基于強(qiáng)堿誘導(dǎo)的埃氏小球藻電解絮凝技術(shù)體系的建立

杭偉，張宏江，馬浩天，趙奎，季春麗，薛金愛，李潤植

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 分子農(nóng)業(yè)與生物能源研究所，山西 太谷 030801)

微藻是一類單細(xì)胞光合自養(yǎng)生物，其自身能高水平合成積累蛋白質(zhì)、油脂、多糖、維生素和其它生理活性物質(zhì)，是食品、醫(yī)藥、美容、環(huán)保、飼料和生物化工等產(chǎn)業(yè)的重要優(yōu)質(zhì)原料[1]。例如，微藻產(chǎn)生的Ω-3 脂肪酸、二十二碳六烯酸(EPA)(俗稱“腦黃金”)和二十碳五烯酸(DHA) 等保護(hù)心腦血管的代謝產(chǎn)物[2～4]。尤其是在化石燃料日益枯竭及化石燃料使用帶來嚴(yán)重污染的今天，微藻已經(jīng)成為第三代新型清潔能源的重要來源之一[5,6]，且已成功用于工業(yè)化生產(chǎn)甲烷、氫氣等清潔燃料[7～10]。目前制約微藻大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用的限制性因素是生產(chǎn)成本過高，特別是藻體采收環(huán)節(jié)，占整個(gè)微藻產(chǎn)業(yè)成本的20%～30%[11]。研究表明，個(gè)體微小[12,13]及藻細(xì)胞表面的負(fù)電荷[14,15]制約了采收效率，增加了采收技術(shù)難度，提高了采收成本。如在對(duì)數(shù)生長階段藻體表面富集的大量負(fù)電荷，使單細(xì)胞藻體在培養(yǎng)液介質(zhì)中分散懸浮形成穩(wěn)定的分散體系而導(dǎo)致采收難度增加[14,15]。

目前應(yīng)用于微藻采收的方法主要是利用物理和化學(xué)方法進(jìn)行藻體的絮凝以提高采收效率，如離心法、過濾法、添加絮凝劑法及電解絮凝法等，通過離心、過濾收集藻體的方法，具有操作靈活、簡單易行的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也面臨著能耗大、運(yùn)行成本較高的問題，尤其是在大規(guī)模收集低密度藻液的時(shí)候不適用[16～18]。通過向藻液添加無機(jī)或有機(jī)絮凝劑，如聚合氯化鋁、氯化鐵、聚丙烯酰胺及殼聚糖等能夠凝集藻體來提高采收效率。研究表明，當(dāng)殼聚糖的量與藻細(xì)胞干重比值為10∶1時(shí)，液pH低于7時(shí)，絮凝效率達(dá)到99%[19]。Alexandre 等學(xué)者采用高pH值誘導(dǎo)絮凝收集杜氏鹽藻的采收效率達(dá)到90%[20]。雖然通過添加絮凝劑，會(huì)使藻體產(chǎn)生一定的絮凝效果，但是這種高濃度的無機(jī)絮凝劑勢(shì)必會(huì)富集在藻體表面，對(duì)藻體下游產(chǎn)品加工帶來不便，甚至?xí)a(chǎn)生二次環(huán)境污染。而采用微生物共生絮凝法[21]雖然避免了有機(jī)和無機(jī)化合物的影響，但是，藻菌互作后難以分離，也會(huì)造成生物污染，影響下游產(chǎn)品的質(zhì)量。

與添加化學(xué)絮凝劑易造成環(huán)境污染不同，電解絮凝等物理方法是在電解作用下，陽極的鋁電極和陰極的氫電極生成鋁離子和氫氣微泡，鋁離子通過中和或降低藻細(xì)胞表面的負(fù)電荷，使微藻形成絮凝體，而氫氣微泡附著于絮凝體上使其上浮，從而實(shí)現(xiàn)微藻的富集[22～25]。Wong 等[26]利用電解法處理小球藻(Chlorococcumsp.)，采收效率可達(dá)98%。該方法最大的缺點(diǎn)是儀器設(shè)備技術(shù)要求比較高, 需要定期更換電極，能耗大, 進(jìn)而增加了生產(chǎn)成本而在應(yīng)用上受限制。因此，建立低成本、高效率、無污染的微藻生物質(zhì)采收工藝是推動(dòng)微藻產(chǎn)業(yè)化發(fā)展亟需解決的問題。

為此，本文以埃氏小球藻(Chlorellaemersonii)株系Ce-SXC3為試材，通過優(yōu)化pH調(diào)節(jié)劑、電極材料，極板寬度、極板間距、電壓大小、攪拌速率、攪拌時(shí)間等參數(shù)，構(gòu)建高效的微藻采收技術(shù)體系，該技術(shù)體系能夠顯著提高小球藻采收率并降低生產(chǎn)成本。

1 材料和方法

1.1 材料

本試驗(yàn)所用微藻為從山西境內(nèi)水系(太谷縣鳳凰山附近水池)分離純化的一株埃氏小球藻(Chlorellaemersonii) Ce-SXC3。此藻株生長快(1.82 g·L-1·d-1), 油脂含量達(dá)到47.53% (1/2 N脅迫)，是一株可工業(yè)化應(yīng)用的優(yōu)異藻株。

采用BG-11培養(yǎng)基，在光照4 000 lx、光暗比12 h∶12 h下培養(yǎng)。

1.2 電解絮凝試驗(yàn)

利用電極材料在電解液的放電的優(yōu)先順序，分別作為兩極。通電后，置于電解質(zhì)及藻液中的陽極發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生氧離子，陰極發(fā)生還原反應(yīng)產(chǎn)生氫離子，離子和電子定向移動(dòng)，打破藻體表面的電離平衡，從而達(dá)到藻體富集和絮凝。電解絮凝簡易裝置如圖1所示。

圖1 電解絮凝試驗(yàn)簡易裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of simple device for electrolytic flocculation test1—陽極電極板；2—陰極電極板；3—磁力攪拌器；4—直流電源1—Anode plate；2—Cathode plate；3—Magnetic stirrer;4—DC power supply 注：燒杯上須放置固定架。移動(dòng)鱷魚夾調(diào)節(jié)電極板的間距，確保電極平行放置且間距相等Note: A holder must be placed on the beaker. Make sure the electrodes are placed in parallel and at equal intervals

取450 mL對(duì)數(shù)期的藻液置于500 mL的燒杯中，按圖1所示將電極板連接好并置于藻液中。固定好電極板距離后，打開磁力攪拌器，并控制一定的轉(zhuǎn)速，使藻液勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。接通電源，調(diào)節(jié)電壓旋鈕控制電壓至穩(wěn)定。在試驗(yàn)要求的電壓下，電解一定時(shí)間后，關(guān)閉磁力攪拌。用移液器取溶液中部液體，在紫外分光光度計(jì)680 nm波長處測(cè)定藻液的吸光度(OD值)。

1.3 電絮凝效率的計(jì)算

電絮凝效率計(jì)算：絮凝效率=(OD1-ODt)/OD1×100%

其中OD1為電絮凝前小球藻的原始OD值，ODt為絮凝開始后時(shí)間t時(shí)的小球藻OD值。

1.4 電解絮凝條件的優(yōu)化

分別選取銅、鐵、石墨、鋁做電極材料，厚度1 mm、長×寬=7 cm×2 cm，電壓15 V，極板間距2 cm。取對(duì)數(shù)期小球藻藻液作絮凝樣本，觀察絮凝效果，計(jì)算絮凝效率。

利用厚度為1 mm的鋁作電極，分別在不同的極板寬度、極板間距、電壓、攪拌時(shí)間、藻液pH、藻液濃度的條件下，觀察絮凝效果，計(jì)算小球藻絮凝效率。

誘導(dǎo)藻細(xì)胞絮凝的強(qiáng)堿劑選用及藻液pH的調(diào)節(jié)。選用價(jià)格低廉、副作用較小的0.1 mol·L-1氫氧化鈉為強(qiáng)堿劑。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，僅添加微量氫氧化鈉溶液以維持藻細(xì)胞的完整性。在電解產(chǎn)生氣泡時(shí)，再向裝置中逐漸加入氫氧化鈉溶液以快速誘導(dǎo)藻體絮凝。根據(jù)最終藻體絮凝效率確定藻液的最優(yōu)pH值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同電極材料對(duì)小球藻絮凝效率的比較

4種不同電極材料(厚度1 mm、長×寬=7 cm×2 cm)在直流電源電壓為15 V、藻液OD=1.401、藻液pH=8.46時(shí)電解10 min，檢測(cè)小球藻絮凝效果。銅做電極時(shí)，結(jié)果顯示，電解10 min后，可以觀察到藻體明顯絮凝并上浮至藻液表面，細(xì)胞表面粘附淡藍(lán)色絮狀物，絮凝后液體呈現(xiàn)藍(lán)綠色，最終小球藻絮凝效率為77.78 %(圖2)。鐵和鋁作電極時(shí)，電解絮凝后，藻液分別呈現(xiàn)淡黃色和無色，藻體粘附少量褐色絮狀物和白色絮狀物，最終絮凝效率分別為91.32%和93.39%(圖2)。石墨作電極時(shí)，藻液只放出大量氣體。在外加電場(chǎng)作用下，藻體電離平衡被打破，藻細(xì)胞包裹小氣泡發(fā)生絮凝上浮至液表面。溶液無色，由于沒有穩(wěn)定的絮凝核，形成的絮體極易分散且絮凝效率相較金屬電極較低。電解10 min絮凝效率僅為70.31%(圖2)?？紤]到絮凝效率高低和副作用大小，選擇鋁電極板進(jìn)行后續(xù)小球藻電絮凝研究。

圖2 不同電極材料對(duì)小球藻絮凝效率的影響Fig.2 Effects of different electrode materials on flocculation efficiency of C. emersonii

2.2 不同鋁電極板寬度對(duì)小球藻絮凝效率的影響

電壓15 V、極板間距2 cm，藻液OD=1.401、藻液pH=8.46時(shí)電解9 min條件下，測(cè)試4種不同電極寬度對(duì)小球藻電絮凝效果(圖3)。隨著電絮凝時(shí)間的延長，小球藻絮凝效率逐步增大。在同等電解6 min時(shí)，極板寬度3 cm，電絮凝效率最大，為97%，寬度4 cm時(shí)絮凝效率為93%，寬度2 cm時(shí)絮凝效率為92%，寬度1 cm時(shí)，絮凝效率最低，為74%。分析認(rèn)為，在同等電壓和極板間距情況下，電極板寬度的不同影響著單位面積流過的電荷量，進(jìn)而導(dǎo)致了同等時(shí)間內(nèi)Al3+以及氣體生成量的不同，最終影響到小球藻絮凝效率。從試驗(yàn)結(jié)果中可看出，寬度為1 cm時(shí)，Al3+和氣體生成量較少，在絮凝初期由于金屬陽離子生成量較低，不能使小球藻形成絮狀體，導(dǎo)致絮凝2 min時(shí)效率出現(xiàn)負(fù)值，但隨著絮凝時(shí)間的延長，電消耗量的增加也可使小球藻完全絮凝。而寬度為4 cm時(shí)，Al3+和氣體生成過量，絮體下層出現(xiàn)大量白色絮狀沉淀，小球藻絮凝效率先升高后降低，并不利于小球藻的采收。極板寬度為3 cm和2 cm時(shí)，小球藻的絮凝效率差異不顯著。基于成本及能耗考慮，選擇2 cm 寬×7 cm長電極板為優(yōu)化參數(shù)。

圖3 不同鋁電極板寬度對(duì)小球藻的絮凝效率的影響Fig.3 Effects of different width of aluminum electrode on flocculation efficiency of C. emersonii

2.3 不同極板間距對(duì)小球藻絮凝效率的影響

電壓15 V，極板寬度2 cm，藻液OD=1.401、藻液pH=8.46時(shí)電解11 min條件下，測(cè)試4種不同電極距離對(duì)小球藻電絮凝效率同等絮凝時(shí)間，隨著電極板間距的不斷增大，絮凝效率逐步減小(圖4)。極板間距為3 cm和4 cm時(shí)，兩電極之間相距較遠(yuǎn)，極板間電阻率較大，故而單位時(shí)間內(nèi)電荷量流過較少，Al3+和氣體也隨之生成減少，小球藻此時(shí)無法完全絮凝，只能通過時(shí)間的延長，實(shí)現(xiàn)小球藻絮凝。極板間距為1 cm和2 cm時(shí)，兩極之間相距較近，單位時(shí)間流過的電荷量增多，導(dǎo)致同等時(shí)間內(nèi)Al3+和氣體生成增多，加速了小球藻的絮凝。綜合成本和能耗情況，我們選擇極板間距為2 cm作為優(yōu)化參數(shù)。

圖4 不同鋁極板間距對(duì)小球藻絮凝效率的影響Fig.4 Effects of different distances between the aluminum electrodes on flocculation efficiency of C. emersonii

2.4 不同電壓對(duì)小球藻絮凝效率的影響

在電極板寬度2 cm、電極板間距為2 cm、藻液OD=1.401、藻液pH=8.46時(shí)電解9 min條件下，測(cè)試4種不同電壓對(duì)小球藻電絮凝效率的影響(圖5)。在極板間距和極板橫截面恒定的情況下，電壓成為影響單位時(shí)間流過電荷量的主要因素。隨著電壓的升高，氣體生成增多，小球藻絮凝效率也逐步增大。電壓25 V、電解絮凝4 min時(shí)，小球藻絮凝效率達(dá)到94%，靜止1 min后絮凝效率達(dá)到99%，小球藻幾乎完全絮凝。然而，電壓10 V、電解9 min時(shí)，小球藻絮凝效率僅達(dá)到91%。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，電壓過高時(shí)，雖加速了小球藻絮凝，但過量的鋁離子會(huì)生成白色絮狀沉淀粘附在藻體表面，而低電壓時(shí)，陽離子的減少極易造成藻體絮凝不完全。綜合考慮這些因素，選擇15 V作為小球藻電絮凝的優(yōu)化參數(shù)。

圖5 不同電壓對(duì)小球藻絮凝效率的影響Fig.5 Effects of different voltage on flocculation efficiency of C. emersonii

2.5 藻液pH對(duì)小球藻電絮凝效率的影響

在電壓15 V、電極板間距2 cm、極板寬度2 cm、藻液OD=1.401、電解5 min條件下， 測(cè)試5種不同藻液pH的絮凝效率(圖6)。pH值為11時(shí)，小球藻始終保持較高的絮凝效率。本試驗(yàn)使用濃度為0.1 mol·L-1NaOH調(diào)節(jié)pH，而NaOH本身即可作為小球藻的絮凝劑，當(dāng)pH達(dá)到11時(shí)，小球藻已實(shí)現(xiàn)部分絮凝，電解2 min后絮凝效率即達(dá)到81%，電解4 min絮凝效率達(dá)到96%?？偟目磥恚逡禾幱趬A性條件下，小球藻絮凝效率適中，可滿足生產(chǎn)需要。綜上，選擇pH值11作為優(yōu)化參數(shù)。

圖6 藻液pH對(duì)小球藻電絮凝的影響Fig.6 Effects of algae pH in algal medium on flocculation efficiency of C. emersonii

2.6 藻液濃度對(duì)小球藻電絮凝效率的影響

電壓15 V、電極板間距2 cm、極板寬度2 cm、藻液pH相同、電解7 min條件下， 測(cè)試不同OD值藻液的電絮凝效果。同等絮凝時(shí)間內(nèi)，隨著 OD值的升高，小球藻電絮凝效率逐步降低(圖7)。OD值為0.92時(shí)，藻液濃度較低，電解5 min絮凝效率達(dá)到97%。當(dāng)OD值為3.01時(shí)，藻液濃度較大，電解5 min絮凝效率僅為89%。當(dāng)OD值為2.02時(shí)，藻液濃度適中，電解5 min絮凝效率達(dá)到95%。由此看來，過高的藻液濃度并不利于小球藻電絮凝，藻液OD值在2～2.5時(shí)，小球藻絮凝效率即可滿足生產(chǎn)實(shí)際需求。

圖7 藻液濃度對(duì)小球藻電絮凝效應(yīng)的影響Fig.7 Effects of algae OD on flocculation efficiency of C. emersonii

2.7 攪拌速率與攪拌時(shí)間對(duì)小球藻絮凝效率的影響

電壓15 V、電極板寬度2 cm、極板間距2 cm、藻液OD=1.401 藻液pH為11、電解5 min條件下，測(cè)試不同攪拌速率與攪拌時(shí)間對(duì)小球藻電絮凝效率的影響(圖8)。同等攪拌時(shí)間內(nèi)，隨著攪拌速率的增加，絮凝效率逐漸增大。但在攪拌速率為200 r·min-1和300 r·min-1，攪拌時(shí)間超過120 s時(shí)，小球藻絮凝效率反而降低。攪拌時(shí)間不充分以及攪拌速率過慢，會(huì)造成小球藻絮凝不完全，降低絮凝效率。然而，過快的攪拌速率和過久的攪拌時(shí)間，會(huì)使已絮凝的小球藻再次反混，最終降低了絮凝效率。綜合考慮, 選擇200 r·min-1、2 min作為最適宜的攪拌速率和攪拌時(shí)間。

圖8 攪拌速率與攪拌時(shí)間對(duì)小球藻絮凝效率的影響Fig.8 Effects of stirring rate and stirring time on flocculation efficiency of C. emersonii

3 討論與結(jié)論

在各種微藻采收方法中，pH誘導(dǎo)絮凝和電解絮凝各自具有一定的優(yōu)勢(shì)。已有諸多研究將這2種方法分別應(yīng)用不同藻種的采收，研究結(jié)果變化多樣，不盡一致。Alexandre[20]和Wu[27]等人采用高pH分別對(duì)杜氏鹽藻、小球藻進(jìn)行絮凝試驗(yàn)，獲得了一定的采收效率。這種化學(xué)試劑誘導(dǎo)絮凝，其化學(xué)試劑會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染。Zheng[28]、Wan[29]等學(xué)者通過微生物的次級(jí)代謝產(chǎn)物誘導(dǎo)絮凝藻液，達(dá)到了一定絮凝效果，但是，這種菌體微生物在一定層面上會(huì)污染藻體，影響微藻生物量，并且影響下游產(chǎn)品開發(fā)。Wong等[26]用一塊陽極，兩塊陰極電解絮凝且在酸性條件下誘導(dǎo)提高了普通小球藻絮凝效率。電極板材料的增加造成了不必要的浪費(fèi)，且鋁極板在酸性條件下會(huì)腐蝕，這樣縮短了電極板的使用年限。

本文結(jié)合堿性誘導(dǎo)絮凝和電解絮凝各自優(yōu)點(diǎn)，建立了優(yōu)化的微藻采收方法。采用兩塊鋁板電極材料構(gòu)建電解絮凝體系，動(dòng)態(tài)加入氫氧化鈉上調(diào)藻液pH。NaOH可促進(jìn)微藻細(xì)胞形成絮狀體，粘附在電解產(chǎn)生的氫氣(H2)氣泡表面，隨著氣泡的上浮而快速富集，絮凝效率高，絮凝時(shí)間短。在電解體系中加入氫氧化鈉還有利于延長電極板的使用壽命。氫氧化鈉分解產(chǎn)生的OH-會(huì)和陽極電解產(chǎn)生的金屬鋁離子(Al3+)形成難溶于水的氫氧化鋁(Al(OH)3)沉淀。將氫氧化鋁分離、回收后，培養(yǎng)基還可以重復(fù)回收利用。回收的氫氧化鋁可作他用，不影響微藻下游產(chǎn)品加工。這樣既得到了干凈的藻體，又得到了剩余培養(yǎng)基和沉淀的氫氧化鋁而重復(fù)利用，形成循環(huán)、高效的微藻絮凝采收體系。

總之，鋁板作為電解材料的電解體系運(yùn)行穩(wěn)定。向藻液中加入氫氧化鈉，控制藻液pH約為11，經(jīng)大約4 min電解絮凝，小球藻絮凝效率達(dá)95%以上。本研究以埃式小球藻為試材，結(jié)合pH誘導(dǎo)絮凝和電解絮凝各自的優(yōu)點(diǎn)，建立了整合強(qiáng)堿和電解絮凝提高微藻采收效率的簡捷有效方法，為進(jìn)一步建立工業(yè)化微藻高效、綠色、低成本采收工藝提供了科學(xué)依據(jù)。