微藻新型采收方法及前景

安徽理工大學(xué) 鐘潔雯

一、介紹

水體富營(yíng)養(yǎng)化引發(fā)的水華在當(dāng)今社會(huì)越發(fā)常見，而微藻就是水華的主要構(gòu)成。當(dāng)水華發(fā)生時(shí)，水面形成綠色的藻層，并且釋放毒素，導(dǎo)致魚類、浮游生物等的大量死亡，同時(shí)也影響著人們的生產(chǎn)生活。但是微藻是可持續(xù)的一種生物能源原料，能源是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的重要一環(huán)，如果微藻得到合理的開發(fā)就有著巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＥc傳統(tǒng)的植物相比，微藻具有繁殖生長(zhǎng)效率高，耕地占用少和生物量高的優(yōu)點(diǎn)[1]。同時(shí)，微藻在生長(zhǎng)過程中還可以起到凈化水質(zhì)的作用，避免水體的富營(yíng)養(yǎng)化[2,3]。微藻不僅可以滿足人類對(duì)能源和食物的需求[4,5]，還可以應(yīng)用于藥物、飼料方面。其含有的糖蛋白、多肽、核苷酸及其他有關(guān)化合物具有抗癌作用[6]。國(guó)際上飼料行業(yè)運(yùn)用微藻作為主體飼料做了深入而寬廣的研究，很多國(guó)家都已經(jīng)進(jìn)行了微藻的商品化生產(chǎn)[7]。因此，微藻有巨大的發(fā)展?jié)撡|(zhì)。通常，從培養(yǎng)微藻到生產(chǎn)出來產(chǎn)品，需要經(jīng)過藻的品種的篩選、優(yōu)良藻種的培養(yǎng)、采收、干燥和提取[8]。其中，對(duì)于藻種的篩選、培養(yǎng)環(huán)節(jié)，目前有許多學(xué)術(shù)專家進(jìn)行了研究，近年來技術(shù)日益成熟，基本達(dá)到了可以工業(yè)化規(guī)模的應(yīng)用的程度。但是當(dāng)微藻采收的時(shí)候，由于微藻細(xì)胞的粒徑太小、密度與水相似[9,10]，導(dǎo)致藻類采收困難，成本很高，占到產(chǎn)業(yè)鏈總經(jīng)濟(jì)投入的25%左右，成為微藻生產(chǎn)大規(guī)模工業(yè)化重大阻力因素。

離心法、過濾法和絮凝法等傳統(tǒng)的一些采收微藻方式，在推廣與應(yīng)用的過程中，都或多或少的存在一定缺點(diǎn)。鑒于這些傳統(tǒng)的采收方法的這些問題，近幾年推出了一種新興的無氣泡浮選技術(shù)，即利用低于水密度的微小固體顆粒作為上浮載體，在于含有藻的液體中形成可上浮的微藻微珠結(jié)合體，從而實(shí)現(xiàn)微藻回收的浮珠浮選法[11]。

二、微藻的新型采收方法

（一）傳統(tǒng)微藻采收方法

傳統(tǒng)的微藻采收方法已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用，例如：絮凝法、自然沉降法、浮選法、過濾法以及上述方法的組合等。

浮選法主要有泡載法和氣泡浮選法，兩者的原理都十分類似，都是利用氣泡作為載體上浮水中固體，區(qū)別在于氣浮法的泡比前者更加微小。

通過過濾法采收微藻，是利用微藻本身的大小過濾法的成本較低，但該法不適用于太小的微藻，而且容易堵塞儀器。

絕大多數(shù)微藻都可以通過離心達(dá)到分離、采收的目的，所以離心法也是運(yùn)用較為廣泛的微藻的采收技術(shù)。離心法采收效率高，在適宜條件下對(duì)微藻的采收率可達(dá)95%。離心法的最主要的缺點(diǎn)是消耗能源較大，當(dāng)微藻的采收率達(dá)到95%時(shí)，處理能耗高達(dá) 20 kW·h-1·m-3，故影響了離心法的廣泛運(yùn)用。

本文提出了一個(gè)與傳統(tǒng)法不同的藻類采收技術(shù)——浮珠浮選微藻技術(shù)，即采用辣木籽提取液包覆在空心硅硼酸鈉表面作為上浮載體采收微藻，稱為辣木浮珠浮選法。更加有效地提高微藻采收率和降低能量消耗。

（二）本實(shí)驗(yàn)采用的微藻藻種與培養(yǎng)方式

本實(shí)驗(yàn)采用購于中科院野生淡水藻種庫的小球藻（Chlorella.vulgaris）。在恒溫光照反應(yīng)箱內(nèi)，以25℃的條件下培養(yǎng)，可加入增氧設(shè)備以維持水體內(nèi)溶解氧含量。使用0.1mmol/LNAOH或Hcl維持培養(yǎng)液中pH的平衡。適當(dāng)加入營(yíng)養(yǎng)液保持藻類的生長(zhǎng)繁殖。

（三）本實(shí)驗(yàn)采用的微藻采收儀器

本實(shí)驗(yàn)采用的如圖1用材為亞克力板的微藻采收裝置。

圖1 實(shí)驗(yàn)中使用的采收裝置

具體的浮珠浮選步驟：（1）在浮選柱內(nèi)倒入原藻的藻液。打開導(dǎo)管上的截止閥，藻液會(huì)通過導(dǎo)管流入裝置內(nèi)，當(dāng)藻液充滿裝置的柱體后，即可關(guān)閉閥門。（2）均勻混合藻液以及采收藻類的藥劑。打開裝置內(nèi)部的攪拌設(shè)備，充分混合攪拌藥劑與微藻的藻液。（3）放入硅硼酸鈉玻璃微珠。在使用之前先將硅硼酸鈉微珠放入蒸餾水中攪拌，目的是讓微珠均勻地分散在水中，之后將混合的溶液通入蠕動(dòng)泵，通入裝有微藻懸浮液的裝置中，進(jìn)行浮珠的浮選采試驗(yàn)，微藻吸附在微珠上并且上浮到裝置的表面，通過溢流的方式進(jìn)入收集槽內(nèi)。（4）將浮到裝置表面的產(chǎn)物收集起來。關(guān)閉裝置，打開裝置截止閥，收集余留的混合液。（5）測(cè)試微藻的采收率（6）將下層的清液排出裝置。打開裝置的控制閥，將裝置內(nèi)部的剩余的液體緩慢排出。（7）清洗裝置。用清水從上往下清洗設(shè)備。同時(shí)打開裝置下部的控制閥，流出清洗的液體。安全處理后然后排放。

（四）辣木浮珠的制備

放入烘烤箱烘干辣木籽的核仁，在40℃條件下烘24h；烘干之后，將烘干后的核仁放入粉碎機(jī)粉碎，到可以過60目篩；用無水乙醇沖洗過篩之后的粉末，攪拌10min后去掉上清液，重復(fù)三次；烘干備用得到的粉末。將粉末按照1g/10mL的比例加入1mol/L的 NaCl溶液中，使用機(jī)械攪拌器，在100r/min速度下攪拌1h左右，得到辣木籽鹽溶液；將1g/10mL的浮珠顆粒加入鹽溶液，在 200r/min條件下持續(xù)攪拌18～24h，并置于超聲振蕩器中以避免不均勻沉降[12]。24h以后將辣木籽鹽溶液和浮珠的混合溶液緩慢倒于濾紙上，用真空泵抽濾，收集濾紙上的浮珠顆粒進(jìn)行備用。再回加5～10mL辣木籽鹽溶液的上清液，為使其辣木浮珠保持濕潤(rùn)，以免影響使用效果，從而得到辣木浮珠。

（五）實(shí)驗(yàn)結(jié)論及分析

從表1中可以看出，泡沫浮選法的總成本為9.63￥/m3，溶氣氣浮法的總成本為10.51￥/m3，而硅硼酸鈉浮珠浮選法的總成本為9.14￥/m3。通過不同方法的成本的比較，我們可以得出結(jié)論，硅硼酸鈉浮珠浮選技術(shù)具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

表1 不同采收方法的成本比較

從圖2可以看出，辣木浮珠的采收效果相比于其他材料是相當(dāng)可觀的。從而可以進(jìn)一步提高浮珠采收微藻的效率。

圖2 不同浮珠材料的采收率

綜上，辣木浮珠的浮選技術(shù)是一個(gè)科學(xué)可行的新型微藻采收技術(shù)。

三、展望

研究開發(fā)微藻具有廣闊的前景。微藻在凈化水體、水產(chǎn)養(yǎng)殖、生物能源、保健品和裝飾品等都有著廣泛的應(yīng)用。辣木浮珠浮選法是一種有效的小球藻采收方法，在最佳條件下的最大采收效率可達(dá)89.13%。并且浮珠浮選技術(shù)采用的是無毒微珠，不會(huì)對(duì)環(huán)境和人體產(chǎn)生危害。傳統(tǒng)的水華治理需要將湖水抽取從而進(jìn)行治理，但是本方法可以直接投放。采收完的微珠打撈清洗可以重復(fù)利用，大大提高了經(jīng)濟(jì)效益。綜上，辣木浮珠浮選法是一個(gè)很好的微藻采收方法，可以有效提升微藻的采收效率，從而促進(jìn)微藻方面產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。