基于磁絮凝技術(shù)的微藻細(xì)胞采收應(yīng)用研究進(jìn)展

許焱喆，朱聯(lián)東

（武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，武漢 430079）

隨著人口的持續(xù)增長和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的穩(wěn)步發(fā)展，傳統(tǒng)能源被過度開采和利用，而大多數(shù)傳統(tǒng)能源都屬于一次性非再生的常規(guī)能源。因此，開發(fā)新能源技術(shù)成為當(dāng)下的熱點(diǎn)。微藻作為最有潛力的生物能源原料受到廣泛的關(guān)注，出現(xiàn)了微藻生物能源研究的熱潮。微藻廣泛分布于全球，是一種光合利用效率極高的微生物。它們能將光合作用產(chǎn)物轉(zhuǎn)化成油類物質(zhì)儲(chǔ)存在細(xì)胞內(nèi)，這些油滴通過轉(zhuǎn)酯化作用便可成為脂肪酸甲酯，即生物柴油的主要組成成分。此外，微藻細(xì)胞的代謝產(chǎn)物蛋白質(zhì)、色素、多糖等物質(zhì)在醫(yī)藥、食品加工、基因工程等方面都有著寬闊的應(yīng)用前景。

微藻的采收和下游處理是人們一直以來關(guān)注的重點(diǎn)。微藻個(gè)體微小、培養(yǎng)濃度低、具有因表面負(fù)電荷維持的相對(duì)穩(wěn)定性的特點(diǎn)，不易被收集與采收。在產(chǎn)業(yè)化的過程中，微藻的采收成本占到投資總成本的20%～30%，尋找經(jīng)濟(jì)高效的采收材料與方法成為這個(gè)領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。目前，微藻的采收方法包括重力沉降、離心、絮凝、過濾和浮選等。

微藻絮凝具有相對(duì)較高的經(jīng)濟(jì)性和采收效率，其中，磁絮凝對(duì)于降低微藻能耗有著顯著的作用。磁絮凝是指利用帶有磁性的微米級(jí)或納米級(jí)顆粒（通常是Fe3O4或其改性劑），在外部磁場(chǎng)的作用下收集液體懸浮液中所需物質(zhì)的過程。磁性粒子作為絮凝劑吸附在微藻細(xì)胞表面，受磁力作用迅速沉降至磁極周圍，有些磁性粒子還兼具破壞細(xì)胞、提取油脂的功能。由于磁選方法具有操作簡單、能耗低、成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于水處理、微藻采收等多個(gè)領(lǐng)域[1-5]。

本文整理了近五年來國內(nèi)外基于磁絮凝作用的微藻采收的相關(guān)研究，關(guān)注不同類型的磁性粒子和改性的磁性顆粒在微藻采收工藝的性能，探討高效磁性顆粒的微觀表征結(jié)果和幾種吸附機(jī)理（見表1、表2），希望能對(duì)之后相關(guān)方面進(jìn)一步的研究和微藻制油的產(chǎn)業(yè)化有所幫助[6-15]。

表1 微藻磁絮凝采收中表面功能化Fe3O4 顆粒的效果比較（一）

表2 微藻磁絮凝采收中表面功能化Fe3O4 顆粒的效果比較（二）

1 磁絮凝機(jī)理

磁性顆粒和微藻相互作用的機(jī)理與膠體在混凝劑作用下沉降的機(jī)理類似，主要包括吸附電中和作用、壓縮雙電層作用和吸附架橋作用。

有研究發(fā)現(xiàn)，藻類細(xì)胞外表面分布著大量的官能團(tuán)，主要是羥基、胺基、羧基和磷酸基團(tuán)，這些官能團(tuán)能在水溶液中發(fā)生離解，細(xì)胞表面因此帶有一定的電荷。藻類細(xì)胞表面通常擁有負(fù)的ζ 電位，這使利用電性中和收獲藻類成為可能。吸附電中和作用的主要原理在于微藻表面的負(fù)電荷可以強(qiáng)烈吸附帶相反電荷的物質(zhì)，如異號(hào)離子、異號(hào)膠?；虍愄?hào)高分子聚合物等，這種吸附中和了它們部分或全部的電荷，因而減少了靜電排斥力，破壞了微藻培養(yǎng)液的穩(wěn)定性，這種作用為尋找裸磁性顆粒的陽離子包覆材料提供依據(jù)。壓縮雙電層作用的主要原理在于磁絮凝顆粒投入培養(yǎng)液中后，會(huì)形成和微藻表面電荷反離子電性相同的離子，這些離子與原有的反離子發(fā)生交換或擠入吸附層，從而降低滑動(dòng)面上的ζ 電位，保證了電性中和所需要的擴(kuò)散層厚度。此時(shí)微藻脫穩(wěn)，并在磁力的作用下發(fā)生凝聚。在某些特定的離子組分或pH 值條件下，微藻的表面電荷將減少至零，即“細(xì)胞等電點(diǎn)”。

微藻細(xì)胞和磁顆粒間發(fā)生的架橋作用也可以誘發(fā)微藻絮凝。研究表明，盡管藻類有著表面帶電的性質(zhì)，靜電引力不是唯一的吸附絮凝機(jī)制。許多鏈狀高分子、樹狀大分子材料可以通過橋接捕獲微藻，形成“微藻-高分子-微藻”絮凝體。這種情況下，大分子物質(zhì)的投加量起著關(guān)鍵性的作用，投加量過少，不足以形成架橋；投加量過多，又會(huì)導(dǎo)致大分子包裹細(xì)胞而阻礙其沉淀?？傊郊軜?yàn)榇判灶w粒的改性提供另一種思路。

除了傳統(tǒng)的微藻脫穩(wěn)機(jī)制外，氫鍵作用被證明是連接磁性顆粒和細(xì)胞的另一種有效作用。微藻與磁性顆粒分別作為氫鍵受體和氫鍵供體，這通常意味著更牢固的結(jié)合。此外，幾乎所有的研究都表明，磁絮凝中納米顆粒物與微藻細(xì)胞間的作用是多樣的，系列試驗(yàn)證明這種復(fù)合作用力以靜電吸附和橋接作用為主。

2 裸磁粒子的吸附絮凝

試驗(yàn)證明，無改性的裸磁粒子在一定條件下也具有顯著的微藻收獲性能。Xu 等人研究了無表面改性的磁性納米顆粒的絮凝作用，試驗(yàn)采用改良的化學(xué)分解法，通過調(diào)整FeCl2與FeCl3的比例，制備出三種不同性質(zhì)的磁性納米顆粒，并研究了它們對(duì)四種藻類菌株（聚胞藻、豆類藻、微綠藻和微囊藻）的采收效率[2]。試驗(yàn)證明，微囊藻的捕獲效率（98.71%）在所有類型的納米顆粒中最高，其次是微綠藻（98.10%）。雖然目前大部分研究傾向于對(duì)Fe3O4粒子進(jìn)行表面改性，但與裸磁相比，改性顆粒由于表面改性聚合物價(jià)格相對(duì)昂貴，在單位收獲成本方面處于劣勢(shì)。

2.1 具有光活性的磁性納米顆粒

除了大多數(shù)研究選用Fe3O4作為制備磁性納米顆粒的材料之外，ZnFe2O4作為一種新型的光活性材料在微藻采收中也得到了一定的應(yīng)用。Seo 等人發(fā)現(xiàn)，ZnFe2O4不僅有被磁性物質(zhì)吸引的特點(diǎn)，還具有光催化活性[3]。帶正電荷的EDA-硅烷官能化的ZnFe2O4磁性顆粒兼具吸附微藻和在過氧化氫、光照條件下促進(jìn)藻類細(xì)胞裂解釋放油脂的功能，該方法顯示了非常好的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，因?yàn)樗粌H利用了可再生的太陽能，還整合了復(fù)雜的下游加工。

2.2 改性的磁性納米顆粒

在大多數(shù)試驗(yàn)中，由于裸磁性顆粒在吸附微藻細(xì)胞方面的局限性，多種多樣的物質(zhì)被研究用作涂覆材料。這些材料通常具有較大的比表面積，為藻類吸附或架橋作用提供活性位點(diǎn)，或在溶液中具有帶正電荷的表面，利用電中和作用凝聚細(xì)胞。

Liu 等人制備了一種新型功能性石墨烯磁性絮凝劑：以氧化石墨烯片（GO）作為基底，其上附著經(jīng)超聲處理而質(zhì)子化的Fe3O4磁性納米顆粒，片層間通過帶正電荷的鄰苯二甲酸二乙二醇二丙烯酸酯（PDDA）連接，構(gòu)成GO-Fe3O4/PDDA 復(fù)合物[4]。其中，輕的石墨烯片作為穩(wěn)定的基底提供了巨大的表面積和更多活性位點(diǎn)，陽離子聚合物黏合劑和松散的片層共同保證了表面橋接和吸附帶負(fù)電荷的藻類細(xì)胞的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。GO-Fe3O4/PDDA 對(duì)小球藻的吸附能力為14.06 g/g， 在pH 8.0 下70mg/L 時(shí)收獲率高達(dá)95.35%。

Zhao 等人選擇聚氧化鋁（PACl）和聚丙烯酰胺（PAM）作為涂覆材料，分別研究了兩種物質(zhì)單獨(dú)和共同作用時(shí)的采收效率[5]。試驗(yàn)證明，復(fù)合方式和加藥策略對(duì)采收效率有著極大的影響。當(dāng)首先復(fù)合PACl/Fe3O4配劑，然后施用PAM 時(shí)，在30 s 以內(nèi)得到了99%的采收率。這種PACl/Fe3O4+PAM 工藝主要吸附機(jī)理包括電荷中和與PACl 的架橋和網(wǎng)捕作用。

有研究制備了植物多酚（PP）組裝的Fe3O4磁性納米顆粒，因?yàn)镻P 作為表面活性劑，具有強(qiáng)極性和親水性基團(tuán)，包括羥基、羧基、脒基和醚鍵，這些官能團(tuán)不僅能改善磁性納米顆粒在培養(yǎng)液中的靜電穩(wěn)定性，還能夠控制Fe3O4顆粒在成核和生長過程中實(shí)現(xiàn)不同的粒徑分布。通過使用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)其進(jìn)行表征，F(xiàn)e3O4-PP 呈球殼結(jié)構(gòu)。值得注意的是，F(xiàn)e3O4-PP 顆粒表面攜帶負(fù)電荷，這表明微藻細(xì)胞的捕獲不依賴于電荷中和，其能夠通過氫鍵結(jié)合細(xì)胞，即用Fe3O4-PP 顆粒的羥基作為氫鍵供體，微藻表面的氨基或羧基作為氫鍵受體，這為磁絮凝的吸附機(jī)理提供新思路。

除涂覆材料的種類外，同種物質(zhì)的不同涂覆量也會(huì)顯著影響收獲效率。Liu 等人選用三種不同聚合度的聚精氨酸（PA）分別對(duì)Fe3O4進(jìn)行改性，合成p-Fe3O4@PA 絮凝劑[6]。其中，聚合度在15 000～70 000 的中等聚合度聚精氨酸-四氧化三鐵磁性顆粒表現(xiàn)最佳，因?yàn)榇朔肿恿肯拢L鏈聚精氨酸作為高正電荷聚合物能提供更多的活性位點(diǎn)，有助于架橋作用和捕獲帶負(fù)電荷的藻類細(xì)胞進(jìn)行吸附。分子量過高 （＞70 000）會(huì)導(dǎo)致納米顆粒聚集而降低效率，過低則不能提供足夠的活性位點(diǎn)。

類似地，Wang 等人利用邁克爾加成和酰胺化反應(yīng)，逐步接枝合成富含氨基的聚酰胺-多胺（PAMAM）樹狀大分子涂覆的磁性納米粒子，對(duì)照組為以小分子氨基酸（AA）為涂覆材料的磁性離子[7]。試驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)e3O4-AA 僅能夠以較小的幅度提高收獲效率（相比裸磁性粒子），其主要原因是氨基酸是只有1 ～2 個(gè)末端氨基的小分子，經(jīng)修飾后通常單層吸附于納米顆粒表面，因此它們不能像聚合物一樣提供足夠的官能團(tuán)和吸附活性位點(diǎn)。相比而言，F(xiàn)e3O4-PAMAM 高度陽離子化，吸附能力高達(dá)16.1 g/g，研究還發(fā)現(xiàn)收獲效率與涂層厚度正相關(guān)，這在以前從未被報(bào)道過。

“質(zhì)子海綿”機(jī)制也被用來解釋藻類吸附，聚乙烯亞胺（PEI）是一種胺基陽離子聚合物，有著良好的水溶性。Gerulová 等人利用其大量的表面官能團(tuán)、適宜的分子量、良好的物理穩(wěn)定性和化學(xué)相容性等特點(diǎn)，制備了Fe3O4-PEI 納米顆粒[8]。PEI 表面伯、仲和叔胺基的pKa 值不同，賦予其在不同pH 下捕獲質(zhì)子的能力，因而它可以很容易地與藻類細(xì)胞表面的羧基、羥基基團(tuán)反應(yīng)，有助于微藻的絮凝和回收。

2.3 改性的多功能納米磁性顆粒

一種新型雙功能表面活性劑修飾的Fe3O4磁性納米粒子被開發(fā)出來，旨在實(shí)現(xiàn)低成本微藻采收。Seo等人用十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）修飾Fe3O4納米粒子，得到的磁性絮凝劑能同時(shí)收獲微藻和破壞細(xì)胞[3]。適宜條件下，0.46 g 絮凝劑/g 細(xì)胞即可達(dá)到96.6%的收獲效率，并且僅使用常規(guī)溶劑，即可從細(xì)胞中提取油脂，無需額外耗能破壞細(xì)胞。

此外，Lee 等人從基于微型載體的動(dòng)物細(xì)胞藥物傳送中得到啟發(fā)，將其應(yīng)用于藻類研究，制備出一種能同時(shí)用于微藻收獲和刺激細(xì)胞內(nèi)油滴或其他有用化學(xué)物質(zhì)釋放的磁性納米顆粒[10]。試驗(yàn)制備了Fe3O4納米顆粒涂覆的CaCO3微粒（作為犧牲模板），并在表面合成聚-4-苯乙烯磺酸鈉（PSS）和聚二烯丙基二甲基氯化銨（PDDA）交替涂覆的涂層。除去犧牲模板以后，合成的磁性微膠囊可通過靜電吸附采收微藻，并且通過原位監(jiān)測(cè)微環(huán)境中的化學(xué)反應(yīng)誘導(dǎo)微藻中有價(jià)值的目標(biāo)組分。值得注意的是，三重功能的納米磁性顆粒也被合成。

通過溶膠噴霧熱解合成法，優(yōu)化聚乙烯吡咯烷酮（PVP）與硝酸鐵質(zhì)量比，Seo 等人合成了填充有Fe3O4的三官能碳微粒，這種粒子具有三種功能[11]。一是顆粒表面可通過靜電吸引促進(jìn)藻類細(xì)胞的絮凝；二是內(nèi)部具有磁性物質(zhì)Fe3O4，能夠從低濃度培養(yǎng)物中分離藻類細(xì)胞，分離效率可達(dá)99%；三是表面的親脂性有利于回收含油藻類細(xì)胞中釋放的油脂，從而整合了下游加工過程。TEM/EDS、XPS 和FT-IR 分析表明，PVP 在反應(yīng)器中停留較短時(shí)間而未完全分解的工藝使制備同時(shí)具有親脂性和陽離子的表面成為可能（大多數(shù)陽離子官能化劑是疏水性的）。與其他磁性納米顆粒相比，這種三功能可以在微藻采收中實(shí)現(xiàn)綜合應(yīng)用。

3 結(jié)論

由于磁性絮凝能耗低、經(jīng)濟(jì)高效，微藻的磁絮凝采收工藝獲得廣泛關(guān)注。不同種類的包覆材料被不斷地發(fā)現(xiàn)和研究，使改性的磁性納米顆粒具有更佳的采收效率。然而，磁絮凝的研究也存在部分問題：一是大多數(shù)研究停留在實(shí)驗(yàn)室階段，未對(duì)研發(fā)材料進(jìn)行工業(yè)化大規(guī)模試驗(yàn)；二是部分高效絮凝磁性顆粒的采收效率受環(huán)境（如pH、循環(huán)次數(shù)）影響較大，并且同種磁絮凝劑對(duì)不同種藻類的采收效率也有差異；三是部分涂覆材料雖然有著優(yōu)良的采收效率和循環(huán)使用性，卻仍存在成本過高的問題。綜上，盡管近五年來磁絮凝被大量研究，真正適用于大規(guī)模應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)化絮凝材料還亟待研究和發(fā)現(xiàn)。