本發(fā)明屬于藻類生物質收獲技術領域，特別涉及一種能夠實現(xiàn)極高濃縮效率的藻類收獲方法，具體涉及基于聚合物-表面活性劑二元微納米結構的藻類濃縮收獲方法。

背景技術：

藻類生物質可用于生產生物柴油、生物乙醇、生物沼氣等生物質能源，部分藻類細胞中富含的蝦青素、多不飽和脂肪酸等物質可用于生產保健食品。另一方面，由于富營養(yǎng)化導致的藍藻水華破壞了自然水體的生態(tài)平衡，威脅人類的身體健康，并對社會經濟造成了嚴重損失。

無論是利用藻類生物質生產能源或其他高價值產品，還是藍藻水華的治理，都需要解決從稀溶液中濃縮收獲藻細胞的問題。在藻類的光能自養(yǎng)培養(yǎng)系統(tǒng)中(如藻類開放塘、光生物反應器等)，或是爆發(fā)水華的自然水體中，藻類的濃度通常為1-2g/l，即水中藻類生物質的質量分數(shù)僅為0.1-0.2％。為了滿足后續(xù)生物質加工、轉化的要求，需要將藻類生物質濃縮150倍以上。

現(xiàn)有的藻類收獲方式包括：微濾、離心、混凝沉淀或混凝氣浮等。微濾和離心能夠高效收獲并濃縮藻類生物質，但是運行成本高、能耗大，僅適用于生產高價值的藻類產品，例如蝦青素、多不飽和脂肪酸等；對于生物質能源等大規(guī)模、低價值的藻類產品，混凝是更適宜的選擇。然而，藻細胞表面有大量的蛋白質、多糖等親水性物質，可以形成一層水化層，將藻細胞包裹于其中；同時，在混凝過程中，由于藻細胞間的毛細作用，將有大量的自由水被包裹于絮體中。由于上述兩種效應，傳統(tǒng)混凝過程形成的絮體含有大量水分，含水率仍然高達95％以上，無法滿足后續(xù)生物質轉化的需求。因此，在混凝沉淀/氣浮后，不得不采用壓濾、離心等工藝進一步降低生物質的含水率。這導致現(xiàn)有的藻類生物質收獲工藝流程長、操作復雜、運行成本偏高(占藻類生物質生產成本的30％左右)。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明的目的在于開發(fā)一種低成本、高效率的藻類收獲工藝，在簡化現(xiàn)有收獲流程的同時，能夠滿足后續(xù)的轉化工藝對于生物質含水率的要求。

為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案如下：

基于聚合物-表面活性劑二元微納米結構的藻類濃縮收獲方法，包括向藻類生物質中順序投入一組電性相反的表面活性劑和聚合物，即先投入陽離子表面活性劑，后投入陰離子聚合物；或先投入陰離子表面活性劑，后投入陽離子聚合物。通過篩選適宜的表面活性劑和聚合物，并調節(jié)其投入比例，能夠使其在靜電引力的作用下，耦合形成尺寸為納米至微米級別的二元聚合體。這種二元微納米結構比表面積大，且兼具親、疏水性并同時帶有正、負電荷，能夠通過壓縮雙電層、電中和以及吸附架橋等作用，高效、快速的使懸浮分散于水中、粒徑僅為幾微米的藻細胞聚集為粒徑達數(shù)百至數(shù)千微米的顆粒，從而通過粗濾膜截留收獲。

進一步，一組電性相反的聚合物與表面活性劑是陰離子聚合物和陽離子表面活性劑，或是陽離子聚合物和陰離子表面活性劑。本發(fā)明充分利用了表面活性劑同時具備親水性和疏水性的特性。在向藻類培養(yǎng)液中投加表面活性劑后，其親水端能夠與藻細胞膜上親水物質相結合，使其取代原本吸附于藻細胞表面的水化層(如附圖1所示)，而其疏水端能夠阻止水分子的進一步吸附，減少細胞間的自由水，從而大大降低形成絮體的含水量；同時，由于表面活性劑的電性與后投加的聚合物相反，聚合物能夠起到較好的吸附架橋作用，加速絮體的形成。此外，通過調控聚合物與表面活性劑的比例，能夠進一步中和藻細胞所帶的負電荷，減小細胞間的靜電斥力，促進絮體的形成。

進一步，所述聚合物選用paa(陰離子聚合物聚丙烯酸(poly(acrylicacid)))，所述表面活性劑選用cpc(陽離子表面活性劑西吡氯銨(cetylpyridiniumchloride))；或所述聚合物選用pei(陽離子聚合物聚乙烯亞胺(poly(ethyleneimine)))，所述表面活性劑選用sds(陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉)。

進一步，所述paa與cpc的投加比例為90-100ppmpaa/mmcpc；或所述pei與sds的投加比例為90-100ppmpei/mmsds；根據需要收獲的藻類培養(yǎng)液中生物質濃度的不同，所述cpc或sds的投加量控制在0.5至4mm。所述mm是毫摩爾每升，即mmol/l。

進一步，向藻類培養(yǎng)液中順序投加cpc和paa，或者sds和pei后，需要快速攪拌(200rpm)15至20min。

進一步，所述二元聚合體使分散于水中的藻細胞形成絮體顆粒，其含水率在65％以下、機械強度高，可采用孔徑為100μm的粗濾膜截留，無需等待其自行沉淀，可大大加快收獲生物質的速度。

進一步，所述方法適用的ph值范圍為7-11，藻類生物質無需調節(jié)ph值即可直接使用。

進一步，所述方法適用的溫度范圍為15至35℃，即為適于藻類生長的常規(guī)溫度，無需特別控溫。

進一步，所述藻類為可用于收獲綠藻門和藍藻門的多種藻類，以及混合藻類。

進一步，所述方法適用于藻類濃度0.1至4g/l的藻類生物質，收獲效率穩(wěn)定在80％以上。

本發(fā)明采用的技術方案可用于高價值微藻、能源微藻以及水華藻類的濃縮回收。

本發(fā)明和現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點：

1、本發(fā)明對藻類生物質的濃縮倍數(shù)為231.3±45.9倍，遠高于普通混凝沉淀/混凝過濾(如附圖6所示)。

2、采用本發(fā)明收獲得到的藻類生物質含水率為66.6±7.5％(如附圖7所示)，滿足后續(xù)生物質轉化工藝的需求，無需進一步脫水處理，省去了現(xiàn)有收獲工藝中必需的壓濾或離心等步驟，從而大幅簡化了藻類生物質的收獲流程。

3、本發(fā)明所需的攪拌時間僅為20min。同時，在絮體形成過程中，表面活性劑的疏水作用大大減小了藻細胞周圍水化層的厚度，從而增強了導致絮體形成的范德華力，使得最終形成的絮體具有較高的機械強度，可用粗濾膜直接截留收獲，無需等待其自行沉降。與之相比，普通混凝過程形成的絮體仍然含有大量的自由水，藻細胞仍被較厚的水化層包裹，絮體松散易碎，如用大孔徑的粗濾膜進行截留，易導致絮體破碎，直接穿過粗濾膜，因此，只能在混凝結束后通過靜置沉降或氣浮以收獲生物質。

附圖說明

圖1是本發(fā)明方法收獲藻類生物質的工藝流程示意圖。

圖2是本發(fā)明實施例1選用paa和cpc二元體系收獲蛋白核小球藻zty4的效果圖。

圖3是本發(fā)明實施例2選用pei和sds二元體系收獲聚球藻7002的效果圖。

圖4是paa和cpc二元體系對不同藻類的收獲效率示意圖。

圖5是不同藻類生物質濃度下paa和cpc二元體系對蛋白核小球藻zty4生物質的收獲效率示意圖。

圖6是傳統(tǒng)混凝收獲方法與paa和cpc二元體系收獲方法對蛋白核小球藻zty4生物質濃縮倍數(shù)的對比圖。

圖7是傳統(tǒng)混凝劑與paa和cpc二元體系收獲的蛋白核小球藻zty4生物質的含水率對比圖。

具體實施方式

以下結合附圖及具體實施例，對本發(fā)明作進一步的詳細描述。

圖1是本發(fā)明方法收獲藻類生物質的工藝流程示意圖。在進行收獲之前，培養(yǎng)液中的藻細胞處于懸浮、分散狀態(tài)，由于藻細胞膜上有大量的蛋白質、多糖等親水性物質，藻細胞表面會形成一層較厚的水化層；采用本發(fā)明方法進行收獲后，藻細胞表面的水化層被表面活性劑取代，同時，在相反電性的聚合物的吸附架橋作用下，迅速形成絮體。

圖2是本發(fā)明實施例1選用paa和cpc二元體系收獲蛋白核小球藻zty4(chlorellapyrenoidosazty4)的效果圖。

圖3是本發(fā)明實施例2選用pei和sds二元體系收獲聚球藻7002(synechococcussp.pcc7002)的效果圖。

圖4是paa和cpc二元體系對不同藻類的收獲效率示意圖，其中cpc的投加量為4mm，paa的投加量為400ppm。如圖所示，paa和cpc二元體系對綠藻門的四種藻類和藍藻門的兩種藻類均有較好的收獲效果，收獲效率穩(wěn)定在80％以上。

圖5是不同藻類生物質濃度下paa和cpc二元體系對蛋白核小球藻zty4生物質的收獲效率示意圖。其中，cpc的投加量為4mm。如圖所示，當小球藻生物質的濃度在0.1至4g/l范圍內時，本發(fā)明方法對其的收獲效率穩(wěn)定在80％以上。

圖6是傳統(tǒng)混凝收獲方法與paa和cpc二元體系收獲方法對蛋白核小球藻zty4生物質濃縮倍數(shù)的對比。其中，各種混凝劑的投加劑量均是由前期實驗得到的能夠達到最大收獲效率的最佳值。如圖所示，傳統(tǒng)混凝收獲方法最多只能達到69±15的濃縮倍數(shù)，而本發(fā)明方法對藻類生物質的濃縮倍數(shù)則高達231±45。

圖7是傳統(tǒng)混凝劑與paa和cpc二元體系收獲的蛋白核小球藻zty4生物質的含水率對比圖。其中，各種混凝劑的投加劑量均是由前期實驗得到的能夠達到最大收獲效率的最佳值。如圖所示，經傳統(tǒng)混凝方法收獲后，藻類生物質的含水率仍然高達90％以上，無法滿足后續(xù)轉化工藝的需求；而經本發(fā)明方法收獲后，生物質含水率降低至66.6±7.5％，符合后續(xù)轉化工藝對含水率的要求。

本發(fā)明選用的聚合物與表面活性劑組合為：聚丙烯酸(paa，陰離子聚合物)和西吡氯銨(cpc，陽離子表面活性劑)，或者聚乙烯亞胺(pei，陽離子聚合物)和十二烷基硫酸鈉(sds，陰離子表面活性劑)。paa與cpc的投加比例為90-100ppmpaa/mmcpc，pei與sds的投加比例為90-100ppmpei/mmsds。根據需要收獲的藻類培養(yǎng)液中生物質濃度的不同，cpc或sds的投加量控制在0.5至4mm。向藻類培養(yǎng)液中投加paa與cpc，或者pei與sds后，需快速攪拌(200rpm)15至20min。最終形成的絮體顆粒含水率低(通常在70％以下)、機械強度高，可采用孔徑為100μm的粗濾膜截留，無需等待其自行沉淀。

該方法可用于收獲綠藻門和藍藻門的多種藻類(如附圖4所示)，適用的生物質濃度范圍為0.1至4g/l，收獲效率可以穩(wěn)定在80％以上(如附圖5所示)；適用的ph值范圍為7-11，藻類培養(yǎng)液無需調節(jié)ph值即可直接使用；適用的溫度范圍為15至35度，即為適于藻類生長的常規(guī)溫度，無需特別控溫。

實施例1

選用paa和cpc二元體系收獲蛋白核小球藻zty4。收獲前，小球藻zty4在培養(yǎng)液中的生物質濃度是1.43g/l。向培養(yǎng)液中投加150ppmpaa和1.5mmcpc，用磁力攪拌器以200rpm的轉速連續(xù)攪拌20min后，將混合液倒入分液漏斗中，靜置沉降25min，結果如圖2所示?？梢钥吹?，密實的絮體完全沉降在分液漏斗底部，上清液中幾乎沒有懸浮的藻細胞。取樣測定上清液中的藻類生物質濃度，僅為0.12g/l，即paa和cpc二元體系對小球藻zty4的收獲效率可達91.6％。用100μm的粗濾膜截留收獲分液漏斗底部的絮體，稱重，再將其置于60℃下烘至恒重，再次稱重，前后兩次稱重的重量差即為絮體所含水分的重量，由此可以計算得到絮體的含水率，僅為68.7％。

實施例2

選用pei和sds二元體系收獲聚球藻7002。收獲前，聚球藻7002在培養(yǎng)液中的生物質濃度是1.26g/l，培養(yǎng)液如圖3右側所示。向培養(yǎng)液中投加80ppmpei和0.8mmsds，用磁力攪拌器以200rpm的轉速連續(xù)攪拌20min后，直接用粗濾膜截留收獲形成的絮體，得到的濾液如圖3左側所示。取樣測定濾液中的藻類生物質濃度，僅為0.08g/l，即pei和sds二元體系對聚球藻7002的收獲效率可達93.6％。采用與實施例1相同的方法測定收獲得到的生物質的含水率，僅為65.4％。

上述實施例對本發(fā)明的技術方案進行了詳細說明。顯然，本發(fā)明并不局限于所描述的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，熟悉本技術領域的人員還可據此做出多種變化，但任何與本發(fā)明等同或相類似的變化都屬于本發(fā)明保護的范圍。