CN104195046B - 一种微藻絮凝沉降收获方法 - Google Patents
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Abstract
一种微藻絮凝沉降收获方法，该方法包括：A.测定培养液中微藻密度，调节培养液pH值为5‑11；B.将含有微藻的培养液放入絮凝反应罐中，在搅拌下加入絮凝剂，絮凝剂用量为微藻干重的3％‑20％，并持续搅拌1‑5分钟；其中，该絮凝剂为式I所示的季铵盐阳离子淀粉；C.沉降10‑45分钟，絮凝后微藻沉降到絮凝罐底部；D.将絮凝后藻泥收集，脱水，干燥。该方法通过对絮凝剂种类、添加量、絮凝时间、搅拌速度及搅拌时间等进行优化，实现了规模化养殖微藻的高效分离采收。
Description
技术领域
本发明涉及一种絮凝沉降收获微藻的方法，具体涉及利用阳离子淀粉絮凝沉降收获微藻的方法。
背景技术
微藻是一些单细胞的藻类，大多数是浮游藻类，具有环境适应能力强、生长周期短、生物量高等特点。一般微藻在24小时就可以使生物量加倍，在指数生长期3.5小时即可以使生物量加倍。并且有些微藻含油量较高，可高达50％，甚至70％，是最有潜力的绿色可替代能源原料。
微藻养殖已经被广泛应用于能源、食品、制药和饲料等领域，然而由于微藻个体微小，且在培养液中的浓度很低，决定了其采收难度很大，对于规模化微藻养殖，从藻液中采收微藻一直是个瓶颈问题，成为制约微藻培养大规模生产的主要因素之一。目前微藻的分离和收集的方法主要包括：离心、沉淀、过滤、浮选、超声以及电泳等，但由于上述方法均存在耗时耗能低效等缺陷。因此，为了微藻能源的顺利发展，为了开发高效能低成本的微藻收集方法，人们开展了絮凝收集微藻的相关研究。
现已研究出的絮凝剂主要有阳离子聚丙烯酰胺(简称CPAM)、改性壳聚糖絮凝剂、阳离子淀粉絮凝剂等，CAMP和壳聚糖的效果虽好，但是CPAM有毒，不能将此絮凝剂用于食品、医药等方面，改性壳聚糖絮凝剂成本太高，阳离子淀粉絮凝剂具有制备成本低，制备工艺简单的特点，因此在已研究出的阳离子淀粉絮凝剂上加以改性，探究获得絮凝效果更好，无毒环保的絮凝剂，具有良好的发展前景。
阳离子淀粉是在淀粉大分子中引入叔氨基或季铵基，胺类化合物与淀粉分子的羟基起醚化反应生成具有氨基的醚衍生物，其氮原子上带有正电荷，得到的醚衍生物具有许多原淀粉所不具备的性质，阳离子淀粉的正电荷使它与带负电荷的基质结合，有与带负电荷物质相吸的趋向，并能将带负电荷的其他添加剂吸附并保持在基质上，称为阳离子淀粉[张力田.阳离子淀粉[J].淀粉与淀粉糖，1989(3)：1-11]。
阳离子淀粉是利用淀粉葡萄糖残基中的伯仲基同醚化剂在碱的催化作用下反应得到的。已商品化的产品主要是叔胺型和季铵盐阳离子淀粉。其中季铵盐阳离子淀粉以其原料来源广泛、成本低廉、制备工艺简单、性能优异等特点，广泛应用于油田、造纸、水处理、和纺织等领域。目前，阳离子淀粉的制备方法主要有湿法、干法和半干法三种。目前国内研制开发的阳离子淀粉大多采用湿法制备工艺，生产原料以玉米淀粉或木薯淀粉居多，其产品在透明度、稳定性和粘度等方面还不能完全满足应用要求。
絮凝沉降法收货微藻的关键是絮凝剂的选择、添加量以及絮凝条件等问题。因此，亟需优化的微藻絮凝采收工艺，从而达到高效分离、收获的目的。
发明内容
针对现有技术的上述问题，本发明提供一种微藻絮凝沉降收获方法，通过对絮凝剂种类、添加量、絮凝时间、搅拌速度及搅拌时间等条件进行优化，实现了规模化养殖微藻的高效分离采收。
为实现上述目的，本发明包括如下技术方案：
一种微藻絮凝沉降收获方法，该方法包括如下步骤：
A.测定培养液中微藻密度；
B.将含有微藻的培养液放入絮凝反应罐中，调节培养液pH值为5～11，在搅拌下加入絮凝剂，絮凝剂用量为微藻干重的3％-20％，并持续搅拌1-5分钟；其中，该絮凝剂为式(I)所示的季铵盐阳离子淀粉，St-表示淀粉基；
C.沉降10-45分钟，絮凝后微藻沉降到絮凝罐底部；
D.将絮凝后藻泥收集，脱水，干燥。
如上所述的方法，优选地，所述方法包括如下步骤：
A.测定培养液中微藻密度；
B.将含有微藻的培养液放入絮凝反应罐中，调节培养液pH值为6～10，在搅拌下加入絮凝剂，絮凝剂用量为微藻干重的8～20％，并持续搅拌2～3分钟；其中，该絮凝剂为式(I)所示的季铵盐阳离子淀粉；
C.沉降20～30分钟，絮凝后微藻沉降到絮凝罐底部；
D.将絮凝后藻泥收集，脱水，干燥。
如上所述的方法，优选地，所述季铵盐阳离子淀粉的制备方法如下：向5.0重量份马铃薯淀粉中加入1.0～2.0重量份2～5wt％的KOH或NaOH水溶液，室温搅拌5～10min，再加入阳离子化试剂3，2-环氧丙基三甲基氯化铵1～5重量份，室温下继续搅拌45分钟～1h后，放入60～100℃水浴恒温震荡仪中反应1～4h，得粗产品。
如上所述的方法，优选地，所述季铵盐阳离子淀粉的制备方法还包括：所述粗产品用含2～5wt％乙酸的70～80wt％的乙醇水溶液浸泡10～40min后，洗涤，抽滤，将产品放入干燥箱真空干燥，得阳离子淀粉絮凝剂。
如上所述的方法，优选地，所述季铵盐阳离子淀粉的制备方法包括如下步骤：向5.0重量份马铃薯淀粉中加入1.6重量份2wt％的KOH水溶液，室温搅拌10min，再加入阳离子化试剂3，2-环氧丙基三甲基氯化铵2重量份，室温下继续搅拌1h后，放入90℃水浴恒温震荡仪中反应2.5h，得粗产品；粗产品用含5wt％乙酸的80wt％的乙醇水溶液浸泡30min后，洗涤，抽滤，将产品放入干燥箱真空干燥，即得季铵盐阳离子淀粉絮凝剂。
如上所述的方法，优选地，所述步骤A还包括将培养液中微藻的浓度调整为干重0.5～3克/升。
如上所述的方法，优选地，所述步骤B为：将含有微藻的培养液放入絮凝反应罐中，调节培养液pH值为9，在800～1300转/min搅拌下加入絮凝剂，絮凝剂用量为微藻干重的13.3wt％；并持续搅拌2分钟；其中，该絮凝剂为式(I)所示的季铵盐阳离子淀粉。
本发明的有益效果在于：利用本发明的微藻絮凝沉降收获方法，工艺简单，反应时间较短，絮凝效果好，达到了高效低能低耗时，无毒无污染，对微藻收获率高达95％以上。
附图说明
图1为实施例1制备的阳离子淀粉红外光谱图。
图2为微藻粒子SEM照片。
图3为实施例2微藻絮凝沉降后的SEM照片。
具体实施方式
本发明对影响微藻絮凝沉降效率的主要工艺条件进行了研究。
首先，针对微藻采收效果进行了阳离子淀粉絮凝剂制备工艺的优化。制备阳离子淀粉絮凝剂的反应式如下，St-OH表示淀粉：
本发明的研究者发现，阳离子淀粉絮凝剂的制备条件对微藻采收效率具有很大影响，其中催化剂氢氧化钾(或氢氧化钠)的加入量、反应温度、反应时间和GTA(3，2-环氧丙基三甲基氯化铵)用量为主要影响因素。其中，
适量的氢氧化钾(或氢氧化钠)作催化剂可使淀粉中羟基转变为负氧离子，增强了淀粉羟基的亲核能力，提高了反应效率。所投加的氢氧化钾(或氢氧化钠)是将其溶解后以溶液形式添加的，所以，当氢氧化钾的投加量增加的同时体系中的水含量也随之增加，若体系中的水含量过大时，会产生副反应，使反应效率降低。
随着反应温度的升高，阳离子淀粉对微藻的收获率逐渐升高，当反应温度达到90℃时，藻收获率达到最大。但随着反应温度的继续升高，收获率明显下将，出现这一现象的原因可能是随着反应温度的升高，分子的热运动加强，反应物的颗粒运动加快，颗粒间的碰撞率增大，反应物之间的反应效率增大，当温度超过90℃后，达到了淀粉的糊化温度，淀粉发生糊化反应，使淀粉上的羟基反应效率下降，导致反应效率的下降，对微藻的收获率下降。
随着反应时间的增加，阳离子淀粉对微藻的收获率逐渐升高，当反应时间为2.5h时，阳离子淀粉对微藻的收获率达到最大，当反应时间超过2.5h后，阳离子淀粉发生分解反应，降低反应效率，使阳离子淀粉的收获率呈的下降趋势。
随着GTA用量的增加，GTA与淀粉分子的反应机率增加，微藻收获率增加，当GTA与淀粉的质量比超过5：2后，絮凝效果逐渐减弱。出现这一现象的原因可能是因为当淀粉的用量一定时，淀粉中参与取代反应的羟基数是一定的，当阳离子试剂比例增加后，可取代的羟基数减少，反应效率下降，絮凝效果逐渐降低。
此外，絮凝剂投加量、藻液pH值、搅拌速度、搅拌时间也是影响微藻采收效率的重要因素。
随着阳离子淀粉絮凝剂投加量的增加，絮凝效果逐渐增大，微藻的收获率逐渐增大。而当絮凝剂投加量超过微藻干重的13.3wt％后，絮凝效果下降，藻收获率降低，说明絮凝剂投加量不是越多收获藻率越大。藻含量一定时，当絮凝剂使用过量，会起到悬浮剂作用。
本发明方法中藻液pH在5～9的范围内，收获率都比较好，说明所制备的阳离子淀粉絮凝剂pH使用范围还是较广的。絮凝剂在藻液的pH值呈碱性时比在藻液呈酸性条件下，对微藻的收获率要高，且在藻液pH值在7～9时藻的收获率可在90％以上。
投加絮凝剂之后，为了增加颗粒碰撞频率，往往要进行搅拌，搅拌速度对絮凝剂的絮凝效果有很大影响。当搅拌速度过大时，不利于微藻在絮凝剂的作用下聚集，影响絮凝的效果，搅拌速度过大也容易将已经絮凝聚集到一起的微藻再次打散；而当搅拌速度过慢时，絮凝剂在藻液中无法均匀分布也不利于微藻粒子间的充分接触，影响絮凝效果；优选搅拌速度为800～1300转/min，在絮体成长阶段，以缓速搅拌为好，在搅拌速度为中慢速时，利于絮凝剂与微藻粒子间作用，絮凝效果好，微藻收获率较大。
随着搅拌时间的增加，收获率增加，当搅拌时间在2分钟(120s)左右时，收获率达到最高，而当搅拌时间超过2分钟后，收获率下降，在长时间的搅拌作用力下，易使已聚集的微藻粒子再次分散成小粒子，而搅拌时间过短，不利于絮凝剂与微藻粒子充分接触反应，使絮凝剂絮凝效果下降。所以搅拌时间应适当控制在2分钟左右为宜。
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明，但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，不仅仅限于本实施例。
以下实施例中使用的主要原料、试剂、装置与设备如表1和表2所示：
表1 主要原料与试剂
| 试剂名称 | 分子式 | 规格 | 生产厂家 |
| 马铃薯淀粉 | (C6H10O5)n | 食品级 | 呼和浩特华欧淀粉制品 |
| GTA | C6H14C1NO | 分析纯 | —— |
| 氢氧化钾 | KOH | 分析纯 | 北京化工厂 |
| 乙醇 | CH3CH2OH | 分析纯 | 北京化工厂 |
| 乙酸 | CH3COOH | 分析纯 | 北京市通广精细化工有限公司 |
表2 关键装置和仪器设备
| 仪器 | 规格型号 | 生产厂家 |
| 电热恒温鼓风干燥箱 | DHG-9053A | 上海恒科学仪器有限公司 |
| 电子天平 | YT1002 | 上海佑科仪器仪表有限公司 |
| 磁力搅拌器 | B1-2 | 上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司 |
| 抽滤机 | SHZ-III | 上海知信实验仪器技术有限公司 |
| 水浴恒温振荡器 | SHZ-C | 上海博迅实业有限公司医疗设备 |
| 分光光度计 | UVmini-1240 | SHIMADZU |
实施例1 制备季铵盐阳离子淀粉絮凝剂
向5.0g马铃薯淀粉中加入1.6g 2wt％的KOH水溶液，室温搅拌10min，再加入阳离子化试剂3，2-环氧丙基三甲基氯化铵2g，室温下继续搅拌1h后，放入90℃水浴恒温震荡仪中反应2.5h，得粗产品；粗产品用含5wt％乙酸的80wt％的乙醇水溶液浸泡30min后，洗涤，抽滤，将产品放入干燥箱真空干燥，获得阳离子淀粉絮凝剂，红外光谱图如图1所示。
由图1可以看出，3432.3cm-1为淀粉-OH键的伸缩振动的吸收峰，2933.3cm-1为饱和C-H键的伸缩振动吸收峰，1155.7cm-1，1082.7cm-1，1.16.0cm-1处C-O-C吸收带强度减弱，说明C-O-C环发生了断裂，在1481.8cm-1，1417.8cm-1，1366.0cm-1的吸收归属于季胺基团上C-N伸缩振动吸收带，说明季胺基团与淀粉发生了醚化反应。
实施例2 絮凝沉降收获微藻(一)
将含有小球藻的100L培养液放入絮凝反应罐中，培养液中微藻浓度为微藻干重1g/L，调节培养液pH值为9，在搅拌下加入8g实施例1制备的季铵盐阳离子淀粉絮凝剂，搅拌速度为800转/min，并持续搅拌2分钟。静置30分钟，絮凝后微藻沉降到絮凝罐底部。收集藻泥，脱水，干燥，称重。收获率为90％。收获微藻前后的SEM照片如图2和图3所示。
实施例3 絮凝沉降收获微藻(二)
将含有栅藻的100L培养液放入絮凝反应罐中，培养液中微藻浓度为微藻干重1.3g/L，调节培养液pH值为9，在搅拌下加入10g实施例1制备的季铵盐阳离子淀粉絮凝剂，搅拌速度为800-900转/min，并持续搅拌2分钟。静置20分钟，絮凝后微藻沉降到絮凝罐底部。收集藻泥，脱水，干燥，称重。收获率为95％。
实施例4 絮凝沉降收获微藻(三)
将含有小球藻的100L培养液放入絮凝反应罐中，培养液中微藻浓度为微藻干重1.5g/L，调节培养液pH值为9，在搅拌下加入18g实施例1制备的季铵盐阳离子淀粉絮凝剂，搅拌速度为900转/min，并持续搅拌2分钟。静置25分钟，絮凝后微藻沉降到絮凝罐底部。收集藻泥，脱水，干燥，称重。收获率为92％。
Claims (3)
1.一种微藻絮凝沉降收获方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
A.测定培养液中微藻密度，将培养液中微藻的浓度调整为干重0.5～3克/升；
B.将含有微藻的培养液放入絮凝反应罐中，调节培养液pH值为5～11，在搅拌下加入絮凝剂，絮凝剂用量为微藻干重的3％-20％，并持续搅拌1-5分钟；其中，该絮凝剂为式(I)所示的季铵盐阳离子淀粉，St-表示淀粉基；
该季铵盐阳离子淀粉的制备方法如下：向5.0重量份马铃薯淀粉中加入1.6重量份2wt％的KOH水溶液，室温搅拌10min，再加入阳离子化试剂3,2-环氧丙基三甲基氯化铵2重量份，室温下继续搅拌1h后，放入90℃水浴恒温震荡仪中反应2.5h，得粗产品；粗产品用含5wt％乙酸的80wt％的乙醇水溶液浸泡30min后，洗涤，抽滤，将产品放入干燥箱真空干燥，即得季铵盐阳离子淀粉絮凝剂；
C.沉降10-45分钟，絮凝后微藻沉降到絮凝罐底部；
D.将絮凝后藻泥收集，脱水，干燥。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述步骤B为：将含有微藻的培养液放入絮凝反应罐中，调节培养液pH值为6～10，在搅拌下加入絮凝剂，絮凝剂用量为微藻干重的8～20％，并持续搅拌2～3分钟；其中，该絮凝剂为式(I)所示的季铵盐阳离子淀粉；该季铵盐阳离子淀粉是依照权利要求1中所述的季铵盐阳离子淀粉的制备方法制备的；
所述步骤C为：沉降20～30分钟，絮凝后微藻沉降到絮凝罐底部。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤B为：将含有微藻的培养液放入絮凝反应罐中，调节培养液pH值为9，在800～1300转/min搅拌下加入絮凝剂，絮凝剂用量为微藻干重的13.3wt％；并持续搅拌2分钟；其中，该絮凝剂为式(I)所示的季铵盐阳离子淀粉；该季铵盐阳离子淀粉是依照权利要求1中所述的季铵盐阳离子淀粉的制备方法制备的。
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