CN103184158A - 微藻收集方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种不需要添加絮凝剂的微藻收集方法，所述方法包括：(1)在养殖微藻时，减少藻液中CO₂的浓度，使微藻养殖液pH值上升。当pH值上升至9.50～11.00时，微藻细胞自絮凝后发生沉降，将沉降的藻液排出而得到浓缩藻液或将上层清液排出弃掉而得到浓缩藻液；(2)在发生上浮时，通入微气泡，加快藻细胞的上浮并沿导流装置排出，得到浓缩藻液；或③在微藻细胞自絮凝的同时或者自絮凝后，通入微气泡，使藻细胞上浮并沿导流装置排出，得到浓缩藻液。本发明还提供了微藻收集方法在微藻养殖方面的应用。

Description

微藻收集方法及应用

技术领域

本发明涉及一种微藻收集方法及应用。具体而言，本发明提供一种不需要添加絮凝剂的微藻收集方法及在微藻养殖方面的应用。

背景技术

微藻是一类个体微小的藻类，大部分为水生真核生物，为单细胞或由数个细胞组成。微藻营养丰富，富含蛋白质、维生素和多不饱和脂肪酸等物质，且生长速度快，单位面积产量高。基于这些特点，微藻在饵料、保健食品、制药及生物燃料等工业领域有着非常广泛的应用。但是，由于微藻个体微小(微藻直径一般是1～20μm)，且在培养液中的浓度很低(通常＜1g/L)，决定了其采收难度很大。对于工业化大规模规模的微藻养殖，低密度的微藻收集一直是个瓶颈。

因此，寻求一种高效率、低成本的采收方法是当前亟需解决的问题。特别是在生物燃料工业级微藻收集方面，目前以微藻为原料的生物柴油生产成本极高，要想取代传统的化石能源，必须大幅降低其生产成本(有90％以上的降低空间)，而微藻收集是一个重要的环节。

尤其是海水类微藻，一般微藻细胞直径在1～20μm，因此将其收获较难。目前最常采用的方法就是使用碟片式分离机进行海水类微藻的采收。

目前，微藻采收普遍使用的方法有离心收集法、过滤法收集、沉降法收集等，但采用离心收集法耗能大、成本高；采用过滤法收集，由于微藻细胞小(1～20μm)容易堵塞通道，使用常规过滤方法无法进行。

现有技术缺点包括，例如，离心收集法能耗大、成本高；过滤法藻细胞堵塞过滤通道，过滤速度慢、效率低；不易沉降的微藻需要添加大量的絮凝剂，如铝盐、铁盐等无机阳离子盐类，壳聚糖等高分子有机类如絮凝剂，还要人为调节PH值，造成额外成本，同时，水的后处理很困难。

传统微藻絮凝采收的流程如图1所示。传统絮凝沉降采收微藻使用的是沉降池，待微藻养殖液和絮凝剂加入到沉降池中需外加动力搅拌进行混匀，每处理1000立方微藻养殖液约需消耗180度电能。经静置后，澄清液排出，底部得藻浓缩液。

另外，申请号为200710015212的公开专利公开了一种海洋微藻的浓缩方法，其特征在于向微藻养殖液中加入壳聚糖的有机酸水溶液，使微藻养殖液中壳聚糖的浓度为0.3～8.0毫克/升，然后调节微藻养殖液的pH值为4.5～8.5，使微藻絮凝，并采用静止分层或气浮方法收集絮凝物。

然而，这种海洋微藻的浓缩方法具有缺点，例如，上述专利中提到需添加壳聚糖等絮凝剂，添加絮凝剂对藻细胞和培养液造成污染，导致收集的藻细胞不可避免掺有残留絮凝剂，增加后续除杂工艺；并且收集藻细胞后的培养液废弃，不能回用，浪费资源；大规模采收微藻藻体所需絮凝剂用量较大，增加采收成本。

发明内容

发明人在研究中发现，在微藻养殖过程中，维持微藻正常生长的pH值一般为7.0-8.0，因为二氧化碳为微藻光合作用的底物，一旦藻液中的二氧化碳缺乏，将导致微藻的光合作用下降，同时还将导致pH值上升，引起微藻的自絮凝，微藻的自絮凝又将导致藻液的透光性降低，影响光合作用、不利于微藻的生长。此时，常规做法是增加二氧化碳的通入量使pH值保持在7.0-8.0，从而维持光合作用和促进微藻的生长。另外，在微藻养殖中，微藻细胞由于某种原因发生自絮凝而出现上浮或下沉是非正常现象，一般的微藻养殖人员通常都会采取增大二氧化碳混合气的通入量或增加搅拌的方式来使藻液混合均匀，维持细胞的光合作用和正常生长。

本发明利用了上述非正常现象，采取了保持CO₂持续缺乏或人为加快CO₂缺乏过程、使藻液的pH值进一步上升从而促使细胞自絮凝的快速发生，实现了无需额外添加絮凝剂的微藻低成本采收，解决了现有技术中存在的絮凝剂用量大和采收成本高等问题。

因此，本发明提供了一种不需要添加絮凝剂的微藻收集方法，所述方法包括：

(1)减少CO₂的浓度，使微藻养殖液的pH值上升；

(2)当微藻细胞自絮凝后发生沉降或上浮，从而获得浓缩藻液，

其中所述微藻收集方法通常是在微藻生长至指数后期和/或平台期时开始收集。并且，本领域技术人员可以根据实际需要而选择微藻养殖期间任何适当的收集时机。并且，优选地，使微藻养殖液的pH值上升至9.50～11.00而进行收集。

本发明的微藻收集方法还包括：在微藻细胞发生沉降时，将微藻养殖液静置适当的时间，将沉降的自絮凝微藻养殖液排出而得到浓缩藻液或将上层清液排出弃掉而得到浓缩藻液。

本发明的微藻收集方法还包括：在微藻细胞发生上浮时，通入二氧化碳含量低的微气泡，加快微藻细胞的上浮并沿导流装置排出，得到浓缩藻液。

本发明的微藻收集方法还包括：在微藻细胞自絮凝的同时或者自絮凝后，通入二氧化碳含量低的微气泡，使微藻细胞上浮并沿导流装置排出，得到浓缩藻液。

本发明所述的微藻收集方法还包括在减少二氧化碳浓度的同时增强微藻的光照强度。增加光照强度，可以加快微藻的光合作用，促使微藻将培养液中已有的二氧化碳尽快消耗掉，从而加速藻液pH值的上升，有利于微藻细胞的自絮凝。所述增加微藻培养的光照强度利用自然光源或自然光源辅以人工光源进行，光照强度为300-400μmol/m²·s。

减少CO₂浓度的方法可以包括，例如，停止通含有适于微藻正常生长的量的CO₂的气体，改为向藻液中通入不含CO₂的气体(包括氦气、氩气等惰性气体或氮气等，从成本考虑，优选使用氮气)，还可以通入含CO₂含量较低的气体，例如，CO₂浓度为0.4体积％以下的气体，例如，空气或空气与其他不含CO₂的混合气，从成本考虑，优选使用天然的空气，并控制气体流速，例如控制通入气体的流速为1.5～3.0L/min；或停止通入任何气体。

本领域技术人员应该理解，对于需要微藻充分沉降时，要注意控制通入的二氧化碳含量低的气体或不含二氧化碳的气体的流速，以免影响微藻的沉降，例如，可将通入气体的流速控制在1.5～3.0L/min，或者干脆停止通入任何气体；对于需要微藻充分上浮时，可以通入二氧化碳含量低的微气泡，并控制微气泡平均上升速度10mm/s～15mm/s，以加快微藻细胞的上浮。一般地，通入二氧化碳含量低的微气泡平均上升速度10mm/s～15mm/s，通入的时间一般为20～40分钟，优选控制在30分钟。

本发明所述的二氧化碳含量低的微气泡的气源种类可为：CO₂浓度为0.4体积％以下的混合气如空气，不含CO₂的气体如氮气、或惰性气体，优选不含CO₂的气体。

本领域技术人员应该理解，对于不同种类的微藻，其发生自絮凝所需要的pH值可能是不同的，本领域技术人员仍然可以通过上述方法减少微藻养殖液中二氧化碳的浓度，使微藻养殖液的pH值上升至微藻自絮凝所需要的范围内，而进行微藻收集。

本领域技术人员还应该理解，本发明的微藻收集方法适用于各种微藻，只要微藻在适当的pH值范围内发生自絮凝即可。例如，可以用本发明的微藻收集采收的微藻包括海水藻类、淡水藻类，例如，但不限于小球藻(Chlorella sp)等，海水小球藻(Chlorella sp.)、拟微绿球藻(Nannochloropsis sp)。

本发明的微藻收集方法可以用于原位收集(即在培养微藻所用的光生物反应器中进行收集)或移位收集(即将微藻养殖液移入另一容器内进行采收，如专用采收池或采收罐)。

本发明的微藻收集方法对用于微藻培养的光生物反应器的类型没有具体限制，可以使用各种类型的光生物反应器。微藻养殖光生物反应器，光生物反应器不限于板式光生物反应器，也可用于跑道池式光生物反应器、管式光生物反应器等。

微藻养殖液置于微藻养殖光生物反应器内部，微藻养殖曝气管装置位于微藻养殖光生物反应器底部，给以光照，光照可为自然光、人工光源等，含二氧化碳的空气混合气以一定的流速通入微藻养殖光生物反应器中，微藻细胞进行光合作用正常生长。当微藻细胞生长到指数后期或平台期时，将通入微藻养殖光生物反应器的、二氧化碳含量在1.5～15％(体积比)的空气混合气改为通入天然的空气，其中二氧化碳含量低，约为0.4％(体积比)，或通入氮气、惰性气体，或停止通入任何气体。通常，在微藻细胞生长阶段，通入的混合气含1.5～15％(体积比)的二氧化碳，而空气当中二氧化碳的含量约为0.4％(体积比)。

在减少二氧化碳气体通入量的初期，由于有残余二氧化碳的存在，微藻的光合作用照常进行，随着二氧化碳的消耗，微藻养殖液的pH值逐渐升高，当pH值上升至9.50～11.00时，微藻细胞自絮凝而沉降或上浮，该过程可以通过增加光照而加速微藻细胞自絮凝，①当微藻细胞发生沉降时，可以将微藻养殖液静置一段时间，自絮凝藻细胞浓缩液由阀门排出；②当微藻细胞发生上浮时，通入二氧化碳含量低的微气泡，上浮藻细胞浓缩液沿导流装置排出，得到浓缩藻液；或③当细胞自絮凝藻的同时或者自絮凝后，通入二氧化碳含量低的微气泡，上浮藻细胞浓缩液沿导流装置排出，得到浓缩藻液。

上述方法适用于所有微藻，包括海水藻类、淡水藻类，尤其对沉降性能不好的微藻，利用普通微藻养殖光生物反应器、沉降池等使用沉降的方式来进行沉降收集时基本没有效果，而使用本方法，在不添加任何化学或生物絮凝剂的情况下，可使微藻细胞得到有效浓缩而收集，不需其他机械浓缩装置并降低了能耗，不添加任何化学或生物絮凝剂或改变pH值的化学试剂而降低了对环境的影响，因此，本方法是一种成本低廉、操作简便、低能耗并易于大规模应用的微藻浓缩、收集方法。

本发明的优点在于，不需要添加机械浓缩装置、无需添加生物或化学絮凝剂或改变pH值的化学试剂即可使微藻细胞产生自絮凝而沉降或上浮并将其收获，操作简便，成本低廉，节能降耗并可大规模应用。

常规絮凝法收集微藻的技术手段是采用加入碱来直接调pH，相对而言，本发明的微藻收集方法具有明显的改进效果，即自然分层沉降或上浮，节能；不用加碱和絮凝剂，降低成本，藻类不受污染。

具体来说，本发明的优点包括，但不限于下述：

1)减少CO₂的浓度可以通过停止通入含CO₂的空气混合气体，改为通入空气或不含或CO₂浓度低于0.4％(体积比)的气体、氮气或氦气、氩气等惰性气体，并控制气体(例如空气)的流速而实现；或停止通入任何气体；

2)提供减少CO₂的浓度使藻液pH值自动上升到9.50-11.0，不用额外添加调节pH值的酸或碱等，在pH 9.50-11.0下，微藻细胞可以发生自絮凝，不需要加入絮凝剂，从而避免了絮凝剂对后续操作的影响已经对环境的影响；

3)浓缩藻液和培养液分离后，培养液还可以回用，即再次用于微藻养殖，既降低了养殖成本，又减少了废液处理量、对环境友好；

4)所用的光源可以是自然光源或自然光源辅以人工光源，增加光强、可以加速微藻细胞自絮凝；

5)附加的人工光源可以增加光照强度，可以加快微藻的光合作用，促使微藻将培养液中已有的二氧化碳尽快消耗掉，从而加速藻液pH值的上升，有利于微藻细胞的自絮凝；

6)让自絮凝的藻液静置、分层，通过导流装置实现浓缩藻液和培养液的分离；

7)还可以通过微气泡发生装置使自絮凝的藻细胞上浮达到在上部的浓缩，通过上部导流装置使浓缩藻液和培养液分离；微气泡气源的种类可以是空气、氮气、惰性气体、或CO₂浓度低于0.4％(体积比)的气体；

8)对光生物反应器的类型没有具体限制，可以使用各种类型的光生物反应器；

9)本发明的微藻收集方法可以用于原位收集(即在培养微藻所用的光生物反应器中进行收集)或移位收集(即将微藻养殖液移入另一容器内进行采收，如专用采收池或采收罐)；

10)本发明的微藻收集方法适用于各种微藻类型，可以是任何可以产生自絮凝的微藻，包括海水藻类、淡水藻类，特别是海水类微藻；

11)通常在微藻生长至指数生长后期或平台期的微藻进行采收。并且，本领域技术人员可以根据实际需要而选择适当的收集时机。

附图简述

从下面结合附图的详细描述中，本发明的上述特征和优点将更明显，其中：

图1示意性显示传统微藻絮凝采收的流程，传统微藻絮凝采收法需要加入絮凝剂。

图2示意性显示本发明的微藻收集流程的一个优选方案(实施例1)。

图3示意性显示本发明的微藻收集流程的一个优选方案(实施例2)。

图4示意性显示本发明的微藻收集流程的一个优选方案(实施例3)。

图5示意性显示本发明的微藻收集流程的一个优选方案(实施例4)。

具体实施方式

以下通过实施例来进一步阐明本发明。但是应该理解，所述实施例只是举例说明的目的，并不意欲限制本发明的范围和精神。

实施例1

参见图2。

海水小球藻(Chlorella sp.)在体积为50L的板式光生物反应器中处于正常生长状态，当其生长到指数后期或平台期时，此时将通入的气体由含二氧化碳浓度为10体积％的混合气改为空气，通气的流速为1.5～3.0L/min，通空气3小时后微藻养殖液pH值由7.53上升至9.50，通空气5小时后pH值上升至10.40，停止通气，待采收藻液中微藻细胞自絮凝沉降，静置2小时，将沉降后的浓缩液由排放阀排出，得到微藻浓缩液，微藻浓缩后的浓度为开始采收时微藻养殖液浓度的30倍。

实施例2

参见图3。

拟微绿球藻(Nannochloropsis sp)在体积为50L的板式光生物反应器中处于正常生长状态，当其生长到指数后期或平台期时，此时将通入气体由含二氧化碳浓度为10体积％的混合气改为通入氮气，通气的流速为1.5～3.0L/min，此时外加光强为400μmol/m²·s的人工光源或自然光照，通氮气2小时后微藻养殖液的pH值由7.31上升至9.80，通氮气3小时后pH值上升至10.40，停止通气，待采收藻液中微藻细胞絮凝沉降，静置2小时，将沉降后的浓缩液由排放阀排出，得到微藻浓缩液，微藻浓缩后的浓度为开始采收时微藻养殖液浓度的31倍。

实施例3

参见图4。

海水小球藻(Chlorella sp.)在体积为300L的板式光生物反应器中处于正常生长状态，当其生长到指数后期或平台期时，此时将通入气体由含二氧化碳浓度为10体积％的混合气改为空气(二氧化碳浓度为0.4体积％)，通气的流速为1.5～3.0L/min，此时外加人工光源，光强为300μmol/m²·s，3小时后微藻养殖液pH值由7.31上升至9.50，5小时后上升至10.40，停止通气，待采收藻液中微藻细胞出现絮凝，此时将絮凝的微藻输入至气浮装置，由气浮装置给通入微气泡(微气泡单个气泡体积为700nm～12μm，气体成分可为空气、惰性气体或氮气等)，气泡平均上升速度10mm/s～15mm/s，通入时间20-40分钟，清液经由排放阀排出，气浮上来的微藻絮凝物经刮浆板刮入至收料槽，得到微藻浓缩液，微藻浓缩后浓度为开始采收时微藻养殖液浓度的30倍。

实施例4

参见图5。

小球藻(Chlorella sp.)在体积为50L的板式光生物反应器中处于正常生长状态，当其生长到指数后期或平台期时，停止通入任何气体，在自然光照下，5小时后微藻养殖液pH值由7.53上升至10.30，6小时后上升至11.00，此时待采收藻液中微藻细胞絮凝沉降，静置3小时，将沉降后的浓缩液由排放阀排出，得到微藻浓缩液，微藻浓缩后浓度为开始采收时微藻养殖液浓度的29倍。

应该理解，尽管参考其示例性的实施方案，已经对本发明进行具体地显示和描述，但是本领域的普通技术人员应该理解，在不背离由后附的权利要求所定义的本发明的精神和范围的条件下，可以在其中进行各种形式和细节的变化，可以进行各种实施方案的任意组合。

Claims (14)

1.一种微藻收集方法，所述方法包括：

(1)减少藻液中CO₂的浓度，使pH值上升；

(2)当微藻细胞自絮凝后发生沉降或上浮，从而获得浓缩藻液。

2.根据权利要求1的微藻收集方法，其中，选择在微藻生长至指数后期和/或平台期收集。

3.根据权利要求1的微藻收集方法，其中pH值上升至9.50～11.00。

4.根据权利要求1的微藻收集方法，所述方法还包括：在微藻细胞发生沉降时，将微藻养殖液静置适当的时间，将沉降的自絮凝微藻养殖液排出，得到浓缩藻液。

5.根据权利要求1的微藻收集方法，所述方法还包括：在微藻细胞发生上浮时，通入二氧化碳含量低的微气泡，加快微藻细胞的上浮并沿导流装置排出，得到浓缩藻液。

6.根据权利要求1的微藻收集方法，所述方法还包括：在微藻细胞自絮凝的同时或者自絮凝后，通入二氧化碳含量低的微气泡，使微藻细胞上浮并沿导流装置排出，得到浓缩藻液。

7.根据权利要求1的微藻收集方法，所述方法还包括在减少二氧化碳浓度的同时增强微藻培养的光照强度。

8.根据权利要求7的微藻收集方法，所述增加微藻培养的光照强度利用自然光源或自然光源辅以人工光源进行，光照强度为300-400μmol/m²·s。

9.根据权利要求1的微藻收集方法，其中减少CO₂浓度的方式为：停止通入含有适于微藻正常生长的量的CO₂的空气混合气，改为向微藻养殖液中通入CO₂浓度为0.4体积％以下的气体，例如空气，或通入不含CO₂的气体，如氮气或氦气、氩气等惰性气体。

10.根据权利要求1的微藻收集方法，其中减少CO₂浓度的方式为通入不含CO₂的气体，并控制气体流速；或停止通入任何气体。

11.根据权利要求9或10的微藻收集方法，其中通入CO₂浓度为0.4体积％以下的气体或不含CO₂的气体的流速控制为1.5～3.0L/min。

12.根据权利要求4或5的微藻收集方法，其中所述二氧化碳含量低的微气泡的气源种类为CO₂浓度为0.4体积％以下的气体，如空气，不含CO₂的气体，如氮气、或惰性气体。

13.根据权利要求12的微藻收集方法，其中所述二氧化碳含量低的微气泡，单个微气泡体积为700nm～12μm，气泡平均上升速度10mm/s～15mm/s，通入时间20～40分钟。

14.权利要求1～13的方法的应用，所述方法用于收集海水藻类、淡水藻类，优选用于收集小球藻(Chlorella sp.)、海水小球藻(Chlorellasp.)、拟微绿球藻(Nannochloropsis sp.)。

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