低破碎率下泡载法采收盐藻的影响因素研究

作者简介：卢俊，男（汉），讲师，在读博士，研究方向：生物化工；食品研究与开发

杜氏盐藻是一种高含β-胡萝卜素的广盐性微藻，已经在我国及美、澳、日、以色列等国实现了大规模培养，形成了较大规模的微藻产业。泡沫分离法是从稀溶液中浓缩和分离蛋白质和酶或者其它生物产品的一种有效方法。当前此技术主要用于单一产品的分离和浓缩。在无絮凝剂的情况下，泡沫法分离盐藻也有报道。泡载法分离盐藻主要在加入絮凝剂的前提下实现的，即加入化学絮凝剂使藻细胞絮凝浮选，然后通过沉降离心脱水收集。张爱群等指出，通过调节盐藻气体流速!藻细胞的浓度以及藻液的PH，可以得到很高的的采收率和较高的浓缩倍数.郑毅等指出在气速为60ML/MIN，细胞初始浓度为2.58X105个/ml，ph=7.5的条件下，盐藻细胞的采收率可以达到90%，浓缩倍数可以达到 30~34倍。但是，如果在采用泡载法分离盐藻中加入絮凝剂，这使得藻细胞在絮凝的过程中大部分死亡，细胞易破裂，损失了藻细胞的营养价值。因此，在不损失盐藻细胞中的营养价值的前提下，提高采收的效率成为研究的关键。本文考察在无需加入任何絮凝剂的条件下利用自制的泡载分离装置采收盐藻，保证低藻细胞的破碎率的情况下，研究了盐度、气流速度及PH 对采收率（R）和浓缩倍数（E）的影响。

1材料及仪器

1.1 材料

藻种由内蒙古吉兰泰生物工程公司提供，培养方法参照文献的方法，培养到可采收浓度待用。盐酸

（HCl 1mol/L），氢氧化钠 （NaOH 1mol/L），氯化钠（NaCl），所用药品均是分析纯。

1.2 仪器

实验中使用的泡载分离装置是内蒙古工业大学化工学院本课题组自行设计的，装置示意图见图 1其主体泡沫分离管由玻璃制成。

2 方法

在泡载分离法采收盐藻的实验过程中，工艺条件主要包括藻液的PH、藻液初始藻细胞浓度、藻液盐度、泡载时的空气流量、泡沫液和残液的体积及细胞浓度对采收率和浓缩倍数的影响。

2.1藻细胞计数及镜检

细胞浓度的测定主要是按照企业采收盐藻时培养盐藻必须要达到一定的浓度，进而使得实验数据更加接近工业生产的实际情况。泡沫分离之前需要对藻液进行浓度测定，细胞计数使用本课题组研究得出的活性盐藻细胞计数法。通过显微镜来观察细胞的破碎情况。泡载法采收盐藻将藻液通过盐酸或者氢氧化钠调节到所需的PH，用精密酸度计准确测定其PH，记录，然后对藻液计数后，倒入泡沫分离管中，盖好顶部的橡皮塞，打开最佳泡沫出口高度处的出口阀，即可打开泡沫分离装置。在实验过程中有以下两个数据需要计取：

1）分离时间（T）

在通气的同时摁下秒表，开始计时；泡沫分离结束。记下秒表读数，作差即得分离时间。

2）空气流量（V）

利用实验装置中的流量计，在通气之前先记下流量计的初始显示值，在通气结束后再读其终止值。前后值作差即可得到实验过程中的用气量，再与前面读到的时间值作比即可得到泡沫分离过程中的准确空气流速。泡沫分离结束后，将泡沫出口处收集到的泡沫液全部移入量筒内，待到泡沫全部消除后，准确读数，记为泡沫液体积，用 V表示；再将泡沫分离管内残留的残液从残液出口管处排出，全部收集到量筒中，准确读数，记为残液体积，用 Vr表示。

2.3分离性能指标

泡沫分离性能的好坏主要由以下两个参数做指标。一项为盐藻细胞采收率，第二项是浓缩倍数。

3 结果与讨论

3.1对泡载法采收盐藻的影响藻液的PH对盐藻细胞的泡沫分离效果有较大影响，同时也影响着藻细胞的破碎程度。PH 是影响泡载分离效果的重要因素，也是实验过程中的重要研究内容。需要将PH调到1.0~13.0的一系列值，逐一进行实验。过低或者过高的PH都可能导致藻细胞的完全破裂（如图 2 所示），导致盐藻细胞中营养物质的流失。所以，应该尽量控制藻液的PH接近中性，来决定分离效果。据此设计一系列实验，如图3所示。

由图3可知，PH 对泡载分离效果的影响比较复杂，这可能与酸碱性的改变会影响藻细胞的表面性质，使藻细胞的吸附能力和疏水性发生变化有关。用泡沫分离法采收盐藻在碱性条件下得到的 E值和R值都很低，曲线平坦，而且随PH变化的幅度也相对较小；随着藻液PH减小至接近中性时，实验所得的 E 值和R值逐渐变大；当藻液PH继续减小至酸性范围时，曲线波动较大，在4<PH<6时，E值与R值有呈现出较大值，当PH为5左右的时候，E值为最大值（4.0），且R 值有较大值（67.8%）。当PH为5左右的时候，由图2 明显看出，细胞呈现完整的状态，即较低的破碎率下，根据E值及R值有较大值，泡沫分离达到最好效果。因此，泡载法采收盐藻对于藻液的最佳PH应该在5左右。

3.2气流速度对泡载法采收盐藻的影响

在盐藻细胞进行泡沫分离的过程中，分离气速是影响分离效果的重要因素。其他条件不变情况下，泡沫分离性能指标随空气流速的变化曲线图，见图 4。

由图 4可见，E值和R值随空气流速的变化趋势基本一致。在空气流速较低时，( 值和 ) 值都随空气流速的增大而增高，这是因为空气流速的增加，盐藻细胞被吸附到气液界面的能力增强。

当空气流速达到0.65L/min 时，E值与R值达到最大值。此时，气液界面对盐藻细胞携带能力相对来说是最强，所以R值较大，且到达塔顶的时间较长。排出泡沫液的体积减小了，使进入泡沫间隙的主体溶液减少，泡沫中夹带的液体量也减少，故实验所得的 E值较高。当空气流速超过0.65L/min时，E值和R值呈现一个下降的趋势，这可能是由于泡沫中夹带的液体量增加，从而导致E较低；同时由于空气流速增大而使分离塔中气泡返混数目增加，从而降低了气泡的泡载分离效率，所以R不但没有升高反而降低了。当空气流速继续升高至1L/min时E值和R 值又逐渐增加，但都低于气流速度为0.65L/min时的值。原因可能是当空气流速升高到一定程度时，虽然气泡的返混数目继续增加，但此时空气流速已增大到足以补偿气泡返混数目，还不能完全补偿泡载效率损失。此外，在显微镜下还观察到在空气流速超过1L/min时，藻细胞溶液中已经有一部分藻细胞在高速气泡的剪切冲击下破损（见图 5）。所以，在盐藻细胞的泡载分离中空气流速不能过大，需要结合分离塔的结构（主要是高径比R选择适当的空气流速，既要保证有较高的E值和R值，也要兼顾到藻细胞所能承受的气泡剪切力。因此，低破碎率下的泡载法采收盐藻的最佳气体流速为约 0.65L/min。

3.3盐度对泡载法采收盐藻的影响

在培养盐生杜氏藻的过程中，为了达到更好的经济效益，尽可能的积累 !?胡萝卜素的含量，须保证藻液具有较高的盐度。在盐藻的实际生产工艺中，盐藻在一次高速离心之后，二次分离的主要目的就是脱盐。所以，在泡载法分离盐藻的实验中，讨论了不同盐度对其分离效果的影响。

实验得出了盐度对泡载法分离盐藻的影响，如图6所示，将盐藻培养液盐浓度稀释至不同的数值进行泡载分离。当把培养液稀释到16倍时，由于盐度的降低，导致藻细胞内外渗透压的变化，细胞内外溶质的浓度不同，细胞破裂如图7所示，大部分细胞已经破碎；由于泡沫上升过程中强大的剪切力作用，更多的细胞破碎，因而所得泡沫液中的细胞数目较低，残液中细胞破碎量也较多。实验所得的盐藻细胞采收率也相对较低。

当稀释倍数逐渐在降低的过程中，细胞的破裂情况也在好转，并且浓缩倍数和采收率的数值也在升高，当盐度稀释为藻液原始值的1/4时，E值和R值都达到了一个最大值，即1.33 和20%。藻细胞的形状会随着盐度的变化而变化，适合的盐度使藻细胞表面分泌的糖类和蛋白质及其它活性物质有所增加，细胞之间的粘合及絮凝能力增强，泡沫夹带絮凝在一起的藻细胞团的也在增多，故 E值和R值都达到了一个最大值。

从实验数据与未稀释藻液实验数据的比较可以发现，适当降低藻液稀释倍数有利于泡载分离的进行。综上所述，与泡沫分离形成的剪切力相结合，寻找一个低细胞破碎率的盐度稀释为藻液原始值的1/4 时，可能将泡载分离应用于盐藻采收的实际生产中。

4 结论

实验通过对ph、泡沫分离气速和盐度稀释度加入量的调节，在保证低的藻细胞破碎率的前提下，利用自制的泡载采收分离装置，并且结合工厂实际生产工序，来寻找泡沫分离的最佳条件。研究表明通过同步的显微镜观察藻细胞破碎情况，在当藻液PH为约5.0时，气体流速为0.65L/min，盐度稀释为藻液原始值的1/4时的泡沫分离效果较好。这为下一步泡载法在盐藻生产的实际应用中提供参考。