离心微藻采收方法
2017-09-08
文章来源：www.gzmyking.com 作者：离心机厂家 时间：2017-09-08
微藻是一类个体微小的藻类，大部分为水生真核生物，为单细胞或由数个细胞组成. 微藻营养丰富，富含蛋白质、维生素和多不饱和脂肪酸等物质，且生长速度快，单位面积产量高 . 基于这些特点，微藻在生物饵料、保健食品、制药及燃料等工业领域有着非常广泛的应用. 然而，由于微藻个体微小(3∼30 µm)，且在培养液中的浓度很低(<1 g/L)，决定了其采收难度很大. 对于工业规模的微藻养殖，从藻液中采收微藻一直是个瓶颈. 有资料表明，微藻采收的成本占其养殖成本(包括培养和采收)的 20%∼30% . 因此，寻求一种高效率、低成本的采方法是当前亟需解决的问题. 特别是在生物燃油工业方面，目前以微藻为原料的生物柴油生产成本极高，必须大幅降低其生产成本(有90%以上的降低空间 )，而采收是一个重要的环节 .在微藻采收、脱水和干燥作业上可节省 99.75%以上的费用 . 因此，大力研发微藻采收技术对微藻的发展意义重大. 本文综述了目前存在的采收方法，是根据在现有条件下，不同的微藻品种及微藻应用来选择合适的采收方法。以期对微藻采收的后续研究有所裨益.1、微藻及其培养液的特征
微藻个体微小，直径 3∼30 µm，长 5∼300 µm，一般单体肉眼不可见. 个体形状因种类不同有显著差异，常见的有球形、椭球形、针形、月牙形、螺旋管形等. 微藻细胞表面多带负电荷，带电量与具体的藻种有关. 表1 列出了部分微藻细胞的特征 .由于微藻个体微小，且细胞表面多带负电荷，因而其个体在培养液中可以均匀地分散悬浮，形成稳定的分散体系. 同时受光照等因素的影响，微藻培养液的浓度一般都很低，在开放培养体系中，其密度一般低于 1g/L ，即使在封闭的生物反应器中，在强化光照、通气等条件下，其干固物的含量也仅能达到约 30 g/L . 微藻培养液的这些性质都不利于微藻的采收.
微藻采收是工业规模微藻培养的重要环节，然而，由于微藻及其培养液的特殊性，传统的固液分离技术都无法直接用于微藻采收：个体过于微小的微藻及其分泌的有机物会导致滤膜堵塞而使过滤失效 [11,12] ；稳定的藻液悬浮体系无法自然沉降；而藻液的低浓度则使动力离心效率底下、成本极高. 因此，国内外针对微藻的采收一般都先对藻液进行预处理，而后再进行富集分离.藻液预处理是利用物理或化学方法使微藻表面性质或悬浮液的溶液化学环境发生变化的过程. 常用的方法有化学絮凝和物理浓缩等.
在选择微藻采收方式前我们将微藻按终端制成产品应用分类为：高附加值产品、中附加值产品、低附加值产品。
低附加值微藻制品：微藻制生物燃料等
中附加值微藻制品：鱼苗饵料、微藻饼干、微藻面条的小球藻、硅藻、角毛藻、螺旋藻制品等
高附加值微藻制品：微藻提取DHA藻油、微藻提取虾青素的裂壶藻、雨生红球藻等
根据以上微藻终端应用方向我们可以从单位微藻制品能承受的成本来考滤采收工艺与设备的选择。
3.1、低附加值微藻制品：微藻制生物燃料等终端制品，工业级的制品，对于限制条件相对较少，我们可以考滤采用絮凝预处理，浓缩微藻，之后再采用离心分离微藻采收。即可除去大量的培养水体，也能节省大量的离心机能耗，提高采收效率。对于后期藻类干燥也极为有利。
3.2、中附加值微藻制品：鱼苗饵料、微藻饼干、微藻面条等终端制品，整体采收思路还是预浓缩后，进行离心分离微藻采收。由于食品或间接入口，我们需考虑采收时添加剂是否满足食品行业要求。如果无合适的环保絮凝方法处理，只能采用直接离心分离采收微藻。
3.3、高附加值微藻制品：微藻提取DHA藻油、微藻提取虾青素等终端制品，该类产品由于其附加值较高，可选择的采收方法较多，可按及终端制品应用经及微藻特性来选择。比如：裂壶藻发酵生产DHA油，由于DHA油的后期应用多数为奶粉及营养补充类制品。因此该产品对于其制程中要求高。添加物要求严格，因此选用无添加、不影响藻类本身性质的物理方法采收更为合适，在线前提下，离心采收或其他的物理采收方法为首选。
4、微藻的富集与分离
在对藻液进行预处理后，即可进行富集与分离处理.常用的分离方法有沉淀、气浮、离心和过滤.
4.1 沉降
沉降(沉淀)是最经典的分离方法之一. 沉降效率主要受絮凝体密度的影响，因此，微藻细胞本身的密度是一个重要的影响因素. 添加凝聚剂或絮凝剂是提高沉降效率的重要手段，但我们需要考虑添加的药剂的瑼保性与安全性，而且药剂不同絮凝沉降的效率也不同.
4.2 过滤
过滤法也是常用的固液分离法，可以作为絮凝沉降的下游工艺，也可以直接用于微藻的回收. 这里的过滤主要指直接过滤法.微藻细胞的大小是直接过滤最主要的影响因素.细胞较大(较长)或以群体形式存在的微藻不易堵塞滤网的孔，而个体较小的微藻却会令滤膜在很短的时间内失效. 此外，培养液的微细颗粒、细胞代谢产生的大分子物质、细胞残片等也会引起膜的污染. 研究者认为，较小藻细胞的微藻采用过滤法在小规模的微藻采收中应用效果较好，由于成本、效率等问题，工业规模的微藻浓缩不宜采用直接过滤法.
4.3 离心
离心分离法是目前应用最为广泛的微藻生物量采收法，大部分微藻都可采用离心分离法采收. 90年代有论文对离心分离法用于微藻生物量的采收进行了系统的阐述. 相对研究者对 9 种微藻进行沉降离心分离采收，通过控制进料流量来控制藻液在离心机中停留的时间，来达到离心微藻采收的理想效果。研究表明，生物量的回收率与微藻的沉降特性、藻液的停留时间及沉降的深度有关，在合适的条件下，微藻回收率可达99%.离心分离效率较高，但运行成本较高，在过去20多年的今天，到目前为止工业规模培养微藻、以及采收离心法还是应用最广泛的一种采收方法.
4.4 气浮法
气浮分离一般在分离前先向悬浮液中加入絮凝剂，使悬浮的微生物或细胞产生絮凝，然后从气浮装置底部通过气体分配头放出大量微细气泡，这些小气泡在上浮过程中碰到絮凝体则吸附其上，从而减小絮凝体的总体密度，使其上浮到液体表面，再由刮板刮入贮槽而达到悬浮物分离或微藻采收目的. 气浮法不同于泡载法之处在于，气浮法是利用大量极其微小(<0.1 mm)的气泡附着于微藻等絮凝体上，使其密度变低而上浮， 目前，生成微泡的方法有以下几种：(1) 机械成泡，即通过机械力将气体切割为微小气泡. 这类方法设备简单，但产生的气泡较大(0.5∼1 mm)，不易与细小颗粒和絮凝体吸附，强烈搅拌反而易将絮体打碎，因此分散空气气浮不适于处理含细小颗粒与絮体的体系；(2) 溶气法，使空气在一定压力下溶于水中并呈饱和状态，然后突然降低压力，使气体的溶解度降低，水中溶解的空气会从水中析出，形成微小的气泡. 用这种方法产生的气泡直径约为 0.01∼0.1 mm，直径小，粒度均匀，密集度大，且上浮稳定，对液体扰动微小，因此特别适用于对疏松絮凝体、细小颗粒的分离.但我们还需考虑添加絮凝剂的问题。
5、结论与展望
在许多同行认为微藻采收成本过高时，我认为按产品附加值来选择合适的采收方式是为最妥的微藻采收法。当然在当下比如油微藻的产业化关键问题是生产成本，特别是培养和采收的成本过高，使之无法与传统能源竞争。因此，降低成本是微藻能源市场化必须解决的问题. 然而，对于被视为微藻产油工业化瓶颈的采收环节，目前没有任何高效且低能耗的办法，相关的研究也相对较少. 首先，在预处环节，化学法虽然效率高，但会产生许多副产物，对下游处理工艺有很大影响，而物理法能耗太高，效率低下，因此寻找一种绿色高效的预处理方法是需要解决的一个难题. 其次，对浓缩富集环节同样存在低效或高能耗的问题，因此，从微藻培养液浓度低、颗粒细的特性出发，气浮法将是一个可行的途径，针对溶气气浮法工艺复杂、能耗较高的缺陷，如何高效地产生微气泡是需要重点解决的问题.