CN114149924B - 一种用于微藻的浮珠浮选采收方法 - Google Patents

一种用于微藻的浮珠浮选采收方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于微藻的浮珠浮选采收方法，包括以下步骤：步骤一，制备海藻酸钠浮珠；步骤二，微藻采收；本发明利用具有空心结构的浮珠采收微藻，具有设备投入少、采收能耗低的优点，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，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，本发明采用复炸油用作为海藻酸钠浮珠原材料之一，实现了资源的再利用，降低了成本。

Description

一种用于微藻的浮珠浮选采收方法
技术领域
本发明涉及微藻分离技术领域，具体为一种用于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；微藻既有原核又有真核微生物，具有单细胞或简单的多细胞结构，可以在恶劣的环境中生长和繁殖；微藻在生物能源、生物医药、环境治理等方面日益发挥着重要的作用；研究表明，微藻是一种潜在的可再生燃料来源，微藻生物质能够满足全球25％的能源需求；微藻中富含蛋白质、脂质等营养物质，可以作为动物饲料的蛋白质来源；微藻中可以提取多种化学物质，如胡萝卜素、虾青素、藻胆蛋白等生物活性物质，已被广泛应用于医药和化妆品等领域；
目前，基于转基因蓝藻开发的防治对虾白斑综合征的对虾疫苗成效显著；利用废水培养微藻不仅获得了丰富的生物质资源，而且实现了废水的资源化利用；基于微藻的这些优势，使得微藻的规模化培养和资源化利用得到国内外广泛关注，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(3um-30um)，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表1所示，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
本发明的目的在于提供一种用于微藻的浮珠浮选采收方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于微藻的浮珠浮选采收方法，包括以下步骤：步骤一，制备海藻酸钠浮珠；步骤二，微藻采收；
其中在上述步骤一中，制备海藻酸钠浮珠包括以下步骤：
1)制备混合液A：称取3g海藻酸钠粉末分散在100mL蒸馏水中，搅拌至完全溶解，取40mL完全溶解的海藻酸钠溶液与2mL的5％(w)碳酸钙悬浮液均匀混合，得到混合液A；
2)制备乳化液：将上述步骤1)中所制备的混合液A加入到100mL 含4mL Span-80的复炸油中，240r/min搅拌下反应15min，得到乳化液；
3)制备混合液B：取上述步骤2)中所制备的乳化液，在搅动下滴加20mL含80mmol/L醋酸的复炸油，反应10min，提升搅拌桨至液面下油相中，于温和搅拌下加入150mL的50mmol/L氯化钙溶液，反应15min，得到混合液B；
4)制备混合液C：取上述步骤3)中所制备的混合液B，向其中缓慢加入50mL 0.8g/LPAC溶液，继续反应10min，得到混合液C；
5)获取浮珠微粒：将上述步骤4)中所制备的混合液C静置2～3 小时，弃去油相，用1％的吐温-80洗涤微粒至无油为止，再用蒸馏水洗至中性，得到浮珠微粒，并将制得的浮珠微粒储存于蒸馏水中；
其中在上述步骤二中，微藻采收包括以下步骤：
1)微藻悬浮液预处理：将絮凝剂加入到微藻悬浮液中，然后在250rpm 的条件下搅拌1min，得到预处理后的微藻悬浮液；
2)制备浮珠-微藻结合体的溢流液：将步骤一中所制备的海藻酸钠浮珠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；
3)获取微藻：将上述步骤2)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。
优选的，所述步骤一2)中，复炸油为荤素搭配的炸物反复油炸3-4次所剩下的油。
优选的，所述步骤一5)中，混合液C中所凝结的浮珠微粒从油相中分离析出到油相下，水相上。
优选的，所述步骤一5)中，浮珠具有空心结构，粒径为50～60μm，密度为0.8～1g/cm3。
优选的，所述步骤二1)中，微藻悬浮液的浓度为7.6×106～15.8× 106cells/mL。
优选的，所述步骤二1)中，絮凝剂可为生物絮凝剂或化学絮凝剂，生物絮凝剂可为壳聚糖，化学絮凝剂可为氯化铁、硫酸铁、氯化铝或硫酸铝；生物絮凝剂的加入量按微藻悬浮液的体积计为20～50mg/L，化学絮凝剂的加入量按微藻悬浮液的体积计为50～100mg/L。
优选的，所述步骤二2)中，混合悬浮液中浮珠的浓度为400～1200mg/L。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用具有空心结构的浮珠采收微藻，具有设备投入少、采收能耗低的优点，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，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，本发明采用复炸油用作为海藻酸钠浮珠原材料之一，实现了资源的再利用，降低了成本。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为制备海藻酸钠浮珠的流程图；
图3为微藻采收的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-3，表2-3，本发明提供的一种技术方案：其中实施例1、实施例2和实验例3中所用的藻液为淮南寿县青莲村养鸭场，养猪场，普通池塘所取的水样；实施例4所用的藻液为巢湖中庙镇姥山岛水样；实验例5、实施例6和实施例7中所用的藻液分别为太湖五里湖出水闸，太湖植物港和太湖杨湾水样；
本发明实施例1～7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；
本发明实施例1～7中所用的浮珠为海藻酸钠浮珠，海藻酸钠浮珠的制备步骤为：
1)制备混合液A：称取3g海藻酸钠粉末分散在100mL蒸馏水中，搅拌至完全溶解，取40mL完全溶解的海藻酸钠溶液与2mL的5％(w)碳酸钙悬浮液均匀混合，得到混合液A；
2)制备乳化液：将上述步骤1)中所制备的混合液A加入到100mL 含4mL Span-80的复炸油中，240r/min搅拌下反应15min，得到乳化液，复炸油为荤素搭配的炸物反复油炸3-4次所剩下的油；
3)制备混合液B：取上述步骤2)中所制备的乳化液，在搅动下滴加20mL含80mmol/L醋酸的复炸油，反应10min，提升搅拌桨至液面下油相中，于温和搅拌下加入150mL的50mmol/L氯化钙溶液，反应15min，得到混合液B；
4)制备混合液C：取上述步骤3)中所制备的混合液B，向其中缓慢加入50mL 0.8g/LPAC溶液，继续反应10min，得到混合液C；
5)获取浮珠微粒：将上述步骤4)中所制备的混合液C静置2～3 小时，混合液C中所凝结的浮珠微粒从油相中分离析出到油相下，水相上，弃去油相，用1％的吐温-80洗涤微粒至无油为止，再用蒸馏水洗至中性，得到浮珠微粒，并将制得的浮珠微粒储存于蒸馏水中，浮珠具有空心结构，粒径为50～60μm，密度为0.8～1g/cm3；
实施例1：
一种用于微藻的浮珠浮选采收方法，微藻采收包括以下步骤：
1)微藻悬浮液预处理：将100mg硫酸铝絮凝剂加入到100ml微藻悬浮液中，然后在250rpm的条件下搅拌1min，得到预处理后的微藻悬浮液，其中，微藻悬浮液为淮南寿县青莲村养鸭场水样；
2)制备浮珠-微藻结合体的溢流液：用抽液器抽取10ml的海藻酸钠浮珠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，混合悬浮液中浮珠的浓度为400～ 1200mg/L；
3)获取微藻：将上述步骤2)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。
实施例2：
实施方式与实施例1相同，只是微藻悬浮液为淮南寿县青莲村养猪场水样，且在进行微藻悬浮液预处理时，需在室温下静置15min后，方可得到预处理后的微藻悬浮液。
实施例3：
实施方式与实施例1相同，只是微藻悬浮液为淮南寿县青莲村普通池塘水样，且在进行微藻悬浮液预处理时，需在室温下静置15min后，方可得到预处理后的微藻悬浮液。
实施例4：
实施方式与实施例1相同，只是微藻悬浮液为巢湖中岗镇姥山岛水样藻液，且在进行微藻悬浮液预处理时，硫酸铝絮凝剂的使用量为50mg，需在室温下静置15min后，方可得到预处理后的微藻悬浮液。
实施例5：
实施方式与实施例1相同，只是微藻悬浮液为太湖五里湖进水闸藻液，且在进行微藻悬浮液预处理时，需在室温下静置15min后，方可得到预处理后的微藻悬浮液。
实施例6：
实施方式与实施例1相同，只是微藻悬浮液为太湖植物港水样，且在进行微藻悬浮液预处理时，硫酸铝絮凝剂的使用量为50mg，需在室温下静置 15min后，方可得到预处理后的微藻悬浮液。
实施例7：
实施方式与实施例1相同，只是微藻悬浮液为太湖植物港水样，且在进行微藻悬浮液预处理时，硫酸铝絮凝剂的使用量为50mg，需在室温下静置 15min后，方可得到预处理后的微藻悬浮液。
实施例1～7所采用的微藻悬浮液在540nm的波长下测得的吸光度为见表 2；
对实施例1～7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1～7 中的样品测量时的紫外吸收波长为540nm，计算实施例1～7的微藻采收率，结果见表3；其中，微藻采收率(％)＝(1－C0/C1)×100％；
由表3可知，本发明实施例1～7的微藻采收率均在77.4％以上，其中实施例7的微藻采收率高达95.8％，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1～7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1～7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 0.014202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。
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数值表
Figure SMS_1
表2微藻悬浮液在540nm的波长下测得的吸光度数值表；
Figure SMS_2
表3微藻最大采收率数值表
Figure SMS_3
基于上述，本发明具备以下优点：
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；
5、本发明所使用的浮珠原材料为海藻酸钠和复炸油，其中海藻酸钠是一种绿色材料不会对水体产生二次污染；复炸油为反复油炸3～4次剩余的油，用来做海藻酸钠浮珠原材料之一，实现了资源的再利用，降低了成本。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (4)

1.一种用于微藻的浮珠浮选采收方法，包括以下步骤：步骤一，制备海藻酸钠浮珠；步骤二，微藻采收；其特征在于：
其中在上述步骤一中，制备海藻酸钠浮珠包括以下步骤：
1)制备混合液A：称取3g海藻酸钠粉末分散在100mL蒸馏水中，搅拌至完全溶解，取40mL完全溶解的海藻酸钠溶液与2mL的5％(w)碳酸钙悬浮液均匀混合，得到混合液A；
2)制备乳化液：将上述步骤1)中所制备的混合液A加入到100mL含4mL Span-80的复炸油中，240r/min搅拌下反应15min，得到乳化液；
3)制备混合液B：取上述步骤2)中所制备的乳化液，在搅动下滴加20mL含80mmol/L醋酸的复炸油，反应10min，提升搅拌桨至液面下油相中，于温和搅拌下加入150mL的50mmol/L氯化钙溶液，反应15min，得到混合液B；
4)制备混合液C：取上述步骤3)中所制备的混合液B，向其中缓慢加入50mL 0.8g/L PAC溶液，继续反应10min，得到混合液C；
5)获取浮珠微粒：将上述步骤4)中所制备的混合液C静置2～3小时，弃去油相，用1％的吐温-80洗涤微粒至无油为止，
再用蒸馏水洗至中性，得到浮珠微粒，并将制得的浮珠微粒储存于蒸馏水中；
其中在上述步骤二中，微藻采收包括以下步骤：
1)微藻悬浮液预处理：将絮凝剂加入到微藻悬浮液中，然后在250rpm的条件下搅拌1min，得到预处理后的微藻悬浮液；
2)制备浮珠-微藻结合体的溢流液：将步骤一中所制备的海藻酸钠浮珠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；
3)获取微藻：将上述步骤2)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；
所述步骤二1)中，微藻悬浮液的浓度为7.6×106～15.8×106cells/mL；
所述步骤二1)中，絮凝剂为生物絮凝剂或化学絮凝剂，生物絮凝剂为壳聚糖，化学絮凝剂为氯化铁、硫酸铁、氯化铝或硫酸铝；生物絮凝剂的加入量按微藻悬浮液的体积计为20～50mg/L，化学絮凝剂的加入量按微藻悬浮液的体积计为50～100mg/L；
所述步骤二2)中，混合悬浮液中浮珠的浓度为400～1200mg/L。
2.根据权利要求1所述的一种用于微藻的浮珠浮选采收方法，其特征在于：所述步骤一2)中，复炸油为荤素搭配的炸物反复油炸3-4次所剩下的油。
3.根据权利要求1所述的一种用于微藻的浮珠浮选采收方法，其特征在于：所述步骤一5)中，混合液C中所凝结的浮珠微粒从油相中分离析出到油相下，水相上。
4.根据权利要求1所述的一种用于微藻的浮珠浮选采收方法，其特征在于：所述步骤一5)中，浮珠具有空心结构，粒径为50～60μm，密度为0.8～1g/cm3。
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