小球藻的絮凝沉降及溶氣氣浮采收研究

高莉麗, 劉天中, 張 維, 彭小偉, 陳曉琳

（1. 中國海洋大學 食品科學與工程學院, 山東 青島 266003; 2. 中國科學院 青島生物能源與過程研究所 生物燃料重點實驗室, 山東 青島 266101）

小球藻的絮凝沉降及溶氣氣浮采收研究

高莉麗1, 劉天中2, 張 維2, 彭小偉2, 陳曉琳2

（1. 中國海洋大學 食品科學與工程學院, 山東 青島 266003; 2. 中國科學院 青島生物能源與過程研究所 生物燃料重點實驗室, 山東 青島 266101）

研究了氫氧化鈉對不同生長時期小球藻液的絮凝效果, 比較了絮凝沉降法和溶氣氣浮法的采收效果, 并初步優化了氣浮操作參數。結果表明, 在小球藻液中添加氫氧化鈉能夠取得很好的絮凝效果,添加700 mg/L氫氧化鈉, 沉降30 min即能達到90%的沉降采收率; 同等氫氧化鈉添加量下, 溶氣氣浮法的采收效果要優于絮凝沉降法; 確定的氣浮采收最佳操作參數: 指數生長期和穩定期藻液的最佳氫氧化鈉添加量分別為350 mg/L和600 mg/L, 溶氣水進水流速為60 L/h, 溶氣水/藻液體積比為25%。絮凝沉降法中指數生長期和穩定期的小球藻液采收效果相差不大, 而溶氣氣浮法中同等采收條件下指數生長期的采收率高于穩定期, 其采收濃縮倍數也略高于穩定期。

小球藻; 氫氧化鈉; 絮凝沉降; 溶氣氣浮; 生長時期

小球藻是具有多方面經濟價值和科研價值的天然資源, 有著巨大的應用潛力[1～4]。隨著小球藻的大規模養殖, 選擇合適的方法來進行小球藻生物量的采收顯得越來越重要。通常采用動力離心、過濾和絮凝沉淀等分離方法來采收小球藻[5], 離心分離法設備操作簡單, 對產品無污染, 但設備投資高, 能耗大; 過濾法對微藻細胞的損害較小, 但濾膜極易被藻細胞堵塞, 且因為藻質較輕容易飄起, 濾餅較難形成, 過濾效率較低[6]; 絮凝沉淀法具有方便快捷的特點, 但使用的絮凝劑和藻細胞完全黏附, 必須在后續工藝加以去除, 增大了操作難度也加大了生產成本[7]。

氣浮技術采用人為方式, 向水體導入氣泡, 使其黏附于絮粒上, 從而大幅度地降低絮粒整體密度,并借氣泡上升的速度, 強行使其上浮, 由此實現固液快速分離, 由于其良好的分離效能、相對低廉的投資和運營成本, 現已廣泛地運用于化工、造紙、印染、食品、制藥、廢水及飲用水的處理上, 在微藻細胞的分離和采收領域也得到了成功應用[8]。當前, 利用氣浮法采收小球藻已取得較好效果[9], 但是由于需要添加一定量的絮凝劑在體系中形成合適尺寸的絮粒,增加了后續處理的負擔, 也不利于培養液的循環利用。

研究表明, 鹽藻、螺旋藻氣浮采收中可以通過調節藻液pH來使藻細胞產生自絮凝[10,11], 但在堿添加量對采收效果的影響方面研究較少。本文以兩種培養時期的小球藻為研究對象, 探討了添加氫氧化鈉使小球藻產生絮凝的可行性, 考察了氫氧化鈉添加量與藻液pH的關系, 建立了氫氧化鈉添加量與絮凝沉降法和溶氣氣浮法采收效果的關聯, 并初步優化了氣浮操作條件, 以期對工業化生產起到一定的指導作用。

1 材料與方法

1.1 儀器

PHS-2F型pH計（上海精密科學儀器有限公司）;WFJ7200型分光光度計（上海尤尼柯儀器有限公司）;LZB-4玻璃轉子流量計（江陰市科達儀表廠）; HJ-1型磁力攪拌器（江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司）。

1.2 藻種及其培養

小球藻藻種由中國海洋大學水產學院朱葆華老師提供, 原始藻種儲存于中國海洋大學藻種庫。用f/2培養基進行小球藻培養, 由于藻液中細胞具有特定的顏色, 對可見光產生一定的吸收, 所以測定藻液在540 nm處的吸光度值（A540）, 以A540值來間接表示小球藻的生物量[12], 生長曲線如圖 1所示, 其調整期較短, 2～18 d之間為對數生長期, 此后再延長培養時間, 生物量無明顯變化。為考查不同生長時期對實驗結果的影響, 分別選取培養時間為10 d處于指數生長期和培養時間為20 d處于穩定期的藻液進行實驗。

圖1 小球藻生長曲線Fig. 1 Growth curve of Chlorella

1.3 絮凝沉降實驗

分別取對數生長期和穩定期的小球藻藻液200 mL置于 500 mL燒杯中, 再加入一定量的1 mol/L的氫氧化鈉溶液, 先快速（100 r/min）攪拌2 min, 使氫氧化鈉充分分散在溶液中, 再慢速（40 r/min）攪拌10 min后將其倒入250 mL量筒中靜置沉降后, 測量絮狀物沉降高度, 并于液面下 3 cm深處取上清液測定A540。

1.4 氣浮分離裝置與實驗方法

氣浮分離實驗裝置如圖 2所示, 其主要由空氣壓縮機、貯氣罐、飽和溶氣罐、流量計和氣浮分離塔等部分組成。其中, 由碳鋼制成的空氣貯罐有效容積為100 L, 操作壓力為0～1.0 MPa; 由不銹鋼制成的飽和溶氣罐有效容積為 5 L, 操作壓力為 0～1.0 MPa; 氣浮分離塔由有機玻璃制成, 其內徑為30 mm,高度為500 mm。

氣浮實驗流程為: 實驗前, 先向飽和溶氣罐中一次性通入大約4 L水, 打開空氣壓縮機向貯氣罐內灌氣, 保持一定的溶氣壓力和溶氣時間以制備溶氣水。將絮凝后的小球藻藻液從分離塔上部倒入, 然后從塔底迅速引入溶氣水, 控制其進水流速和進水體積, 藻細胞開始氣浮, 10 min后分別計量采收殘余液和濃縮液的體積, 并測定殘余液的A540。

圖2 氣浮分離裝置Fig. 2 The schematic of dissolved air flotation device

1.5 數據分析

采收率和濃縮倍數計算方法如下式所示:

其中cf—采收濃縮液的藻細胞濃度（以光密度值A表示）,c0—原藻液藻細胞濃度,cr—采收殘余液藻細胞濃度,Vf—濃縮液體積;V0—原藻液體積;Vr—采收殘余液體積。

考慮到濃縮液中藻細胞易發生粘壁, 且其光密度值也過高, 測定誤差較大, 因此采收濃縮液的藻細胞濃度cf是先測定采余殘液的體積和藻細胞濃度（A值）, 再通過物料衡算來確定的, 如下式所示。

2 結果與分析

2.1 氫氧化鈉添加量對小球藻液pH的影響

在堿法絮凝氣浮采收微藻細胞中, 多采用氫氧化鈉調節藻液 pH, 因此實驗考察了小球藻液 pH與氫氧化鈉添加量的關系, 結果如圖3所示, 在實驗所用的氫氧化鈉添加量150～900 mg/L下, 指數生長期藻液的 pH從 9.88增長到 10.18, 穩定期藻液的 pH從9.90增長到10.13, 兩者均未有大幅度增長, 遠低于理論計算值 11.57～13.35。這表明大部分氫氧化鈉可能存在于絮粒中, 只有小部分的氫氧化鈉殘留于培養液中, 改變了培養液的 pH, 因此添加氫氧化鈉絮凝小球藻對培養液的影響較小, 有利于培養液的循環利用。實驗中還發現, 用稀酸可以很容易地對絮體進行解絮, 這對簡化后續工藝, 降低生產成本有重要意義。

圖3 氫氧化鈉添加量對藻液pH的影響Fig. 3 Effect of NaOH dosage on the pH of algae culture media

2.2 氫氧化鈉對小球藻的絮凝沉降效果

絮凝沉降法和溶氣氣浮法采收微藻細胞的前處理過程相似, 均需要在體系中形成一定數目和大小的絮粒體。通過絮凝沉降實驗, 可以考察氫氧化鈉對小球藻的絮凝效果, 確定氫氧化鈉添加量的適宜范圍。

2.2.1 沉降時間對沉降效果的影響

絮凝沉降法中絮粒體依靠重力作用自然沉降,反應速度較為緩慢, 為了確定最佳的反應時間, 實驗首先考察了在氫氧化鈉添加量為900 mg/L時, 小球藻絮凝沉降過程中上清液 OD540值和絮凝層體積隨時間的變化。由圖4可見, 在最初的10 min內, 隨著時間的延長, 兩種培養時期上清液A540值均有所降低, 超過10 min之后, 隨著時間的延長, 兩種培養時期上清液A540值變化幅度很小, 這可能是因為在最初的慢速攪拌過程中, 體系中的小球藻細胞相互吸附, 聚團, 之后大絮粒會迅速通過重力作用沉降,極少量的小絮粒存在于上清液中緩慢沉降, 所以使得沉降初期上清液的A540值稍高于沉降后期, 而上清液中殘留的藻細胞則無法通過重力作用沉降到體系底部, 因此沉降后期上清液A540值趨于平穩。

圖 5中兩種培養時期的小球藻絮凝層體積隨著沉降時間的延長均不斷減少, 但是在最初的 30 min變化最為明顯, 之后就趨于穩定, 由此可見, 對于添加氫氧化鈉絮凝沉降采收小球藻來說, 沉降 30 min絮凝層體積即可達到穩定, 這與圖 4中上清液A540穩定時間不相一致, 原因可能是在沉降 10 min時,雖然絮粒基本上都沉降到了體系底部, 上清液濃度不再發生明顯變化, 但是此時的絮粒結構疏松, 絮凝層中存在大量水分, 隨著時間的延長, 絮粒會在重力的作用下進一步結合, 析出水分, 絮凝層體積得以減少, 濃縮倍數隨之增大, 綜合考慮上清液A540和絮凝層體積, 本實驗確定的沉降時間為30 min。

圖4 沉降過程上清液光密度的變化Fig. 4 Effect of sedimentation time on concentration

圖5 沉降過程絮凝層體積的變化Fig. 5 Effect of sedimentation time on the volume of precipitate

2.2.2 氫氧化鈉添加量對小球藻采收效果的影響

為了確定氫氧化鈉的適宜添加量, 實驗考察了兩種培養時期的小球藻細胞采收效果隨氫氧化鈉添加量的變化趨勢, 結果如圖6、圖7所示, 氫氧化鈉添加量為 700mg/L時即可達到 90%以上的采收率,當添加量增大到 900mg/L時, 指數生長期小球藻液的采收率能達到 99%, 穩定期小球藻液的采收率能達到 97.17%, 這說明在培養液中添加氫氧化鈉能夠起到很好的絮凝效果。

通過圖6、圖7比較發現, 隨著氫氧化鈉添加量的增多, 采收率呈增大趨勢, 而濃縮倍數則逐漸降低, 這可能是因為在較高的氫氧化鈉添加量下, 小球藻細胞形成絮粒的幾率較大, 沉降到體系底部的藻細胞增多, 所以采收率較高; 但是大量的絮片會夾帶更多的水分, 使得濃縮層體積變大, 濃縮倍數變小。

從圖6和圖7中還可以看出, 在相同的氫氧化鈉添加量下, 指數生長期小球藻液的采收率要略高于穩定期, 濃縮倍數則相差不大。這說明對于絮凝沉降法采收小球藻細胞來說, 生長時期對采收效果的影響不大, 因為沉降作用僅需要絮粒比重高于水體,在重力作用下能沉降到體系底部, 而對絮粒的表面特性, 合適尺寸范圍要求較寬, 所以兩種培養時期能夠取得相近的采收效果。

圖6 氫氧化鈉添加量對絮凝沉降的絮凝率的影響Fig. 6 Effect of NaOH dosage on the percentage recovery

圖7 氫氧化鈉添加量對絮凝沉降的濃縮倍數的影響Fig. 7 Effect of NaOH dosage on the enrichment coefficient by precipitation

2.3 溶氣氣浮操作參數對小球藻采收效果的影響

溶氣氣浮法采收小球藻的效果主要取決于絮凝效果和氣浮操作參數。本文在不同絮凝效果下進行了實驗, 同時也考察了溶氣水流速和溶氣水/藻液體積比對氣浮采收效果的影響, 確定了最佳操作條件。

2.3.1 氫氧化鈉添加量對氣浮效果的影響

圖8、圖9為不同氫氧化鈉添加量下小球藻細胞的氣浮采收效果, 由圖8可見, 隨著氫氧化鈉添加量的增大, 兩種培養時期的小球藻細胞采收率均呈增大趨勢, 但是相同氫氧化鈉添加量下指數生長期采收率要明顯高于穩定期, 這可能是因為穩定期小球藻細胞分泌的胞外有機物質會影響細胞表面的化學性質, 阻礙絮粒形成[13,14]。氫氧化鈉添加量為 350 mg/L時, 指數生長期小球藻細胞采收率能達到88.27%; 氫氧化鈉添加量為600 mg/L時, 穩定期小球藻細胞采收率能達到 91.63%, 兩者均明顯高于同等氫氧化鈉添加量下的絮凝沉降效果。這說明同等氫氧化鈉添加量下, 溶氣氣浮法比絮凝沉降法采收效果好, 原因可能是溶氣水進入采收塔后, 微小氣泡與絮粒充分作用, 無法沉降的小絮粒在微小氣泡的作用下相互結合形成絮團, 上浮至體系頂部, 使得溶氣氣浮法所需的氫氧化鈉量遠遠低于絮凝沉降法。圖9中在低氫氧化鈉添加量下, 指數生長期的小球藻的濃縮倍數高于穩定期的濃縮倍數, 但是當氫氧化鈉添加量超過200 mg/L后, 兩種培養時期的濃縮倍數相差不顯著, 均能達到 10倍以上, 高于絮凝沉降法的 4倍濃縮倍數, 這可能是因為在微小氣泡的作用下, 溶氣氣浮法的濃縮層結合更緊致, 細胞間隙含水量少。

圖8 氫氧化鈉添加量對氣浮采收率的影響Fig. 8 Effect of NaOH dosage on the percentage recovery

圖9 氫氧化鈉添加量對氣浮采收的濃縮倍數的影響Fig. 9 Effect of NaOH doses on the enrichment coefficient of floatation

2.3.2 溶氣水進水流速對氣浮效果的影響

氣浮過程的一個關鍵因素是微細氣泡的產生,氣浮效果的好壞與能否生成合適的微細氣泡密切相關。同時為了增加絮粒與氣泡碰撞的機會, 形成利于氣泡和絮粒黏附的條件, 引入的溶氣水流速必須符合氣浮的需要。引入的溶氣水流速過快, 動能增加,很容易使藻液產生循環流, 從而使泡絮結合體受到液體流動的擾動而因慣性作用改變方向, 停止上浮,甚至下沉（泡絮結合體因流體動壓而壓縮使密度增大,或擾動剪切致使氣泡破裂而解體）[15]。為確定合適的溶氣水流速, 本實驗考察了溶氣水進水流速分別為15、30、45、60、75、90 L/h下的氣浮效果, 實驗結果如圖10所示。

圖10 溶氣水流速對氣浮采收效果的影響Fig. 10 Effect of water flow rates on the percentage recovery and enrichment cofficient

可見, 小球藻的采收率和濃縮倍數均隨著溶氣水進水流速的增大先變大后減少, 這是因為在較低的溶氣水流速時進水時間比較長, 氣泡密度較小,即單位小球藻細胞所能捕捉到的氣泡數目較少, 所以此時的R和E就比較小。隨著溶氣水流速的增大,氣泡密度增大, 湍流程度加劇, 有利于增加釋氣氣泡與藻絮體的碰撞, 使形成的泡絮結合體數量增多。但當達到一定流速后, 溶氣水流速的進一步增大會使體系產生循環流, 反而帶動泡絮結合體循環, 無法氣浮, 從而降低了細胞采收率[16]。因此在本實驗條件下合適的溶氣水流速是60 L/h。

2.3.3 溶氣水/藻液體積比對氣浮效果的影響

圖 11為小球藻的采收率和濃縮倍數隨著溶氣水-藻液體積比的變化曲線, 可以看出, 隨著溶氣水-藻液體積比α的增大,R和E先增大隨后趨于平穩, 這是因為隨著α的增大, 溶氣水的體積增多, 所能釋放的氣泡數量增多, 泡絮結合體更多, 單位質量的細胞絮凝體可以捕獲更多的氣泡, 泡絮結合體密度更小, 其所受的浮力也就更大, 因而有利于更好的氣浮, 采收效果更佳。但是當α超過藻細胞上浮所需的臨界氣泡數時, 其余氣泡對藻細胞上浮的幫助就非常小, 所以本實驗確定的溶氣水/藻液體積比α為25%。

圖11 水料比對氣浮采收效果的影響Fig. 11 Effect of water/feed ratio on the percentage recovery and enrichment coefficient

3 結論

在小球藻液中添加氫氧化鈉能夠起到較好的絮凝作用, 絮凝效果與氫氧化鈉添加量之間存在良好的對應關系, 確定最佳氫氧化鈉添加量比確定最佳pH更為直觀方便和準確。

達到同等采收效果, 溶氣氣浮法比絮凝沉降法所需的氫氧化鈉添加量少, 確定的工藝條件為: 溶氣氣浮法中指數生長期和穩定期的最佳氫氧化鈉添加量分別為350 mg/L和600 mg/L, 溶氣水流速是60 L/h, 溶氣水/藻液體積比α為25%。

絮凝沉降法中, 相同氫氧化鈉添加量下兩種培養時期的小球藻液濃縮倍數相差不大, 而指數生長期的采收率要略高于穩定期; 溶氣氣浮法中, 不同生長時期采收效果差異較大, 兩者能夠氣浮的氫氧化鈉添加量區間不同, 同等采收條件下, 指數生長期采收率明顯高于穩定期, 其濃縮倍數也略高于穩定期。

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Received: Dec., 22, 2009

Key words:Chlorella; sodium hydroxide; sedimentation; dissolved air flotation; growth period

Abstract:Harvest of cell biomass is one of the key segments in large-scale microalgae culture. The type and dosage of coagulant, as well as the operating conditions, are key parameters for this operation. We compared sedimentation and dissolved air flotation （DAF） methods for harvestingChlorellacells by using sodium hydroxide as coagulant. We found that the recovery ofChorellacells by DAF was better than that of sedimentation with the same dosage of sodium hydroxide. The operation factors such as coagulant dosage, flow rate （V） of air dissolved water,and water-feed volume ratio （α） were also investigated. The optimal conditions were determined as exponential phase 350mg/L, stable phase 600mg/L,V 60L/h, andα25%. For either growth period, the recovery efficiency was not significantly different by sedimentation under the same conditions; however, for the DAF method, the recovery rate at the exponential phase was higher than that of stable phase.

（本文編輯:康亦兼）

Recovery of Chlorella cells by sedimentation and dissolved air flotation

GAO Li-li1, LIU Tian-zhong2, ZHANG Wei2, PENG Xiao-wei2, CHEN Xiao-lin2
（1. College of Food Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266003, China; 2. Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266101, China）

Q948

A

1000-3096（2010）12-0046-06

2009-12-22;

2010-04-22

國家支撐計劃項目（2006BAD09A12）; 中國科學院創新工程重要方向性項目（KGCX2-YW-374-4）

高莉麗（1985-）, 女, 山東萊陽人, 碩士研究生, 研究方向:微藻采收技術, 電話: 80662737, Email: gll_115@163.com; 劉天中, 通信作者, 電話: 0532-80662735, Email: liutz@qibebt.ac.cn