微藻絮凝采收技術研究進展

薛溪發 張紅兵 曹豪豪 秦路橋

摘 要：當前，能源危機和環境污染的雙重壓力嚴重制約著經濟發展，開發清潔可再生型生物燃料顯得尤為重要。微藻具有易繁殖、富含脂質、不與農作物爭地等特點，被認為是極具前景的生物燃料，但微藻采收的高成本是藻類工業化的主要瓶頸。絮凝法是收獲微藻生物質高效和優選的方法。該文簡述了目前已使用的一些微藻絮凝采收方法，比較了化學絮凝、生物絮凝和物理絮凝等方法的收獲效率、能耗及技術可行性，分析了各種方法的絮凝機理和影響因素，旨在為選擇適宜的微藻采收方法提供參考。

關鍵詞：微藻;生物燃料;采收;絮凝

中圖分類號 X50文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2021）01-0033-05

Progress in Flocculation Harvesting of Microalgae

XUE Xifa1 et al.

（1College of Biological Science and Engineering， Hebei University of Economics and Business， Shijiazhuang 050061， China）

Abstract： Currently， the development of economy is seriously restricted by the dual pressure of energy crisis and environmental pollution， it is particularly important to develop clean and renewable biofuels.Microalgae is considered to be promising biofuels due to its easy reproduction， fat - rich， and non-competition with crops and so on.However， the high cost associated with microalgae harvesting is a major bottleneck for commercialization of algae-based industrial products.Hence， microalgae harvesting is recognized as an area that needs to be explored and developed.Additionally， flocculation is an efficient and optimal method for harvesting microalgae biomass.This article aims to collate and present an overview of current harvesting strategies such as physical， chemical， biological，methods along with their future prospects.This review also analyzes their flocculation mechanism and influencing factors.In contrast， the use of natural polymer organic flocculants has received more attention， and future research should focus on assessing the economic feasibility on an industrial scale.This review intends to provide guidance for the high-efficiency and low-cost flocculation? recovery technologies in the biofuel industry.

Key words： Microalgae; Biofuel; Harvesting; Flocculation

目前，人類生活所需的能源仍以傳統不可再生型化石能源為主，污染嚴重。常用甘蔗、大豆、油菜籽、玉米、橄欖、非食用麻風樹等農作物制備生物燃料，不僅占用耕地多，還可能引發糧食安全風險。因此，微藻作為新能源的來源備受關注。

微藻作為單細胞生物，不僅可以自養固定二氧化碳，也可異養利用并處理生活污水中的有機污染物;同時，微藻生長不占耕地，無需農藥，環境友好，真正實現了生物燃料生產與環境污染治理的和諧統一。但是微藻懸浮于水中，收獲難度較大，成本居高不下。近年來，研究人員一方面通過過程工程策略、新穎的光生物反應器、優勢工程菌株篩選和構建等方式提高微藻產率，另一方面開發低成本、高效率、無污染的收獲方式，降低采收成本。目前，微藻采收技術主要有沉降、離心、浮選和過濾等幾種物理方法。其中，沉降法不需要消耗能源或化學物質，經濟簡便，但耗時長，存在微藻生物質腐敗變質風險;過濾法不破壞細胞的完整性，過濾介質可重復使用，但適用面小;離心法效率高、速度快、污染小，但消耗能源，成本較高;浮選法成本低、占地少、操作時間短、適用范圍廣，但能耗高且對藻種有選擇性。各種物理收獲方法及絮凝法的優缺點比較如表1所示。

鑒于絮凝是收獲微藻生物質的高效和優選的方法，本文對幾種常見的絮凝方法進行了綜述，分析其絮凝機理和影響因素，以期為微藻采收技術研究提供參考。

1 化學絮凝

化學絮凝是指加入化學絮凝劑與藻類細胞表面的電荷相互作用，藻類細胞形成聚集體，導致重力沉降進一步沉淀的過程。根據化學絮凝劑的性質，可分為無機絮凝劑和有機絮凝劑2種類型，無機絮凝劑主要包括帶正電的金屬離子，有機絮凝劑不僅包括天然有機絮凝劑，還包括合成有機絮凝劑。絮凝通常與沉降等其他收獲技術結合使用。通過絮凝可以促使微藻細胞的聚集，從而增加顆粒的大小，提高沉降速度。

微生物絮凝劑涉及微生物的培養和生物絮凝劑的純化，這種絮凝劑的缺點是生產率低，需要更高的劑量，導致絮凝劑成本高，同時微藻的細胞表面特性引起的生物絮凝劑的物種特異性也限制了應用。

3 電絮凝

電解絮凝的機理是基于帶負電荷的微藻向陽極運動，失去電荷后形成聚集體，期間不需要添加任何絮凝劑，適合于藻類的分離過程。E. Poelman[26]從懸浮液中絮凝微藻，然后使藻類絮體漂浮，結果不同藻類類群的去除率可達95%以上，而耗電量僅為0.3kWh/m 3左右。近年來，基于陽極通過水電解產生的氫氣泡與在陰極的電凝工藝耦合，電凝浮選（ECF）成為重要的電凝聚技術，是一種經濟的收獲方法。如Wong使用優化的ECF捕集器，通過使用帶正電的極板中和微藻表面電荷，對微藻生物量進行了電凝聚浮選。目前，ECF已用于收獲淡水藻（小球藻）和海洋微藻（三角褐指藻）。當電流密度為3mA/cm2時，沉淀時間為30min，在pH值4、6下，小球藻和三角褐指藻的最高回收率分別為80%、95%[27]。影響ECF的因素有電極板材料、電極板數量、電極電荷、電解質濃度和培養液的pH值等。電絮凝是一種不依賴于菌種、無化學物質添加的方法。但在整個收獲過程中高功率電流可能會損害細胞的完整性。

4 磁性顆粒絮凝

磁性顆粒絮凝是在磁場作用下，利用微米或納米尺寸的磁性顆粒直接作用于微藻細胞表面并誘導其絮凝。通常是通過裸露的和表面功能化的2種類型的磁性粒子收獲微藻[28]，在裸磁性粒子存在的情況下，帶負電的藻類細胞和帶正電的磁性粒子之間通過靜電相互作用，導致微藻聚集。胡等[29]用聚乙烯亞胺（PEI）對Fe3O4磁性納米粒子進行改性，降低了能量消耗，提高了收獲效率和水的回收利用率，對小球藻的采收效率達95%以上。影響磁性顆粒絮凝的因素有磁性納米顆粒粒徑、攪拌速度、攪拌時間、納米顆粒與微藻的質量比等[30]。上述過程對藻類細胞生長及其培養基無任何不利影響[31]，具有降低藻類燃料生產成本的潛力。但是磁性顆粒絮凝的缺點是這些納米顆粒價格昂貴，還需要特殊設備才能回收。

5 展望

微藻作為一種具有廣泛應用前景的生物質資源，可用于污水處理、生產生物燃料（例如生物乙醇、生物柴油、生物甲烷和生物氫）和飼料添加劑。為了降低生產成本和收獲時的能源能耗，開發一種或多種有效的絮凝方法十分重要。

使用無機絮凝劑可有效回收藻類，但金屬離子會污染生物質。而使用天然高分子有機絮凝劑無毒、可生物降解并且不會影響下游脂質中的提取，在未來的研究中應評估其在大規模培養中的經濟可行性。生物絮凝劑節能、環保、安全，但消耗碳源、在絮凝過程中不受控制。應選擇合適的絮凝微生物減少污染、優化培養條件以及需要深入研究生物絮凝劑的基本特性（生物之間的關系、活性等），以確定其是否能用于大規模采收微藻。電絮凝和磁性顆粒絮凝是無絮凝劑收獲微藻的方法，需要較高的成本，其應用需指向具有高價值的產品。另外，通過基因工程對富含脂質的微藻進行改造，以增強自絮凝作用也是一個較好的策略。正在進行的研究應旨在根據微藻的物理特性、培養基的化學成分和最終產品的質量，開發經濟高效的收獲方式。最后，通過各種技術的整合，實現利用微藻處理生活廢水與生物燃料生產的有機結合，達到環境保護和經濟發展的和諧統一。

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（責編：張宏民）