微藻新型采收方法及前景

安徽理工大学 钟洁雯

一、介绍

水体富营养化引发的水华在当今社会越发常见，而微藻就是水华的主要构成。当水华发生时，水面形成绿色的藻层，并且释放毒素，导致鱼类、浮游生物等的大量死亡，同时也影响着人们的生产生活。但是微藻是可持续的一种生物能源原料，能源是现代社会发展的重要一环，如果微藻得到合理的开发就有着巨大的发展潜力。与传统的植物相比，微藻具有繁殖生长效率高，耕地占用少和生物量高的优点[1]。同时，微藻在生长过程中还可以起到净化水质的作用，避免水体的富营养化[2,3]。微藻不仅可以满足人类对能源和食物的需求[4,5]，还可以应用于药物、饲料方面。其含有的糖蛋白、多肽、核苷酸及其他有关化合物具有抗癌作用[6]。国际上饲料行业运用微藻作为主体饲料做了深入而宽广的研究，很多国家都已经进行了微藻的商品化生产[7]。因此，微藻有巨大的发展潜质。通常，从培养微藻到生产出来产品，需要经过藻的品种的筛选、优良藻种的培养、采收、干燥和提取[8]。其中，对于藻种的筛选、培养环节，目前有许多学术专家进行了研究，近年来技术日益成熟，基本达到了可以工业化规模的应用的程度。但是当微藻采收的时候，由于微藻细胞的粒径太小、密度与水相似[9,10]，导致藻类采收困难，成本很高，占到产业链总经济投入的25%左右，成为微藻生产大规模工业化重大阻力因素。

离心法、过滤法和絮凝法等传统的一些采收微藻方式，在推广与应用的过程中，都或多或少的存在一定缺点。鉴于这些传统的采收方法的这些问题，近几年推出了一种新兴的无气泡浮选技术，即利用低于水密度的微小固体颗粒作为上浮载体，在于含有藻的液体中形成可上浮的微藻微珠结合体，从而实现微藻回收的浮珠浮选法[11]。

二、微藻的新型采收方法

（一）传统微藻采收方法

传统的微藻采收方法已经被广泛地应用，例如：絮凝法、自然沉降法、浮选法、过滤法以及上述方法的组合等。

浮选法主要有泡载法和气泡浮选法，两者的原理都十分类似，都是利用气泡作为载体上浮水中固体，区别在于气浮法的泡比前者更加微小。

通过过滤法采收微藻，是利用微藻本身的大小过滤法的成本较低，但该法不适用于太小的微藻，而且容易堵塞仪器。

绝大多数微藻都可以通过离心达到分离、采收的目的，所以离心法也是运用较为广泛的微藻的采收技术。离心法采收效率高，在适宜条件下对微藻的采收率可达95%。离心法的最主要的缺点是消耗能源较大，当微藻的采收率达到95%时，处理能耗高达 20 kW·h-1·m-3，故影响了离心法的广泛运用。

本文提出了一个与传统法不同的藻类采收技术——浮珠浮选微藻技术，即采用辣木籽提取液包覆在空心硅硼酸钠表面作为上浮载体采收微藻，称为辣木浮珠浮选法。更加有效地提高微藻采收率和降低能量消耗。

（二）本实验采用的微藻藻种与培养方式

本实验采用购于中科院野生淡水藻种库的小球藻（Chlorella.vulgaris）。在恒温光照反应箱内，以25℃的条件下培养，可加入增氧设备以维持水体内溶解氧含量。使用0.1mmol/LNAOH或Hcl维持培养液中pH的平衡。适当加入营养液保持藻类的生长繁殖。

（三）本实验采用的微藻采收仪器

本实验采用的如图1用材为亚克力板的微藻采收装置。

图1 实验中使用的采收装置

具体的浮珠浮选步骤：（1）在浮选柱内倒入原藻的藻液。打开导管上的截止阀，藻液会通过导管流入装置内，当藻液充满装置的柱体后，即可关闭阀门。（2）均匀混合藻液以及采收藻类的药剂。打开装置内部的搅拌设备，充分混合搅拌药剂与微藻的藻液。（3）放入硅硼酸钠玻璃微珠。在使用之前先将硅硼酸钠微珠放入蒸馏水中搅拌，目的是让微珠均匀地分散在水中，之后将混合的溶液通入蠕动泵，通入装有微藻悬浮液的装置中，进行浮珠的浮选采试验，微藻吸附在微珠上并且上浮到装置的表面，通过溢流的方式进入收集槽内。（4）将浮到装置表面的产物收集起来。关闭装置，打开装置截止阀，收集余留的混合液。（5）测试微藻的采收率（6）将下层的清液排出装置。打开装置的控制阀，将装置内部的剩余的液体缓慢排出。（7）清洗装置。用清水从上往下清洗设备。同时打开装置下部的控制阀，流出清洗的液体。安全处理后然后排放。

（四）辣木浮珠的制备

放入烘烤箱烘干辣木籽的核仁，在40℃条件下烘24h；烘干之后，将烘干后的核仁放入粉碎机粉碎，到可以过60目筛；用无水乙醇冲洗过筛之后的粉末，搅拌10min后去掉上清液，重复三次；烘干备用得到的粉末。将粉末按照1g/10mL的比例加入1mol/L的 NaCl溶液中，使用机械搅拌器，在100r/min速度下搅拌1h左右，得到辣木籽盐溶液；将1g/10mL的浮珠颗粒加入盐溶液，在 200r/min条件下持续搅拌18～24h，并置于超声振荡器中以避免不均匀沉降[12]。24h以后将辣木籽盐溶液和浮珠的混合溶液缓慢倒于滤纸上，用真空泵抽滤，收集滤纸上的浮珠颗粒进行备用。再回加5～10mL辣木籽盐溶液的上清液，为使其辣木浮珠保持湿润，以免影响使用效果，从而得到辣木浮珠。

（五）实验结论及分析

从表1中可以看出，泡沫浮选法的总成本为9.63¥/m3，溶气气浮法的总成本为10.51¥/m3，而硅硼酸钠浮珠浮选法的总成本为9.14¥/m3。通过不同方法的成本的比较，我们可以得出结论，硅硼酸钠浮珠浮选技术具有较好的经济效益。

表1 不同采收方法的成本比较

从图2可以看出，辣木浮珠的采收效果相比于其他材料是相当可观的。从而可以进一步提高浮珠采收微藻的效率。

图2 不同浮珠材料的采收率

综上，辣木浮珠的浮选技术是一个科学可行的新型微藻采收技术。

三、展望

研究开发微藻具有广阔的前景。微藻在净化水体、水产养殖、生物能源、保健品和装饰品等都有着广泛的应用。辣木浮珠浮选法是一种有效的小球藻采收方法，在最佳条件下的最大采收效率可达89.13%。并且浮珠浮选技术采用的是无毒微珠，不会对环境和人体产生危害。传统的水华治理需要将湖水抽取从而进行治理，但是本方法可以直接投放。采收完的微珠打捞清洗可以重复利用，大大提高了经济效益。综上，辣木浮珠浮选法是一个很好的微藻采收方法，可以有效提升微藻的采收效率，从而促进微藻方面产业的发展。