CN108315262A - 一种微藻的浮珠浮选采收方法 - Google Patents

一种微藻的浮珠浮选采收方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微藻的浮珠浮选采收方法，该方法包括：一、将絮凝剂加入到微藻悬浮液中，然后搅拌静置，得到预处理后的微藻悬浮液；二、将浮珠分散于去离子水中，形成浮珠分散体系；三、将浮珠分散体系加入到预处理后的微藻悬浮液中，得到混合悬浮液，将混合悬浮液搅拌静置，再进行溢流，得到含有浮珠‑微藻结合体的溢流液；四、将含有浮珠‑微藻结合体的溢流液进行离心，然后收集沉淀物，得到微藻。本发明利用具有稳定形态的浮珠吸附微藻，使浮珠与微藻接触机率和接触面积增大，大大提高了微藻的粘附效率，从而提高了微藻的采收率，并且采收过程中无需产生气泡，减少了设备投入，降低了采收能耗，节约了采收成本。

Description

一种微藻的浮珠浮选采收方法
技术领域
本发明属于微藻分离技术领域，具体涉及一种微藻的浮珠浮选采收方法。
背景技术
微藻是一类在水中生长的种类繁多且分布极广的微小生物。微藻是地球上将无机碳(CO2)与无机氮(NOx)转化为有机碳(糖类与油脂)和有机氮(蛋白质)效率最高的一种生物。微藻的生长过程可以实现废水净化和CO2减排的高度耦合，且对生长环境要求低，不与农作物争地争水，因此，微藻被公认为未来可以替代化石资源得到生物能源、生物基材料、生物基化学品和健康医药产品的最有前景的原料。利用微藻制备高附加值产品、生产液体燃料和处理污水已经成为国内外生物领域的研究热点，特别是利用微藻生产生物柴油的实验室技术路线已经初步形成。但利用微藻的生产成本过高，尤其是微藻的采收成本过高。由于微藻的形体微小(3μm～30μm)，且带负电，故容易形成稳定的悬浮液，不易与培养液分离；另外，微藻的密度与水体相当，且浓度很低(<1g/L)，给其大规模的采收带来很大的挑战。据测算，微藻产业链中采收环节的成本约占整个生产成本的20％～30％。传统的微藻采收方法包括离心法、过滤法和絮凝法，存在着对微藻细胞损伤大、效率低、能耗高等问题，气浮法(DAF)相较于传统的采收方法，具有快速、效率高等优势，易于大规模产业化应用，但产生气泡的过程，仍需要消耗较高的能量。传统的微藻采收方法和气浮法的采收能耗和采收效率如下表1所示。
表1传统的微藻采收方法和气浮法的采收能耗和采收效率
由表1可以看出，传统的微藻采收方法如压力式过滤法和离心法的采收率较低，且能耗偏高，而真空过滤法、电絮凝法和溶解气浮法的采收效率虽然很高，但能耗较高，对设备要求较高且成本较昂贵。因此寻求高效率、低成本的微藻采收技术是微藻产业化应用亟需解决的关键问题之一。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供了一种微藻的浮珠浮选采收方法。该方法利用具有稳定形态的浮珠吸附微藻，使浮珠与微藻接触机率和接触面积增大，大大提高了微藻的粘附效率，从而提高了微藻的采收率，并且采收过程中无需产生气泡，减少了设备投入，降低了采收能耗，节约了采收成本。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种微藻的浮珠浮选采收方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将絮凝剂加入到微藻悬浮液中，然后在250rpm的条件下搅拌1min，再在室温下静置15min，得到预处理后的微藻悬浮液；所述微藻悬浮液的浓度为7.6×106cells/mL～15.8×106cells/mL；
步骤二、将浮珠分散于去离子水中，形成浮珠分散体系；所述浮珠具有空心结构，浮珠的密度为0.25g/cm3～0.60g/cm3，粒径为40μm～78μm；
步骤三、将步骤二中形成的浮珠分散体系加入到步骤一中得到的预处理后的微藻悬浮液中，得到混合悬浮液，将混合悬浮液在250rpm的条件下搅拌1min，然后在室温下静置15min，再进行溢流，得到含有浮珠-微藻结合体的溢流液；
步骤四、将步骤三中得到的含有浮珠-微藻结合体的溢流液进行离心，然后收集沉淀物，得到微藻。
上述的一种微藻的浮珠浮选采收方法，其特征在于，步骤一所述微藻悬浮液中的微藻为小球藻(Chlorella vulgaris)、二形栅藻(Scenedesmus dimorphus)或杜氏盐藻(Dunaliella salina)。
上述的一种微藻的浮珠浮选采收方法，其特征在于，步骤一中所述絮凝剂为生物絮凝剂或化学絮凝剂，所述生物絮凝剂为壳聚糖，所述化学絮凝剂为氯化铁、硫酸铁、氯化铝或硫酸铝；所述生物絮凝剂的加入量按微藻悬浮液的体积计为20mg/L～50mg/L，所述化学絮凝剂的加入量按微藻悬浮液的体积计为50mg/L～100mg/L。
上述的一种微藻的浮珠浮选采收方法，其特征在于，步骤二中所述浮珠的材质为硅硼酸钠。
上述的一种微藻的浮珠浮选采收方法，其特征在于，步骤二中所述浮珠分散体系中浮珠的浓度为2000mg/L～6000mg/L。
上述的一种微藻的浮珠浮选采收方法，其特征在于，步骤三中所述混合悬浮液中浮珠的浓度为400mg/L～1200mg/L。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明利用具有空心结构的浮珠采收微藻，首先使浮珠与微藻悬浮液充分混合，混合液中浮珠与微藻接触后发生碰撞粘附，微藻粘附集中在浮珠的外表面上形成浮珠-微藻结合体，由于浮珠的形态较为稳定，粒径较为均匀，且浮珠之间的空间距离较大，浮珠与微藻接触机率和接触面积增大，大大提高了微藻的粘附效率，由于浮珠的密度远远小于微藻悬浮液的密度，形成的浮珠-微藻结合体仍可以悬浮在混合液上层，方便了浮珠-微藻结合体的收集，然后利用浮珠和微藻的密度差异，使粘附在浮珠上的微藻脱附，从而将两者分开，分别得到了微藻和浮珠，减少了对微藻细胞的损失，提高了微藻的采收率。
2、本发明先采用絮凝剂对微藻悬浮液进行预处理，使带负电的微藻悬浮液电势降低，处于不稳定状态，微藻的吸附表面积增大、粘附能力增强，从而促进了浮珠与微藻之间的结合力，增加了浮珠对微藻的吸附量，进一步提高了微藻的采收率。
3、本发明利用浮珠对微藻进行浮选采收，相比气浮法，浮珠浮选采收过程中无需产生气泡，减少了设备投入，降低了采收能耗，从而节约了采收成本，并且浮珠的形态较气泡更加稳定，浮珠的使用量也更加精确，提高了微藻浮选采收过程的可控性，有利于实现工业化推广；另外，本发明的浮珠使用后可进行回收，再次应用于微藻浮选，从而实现了循环利用，减少了浪费，进一步降低了生产成本。
4、本发明采用浮珠对微藻进行浮选采收，大幅减少了絮凝剂特别是化学絮凝剂的使用量，降低了对环境的污染，进一步节约了采收成本。
下面通过实施例对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
具体实施方式
本发明实施例1和实施例2中所用的小球藻(Chlorella vulgaris，FACHB-8)，实施例3和实施例4中所用的二形栅藻(Scenedesmus dimorphus，FACHB-496)，实施例5和实施例6中所用的杜氏盐藻(Dunaliella salina，FACHB-435)均购自中国科学研究院水生生物研究所淡水藻种库。
本发明实施例1～实施例6中所用的光生物反应器的生产厂家为上海光宇生物科技有限公司。
实施例1
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将小球藻置于装载BG-11培养基的光生物反应器中，在温度为(25土1)℃，光照强度为3000Lux～3500Lux，光暗周期为12L:12D，空气流量为15L/h，pH为7～7.5的条件下培养，然后选取生长静止期的小球藻悬浮液作为采收原料；
将40mg壳聚糖絮凝剂加入到2L小球藻悬浮液中，然后在250rpm的条件下搅拌1min，再在室温下静置15min，得到预处理后的小球藻悬浮液；所述小球藻悬浮液的浓度为7.6×106cells/mL；
步骤二、将1000mg浮珠分散于500mL去离子水中，形成浮珠分散体系；所述浮珠具有空心结构，浮珠的材质为硅硼酸钠，浮珠的密度为0.35g/cm3，粒径为62μm；
步骤三、将步骤二中形成的浮珠分散体系加入到步骤一中得到的预处理后的小球藻悬浮液中，得到混合悬浮液，将混合悬浮液在250rpm的条件下搅拌1min，然后在室温下静置15min，再进行溢流，得到含有浮珠-小球藻结合体的溢流液；
步骤四、将步骤三中得到的含有浮珠-小球藻结合体的溢流液进行离心，然后收集沉淀物，得到小球藻。
实施例2
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将小球藻置于装载BG-11培养基的光生物反应器中，在温度为(25土1)℃，光照强度为3000Lux～3500Lux，光暗周期为12L:12D，空气流量为15L/h，pH为7～7.5的条件下培养，然后选取生长静止期的小球藻悬浮液作为采收原料；
将100mg硫酸铝絮凝剂加入到2L小球藻悬浮液中，然后在250rpm的条件下搅拌1min，再在室温下静置15min，得到预处理后的小球藻悬浮液；所述小球藻悬浮液的浓度为7.6×106cells/mL；
步骤二、将1000mg浮珠分散于500mL去离子水中，形成浮珠分散体系；所述浮珠具有空心结构，浮珠的材质为硅硼酸钠，浮珠的密度为0.35g/cm3，粒径为62μm；
步骤三、将步骤二中形成的浮珠分散体系加入到步骤一中得到的预处理后的小球藻悬浮液中，得到混合悬浮液，将混合悬浮液在250rpm的条件下搅拌1min，然后在室温下静置15min，再进行溢流，得到含有浮珠-小球藻结合体的溢流液；
步骤四、将步骤三中得到的含有浮珠-小球藻结合体的溢流液进行离心，然后收集沉淀物，得到小球藻。
实施例3
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将小球藻置于装载BG-11培养基的光生物反应器中，在温度为(25土1)℃，光照强度为3000Lux～3500Lux，光暗周期为12L:12D，空气流量为15L/h，pH为7～7.5的条件下培养，然后选取生长静止期的小球藻悬浮液作为采收原料；
将200mg硫酸铁絮凝剂加入到2L小球藻悬浮液中，然后在250rpm的条件下搅拌1min，再在室温下静置15min，得到预处理后的二形栅藻悬浮液；所述二形栅藻悬浮液的浓度为15.8×106cells/mL；
步骤二、将1200mg浮珠分散于500mL去离子水中，形成浮珠分散体系；所述浮珠具有空心结构，浮珠的材质为硅硼酸钠，浮珠的密度为0.25g/cm3，粒径为78μm；
步骤三、将步骤二中形成的浮珠分散体系加入到步骤一中得到的预处理后的二形栅藻悬浮液中，得到混合悬浮液，将混合悬浮液在250rpm的条件下搅拌1min，然后在室温下静置15min，再进行溢流，得到含有浮珠-小球藻结合体的溢流液；
步骤四、将步骤三中得到的含有浮珠-小球藻结合体的溢流液进行离心，然后收集沉淀物，得到小球藻。
实施例4
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将二形栅藻置于装载SE培养基的光生物反应器中，在温度为(28土3)℃，光照强度为6800Lux，光暗周期为12L:12D，空气流量为18L/h，pH为7～7.5的条件下培养，然后选取生长静止期的二形栅藻悬浮液作为采收原料；
将100mg壳聚糖絮凝剂加入到2L二形栅藻悬浮液中，然后在250rpm的条件下搅拌1min，再在室温下静置15min，得到预处理后的二形栅藻悬浮液；所述二形栅藻悬浮液的浓度为15.8×106cells/mL；
步骤二、将3000mg浮珠分散于500mL去离子水中，形成浮珠分散体系；所述浮珠具有空心结构，浮珠的材质为硅硼酸钠，浮珠的密度为0.35g/cm3，粒径为62μm；
步骤三、将步骤二中形成的浮珠分散体系加入到步骤一中得到的预处理后的二形栅藻悬浮液中，得到混合悬浮液，将混合悬浮液在250rpm的条件下搅拌1min，然后在室温下静置15min，再进行溢流，得到含有浮珠-二形栅藻结合体的溢流液；
步骤四、将步骤三中得到的含有浮珠-二形栅藻结合体的溢流液进行离心，然后收集沉淀物，得到二形栅藻。
实施例5
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将二形栅藻置于装载SE培养基的光生物反应器中，在温度为(28土3)℃，光照强度为6800Lux，光暗周期为12L:12D，空气流量为18L/h，pH为7～7.5的条件下培养，然后选取生长静止期的二形栅藻悬浮液作为采收原料；
将160mg氯化铁絮凝剂加入到2L二形栅藻悬浮液中，然后在250rpm的条件下搅拌1min，再在室温下静置15min，得到预处理后的二形栅藻悬浮液；所述二形栅藻悬浮液的浓度为15.8×106cells/mL；
步骤二、将3000mg浮珠分散于500mL去离子水中，形成浮珠分散体系；所述浮珠具有空心结构，浮珠的材质为硅硼酸钠，浮珠的密度为0.35g/cm3，粒径为62μm；
步骤三、将步骤二中形成的浮珠分散体系加入到步骤一中得到的预处理后的二形栅藻悬浮液中，得到混合悬浮液，将混合悬浮液在250rpm的条件下搅拌1min，然后在室温下静置15min，再进行溢流，得到含有浮珠-二形栅藻结合体的溢流液；
步骤四、将步骤三中得到的含有浮珠-二形栅藻结合体的溢流液进行离心，然后收集沉淀物，得到二形栅藻。
实施例6
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将二形栅藻置于装载SE培养基的光生物反应器中，在温度为(28土3)℃，光照强度为6800Lux，光暗周期为12L:12D，空气流量为18L/h，pH为7～7.5的条件下培养，然后选取生长静止期的二形栅藻悬浮液作为采收原料；
将140mg氯化铝絮凝剂加入到2L二形栅藻悬浮液中，然后在250rpm的条件下搅拌1min，再在室温下静置15min，得到预处理后的二形栅藻悬浮液；所述二形栅藻悬浮液的浓度为15.8×106cells/mL；
步骤二、将1800mg浮珠分散于500mL去离子水中，形成浮珠分散体系；所述浮珠具有空心结构，浮珠的材质为硅硼酸钠，浮珠的密度为0.60g/cm3，粒径为40μm；
步骤三、将步骤二中形成的浮珠分散体系加入到步骤一中得到的预处理后的二形栅藻悬浮液中，得到混合悬浮液，将混合悬浮液在250rpm的条件下搅拌1min，然后在室温下静置15min，再进行溢流，得到含有浮珠-二形栅藻结合体的溢流液；
步骤四、将步骤三中得到的含有浮珠-二形栅藻结合体的溢流液进行离心，然后收集沉淀物，得到二形栅藻。
实施例7
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将杜氏盐藻置于装载DM培养基的光生物反应器中，在温度为(30土5)℃，光照强度为9000Lux，光暗周期为16L:8D，空气流量为36L/h，pH为7～7.5的条件下培养，然后选取生长静止期的杜氏盐藻悬浮液作为采收原料；
将60mg壳聚糖絮凝剂加入到2L杜氏盐藻悬浮液中，然后在250rpm的条件下搅拌1min，再在室温下静置15min，得到预处理后的杜氏盐藻悬浮液；所述杜氏盐藻悬浮液的浓度为12.5×106cells/mL；
步骤二、将2000mg浮珠分散于500mL去离子水中，形成浮珠分散体系；所述浮珠具有空心结构，浮珠的材质为硅硼酸钠，浮珠的密度为0.35g/cm3，粒径为62μm；
步骤三、将步骤二中形成的浮珠分散体系加入到步骤一中得到的预处理后的杜氏盐藻悬浮液中，得到混合悬浮液，将混合悬浮液在250rpm的条件下搅拌1min，然后在室温下静置15min，再进行溢流，得到含有浮珠-杜氏盐藻结合体的溢流液；
步骤四、将步骤三中得到的含有浮珠-杜氏盐藻结合体的溢流液进行离心，然后收集沉淀物，得到杜氏盐藻。
实施例8
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将杜氏盐藻置于装载DM培养基的光生物反应器中，在温度为(30土5)℃，光照强度为9000Lux，光暗周期为16L:8D，空气流量为36L/h，pH为7～7.5的条件下培养，然后选取生长静止期的杜氏盐藻悬浮液作为采收原料；
将120mg氯化铁絮凝剂加入到2L杜氏盐藻悬浮液中，然后在250rpm的条件下搅拌1min，再在室温下静置15min，得到预处理后的杜氏盐藻悬浮液；所述杜氏盐藻悬浮液的浓度为12.5×106cells/mL；
步骤二、将2000mg浮珠分散于500mL去离子水中，形成浮珠分散体系；所述浮珠具有空心结构，浮珠的材质为硅硼酸钠，浮珠的密度为0.35g/cm3，粒径为62μm；
步骤三、将步骤二中形成的浮珠分散体系加入到步骤一中得到的预处理后的微藻悬浮液中，得到混合悬浮液，将混合悬浮液在250rpm的条件下搅拌1min，然后在室温下静置15min，再进行溢流，得到含有浮珠-杜氏盐藻结合体的溢流液；
步骤四、将步骤三中得到的含有浮珠-杜氏盐藻结合体的溢流液进行离心，然后收集沉淀物，得到杜氏盐藻。
将实施例1～实施例8得到的微藻的采收效率进行检测，具体检测过程为：用蠕动泵在采收原料微藻悬浮液底部5cm处缓慢抽取10mL的样品，然后用紫外分光光度计测量其吸光度，记为c0；以同样的方法在溢流后的混合悬浮液中抽取样品，然后用紫外分光光度计测量其吸光度，记为c1；其中，实施例1～实施例3中的样品测量时的紫外吸收波长为540nm，实施例4～实施例6中的样品测量时的紫外吸收波长为680nm，实施例7和实施例8中的样品测量时的紫外吸收波长为505nm，计算实施例1～实施例8的微藻采收率，结果见下表2。
其中，微藻采收率(％)＝(1－c0/c1)×100％
表2实施例1～实施例8的微藻采收率
由表2可知，本发明实施例1～实施例8的微藻采收率均在78.21％以上，其中实施例3的微藻采收率高达94.37％，说明本发明的浮珠浮选采收法对微藻具有较好的采收效果，大大提高了微藻采收率。
据计算，本发明实施例1～实施例8的微藻采收的平均能耗为0.144kWh/m3，小于传统的微藻采收方法和气浮法的采收能耗；此外，本发明实施例1～实施例8中微藻采收无需设备投入，使用的浮珠可重复利用3～5次，平均浮珠成本为0.008元/L微藻液，而传统的微藻采收方法中的浮选剂成本大于0.048元/L微藻液，气浮法的设备投入成本较大，因此，浮珠浮选采收方法不仅降低了采收能耗，还大大降低了微藻的采收成本。
以上所述，仅是本发明的较佳配料范围实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (6)

1.一种微藻的浮珠浮选采收方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将絮凝剂加入到微藻悬浮液中，然后在250rpm的条件下搅拌1min，再在室温下静置15min，得到预处理后的微藻悬浮液；所述微藻悬浮液的浓度为7.6×106cells/mL～15.8×106cells/mL；
步骤二、将浮珠分散于去离子水中，形成浮珠分散体系；所述浮珠具有空心结构，浮珠的密度为0.25g/cm3～0.60g/cm3，粒径为40μm～78μm；
步骤三、将步骤二中形成的浮珠分散体系加入到步骤一中得到的预处理后的微藻悬浮液中，得到混合悬浮液，将混合悬浮液在250rpm的条件下搅拌1min，然后在室温下静置15min，再进行溢流，得到含有浮珠-微藻结合体的溢流液；
步骤四、将步骤三中得到的含有浮珠-微藻结合体的溢流液进行离心，然后收集沉淀物，得到微藻。
2.根据权利要求1所述的一种微藻的浮珠浮选采收方法，其特征在于，步骤一所述微藻悬浮液中的微藻为小球藻(Chlorella vulgaris)、二形栅藻(Scenedesmus dimorphus)或杜氏盐藻(Dunaliella salina)。
3.根据权利要求1所述的一种微藻的浮珠浮选采收方法，其特征在于，步骤一中所述絮凝剂为生物絮凝剂或化学絮凝剂，所述生物絮凝剂为壳聚糖，所述化学絮凝剂为氯化铁、硫酸铁、氯化铝或硫酸铝；所述生物絮凝剂的加入量按微藻悬浮液的体积计为20mg/L～50mg/L，所述化学絮凝剂的加入量按微藻悬浮液的体积计为50mg/L～100mg/L。
4.根据权利要求1所述的一种微藻的浮珠浮选采收方法，其特征在于，步骤二中所述浮珠的材质为硅硼酸钠。
5.根据权利要求1所述的一种微藻的浮珠浮选采收方法，其特征在于，步骤二中所述浮珠分散体系中浮珠的浓度为2000mg/L～6000mg/L。
6.根据权利要求5所述的一种微藻的浮珠浮选采收方法，其特征在于，步骤三中所述混合悬浮液中浮珠的浓度为400mg/L～1200mg/L。
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