一种用于微藻收获的阳离子糯米淀粉絮凝剂及其制备方法和应用与流程

本发明涉及用于微藻收获的阳离子糯米淀粉絮凝剂及其制备方法，属于絮凝剂和微藻采收技术领域。

背景技术：

微藻是自然界广泛存在的一类微生物，是生物质能源、生物基化学品等的重要原料来源，近些年来一直是人们关注的热点。在微藻利用过程中，微藻收获是关键的处理步骤。因微藻藻体粒径较小，使用常规的固液分离手段往往费时费力，增加微藻藻体回收成本。目前收集微藻的方法有：离心法、冷冻干燥法，絮凝剂法等等。离心法和冷冻干燥法都比较消耗能量，相对而言耗能大。因此性能优良的絮凝剂可以更高效地收集微藻，给后续的工作提供了极大的方便。近些年文献报道中常使用交联阳离子淀粉(如：交联阳离子玉米淀粉、土豆淀粉、木薯淀粉等)作为絮凝剂。淀粉是一种人们运用广泛且资源丰富的资源物质，选用淀粉作为原料，可以降低成本。现有文献显示，使用玉米淀粉和马铃薯淀粉为原料的絮凝剂最为常见，但因其絮凝效果不理想，限制其应用范围。

淀粉是一种高聚糖物质，淀粉分子在植物中是以白色固体淀粉粒的形式存在，淀粉粒是淀粉分子的聚集体，它由直链淀粉、支链淀粉和中间型多糖构成。糯米淀粉的直链淀粉结构相对较少，大部分是中间级和支链淀粉构成。糯米支链淀粉的重均分子量为8.96×10⁷g/mol～7.96×10⁹g/mol。

阳离子淀粉是淀粉与胺类化合物反应产生的，其中的氨基与淀粉分子中不同位置的羟基发生醚化反应，使淀粉分子带有叔氨基或季铵基，是一种醚衍生物，其分子取代后携带具有正电荷的氮原子，使之具有普通淀粉分子不具备的性质，阳离子淀粉分子中的正电荷能与携带负电荷的物质中和，呈现吸附带负电荷物质的现象，称为阳离子淀粉。

淀粉与具有两个或多个官能团的化学试剂起反应，不同淀粉分子的羟基间形成醚化或酯化键而交联起来，所得的衍生物称为交联淀粉。变性淀粉里最重要的一种变性就是交联淀粉。所谓淀粉的衍生物就是运用交联剂与淀粉交联的手段进行交联反应，使得两个或以上的淀粉分子之间进行的架桥。淀粉的粘度并不是很高，但是交联之后的淀粉的粘度要比之前的淀粉粘度偏高。

目前研制开发的交联阳离子淀粉作为絮凝剂进行微藻采收时，存在采收率较低的问题。因此，亟需优化交联阳离子淀粉的制备工艺和采收工艺，从而达到高效分离、收获的目的。

技术实现要素：

针对现有技术的上述问题，本发明提供一种能提高微藻采收效率的交联改性阳离子糯米淀粉絮凝剂及其制备方法。

为实现上述目的，本发明包括如下技术方案：

一种用于微藻收获的阳离子糯米淀粉絮凝剂的制备方法，该方法包括如下步骤：

i.将3重量份的糯米淀粉与1.2～1.8重量份的nacl混合均匀，放入1.2～6重量份浓度为0.1～0.3wt％的冰态氢氧化钾溶液或冰态氢氧化钠溶液中，室温搅拌5～20分钟；加入1～2重量份n-环氧丙基三甲基氯化铵，室温搅拌0.75～1.25小时，40～60℃水浴震荡1～3小时；

ii.向步骤i获得的混合物中加入0.06～0.15重量份的己二酸，室温搅拌15～40分钟，然后于20～25℃水浴震荡60～100分钟；

iii.向步骤ii获得的混合物中加入含10～20wt％乙酸的乙醇，浸泡15～30分钟，抽滤，洗涤，干燥，即得阳离子淀粉絮凝剂。

如上所述的制备方法，优选地，所述糯米淀粉的制备方法为：按照固液比为1g：5ml，向糯米粉中加入0.085mol/l碱溶液，在40℃的条件下，搅拌加热3h，离心，分离下层沉淀，水洗，烘干，即得糯米淀粉。

如上所述的制备方法，优选地，步骤i的具体操作为：将3重量份的糯米淀粉与1.8重量份的nacl混合均匀，放入1.6重量份浓度为0.3wt％的冰态氢氧化钾水溶液中，室温搅拌5分钟；加入1.8重量份n-环氧丙基三甲基氯化铵，室温搅拌1小时，50℃水浴震荡1小时。

如上所述的制备方法，优选地，步骤ii的具体操作为：向步骤i获得的混合物中加入0.06重量份的己二酸，室温搅拌25分钟，然后于20℃水浴震荡100分钟；

如上所述的制备方法，优选地，步骤iii的具体操作为：向步骤ii获得的混合物中加入3重量份的含10-20wt％乙酸的乙醇，浸泡30分钟，抽滤，洗涤，干燥，即得阳离子淀粉絮凝剂。

另一方面，本发明提供一种阳离子淀粉絮凝剂，其是采用如上所述的方法制备的。

又一方面，本发明提供一种微藻絮凝沉降收获方法，其是采用如上所述的阳离子淀粉絮凝剂进行微藻絮凝沉降收获。

如上所述的收获方法，优选地，该方法包括如下步骤：

a.测定培养液中微藻密度；

b.搅拌下向含有微藻的溶液中加入权利要求6所述的絮凝剂，絮凝剂用量为微藻干重的5～15％，震荡30秒～1分钟；

c.沉降15～30分钟，絮凝后微藻沉降到絮凝容器底部；

d.将絮凝后藻泥收集，脱水，干燥。

如上所述的收获方法，优选地，所述步骤a还包括将培养液中微藻的浓度调整为干重0.5～1克/升。

如上所述的收获方法，优选地，该方法包括如下步骤：

a.测定培养液中微藻密度，将培养液中微藻的浓度调整为干重1克/升；

b.搅拌下向含有微藻的溶液中加入权利要求6所述的絮凝剂，絮凝剂用量为微藻干重的1-10％，震荡1分钟；

c.沉降30分钟，絮凝后微藻沉降到絮凝容器底部；

d.将絮凝后藻泥收集，脱水，干燥。

本发明所用的交联剂是己二酸，其中在己二酸的分子当中存在着双官能团，两个羧基可以和含有的羟基的糯米淀粉发生酯化反应，产生交联的糯米淀粉，这种反应是酯化交联。反应式为：

2str-oh+hooc(ch2)4cooh→str-o-oc(ch2)4co-o-str+2h2o

本发明的有益效果在于：本发明选用糯米淀粉为原料，用gta(n-环氧丙基三甲基氯化铵)作为阳离子化试剂，己二酸为交联剂，制备交联阳离子型糯米淀粉絮凝剂，研究了絮凝剂的阳离子取代度、交联度与微藻采收效果的关联性，制备出高效收获微藻的交联阳离子絮凝剂，采收率可达到100％。与现有的马铃薯淀粉和玉米淀粉絮凝剂相比较，糯米淀粉支链淀粉含量高，更容易形成絮凝收获架桥过程，便于微藻收获沉降，降低絮凝剂使用量，提高收获率。且该制备方法工艺简单，反应时间较短，反应效率高，无环境污染。

附图说明

图1为实施例1产品的红外光谱图。

图2为实施例4中絮凝剂加入量-微藻收获率曲线。

具体实施方式

以下各实施例的实验原料：

(一)糯米淀粉

按照如下方法制备：按照固液(糯米粉/水)比为1g∶5ml，向糯米粉中加入0.085mol/l碱溶液，在40℃的条件下，搅拌加热3h，反应结束后，取出烧杯，将液体倒入离心管中，离心时间为5min，速度是3500r/min，离心结束后将上清液倒掉，加入蒸馏水进行第二次的离心，取出后倒掉上清液，下层沉淀即为糯米淀粉，放入烘箱中进行烘干。烘干后取出，磨碎，装封口袋，备用。

(二)微藻：小球藻。

实施例1：制备交联阳离子糯米淀粉絮凝剂(一)

称取3g糯米淀粉，加入1.8gnacl，用玻璃棒搅拌均匀，之后加入1.6g浓度为0.3wt％的冰态koh水溶液，在室温的条件下搅拌10min，加入1.8gn-环氧丙基三甲基氯化铵(gta)阳离子化试剂，在室温的条件下搅拌1h，放入50℃的恒温水浴震荡器中，震荡反应1.5h，取出后加入0.06g的己二酸，充分搅拌25min，放入20℃的恒温水浴振荡器中反应100min。取出后，用配好的含有20wt％乙酸的乙醇浸泡30min，抽滤，烘干，用研钵磨碎，即为产品。

产品的红外光谱如图1所示，图中可见在917.24cm^-1，1026.89cm^-1，1082.52cm^-1处存在吸收峰，吸收峰是-c-o-c-键。在1649.92cm^-1处有吸收峰说明的是分子中含有-c＝o键，可以证明糯米淀粉中的醇羟基已经与己二酸里面的羧基发生了酯化反应，1474.05处有吸收峰是-c-n，能够说明糯米淀粉发生了醚化反应。

实施例2：制备交联阳离子糯米淀粉絮凝剂(二)

称取3g糯米淀粉，加入1.2gnacl，用玻璃棒搅拌均匀，之后加入1.4g浓度为0.3wt％的冰态koh水溶液，在室温的条件下搅拌5min，加入1gn-环氧丙基三甲基氯化铵(gta)阳离子化试剂，在室温的条件下搅拌0.75h，放入40℃的恒温水浴震荡器中，震荡反应1h，取出后加入0.09g的己二酸，充分搅拌15min，放入20℃的恒温水浴振荡器中反应60min。取出后，用配好的含有10wt％乙酸的乙醇浸泡15min，抽滤，烘干，用研钵磨碎，即为产品。

实施例3：制备交联阳离子糯米淀粉絮凝剂(三)

称取3g糯米淀粉，加入1.5gnacl，用玻璃棒搅拌均匀，之后加入2.0g浓度为0.3wt％的冰态koh水溶液，在室温的条件下搅拌20min，加入2gn-环氧丙基三甲基氯化铵(gta)阳离子化试剂，在室温的条件下搅拌1.25h，放入60℃的恒温水浴震荡器中，震荡反应3，取出后加入0.15g的己二酸，充分搅拌40min，放入20℃的恒温水浴振荡器中反应80min。取出后，用配好的含有20wt％乙酸的乙醇浸泡20min，抽滤，烘干，用研钵磨碎，即为产品。

实施例4收获微藻实验

(一)微藻培养

将配好的1000mlbg-11培养基分装到两个1000ml的锥形瓶中，用封口膜封好口，放入灭菌锅中进行灭菌。放入超净台内，开紫外灯照射20min，等bg-11培养基冷却后，接种小球藻的藻种，接种量为10ml每瓶。最后放入光照培养箱中进行培养。2周后，将培养的小球藻放在摇床继续培养。

(二)将微藻液用h2o稀释至1g(干重)/l。

(三)将实施例1～3制备的絮凝剂加水配制成1g/l絮凝剂溶液。

(四)三种絮凝剂溶液分别取1ml、2ml、3ml、4ml、5ml、6ml加入30ml的藻液中，震荡1min后静置30min。

(五)取上清液中间的部分测定吸光度。

(六)采收效果

实施例1制备的絮凝剂采收结果如图2所示，加入3ml絮凝剂溶液的收获率为93.4％，加入5ml絮凝剂溶液的收获率为100％。

加入3ml实施例2制备的絮凝剂溶液的收获率为90.6％，加入5ml絮凝剂溶液的收获率为100％。

加入3ml实施例3制备的絮凝剂溶液的收获率为91.8％，加入5ml絮凝剂溶液的收获率为100％。