CN104342374B - 一种絮凝剂及其用途和处理微藻培养液的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种絮凝剂，该絮凝剂由一种原料组合物混合均匀后得到，所述原料组合物含有水、壳聚糖、水溶性有机酸和水溶性金属化合物，所述水溶性金属化合物能够水解产生金属氢氧化物胶体。另一方面，本发明提供了一种处理微藻培养液的方法，其中，该方法包括：将如上所述的絮凝剂溶解于水中，得到絮凝剂溶液；并且将待处理的微藻培养液与所述絮凝剂溶液接触，使微藻絮凝。本发明还提供了如上所述的絮凝剂在处理微藻培养液中的用途。通过上述技术方案，采用本发明的絮凝剂处理微藻培养液能够将小球藻的回收率提高到超过90%。

Description

一种絮凝剂及其用途和处理微藻培养液的方法
技术领域
本发明涉及工业微生物学领域，具体地，涉及一种絮凝剂、该絮凝剂的用途以及一种处理微藻培养液的方法。
背景技术
微藻的光合效率高，生长迅速，可以吸收大量二氧化碳（CO2），有效地降低温室效应。微藻在生长过程中吸收大量的营养盐类，为污水处理提供良好的途径。特别是，微藻的细胞中含有大量的脂肪酸酯，可望成为生物能源的重要基础原料。
但是，微藻养殖液浓度较低，一般不超过1%。并且微藻在微藻培养液中处于较为稳定的悬浮状态，且微藻多为单细胞生物，其直径通常在3-30μm之间。因此，将微藻从微藻培养液中分离出来十分困难。
CN102051332A公开了用于微藻收集的絮凝剂，该絮凝剂是将壳聚糖和三氯化铁等溶于水中形成的，且该絮凝剂以加入微藻培养液中的方式使用。但是，该絮凝剂在处理微藻培养液，特别是在处理小球藻培养液时，仍然具有分离微藻较为困难的缺陷。
发明内容
本发明的目的是克服分离微藻较为困难的缺陷，提供一种能够更加方便有效地从微藻培养液中分离微藻的絮凝剂和方法。
一方面，本发明提供了一种絮凝剂，该絮凝剂含有壳聚糖、水溶性有机酸和水溶性金属化合物，所述水溶性金属化合物能够水解产生金属氢氧化物胶体。
另一方面，本发明提供了一种处理微藻培养液的方法，其中，该方法包括：将如上所述的絮凝剂溶解于水中，得到絮凝剂溶液；并且将待处理的微藻培养液与所述絮凝剂溶液接触，使微藻絮凝。
本发明还提供了如上所述的絮凝剂在处理微藻培养液中的用途。
通过上述技术方案，采用本发明的絮凝剂处理微藻培养液能够将小球藻的回收率提高到超过90%。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明中，未做相反说明的情况下，气体和液体的体积数值均为标准状态下手的数值。
一种絮凝剂，该絮凝剂含有壳聚糖、水溶性有机酸和水溶性金属化合物，所述水溶性金属化合物能够水解产生金属氢氧化物胶体。
所述絮凝剂中的各个组分可以在使用前分别独立存放，也可以混合存放。
根据本发明的絮凝剂，其中，相对于1L的水，壳聚糖、水溶性有机酸和水溶性金属化合物的含量可以在较大范围内变化，例如：
其中，相对于每重量份的壳聚糖，有机酸的含量可以为1-100重量份。
其中，相对于每重量份的壳聚糖，水溶性金属化合物的含量可以为2.5-100重量份。
根据本发明的絮凝剂，其中，为了进一步增强絮凝剂的使用效果，优选情况下，相对于每重量份的壳聚糖，有机酸的含量为2.5-90重量份，进一步优选为20-50重量份；水溶性金属化合物的含量为2.5-10重量份，进一步优选为10-25重量份。
根据本发明的絮凝剂，其中，所述壳聚糖是指由自然界广泛存在的几丁质(chitin)经过脱乙酰作用得到的物质，所述壳聚糖的N-脱乙酰度的数值可以在较大范围内变化，只要能使所述壳聚糖溶于水即可，例如，所述壳聚糖的N-脱乙酰度可以在40mol%以上，优选地，所述壳聚糖的N-脱乙酰度为50-100mol%。其中，所述N-脱乙酰度的数值是指根据文献《溶剂对壳聚糖粘度及Mark_Houwink方程参数的影响》（化学世界，2003年第8期417页）中记载的电位滴定法测量得到的数值。
其中，所述壳聚糖的粘度也可以在较大范围内变化，例如在40mPa·s以上，优选情况下，所述壳聚糖的粘度为50-1000mPa·s。其中，所述壳聚糖的粘度是指所述壳聚糖溶于水中所形成的浓度为1重量%的溶液的表观粘度，所述壳聚糖的粘度的数值是指根据文献《溶剂对壳聚糖粘度及Mark_Houwink方程参数的影响》（化学世界，2003年第8期417页）中记载的逐步稀释法测量得到的数值。
根据本发明的絮凝剂，其中，所述水溶性有机酸是指能够溶于水的含有羧基的化合物，优选地，所述水溶性有机酸为乙酸、苯甲酸、乳酸、氯乙酸、丙酸、甲酸、草酸、柠檬酸和酒石酸中的至少一种
根据本发明的絮凝剂，其中，所述水溶性金属化合物为能够水解产生金属氢氧化物胶体的水溶性金属化合物，优选地，所述水溶性金属化合物为氯化铝、氯化铁、硫酸铝、硫酸铝钾、硫酸铁、氯化亚铁和硫酸亚铁的至少一种。
本发明还提供了一种处理微藻培养液的方法，其中，该方法包括：将如上所述的絮凝剂溶解于水中，得到絮凝剂溶液；并且将待处理的微藻培养液与如上所述的絮凝剂溶液接触，使微藻絮凝。
其中，絮凝剂的各组成成分可以同时、单独或顺序溶解于水中。
根据本发明的方法，其中，絮凝剂溶液的浓度可以在较宽的范围内变化，只要能使絮凝剂充分溶解即可；例如相对于1L的水，所述絮凝剂的用量可以为0.5-50g；为了进一步增强絮凝剂的使用效果，优选情况下，相对于1L的水，所述絮凝剂的用量为1-20g。
根据本发明的方法，其中，所述接触的条件可以包括：相对于1体积的待处理的微藻培养液，所述絮凝剂溶液的用量为0.0005-0.05体积。
根据本发明的方法，其中，为了进一步增强絮凝剂的使用效果，优选情况下，所述接触的条件包括：相对于1体积的待处理的微藻培养液，所述絮凝剂溶液的用量为0.001-0.02体积。
根据本发明的方法，其中，所述接触的条件还可以包括：接触的温度为15-35℃，接触的时间为30-200分钟。
根据本发明的方法，其中，所述方法还可以包括：将微藻絮凝后的物料进行过滤。
其中，过滤的方法没有特别的要求，可以为压滤或抽滤，例如板框压滤。
根据本发明的方法，其中，所述微藻的分类信息是指按照文献（Michael Guiry(2005)."AlgaeBase-listing the world's algae".The Irish Scientist:74-75）中的分类体系确定的。
根据本发明的方法，其中，所述待处理的微藻培养液中的微藻的种类没有特别的限制，可以为各种可培养的微藻。本发明的方法特别适合用于产油微藻的微藻培养液的处理，优选情况下，所述待处理的微藻培养液中的微藻为小球藻属（Chlorella）、葡萄藻属（Botryococcus）、拟微球藻属（Nannochloropsis）、红球藻属（Haematococcus）和绿球藻属（Chlorococcum）、中的至少一种的微藻。
根据本发明的方法，其中，本发明的方法特别适合用于产油工程微藻的微藻培养液的处理，优选情况下，所述待处理的微藻培养液中的微藻为小球藻（Chlorellasorokiniana）、原始小球藻（Chlorella protothecoides）、蛋白核小球藻（Chlorellapyrenoidosa）和普通小球藻（Chlorella vulgaris）中的至少一种。
本发明还提供了如上所述的絮凝剂在处理微藻培养液中的用途。
目前，具有较大的产业利用价值的产油工程微藻为小球藻属（Chlorella）的微藻，例如小球藻（Chlorella sorokiniana）、原始小球藻（Chlorella protothecoides）、蛋白核小球藻（Chlorella pyrenoidosa）和普通小球藻（Chlorella vulgaris）中的至少一种。小球藻属（Chlorella）的微藻较其他产油微藻更加难以从微藻培养液中通过絮凝沉淀而得到分离。本发明的絮凝剂和方法特别适合用于通过絮凝沉淀而将小球藻属（Chlorella）的微藻从微藻培养液中分离。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
制备实施例1
按照文献（《不同培养基及组成对两种小球藻生长和油脂的影响》，生物学杂志，2012年第4期12-16页）中的方法培养小球藻（Chlorella sorokiniana），该小球藻（Chlorella sorokiniana）购自ATCC，商品号为22521TM，共得到5份小球藻培养液，第1份小球藻培养液OD值为5.99，第2份小球藻培养液OD值为6.89，第3份小球藻培养液OD值为7.76，第4份小球藻培养液OD值为6.2。
按照文献（《不同培养基及组成对两种小球藻生长和油脂的影响》，生物学杂志，2012年第4期12-16页）中的方法培养普通小球藻（Chlorella vulgaris），该普通小球藻（Chlorella vulgaris）购自ATCC，商品号为30821TM，共得到1份普通小球藻培养液，OD值为5.99。
实施例1
将0.2g壳聚糖（购自国药集团化学试剂有限公司，批号F20100408，N-脱乙酰度为80-95mol%，粘度为50-800mPa·s）、7g水溶性有机酸（乙酸）和3.5g水溶性金属化合物（三氯化铁）溶于1000mL水中，搅拌溶解后得到絮凝剂溶液1。
实施例2
将0.025g壳聚糖（与实施例1中相同）、0.5g水溶性有机酸（乙酸）和0.625g水溶性金属化合物（三氯化铝）溶于1000mL水中，搅拌溶解后得到絮凝剂溶液2。
实施例3
将0.3g壳聚糖（与实施例1中相同）、15g水溶性有机酸（乙酸）和3g水溶性金属化合物（三氯化铁）溶于1000mL水中，搅拌溶解后得到絮凝剂溶液3。
实施例4
将0.1g壳聚糖（与实施例1中相同）、0.1g水溶性有机酸（乙酸）和10g水溶性金属化合物（三氯化铁）溶于1000mL水中，搅拌溶解后得到絮凝剂溶液4。
实施例5
将0.1g壳聚糖（与实施例1中相同）、10g水溶性有机酸（乙酸）和0.25g水溶性金属化合物（三氯化铁）溶于1000mL水中，搅拌溶解后得到絮凝剂溶液5。
实施例6
将0.01g壳聚糖（与实施例1相同）、0.35g有机水溶性酸（乙酸）和0.175g水溶性金属化合物（三氯化铁）溶于1000mL水中，搅拌溶解后得到絮凝剂溶液6。
实施例7
将1g壳聚糖（与实施例1相同）、35g有机水溶性酸（乙酸）和17.5g水溶性金属化合物（三氯化铁）溶于1000mL水中，搅拌溶解后得到絮凝剂溶液7。
实施例8
按照实施例1的方法制备絮凝剂溶液，不同的是，使用的壳聚糖为购自国药集团化学试剂有限公司，批号F20100410，N-脱乙酰度为50～80mol%，粘度为50～1000mPa·s的壳聚糖，得到絮凝剂溶液8。
对比例1
使用水作为絮凝剂溶液DB1。
对比例2
按照实施例1的方法制备絮凝剂溶液，不同的是，不加入水溶性金属化合物和有机酸，得到絮凝剂溶液DB2。
对比例3
按照实施例1的方法制备絮凝剂溶液，不同的是，不加入水溶性金属化合物，得到絮凝剂溶液DB3。
测试实施例1
室温下，分别取制备实施例1中的OD值为5.99的第1份小球藻培养液800mL，在100rpm的搅拌下分别加入实施例1-8得到的絮凝剂溶液1-8和对比例1-3得到的絮凝剂溶液DB1-3各1mL。加入完成后搅拌30分钟；静置30分钟分层。
分别测定絮凝效率和分层后下层的过滤速率。其中，絮凝效率是指原藻液OD值减去加入絮凝剂后液面下2cm处藻液OD值，与原藻液OD值之比；过滤速率（将单位时间内获得的滤液体积称为过滤速率）是根据文献（《化工原理》，陈敏恒，华东理工大学出版社）中的方法测定得到的。测定得到的数值如表1所示。
表1
测试实施例2
室温下，分别取制备实施例1中的OD值为6.89的第2份小球藻培养液、OD值为7.76的第3份小球藻培养液、OD值为6.2的第4份小球藻培养液、OD值为5.99的普通小球藻（Chlorella vulgaris）的培养液各800mL，在100rpm的搅拌下分别加入实施例1得到的絮凝剂溶液1mL。加入完成后搅拌30分钟；静置30分钟分层。
按照测试实施例1的方法，分别测定絮凝效率和分层后下层的过滤速率。测定得到的数值如表2所示。
表2
测试实施例3
室温下，分别取制备实施例1中的OD值为5.99的第1份小球藻培养液1000mL，在100rpm的搅拌下分别加入实施例1得到的絮凝剂溶液1各0.5mL、1mL、20mL和50mL。加入完成后搅拌30分钟；静置30分钟分层。
分别测定絮凝效率和分层后下层的过滤速率。测定得到的数值如表3所示。
表3
根据表1、表2和表3的数据可以看出，本发明的絮凝剂对小球藻属（Chlorella）的微藻具有优良的絮凝效果。
并且，在优选相对于每重量份的壳聚糖，有机酸的含量为20-50重量份，水溶性金属化合物的含量为10-25重量份的情况下，能够进一步提高对小球藻培养液的絮凝效果。
并且，在优选相对于1L的水，所述絮凝剂的用量为1-20g的情况下，能够进一步提高对小球藻培养液的絮凝效果。
并且，在优选相对于1体积的待处理的微藻培养液，所述絮凝剂溶液的用量为0.0005-0.05体积，能够进一步提高对小球藻培养液的絮凝效果。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (12)

1.一种絮凝剂，该絮凝剂由壳聚糖、水溶性有机酸和水溶性金属化合物组成，所述水溶性金属化合物能够水解产生金属氢氧化物胶体；
其中，相对于每重量份的壳聚糖，水溶性有机酸的含量为1-100重量份；水溶性金属化合物的含量为2.5-100重量份；
其中，所述水溶性有机酸为乙酸、苯甲酸、乳酸、氯乙酸、丙酸、甲酸、草酸、柠檬酸和酒石酸中的至少一种；
其中，所述水溶性金属化合物为氯化铝、氯化铁、硫酸铝、硫酸铝钾、硫酸铁、氯化亚铁和硫酸亚铁中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的絮凝剂，其中，相对于每重量份的壳聚糖，水溶性有机酸的含量为20-50重量份；水溶性金属化合物的含量为10-25重量份。
3.根据权利要求1或2所述的絮凝剂，其中，所述壳聚糖的N-脱乙酰度为50-100mol％。
4.根据权利要求3所述的絮凝剂，其中，所述壳聚糖的粘度为50-1000mPa·s。
5.一种处理微藻培养液的方法，其中，该方法包括：将权利要求1-4中任意一项所述的絮凝剂溶解于水中，得到絮凝剂溶液；并且将待处理的微藻培养液与所述絮凝剂溶液接触，使微藻絮凝；
其中，所述方法还包括：将微藻絮凝后的物料进行过滤；
其中，所述待处理的微藻培养液中的微藻为小球藻属(Chlorella)、葡萄藻属(Botryococcus)、拟微球藻属(Nannochloropsis)、红球藻属(Haematococcus)和绿球藻属(Chlorococcum)中的至少一种的微藻。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，相对于1L的水，所述絮凝剂的用量为0.5-50g。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，相对于1L的水，所述絮凝剂的用量为1-20g。
8.根据权利要求5-7中任意一项所述的方法，其中，所述接触的条件包括：相对于1体积的待处理的微藻培养液，所述絮凝剂溶液的用量为0.0005-0.05体积。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述接触的条件包括：相对于1体积的待处理的微藻培养液，所述絮凝剂溶液的用量为0.001-0.02体积。
10.根据权利要求5-7和9中任意一项所述的方法，其中，所述接触的条件还包括：接触的温度为15-35℃，接触的时间为30-200分钟。
11.根据权利要求5所述的方法，其中，所述待处理的微藻培养液中的微藻为小球藻(Chlorella sorokiniana)、原始小球藻(Chlorella protothecoides)、蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)和普通小球藻(Chlorella vulgaris)中的至少一种。
12.权利要求1-4中任意一项所述的絮凝剂在处理微藻培养液中的用途。
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