收集微藻细胞的原位自组装磁性复合材料及应用制造技术

本发明专利技术涉及微藻分离领域，具体涉及收集微藻细胞的原位自组装磁性复合材料及应用。所述复合材料的制备方法包括步骤：将二茂铁和植物多酚溶解于有机溶剂的水溶液中，充分混匀后，在密闭的高温高压条件下反应5h‑24h，制备得到黑色固体材料；将黑色固体材料用蒸馏进行清洗，冷冻干燥后，制得磁性复合材料。应用本发明专利技术的收集微藻细胞的原位自组装磁性复合材料分离油脂产量较高的微藻原液，分离前藻液不需要经过离心、稀释、调pH等预处理，且细胞密度极高，为常规絮凝藻细胞密度的5‑10000倍。磁性复合材料收集微藻细胞时分离时间短，收集的藻细胞无有害物质残留，对分离设备要求较低，可工业化大规模推广使用。

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.

【技术实现步骤摘要】
收集微藻细胞的原位自组装磁性复合材料及应用
本专利技术涉及微藻分离领域，具体涉及收集微藻细胞的原位自组装磁性复合材料及应用。
技术介绍
微藻有着广泛的应用前景，但是培养后的微藻细胞的采收效率和成本成为微藻利用的限制性因素之一。磁性分离具有操作简单、分离速度快的特点。在磁性分离微藻的过程中，磁性颗粒捕集到藻细胞后，在外加磁场作用下，形成聚集体，从溶液中分离出来。为了有效捕集到藻细胞，磁性颗粒表面通常会包覆一层有机化合物，用于与表面具有阴离子特性的藻细胞进行结合。这些物质合成方法较为复杂，往往要通过多种试剂、多步反应实现，且所用修饰物多是人工合成的化学物质，对微藻收集及后续广泛应用带来已知或潜在的有害污染物残留的影响。植物多酚也称单宁，是一类广泛存在于植物体内的天然次生代谢产物，具有价格低廉、环境友好、可生物降解、无二次污染等特点，能够对于水中大部分呈阴电荷的胶体具有显著的分散作用。天然植物多酚提取物经过胺甲基化、季胺盐化改性后，与Fe3O4颗粒进行异位组装，能够实现对微藻细胞的捕集。但该方法需要对植物多酚进行改性处理，且需要先获得Fe3O4，然后再与植物多酚按比例进行组装，不能简便地控制复合磁性产物的合成。分步合成磁性复合材料过程中，原料较多，步骤复杂，而且产物的形貌难以控制，由于水相体系粉末因羟基和毛细管力的作用而时常发生团聚现象，进而影响微藻捕获。一步反应制备磁性复合材料，仅需要简单控制起始原料和反应条件，便可以制备出不同尺寸不同形貌的颗粒，而且原料较少，制备方法简单，便于操作，植物多酚的使用不仅有助于解决产物易团聚的问题，还在提高微藻捕获效率方面发挥重要作用。
技术实现思路
本专利技术提出将天然植物多酚适当纯化，然后直接加入到四氧化三铁的制备过程中，采用原位组装方法，一步制备得到磁性复合材料，该材料具备四氧化三铁的磁性以及植物多酚酚羟基多种基团的表面负载，能够与微藻细胞在外加磁场下聚集团聚，实现了微藻的高效捕获。本专利技术的目的是提供一种用于收集微藻的原位自组装磁性复合材料。本专利技术的再一目的是提供制备上述用于收集微藻的原位自组装磁性复合材料的方法。本专利技术的再一目的是提供上述原位自组装磁性复合材料收集微藻的应用。根据本专利技术的收集微藻细胞的原位自组装磁性复合材料，其制备步骤如下：(1)纯化植物多酚工业用原材料；(2)将二茂铁和纯化植物多酚溶解于有机溶剂的水溶液中，充分混匀后，在密闭的高温高压条件下反应一定时间，制备得到黑色固体材料；(3)将黑色固体材料用蒸馏进行清洗，冷冻干燥后，制得磁性复合材料。根据本专利技术的具体实施方式的收集微藻细胞的原位自组装磁性复合材料，在所述步骤(1)中，纯化植物多酚的方法为：将植物多酚工业原材料溶解于其质量10-15倍的蒸馏水中，离心去除不溶物，得到植物多酚水溶液；将1-10倍体积的石油醚(沸程60℃-90℃)加入到植物多酚水溶液中，剧烈震荡并静置萃取后，取下层水溶液，在70～80℃下蒸发去除残存的石油醚；向水溶液中加入3～5倍体积的100％乙醇溶液，混合均匀，离心去除沉淀后，在25～80℃下去除乙醇；冷冻干燥得到纯化植物多酚粉末；根据本专利技术的具体实施方式的收集微藻细胞的原位自组装磁性复合材料，在所述步骤(2)中，二茂铁和纯化植物多酚的质量比为1:0.05-1:5，优选1:0.2-1:2；有机溶剂为异丙醇、丙酮、甲醇、乙醇、甲苯，水溶液质量浓度为20％-80％，优选40-70％；反应温度为300-500℃，优选350-400℃；反应时间为5h-24h，优选6-12h。根据本专利技术的磁性复合材料，在其制备过程中，固体产物无论自气相、液相，还是固相中形成，都包含两个基本步骤：即成核与生长过程。该反应在高压密闭的环境中进行，反应初期，含氧溶剂分子在反应条件下裂解释放含氧碎片，协同密闭环境内残余空气中的氧气，使得二茂铁氧化成四氧化三铁，由于植物多酚分子中含有众多酚羟基、醇羟基、芳环碳氢键和六元环碳氧键等，能够有效地选择性吸附、包覆在晶粒表面，抑制其生长，继而形成稳定的复合材料，这些复合材料能够单独分散在反应液中，又由于高温下植物多酚与有机溶剂的反应，使得复合材料之间会继续连接聚集得到团聚物。在有机溶剂和水的混合溶剂中进行制备反应时，少量水的存在显著影响着微米晶的形貌，水过量，则会使得产物形貌不规则，进而在外加磁场作用下影响材料和藻细胞的结合，如，异丙醇浓度为10％时，对于2.0g/L的普通小球藻收集效率最高为70.3％。二茂铁和纯化植物多酚的比例影响着产物颗粒的包覆状况、材料的分散程度，植物多酚用量太少，材料包覆量太低，则难以发挥植物多酚捕获微藻的特定作用，如二茂铁和纯化植物多酚的质量为1：0.02时，对于2.0g/L的普通小球藻收集效率最高为50.0％，但植物多酚用量过多，使得合成特定的磁性复合材料后，多余的植物多酚在体系中继续反应，生成黏性酯类等物质使得材料产生黏性，投入藻液后难以分散，收集微藻效率低，如二茂铁和纯化植物多酚的质量为1：4时，对于2.0g/L的普通小球藻收集效率最高为43.0％。温度和时间表现在体系的反应气氛和系统压力，时间过短或者温度过低时，晶体生长速率慢，材料合成的不完全，颗粒不均匀，磁性较弱甚至无磁性，收集微藻效率低，如反应温度为350℃，反应时间为3h时，产物无磁性；反应温度为250℃，反应时间为24h时，对于3.0g/L的铜绿微囊藻，收集效率仅为为54.0％。反应而温度太高则会导致二茂铁在高温下分解同时溶剂分子易裂解炭化，使得磁性复合材料成为被碳包覆的核壳结构，外加磁场作用下，难以发挥强磁性捕获微藻的优势，如反应温度为550℃，反应时间为24h时，对于2.0g/L的尖细栅藻，收集效率仅为为60.5％。根据本专利技术的收集微藻细胞的原位自组装磁性复合材料有较好的磁性能，比饱和磁化强度达到40emu/g。对材料进行X-射线衍射分析，产物各衍射峰符合Fe3O4标准谱图(PDF#89-2355)，且谱峰尖锐无杂峰，说明产物纯度高、结晶度好。进一步采用红外分析，发现产物在560cm-1有强吸收峰，该峰归属于Fe3O4的特征吸收峰，在3434cm-1、1632cm-1、1050cm-1等出现纯化多酚的官能团特征峰，其中3434cm-1表明产物表面负载了大量酚羟基。且通过扫描电子显微镜和电子能谱分析，产物为表面有负载物质的球形微米粒子以及该形粒子的聚集生长体，所制备复合材料粒径在5μm～60μm之间。根据本专利技术的收集微藻细胞的原位自组装磁性复合材料，适于收集以下微藻细胞：小球藻、普通小球藻、布朗葡萄球藻、蛋白小球藻、椭圆小球藻、微绿球藻、斜生栅藻、四尾栅藻、尖细栅藻、菱形藻、细柱藻、等鞭金藻、寇氏隐甲藻、盐藻、褐指藻、四片藻、裂殖壶菌或铜绿微囊藻。本专利技术的优点可概括如下：本专利技术提供了一种新型的原位自组装磁性复合材料，该材料制备方法新颖简便，安全可靠成本低廉，在收集微藻过程中，不受pH限制，克服了现有磁材料对收获的生物量带来污染的问题，且收集微藻的方法操作简单，所处理的藻液无需任何预处理，使得收集成本降低。根据本专利技术的收集微藻细胞的原位自组装磁性复合材料的制备过程中，所用修饰物植物多酚较其他修饰物相比，价格低廉，天然无害可降解，且纯化植物多酚操作简单，成本较低，实验室易控制，可本文档来自技高网...

【技术保护点】
收集微藻的原位自组装磁性复合材料，其特征在于，所述原位自组装磁性复合材料的制备方法包括以下步骤：(1)将二茂铁和植物多酚溶解于有机溶剂的水溶液中，充分混匀后，在密闭的高温高压条件下反应5h‑24h，制备得到黑色固体材料，其中，二茂铁和纯化植物多酚的质量比为1:0.05‑1:5，水溶液的质量浓度为20％‑80％，反应温度为300‑500℃；(2)将黑色固体材料用蒸馏进行清洗，冷冻干燥后，制得磁性复合材料。

【技术特征摘要】
1.收集微藻的原位自组装磁性复合材料，其特征在于，所述原位自组装磁性复合材料的制备方法包括以下步骤：(1)将二茂铁和植物多酚溶解于有机溶剂的水溶液中，充分混匀后，在密闭的高温高压条件下反应5h-24h，制备得到黑色固体材料，其中，二茂铁和纯化植物多酚的质量比为1:0.05-1:5，水溶液的质量浓度为20％-80％，反应温度为300-500℃；(2)将黑色固体材料用蒸馏进行清洗，冷冻干燥后，制得磁性复合材料。2.根据权利要求1所述的收集微藻的原位自组装磁性复合材料，其特征在于，所述方法包括纯化植物多酚的步骤，纯化植物多酚的步骤为：将植物多酚工业原材料溶解于其质量10-15倍的蒸馏水中，离心去除不溶物，得到植物多酚水溶液；将1-10倍体积的石油醚加入到植物多酚水溶液中，剧烈震荡并静置萃取后，取下层水溶液，在70～80℃下蒸发去除残存的石油醚；向水溶液中加入3～5倍体积的100％乙醇溶液，混合均匀，离心去除沉淀后，在25～80℃下去除乙醇；冷冻干燥得到纯化植物多酚粉末。3.根据权利要求1所述的收集微藻的原位自组装磁性复合材料，其特征在于，二茂铁和纯化植物多酚的质量比为1:0.2-1:2。4.根据权利要求1所述的收集微藻的原位自组装磁性复...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁文艳，王晓宇，赵远，姜晓雪，
申请(专利权)人：北京林业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11