低聚物絮凝剂以及壳聚糖复合物在微藻絮凝中的应用

摘要

能源微藻由于具有含油量高，生长周期短，可大规模培养等优点，被认为是最有发展前景的生物柴油的原料之一。然而，从能源微藻制成生物柴油的生产成本高，制约了它的产业化发展，其中，微藻采收环节的成本占生物柴油生产成本约三分之一。因此，研究一种高效经济、环境友好的采收方法，对于降低微藻生物柴油产业化的生产成本，可能是关键因素之一。本文通过制备低聚物絮凝剂来絮凝微藻，并初步研究了复合絮凝剂絮凝微藻的采收效果。主要工作归纳如下： 1、控制条件，水解3-氨丙基三甲氧基硅烷（WD-56）得到絮凝剂，利用了FTIR、29Si NMR、13C NMR、1H NMR、HRMS等表征手段对絮凝剂的结构进行了分析。结果显示，絮凝剂的结构为(RO)n(OH)3-nSiCH2CH2CH2NH3+(其中R=H或R=CH2CH3；其中n=0～3)及其低聚物。此外还研究了该低聚物絮凝剂的溶解度，结果表明其不溶于C2H5OH、CH3(CH2)4CH3、石油醚等，微溶于二甲基亚砜（DMSO），易溶于水。 2、通过低聚物絮凝剂对sp栅藻（Scenedesmus sp.）的絮凝行为，研究了絮凝时间、生物量、絮凝剂用量、培养基中金属离子浓度及细胞外多糖（RPS）等对絮凝效率的影响。结果表明，最佳絮凝时间为15min，培养基中的金属离子浓度和RPS对絮凝过程均无明显的影响，但生物量及絮凝剂用量均会影响絮凝效率，且成正相关的关系，当生物量高于1g/L时，絮凝效率可以达到90%以上。该絮凝过程的可能机理为：微藻表面的负电荷被低聚物絮凝剂所带的正电荷中和，并通过低聚物絮凝剂的链使多个团聚细胞架桥连接在一起，形成了比原来更大的絮体并沉降下来。絮凝后的培养液可以回收利用，且絮凝后的微藻没有被破坏，保持了其原有的完整性。该低聚物絮凝剂不仅经济高效，而且为寻找适合的絮凝微藻的絮凝剂提供了新的思路方向。 3、通过壳聚糖复合物对尖状栅藻的絮凝行为，研究了壳聚糖复合物用量对絮凝效率、浓缩因子、培养基Zeta电位和pH的影响，以及沉降时间对絮凝效率和浓缩因子的影响，并对絮凝后的细胞活性也进行了研究。结果表明，壳聚糖复合物絮凝剂的效果明显优于单一絮凝剂，不仅减少了用量还大大缩短了沉降时间。

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第一章 前言

1.1 微藻的简介

1.2 能源微藻生产生物柴油的优势

1.3 微藻的采收

1.3.1 微藻采收的研究意义

1.3.2 微藻采收面临的挑战

1.3.3 微藻采收的方法

1.4 絮凝剂简介

1.4.1 絮凝采收原理

1.4.2 絮凝采收的影响因素

1.5 氨基硅烷偶联剂简介

1.6 本论文的研究思路

第二章 低聚物絮凝剂的制备及表征

2.1 前言

2.2 实验试剂和设备

2.2.1 实验主要化学试剂

2.2.2 实验仪器和设备

2.3 低聚物絮凝剂的制备

2.4 低聚物絮凝剂的表征

2.5 结果与讨论

2.5.1 傅立叶红外光谱表征

2.5.2 低聚物的29Si—核磁共振表征

2.5.3 低聚物的13C—核磁共振表征

2.5.5 高分辨质谱

2.5.6 溶解度

2.6 本章小结

第三章 低聚物絮凝微藻的性能研究

3.1 前言

3.2 实验原料

3.2.1 实验藻种

3.2.2 藻种培养基和培养条件

3.2.3 实验试剂和设备

3.3 实验方法

3.3.1 微藻生长曲线的测定

3.3.2 栅藻（Scenedesmus sp.）在絮凝剂作用下的絮凝采收

3.3.3 絮凝效率的测定

3.3.4 微藻生物量的测定

3.3.5 培养液内金属离子浓度的测定

3.3.6 Zeta电位的测定

3.3.7 培养液中RPS的提取

3.3.8 多糖浓度的确定

3.3.9 微藻活性的研究

3.3.10 絮凝后培养基的回收利用

3.4 絮凝结果与讨论

3.4.1 絮凝时间对絮凝效率的影响

3.4.2 生物量和用量对絮凝效率的影响

3.4.3 通过投加絮凝剂采收微藻的原理

3.4.4 生物量与低聚物用量的关系

3.4.5 絮凝过程中细胞的耐受性

3.4.6 培养液的回收再利用情况

3.5 本章小结

第四章 壳聚糖复合物絮凝剂对尖状栅藻采收的应用

4.1 前言

4.2 实验原料及方法

4.2.1 实验藻种及培养条件

4.2.2 实验材料

4.2.3 实验方法

4.3 结果与讨论

4.3.1 单一絮凝剂

4.3.2 复合絮凝

4.3.3 不同絮凝剂的沉降时间对絮凝效率及浓缩因子的影响

4.3.4 细胞的耐受性

4.4 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢