CN103289895A - 一种用于微藻采收的磁分离装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于微藻采收的磁分离装置及方法。所述磁分离装置包括磁分离单元，所述磁分离单元从外向内依次包括分离槽、旋转的外筒和固定的内筒；所述分离槽、外筒和内筒分布于不同半径的同心圆上；所述外筒和内筒之间设有环形磁铁。所述方法通过本发明所述的磁分离装置对微藻进行采收，其采收效率能够达到95%以上。本发明解决了现有微藻磁分离技术在工业化应用中存在的问题，能够对微藻进行大规模的连续采收。所述装置结构简单，操作方便，对微藻采收效率高、成本低、耗能小，易于工业放大。

Description

一种用于微藻采收的磁分离装置及方法

技术领域

本发明涉及微藻采收技术领域，尤其涉及到一种用于微藻采收的磁分离装置及方法。

背景技术

微藻具有体积小、结构简单、生长迅速的特点，其分布极其广泛，许多微藻都有重要的经济价值。长期以来，微藻主要作为鱼、虾、贝类幼体或成体的直接或间接的活饵料。20世纪80年代后，微藻生物技术的迅速发展使人们认识到微藻在进化上的多源性、遗传的多样性，发现了微藻还具有光能转换率高、环境适应性强、易于遗传改良等特点，可对其进行大规模培养。近些年来，日益严峻的能源危机问题使生物能源的发展成为各国竞争的焦点。由于微藻在生长繁殖过程中体内能够积累大量的油脂，同时在次生代谢过程中产生烃类物质，因此，用微藻生产生物燃料替代化石燃料，已经成为学者研究的热点。微藻生产的生物燃料主要包括：甲烷、生物氢、甲醇、烃和脂肪酸等。目前，微藻在食品、医药、化工、环保、能源等领域具有广泛的应用前景，微藻生产工艺和相关产品的开发成为新兴技术产业。

微藻的采收是微藻生产加工的重要环节之一。然而，微藻细胞较为微小，培养液中微藻细胞浓度低，由于微藻细胞相同电荷的排斥作用使得微藻在藻液中非常稳定，这些原因直接导致微藻采收难度大、成本高。微藻的采收直接影响到微藻生产工艺的后续开发利用，探索高效经济的微藻采收技术成为实现微藻大规模生产的关键。目前已经报道的微藻采收方法包括多种形式。传统的方法有离心法和过滤法，这两种采收方法虽然可以达到采收微藻细胞的目的，但是，离心法需要专门的设备系统、固定资产投资大、能耗高，而过滤法由于微藻细小和藻液浓度低易于产生膜堵塞、操作难度大。絮凝是微藻采收中应用较为广泛的采收技术，絮凝剂与藻细胞相互作用使得藻细胞聚集成团，依靠重力作用而沉降，絮凝效果明显，但是沉降过程用时长且絮凝剂会残留在培养液中污染水体，而且絮凝剂价格也比较昂贵。气浮分离方法在微藻采收应用时需要加入表面活性剂等物质，存在着和絮凝方法类似的表面活性剂残留等问题。

近几年来，磁分离技术在微藻分离采收中的应用已有文献报道。Xu等人研究发现，裸露的Fe₃O₄纳米颗粒可以对淡水藻小球藻和布朗葡萄藻进行磁性分离，该方法用时短、效果好，对培养液中微藻的回收率达到95%以上（Xu,L.,Guo,C.,Wang,F.,Zheng,S.,Liu,C.Z.,2011.A simple and rapid harvesting method formicroalgae by in situ magnetic separation.Bioresour.Technol.102,10047-10051.）。Cerff等人研究表明，利用氧化硅修饰的Fe₃O₄颗粒对淡水藻和海洋藻进行采收，在适宜条件下微藻的采收效率也可达到95%以上（Cerff,M.,Morweiser,M.,Dillschneider,R.,Michel,A.,Menzel,K.,Posten,C.,2012.Harvesting fresh waterand marine algae by magnetic separation:Screening of separation parameters andhigh gradient magnetic filtration.Bioresour.Technol.118,289-295.）。Lim等人研究发现，用阳离子型二甲基二烯丙基氯化铵聚合物修饰Fe₃O₄纳米颗粒采收小球藻，在外磁场的作用下可以快速地把微藻和磁颗粒的混合物从溶液中分离出来，小球藻的采收效果可达到99%（Lim,J.K.,Chieh,D.C.,Jalak,S.A.,Toh,P.Y.,Yasin,N.H.,Ng,B.W.,Ahmad,A.L.,Rapid magnetophoretic separation of microalgae.Small.11,1683-1692.）。以上研究表明，磁分离技术是实现微藻高效采收的方法之一。

为了实现磁性分离技术在大规模生产中的应用，合适的磁分离装置是关键。近年来，磁分离技术已经成功的应用于生物细胞的分离。CN 102258818A公开了一种体外循环癌细胞净化系统，该系统通过内置磁分离柱的磁分离装置实现癌细胞的特异性分离。CN 1399718A公布了用于纯化细胞、化学物质和蛋白质结构的多级电磁分离器，采用多级磁力或电磁辅助分离技术，可定量分离并提纯分子混合物。为了实现磁分离技术在大规模微藻采收中的应用，CN102586101A公开了一种工业化用微藻磁性分离收集装置，采用旋转式磁分离的形式，将微藻细胞与磁性颗粒形成的聚合物快速从混合液中分离并进行收集。但是，该装置采用条形永磁铁且其覆盖范围为旋转磁鼓中轴面下方一侧的90°范围内，这就导致在使用中会出现颗粒与微藻形成的聚合物在离开磁铁区域后脱落的现象；由于旋转磁鼓吸附面与液体流动方向相对，液体的流动会对吸附的聚合物产生冲刷作用，从而降低分离效果或提高对磁铁磁场强度的要求。此外，该装置采用喷淋的方式防止微藻细胞与磁性颗粒的聚合物粘附于刮板或导引槽表面造成导引槽的堵塞，这一方式增加了分离后聚合物的含水量，降低了微藻磁性分离后的脱水率。

磁性分离技术已经在微藻采收上表现出较好的分离效果，但是相应的配套磁分离设备的设计和研发相对滞后，影响了磁性分离技术在微藻大规模生产中的应用。因此，基于磁性分离技术，研制一种效率高、成本低、耗能小的用于微藻采收的专用磁分离装置，利用磁分离操作简便、快速的特点使微藻得到高效快速采收，对实现低成本、高效的微藻大规模连续采收具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有微藻分离技术中存在的效率低、成本高、耗能大等问题，基于现有磁性分离技术对磁分离设备的需求，本发明提供一种用于微藻采收的磁分离装置及方法。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于微藻采收的磁分离装置，所述磁分离装置包括磁分离单元，所述磁分离单元从外向内依次包括分离槽、旋转的外筒和固定的内筒；所述分离槽、外筒和内筒分布于不同半径的同心圆上；所述外筒和内筒之间设有环形磁铁。

本领域技术人员可以根据经验和实际情况选择磁分离单元之前的进料单元和出液单元的具体形式，本发明并无特殊限制。

以下为本发明的优选形式。

本发明所述环形磁铁的覆盖范围为切去中轴线左上方90°范围后的270°扇形范围内。本领域技术人员可以在环形磁铁的非覆盖处进行吸附于外筒壁上的微藻与磁性颗粒的聚合物的收集。

所述分离槽为水平线下方的半圆形体。

所述磁分离单元还包括与旋转的外筒相切的导引槽；所述导引槽与外筒表面紧密接触。本发明导引槽的设计可使外筒壁上积聚的聚合物刮除，使其进入导引槽中收集。

所述导引槽与水平面夹角为35～60°，例如可选择35.1～59.6°，38～56.5°，40.3～53°，43～50°，48°等，进一步优选45°。

本发明所述导引槽上方设有与其平行的履带；所述履带表面设有与其垂直的刮板，所述履带与导引槽的距离为刮板的高度。履带带动刮板对微藻和磁性颗粒的聚合物进行及时刮除，避免聚合物在导引槽与外筒结合部位的积聚。刮板的具体位置和数量可由具体情况而定，例如根据聚合物的多少等。

所述履带长度为导引槽长度的1/3～2/3，进一步优选1/2。

履带通过履带轮带动，履带轮通过支架固定于导引槽上方。

本发明所述刮板优选为两块，对称分布于履带两侧表面。

所述刮板的高度为2～10cm，例如可选择2.01～9.96cm，2.7～9.4cm，4～9cm，4.6～8.2cm，5.3～7.5cm，6～7cm，6.4cm等，进一步优选5～8cm，最优选6cm。

所述刮板材料为不导磁硬质材料。

所述分离槽内壁与外筒外壁的距离为2～20cm，例如可选择2.02～19.8cm，3.6～18cm，5～16.2cm，7.5～13.4cm，8.6～11.5cm，9.2～10.3cm等，优选6～18cm，进一步优选10～15cm。

所述环形磁铁的磁场强度为500～1800Gs，例如可选择500.2～1796Gs，563～1705Gs，600～1620Gs，723～1500Gs，800.4～1345Gs，846～1220Gs，900～1108Gs，1024Gs等，进一步优选800～1500Gs，最优选950Gs。

所述内筒采用工业用纯铁或低碳钢制成。所述外筒采用耐磨不锈钢制成。

本发明所述磁分离装置包括依次连接的进料单元、磁分离单元和出液单元。

所述进料单元包括连通的进料口和分流槽；所述分流槽与磁分离单元由隔板隔开；所述分流槽与分离槽通过隔板下方的导流口连通。分流槽使进入的料液能够均匀地进入磁分离单元，避免出现外筒局部吸附的聚合物厚度不均匀，降低分离效果。

所述导流口的底边与分离槽进口上沿相连，其上方为隔板。所述导流口的开口宽度为分离槽上沿与外筒水平距离的1/4～1/2，进一步优选1/3。导流口的设计可以避免进入磁分离单元的液体对外筒表面产生冲击，确保外筒表面吸附的聚合物不受料液进入时产生的液体湍动的影响。

所述隔板由隔磁材料制成，避免分离槽中的料液受磁场作用导致聚合物聚集在隔板上，降低分离效果。

所述出液单元包括连通的出液槽和料液出口；所述出液槽与分离槽出口相连通。

本发明还提供了一种利用如上所述磁分离装置进行微藻采收的方法，将微藻与磁性颗粒的混合液由进料口泵入分流槽，经导流口进入磁分离单元；经分离槽分离后，微藻与磁性颗粒的聚合物被吸附于外筒表面并随着外筒旋转从料液中分离出来，聚合物经过导引槽与外筒接触部位时被刮除；积聚的聚合物被履带带动的刮板刮除并沿着导引槽滑落收集；分离槽中磁分离后的料液经出液槽由料液出口排出。

所述外筒的旋转方向与料液流动方向相反。所述履带的转动方向与外筒的旋转方向相反。

所述履带与外筒的转速比为1:5～1:20，例如可选择1:5.02～1:19.7，1:7～1:17.5，1:8.2～1:15，1:10～1:13.4，1:12等，进一步优选1:8～1:16，最优选1:10～1:15。

与已有技术方案相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明采收微藻速度快、处理量大，且耗能小，节约能源。

（2）本发明利用分流槽对进入分离槽的料液进行分流，减少料液对外筒表面吸附物的冲击，提高磁分离效果。

（3）本发明采用环形的分离槽，使得微藻与磁性纳米颗粒的聚合物在流经分离槽的过程中得到均匀和充分的吸附，提高微藻采收效率。

（4）利用270°扇形范围的环形磁铁的磁性分布，既避免了吸附的聚合物在外筒旋转过程中脱落，又有利于导引槽对外筒表面聚合物的刮除。

（5）本发明利用履带带动刮板对微藻和颗粒的聚合物进行及时刮除，避免聚合物在导引槽与外筒结合部位的积聚，提高分离效率，确保磁分离装置能够进行连续的微藻采收。

附图说明

图1是本发明所述用于微藻采收的磁分离装置的主视图；

图2是本发明所述用于微藻采收的磁分离装置的俯视图。

图中：1-料液出口；2-出液槽；3-导引槽；4-支架；5-履带轮；6-履带；7-刮板；8-内筒；9-环形磁铁；10-外筒；11-分流槽；12-进料口；13-隔板；14-分离槽；15-导流口。

下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

具体实施方式

为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：

如图1和图2所示，一种用于微藻采收的磁分离装置，所述磁分离装置包括磁分离单元，所述磁分离单元从外向内依次包括分离槽14、旋转的外筒10和固定的内筒8；所述分离槽14、外筒10和内筒8分布于不同半径的同心圆上；所述外筒10和内筒8之间设有环形磁铁9。

所述环形磁铁9的覆盖范围为切去中轴线左上方90°范围后的270°扇形范围内；所述分离槽14为水平线下方的半圆形体。

所述磁分离单元还包括与旋转的外筒10相切的导引槽3；所述导引槽3与外筒10表面紧密接触；所述导引槽3与水平面夹角为35～60°，进一步优选45°。

所述导引槽3上方设有与其平行的履带6；所述履带6表面设有与其垂直的刮板7，所述履带6与导引槽3的距离为刮板7的高度；所述履带6长度为导引槽3长度的1/3～2/3，进一步优选1/2。

履带6通过履带轮5带动，履带轮5通过支架4固定于导引槽3上方。

所述刮板7为两块，对称分布于履带6两侧表面；所述刮板7的高度为2～10cm，进一步优选5～8cm，最优选6cm；所述刮板7材料为不导磁硬质材料。

所述分离槽14内壁与外筒10外壁的距离为2～20cm，优选6～18cm，进一步优选10～15cm。所述环形磁铁9的磁场强度为500～1800Gs，进一步优选800～1500Gs，最优选950Gs。

所述内筒8采用工业用纯铁或低碳钢制成；所述外筒10采用耐磨不锈钢制成。

所述磁分离装置包括依次连接的进料单元、磁分离单元和出液单元。

所述进料单元包括连通的进料口12和分流槽11；所述分流槽11与磁分离单元由隔板13隔开；所述分流槽11与分离槽14通过隔板13下方的导流口15连通；所述导流口15的底边与分离槽14进口上沿相连，其上方为隔板13；所述导流口15的开口宽度为分离槽14上沿与外筒10水平距离的1/4～1/2，进一步优选1/3；所述隔板13由隔磁材料制成。

所述出液单元包括连通的出液槽2和料液出口1；所述出液槽2与分离槽14出口相连通。

一种利用如上述磁分离装置进行微藻采收的方法：将微藻与磁性颗粒的混合液由进料口12泵入分流槽11，经导流口15进入磁分离单元；经分离槽14分离后，微藻与磁性颗粒的聚合物被吸附于外筒10表面并随着外筒10旋转从料液中分离出来，聚合物经过导引槽3与外筒10接触部位时被刮除；积聚的聚合物被履带6带动的刮板7刮除并沿着导引槽3滑落收集；分离槽14中磁分离后的料液经出液槽2由料液出口1排出。

所述外筒10的旋转方向与料液流动方向相反；所述履带6的转动方向与外筒10的旋转方向相反。所述履带6与外筒10的转速比为1:5～1:20，进一步优选1:8～1:16，最优选1:10～1:15。

具体实施例一：小球藻培养液中微藻的分离采收

在本发明的磁分离装置中进行小球藻培养液中藻体的分离采收：将经充分混合的小球藻培养液与磁性纳米颗粒的混合液由进料口泵入分流槽，经导流口进入磁分离单元，经过分离槽分离后，小球藻与磁性颗粒的聚合物被吸附于外筒表面并随着外筒旋转从料液中分离，聚合物经过导流槽与外筒接触部位时被刮除，积聚的聚合物被履带带动的刮板刮除并随着导引槽滑落以进行收集；分离槽的料液经磁分离后流入出液槽并由料液出口排出，在料液出口处取样测定小球藻含量，小球藻的藻体回收率为95%。

具体实施例二：布朗葡萄藻培养液中微藻的分离采收

在本发明的磁分离装置中进行布朗葡萄藻培养液中藻体的分离采收：将经充分混合的布朗葡萄藻培养液与磁性纳米颗粒的混合液由进料口泵入分流槽，经导流口进入磁分离单元，经过分离槽分离后，布朗葡萄藻与磁性颗粒的聚合物被吸附于外筒表面并随着外筒旋转从料液中分离，聚合物经过导流槽与外筒接触部位时被刮除，积聚的聚合物被履带带动的刮板刮除并随着导引槽滑落以进行收集；分离槽的料液经磁分离后流入出液槽并由料液出口排出，在料液出口处取样测定布朗葡萄藻含量，布朗葡萄藻的藻体回收率为95%。

本发明解决了现有微藻磁分离技术在工业化应用中存在的问题，能够对微藻进行大规模的连续采收。所述装置结构简单，操作方便，对微藻采收效率高、成本低、耗能小，易于工业放大。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征以及微藻采收方法，但本发明并不局限于上述详细结构特征以及微藻采收方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征以及微藻采收方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种用于微藻采收的磁分离装置，所述磁分离装置包括磁分离单元，其特征在于，所述磁分离单元从外向内依次包括分离槽（14）、旋转的外筒（10）和固定的内筒（8）；所述分离槽（14）、外筒（10）和内筒（8）分布于不同半径的同心圆上；所述外筒（10）和内筒（8）之间设有环形磁铁（9）。

2.如权利要求1所述的磁分离装置，其特征在于，所述环形磁铁（9）的覆盖范围为切去中轴线左上方90°范围后的270°扇形范围内；

优选地，所述分离槽（14）为水平线下方的半圆形体。

3.如权利要求1或2所述的磁分离装置，其特征在于，所述磁分离单元还包括与旋转的外筒（10）相切的导引槽（3）；所述导引槽（3）与外筒（10）表面紧密接触；

优选地，所述导引槽（3）与水平面夹角为35～60°，进一步优选45°；

优选地，所述导引槽（3）上方设有与其平行的履带（6）；所述履带（6）表面设有与其垂直的刮板（7），所述履带（6）与导引槽（3）的距离为刮板（7）的高度；

优选地，所述履带（6）长度为导引槽（3）长度的1/3～2/3，进一步优选1/2；

优选地，履带（6）通过履带轮（5）带动，履带轮（5）通过支架（4）固定于导引槽（3）上方。

4.如权利要求3所述的磁分离装置，其特征在于，所述刮板（7）为两块，对称分布于履带（6）两侧表面；

优选地，所述刮板（7）的高度为2～10cm，进一步优选5～8cm，最优选6cm；

优选地，所述刮板（7）材料为不导磁硬质材料。

5.如权利要求1-4之一所述的磁分离装置，其特征在于，所述分离槽（14）内壁与外筒（10）外壁的距离为2～20cm，优选6～18cm，进一步优选10～15cm；

优选地，所述环形磁铁（9）的磁场强度为500～1800Gs，进一步优选800～1500Gs，最优选950Gs；

优选地，所述内筒（8）采用工业用纯铁或低碳钢制成；优选地，所述外筒（10）采用耐磨不锈钢制成。

6.如权利要求1-5之一所述的磁分离装置，其特征在于，所述磁分离装置包括依次连接的进料单元、磁分离单元和出液单元。

7.如权利要求6所述的磁分离装置，其特征在于，所述进料单元包括连通的进料口（12）和分流槽（11）；所述分流槽（11）与磁分离单元由隔板（13）隔开；所述分流槽（11）与分离槽（14）通过隔板（13）下方的导流口（15）连通；

优选地，所述导流口（15）的底边与分离槽（14）进口上沿相连，其上方为隔板（13）；

优选地，所述导流口（15）的开口宽度为分离槽（14）上沿与外筒（10）水平距离的1/4～1/2，进一步优选1/3；

优选地，所述隔板（13）由隔磁材料制成。

8.如权利要求6或7所述的磁分离装置，其特征在于，所述出液单元包括连通的出液槽（2）和料液出口（1）；所述出液槽（2）与分离槽（14）出口相连通。

9.一种利用如权利要求1-8之一所述磁分离装置进行微藻采收的方法，其特征在于，将微藻与磁性颗粒的混合液由进料口（12）泵入分流槽（11），经导流口（15）进入分离槽（14）；经分离后，微藻与磁性颗粒的聚合物被吸附于外筒（10）表面并随着外筒（10）旋转从料液中分离出来，聚合物经过导引槽（3）与外筒（10）接触部位时被刮除；积聚的聚合物被履带（6）带动的刮板（7）刮除并沿着导引槽（3）滑落收集；分离槽（14）中磁分离后的料液经出液槽（2）由料液出口（1）排出。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述外筒（10）的旋转方向与料液流动方向相反；

优选地，所述履带（6）的转动方向与外筒（10）的旋转方向相反；

优选地，所述履带（6）与外筒（10）的转速比为1:5～1:20，进一步优选1:8～1:16，最优选1:10～1:15。

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