絮凝沉降法采收小球藻的研究

摘要：考察了明矾、硫酸铝、聚合氯化铝、三氯化铁、硫酸亚铁、壳聚糖6种常用絮凝剂对小球藻（Chlorella vulgaris）细胞采收的效果，并研究了pH对絮凝采收效果的影响。结果表明，三氯化铁和明矾的絮凝效果较好，当絮凝剂浓度分别为0.6、1.6 g/L时，小球藻细胞采收率分别达到98.3%和98.2%。pH对小球藻细胞最大采收率的影响差异显著，以三氯化铁和明矾为絮凝剂时，pH分别为10和8时为最佳，此时细胞采收率最大。

关键词：小球藻（Chlorella vulgaris）；絮凝沉降；细胞采收；采收率

中国分类号：Q819 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）09-2206-04

单细胞绿藻小球藻（Chlorella vulgaris）因其含有优质蛋白、不饱和脂肪酸等营养成分被用作食品、保健品、饵料等，开发市场广阔[1]。近几年，小球藻因其生长过程能够利用氮、磷而被用于污水处理等方面，并在微藻生物柴油的生产中表现出巨大潜力[2]。但是，与其他藻类比较，小球藻因其细胞小（3～12 μm），采收困难，影响了其工业化应用。

目前，小球藻细胞采收的方法有絮凝法、离心法、过滤法和气浮法等[3-5]，其中离心分离是国内外工厂微藻采收普遍使用的方法，但是此法设备投资大，采收成本高。絮凝沉降法因成本低廉、操作简单被广泛应用于微藻细胞的采收，其主要是利用化学絮凝剂的带电性质使藻细胞聚集沉降，可与其他方法配合使用[6-8]。在絮凝采收方法的研究中，国内外研究大多集中于絮凝剂的选择上，虽然大多数化学絮凝剂对小球藻有毒害作用，影响小球藻后续的工业化应用，但是，在小球藻用于污水处理耦合生物柴油的生产过程中，对此可以不予考虑[4，9]。

本研究考察了絮凝剂的浓度、种类、絮凝时间、pH对小球藻采收率的影响。通过比较明矾、硫酸铝、聚合氯化铝、三氯化铁、硫酸亚铁、壳聚糖6种常用絮凝剂对小球藻细胞的沉降效果，寻找一种针对小球藻的絮凝沉降条件，以期为小球藻用于污水处理等工业化应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

藻种：普通小球藻，原种购自中国科学院淡水藻种库，试验用藻株是由烟台大学微藻生物技术实验室保存并提供。

絮凝剂：明矾、硫酸铝、聚合氯化铝、三氯化铁、硫酸亚铁、壳聚糖，均为化学纯。

仪器：752S型紫外可见分光光度计（上海棱光技术有限公司）；PHS-25型数显pH计（上海精密科学仪器有限公司）；AB104-L型分析天平[驭锘实业（上海）有限公司]。

1.2 方法

1.2.1 小球藻的培养 小球藻培养所用培养基为SE培养基，将其放在1 000 mL三角瓶中培养8 d，得到处于稳定生长期的小球藻悬浮液。

1.2.2 小球藻生物量的测定 小球藻在680 nm处有特征吸收峰，因此测定藻液在680 nm处的吸光度OD680 nm，以OD680 nm来间接表示小球藻的生物量，根据以下公式计算小球藻细胞的采收率。

小球藻细胞采收率=■×100%

式中，OD680 nm-0为初始时刻藻液的吸光度，OD680 nm-t为絮凝时间为t时的藻液吸光度。

1.2.3 絮凝沉降试验 将300 mL小球藻悬浮液置于三角瓶中，其后分别加入不同剂量的铁系、铝系及高分子絮凝剂（表1），用玻璃棒搅匀后静置，然后分别在0、5、15、30、45、60、90、120 min时取上清液在680 nm下测其吸光度，考察其不同絮凝剂对小球藻的絮凝效果。

1.3 数据统计分析

试验数据用Origin 8.0软件和SPSS 13.0软件进行统计分析，根据需要进行单因素方差分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同絮凝剂对小球藻絮凝效果的影响

2.1.1 三氯化铁 不同剂量三氯化铁对小球藻的絮凝效果如图1所示。除了低剂量0.2 g/L三氯化铁处理外，其他浓度处理下小球藻均在加入絮凝剂5 min 后，细胞采收率达到较大值，并且随着絮凝时间的延长，采收率变化很小。其中，三氯化铁浓度为0.4 g/L和0.6 g/L时，细胞沉降效果最好，分别在60 min和30 min时，细胞采收率达到最大，分别为98.0%和98.3%；但当絮凝剂浓度大于0.8 g/L时，细胞采收率反而下降，当三氯化铁浓度为1.0 g/L和1.2 g/L时，小球藻最大采收率仅为84.7%和77.4%。

2.1.2 硫酸亚铁 加入硫酸亚铁后搅拌，小球藻藻液颜色由黄绿色变为墨绿色，之后迅速变为黄棕色，并出现絮凝物，显微镜观察发现有许多黄棕色的团状絮凝物，藻液颜色的变化可能与Fe3+在藻液中的显色效果有关。由图2可知，小球藻细胞的絮凝沉降效果随硫酸亚铁浓度的增加而增大，当絮凝剂浓度小于1.0 g/L时，总体沉降效果较差，最大絮凝采收率均未超过75%，而当硫酸亚铁浓度为1.4 g/L时，藻细胞沉降效果最好，在90 min时最大采收率达到80.7%。

2.1.3 明矾 不同浓度的明矾对小球藻絮凝采收效果的影响如图3所示。从图3可以看出，当明矾浓度为0.6 g/L和0.8 g/L时，絮凝效果较差，最大絮凝采收率分别为47.0%和56.1%。当絮凝剂浓度超过1.0 g/L时，细胞采收率明显提高，但随着明矾浓度的进一步增大，采收率提高不明显；当明矾浓度为1.2、1.6 g/L时，小球藻分别在60 min和30 min采收率达到最大，最大采收率分别为97.6%和98.2%。

2.1.4 硫酸铝 如图4所示，硫酸铝浓度对小球藻细胞采收的影响较为明显，小球藻细胞采收率随着硫酸铝盐浓度的增加而增大，当硫酸铝浓度为1.2 g/L时，细胞的絮凝采收效果最好，45 min时采收率达到最大96.2%，而硫酸铝浓度为1.4 g/L时，小球藻细胞采收率反而下降，其絮凝效果与浓度为1.0 g/L时相当，120 min时最大采收率仅为68.5%。因此，以硫酸铝作为小球藻的絮凝剂时，硫酸铝的用量以1.2 g/L为最佳。

2.1.5 聚合氯化铝 不同浓度聚合氯化铝对小球藻的絮凝效果如图5所示，当聚合氯化铝的浓度分别为0.6、1.0、1.2 g/L时，3种浓度聚合氯化铝对小球藻的絮凝效果相当，絮凝采收率都在沉降120 min时达到最大，分别为95.6%、95.8%和95.5%；当聚合氯化铝浓度为0.8 g/L时，絮凝采收效果最好，絮凝采收率在沉降45 min时达到最大，为96.5%；但当聚合氯化铝的浓度大于1.2 g/L时，随着絮凝剂浓度的增大，絮凝效果反而降低，当聚合氯化铝的浓度为1.6 g/L时，最大絮凝采收率仅为88.3%。

2.1.6 壳聚糖 如图6所示，以壳聚糖作为小球藻的絮凝剂时，不同浓度壳聚糖处理细胞采收率随着沉降时间的延长呈上升趋势，但是总体上壳聚糖对小球藻的絮凝效果较差。不同浓度壳聚糖处理条件下，壳聚糖对小球藻细胞的最大絮凝采收率仅为49.2%。因此，壳聚糖作为一种高分子絮凝剂，对小球藻絮凝作用不明显，不适合作为小球藻采收的絮凝剂。分析原因可能是水溶液中的离子强度较大和某些反键离子的屏蔽作用，妨碍了阳离子高分子絮凝剂靠近带有负电荷的藻细胞，从而使高分子絮凝剂无法起到较好的絮凝沉降作用。

2.2 最佳絮凝剂的选择

絮凝沉降法采收微藻时，絮凝剂浓度、絮凝时间和采收率都是评估絮凝剂性能的重要指标，对6种絮凝剂采收小球藻时的性能进行比较，结果如表2所示。综合考虑絮凝剂的最大采收率和最佳絮凝时间，得到6种絮凝剂中明矾和三氯化铁均适合作为小球藻絮凝采收的絮凝剂。

2.3 pH对絮凝效果的影响

选取絮凝效果较好的2种絮凝剂明矾和三氯化铁，在两者最佳絮凝剂浓度，即三氯化铁浓度为0.6 g/L，明矾的浓度为1.6 g/L的前提下，研究pH对小球藻絮凝沉降效果的影响，结果如图7、图8所示。

图7为不同pH对明矾絮凝小球藻的影响，当藻液pH 7或pH 8时，1.6 g/L明矾对小球藻的絮凝效果较好，最大絮凝采收率分别达到95.6%和97.4%；当pH 6时，不利于小球藻细胞的絮凝采收，最大采收率仅为79.1%。因此，偏酸性的条件不利于明矾对小球藻的絮凝采收，但是当pH大于9，沉降效果反而有所降低，这与报道的高pH有利于藻细胞的絮凝沉降结果不一致[10]，分析可能与所加絮凝剂所带电荷受pH影响不同造成的。

不同pH对三氯化铁絮凝小球藻的影响如图8所示。当pH 6～10时，三氯化铁对小球藻的絮凝效果相当，最大采收率均在97.1%以上，但是随着pH继续增大，絮凝效果反而下降，不利于对小球藻细胞的絮凝采收；当pH 12时，最大絮凝细胞采收率仅为87.34%。调节藻液的pH 10时，絮凝采收效果最好，最大采收率为98.2%。因此，偏碱性的条件有利于三氯化铁对小球藻的絮凝沉降，但碱性不易过强。

不同pH条件下两种絮凝剂对小球藻细胞的最大采收率如图9所示。通过单因素方差分析发现，当以三氯化铁和明矾对小球藻进行絮凝沉降时，pH对小球藻细胞的最大采收率有显著影响（P

3 小结

本试验所用的6种絮凝剂对小球藻都有一定的絮凝效果，金属盐类絮凝剂主要是通过吸附电中和、吸附架桥和卷扫网捕作用使藻细胞絮凝沉降[11]。Fe3+和Al3+等金属阳离子可以中和带有负电荷的藻细胞，使藻细胞间的排斥力降低，从而形成聚集体。在某些条件下，这些金属阳离子还可以形成难溶性的盐，从而通过卷扫网捕作用辅助藻细胞的絮凝沉降[12]。金属盐类絮凝剂中三氯化铁和明矾的絮凝效果较好，当三氯化铁和明矾的浓度分别为0.6、1.6 g/L藻液时，最大絮凝采收率分别达到98.3%和98.2%。硫酸亚铁对小球藻的絮凝效果较差，高分子聚合物壳聚糖对小球藻的絮凝采收效果最差，小球藻细胞的最大絮凝采收率分别为80.7%和49.2%，因此两者不适合作为小球藻采收的絮凝剂。pH对小球藻细胞絮凝采收效果有显著影响，并且最佳pH与所采用的絮凝剂的种类有关。本试验中，以三氯化铁为絮凝剂时，在pH 10时最佳，而以明矾为絮凝剂时，pH 8时最佳。

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