[发明专利]基于聚合物-表面活性剂二元微纳米结构的藻类浓缩收获方法

说明书

本发明公开了一种基于聚合物‑表面活性剂二元微纳米结构的藻类浓缩收获方法，向藻类生物质中顺序投入一组电性相反的聚合物与表面活性剂，在静电引力的作用下，耦合形成尺寸为纳米至微米级别的二元聚合体。与传统的藻类收获工艺(离心、过滤、混凝沉淀等)相比，本发明方法成本和能耗较低，可以实现对藻类的高效浓缩，无需进一步的脱水工艺，从而大幅简化藻类的收获流程。

技术领域

本发明属于藻类生物质收获技术领域，特别涉及一种能够实现极高浓缩效率的藻类收获方法，具体涉及基于聚合物-表面活性剂二元微纳米结构的藻类浓缩收获方法。

背景技术

藻类生物质可用于生产生物柴油、生物乙醇、生物沼气等生物质能源，部分藻类细胞中富含的虾青素、多不饱和脂肪酸等物质可用于生产保健食品。另一方面，由于富营养化导致的蓝藻水华破坏了自然水体的生态平衡，威胁人类的身体健康，并对社会经济造成了严重损失。

无论是利用藻类生物质生产能源或其他高价值产品，还是蓝藻水华的治理，都需要解决从稀溶液中浓缩收获藻细胞的问题。在藻类的光能自养培养系统中 (如藻类开放塘、光生物反应器等)，或是爆发水华的自然水体中，藻类的浓度通常为1-2g/L，即水中藻类生物质的质量分数仅为0.1-0.2％。为了满足后续生物质加工、转化的要求，需要将藻类生物质浓缩150倍以上。

现有的藻类收获方式包括：微滤、离心、混凝沉淀或混凝气浮等。微滤和离心能够高效收获并浓缩藻类生物质，但是运行成本高、能耗大，仅适用于生产高价值的藻类产品，例如虾青素、多不饱和脂肪酸等；对于生物质能源等大规模、低价值的藻类产品，混凝是更适宜的选择。然而，藻细胞表面有大量的蛋白质、多糖等亲水性物质，可以形成一层水化层，将藻细胞包裹于其中；同时，在混凝过程中，由于藻细胞间的毛细作用，将有大量的自由水被包裹于絮体中。由于上述两种效应，传统混凝过程形成的絮体含有大量水分，含水率仍然高达95％以上，无法满足后续生物质转化的需求。因此，在混凝沉淀/气浮后，不得不采用压滤、离心等工艺进一步降低生物质的含水率。这导致现有的藻类生物质收获工艺流程长、操作复杂、运行成本偏高(占藻类生物质生产成本的30％左右)。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的在于开发一种低成本、高效率的藻类收获工艺，在简化现有收获流程的同时，能够满足后续的转化工艺对于生物质含水率的要求。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

基于聚合物-表面活性剂二元微纳米结构的藻类浓缩收获方法，包括向藻类生物质中顺序投入一组电性相反的表面活性剂和聚合物，即先投入阳离子表面活性剂，后投入阴离子聚合物；或先投入阴离子表面活性剂，后投入阳离子聚合物。通过筛选适宜的表面活性剂和聚合物，并调节其投入比例，能够使其在静电引力的作用下，耦合形成尺寸为纳米至微米级别的二元聚合体。这种二元微纳米结构比表面积大，且兼具亲、疏水性并同时带有正、负电荷，能够通过压缩双电层、电中和以及吸附架桥等作用，高效、快速的使悬浮分散于水中、粒径仅为几微米的藻细胞聚集为粒径达数百至数千微米的颗粒，从而通过粗滤膜截留收获。

进一步，一组电性相反的聚合物与表面活性剂是阴离子聚合物和阳离子表面活性剂，或是阳离子聚合物和阴离子表面活性剂。本发明充分利用了表面活性剂同时具备亲水性和疏水性的特性。在向藻类培养液中投加表面活性剂后，其亲水端能够与藻细胞膜上亲水物质相结合，使其取代原本吸附于藻细胞表面的水化层 (如附图1所示)，而其疏水端能够阻止水分子的进一步吸附，减少细胞间的自由水，从而大大降低形成絮体的含水量；同时，由于表面活性剂的电性与后投加的聚合物相反，聚合物能够起到较好的吸附架桥作用，加速絮体的形成。此外，通过调控聚合物与表面活性剂的比例，能够进一步中和藻细胞所带的负电荷，减小细胞间的静电斥力，促进絮体的形成。