基于聚合物‑表面活性剂二元微纳米结构的藻类浓缩收获方法与流程

本发明属于藻类生物质收获技术领域，特别涉及一种能够实现极高浓缩效率的藻类收获方法，具体涉及基于聚合物-表面活性剂二元微纳米结构的藻类浓缩收获方法。

背景技术：

藻类生物质可用于生产生物柴油、生物乙醇、生物沼气等生物质能源，部分藻类细胞中富含的虾青素、多不饱和脂肪酸等物质可用于生产保健食品。另一方面，由于富营养化导致的蓝藻水华破坏了自然水体的生态平衡，威胁人类的身体健康，并对社会经济造成了严重损失。

无论是利用藻类生物质生产能源或其他高价值产品，还是蓝藻水华的治理，都需要解决从稀溶液中浓缩收获藻细胞的问题。在藻类的光能自养培养系统中(如藻类开放塘、光生物反应器等)，或是爆发水华的自然水体中，藻类的浓度通常为1-2g/l，即水中藻类生物质的质量分数仅为0.1-0.2％。为了满足后续生物质加工、转化的要求，需要将藻类生物质浓缩150倍以上。

现有的藻类收获方式包括：微滤、离心、混凝沉淀或混凝气浮等。微滤和离心能够高效收获并浓缩藻类生物质，但是运行成本高、能耗大，仅适用于生产高价值的藻类产品，例如虾青素、多不饱和脂肪酸等；对于生物质能源等大规模、低价值的藻类产品，混凝是更适宜的选择。然而，藻细胞表面有大量的蛋白质、多糖等亲水性物质，可以形成一层水化层，将藻细胞包裹于其中；同时，在混凝过程中，由于藻细胞间的毛细作用，将有大量的自由水被包裹于絮体中。由于上述两种效应，传统混凝过程形成的絮体含有大量水分，含水率仍然高达95％以上，无法满足后续生物质转化的需求。因此，在混凝沉淀/气浮后，不得不采用压滤、离心等工艺进一步降低生物质的含水率。这导致现有的藻类生物质收获工艺流程长、操作复杂、运行成本偏高(占藻类生物质生产成本的30％左右)。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的在于开发一种低成本、高效率的藻类收获工艺，在简化现有收获流程的同时，能够满足后续的转化工艺对于生物质含水率的要求。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

基于聚合物-表面活性剂二元微纳米结构的藻类浓缩收获方法，包括向藻类生物质中顺序投入一组电性相反的表面活性剂和聚合物，即先投入阳离子表面活性剂，后投入阴离子聚合物；或先投入阴离子表面活性剂，后投入阳离子聚合物。通过筛选适宜的表面活性剂和聚合物，并调节其投入比例，能够使其在静电引力的作用下，耦合形成尺寸为纳米至微米级别的二元聚合体。这种二元微纳米结构比表面积大，且兼具亲、疏水性并同时带有正、负电荷，能够通过压缩双电层、电中和以及吸附架桥等作用，高效、快速的使悬浮分散于水中、粒径仅为几微米的藻细胞聚集为粒径达数百至数千微米的颗粒，从而通过粗滤膜截留收获。

进一步，一组电性相反的聚合物与表面活性剂是阴离子聚合物和阳离子表面活性剂，或是阳离子聚合物和阴离子表面活性剂。本发明充分利用了表面活性剂同时具备亲水性和疏水性的特性。在向藻类培养液中投加表面活性剂后，其亲水端能够与藻细胞膜上亲水物质相结合，使其取代原本吸附于藻细胞表面的水化层(如附图1所示)，而其疏水端能够阻止水分子的进一步吸附，减少细胞间的自由水，从而大大降低形成絮体的含水量；同时，由于表面活性剂的电性与后投加的聚合物相反，聚合物能够起到较好的吸附架桥作用，加速絮体的形成。此外，通过调控聚合物与表面活性剂的比例，能够进一步中和藻细胞所带的负电荷，减小细胞间的静电斥力，促进絮体的形成。

进一步，所述聚合物选用paa(阴离子聚合物聚丙烯酸(poly(acrylicacid)))，所述表面活性剂选用cpc(阳离子表面活性剂西吡氯铵(cetylpyridiniumchloride))；或所述聚合物选用pei(阳离子聚合物聚乙烯亚胺(poly(ethyleneimine)))，所述表面活性剂选用sds(阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠)。

进一步，所述paa与cpc的投加比例为90-100ppmpaa/mmcpc；或所述pei与sds的投加比例为90-100ppmpei/mmsds；根据需要收获的藻类培养液中生物质浓度的不同，所述cpc或sds的投加量控制在0.5至4mm。所述mm是毫摩尔每升，即mmol/l。

进一步，向藻类培养液中顺序投加cpc和paa，或者sds和pei后，需要快速搅拌(200rpm)15至20min。

进一步，所述二元聚合体使分散于水中的藻细胞形成絮体颗粒，其含水率在65％以下、机械强度高，可采用孔径为100μm的粗滤膜截留，无需等待其自行沉淀，可大大加快收获生物质的速度。

进一步，所述方法适用的ph值范围为7-11，藻类生物质无需调节ph值即可直接使用。

进一步，所述方法适用的温度范围为15至35℃，即为适于藻类生长的常规温度，无需特别控温。

进一步，所述藻类为可用于收获绿藻门和蓝藻门的多种藻类，以及混合藻类。

进一步，所述方法适用于藻类浓度0.1至4g/l的藻类生物质，收获效率稳定在80％以上。

本发明采用的技术方案可用于高价值微藻、能源微藻以及水华藻类的浓缩回收。

本发明和现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明对藻类生物质的浓缩倍数为231.3±45.9倍，远高于普通混凝沉淀/混凝过滤(如附图6所示)。

2、采用本发明收获得到的藻类生物质含水率为66.6±7.5％(如附图7所示)，满足后续生物质转化工艺的需求，无需进一步脱水处理，省去了现有收获工艺中必需的压滤或离心等步骤，从而大幅简化了藻类生物质的收获流程。

3、本发明所需的搅拌时间仅为20min。同时，在絮体形成过程中，表面活性剂的疏水作用大大减小了藻细胞周围水化层的厚度，从而增强了导致絮体形成的范德华力，使得最终形成的絮体具有较高的机械强度，可用粗滤膜直接截留收获，无需等待其自行沉降。与之相比，普通混凝过程形成的絮体仍然含有大量的自由水，藻细胞仍被较厚的水化层包裹，絮体松散易碎，如用大孔径的粗滤膜进行截留，易导致絮体破碎，直接穿过粗滤膜，因此，只能在混凝结束后通过静置沉降或气浮以收获生物质。

附图说明

图1是本发明方法收获藻类生物质的工艺流程示意图。

图2是本发明实施例1选用paa和cpc二元体系收获蛋白核小球藻zty4的效果图。

图3是本发明实施例2选用pei和sds二元体系收获聚球藻7002的效果图。

图4是paa和cpc二元体系对不同藻类的收获效率示意图。

图5是不同藻类生物质浓度下paa和cpc二元体系对蛋白核小球藻zty4生物质的收获效率示意图。

图6是传统混凝收获方法与paa和cpc二元体系收获方法对蛋白核小球藻zty4生物质浓缩倍数的对比图。

图7是传统混凝剂与paa和cpc二元体系收获的蛋白核小球藻zty4生物质的含水率对比图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。

图1是本发明方法收获藻类生物质的工艺流程示意图。在进行收获之前，培养液中的藻细胞处于悬浮、分散状态，由于藻细胞膜上有大量的蛋白质、多糖等亲水性物质，藻细胞表面会形成一层较厚的水化层；采用本发明方法进行收获后，藻细胞表面的水化层被表面活性剂取代，同时，在相反电性的聚合物的吸附架桥作用下，迅速形成絮体。

图2是本发明实施例1选用paa和cpc二元体系收获蛋白核小球藻zty4(chlorellapyrenoidosazty4)的效果图。

图3是本发明实施例2选用pei和sds二元体系收获聚球藻7002(synechococcussp.pcc7002)的效果图。

图4是paa和cpc二元体系对不同藻类的收获效率示意图，其中cpc的投加量为4mm，paa的投加量为400ppm。如图所示，paa和cpc二元体系对绿藻门的四种藻类和蓝藻门的两种藻类均有较好的收获效果，收获效率稳定在80％以上。

图5是不同藻类生物质浓度下paa和cpc二元体系对蛋白核小球藻zty4生物质的收获效率示意图。其中，cpc的投加量为4mm。如图所示，当小球藻生物质的浓度在0.1至4g/l范围内时，本发明方法对其的收获效率稳定在80％以上。

图6是传统混凝收获方法与paa和cpc二元体系收获方法对蛋白核小球藻zty4生物质浓缩倍数的对比。其中，各种混凝剂的投加剂量均是由前期实验得到的能够达到最大收获效率的最佳值。如图所示，传统混凝收获方法最多只能达到69±15的浓缩倍数，而本发明方法对藻类生物质的浓缩倍数则高达231±45。

图7是传统混凝剂与paa和cpc二元体系收获的蛋白核小球藻zty4生物质的含水率对比图。其中，各种混凝剂的投加剂量均是由前期实验得到的能够达到最大收获效率的最佳值。如图所示，经传统混凝方法收获后，藻类生物质的含水率仍然高达90％以上，无法满足后续转化工艺的需求；而经本发明方法收获后，生物质含水率降低至66.6±7.5％，符合后续转化工艺对含水率的要求。

本发明选用的聚合物与表面活性剂组合为：聚丙烯酸(paa，阴离子聚合物)和西吡氯铵(cpc，阳离子表面活性剂)，或者聚乙烯亚胺(pei，阳离子聚合物)和十二烷基硫酸钠(sds，阴离子表面活性剂)。paa与cpc的投加比例为90-100ppmpaa/mmcpc，pei与sds的投加比例为90-100ppmpei/mmsds。根据需要收获的藻类培养液中生物质浓度的不同，cpc或sds的投加量控制在0.5至4mm。向藻类培养液中投加paa与cpc，或者pei与sds后，需快速搅拌(200rpm)15至20min。最终形成的絮体颗粒含水率低(通常在70％以下)、机械强度高，可采用孔径为100μm的粗滤膜截留，无需等待其自行沉淀。

该方法可用于收获绿藻门和蓝藻门的多种藻类(如附图4所示)，适用的生物质浓度范围为0.1至4g/l，收获效率可以稳定在80％以上(如附图5所示)；适用的ph值范围为7-11，藻类培养液无需调节ph值即可直接使用；适用的温度范围为15至35度，即为适于藻类生长的常规温度，无需特别控温。

实施例1

选用paa和cpc二元体系收获蛋白核小球藻zty4。收获前，小球藻zty4在培养液中的生物质浓度是1.43g/l。向培养液中投加150ppmpaa和1.5mmcpc，用磁力搅拌器以200rpm的转速连续搅拌20min后，将混合液倒入分液漏斗中，静置沉降25min，结果如图2所示。可以看到，密实的絮体完全沉降在分液漏斗底部，上清液中几乎没有悬浮的藻细胞。取样测定上清液中的藻类生物质浓度，仅为0.12g/l，即paa和cpc二元体系对小球藻zty4的收获效率可达91.6％。用100μm的粗滤膜截留收获分液漏斗底部的絮体，称重，再将其置于60℃下烘至恒重，再次称重，前后两次称重的重量差即为絮体所含水分的重量，由此可以计算得到絮体的含水率，仅为68.7％。

实施例2

选用pei和sds二元体系收获聚球藻7002。收获前，聚球藻7002在培养液中的生物质浓度是1.26g/l，培养液如图3右侧所示。向培养液中投加80ppmpei和0.8mmsds，用磁力搅拌器以200rpm的转速连续搅拌20min后，直接用粗滤膜截留收获形成的絮体，得到的滤液如图3左侧所示。取样测定滤液中的藻类生物质浓度，仅为0.08g/l，即pei和sds二元体系对聚球藻7002的收获效率可达93.6％。采用与实施例1相同的方法测定收获得到的生物质的含水率，仅为65.4％。

上述实施例对本发明的技术方案进行了详细说明。显然，本发明并不局限于所描述的实施例。基于本发明中的实施例，熟悉本技术领域的人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或相类似的变化都属于本发明保护的范围。