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Harvesting of microalgae Isochrysis zhangjiangensis by electro-flocculation

电絮凝法收集湛江等鞭金藻



全 文 :第 14卷第 1期
2016年 1月
生  物  加  工  过  程
Chinese Journal of Bioprocess Engineering
Vol􀆰 14 No􀆰 1
Jan􀆰 2016
doi:10􀆰 3969 / j􀆰 issn􀆰 1672-3678􀆰 2016􀆰 01􀆰 010
收稿日期:2015-06-09
基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)(2012AA052101)
作者简介:章表明(1983—),男,江西宁都人,博士,高级工程师,研究方向:生物质利用与生物能源;胥维昌(联系人),教授级高工,E⁃mail:
xuweichang@ sinochem.com
电絮凝法收集湛江等鞭金藻
章表明,王加友,王大志,胥维昌
(沈阳化工研究院有限公司 生物技术研究中心,辽宁 沈阳 110021)
摘  要:建立了海洋微藻湛江等鞭金藻( Isochrysis zhangjiangensis)的电场絮凝收集方法。 考察不同电极对絮凝率的
影响,通过正交试验进行条件优化,分析了收集藻体的油脂含量及脂肪酸组成。 结果表明:Al电极具有较高的絮凝
率,但 Fe电极具有较好的经济性。 电流密度对絮凝率影响最大,其次是通电时间,最小是极板间距。 最优电絮凝
条件为电流密度 12 mA / cm2、通电 30 min以及极板间距 2􀆰 0 cm,在此条件下,湛江等鞭金藻的絮凝率为 92􀆰 7%,电
絮凝过程能耗为 2􀆰 0 kW·h / kg(以电收获微藻的干质量计)。 电场絮凝和直接离心收集的藻体在油脂含量和主要
脂肪酸组成及含量上均无明显差异。
关键词:湛江等鞭金藻;电絮凝;收集
中图分类号:Q819        文献标志码:A        文章编号:1672-3678(2016)01-0054-04
Harvesting of microalgae Isochrysis zhangjiangensis by electro⁃flocculation
ZHANG Biaoming,WANG Jiayou,WANG Dazhi,XU Weichang
(Biotechnology Research Center,Shenyang Chemical Research Institute Co􀆰 ,Ltd􀆰 ,Shenyang 110021,China)
Abstract:An electroflocculation method to harvest marine microalgae Isochrysis zhangjiangensis was
established. Effects of different electrodes on electro⁃flocculation rate were tested. The conditions for
electroflocculation were optimized by orthogonal test. Fat content and fatty acid composition of Isochrysis
zhangjiangensis harvested by electro⁃flocculation were analyzed. Aluminum electrode had a higher
flocculation rate than that of iron electrode,but iron electrode had a lower cost. Current density had the
most effect on flocculation rate, followed by power⁃on time and distance between the plates. Optimal
conditions for the electro⁃flocculation process were:12 mA / cm2 current density,30 min power⁃on time and
2 cm plate spacing. Under the optimal conditions, the electro⁃flocculation process for Isochrysis
zhangjiangensis reached a flocculation rate of 92􀆰 7% and an energy consumption of 2􀆰 0 kW·h / kg algae
(dry weight) . The fat content and fatty acid composition of Isochrysis zhangjiangensis harvested by
centrifugation was similar to that by electro⁃flocculation.
Keywords:Isochrysis zhangjiangensis;electro⁃flocculation;harvesting
    能源微藻具有生长周期短、油脂含量高、面积
产量大和不占用耕地等优点[1-2],受到了国内外的
广泛关注。 研究人员在藻种选育、培养、收集和油
脂提取等方面开展了大量研究[3-5]。
据估算,仅微藻收集就占微藻生物柴油生产成
本的 20%~ 30%[6]。 目前,微藻的收集方法主要有
沉淀、离心、浮选、过滤和絮凝等[7-8],这些方法都存
在各自的优缺点,如离心法收集率高,但能耗大、沉
降法耗时长、过滤法易堵塞膜系统等。 微藻絮凝可
分为自发絮凝、化学絮凝和电解絮凝等[9]。 自发絮
凝主要通过调节培养液 pH 实现,不利于水体重复
利用[10];化学絮凝通过加入无机、有机高分子絮凝
剂达到絮凝目的,会引入一些外源阴离子[11]。 电絮
凝作为一种新型的絮凝方法,无需外加絮凝剂,而
是通过阳极电解产生金属阳离子,收集后的水体中
不残留 SO2-4 或 Cl
-等阴离子[12],有利于水体循环利
用。 Adam等[13]系统研究了淡水微拟球藻的电絮凝
收集条件,刘洋等[14]则研究了海洋拟微绿球藻电场
絮凝收集盐度、搅拌速率影响以及絮凝机制等,絮
凝率均达到 90%以上。 本文中,笔者研究海洋湛江
等鞭金藻( Isochrysis zhangjiangensis)电絮凝收集的
能耗、电极材料消耗以及收获藻体的油脂含量及主
要脂肪酸组分变化,以阐明电絮凝技术应用于能源
微藻收集的可行性。
1  材料与方法
1􀆰 1  湛江等鞭金藻
湛江等鞭金藻( Isochrysis zhangjiangensis)由中
国科学院大连化学物理研究所提供。 藻种经笔者
平板划线纯化。 从琼脂平板挑取单细胞藻落,经逐
级放大培养获得种子,将种子接种至加有 f / 2 培养
基[15]的板式反应器中培养。 培养条件: 温度
(25±1) ℃,光照强度(10 000±1 000) lx,光照时间
(h)和黑暗时间(h)比值为 12 ∶ 12 ,起始藻细胞密度
为2􀆰 0×107 个 / mL。
1􀆰 2  电絮凝方法
电解槽容积 1 L(10 cm × 10 cm × 10 cm),电极
有效面积 60 cm2(8 cm × 7􀆰 5 cm),在电解槽中垂直
放入两块平行铝板分别作为阴极和阳极。 试验所
需电流由 DH1715E 4型恒压稳流电源(北京大华
无线电仪器厂)提供,絮凝槽置于 85 2A型磁力搅
拌器(江苏顺华仪器有限公司)上,以恒定转速 200
r / min进行搅拌。
采用血球计数法测定藻细胞密度,絮凝率 ƒ 使
用式(1)计算。
f =
Nt - N0
N0
× 100% (1)
式中:N0为絮凝前金藻细胞密度,个 / mL;Nt为絮凝
后培养液上层金藻细胞密度,个 / mL。
1􀆰 3  油脂提取
将絮凝后的藻体冷冻干燥,称取 100 mg藻粉加
入 2􀆰 0 mL 提取溶剂,用超声仪辅助萃取 10 min,
4 000 r / min 离心 10 min 后,收集上层溶液[16]。 按
照上述方法,提取 3 次,合并提取液,用 N2 吹扫,待
溶剂挥发至少于 0􀆰 5 mL,转移至干燥烘箱中,60 ℃
烘干 16 h后称质量。
1􀆰 4  脂肪酸组成分析
称取 50 mg 藻粉,按文献[16]方法进行脂肪酸
组分相对含量分析。 向干藻粉中加入体积分数 1%
的 H2SO4 甲醇溶液,70 ℃水浴 2 h,加入去离子水
和正己烷萃取,取正己烷层,在空气吹扫下缓慢挥
发溶剂,吹干后再加入少量正己烷溶解,即可进行
气相色谱分析。 分析条件:安捷伦 6890型气相色谱
仪,FID检测器,安捷伦 DB 23 毛细管气相色谱柱
(30 m × 0􀆰 32 mm × 0􀆰 25 μm),分流比 30 ∶ 1,进样
器 270 ℃,检测器 280 ℃,升温程序为 130 ℃保持 1
min,130~170 ℃升温速率为 10 ℃ / min,70 ~ 215 ℃
升温速率为 2􀆰 8 ℃ / min,215 ℃保持 1 min结束。
2  结果与讨论
2􀆰 1  电极材料的选择
电絮凝过程中,电极材料的选择至关重要,通
常使用 Fe和 Al作为电极材料[17]。 笔者以 Al和 Fe
为电极,考察电絮凝湛江等鞭金藻的絮凝效果,结
果如图 1所示。 由图 1可知:Al电极絮凝效果比 Fe
电极效果好,这与文献[17]报道结果一致。 通电 50
min时,Al电极絮凝率比 Fe电极高 23􀆰 4%。
图 1  电极材料对絮凝效果的影响
Fig􀆰 1  Effects of electrode materials on flocculation
但仅考虑絮凝率是不够的,经济性是一个更为
重要的衡量指标。 在电絮凝过程中,阳极材料不断
消耗,因此过程的经济性分析也应考虑电极材料消
耗成本。 Al材料售价要比 Fe 价格高很多,根据法
拉利电解定律[18]可计算出电解时阳极的消耗速率,
从而算出电絮凝过程中阳极材料消耗的成本(本研
究中电流 I为 0􀆰 94 A,Al按 17 000元 / t、Fe按 2 000
元 / t计)。 图 2显示了絮凝过程中单位质量微藻生
物质(干质量)与电极材料消耗成本之间的关系。
55  第 1期 章表明等:电絮凝法收集湛江等鞭金藻
可见用 Al作电极,电极消耗成本要比 Fe高很多。
图 2  电絮凝过程中阳极材料的成本
Fig􀆰 2  Cost for anode material consumed in
electroflocculation process
此外,Fe3+作为叶绿素的组成部分,在微藻代谢
中具有重要作用,在金藻的培养基中就含有大量的
Fe3+[15]。 用 Fe 作阳极,絮凝后水体中残留的溶解
Fe 可作为培养水体循环利用时微藻生长的营养元
素,利于节约培养基成本。
2􀆰 2  絮凝影响因素考察
在单因素影响考察的基础上,选定电流强度、通
电时间和极板间距这 3个重要影响因素,进行三因素
四水平正交试验,结果和分析如表 1和表 2所示。
由表 2中极差值可知,各因素对絮凝率的影响从
大到小依次为电流密度、通电时间、极板间距。 最佳
絮凝条件为电流密度 12 mA / cm2、通电时间 25 min、
极板间距 2􀆰 0 cm,在此条件下,絮凝率为 87􀆰 0%。
表 1  正交试验设计与结果
Table 1  Results and design of orthogonal experiments
序号

电流强度 /
(mA·cm-2)

通电时间 /
min

极板间距 /
cm
絮凝率 /

1 6􀆰 0(1) 10(1) 1􀆰 0(1) 9􀆰 3
2 9􀆰 0(2) 10(1) 2􀆰 0(2) 28􀆰 9
3 12􀆰 0(3) 10(1) 3􀆰 0(3) 35􀆰 0
4 15􀆰 0(4) 10(1) 4􀆰 0(4) 49􀆰 4
5 6􀆰 0(1) 15(2) 2􀆰 0(2) 17􀆰 6
6 9􀆰 0(2) 15(2) 1􀆰 0(1) 33􀆰 6
7 12􀆰 0(3) 15(2) 4􀆰 0(4) 66􀆰 9
8 15􀆰 0(4) 15(2) 3􀆰 0(3) 69􀆰 2
9 6􀆰 0(1) 20(3) 3􀆰 0(3) 25􀆰 2
10 9􀆰 0(2) 20(3) 4􀆰 0(4) 42􀆰 6
11 12􀆰 0(3) 20(3) 1􀆰 0(1) 73􀆰 5
12 15􀆰 0(4) 20(3) 2􀆰 0(2) 76􀆰 6
13 6􀆰 0(1) 25(4) 4􀆰 0(4) 42􀆰 6
14 9􀆰 0(2) 25(4) 3􀆰 0(3) 65􀆰 4
15 12􀆰 0(3) 25(4) 2􀆰 0(2) 87􀆰 0
16 15􀆰 0(4) 25(4) 1􀆰 0(1) 59􀆰 4
表 2  正交试验结果极差分析
Table 2  Range analysis of result of orthogonal experiment
误差源 A B C
均值 1 0􀆰 237 0􀆰 307 0􀆰 439
均值 2 0􀆰 426 0􀆰 468 0􀆰 525
均值 3 0􀆰 656 0􀆰 545 0􀆰 487
均值 4 0􀆰 636 0􀆰 636 0􀆰 504
极差 0􀆰 419 0􀆰 329 0􀆰 086
在电絮凝过程中,其他条件不变时,一般电流强
度越大,相同时间内产生的 Fe3+越多,絮凝效果就越
好。 正交试验结果显示,电流密度为 15 mA / cm2时的
絮凝效果反而比 12 mA / cm2低。 由于金藻细胞表面
带负电荷,电解过程中产生的正电离子可中和细胞表
面的负电荷,降低了微藻细胞间的静电斥力,有利于
细胞聚集形成絮团。 因此,随着电流密度在一定范围
内增加,絮凝率也随之增加。 但电流密度太大时,溶
液中产生的正电离子太多,藻细胞表面电荷由负变
正,又增加了细胞间的静电斥力,反而使絮凝率降
低[19]。 由于藻细胞能承受的跨膜电压为 1 V,理论上
电压大于 1 V 可以杀死并絮凝藻类[20],而且海水电
导率比淡水大。 本研究测定当电流密度为 6 mA / cm2
时,电压为 1 V左右。 因此,电流密度为 12 mA / cm2、
电压超过 1 V,比较适合湛江等鞭金藻絮凝收集。
一般电极间距越小,电阻也越小,产生相同数
量金属正电离子所消耗的电能越低。 若电极间距
过小,反而影响传质效果,从而降低絮凝率[21]。 正
交试验结果表明,电极间距对絮凝效果影响很小,
极板间距 2􀆰 0 cm为较合适。
图 3 分析了电能效率随通电时间的变化规律。
由图 3可见:通电 10~30 min,絮凝率随时间延长而
提高,但电能利用效率却逐渐下降;通电时间超过
30 min,絮凝率不再增加。 因此,电流密度 12
mA / cm2、通电时间 30 min、极板间距 2􀆰 0 cm的电絮
凝条件比较合适,此时每千克烘干后湛江等鞭金藻
的能耗为 2􀆰 0 kW·h。因此,实际应用时应综合衡量
絮凝率、能量利用率以及经济成本等因素,确定较
为经济可行的絮凝条件。
2􀆰 3  油脂含量和脂肪酸组成
将电场絮凝收集的藻体冷冻干燥后,测定油脂含
量并分析脂肪酸组成,并与直接离心收集的微藻比
较。 离心收集的藻体油脂含量为(42􀆰 2±0􀆰 6)%,电絮
凝收集的为(42􀆰 6±0􀆰 5)%,未见显著区别。 藻体主要
组成脂肪酸的相对含量如表 3所示,结果显示各种脂
肪酸相对含量基本一致。 说明电场絮凝用于微藻收
集,不影响油脂含量及主要脂肪酸组分相对含量。
65 生  物  加  工  过  程    第 14卷 
图 3  絮凝过程的能耗
Fig􀆰 3  Energy consumption of electro⁃flocculation process
表 3  微藻主要脂肪酸组分及其相对含量
Table 3  Relative content of main fatty acid of
Isochrysis zhanjiang ensis
主要脂肪酸
相对含量 / %
离心法 电絮凝法
肉豆蔻酸(C14:0) 18􀆰 37±0􀆰 21 18􀆰 11±0􀆰 24
棕榈酸(C16:0) 12􀆰 73±0􀆰 18 13􀆰 19±0􀆰 22
棕榈油酸(C16:1) 10􀆰 02±0􀆰 23 10􀆰 47±0􀆰 15
油酸(C18:1) 13􀆰 09±0􀆰 24 12􀆰 86±0􀆰 16
亚油酸(C18:2) 13􀆰 23±0􀆰 13 13􀆰 83±0􀆰 18
亚麻酸(C18:3) 15􀆰 84±0􀆰 12 15􀆰 22±0􀆰 16
DHA(C22:6) 16􀆰 72±0􀆰 22 16􀆰 32±0􀆰 26
3  结论
建立了海洋微藻湛江等鞭金藻的电场絮凝收集方
法,结果表明使用 Al 电极具有较高的絮凝率,但电极
材料消耗成本较高,约为 Fe 电极的 2倍,Fe 电极具有
较好的经济性。 电流密度对洋微藻湛江等鞭金藻絮凝
率的影响最大,其次是通电时间,最小的是极板间距。
最优电絮凝条件为电流密度 12 mA/ cm2、通电 30 min
和极板间距 2􀆰 0 cm,在该条件下,起始藻细胞密度为
2􀆰 0 × 107 个 / mL的湛江等鞭金藻絮凝率为 92􀆰 7%,电
絮凝过程能耗为 2􀆰 0 kW·h/ kg(以电絮凝收获微藻的
干质量计)。 收集后对微藻油脂含量和脂肪酸组成分
析表明,电场絮凝和直接离心收集的藻体,油脂含量、
主要脂肪酸组成及其含量均无明显差异。
参考文献:
[ 1 ]  MEDEIROS DL SALESEA, KIPERSTOKA. Energy production
from microalgae biomass:carbon footprint and energy balance[J] .
J Clean Prod,2015,96(6):493⁃500.
[ 2 ]   杨忠华,方芳,曹亚飞,等.微藻减排 CO2制备生物柴油的研究
进展[J] .生物加工过程,2012,10(1):70⁃76.
[ 3 ]   MIA T,ELIZABETH S,ROBERT E,et al.A fluorescence⁃activated
cell sorting⁃based strategy for rapid isolation of high⁃lipid
Chlamydomonas mutants[J].Plant J,2015,81(1):147⁃159.
[ 4 ]   RA C H, KANG C H, KIM N K, et al. Cultivation of four
microalgae for biomass and oil production using a two⁃stage
culture strategy with salt stress[ J] .Renew Energ,2015,80(8):
117⁃122.
[ 5 ]   MACKA S, GOMES E, HOLLIGER C, et al. Harvesting of
chlorella sorokiniana by co⁃culture with the filamentous fungus
Isaria fumosorosea: a potential sustainable feedstock for
hydrothermal gasification [ J ] . Bioresour Technol, 2015, 185:
353⁃361.
[ 6 ]   PRAGYA N, PANDEY K K, SAHOO P K. A review on
harvesting, oil extraction and biofuels production technologies
from microalgae [ J] . Ren Sustain Energ Rev, 2013, 24 ( 8 ):
159⁃171.
[ 7 ]   BARROS A I,GONCALVES A L,SIMDES M,et al. Harvesting
techniques applied to microalgae:a review[J] .Ren Sustain Energ
Rev,2015,41(1):1489⁃1500.
[ 8 ]   RASHID N,REHMAN M S U,SADIQ M,et al. Current status,
issues and developments in microalgae derived biodiesel
production[J] .Ren Sustain Energ Rev,2014,40(12):760⁃778.
[ 9 ]   张海阳,匡亚莉,林喆.能源微藻采收技术研究进展[ J] .化工
进展,2013,32(9):2092⁃2098.
[10]   SAU' LGARCI'A⁃P􀆔REZ J,BEUCKELS A,VANDAMME D,et al.
Influence of magnesium concentration,biomass concentration and
pH on flocculation of Chlorella vulgaris[ J] . Algal Res,2014,3
(1):24⁃29.
[11]   MOLINA GRIMA E,BELARBI E H,ACIÉN FERNÁNDEZ F G,
et al. Recovery of microalgal biomass and metabolites : process
options and economics [ J] . Biotechnol Adv, 2003, 20 ( 7 / 8 ):
491⁃515.
[12]   GAO S S,YANG J X,TIAN J Y,et al.Electrocoagulation⁃flotation
process for algae removal[ J] . J Hazard Materia,2010,177(2):
336⁃343.
[13]   DASSEY A J, THEEGALA C S. Reducing electrocoagulation
harvesting costs for practical microalgal biodiesel production[ J] .
Environ Technol,2014,35(6):691⁃697.
[14]   刘洋,陆向红,卢美贞,等.电絮凝法收集微藻[ J] .可再生能
源,2014,11(32):1724⁃1728.
[15]   KAIN J M, FOGG G E. Studies on the growth of marine
phytoplankton:I.asterionella Japonica Gran[J] .J Marine Biol Ass
U K,1958,37(3):781⁃788.
[16]   LIU J, LIU Y N,WANG H, et al. Direct transsesterification of
fresh microalgal cells[J] .Bioresour Technol,2015,176:284⁃287.
[17]   GHERNAOUT D, BADIS A, KELLIL A, et al. Application of
electrocoagulation in Escherichia coli culture and two surface
waters[J] .Desalin,2008,219:118⁃125.
[18]   王正烈,周亚平.物理化学:下册[M].北京:高等教育出版社,
2008:2⁃3.
[19]   张海阳,匡亚莉,林喆.微藻絮凝条件优化及絮体结构特征研
究[J] .可再生能源,2013,31(12):97⁃102.
[20]   彭泽壮,陈楷翰,王顺文,等.缓释氯化镁 电絮凝法处理水体
藻类技术初探[J] .工业水处理,2010,30(7):40⁃42.
[21]   高珊珊,张辉,张建宇,等.电絮凝 电气浮技术除藻过程中各
参数的优化[J] .工业水处理,2010,30(12):58⁃61.
(责任编辑  管  珺)
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