申请日2018.10.18
公开(公告)日2019.02.12
IPC分类号G16B5/00; C12N1/12; C12R1/89
摘要
本发明公开了一种污水中生长微藻采收模型的建立方法。所述建立方法充分考量了CNC‑APIm采收微藻过程中涉及的四因素即CNC‑APIm与微藻的质量比，通入CO2的时间，通入空气的时间及流量，应用实验设计驱动响应面方法来建立污水中生长微藻采收模型。利用本发明方法构建的数学模型，可以预测CNC‑APIm采收污水中的微藻过程中的不同采收条件下的采收率和回收能力。本发明优化了CNC‑APIm微藻采收技术，缩小基础研究和实际应用之间的差距，确保CNC‑APIm微藻采收技术适用于污水培养的微藻。
权利要求书
1.污水中生长微藻采收模型的建立方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1，在室温下，采用Box-Behnken设计设置CNC-APIm与微藻干重的质量比、通入CO2时间、通入空气时间和通入空气流量的实验组，将CNC-APIm溶液与藻液进行混合，通入CO2，使表面带负电的微藻与表面带正电的CNC-APIm结合，随后通入空气除去混合液中的CO2，并促进CNC-APIm和微藻间的网捕和吸附架桥作用，而后静置，使絮凝体沉降，完成微藻采收，计算各实验组的采收率和回收能力，采收率和回收能力的计算公式分别为，HE(%)=[1-Ca/Cb]x100%，RC(g·微藻/g·CNC-APIm)=(Cb-Ca)V/m，式中Cb和Ca分别是微藻采收前上清液中的微藻浓度和微藻采收后上清液中的微藻浓度，V是微藻悬浮液体积，m是加入CNC-APIm的质量;
步骤2，以两个因素的影响作为因变量，其他因素保持在中心水平，采用响应面分析，分别构建两因素相互作用对采收率和回收能力的影响的响应面函数关系;
步骤3，分别构建各单因素对采收率和回收能力的影响的响应面函数关系;
步骤4，根据两因素相互作用对采收率和回收能力的影响的响应面函数关系及各单因素对采收率和回收能力的影响的响应面函数关系，构建采收模型的采收率和回收能力的响应面方程，确定最佳的各采收因素。
2.根据权利要求1所述的建立方法，其特征在于，步骤1中，CNC-APIm与微藻干重的质量比设置范围为0.01～0.08。
3.根据权利要求1所述的建立方法，其特征在于，步骤1中，通入CO2时间为5～60s。
4.根据权利要求1所述的建立方法，其特征在于，步骤1中，通入空气的时间为1～10min。
5.根据权利要求1所述的建立方法，其特征在于，步骤1中，通入空气的流量为5～50mL/min。
6.根据权利要求1所述的建立方法，其特征在于，步骤1中，采用二次多项式模型对步骤1得到的数据进行检验。
7.根据权利要求1所述的建立方法，其特征在于，步骤4中，采收率的响应面方程为y=80.5+25.8A+9.2C+4.4D-9.3A2-7.2C2-3.4D2，A为CNC-APIm与微藻干重的质量比，B为通入CO2时间，C为通入空气时间，D为通入空气流量。
8.根据权利要求1所述的建立方法，其特征在于，步骤4中，回收能力的响应面方程为y=18.97-15.1A+3.0C+1.5D-2.92AC+7.8[A]2，A为CNC-APIm与微藻干重的质量比，B为通入CO2时间，C为通入空气时间，D为通入空气流量。
说明书
污水中生长微藻采收模型的建立方法
技术领域
本发明属于生物质能源技术领域，涉及一种污水中生长微藻采收模型的建立方法，特别涉及一种基于改性天然纳米纤维素的污水中生长微藻采收模型的建立方法。
背景技术
微藻(Microalgae)作为生产生物燃料、化学品、食品和饲料来源以及其他增值产品的原料具有巨大潜力。与陆地原料相比，微藻生长速度快，不竞争耕地和淡水资源，可全年采收，并可以吸收大量二氧化碳。为得到高浓度的微藻量，需要对藻液进行采收，但微藻采收在经济、技术以及环保上仍存在挑战。选择微藻采收技术时，降低采收成本并同时降低对微藻和培养基污染的风险是两个主要考虑的因素。目前，凝结/絮凝法被认为是相对有效和效益较高的，因其快速且简单，对能量需求小。其中通常使用的是阳离子凝结/絮凝剂，这些凝结/絮凝剂附着在带负电荷的微藻细胞(通常直径为2-20μm)上，然后形成更大的聚集体，团块和絮状物，沉淀到容器底部，留下清澈的上清液，从而达到采收微藻的目的。经证明，用凝结/絮凝剂采收的微藻，其收集和脱水过程所需要的能量是最少的。
目前，天然聚合物表现出可以提高采收过程的效益和环境可持续性的潜力，可与其他常用的凝结剂(阳离子无机盐和阳离子合成盐，聚合物，纳米颗粒)竞争。比如，源自存在于甲壳类动物、贝类(虾，蟹，龙虾)、昆虫、真菌和一些藻类的外骨骼和细胞壁中的几丁质的壳聚糖已经在采收微藻中表现出优异的性能。最丰富的天然生物聚合物-纤维素和纤维素基材料如结晶纳米纤维素(CNC)，在经过阳离子处理后可以有效得与微藻相互作用并将其从培养基中有效得采收出来。
1-(3-氨基丙基)咪唑改性的CNC(CNC-APIm)在水中可以实现交替的分散和聚集，通过向混合液中交替通入CO2和空气可显著改变CNC-APIm的表面电荷，而这一过程是没有任何化学品加入的。基于CO2响应的CNC-APIm可以在CO2存在时吸附微藻，在通入空气去除CO2的时候形成更大的絮凝体有利于微藻的采收，随后进行解吸，再循环CNC-APIm絮凝剂。微藻经过采收后，原先用于培养微藻的培养基也可重复使用，并且对随后的微藻培养没有显示出不利影响(Ge S,Cchanpagne P,Wang H,et al.Microalgae recovery from waterfor biofuel production using CO2-switchable crystalline nanocellulose[J].Environmental Science&Technology,2016,50(14):7896-7903.)。因此从水，能源和环境方面来看，CNC-APIm是更环保，更可持续的微藻絮凝/凝结剂。
然而，CNC-APIm采收过程中涉及到多个参数，这些参数的优化是必不可少的，并且需要进一步提高CNC-APIm对微藻的采收能力和降低使用CNC-APIm进行微藻采收的成本。此外，目前在许多采收微藻的研究中所使用的微藻，是在商业培养基上培养的，如改良的BBM(Ge S,Agbakpe M,Wu Z,et al.Influences of surface coating,UV irradiation andmagnetic field on the algae removal using magnetite nanoparticles[J].Environmental Science&Technology,2014,49(2):1190-1196.)和BG-11(Shi W,Zhu L,Chen Q,et al.Synergy of flocculation and flotation for microalgae harvestingusing aluminium electrolysis[J].Bioresource Technology,2017,233:127-33.)。由于废水中的环境和物质多样复杂，因此这些从商业培养基中培养的微藻观察到的采收性能可能不适用于在废水中生长的微藻，利用废水培养出的微藻可能产生不同的生物质组成(即蛋白质，脂质和碳水化合物)和性质(即表面电荷)，这些都可能极大地影响凝结/絮凝过程。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种污水中生长微藻采收模型的建立方法。该建立方法充分考量了CNC-APIm采收微藻过程中涉及的四因素，即CNC-APIm与微藻的质量比，通入CO2的时间，通入空气的时间及流量，应用实验设计(DOE)驱动响应面方法(RSM)来建立污水中生长微藻采收模型。
本发明的技术方案如下：
污水中生长微藻采收模型的建立方法，具体步骤如下：
步骤1，在室温下，采用Box-Behnken设计设置CNC-APIm与微藻干重的质量比、通入CO2时间、通入空气时间和通入空气流量的实验组，将CNC-APIm溶液与藻液进行混合，通入CO2，使表面带负电的微藻与表面带正电的CNC-APIm结合，随后通入空气除去混合液中的CO2，并促进CNC-APIm和微藻间的网捕和吸附架桥作用，而后静置，使絮凝体沉降，完成微藻采收，计算各实验组的采收率(HE)和回收能力(RC)，采收率和回收能力的计算公式分别为，HE(%)=[1-Ca/Cb]x100%，RC(g·微藻/g·CNC-APIm)=(Cb-Ca)V/m，式中Cb和Ca分别是微藻采收前上清液中的微藻浓度(g/L)和微藻采收后上清液中的微藻浓度(g/L)，V是微藻悬浮液体积(L)，m是加入CNC-APIm的质量(g);
步骤2，以两个因素的影响作为因变量，其他因素保持在中心水平，采用响应面分析，分别构建两因素相互作用对采收率和回收能力的影响的响应面函数关系;
步骤3，分别构建各单因素对采收率和回收能力的影响的响应面函数关系;
步骤4，根据两因素相互作用对采收率和回收能力的影响的响应面函数关系及各单因素对采收率和回收能力的影响的响应面函数关系，构建采收模型的采收率和回收能力的响应面方程，确定最佳的各采收因素。
优选地，步骤1中，CNC-APIm与微藻干重的质量比设置范围为0.01～0.08，通入CO2时间为5～60s，通入空气的时间为1～10min，通入空气的流量为5～50mL/min。
优选地，采用二次多项式模型对步骤1得到的数据进行检验。
优选地，步骤4中，采收率的响应面方程为y=80.5+25.8A+9.2C+4.4D-9.3A2-7.2C2-3.4D2，A为CNC-APIm与微藻干重的质量比，B为通入CO2时间，C为通入空气时间，D为通入空气流量。
优选地，步骤4中，回收能力的响应面方程为y=18.97-15.1A+3.0C+1.5D-2.92AC+7.8[A]2，A为CNC-APIm与微藻干重的质量比，B为通入CO2时间，C为通入空气时间，D为通入空气流量。
利用本发明方法构建的数学模型，可以预测CNC-APIm采收污水中的微藻过程中的不同采收条件下的采收率和回收能力。本发明优化了CNC-APIm微藻采收技术，缩小基础研究和实际应用之间的差距，确保CNC-APIm微藻采收技术适用于污水培养的微藻，并对其生物质生产的细胞成分(油脂，蛋白质和多糖)没有不利影响。