微藻的溶气气浮采收技术研究

【摘要】：微藻因其光合效率高、可利用二氧化碳、生长速度快、光合产物丰富,在食品、饲料、医疗保健、化工环保、能源等领域均有重要应用,微藻培养和相关产品开发已成为新兴技术产业。由于微藻培养液细胞浓度低,一般只有1-4g/L,且细胞尺寸小,如何经济高效地将细胞从培养液中收集起来,已成为制约微藻技术产业化的技术瓶颈之一,传统的沉降、离心、过滤等均不能适应未来大规模工业生产的需要。本文以小球藻为研究对象,研究其溶气气浮采收工艺,以期为建立微藻溶气气浮的经济高效采收工艺技术提供依据。 论文首先从理论上分析了压力溶气条件下溶气水的饱和溶气量、气泡尺寸、释气行为及其影响因素；其次,针对实现溶气气浮的另一个关键过程,即小球藻细胞絮体的形成及其形态学特征进行了研究,考察了聚合氯化铝(PAC)作为絮凝剂以及聚丙烯酰胺(PAM)作为助凝剂对小球藻絮凝效果的影响,确定了最佳的絮凝条件；再次,考察了絮凝剂添加量、助凝剂添加量、絮凝反应时间、溶气水进水流速、水料体积比等对小球藻细胞气浮采收率及浓缩倍数的影响,并通过正交实验优化了其气浮采收工艺条件；最后,探讨了添加氢氧化钠使小球藻产生絮凝的可行性,并初步优化了其气浮操作条件。结果表明： (1)所建立的气浮实验系统结构简单、操作方便。在溶气压力为0.6MPa时,理论溶气量可达108mL/L,气泡直径为58.28μm,能够为气浮分离提供高质量溶气水。 (2)单用聚合氯化铝或辅助以聚丙烯酰胺可对小球藻细胞实现良好絮凝。确定的最佳絮凝条件为PAC添加量160mg/L,PAM添加量6mg/L,絮凝反应时间8min,在此条件下絮凝率可达到92.43%,浓缩倍数能达到8.60。利用分形维数的概念研究了小球藻细胞絮体的形态学特征,结果表明,絮体分形维数与絮凝率之间存在良好的对应关系,分形维数越小,絮凝率越高,但分形维数过小会降低浓缩倍数,且絮粒结构过于疏松易破碎,强度和密度过低,不利于絮凝沉降及后续的气浮采收。适宜的絮粒分形维数在1.37-1.54之间,相对应的絮粒平均粒径在400-600μm之间。 (3)利用聚合氯化铝絮凝气浮采收小球藻,随着PAC添加量的增大,气浮采收率从49.94%逐渐增大至97.95%,但气浮浓缩倍数则从16.95减小至9.79；在用聚合氯化铝进行絮凝时,添加适当量的聚丙烯酰胺有助于减少难于气浮的微小絮粒的量,从而提高采收率,过量的PAM会导致絮粒结构过于紧密,絮粒密度过大而不能气浮；絮凝反应时间的延长有助于提高絮体的形成并提高气浮采收率,但对采收浓缩倍数影响不大；溶气水进水流速的增大有利于提高气浮收率与细胞浓缩倍数；采收液进料量与溶气水量之间存在一个最佳的比例,过高和过低的溶气水量均会导致采收率下降。通过正交实验,确定的最佳气浮采收条件为：PAC添加量为160mg/L,PAM添加量为6mg/L,絮凝反应时间为8min,溶气水进水流速为75L/h,水料体积比为20%。 (4)利用氢氧化钠调节小球藻采收液的pH值可以实现细胞良好的絮凝,其絮凝率与氢氧化钠添加量之间存在良好的对应关系。达到同等采收效果,溶气气浮法比絮凝沉降法所需的氢氧化钠添加量少,确定的工艺条件为：溶气气浮法中指数生长期和稳定期小球藻液的最佳氢氧化钠添加量分别为350mg/L和600mg/L,最佳溶气水流速是60L/h,最佳水料体积比为25%； (5)处于对数生长期和稳定期的小球藻采收液,利用氢氧化钠调节pH值的絮凝效果差别不明显。但对于气浮过程,在相同氢氧化钠添加量下,处于对数生长期的小球藻细胞采收率明显高于稳定期,其浓缩倍数也略高于稳定期。