SiC/Si陶瓷中空纤维：一种小球藻生物质收获的新方法

《Canadian Journal of Chemical Engineering》：SiC/Si ceramic hollow fibres: A new approach to Chlorella vulgaris biomass harvesting

　　

微藻的高效收获是生物精炼厂可行性的关键挑战，需要结合高选择性、低成本和可扩展性的技术。当前研究评估了由相转化法制备并在1250°C下烧结的非对称中空纤维陶瓷膜（HF-SiC70Si30）在收获小球藻（Chlorella vulgaris）中的性能。该膜表现出332 L m^?2 h^?1 bar^?1的水力渗透性和100%的细胞截留率，归因于其分级多孔结构和亲水性（接触角：71.95°）。污染分析表明，滤饼形成是主要机制（R²=0.89），其中86.7%的阻力是可逆的，反冲洗后可恢复85%的通量。HF-SiC70Si30的低温烧结（1250°C）和机械鲁棒性突出了其在工业应用中的潜力，克服了传统聚合物和陶瓷膜的局限性。

微藻作为可持续生物质和高价值生物产品的来源，具有固碳和生产富含脂质、碳水化合物、蛋白质及色素的生物质能力，但因其细胞尺寸小（1–100 μm）和低细胞密度（常低于1 g L^?1），大规模收获面临挑战。传统分离方法如絮凝和离心存在化学试剂过量使用或细胞结构应力等问题，不适用于工业规模。膜技术虽提供稳定、高效、可扩展的解决方案，但膜污染（尤其是微藻、胞外有机物和溶解物质引起的孔隙阻塞）导致通量下降、能耗增加和使用寿命缩短。陶瓷中空纤维膜因非对称孔径分布而具有优异的热、化学和机械稳定性，其中碳化硅（SiC）基膜兼具亲水性和低污染优势，但传统高温烧结（>2100°C）成本高昂。为克服此局限，研究人员利用硅金属（Si）作为烧结助剂，在低于1350°C下制备SiC/Si陶瓷膜，降低制造成本。目前关于SiC/Si中空纤维膜用于微藻收获的研究较少，尤其是结合SiC与金属Si的膜。本研究旨在填补这一空白，提出一种新型SiC/Si中空纤维陶瓷膜（HF-SiC70Si30，由相转化法制备并在1250°C烧结）用于小球藻（Chlorella vulgaris）的浓缩。该膜表现出高渗透性、100%细胞截留和良好的抗污染性能，且反冲洗后通量恢复率高，为工业应用提供了经济可行的方案。论文发表在《Canadian Journal of Chemical Engineering》。

研究人员采用相转化法制备了由70% SiC（重量）和30% Si（重量）组成的中空纤维膜，烧结温度为1250°C。关键方法包括：通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDX）分析膜形态；利用原子力显微镜（AFM）测定表面粗糙度；通过接触角测量评估亲水性；通过纯水渗透性测试计算水力渗透性。在死端（dead-end）过滤模式下，以1 bar恒压和25°C条件进行小球藻收获实验，使用Hermia模型分析污染机制，并通过多循环过滤评估膜的可重复使用性。小球藻（Chlorella vulgaris）菌株取自圣保罗大学海洋研究所的Aidar and Kutner微生物库。

**3.1 所制备的Si-SiC中空纤维膜的特性**：通过SEM和AFM分析，HF-SiC70Si30膜呈现出非对称孔径分布，外表面致密且内部具有微通道，平均外径1.85±0.03 mm，厚度0.4 mm。AFM测得平均粗糙度（Ra）为305.48±40.39 nm，表明膜表面具有高粗糙度结构。接触角测量值为71.95±3.87°，证实了膜的亲水性。

**3.2 小球藻的粒径分布（PSD）**：利用激光衍射分析，小球藻悬浮液呈现单峰分布，Dv₁₀、Dv₅₀和Dv₉₀分别为7.29±0.37 μm、29.38±1.61 μm和93.49±6.64 μm，表明存在细胞聚集体，主要分布范围在5–100 μm。

**3.3 小球藻的收获**：膜的水力渗透性为332±0.12 L m^?2 h^?1 bar^?1，高于其他SiC基膜文献值。收获效率达到100%，归因于细胞尺寸（Dv₅₀≈29 μm）远大于膜孔径（1–5 μm）。Hermia模型拟合表明滤饼层形成（cake formation）是主要污染机制（R²=0.8919），其次为部分孔阻塞（R²=0.7349）。阻力分析显示可逆污染（R_r）占总阻力（R_t）的86.7%，不可逆污染（R_ir）占13.3%。反冲洗后，初始通量恢复至85%，稳态通量在第二循环略有下降。多循环实验（6个循环）表明，前4个循环初始通量恢复率≥92%，第4循环后降至75%，但第5–6循环稳定在98%左右，表明简单水清洗即可高效恢复膜性能。

**讨论部分**：讨论指出，膜的高粗糙度（305 nm）虽增加了过滤面积和亲水性，但也促进了细胞和胞外聚合物（EPS）在凹陷区域的积累，加剧滤饼形成。死端模式下的滤饼层形成是通量下降的主要原因，但中空纤维几何结构适用于工业错流（crossflow）操作，以减轻污染。与文献对比，HF-SiC70Si30膜在低温烧结（1250°C）下实现了高渗透性和高收获效率，且反冲洗后的通量恢复率优于许多仅使用水清洗的陶瓷膜（87%–91%），甚至接近化学清洗或空气辅助反冲的效果（97.71%–98%），显示其经济优势（减少化学消耗和停机时间）。

**结论部分**：为克服传统微藻收获方法的技术和经济限制，本研究旨在评估一种新型SiC/Si陶瓷膜在小球藻高效收获中的应用。该膜通过相转化法制备并在1250°C烧结，展现出非对称孔径分布、高机械稳定性和亲水性（接触角：71.95°），水力渗透性（332 L m^?2 h^?1 bar^?1）优于其他研究。膜实现了100%的收获效率，归因于小球藻（Dv₅₀：29.38 μm）与膜孔（1–5 μm）之间的显著尺寸差异。污染分析显示滤饼形成机制占主导（R²=0.8919），可逆污染占总阻力的86.7%，水力反冲洗后通量恢复率达85%。因此，该膜作为可持续且可扩展的微藻收获方案具有潜力，结合了高性能与低温烧结带来的经济可行性。未来研究需探索其在错流模式下的应用，并开发缓解长期污染的策略，以推动工业级验证。