專家專欄

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利用生物絮凝劑回收富含油脂微藻之方法

 

吳建一 教授

大葉大學食品暨應用生物科技學系


一、微藻回收之基本概念

微藻收集濃縮(回收)被廣泛應用於廢水處理和生質燃料的程序,而在微藻生質燃料生產程序中微藻濃縮收集與廢水處理回收微藻生物質量是不同的目的。在廢水處理工業中,主要是去除不良的微藻,包含減少微藻毒性或降低化學需氧量(COD)以及生物需氧量(BOD)的值至低於法規的排放限制值。相對地,在微藻生質柴油的生產程序中,微藻需要被濃縮以利後續的脂質萃取步驟,而增加微藻細胞的濃度亦可降低萃取以及純化的成本。儘管兩者的目標不同,但收集的技術是相當類似的,生質燃料是利用微藻轉化成生質能源過程中,微藻生物質量(biomass)需要經過濃縮回收、乾燥、破碎、轉脂化等程序。微藻培養最後生物質量濃度通常不是非常高,也就微藻懸浮液濃度是相對較低,通常為0.2-0.6%總懸浮固體(total suspended solids, TSS)濃縮為濃度為15-25% TSS的藻餅。由圖1可以看出可以藉由一個或兩個收集步驟來獲得所需的微藻濃度,其包含了第一個收集步驟先形成2%-7% TSS的藻泥,接著藉由第二個脫水步驟獲得15%-25% TSS的藻類糊狀物。在收集微藻細胞步驟中回收的微藻生物質量濃度是攸關生質燃料程序的關鍵,因為回收之微藻細胞生物質量高低會影響後續的乾燥程序。
一般收集微藻生物質量需要經過一個或多個固-液分離步驟,目前使用於微藻收集濃縮的主要技術包含有離心、絮凝、過濾和過篩(screening)、重力沉降(gravity sedimentation)、浮除(flotation)和電泳(electrophoresis)技術。然而,由於經濟方面的考量,離心及過濾方法較適合用來回收小規模生產或是用來生產高經濟價值(醫藥或保健食品)的藻類細胞,因為這兩種方法所需耗費的設備及耗材成本相當龐大。因為微藻細胞很小(3-30 μm diameter)、培養液通常相當稀(在一些商業生產系統中乾燥後之生物質量常<0.5 kg/m3)以及需大量的回收生物質量,所以回收微藻生物質量有相當的難度。目前,沒有單一收集的方法可以適用所有不同微藻培養系統,從培養液中回收生物質量的成本即占了所有生產生物燃料成本的20-30%。因此,選擇一個有效且符合經濟效益的回收方法是相當重要的。

圖1 一步驟或兩步驟濃縮藻液之程序。

二、 利用生物絮凝劑回收微藻之方法
大多數的微藻細胞大小介於3-30 μm之間,且微藻細胞表面帶有負電荷,所以微藻細胞可以形成穩定的微小懸浮微粒溶液。絮凝作用是先將溶液中細微顆粒聚集形成絮狀體(floc)之過程,發生在當不溶解的顆粒互相碰撞(collide)與互相附著(adhere)時,通常會藉由添加絮凝劑來形成網狀架橋之絮凝作用。在理想狀態下,使用的絮凝劑應該要考慮生物相容性與成本,且期望添加低劑量即可產生有效的絮凝效果。另外,選用添加的絮凝劑亦不能對下游程序造成不良影響。以絮凝方式收集微藻細胞優於傳統收集方式(如:離心與浮集法(floatation)),這是因為絮凝方法能夠處理大量的微藻培養液且可適用於許多微藻種上。由於絮凝法較簡單且也較彈性,因此,絮凝法是目前藻類回收時,優先考慮的回收技術之ㄧ。
絮凝方法包含有自動絮凝(autoflocculation),生物絮凝(bioflocculation),電絮凝(electroflocculation),溶解空氣浮除法(dissolved-Air flotation),無機化學絮凝(inorganic chemical flocculation),臭氧絮凝(ozone flocculation),與聚電解絮凝(polyelectrolyte flocculation)等。不同的絮凝方式可以用來凝聚微藻細胞有效地增加”顆粒”的大小進而可使微藻細胞容易沉澱、離心回收以及過濾。而絮凝劑則有三種主要的類型:無機絮凝劑(inorganic flocculants)、有機高分子(organic polymer)/聚電解質(polyelectrolyte)絮凝劑以及天然生物絮凝劑(bio-flocculants)(其包含有:幾丁聚糖(chitosan)、褐藻膠(alginate)和微生物發發酵之絮凝劑)。
圖2 微藻Nannochlorpsis oculata溶液中添加聚胺基酸生物絮凝劑之前後的形態。
目前利用已發現微生物可以生產出具有生物可分解性的絮凝劑,可以克服利用人工合成高分子聚合物所帶來後續處理問題。因此,藉由篩選出適合的菌株(包括:細菌、真菌及酵母菌)並在最適條件下進行培養,可以生產出胞外天然絮凝劑,再經由簡單的方法即可回收。目前微生物所生產的天然絮凝劑類型可分為多醣類、蛋白質類、醣蛋白類以及聚胺基酸類等。圖2為微藻Nannochlorpsis oculata溶液中添加聚胺基酸生物絮凝劑之前後的形態。由圖2中可以明顯發現添加聚胺基酸生物絮凝劑後藻體10分鐘後明顯地沉降於試管的底部,上清液呈清澈。另外,利用5000x電子顯微鏡下觀察藻類絮凝反應前後型態,發現藻細胞因為添加絮凝劑而壓密凝結一起產生沉降。

 

 

 

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