五种絮凝剂采收小球藻的研究_冯辰辰.pdf

第 49 卷第 4 期2020 年 4 月应用化工Applied Chemical IndustryVol 49 No 4Apr 2020收稿日期:2019-05-20修改稿日期:2019-09-29基金项目:天津市科学基金面上项目(17JCYBJC22900);天津市高等学校大学生创新训练计划项目(201910057148);天津科技大学大学生实验室创新基金项目(1803A203)作者简介:冯辰辰(1992 )，男，河北邢台人，天津科技大学在读硕士，师从才金玲副研究员，主要从事微藻生物质资源利用的研究。电话:[phone]，E mail:894806860 qq com通讯联系人:才金玲(1976 )，女，博士，副研究员，主要从事生物活性物质筛选与利用研究。E mail:jinlingcai tustedu cn五种絮凝剂采收小球藻的研究冯辰辰，闫谨，唐娜，才金玲(天津科技大学 化工与材料学院 天津市海洋资源与化学重点实验室，天津300457)摘要:针对微藻采收成本过高的问题，研究了硫酸铝、氯化铁、氢氧化钠、壳聚糖和聚丙烯酰胺 5 种絮凝剂对小球藻的采收效果，并对絮凝前后小球藻细胞内总碳水化合物、总蛋白质和总脂的含量进行了比较;观察了培养液的回收利用情况。结果表明，硫酸铝浓度为 0 05 g/L，絮凝 70 min，絮凝效率 98 7%;氯化铁浓度为 0 10 g/L，絮凝70 min，絮凝效率 93 5%;氢氧化钠浓度为 0 6 g/L，絮凝 100 min，絮凝效率 98 3%;壳聚糖浓度为 0 010 g/L，絮凝12 min，絮凝效率 98 1%;聚丙烯酰胺浓度为 0 025 g/L，絮凝 12 min，絮凝效率 94 6%;絮凝前后小球藻细胞内总碳水化合物、总蛋白质和总脂含量没有明显的差别;回收的培养液可以重复利用。综合考虑，壳聚糖作为絮凝剂具有良好的应用前景。关键词:微藻;硫酸铝;氯化铁;氢氧化钠;壳聚糖;聚丙烯酰胺;絮凝;小球藻中图分类号:TS 201 1文献标识码:A文章编号:1671 3206(2020)04 0904 05Study on the harvesting of Chlorellasorokiniana by five flocculantsFENG Chen-chen，YAN Jin，TANG Na，CAI Jin-ling(Tianjin Key Laboratory of Marine esources and Chemistry，College of Chemical Engineering andMaterials Science，Tianjin University of Science Technology，Tianjin 300457，China)Abstract:Aiming at the high cost of microalgae harvesting The effects of aluminum sulfate，ferric chlo-ride，sodium hydroxide，chitosan and polyacrylamide on Chlorella sorokiniana were studied，and the totalcarbohydrate，total protein and total amount of Chlorella sorokiniana were compared before and after floc-culation;the recovery and utilization of culture medium were observed The results showed that the con-centration of aluminum sulfate was 0 05 g/L，the flocculation was 70 min，and the flocculation efficiencywas 98 7%The concentration of ferric chloride was 0 10 g/L，the flocculation was 70 min and the floc-culation efficiency was 93 5%The concentration of sodium hydroxide was 0 6 g/L，the flocculation was100 min，and the flocculation efficiency was 98 3%The concentration of chitosan was 0 010 g/L，theflocculation was 12 min，and the flocculation efficiency was 98 1%The concentration of polyacrylamidewas 0 025 g/L，the flocculation was 12 min，and the flocculation efficiency was 94 6%There were nosignificant differences in total carbohydrate，total protein and total fat contents in Chlorella sorokiniana be-fore and after flocculation;the recycled culture can be reused In general，chitosan as the flocculant has agood application prospectKey words:microalgae;aluminum sulfate;ferric chloride;sodium hydroxide;chitosan;polyacrylamide;flocculation;Chlorella sorokiniana微藻资源在社会生活和经济发展中具有广泛的用途，但采收成本过高的问题限制了微藻产业的发展1。因此寻找一种经济、高效、环保的采收技术变得十分重要。与重力沉降、过滤、离心和浮选相比，絮凝具有投资少、效率高、操作简单、适用范围广等优势2-3，具有巨大的应用和发展潜力。DOI:10.16581/ki.issn1671-3206.20200310.013第 4 期冯辰辰等:五种絮凝剂采收小球藻的研究本文使用硫酸铝、氯化铁、氢氧化钠、壳聚糖和聚丙烯酰胺对小球藻进行了絮凝采收。考察了不同絮凝剂浓度对小球藻采收效率的影响情况;测定了絮凝前后小球藻细胞内总碳水化合物、总蛋白质和总脂的含量;并对培养基进行了回收利用。最终确定壳聚糖是采收小球藻的最佳絮凝剂。1实验部分1 1材料与仪器小球藻(Chlorella sorokiniana，FACHB-275)，购于中国科学院淡水藻种库;壳聚糖(脱乙酰化90.0%)，生物纯;氢氧化钠、氯化铁、葡萄糖、浓硫酸、硫酸铝、聚丙烯酰胺、蒽酮、氯仿、甲醇均为分析纯。TGL-16M 高速台式冷冻离心机;-501 旋转蒸发器;UV-1800PC 紫外可见光分光光度计;AL204 电子天平;LGJ-25C 型冷冻干燥机;78HW-1 数显恒温磁力搅拌器;YXQ-LS-50SII 立式压力蒸汽灭菌锅;SW-CJ-2FD 型双人单面净化工作台。1 2培养基和培养条件小球藻接种到 BG-11 培养基中(培养基初始pH 值为 7 0，121 灭菌 20 min 后使用)4，初始吸光度值 OD680 nm调整为 0 20，在温度为(25 1)，光暗比为 12 h 12 h，光照强度为 3 000 lx 的条件下进行培养5。培养期间每天早晚摇瓶 1 次，以防止小球藻贴壁生长。1 3实验方法1 3 1絮凝剂浓度的选择每种絮凝剂选择 6 个浓度梯度。硫酸铝浓度为 0.01，0.02，0.03，0.04，0.05，0.06 g/L;氯化铁浓度为 0.02，0.04，0.06，0.08，0.10，0.12 g/L;氢氧化钠浓度为 0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6 g/L;壳聚糖浓度为 0.002，0.004，0.006，0.008，0.010，0.012 g/L;聚丙烯酰胺浓度为0.005，0.010，0.015，0.020，0.025，0.030 g/L。13 2絮凝效率的计算取一定体积对数生长期的小球藻藻液倒至烧杯中，加入不同浓度的絮凝剂，在磁力搅拌器上搅拌 2 min 后静置，每隔一段时间，取液面下 4 cm 处的藻液，测定其在 680 nm 波长处的吸 光 度 值 OD680 nm，根 据 下 式 计 算 絮 凝 效率(%)6。=(ODt0 ODt)/ODt0100%(1)式中ODt0 初始时刻藻液的吸光度值;ODt t 时刻藻液的吸光度值。13 3絮凝前后小球藻细胞内总碳水化合物、总蛋白质和总脂含量的测定1 3 3 1总碳水化合物含量的测定采用蒽酮-硫酸法对总碳水化合物的含量进行测定7。准确称取1.0 g 小 球 藻 藻 粉，与 24 mL 蒸 馏 水 和 16 mL6 mol/L的 HCl 溶液混合，在100 水浴中加热1 h，使用 6 mol/L 的 NaOH 溶液将冷却后的混合液调节至中性并过滤到100 mL 容量瓶中，用蒸馏水定容至刻度，得到总碳水化合物待测液。取体积为 1 mL 的待测液，向其中加入 5 mL 蒽酮试剂混匀，置于沸水浴中10 min，冷却至室温。使用分光光度计在波长 620 nm 处测定待测液的吸光度值，通过葡萄糖溶液的标准曲线得到待测液中的总碳水化合物含量。1 3 3 2总蛋白质含量的测定采用考马斯亮蓝法对总蛋白质的含量进行测定8。准确称取0.01 g小球藻藻粉，将其溶于 1 mL 浓度为 1 mol/L 的NaOH 溶液中，在 80 水浴中加热 10 min，然后冷却至室温并加入 9 mL 超纯水混匀，在 10 000 g，4 的条件下离心 20 min 以移去沉淀，最后得到的上清液即为总蛋白质待测样品(每个样品重复处理提取 3 次)。取1 mL 待测样品和4 mL 考马斯亮蓝溶液置于10 mL 干净的试管中，混匀后在室温下静置 2 min，在波长595 nm 处测定待测样品的吸光度值，通过蛋白质溶液的标准曲线得出待测样品中总蛋白质的含量。1 3 3 3总脂含量的测定采用 Bligh-Dyer 法对总脂的含量进行测定9。准确称取 0.1 g 小球藻藻粉至 50 mL 离心管中，加入 7.6 mL 氯仿/甲醇/H2O混合液(1 2 0.8)，混合均匀后振荡 2 min，然后超声提取 5 min，接着在 4，4 000 r/min 的条件下离心 20 min，将上层提取液倒入 125 mL 分液漏斗中，下层藻粉残渣再抽提 1 次，合并 2 次上层提取液于125 mL 分液漏斗中，向分液漏斗中加入 4 mL 氯仿，使氯仿/甲醇/水的比例为 2 2 0 8，振荡 30 s，之后再加入 4 mL 水，使氯仿/甲醇/H2O 的比例变为 2 2 1.8，振荡 30 s，静置 2 h 分层，将下面的氯仿层转移到 25 mL 的圆底烧瓶中，60 旋转蒸干至恒重，称取蒸干前后蒸发瓶重量差，即为待测样品的总脂质量，进而可以计算出小球藻藻粉中总脂的含量。13 4培养基的回收利用实验结束后，对培养基进行过滤、回收，往其中补充小球藻生长所需的营养成分，调节回收培养基的 pH 进行灭菌，灭菌完成后，接入新鲜的小球藻藻液进行培养，观察小球藻在回收培养基中的生长情况。2结果与讨论2 1不同浓度絮凝剂对小球藻的絮凝效果21 1不同浓度硫酸铝对小球藻的絮凝效果硫509应用化工第 49 卷酸铝对小球藻的絮凝效果见图 1。图 1不同浓度硫酸铝浓度对小球藻的絮凝效果Fig 1Flocculation effect of different concentrations ofaluminum sulfate on Chlorella sp由图 1 可知，浓度为 0.01 g/L 时，硫酸铝对小球藻的絮凝效果比较差，絮凝 70 min 后，絮凝效率仍不到 30%;浓度增加为0.02 g/L 时，絮凝70 min，硫酸铝对小球藻的最大絮凝效率为 50.6%;当硫酸铝浓度为 0.03 0.06 g/L 时，小球藻的絮凝速度很快，絮凝 10 min，小球藻的絮凝效率达到 70%以上。其中，絮凝 10 min，0.05 g/L 和 0.06 g/L 的硫酸铝对小球藻的絮凝效率可以达到 90%以上;絮凝进行70 min，絮凝效率达到最大值，分别为 98.7%和99.2%。综合考虑，选用 0.05 g/L 的硫酸铝絮凝采收小球藻。21 2不同浓度氯化铁对小球藻的絮凝效果氯化铁对小球藻的絮凝效果见图 2。图 2不同浓度氯化铁对小球藻的絮凝效果Fig 2Flocculation effect of different concentrations offerric chloride on Chlorella sp由图 2 可知，氯化铁对小球藻的絮凝效率随着浓度的增加而增大。当浓度为 0.02 0.04 g/L 时，氯化铁对小球藻的絮凝效果一般，絮凝进行70 min，絮凝 效 率 低 于 60%;当 氯 化 铁 浓 度 为 0.06 0.08 g/L 时，絮凝 70 min，小球藻的絮凝效率均在70%以上。其中，浓度为0.10 g/L 和0.12 g/L 的氯化铁絮凝 70 min 后，絮凝效率达到最大值，分别为93.5%和 94.2%。综合考虑，选用 0.10 g/L 的氯化铁对小球藻进行絮凝采收。2 1 3不同浓度氢氧化钠对小球藻的絮凝效果氢氧化钠对小球藻的絮凝效果见图 3。图 3不同浓度氢氧化钠对小球藻的絮凝效果Fig 3Flocculation effect of different concentrations ofsodium hydroxide on Chlorella sp由图 3 可知，浓度小于 0.2 g/L 时，氢氧化钠对小球藻的絮凝效果比较差，絮凝效率不到 20%;当浓度增加到 0.3 0.6 g/L 时，氢氧化钠对小球藻絮凝效率有了大幅度的增长，絮凝效率可以达到 60%以上;而当氢氧化钠的浓度为 0.6 g/L 时，仅需要30 min的时间，氢氧化钠就可以絮凝 90%以上的小球藻;絮凝进行100 min，0.6 g/L 的氢氧化钠对小球藻絮凝效率达到最大值，为 98.3%。综合考虑，选用 0.6 g/L 的氢氧化钠絮凝采收小球藻。21 4不同浓度壳聚糖对小球藻的絮凝效果壳聚糖对小球藻的絮凝效果见图 4。图 4不同浓度壳聚糖浓度对小球藻的絮凝效果Fig 4Flocculation effect of different concentrations ofchitosan on Chlorella sp由图 4 可知，壳聚糖絮凝小球藻需要的时间比较短，所需的浓度也比较低。絮凝 2 min 后，各浓度壳聚糖对小球藻的絮凝效率便趋于稳定，之后随着絮凝时间的增加，絮凝效率不会有明显的变化。絮凝 12 min 后，各浓度壳聚糖对小球藻的絮凝效率达到最大值。其中，浓度为 0.002 0.004 g/L 时，壳聚糖对小球藻的絮凝效果比较差，絮凝效率不到50%;当浓度为 0.004 0.012 g/L 时，壳聚糖对小球藻 的 絮 凝 效 率 可 以 达 到 60%以 上;其 中，0.010 g/L和 0.012 g/L 的壳聚糖仅需 2 min 的时间就可以絮凝 90%以上的小球藻;12 min 后，絮凝效609第 4 期冯辰辰等:五种絮凝剂采收小球藻的研究率达到最大值，分别为 98.1%和 98.8%。综合考虑，选用浓度为 0.010 g/L 壳聚糖絮凝采收小球藻。2 1 5不同浓度聚丙烯酰胺对小球藻的絮凝效果聚丙烯酰胺对小球藻的絮凝效果见图 5。图 5不同浓度聚丙烯酰胺浓度对小球藻的絮凝效果Fig 5Flocculation effect of different concentrations ofpolyacrylamide on Chlorella sp由图 5 可知，聚丙烯酰胺对小球藻具有比较好的絮凝效果。当聚丙烯酰胺浓度为 0.005 g/L 时，小球藻的絮凝效率可以达到 50%以上;当浓度为0.010 0.030 g/L 时，聚丙烯酰胺可以絮凝 60%以上的小球藻;其中0.025 g/L 和 0.030 g/L 的聚丙烯酰胺仅需 2 min，对小球藻的絮凝效率便可以达到90%以上，最终两种浓度下聚丙烯酰胺对小球藻的絮凝效率分别为 94.6%和 95.3%。综合考虑，选用浓度为 0.025 g/L 聚丙烯酰胺絮凝采收小球藻。2 2絮凝前后小球藻细胞内总碳水化合物、总蛋白质和总脂含量的比较絮凝剂对微藻细胞内总碳水化合物、总蛋白质和总脂等物质的影响情况是评价该絮凝剂能否推广应用的一个重要参考标准。5 种絮凝剂絮凝前后小球藻细胞内总碳水化合物、总蛋白质和总脂含量的比较见图 6。图 6物质含量的比较Fig 6The comparison of material contents由图 6 可知，硫酸铝、氯化铁、氢氧化钠、壳聚糖和聚丙烯酰胺絮凝采收的小球藻细胞内总碳水化合物、总蛋白质、总脂的含量与自然沉降收集的小球藻细胞内总碳水化合物、总蛋白质、总脂的含量没有显著的差别。说明硫酸铝、氯化铁、氢氧化钠、壳聚糖和聚丙烯酰胺在絮凝采收小球藻的过程中不会破坏小球藻的营养价值，方便了小球藻产品的后续加工和利用。2 3培养液回收利用情况小球藻在回收培养液中的生长情况见图 7。图 7小球藻在回收培养液中的生长情况Fig 7The growth of Chlorella sp in recycled culture medium由图 7 可知，与新鲜培养基中的小球藻相比，小球藻在回收的培养液中可以正常生长，并且两者的生长情况没有显著的区别。说明硫酸铝、氯化铁、氢氧化钠、壳聚糖和聚丙烯酰胺作为絮凝剂采收小球藻，絮凝后产生的培养基可以回收利用，这既有利于生产成本的降低，又可以达到节约水资源、保护环境的效果。2 4絮凝成本的比较在微藻采收过程中，絮凝剂的选择，除了考虑絮凝效率外，还应该考虑絮凝成本，这样才能起到降低生产成本的目的。根据下式计算絮凝成本10，结果见表 1。絮凝成本(元/kg)=絮凝剂价格 絮凝剂剂量/藻液浓度 絮凝效率 1 000(4)表 1絮凝成本的比较Table 1The comparison of flocculation costs絮凝剂剂量/(gL1)絮凝效率/%絮凝剂价格/(元t1)藻液浓度/(gL1)絮凝成本/(元kg1)硫酸铝0059874 0000734 10 28氯化铁0109352 8000734 10 41氢氧化钠069832 1000734 11 75壳聚糖001098150 0000734 10 69聚丙烯酰胺002594621 0000734 10 72由表 1 可知，与氢氧化钠、壳聚糖和聚丙烯酰胺相比，硫酸铝和氯化铁需要的絮凝成本较低。但选择硫酸铝和氯化铁作为絮凝剂，如果后期处理不当，残留的硫酸铝和氯化铁可能会对环境和收集的微藻造成污染，影响微藻产品的后续加工利用11;氢氧化钠是通过调节藻液的 pH 引发藻细胞絮凝12，絮凝成本最高;并且氢氧化钠自身及其溶液具有腐蚀709应用化工第 49 卷性，在采收过程中存在安全隐患;壳聚糖和聚丙烯酰胺都属于高分子絮凝剂，聚丙烯酰胺本身安全无毒，但其中未反应的丙烯酰胺对人体具有毒性13;与硫酸铝和氯化铁相比，虽然壳聚糖的絮凝成本较高，但其具有安全环保、用量少、絮凝时间短、可生物降解等特点14，使用方便、安全，对小球藻产品的后续加工利用十分有利。因此，在所选择的 5 种絮凝剂中，壳聚糖作絮凝剂具有更加良好的应用前景，这 Nay-ak 等12 的研究结果一致。3结论本研究实验结果表明，硫酸铝、氯化铁和氢氧化钠对小球藻具有良好的絮凝效果，絮凝效率都在90%以上，这与赵奎等10 的研究结果一致;壳聚糖和聚丙烯酰胺同样可以絮凝采收 90%以上的小球藻，这与 Wu 等15 的实验结果相一致;絮凝前后小球藻细胞内总碳水化合物、总蛋白质和总脂含量没有明显的差别;絮凝后回收的培养液可以重复利用。综合考虑，壳聚糖作为絮凝剂具有良好的应用前景。参考文献:1 郭锁莲，赵心清，白凤武 微藻采收方法的研究进展 J 微生物学通报，2015，42(4):721-728 2 Milledge J J，Heaven S A review of the harvesting of mi-cro-algae for biofuel productionJ eviews in Environ-mental Science and Bio/Technology，2013，12(2):165-178 3Milledge J J Commercial application of microalgae otherthan as biofuels:a brief reviewJ eviews in 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