7.根据权利要求1所述的利用磁性絮凝纳米微粒快速收集藻体的方法，其特征在于：步骤（1）中所述的混合搅拌的时间为1～2min。

8.根据权利要求1所述的利用磁性絮凝纳米微粒快速收集藻体的方法，其特征在于：步骤（2）中所述的磁场发生器为电磁铁装置；

所述的电磁铁装置的操作参数为磁场强度为0.5～0.6T。

9.权利要求1所述的利用磁性絮凝纳米微粒快速收集藻体的方法的应用，其特征在于：所述的利用磁性絮凝纳米微粒快速收集藻体的方法应用于大规模收集藻体或是用于污水处理。

10.一种污水处理方法，包含以下步骤：

（1）在污水的三级处理池中加入微藻母液，室外培养3～4天。

（2）当水体的氮、磷值符合排放标准，应用权利要求1所述的利用磁性絮凝纳米微粒快速收集藻体的方法收集藻体，排放处理后的污水。

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