《Journal of Biotechnology》：Analysis of Fenugreek gum-based microalgae harvesting technology and its mechanism of action
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微藻无气泡浮选新技术开发及机理研究，利用 Fenugreek胶体替代气泡实现高效收获，通过单因素和响应面法优化 pH、胶体添加量等参数，收获效率达94.03%，富集比2.5，生命周期评估显示环境成本1.14 kg CO2eq，生产成本3.15美元，机理为静电中和与吸附桥接。
Xichen Zheng|Hao Wen|Kemin Wei|Jia He|Manli Wang|Meili Wu
安徽科技大学地球与环境学院，中国淮南市232001
摘要
利用微藻生产可再生生物质是应对环境和能源挑战的一种有前景的方法，但微藻收获的高成本限制了其工业应用。为了探索高效且低成本的微藻收获方法，研究人员开发了一种利用葫芦巴胶进行无气泡收获的新技术。通过单因素实验和响应面分析筛选出关键影响因素，并建立多目标优化模型来确定影响收获效率的因素，包括pH值、纤维素钠的添加量、搅拌时间、搅拌速度、浮选材料的添加量以及原始藻液体积。实验结果表明，最佳收获效率为94.026%，最佳富集比为2.5%。基于生命周期评估，葫芦巴胶对气候变化的环境影响为1.14公斤二氧化碳当量，生产成本为3.15美元，显著低于传统收获方法。机理分析表明，葫芦巴胶通过静电中和和吸附桥接机制附着在微藻上。
引言
全球人口增长以及工业化和城市化导致了能源需求的显著增加（Ma等人，2023年）。燃烧石油和化石燃料仍然是主要的能源来源。然而，化石燃料储备的减少、全球变暖危机以及化石燃料的过度使用导致了环境退化和水体污染的加剧（Ma等人，2023年）。为了促进可持续发展并实现碳中和目标，人类必须紧急寻找新的、绿色和可再生的能源来应对环境退化带来的挑战。微藻具有多种优势，例如可以在非耕地上进行培养、生长速度快、收获周期短以及含有高比例的脂质等。它们被视为一种重要的可再生和清洁能源，未来有可能替代化石燃料（Ahmad等人，2011年；Khan等人，2018年），并可作为化学品、药品、营养补充剂和化妆品的原料（Cai等人，2015年）。Pechsiri和Gr?ndahl（2021年）对波罗的海蓝藻收获的环境影响和实际可行性进行了研究。尽管具有这些潜力，但微藻的固有特性——尤其是其微小的尺寸和带负电的细胞表面——导致了生产成本的增加，并阻碍了大规模应用（Garzon-Sanabria等人，2012年）。
已经开发了多种微藻收获方法，其中最广泛采用的方法包括絮凝、离心、沉淀、过滤和浮选。然而，许多研究发现，微藻收获相关的成本通常占总工艺成本的20%至30%（Ahmad等人，2011年；Yin等人，2022年；Vázquez-Romero等人，2022年；Kumar等人，2024年）。空气浮选作为一种低成本收获方法受到了广泛关注（Pappa等人，2025年；Rao等人，2024年）。空气浮选方法是将空气以微小气泡的形式引入经过絮凝预处理的藻液中。当这些微小气泡与絮凝剂高速碰撞并结合后，悬浮的微藻会被带到液体表面，从而实现藻液的分离。与其他传统方法相比，空气浮选方法成本更低且效率更高。然而，气泡稳定性较差，在上升过程中容易破裂，这会影响收获效率。同时，产生气泡需要消耗大量能量，且添加起泡剂还存在二次污染的风险。因此，开发一种既能稳定浮选过程又能保持微藻基生物燃料生产效率的低成本策略至关重要。微藻絮凝后进行收获是一种在收获效率、经济成本、能源消耗和技术可行性方面更高效的方法（Li等人，2020年）。
近年来，使用低密度固体浮珠材料替代气泡的无气泡收获方法显示出良好的应用前景。葫芦巴（Trigonella foenum-graecum）属于豆科蝶形亚科Trigonella属植物，主要在亚洲、北非和中东地区种植（Ramamurthy等人，2012年）。在中国，它主要分布在河南、青海、四川等地。与瓜尔胶、黄原胶和魔芋胶相比，葫芦巴胶不仅含有23-26%的蛋白质、6-7%的脂肪和58%的碳水化合物（其中25%为膳食纤维）以及皂苷和黄酮类化合物（Lu等人，2008年），还含有大量的半乳甘露聚糖多糖，这些多糖具有增稠和絮凝作用。其蛋白质-多糖复合结构具有良好的乳化和泡沫稳定性能，有助于提高浮选过程中絮团与浮珠之间的浮选效率。
相比之下，虽然瓜尔胶粘度较高，但蛋白质含量低，乳化和起泡能力有限（Tahmouzi等人，2023年；Sharahi等人，2025年）。黄原胶主要用作增稠剂，界面活性较弱。魔芋胶虽然具有良好的凝胶形成性能，但成本较高且起泡性能较差，限制了其在浮选中的应用。葫芦巴种子具有多种药用价值，还含有一种对水和废水处理有有益的混凝作用的可溶性物质（Zhu等人，2024年）。一项使用葫芦巴处理棕榈油厂废水的研究表明，能够去除高达76.8%的总悬浮固体（TSS）和77.6%的浊度（Sui Kim等人，2020年）。它具有很强的乳化能力和优异的乳液稳定性，广泛应用于食品等相关行业（Dhull等人，2020年）。
本研究提出了一种新的、低成本且高效的微藻无气泡收获方法，以葫芦巴种子为原料，代替传统空气浮选方法中的气泡，使用低密度乳液作为浮选材料。通过响应面方法优化关键工艺参数，并研究葫芦巴与微藻之间的结合机制，旨在开发一种高效且经济可行的微藻收获方法。
部分内容
藻类培养
Chlorella vulgaris（FACHB-8）购自水生生物学研究所的淡水藻类培养库。Chlorella在定制的光生物反应器中培养，温度为25-30°C，光照强度为3000-3500 Lux，明暗周期比为12:12小时，曝气率为15 L/h（Zou等人，2019年）。培养基为BG-11，调整至pH 7.5，通过蠕动泵使用1 mol/L的NaOH和HCl进行pH控制。培养过程持续到
单因素浮选实验
对葫芦巴浮选材料进行了六组单向实验，研究了以下影响因素：pH值、乳液添加量、CCNF添加量、搅拌速率、搅拌时间和原始藻液体积（每100毫升实验藻液中的原始藻类含量）。在控制其中一个因素变化的同时，保持其他所有因素不变。选择收获效率和富集比作为评估效果的指标
结论
本研究开发了一种利用葫芦巴种子乳液和CCNF的无气泡收获策略，用于Chlorella vulgaris的收获。响应面方法优化得出的最大收获效率为94.03%，富集比为2.5。机理分析表明，附着过程主要由物理相互作用控制，具体包括静电中和、吸附桥接和网状扫掠作用，而非化学键合。
CRediT作者贡献声明
Meili Wu： 数据整理。
Hao Wen： 文章撰写——审稿与编辑、监督、资源获取、概念构思。
Wei Kemin： 软件开发。
He Jia： 数据整理。
Wang Manli： 数据整理。
Xichen Zheng： 文章撰写——初稿撰写、方法设计、数据分析、概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本研究的结果。
致谢
本研究得到了安徽科技大学校级重点项目的资助（项目编号：2025cx2009）。
