CN105505780A - 一种微藻收集方法及微藻 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微藻领域，具体涉及一种微藻收集方法及微藻。本发明提供的微藻收集方法，其步骤包括，通过惰性电极向微藻培养液通电对微藻细胞进行电击后，再加入无机絮凝剂进行絮凝，不仅可以大幅减少絮凝剂用量，而且大幅度的缩短了絮凝时间，微藻絮凝率高，更经济高效。特别针对一些具鞭毛微藻活动能力较强的微藻效果更突出。

Description

一种微藻收集方法及微藻
技术领域
本发明涉及微藻领域，特别涉及一种微藻收集方法及采用此微藻收集方法收集的微藻。
背景技术
相对于高等植物，微藻具有细胞增殖快，光合效率高，培养周期短，单位面积生物质产量高；富含大量蛋白质、多糖、色素和油脂等物质，可以广泛应用于饲料、食品、医药保健品、化妆品和可再生燃料等领域；可利用废水、废气等废弃资源作为营养源；可利用盐碱地、沙漠和海域养殖，不与粮争地，不与人争粮，也可利用城市生活污水和工业废水等养殖，有利于环境治理。因此，微藻生物能源被认为是一种极具发展潜力的生物能源。目前，微藻生物能源因产品因成本高而难以产业化，微藻能源产品的制备包括微藻培养、藻体收集和能源化转化等环节，每个环节都有待于进一步降低成本。
微藻通常收集方法为离心，目前普遍应用于经济藻类培养中，如螺旋藻、雨生红球藻、杜氏盐藻等。对于产业终端产品价格较低的能源微藻而言，离心法显然成本太高。因此，研究适合于能源微藻的收集方法对推进微藻能源商业化就有重要意义。
目前研究报道的能源微藻收集方法主要有离心、过滤、气浮和絮凝等，絮凝由于设备投入和操作费用低而受到关注。絮凝方法主要有化学絮凝、生物絮凝、超声波絮凝和电絮凝等。化学絮凝一般是通过向微藻培养液中加入化学试剂(絮凝剂)而达到微藻絮凝的目的。絮凝剂主要有无机小分子、无机高分子聚合物、有机高分子聚合物等，海洋微藻培养介质(海水)由于盐度较高，高分子絮凝剂应用与海洋微藻絮凝，絮凝效果与pH和盐度有关，在大规模海洋微藻收集中，调整大量水体的pH和盐度难以实现，且不利于水体循环利用。因此，无机小分子絮凝剂比较适合于海洋微藻，无机小分子(氯化铝、氯化铁)絮凝剂虽然价格低廉，但存在使用剂量大、絮凝效果较差、絮凝时间较长等缺点，尤其是对一些活动能力较强的带鞭毛的藻类，絮凝时间长且絮凝剂使用量大，成本高。
电絮凝是指利用电的解离作用，在化学凝聚剂(例如有固体硫酸铝、液体硫酸铝、明矾、聚合氯化铝、三氯化铁、硫酸亚铁等)的协助下，使用铁电极(或者铝电极)，通电时电极溶解缓慢释放铁离子(或铝离子)至溶液中，当离子达到一定浓度时产生对微藻的絮凝作用，整个过程用时较长，且消耗电极材料，需更换电极，成本高。
发明内容
本发明旨在克服现有技术中的微藻收集方法耗时长、成本高的问题，提供一种絮凝剂使用量小、絮凝效果好、能较大幅度缩短絮凝时间的更为经济的微藻收集方法及采用此微藻收集方法收集的微藻。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种微藻收集方法，其步骤包括，通过惰性电极向微藻培养液通电对微藻细胞进行电击后，再加入无机絮凝剂进行絮凝。
一些实施例中，通电电流为恒压恒流，电流的大小为0.5-1.5A。
一些实施例中，电击的时间为1-3min。
一些实施例中，惰性电极包括阳极和阴极，所述阳极为石墨，所述阴极为氧化钌。
一些实施例中，絮凝的时间为15-70min。
一些实施例中，无机絮凝剂选自氯化铁、氯化铝、硫酸铝、硫酸亚铁、明矾中的一种或几种。
一些实施例中，加入无机絮凝剂后的微藻培养液中的无机絮凝剂浓度为10mg/L-100mg/L。
一些实施例中，微藻培养液选自湛江等鞭金藻培养液、叉鞭金藻培养液、四爿藻培养液、甲藻培养液中的一种或几种；微藻培养液中微藻的浓度为0.1-0.5g/L(干重)。
一些实施例中，步骤还包括絮凝后静置沉淀；所述静置沉淀的时间为10-60min。
本发明同时还提供了一种微藻，其通过上述微藻收集方法收集得到。
本发明的有益效果在于：
本发明在长期的实验研究中意外发现，电击能使微藻的运动能力短时间内迅速丧失，基于此意外发现，本发明进行进一步研究，采用本发明的技术方案，先通过惰性电极向微藻培养液通电对微藻细胞进行电击，使微藻细胞迅速丧失活动能力，然后再加入无机絮凝剂进行絮凝，不仅可以大幅减少絮凝剂用量，而且大幅度的缩短了絮凝时间，且本发明前期通电只是使微藻细胞丧失活动能力，只需有电流即可，并不等同于电絮凝中的需溶解出铁离子(或铝离子)的铁电极(或者铝电极)，而是采用惰性电极，不会消耗电极材料，无需更换电极。本发明的方法微藻絮凝率高，更经济高效。特别针对一些具鞭毛微藻活动能力较强的微藻效果更突出。
附图说明
图1为本发明实施例7的藻细胞死亡率随时间变化图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，下面描述的具体实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明提供了一种微藻收集方法，其步骤包括，通过惰性电极向微藻培养液通电对微藻细胞进行电击后，再加入无机絮凝剂进行絮凝。该方法絮凝剂使用量小、絮凝效果好、能较大幅度缩短絮凝时间、成本低更为经济。
本发明通过惰性电极对微藻培养液通电，惰性电极再通过外部电源接入电流，本发明优选采用恒压稳流电源，优选，通电电流为恒压恒流，进一步优选，电流的大小为0.5-1.5A。一些实施例中，优选，电击的时间为1-3min。使微藻的运动能力在短时间内迅速丧失。
一般惰性电极包括阳极和阴极，本发明优选阳极为石墨，阴极为氧化钌。具体的使用方法可以在电解槽中，采用垂直放入两块平行的极板分别作为阳极和阴极，极板间距优选为2-4cm。
本发明可大幅度的缩短絮凝时间，更为高效，一些实施例中，优选，絮凝的时间为15-70min。
其中，加入絮凝剂的方法，本发明没有限制，可以一次加入，也可以分次加入，加入的同时也可以搅拌，例如磁力搅拌，本发明没有限制，本发明的加入絮凝剂是在微藻细胞经过电击后，加入絮凝剂的同时一般不再需要通电。无机絮凝剂本发明也可称为无机凝聚剂，常用的有铝盐、铁盐等，一些实施例中，本发明优选，无机絮凝剂选自氯化铁、氯化铝、硫酸铝、明矾中的一种或几种。
本发明可大幅减少絮凝剂用量，只需少量的絮凝剂即可实现高的絮凝率，一些实施例中，本发明优选加入无机絮凝剂后的微藻培养液中的无机絮凝剂浓度为10mg/L-100mg/L。絮凝剂用量更为合适。
本发明的方法适用于任何微藻培养液，特别适用于具鞭毛微藻活动能力较强的微藻，一些实施例中，本发明优选，微藻培养液选自湛江等鞭金藻培养液、叉鞭金藻培养液、四爿藻培养液、甲藻培养液中的一种或几种。优选，微藻培养液中微藻的浓度为0.1-0.5g/L(干重)。
其中，微藻收集方法本发明还可含有其他步骤，例如微藻培养液的配置、预处理等，本发明没有限制。本发明的一些实施例中，具体步骤还可包括絮凝后静置沉淀，优先静置沉淀的时间为10-60min。本发明还可对沉淀进行后处理，例如洗涤等，本发明没有限制，可根据需要进行处理。
本发明的微藻收集方法步骤具体可以为：在电解槽中，垂直放入两块平行的极板分别作为阳极和阴极，以石墨为阳极，以氧化钌为阴极，极板间距2-4cm，加入微藻培养液，用恒压稳流电源控制电流恒定0.5-1.5A，通1-3min，300rpm搅拌。加入氯化铁使溶液中氯化铁终浓度为10mg/L-100mg/L，以200-300rpm搅拌1-3min后，以50-100rpm慢速搅拌3-10min，静置沉淀10-60min，测定微藻絮凝率。
本发明同时还提供了一种微藻，其通过上述微藻收集方法收集得到。本发明的微藻收集率高，纯度高。
以下是本发明提供的具体实施例，用以说明上述方案及其各种条件的选取。本发明实施例中所用试剂均采用市购分析纯。
实施例1A
在容积为1.5L的电解槽中(长10cm、宽10cm、高15cm)，垂直放入两块平行极板(长10cm、宽8cm、厚0.3cm)，以石墨为阳极，以氧化钌为阴极，电极间距为4cm，加入浓度为0.15g/L(干重)湛江等边金藻培养液1.0L，装置置于磁力搅拌器上，以300rpm搅拌，用恒压稳流电源控制电解槽电流恒定为0.5A，通电3min，加入氯化铁使溶液中氯化铁终浓度为10mg/L，继续以200rpm搅拌3min，调整搅拌速率为50rpm，搅拌8min，静置20min，测定絮凝率为83.5％。
絮凝率测定方法：以絮凝前后培养液中藻细胞密度的变化计算絮凝率，细胞计数使用血球计数板在显微镜下计数，絮凝率f使用下式计算：
f = N t - N 0 N 0 × 100 %
N0：絮凝前，培养液中藻细胞密度，Nt：絮凝后，培养液上层金藻细胞密度。
对比例1A
取1L浓度为0.15g/L(干重)湛江等鞭金藻培养液于容积为2L的烧杯中，加入终浓度为10mg/L的氯化铁，200rpm搅拌3min后，50rpm搅拌8min，静置20min，测定絮凝率为45.8％。
对比例1B
在容积为1.5L的电解槽中(长10cm、宽10cm、高15cm)，垂直放入两块平行极板(长10cm、宽8cm、厚0.3cm)，以石墨为阳极，以氧化钌为阴极，电极间距为4cm，加入浓度为0.15g/L湛江等边金藻培养液1.0L，装置置于磁力搅拌器上，以300rpm搅拌，用恒压稳流电源控制电解槽电流恒定为0.5A，通电3min，静置20min，测定絮凝率为9.8％。
从上结果可以看出，在相同条件下，本发明的微藻收集方法使湛江等鞭金藻的絮凝率提高了49.6％。
实施例1B
采用与实施例1A相同的方法步骤收集湛江等边金藻，不同的是通电电流为1A，测定絮凝率为87.6％。
实施例1C
采用与实施例1A相同的方法步骤收集湛江等边金藻，不同的是通电电流为1.5A，测定絮凝率为92.6％。
实施例1D
采用与实施例1A相同的方法步骤收集湛江等边金藻，不同的是通电时间为4min，测定絮凝率为83.8％。
实施例2
采用与实施例1A相同的方法步骤收集微藻，不同的是微藻培养液为浓度为0.15g/L(干重)的四爿藻培养液，测定絮凝率为72.5％。
对比例2A
采用与对比例1A相同的方法步骤收集微藻，不同的是微藻培养液为浓度为0.15g/L(干重)的四爿藻培养液，测定絮凝率为52.8％。
对比例2B
采用与对比例1B相同的方法步骤收集微藻，不同的是微藻培养液为浓度为0.15g/L(干重)的四爿藻培养液，测定絮凝率为6.6％。
实施例3
在容积为1.5L的电解槽中(长10cm、宽10cm、高15cm)，垂直放入两块平行极板(长10cm、宽8cm、厚1.5cm)，以石墨为阳极，以氧化钌为阴极，电极间距为1cm，加入浓度为0.27g/L湛江等边金藻培养液1.0L，装置置于磁力搅拌器上，以200rpm搅拌，用恒压稳流电源控制电解槽电流恒定为1.5A，通电1min，加入氯化铁使溶液中氯化铁终浓度为100mg/L，继续以200rpm搅拌3min，调整搅拌速率为80rpm，搅拌8min，静置60min，测定絮凝率为92.5％。
对比例3A
取1L浓度为0.27g/L湛江等边金藻培养液于容积为2L的烧杯中，置于磁力搅拌器上，加入氯化铁使溶液中氯化铁终浓度为100mg/L，继续以200rpm搅拌3min，调整搅拌速率为80rpm，搅拌8min，静置60min，测定絮凝率为70.2％。
对比例3B
在容积为1.5L的电解槽中(长10cm、宽10cm、高15cm)，垂直放入两块平行极板(长10cm、宽8cm、厚1.5cm)，以石墨为阳极，以氧化钌为阴极，电极间距为1cm，加入浓度为0.27g/L湛江等边金藻培养液1.0L，装置置于磁力搅拌器上，以200rpm搅拌，用恒压稳流电源控制电解槽电流恒定为1.5A，通电1min，静置60min，测定絮凝率为12.6％。
从上结果可以看出，在相同条件下，本发明的微藻收集方法使湛江等边金藻的絮凝率提高了31.8％。
实施例4
在容积为1.5L的电解槽中(长10cm、宽10cm、高15cm)，垂直放入两块平行极板(长10cm、宽8cm、厚0.3cm)，以石墨为阳极，以氧化钌为阴极，电极间距为2cm，加入浓度为0.47g/L湛江等边金藻培养液1.0L，将装置置于磁力搅拌器上，以300rpm搅拌，用恒压稳流电源控制电解槽电流恒定为1.5A，通电2min即停止，加入氯化铁使溶液中氯化铁终浓度为80mg/L，继续以300rpm搅拌2min，调整搅拌速率为100rpm，搅拌10min，静置30min，测定絮凝率为95.7％。
对比例4A
取1L浓度为0.47g/L湛江等边金藻培养液于容积为2L的烧杯中，置于磁力搅拌器上，加入氯化铁使溶液中氯化铁终浓度为80mg/L，300rpm搅拌10min后，100rpm慢速搅拌10min，静置沉降40min，测定絮凝率为68.3％。
对比例4B
在容积为1.5L的电解槽中(长10cm、宽10cm、高15cm)，垂直放入两块平行极板(长10cm、宽8cm、厚0.3cm)，以石墨为阳极，以氧化钌为阴极，电极间距为2cm，加入浓度为0.47g/L湛江等边金藻培养液1.0L，将装置置于磁力搅拌器上，以300rpm搅拌，用恒压稳流电源控制电解槽电流恒定为1.5A，通电2min即停止，静置30min，测定絮凝率为11.5％。
从上结果可以看出，在相同条件下，本发明的微藻收集方法使湛江等边金藻的絮凝率提高了40.1％。
实施例5
在容积为1.5L的电解槽中(长10cm、宽10cm、高15cm)，垂直放入两块平行极板(长10cm、宽8cm、厚0.3cm)，以石墨为阳极，以氧化钌为阴极，电极间距为2cm，加入浓度为0.37g/L湛江等边金藻培养液1.0L，将装置置于磁力搅拌器上，以300rpm搅拌，用恒压稳流电源控制电解槽电流恒定为1.5A，通电2min即停止，加入氯化铁使溶液中氯化铁终浓度为70mg/L，继续以300rpm搅拌2min，调整搅拌速率为100rpm，搅拌10min，静置30min，测定絮凝率为94％。
对比例5A
取1L浓度为0.37g/L湛江等边金藻培养液于容积为2L的烧杯中，置于磁力搅拌器上，加入氯化铁使溶液中氯化铁终浓度为250mg/L，300rpm搅拌10min后，100rpm慢速搅拌10min，静置沉降40min，测定絮凝率为93.5％。
从上结果可以看出，取得相同絮凝效果，本发明方法减少了絮凝剂加入量72％。
对比例5B
在容积为1.5L的电解槽中(长10cm、宽10cm、高15cm)，垂直放入两块平行极板(长10cm、宽8cm、厚0.3cm)，阴极和阳极均为铁材料，电极间距为2cm，加入浓度为0.37g/L湛江等边金藻培养液1.0L，将装置置于磁力搅拌器上，以300rpm搅拌，用恒压稳流电源控制电解槽电流恒定为1.5A，通电28min即停止，静置90min，测定絮凝率为93.7％。
从上结果可以看出，取得相同絮凝效果，本发明方法通电时间仅为2min，比电絮凝缩短92.9％，大大降低电能消耗。
实施例6
在容积为1.5L的电解槽中(长10cm、宽10cm、高15cm)，垂直放入两块平行极板(长10cm、宽8cm、厚0.3cm)，以石墨为阳极，以氧化钌为阴极，电极间距为2cm，加入浓度为0.37g/L湛江等边金藻培养液1.0L，将装置置于磁力搅拌器上，以300rpm搅拌，用恒压稳流电源控制电解槽电流恒定为1.5A，通电2min即停止，加入氯化铁使溶液中氯化铁终浓度为30mg/L，继续以300rpm搅拌2min，调整搅拌速率为100rpm，搅拌10min，静置30min，测定絮凝率为82.5％。
对比例6
取1L浓度为0.37g/L湛江等边金藻培养液于容积为2L的烧杯中，置于磁力搅拌器上，加入氯化铁使溶液中氯化铁终浓度为150mg/L，300rpm搅拌10min后，100rpm慢速搅拌10min，静置沉降40min，测定絮凝率为82.1％。
从上结果可以看出，取得相同絮凝效果，本发明方法减少了絮凝剂加入量80％。
实施例7
在容积为1.5L的电解槽中(长10cm、宽10cm、高15cm)，垂直放入两块平行极板(长10cm、宽8cm、厚1.5cm)，以石墨为阳极，以氧化钌为阴极，电极间距为1cm，加入浓度为0.27g/L湛江等边金藻培养液1.0L，装置置于磁力搅拌器上，以200rpm搅拌，用恒压稳流电源控制电解槽电流恒定为1.5A，通电过程中，间隔一定时间从电解槽中取出5ml样品，用显微镜计算藻细胞死亡率，藻细胞死亡率随时间变化如附图1所示(实验3次，取平均值)。证明：向培养液中通电，导致了微藻细胞活力丧失，即死亡，微藻细胞死亡后，无活动能力，易于絮凝，实验证明通电2min细胞就死亡了，本发明使用的惰性电极，通电只是起到细胞失活作用，并无絮凝作用，因此延长通电时间也不会有通电对微藻絮凝的促进作用。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种微藻收集方法，其特征在于，步骤包括，通过惰性电极向微藻培养液通电对微藻细胞进行电击后，再加入无机絮凝剂进行絮凝。
2.根据权利要求1所述的收集方法，其特征在于，所述通电电流为恒压恒流，电流的大小为0.5-1.5A。
3.根据权利要求1所述的收集方法，其特征在于，所述电击的时间为1-3min。
4.根据权利要求1所述的收集方法，其特征在于，所述惰性电极包括阳极和阴极，所述阳极为石墨，所述阴极为氧化钌。
5.根据权利要求1所述的收集方法，其特征在于，所述絮凝的时间为15-70min。
6.根据权利要求1所述的收集方法，其特征在于，所述无机絮凝剂选自氯化铁、氯化铝、硫酸铝、明矾中的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的收集方法，其特征在于，加入无机絮凝剂后的微藻培养液中的无机絮凝剂浓度为10mg/L-100mg/L。
8.根据权利要求1所述的收集方法，其特征在于，所述微藻培养液选自湛江等鞭金藻培养液、叉鞭金藻培养液、四爿藻培养液、甲藻培养液中的一种或几种；所述微藻培养液中微藻的浓度为0.1-0.5g/L。
9.根据权利要求1所述的收集方法，其特征在于，所述步骤还包括絮凝后静置沉淀；所述静置沉淀的时间为10-60min。
10.一种微藻，其特征在于，通过权利要求1-9任意一项所述的微藻收集方法收集得到。
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