收集微藻細胞的原位自組裝磁性復合材料及應用制造技術

本發明專利技術涉及微藻分離領域，具體涉及收集微藻細胞的原位自組裝磁性復合材料及應用。所述復合材料的制備方法包括步驟：將二茂鐵和植物多酚溶解于有機溶劑的水溶液中，充分混勻后，在密閉的高溫高壓條件下反應5h?24h，制備得到黑色固體材料；將黑色固體材料用蒸餾進行清洗，冷凍干燥后，制得磁性復合材料。應用本發明專利技術的收集微藻細胞的原位自組裝磁性復合材料分離油脂產量較高的微藻原液，分離前藻液不需要經過離心、稀釋、調pH等預處理，且細胞密度極高，為常規絮凝藻細胞密度的5?10000倍。磁性復合材料收集微藻細胞時分離時間短，收集的藻細胞無有害物質殘留，對分離設備要求較低，可工業化大規模推廣使用。

In situ self assembled magnetic composite material for collecting microalgae cells and application thereof

The invention relates to the field of microalgae separation, in particular to an in-situ self assembled magnetic composite material for collecting microalgae cells and an application thereof. The preparation method of composite material comprises the steps of: two ferrocene and plant polyphenols aqueous solution dissolved in organic solvent, mixing uniformly, in conditions of high temperature and high pressure closed under the reaction of 5h 24h, prepared by a black solid material; the black solid material cleaning by distillation, freeze drying and the prepared composite magnetic materials. The application of the invention in situ microalgae liquid collection of microalgae cells self-assembly of magnetic composite materials for separating oil in high yield, before separating algae liquid without centrifugation and dilution, pH pretreatment, and the cell density is very high, as the conventional flocculation algal cell density of 5 10000 times. When the magnetic composite material collects microalgae cells, the separation time is short, and the collected algae cells do not have harmful substances, and the requirements for the separation equipment are low, and can be popularized and industrialized.

【技術實現步驟摘要】
收集微藻細胞的原位自組裝磁性復合材料及應用
本專利技術涉及微藻分離領域，具體涉及收集微藻細胞的原位自組裝磁性復合材料及應用。
技術介紹
微藻有著廣泛的應用前景，但是培養后的微藻細胞的采收效率和成本成為微藻利用的限制性因素之一。磁性分離具有操作簡單、分離速度快的特點。在磁性分離微藻的過程中，磁性顆粒捕集到藻細胞后，在外加磁場作用下，形成聚集體，從溶液中分離出來。為了有效捕集到藻細胞，磁性顆粒表面通常會包覆一層有機化合物，用于與表面具有陰離子特性的藻細胞進行結合。這些物質合成方法較為復雜，往往要通過多種試劑、多步反應實現，且所用修飾物多是人工合成的化學物質，對微藻收集及后續廣泛應用帶來已知或潛在的有害污染物殘留的影響。植物多酚也稱單寧，是一類廣泛存在于植物體內的天然次生代謝產物，具有價格低廉、環境友好、可生物降解、無二次污染等特點，能夠對于水中大部分呈陰電荷的膠體具有顯著的分散作用。天然植物多酚提取物經過胺甲基化、季胺鹽化改性后，與Fe3O4顆粒進行異位組裝，能夠實現對微藻細胞的捕集。但該方法需要對植物多酚進行改性處理，且需要先獲得Fe3O4，然后再與植物多酚按比例進行組裝，不能簡便地控制復合磁性產物的合成。分步合成磁性復合材料過程中，原料較多，步驟復雜，而且產物的形貌難以控制，由于水相體系粉末因羥基和毛細管力的作用而時常發生團聚現象，進而影響微藻捕獲。一步反應制備磁性復合材料，僅需要簡單控制起始原料和反應條件，便可以制備出不同尺寸不同形貌的顆粒，而且原料較少，制備方法簡單，便于操作，植物多酚的使用不僅有助于解決產物易團聚的問題，還在提高微藻捕獲效率方面發揮重要作用。
技術實現思路
本專利技術提出將天然植物多酚適當純化，然后直接加入到四氧化三鐵的制備過程中，采用原位組裝方法，一步制備得到磁性復合材料，該材料具備四氧化三鐵的磁性以及植物多酚酚羥基多種基團的表面負載，能夠與微藻細胞在外加磁場下聚集團聚，實現了微藻的高效捕獲。本專利技術的目的是提供一種用于收集微藻的原位自組裝磁性復合材料。本專利技術的再一目的是提供制備上述用于收集微藻的原位自組裝磁性復合材料的方法。本專利技術的再一目的是提供上述原位自組裝磁性復合材料收集微藻的應用。根據本專利技術的收集微藻細胞的原位自組裝磁性復合材料，其制備步驟如下：(1)純化植物多酚工業用原材料；(2)將二茂鐵和純化植物多酚溶解于有機溶劑的水溶液中，充分混勻后，在密閉的高溫高壓條件下反應一定時間，制備得到黑色固體材料；(3)將黑色固體材料用蒸餾進行清洗，冷凍干燥后，制得磁性復合材料。根據本專利技術的具體實施方式的收集微藻細胞的原位自組裝磁性復合材料，在所述步驟(1)中，純化植物多酚的方法為：將植物多酚工業原材料溶解于其質量10-15倍的蒸餾水中，離心去除不溶物，得到植物多酚水溶液；將1-10倍體積的石油醚(沸程60℃-90℃)加入到植物多酚水溶液中，劇烈震蕩并靜置萃取后，取下層水溶液，在70～80℃下蒸發去除殘存的石油醚；向水溶液中加入3～5倍體積的100％乙醇溶液，混合均勻，離心去除沉淀后，在25～80℃下去除乙醇；冷凍干燥得到純化植物多酚粉末；根據本專利技術的具體實施方式的收集微藻細胞的原位自組裝磁性復合材料，在所述步驟(2)中，二茂鐵和純化植物多酚的質量比為1:0.05-1:5，優選1:0.2-1:2；有機溶劑為異丙醇、丙酮、甲醇、乙醇、甲苯，水溶液質量濃度為20％-80％，優選40-70％；反應溫度為300-500℃，優選350-400℃；反應時間為5h-24h，優選6-12h。根據本專利技術的磁性復合材料，在其制備過程中，固體產物無論自氣相、液相，還是固相中形成，都包含兩個基本步驟：即成核與生長過程。該反應在高壓密閉的環境中進行，反應初期，含氧溶劑分子在反應條件下裂解釋放含氧碎片，協同密閉環境內殘余空氣中的氧氣，使得二茂鐵氧化成四氧化三鐵，由于植物多酚分子中含有眾多酚羥基、醇羥基、芳環碳氫鍵和六元環碳氧鍵等，能夠有效地選擇性吸附、包覆在晶粒表面，抑制其生長，繼而形成穩定的復合材料，這些復合材料能夠單獨分散在反應液中，又由于高溫下植物多酚與有機溶劑的反應，使得復合材料之間會繼續連接聚集得到團聚物。在有機溶劑和水的混合溶劑中進行制備反應時，少量水的存在顯著影響著微米晶的形貌，水過量，則會使得產物形貌不規則，進而在外加磁場作用下影響材料和藻細胞的結合，如，異丙醇濃度為10％時，對于2.0g/L的普通小球藻收集效率最高為70.3％。二茂鐵和純化植物多酚的比例影響著產物顆粒的包覆狀況、材料的分散程度，植物多酚用量太少，材料包覆量太低，則難以發揮植物多酚捕獲微藻的特定作用，如二茂鐵和純化植物多酚的質量為1：0.02時，對于2.0g/L的普通小球藻收集效率最高為50.0％，但植物多酚用量過多，使得合成特定的磁性復合材料后，多余的植物多酚在體系中繼續反應，生成黏性酯類等物質使得材料產生黏性，投入藻液后難以分散，收集微藻效率低，如二茂鐵和純化植物多酚的質量為1：4時，對于2.0g/L的普通小球藻收集效率最高為43.0％。溫度和時間表現在體系的反應氣氛和系統壓力，時間過短或者溫度過低時，晶體生長速率慢，材料合成的不完全，顆粒不均勻，磁性較弱甚至無磁性，收集微藻效率低，如反應溫度為350℃，反應時間為3h時，產物無磁性；反應溫度為250℃，反應時間為24h時，對于3.0g/L的銅綠微囊藻，收集效率僅為為54.0％。反應而溫度太高則會導致二茂鐵在高溫下分解同時溶劑分子易裂解炭化，使得磁性復合材料成為被碳包覆的核殼結構，外加磁場作用下，難以發揮強磁性捕獲微藻的優勢，如反應溫度為550℃，反應時間為24h時，對于2.0g/L的尖細柵藻，收集效率僅為為60.5％。根據本專利技術的收集微藻細胞的原位自組裝磁性復合材料有較好的磁性能，比飽和磁化強度達到40emu/g。對材料進行X-射線衍射分析，產物各衍射峰符合Fe3O4標準譜圖(PDF#89-2355)，且譜峰尖銳無雜峰，說明產物純度高、結晶度好。進一步采用紅外分析，發現產物在560cm-1有強吸收峰，該峰歸屬于Fe3O4的特征吸收峰，在3434cm-1、1632cm-1、1050cm-1等出現純化多酚的官能團特征峰，其中3434cm-1表明產物表面負載了大量酚羥基。且通過掃描電子顯微鏡和電子能譜分析，產物為表面有負載物質的球形微米粒子以及該形粒子的聚集生長體，所制備復合材料粒徑在5μm～60μm之間。根據本專利技術的收集微藻細胞的原位自組裝磁性復合材料，適于收集以下微藻細胞：小球藻、普通小球藻、布朗葡萄球藻、蛋白小球藻、橢圓小球藻、微綠球藻、斜生柵藻、四尾柵藻、尖細柵藻、菱形藻、細柱藻、等鞭金藻、寇氏隱甲藻、鹽藻、褐指藻、四片藻、裂殖壺菌或銅綠微囊藻。本專利技術的優點可概括如下：本專利技術提供了一種新型的原位自組裝磁性復合材料，該材料制備方法新穎簡便，安全可靠成本低廉，在收集微藻過程中，不受pH限制，克服了現有磁材料對收獲的生物量帶來污染的問題，且收集微藻的方法操作簡單，所處理的藻液無需任何預處理，使得收集成本降低。根據本專利技術的收集微藻細胞的原位自組裝磁性復合材料的制備過程中，所用修飾物植物多酚較其他修飾物相比，價格低廉，天然無害可降解，且純化植物多酚操作簡單，成本較低，實驗室易控制，可本文檔來自技高網...

【技術保護點】
收集微藻的原位自組裝磁性復合材料，其特征在于，所述原位自組裝磁性復合材料的制備方法包括以下步驟：(1)將二茂鐵和植物多酚溶解于有機溶劑的水溶液中，充分混勻后，在密閉的高溫高壓條件下反應5h?24h，制備得到黑色固體材料，其中，二茂鐵和純化植物多酚的質量比為1:0.05?1:5，水溶液的質量濃度為20％?80％，反應溫度為300?500℃；(2)將黑色固體材料用蒸餾進行清洗，冷凍干燥后，制得磁性復合材料。

【技術特征摘要】
1.收集微藻的原位自組裝磁性復合材料，其特征在于，所述原位自組裝磁性復合材料的制備方法包括以下步驟：(1)將二茂鐵和植物多酚溶解于有機溶劑的水溶液中，充分混勻后，在密閉的高溫高壓條件下反應5h-24h，制備得到黑色固體材料，其中，二茂鐵和純化植物多酚的質量比為1:0.05-1:5，水溶液的質量濃度為20％-80％，反應溫度為300-500℃；(2)將黑色固體材料用蒸餾進行清洗，冷凍干燥后，制得磁性復合材料。2.根據權利要求1所述的收集微藻的原位自組裝磁性復合材料，其特征在于，所述方法包括純化植物多酚的步驟，純化植物多酚的步驟為：將植物多酚工業原材料溶解于其質量10-15倍的蒸餾水中，離心去除不溶物，得到植物多酚水溶液；將1-10倍體積的石油醚加入到植物多酚水溶液中，劇烈震蕩并靜置萃取后，取下層水溶液，在70～80℃下蒸發去除殘存的石油醚；向水溶液中加入3～5倍體積的100％乙醇溶液，混合均勻，離心去除沉淀后，在25～80℃下去除乙醇；冷凍干燥得到純化植物多酚粉末。3.根據權利要求1所述的收集微藻的原位自組裝磁性復合材料，其特征在于，二茂鐵和純化植物多酚的質量比為1:0.2-1:2。4.根據權利要求1所述的收集微藻的原位自組裝磁性復...

【專利技術屬性】
技術研發人員：梁文艷，王曉宇，趙遠，姜曉雪，
申請(專利權)人：北京林業大學，
類型：發明
國別省市：北京,11