CN107287124B - 一种基于泡沫浮选的紫球藻采收方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于泡沫浮选的紫球藻采收方法。该采收方法将鼠李糖脂与起泡剂配合使用，通过泡沫浮选方式收集上浮产物，最终得到紫球藻。本发明方法适用于对藻细胞密度为6.0×10⁶cells/L～2.0×10⁹cells/L范围内的紫球藻藻液进行处理，可以将处理前紫球藻液中藻细胞密度的浓缩倍数达到10²倍，处理过程用时不超过1h，且紫球藻的回收率可以达到90％以上；可在单槽浮选机中进行浮选，投入成本低，便于产业化。

Description

一种基于泡沫浮选的紫球藻采收方法

技术领域

本发明属于微藻生物采收领域，具体而言，涉及一种基于微藻浮选的紫球藻采收方法。

背景技术

作为世界第二大经济体，我国正面临着社会经济、工业化和城镇化迅猛发展所带来的传统化石能源短缺及环境污染日趋严重等问题，能源微藻是一种可再生的生物质能源，具有分布范围广、光合效率高、生长周期短、油脂含量足、环境友好、不占用耕地资源等优点，被认为未来能够取代传统化石能源。紫球藻作为能源微藻中较为常见的一类，更是具有来源广泛(太原、晋中、安徽、武汉、荆州等地分布广泛)、便于培养(抗盐性强，驯化后可使用海水培养基)、油脂含量高(C₁₆和C₁₈系脂肪酸含量可达50％)等突出优势，吸引了众多研究者的目光。

但是现有关于紫球藻的研究基本以紫球藻培养为主，另有部分涉及油脂提取及加工环节，缺乏对中间采收环节的关注，统计数据表明，依照目前能源微藻计划产业链的技术路线，采收环节所消耗的成本将占到整个生产成本的20％～30％，因而强化采收环节的效率，控制采收环节的成本，将有助于推进整个能源微藻产业链的长足发展。

由于不同藻细胞和培养液，具有各自不同的特殊性质，现有的分离方法应用于紫球藻采收时除针对性不强外，还存在一系列其它问题。其中，过滤法和膜分离法采收的回收率虽然高，但是存在滤料及膜易堵塞且再生困难，成本居高不下，采收过程耗时较长、效率低的缺陷；而离心法则对待采收藻液的藻细胞密度要求较为严苛，且分离过程中离心的高转速会破坏微藻细胞结构，影响后续的油脂提取环节；絮凝法则因金属盐絮凝剂对藻细胞的选择性较差而受到限制，并且最终形成沉淀的絮凝体分离需要配合额外的过滤步骤，此外大剂量的絮凝剂还会加剧水体的二次污染。

泡沫浮选作为一种高效、快速的分离技术，在选矿、石油开采和废水处理等工业领域的应用已经相当成熟，但目前仍未有成熟的浮选方法应用于能源微藻的采收环节。例如《紫球藻溶气气浮法采收条件研究》(高莉丽等，2010年11月，中国海洋大学学报)公开了通过调节pH获得藻细胞絮体，从而为无絮凝剂添加的紫球藻细胞气浮采收创造条件，并确定了最佳溶气条件，pH为10.1，溶气压力0.6MPa，溶气时间17h，但是该方法时间过长，且紫球藻的浓缩倍数仅仅只有4倍左右，远远达不到将紫球藻高度浓缩的效果。

专利2010100008664《分离微藻的方法、装置和系统》公开了向藻类悬浮液中加入鼠李糖脂，再从悬浮液底部充入气泡，上浮形成泡沫层，达到分离微藻的效果，但是鼠李糖脂是按0.001-100mmol/L加入藻类悬浮液中，鼠李糖脂的变化范围极大，且该方法虽然披露对绝大多少微藻细胞普遍使用，但是却强调该方法尤其适用于细胞微小、细胞壁厚实、沉降性极差的眼睑拟微球藻，并且实施例中都是对眼睑拟微球藻进行的回收实验。而在《产油微藻培养与回收的关键技术研究进展》(环境污染与防治，第35卷，2013年9月)上公开了“回收技术的选择主要根据微藻自身的特性以及其后续利用途径”，同时专利CN102382769B《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》公开了“依不同的微藻种类，微藻细胞的沉淀率可达43-99％”，“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…92.90％和81.70％，…其次，三氯化铁对椭圆小球藻、杜氏盐藻、牟氏角毛藻的沉淀效果亦相当显著…絮凝沉淀的藻细胞可达80-92％，比较起来，三氯化铁对球等鞭金藻、叉鞭金藻的絮凝作用相对弱一些…絮凝沉淀的藻细胞仍可达到55-67％”，以上间接说明了当采用同一种方法对不同种类微藻处理时，处理效果可能相差极大。而紫球藻与眼睑拟微球藻细胞虽然都属于微藻，但是从生物学分类来说，却是属于不同种的藻类，因此不能认为直接加入相同量的鼠李糖脂+通气气浮的条件就能达到和眼睑拟微球藻相同的回收率，且发明人通过实验发现，只采用鼠李糖脂+充气气浮的方式，紫球藻的回收率不高于50％。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术收集紫球藻时存在的不足，提供一种基于泡沫浮选的紫球藻采收方法，该采收方法具有处理时间短、紫球藻浓度倍数高的优点。

为了实现本发明的目的，通过大量试验研究并不懈努力探索浮选工艺参数，最终获得如下技术方案：一种基于泡沫浮选的紫球藻采收方法，包括以下步骤：

步骤1、用pH调节剂调节待采收紫球藻液的pH为7～9，按照固液比(kg：L)(0.05～0.09)：1000的比例，加入鼠李糖脂，之后室温避光搅拌，得到预处理完毕的紫球藻藻液，其中待采收紫球藻藻液中紫球藻藻细胞密度为6.0×10⁶cells/L～2.0×10⁹cells/L；

步骤2、将预处理完毕的紫球藻藻液投入浮选装置中进行浮选处理，浮选处理前相紫球藻藻液中加入起泡剂，起泡剂与鼠李糖脂的质量比为(0.033～0.1)：1；

步骤3、收集上浮产物，在上浮产物中加入消泡剂后静置，得到紫球藻。

优选地，本发明提供的基于泡沫浮选的紫球藻采收方法，其中步骤2中，所述浮选装置为单槽浮选机。

进一步优选地，本发明提供的基于泡沫浮选的紫球藻采收方法，其中步骤2中，所述起泡剂为非离子型起泡剂。

进一步优选地，所述非离子型起泡剂为松醇油。

进一步优选地，本发明提供的基于泡沫浮选的紫球藻采收方法，其中步骤3中，所述消泡剂与所述上浮产物质量比为(0.006～0.01)：1，静置时间3-5min。

进一步优选地，本发明提供的基于泡沫浮选的紫球藻采收方法，其中步骤3中，所述消泡剂包括硅油、聚二甲基硅氧烷、聚氧丙烯甘油醚和聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚。

进一步优选地，所述消泡剂为硅油。

进一步优选地，本发明提供的基于泡沫浮选的紫球藻采收方法，其中步骤1中，搅拌转速为800～1200rpm，搅拌时间5～15min。

进一步优选地，本发明提供的基于泡沫浮选的紫球藻采收方法，其中步骤2中，浮选参数为充气流量为50～150L/h，叶轮转速400rpm～800rpm，浮选时间6～10min。

进一步优选地，本发明提供的基于泡沫浮选的紫球藻采收方法，其中步骤1中，所述pH调节剂为氢氧化钠溶液或稀盐酸。

本发明相对于现有技术，具有如下技术效果：

(1)本发明方法采用鼠李糖脂与起泡剂配合，适用于对藻细胞密度为6.0×10⁶cells/L～2.0×10⁹cells/L范围内的紫球藻藻液进行处理，通过气浮浮选方式，可以将处理前后紫球藻液中藻细胞密度的浓缩倍数达到10²倍，采收过程用时不超过1h，且紫球藻的回收率可以达到90％以上；

(2)本发明方法可在单槽浮选机中进行浮选，投入成本低，便于产业化；

(3)本发明所用鼠李糖脂为纯天然产物，对环境无害，同时起泡剂添加量低，将对水体的影响降至最低程度，尾料废水易于处理；

(4)本发明方法通过搅拌与充气达到浮选，无需高压生成微气泡，节能环保。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作进一步说明。

下述实施例中，调节待采收紫球藻藻液pH时，pH调节剂的质量体积比浓度均为2％。

实施例1

一种紫球藻泡沫选浮分离方法，包括如下步骤：

(1)预处理：待采收紫球藻藻液的藻细胞密度为3.2638×10⁷cells/L，通过pH调节剂调节待采收紫球藻藻液的pH至7，之后将鼠李糖脂以固液比(kg：L)0.05：1000的比例加入待采收紫球藻藻液，室温下避光，以800rpm转速磁力搅拌5min，得到预处理完毕的紫球藻藻液；

(2)浮选：将预处理完毕的紫球藻藻液转移至单槽浮选机中，再将松醇油以固液比(固液比为kg：L，这里指的是松醇油与待采收紫球藻藻液的固液比，后续实施例中加入松醇油的固液比含义与本实施例的相同)0.003：1000的比例加入，之后设置充气流量为50L/h，叶轮转速为400rpm，浮选6min后停止，得到上浮产物及尾料废水；

(3)后处理：利用刮板收集步骤二得到的上浮产物，按照硅油与上浮产物质量比为0.006：1的比例将硅油加入上浮产物，静置3min后即得到采收的紫球藻。

采用分光光度法测定采收的紫球藻藻细胞密度，得到采收的紫球藻藻细胞密度为3.6045×10⁹cells/L，计算得到回收率为88.35％，由此可知本实施例方法采收紫球藻，回收率高，采收效果好。

实施例2

一种紫球藻泡沫选浮分离方法，包括如下步骤：

(1)预处理：待采收紫球藻藻液的藻细胞密度为3.2638×10⁷cells/L，通过pH调节剂调节待采收紫球藻藻液的pH至9，之后将鼠李糖脂以固液比(kg：L)0.09：1000的比例加入待采收紫球藻藻液，室温下避光以1200rpm转速磁力搅拌15min，得到预处理完毕的紫球藻藻液；

(2)浮选：将预处理完毕的紫球藻藻液转移至单槽浮选机中，再将松醇油以固液比(kg：L)0.005：1000的比例加入，之后设置充气流量为150L/h，叶轮转速为800rpm，浮选10min后停止，得到上浮产物及尾料废水；

(3)后处理：利用刮板收集步骤二得到的上浮产物，按照硅油与上浮产物质量比为0.01：1的比例将硅油加入上浮产物，静置5min后即得到采收的紫球藻。

经分光光度法测定得到采收的紫球藻藻细胞密度为3.7709×10⁹cells/L，计算得到回收率为92.43％，由此可知本实施例方法采收紫球藻，回收率高，采收效果好。

实施例3

一种紫球藻泡沫选浮分离方法，包括如下步骤：

(1)预处理：待采收紫球藻藻液的藻细胞密度为3.2638×10⁷cells/L，通过pH调节剂调节待采收紫球藻藻液的pH至8，之后将鼠李糖脂以固液比(kg：L)0.07：1000的比例加入待采收紫球藻藻液，室温下避光以1000rpm转速磁力搅拌10min，得到预处理完毕的紫球藻藻液；

(2)浮选：将预处理完毕的紫球藻藻液转移至单槽浮选机中，再将松醇油以固液比(kg：L)0.004：1000的比例加入，之后设置充气流量为100L/h，叶轮转速为600rpm，浮选8min后停止，得到上浮产物及尾料废水；

(3)后处理：利用刮板收集步骤二得到的上浮产物，按照硅油与上浮产物质量比为0.008：1的比例将硅油加入上浮产物，静置4min后即得到采收的紫球藻。

经分光光度法测定得到采收的紫球藻藻细胞密度为4.0344×10⁹cells/L，计算得到回收率为95.18％，由此可知本实施例方法采收紫球藻，回收率高，采收效果好。

实施例4

一种紫球藻泡沫选浮分离方法，包括如下步骤：

(1)预处理：待采收紫球藻藻液的藻细胞密度为3.2638×10⁷cells/L，通过pH调节剂调节待采收紫球藻藻液的pH至7，之后将鼠李糖脂以固液比(kg：L)0.06：1000的比例加入待采收紫球藻藻液，室温下避光以900rpm转速磁力搅拌7min，得到预处理完毕的紫球藻藻液；

(2)浮选：将预处理完毕的紫球藻藻液转移至单槽浮选机中，再将松醇油以固液比(kg：L)0.003：1000的比例加入，之后设置充气流量为70L/h，叶轮转速为500rpm，浮选7min后停止，得到上浮产物及尾料废水；

(3)后处理：利用刮板收集步骤二得到的上浮产物，按照硅油与上浮产物质量比为0.007：1的比例将硅油加入上浮产物，静置5min后即得到采收的紫球藻。

经分光光度法测定得到采收的紫球藻藻细胞密度为3.6950×10⁹cells/L，计算得到回收率为90.57％，由此可知本实施例方法采收紫球藻，回收率高，采收效果好。

实施例5

一种紫球藻泡沫选浮分离方法，包括如下步骤：

(1)预处理：待采收紫球藻藻液的藻细胞密度为3.2638×10⁷cells/L，通过pH调节剂调节待采收紫球藻藻液的pH至9，之后将鼠李糖脂以固液比(kg：L)0.08：1000的比例加入待采收紫球藻藻液，室温下避光以1100rpm转速磁力搅拌12min，得到预处理完毕的紫球藻藻液；

(2)浮选：将预处理完毕的紫球藻藻液转移至单槽浮选机中，再将松醇油以固液比(kg：L)0.005：1000的比例加入，之后设置充气流量为120L/h，叶轮转速为700rpm，浮选9min后停止，得到上浮产物及尾料废水；

(3)后处理：利用刮板收集步骤二得到的上浮产物，按照硅油与上浮产物质量比为0.009：1的比例将硅油加入上浮产物，静置3min后即得到采收的紫球藻。

经分光光度法测定得到采收的紫球藻藻细胞密度可达3.8329×10⁹cells/L，计算得到回收率为93.95％，由此可知本实施例方法采收紫球藻，回收率高，采收效果好。

实施例6

发明人还将鼠李糖脂和松醇油单独添加进行了对比试验，在对比实验中，待采收紫球藻藻液的藻细胞密度均为3.2638×10⁷cells/L，且单独添加时的鼠李糖脂或松醇油的量与实施例3中相同，且其余参数条件及过程均与实施例3相同，包括待采收紫球藻藻液的pH为7，室温下避光以900rpm转速磁力搅拌7min，充气流量为70L/h，叶轮转速为500rpm，浮选7min，静置5min，实验结果如表1所示。

表1对比试验的相关实验数据

由表1可知，单独添加鼠李糖脂和松醇油时紫球藻的回收率均低于50％，经分析发现，单独添加鼠李糖脂的回收率较低是因为其对气相的优化能力不足，形成泡沫的稳定性差，因而上浮产物受到明显的负面影响，而单独添加松醇油时，虽然会产生泡沫，但由于小球藻的表面属性(亲疏水性)，和泡沫之间的黏附效果差，因而难以随泡沫上浮，因此形成的泡沫虽然稳定性强但选择性差，无法黏附紫球藻共同上浮，而加入鼠李糖脂后，由于鼠李糖脂可以在小球藻表面吸附，吸附后修饰表面属性，使得紫球藻回收率高，因此由对比实验和实施例3表明，需要鼠李糖脂与起泡剂需搭配使用。

发明人同时还将本发明实施例3的处理过程及参数应用于不同培养阶段的待采收紫球藻藻液，观察比较了藻细胞密度对采收效果的影响，试验结果如表2所示。

表2不同浓度待采收紫球藻藻液的采收实验数据

由表2可知，将实施例3的处理过程应用于不同培养阶段(不同藻密度)的待采收紫球藻藻液时，在鼠李糖脂和松醇油用量不变的前提下，在藻细胞密度为6.7388×10⁶cells/L～1.5079×10⁹cells/L范围内，本发明方法对紫球藻的回收率均在90％以上。

实施例7

(1)待采收紫球藻藻液的藻细胞密度为3.2638×10⁷cells/L，其余处理过程及参数与实施例3的相同，仅改变松醇油的固液比(kg：L)为0.01：1000。

经测定计算得到，采收的紫球藻藻细胞密度为1.3782×10⁹cells/L，紫球藻回收率为57.29％。

(2)待采收紫球藻藻液的藻细胞密度为3.2638×10⁷cells/L，其余处理过程与参数与实施例3的相同，仅改变松醇油的固液比(kg：L)为0.015：1000；

经测定计算得到，采收的紫球藻藻细胞密度为1.0278×10⁹cells/L，紫球藻回收率为46.85％。

对比例1

待采收紫球藻藻液的藻细胞密度为3.2638×10⁷cells/L，处理步骤及参数与实施例3的相同，仅调节待采收紫球藻藻液的pH为10。

经检测与统计，采收的紫球藻藻细胞密度为1.6752×10⁹cells/L，紫球藻回收率为62.54％。

对比例2

将200g氧化铜矿石(原矿品位为≥0.9％，氧化率≥87，结合率≤8％)进行湿磨至矿细度为75微米的矿占85％，加入3000ml水，调浆4min后，对其进行泡沫浮选，浮选过程及气浮参数与实施例3相同。

经检测发现氧化铜的回收率仅仅只有21.57％。

由此可知，鼠李糖脂虽然也是表面活性剂，但是将其作为捕收剂应用于矿物浮选时，与采用化学合成的表面活性剂作为捕收剂相比较，其浮选效果极差。

Claims (7)

1.一种基于泡沫浮选的紫球藻采收方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、用pH调节剂调节待采收紫球藻液的pH为7～9，按照固液比（0.05～0.09）：1000的比例，加入鼠李糖脂，之后室温避光搅拌，得到预处理完毕的紫球藻藻液，其中待采收紫球藻藻液中紫球藻藻细胞密度为6.0×10⁶cells/L~2.0×10⁹cells/L；

步骤2、将预处理完毕的紫球藻藻液投入浮选装置中进行浮选处理，浮选处理前向紫球藻藻液中加入起泡剂松醇油，松醇油与鼠李糖脂的质量比为（0.05～0.0625）：1；

步骤3、收集上浮产物，在上浮产物中加入消泡剂后静置，得到紫球藻。

2.根据权利要求1所述基于泡沫浮选的紫球藻采收方法，其特征在于：步骤2中，所述浮选装置为单槽浮选机。

3.根据权利要求1所述基于泡沫浮选的紫球藻采收方法，其特征在于：步骤3中，所述消泡剂与所述上浮产物质量比为（0.006～0.01）：1，静置时间3～5min。

4.根据权利要求3所述基于泡沫浮选的紫球藻采收方法，其特征在于：步骤3中，所述消泡剂选自如下的一种或两种以上：硅油、聚二甲基硅氧烷、聚氧丙烯甘油醚和聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚。

5.根据权利要求4所述基于泡沫浮选的紫球藻采收方法，其特征在于：所述消泡剂为硅油。

6.根据权利要求1所述基于泡沫浮选的紫球藻采收方法，其特征在于：步骤2中，浮选参数为充气流量为50～150L/h，叶轮转速400rpm～800rpm，浮选时间6～10min。

7.根据权利要求1所述基于泡沫浮选的紫球藻采收方法，其特征在于：步骤1中，所述pH调节剂为氢氧化钠溶液或稀盐酸。