CN110698566A - 一种用于微藻捕捉的絮凝剂及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于微藻捕捉的絮凝剂及其制备方法和应用，絮凝剂包括阳离子淀粉基底以及接枝于基底上的缩合类单宁，缩合类单宁在基底上的接枝度为4％～20％。制备是先将淀粉阳离子化，然后在阳离子化后的淀粉上接枝缩合类单宁。在实际的微藻捕捉中，絮凝剂用量为0.5～0.7mg/L时，对微藻的收割率可以达到90％以上，相比于淀粉和阳离子淀粉，不仅收割率大大提高，而且絮凝剂的用量可以削减40倍以上，经济效益显著。

Description

一种用于微藻捕捉的絮凝剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于微藻捕捉技术领域，具体涉及一种用于微藻捕捉的絮凝剂及其制备方法。
背景技术
在资源与环境压力日益增大的当前，微藻作为一类新型可再生绿色材料备受关注。然而，微藻的收割是制约微藻产业发展的关键问题之一，据相关资料统计，微藻的收割成本约占微藻生产成本的30％以上。
当前收割微藻的方法主要包括离心、重力沉降、过滤、气浮、吸附、pH诱导和絮凝等。其中，絮凝具有成本低、操作便利、对设备依赖小等优点而广泛用于收割微藻。在絮凝过程中，单个微藻细胞通过电荷中和、架桥絮凝及网捕作用聚集成大絮体，从而在较短时间内从培养基中分离出来。常用于收割微藻的絮凝剂可分为无机絮凝剂和有机絮凝剂，絮凝剂的选择是絮凝收割微藻的关键。常用的无机絮凝剂，如铝盐、铁盐及其聚合物，不可避免的存在金属离子残留等问题，将对微藻的后续加工利用产生不利影响。有机絮凝剂，如聚丙烯酰胺等石化衍生物，一方面价格偏高且不可再生，另一方面其单体或降解产物往往具有较强的生物毒性。因此，选择生物质基絮凝剂收割微藻是今后研究的重点。
淀粉是一类来源广、价格低廉的生物质基高分子化合物，具有良好的絮凝潜力，是当前制备生物质基絮凝剂优良的原料之一。由于淀粉是阴离子物质，缺乏有效电荷中和能力，因此当前制备淀粉基絮凝剂往往要对其阳离子化(阳离子淀粉)。阳离子淀粉具有绿色环保、对培养基回用以及微藻加工影响小等优点，在收割微藻领域展现出诱人的前景。然而，阳离子淀粉收割微藻往往需要较大的用量，并且收割效率偏低。因此，提升阳离子淀粉收割微藻的性能是一个挑战。
而且，微藻在培养过程中，不可避免的分泌大量胞外有机物，主要成分是蛋白质、多糖等。这些胞外有机物又可分为，溶解性有机物(游离在培养基中)和绑定态有机物(紧密结合在微藻细胞表面)。有资料显示，胞外有机物特别是溶解性有机物将消耗大量絮凝剂，导致絮凝剂用量增加以及絮凝性能变差。
发明内容
本发明为了提高阳离子淀粉基絮凝剂捕捉溶解性有机物及绑定态有机物等的能力，从而减少阳离子淀粉基絮凝剂的用量以及提升絮凝性能，提出了一种用于微藻捕捉的絮凝剂及其制备方法。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：提供一种用于微藻捕捉的絮凝剂，絮凝剂包括阳离子淀粉基底以及接枝于基底上的缩合类单宁，缩合类单宁在基底上的接枝度为4％～20％。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，缩合类单宁在阳离子淀粉基底上的接枝度为10～15％。
进一步，缩合类单宁在阳离子淀粉基底上的接枝度为12％。
进一步，缩合类单宁为黑荆树皮单宁。
本发明中絮凝剂通过以下方法制得：
S1：制备阳离子淀粉，并将1份阳离子淀粉溶于20～30份蒸馏水中，得阳离子淀粉悬液；
S2：向阳离子淀粉悬液中加入0.05～0.1份维生素C和1份双氧水，于室温下搅拌反应30～40min，然后向补充10份无水乙醇，并滴加25～30份的缩合类单宁水溶液，于室温下反应20～24h，得初品；所述缩合类单宁水溶液的质量浓度为0.4％～4％；
S3：用丙酮沉淀初品，然后用无水乙醇洗涤沉淀，直至洗涤液中无缩合类单宁检出，再对洗涤后的沉淀进行干燥处理，得絮凝剂成品；
制备过程中各组分的份数为质量份。
制备方法的步骤S1中阳离子淀粉的制备包括以下步骤：将30份质量浓度为2％的氢氧化钠溶液均匀喷洒到100份淀粉中并搅拌均匀，随后加入20份2，3-环氧丙基三甲基氯化铵，拌匀后于65～70℃下反应5～8h；然后用80％的乙醇溶液洗涤产物，再干燥磨粉得阳离子淀粉。
S2中所用缩合类单宁水溶液的溶质为黑荆树皮单宁，其质量浓度为2％。
本发明中的絮凝剂专用于微藻的捕捉，捕捉微藻时絮凝剂以溶液的形式使用，并且其对微藻捕捉的有效浓度为0.5～0.7mg/L。
本发明的有益效果是：
本发明中的絮凝剂以阳离子淀粉为基底，阳离子淀粉具有较强的电荷中和能力，可以高效的与微藻细胞进行电中和作用，使其聚集成大絮体，从而在较短的时间内被分离出来。
缩合类单宁相对分子质量较大，由植物体内的一些黄酮类化合物缩合而成，一般不能水解，其机构中含有大量的酚羟基基团和芳香环基团，这些基团可与蛋白质、多糖等大分子通过疏水和氢键等方式结合。当缩合类单宁以4％～20％的接枝度接枝到阳离子淀粉骨架上后，所得到的絮凝剂不仅可以对微藻培养过程中产生的溶解性有机物(主要成分是蛋白质、多糖等)进行高效捕捉，从而减少絮凝剂的消耗量，而且对附着在微藻表面的绑定态有机物的结合能力增强，从而提高对微藻的捕捉、絮凝和收割能力。当缩合类单宁在阳离子淀粉上的接枝度小于4％时，缩合类单宁不能提供足够的酚羟基，所得到的絮凝剂只能捕捉微藻分泌的溶解性有机物，而不能结合微藻表面的绑定态有机物，从而不能实现对微藻的收割；当缩合类单宁在阳离子淀粉上的接枝度大于20％时，絮凝剂中缩合类单宁过多，其酚羟基会形成分子内氢键，使絮凝剂对微藻分泌的胞外有机物的结合能力大大降低，进而导致絮凝剂的用量增加，并且微藻收割率降低。
附图说明
图1为紫外-可见光谱图；
图2为Zeta电位分析图；
图3为扫描电镜图；
图4为微藻的收割率对比图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
实施例一
一种用于微藻捕捉的絮凝剂，包括阳离子淀粉基底以及接枝于基底上的黑荆树皮单宁，黑荆树皮单宁在基底上的接枝度为20％左右。该絮凝剂的制备步骤如下：
S1：将30g质量浓度为2％的氢氧化钠溶液均匀喷洒到100g淀粉中并搅拌均匀，随后加入20g 2,3-环氧丙基三甲基氯化铵，拌匀后于65℃下反应6h；然后用80％的乙醇溶液洗涤产物，再干燥磨粉得阳离子淀粉；所得到的阳离子淀粉取代度约为0.2；
S2：将1g阳离子淀粉溶于25g蒸馏水中，得阳离子淀粉悬液；向阳离子淀粉悬液中加入0.05g维生素C和1g双氧水(1mol/L)，于室温下搅拌反应30min，然后向补充10g无水乙醇，并滴加25g质量浓度为4％的黑荆树皮单宁水溶液，于室温下反应24h，得初品；
S3：用丙酮沉淀初品，然后用无水乙醇洗涤沉淀，直至洗涤液中无缩合类单宁检出，再对洗涤后的沉淀进行干燥处理，得絮凝剂成品。
实施例二
一种用于微藻捕捉的絮凝剂，包括阳离子淀粉基底以及接枝于基底上的黑荆树皮单宁，黑荆树皮单宁在基底上的接枝度为4％左右。该絮凝剂的制备步骤如下：
S1：将30g质量浓度为2％的氢氧化钠溶液均匀喷洒到100g淀粉中并搅拌均匀，随后加入20g 2,3-环氧丙基三甲基氯化铵，拌匀后于70℃下反应5h；然后用80％的乙醇溶液洗涤产物，再干燥磨粉得阳离子淀粉；所得到的阳离子淀粉取代度约为0.2；
S2：将1g阳离子淀粉溶于30g蒸馏水中，得阳离子淀粉悬液；向阳离子淀粉悬液中加入0.08g维生素C和1g双氧水(1mol/L)，于室温下搅拌反应35min，然后向补充10g无水乙醇，并滴加25g质量浓度为0.4％的黑荆树皮单宁水溶液，于室温下反应20h，得初品；
S3：用丙酮沉淀初品，然后用无水乙醇洗涤沉淀，直至洗涤液中无缩合类单宁检出，再对洗涤后的沉淀进行干燥处理，得絮凝剂成品。
实施例三
一种用于微藻捕捉的絮凝剂，包括阳离子淀粉基底以及接枝于基底上的黑荆树皮单宁，黑荆树皮单宁在基底上的接枝度为10％左右。该絮凝剂的制备步骤如下：
S1：将30g质量浓度为2％的氢氧化钠溶液均匀喷洒到100g淀粉中并搅拌均匀，随后加入20g 2,3-环氧丙基三甲基氯化铵，拌匀后于65℃下反应8h；然后用80％的乙醇溶液洗涤产物，再干燥磨粉得阳离子淀粉；所得到的阳离子淀粉取代度约为0.2；
S2：将1g阳离子淀粉溶于25g蒸馏水中，得阳离子淀粉悬液；向阳离子淀粉悬液中加入0.1g维生素C和1g双氧水(1mol/L)，于室温下搅拌反应40min，然后向补充10g无水乙醇，并滴加25g质量浓度为1％的黑荆树皮单宁水溶液，于室温下反应24h，得初品；
S3：用丙酮沉淀初品，然后用无水乙醇洗涤沉淀，直至洗涤液中无缩合类单宁检出，再对洗涤后的沉淀进行干燥处理，得絮凝剂成品。
实施例四
一种用于微藻捕捉的絮凝剂，包括阳离子淀粉基底以及接枝于基底上的黑荆树皮单宁，黑荆树皮单宁在基底上的接枝度为15％左右。该絮凝剂的制备步骤如下：
S1：将30g质量浓度为2％的氢氧化钠溶液均匀喷洒到100g淀粉中并搅拌均匀，随后加入20g 2,3-环氧丙基三甲基氯化铵，拌匀后于70℃下反应6h；然后用80％的乙醇溶液洗涤产物，再干燥磨粉得阳离子淀粉；所得到的阳离子淀粉取代度约为0.2；
S2：将1g阳离子淀粉溶于20g蒸馏水中，得阳离子淀粉悬液；向阳离子淀粉悬液中加入0.1g维生素C和1g双氧水(1mol/L)，于室温下搅拌反应35min，然后向补充10g无水乙醇，并滴加30g质量浓度为2％的黑荆树皮单宁水溶液，于室温下反应24h，得初品；
S3：用丙酮沉淀初品，然后用无水乙醇洗涤沉淀，直至洗涤液中无缩合类单宁检出，再对洗涤后的沉淀进行干燥处理，得絮凝剂成品。
对比例一
一种用于微藻捕捉的絮凝剂，包括阳离子淀粉基底以及接枝于基底上的黑荆树皮单宁，黑荆树皮单宁在基底上的接枝度为2％左右。该絮凝剂的制备步骤如下：
S1：将30g质量浓度为2％的氢氧化钠溶液均匀喷洒到100g淀粉中并搅拌均匀，随后加入20g 2,3-环氧丙基三甲基氯化铵，拌匀后于65℃下反应6h；然后用80％的乙醇溶液洗涤产物，再干燥磨粉得阳离子淀粉；所得到的阳离子淀粉取代度约为0.2；
S2：将1g阳离子淀粉溶于20g蒸馏水中，得阳离子淀粉悬液；向阳离子淀粉悬液中加入0.1g维生素C和1g双氧水(1mol/L)，于室温下搅拌反应35min，然后向补充10g无水乙醇，并滴加30g质量浓度为0.2％的黑荆树皮单宁水溶液，于室温下反应24h，得初品；
S3：用丙酮沉淀初品，然后用无水乙醇洗涤沉淀，直至洗涤液中无缩合类单宁检出，再对洗涤后的沉淀进行干燥处理，得絮凝剂成品。
对比例二
一种用于微藻捕捉的絮凝剂，包括阳离子淀粉基底以及接枝于基底上的黑荆树皮单宁，黑荆树皮单宁在基底上的接枝度为25％左右。该絮凝剂的制备步骤如下：
S1：将30g质量浓度为2％的氢氧化钠溶液均匀喷洒到100g淀粉中并搅拌均匀，随后加入20g 2,3-环氧丙基三甲基氯化铵，拌匀后于65℃下反应6h；然后用80％的乙醇溶液洗涤产物，再干燥磨粉得阳离子淀粉；所得到的阳离子淀粉取代度约为0.2；
S2：将1g阳离子淀粉溶于20g蒸馏水中，得阳离子淀粉悬液；向阳离子淀粉悬液中加入0.1g维生素C和1g双氧水(1mol/L)，于室温下搅拌反应35min，然后向补充10g无水乙醇，并滴加30g质量浓度为4.5％的黑荆树皮单宁水溶液，于室温下反应24h，得初品；
S3：用丙酮沉淀初品，然后用无水乙醇洗涤沉淀，直至洗涤液中无缩合类单宁检出，再对洗涤后的沉淀进行干燥处理，得絮凝剂成品。
结果分析
分别通过紫外-可见光谱、Zeta电位、扫描电镜等方法对淀粉、实施例一所制得的阳离子淀粉、实施例一所制得的絮凝剂成品(接枝度20％)进行表征，结果如图1～3所示。
由图1紫外-可见光谱可知(图中曲线从上到下依次为缩合类单宁、缩合类单宁接枝阳离子淀粉、淀粉和阳离子淀粉)，淀粉及阳离子淀粉在200nm～700nm波长范围没有特征峰，缩合类单宁在280nm附近存在一个特征峰，被认为是缩合类单宁芳香性结构的n-π*跃迁所致，缩合类单宁接枝阳离子淀粉同样在280nm附近存在一个特征峰，证实缩合类单宁已成功引入到阳离子淀粉骨架上。
由Zeta电位结果可知(图2)，淀粉的Zeta电位为负值，表明其为阴离子性质，经过阳离子化后，阳离子淀粉的Zeta电位由负变正，这预示着阳离子反应成功进行。进一步接枝缩合类单宁后，缩合类单宁接枝阳离子淀粉的Zeta电位较阳离子淀粉有一定的下降，但仍保持阳离子性质，这一现象是因为缩合类单宁自身为阴离子性质，当缩合类单宁引入到阳离子淀粉骨架上，削弱了阳离子淀粉的阳离子性质。
扫描电镜结果显示(图3)，阳离子反应并未对淀粉的球状形貌产生较大的影响，接枝缩合类单宁后，球状结构坍塌，粘连形成松散的多孔结构。这预示着缩合类单宁的引入对阳离子淀粉的晶型结构产生较大的影响。
进一步考察淀粉、阳离子淀粉以及实施例一所得到的絮凝剂成品对微藻的收割效果，以OD680约为1.1的淡水小球藻(Ellipsoidea)悬浮液为结实验对象，结果如图4所示。可以看出淀粉对小球藻几乎没有收割效果，阳离子淀粉在20～35mg/L的剂量下，对小球藻的收割效率约80％左右。而缩合类单宁接枝阳离子淀粉(接枝度20％)在0.5～0.7mg/L的剂量下，对小球藻的收割效率达到90％以上。这一结果表明，缩合类单宁的引入不仅使得收割效率大幅度提升，而且使得絮凝剂用量削减了40倍以上。同时考察了实施例一至四与对比例一和二所得絮凝剂对微藻的收割率，在形同的剂量下(0.5～0.7mg/L)，实施例一至四中的絮凝剂对微藻的收割率在90％以上，而对比例一和二中絮凝剂对微藻的收割率在50％以下，因此，缩合类单宁在阳离子淀粉中的接枝度在4％～20％范围内时，对微藻有较好的收割率。
虽然结合实施例对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于微藻捕捉的絮凝剂，其特征在于：包括阳离子淀粉基底以及接枝于所述基底上的缩合类单宁，所述缩合类单宁在基底上的接枝度为4％～20％。
2.根据权利要求1所述的用于微藻捕捉的絮凝剂，其特征在于：所述缩合类单宁在阳离子淀粉基底上的接枝度为10～15％。
3.根据权利要求1所述的用于微藻捕捉的絮凝剂，其特征在于：所述缩合类单宁在阳离子淀粉基底上的接枝度为12％。
4.根据权利要求1所述的用于微藻捕捉的絮凝剂，其特征在于：所述缩合类单宁为黑荆树皮单宁。
5.制备如权利要求1～4任一项所述絮凝剂的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：制备阳离子淀粉，并将1份阳离子淀粉溶于20～30份蒸馏水中，得阳离子淀粉悬液；
S2：向阳离子淀粉悬液中加入0.05～0.1份维生素C和1份双氧水，于室温下搅拌反应30～40min，然后向补充10份无水乙醇，并滴加25～30份的缩合类单宁水溶液，于室温下反应20～24h，得初品；所述缩合类单宁水溶液的质量浓度为0.4％～4％；
S3：用丙酮沉淀初品，然后用无水乙醇洗涤沉淀，直至洗涤液中无缩合类单宁检出，再对洗涤后的沉淀进行干燥处理，得絮凝剂成品；
制备过程中各组分的份数为质量份。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，S1中阳离子淀粉的制备包括以下步骤：将30份质量浓度为2％的氢氧化钠溶液均匀喷洒到100份淀粉中并搅拌均匀，随后加入20份2，3-环氧丙基三甲基氯化铵，拌匀后于65～70℃下反应5～8h；然后用80％的乙醇溶液洗涤产物，再干燥磨粉得阳离子淀粉。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述缩合类单宁水溶液的溶质为黑荆树皮单宁，其质量浓度为2％。
8.如权利要求1所述的絮凝剂在微藻捕捉中的应用，其特征在于：絮凝剂对微藻捕捉的有效浓度为0.5～0.7mg/L。
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