CN103305405A - 一种规模化收获微藻的方法及其专用装置 - Google Patents

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卢悦
张天兵
李标文
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Abstract

本发明公开了一种规模化收获微藻的方法及其专用装置。本发明所提供的用于规模化收获微藻的专用装置，主要包括位于高位的微藻培养液储存器和位于低位的夹装有滤布的板框压滤机；在所述微藻培养液储存器的卸料口与所述板框压滤机的进料孔之间设有连通管道1；在所述连通管道1上设有压力泵；所述滤布为孔径为0.5-5.0μm的滤布。本发明对针对工业级生物反应器中培养的微藻进行设计，利用板框压滤机和工业滤布等成熟工业化设备和材料，结合培养装置居于高位，微藻培养液重力势能大的特点，达到了过滤收获微藻的目的，该方法能耗低、用时短，脱水效果好，而且相关工业设备不需要二次改装，可以多次重复使用，没有设备和材料的损耗。

Description

一种规模化收获微藻的方法及其专用装置
技术领域
本发明属于可再生生物能源领域，涉及一种规模化收获微藻的方法及其专用装置。
背景技术
目前，利用小型生物反应器自动化培养小球藻获得成功，最大藻细胞密度达到了108g/L，藻油含量为细胞干重的61%，这种微藻油脂被认为是一种理想的制备生物燃料油脂原料。参考文献Li X,Xu H,Wu Q.Large-scale biodiesel production frommicroalga Chlorella protothecoides through heterotrophic cultivation in bioreactors.Biotechnology and Bioengineering98(2007)764-771证实利用工业级发酵罐（700L和11,000L容积）规模化培养含油小球藻的可行性，然而相关文献对与之配套的规模化收获微藻细胞方法并没有详细的阐述。
至今为止，在使用大型工业化生物反应器（60,000L以上容积发酵罐）大规模培养微藻并制备生物燃料原料油脂时，尚缺少一种既能够快速脱去微藻培养液中的培养基清液，高效保留培养基中的微藻细胞，又不会大幅增加运行能耗，进而有效控制微藻生物柴油生产成本的收获方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种规模化收获微藻的方法及其专用装置。
本发明所提供的用于规模化收获微藻的专用装置，是用于分离微藻培养液中的微藻细胞和培养基清液的专用装置，主要包括位于高位的微藻培养液储存器和位于低位的夹装有滤布的板框压滤机；在所述微藻培养液储存器的卸料口与所述板框压滤机的进料孔之间设有连通管道1；在所述连通管道1上设有压力泵；所述滤布为孔径为0.5-5.0μm的滤布。
进一步，在本发明中，所述滤布为孔径为3.0-5.0μm（如3.0μm或5.0μm）的滤布。
在所述专用装置的使用过程中，所述滤布可为单层滤布，也可为双层滤布；
所述滤布可为纤维滤布；更加具体可为聚丙烯纤维滤布、聚乙烯纤维滤布、全棉滤布、聚酯纤维滤布或尼龙滤布。
所述单层滤布可为单层孔径为3.0-5.0μm（如3.0μm或5.0μm）的滤布；在本发明中，所述单层滤布为如下a）或b）：a）单层孔径为3.0μm的聚乙烯纤维滤布，具体为苏州四方特种滤布有限公司生产的6#滤布（双面斜纹）；b）单层孔径为5.0μm的全棉滤布，具体为苏州四方特种滤布有限公司生产的10#滤布（网格）。
所述双层滤布可为双层孔径为3.0-5.0μm（如3.0μm和/或5.0μm）的滤布；在本发明中，所述双层滤布由一层孔径为3.0μm的聚乙烯纤维滤布（如苏州四方特种滤布有限公司生产的6#滤布（双面斜纹））和一层孔径为5.0μm的全棉滤布（如苏州四方特种滤布有限公司生产的10#滤布（网格））组成。
当采用双层滤布时，若所述双层滤布中的两滤布孔径大小不同，则所述双层滤布在所述专用装置中按照如下方式夹装到所述板框压滤机中：孔径较大的滤布在所述板框压滤机中紧贴板框，孔径较小的滤布紧贴所述孔径较大的滤布。
为了方便分离微藻培养液时培养基清液的排出，以及过滤所得微藻（藻泥饼）的收集，所述专用装置还可包括与所述板框压滤机的出液孔相连用于排出滤液的管道2，和/或位于所述板框压滤机下方用于收集微藻（藻泥饼）的收集盘。
在所述专用装置中，所述微藻培养液储存器可为任何形式装有微藻培养液的器具。在实际应用中，为了操作方便，实现微藻培养与收集的一体化，所述微藻培养液储存器最好为可用于微藻培养的生物反应器；在本发明中，所述微藻培养液储存器为发酵罐；具体为60000L发酵罐（搅拌式）。
在本发明中，所述板框压滤机为液压式板框压滤机；具体为总容积为1.5m3的液压式板框压滤机，其板框过滤面积为1m2，板框材质为高强聚丙烯；更加具体为衡水海江压滤机集团有限公司生产的1500型液压式板框压滤机）。
在本发明中，所述压力泵为液体压力泵；具体为500W液体压力泵；更加具体为上海机电股份有限公司生产的500W液体压力泵。
在本发明中，所述连通管道1和用于排出滤液的所述管道2均为钢材质，其内径大小为8-15cm。
在实际应用中，如果所需微藻（藻泥饼）的体积大于所述板框压滤机一次收获的总体积，可在所述专用装置中将多个板框压滤机并联使用。当然多个板框压滤机并联使用的所述专用装置也属于本发明的保护范围。
本发明所提供的规模化收获微藻的方法，是利用以上所述专用装置分离微藻培养液中的微藻细胞和培养基清液的方法，具体可包括如下步骤：
（1）打开所述微藻培养液储存器的卸料口，所述微藻培养液储存器中的待分离微藻培养液由于重力势能经所述连通管道1导入所述夹装有滤布的板框压滤机；
（2）打开与所述板框压滤机相连的所述管道2，所述培养基清液自动流出；
（3）待从所述管道2中流出的所述培养基清液的流速减慢或停止流出后，打开设在所述连通管道1上的所述压力泵，控制压力为0.05-0.12MPa，将所述微藻培养液储存器和所述连通管道1中残留的所述微藻培养液压入所述板框过滤机中，同时使所述培养基清液从所述管道2中持续流出；
（4）待所述管道2处无液体流出后，仍维持所述压力泵的压力为0.05-0.12MPa，直至吹干所述板框压滤机中的残留液体；
（5）关闭所述压力泵，打开所述板框压滤机的板框，分离所述滤布，过滤所得微藻形成藻泥饼自动落入所述板框压滤机下部的所述收集盘内，完成微藻的规模化收集。
在实际应用中，为了最大限度的将所述微藻培养液储存器中的微藻收集到所述板框压滤机下部的所述收集盘内，在所述方法的步骤（3）和步骤（4）之间还可包括如下步骤：待所有的所述微藻培养液过滤完毕后，向所述微藻培养液储存器中加入水（如1500L水），控制所述压力泵的压力为0.05-0.12MPa（如0.12MPa），以冲洗所述微藻培养液储存器中残留的微藻。
在上述装置或应用中，所述微藻可为各种微藻。在本发明中，所述微藻为原始小球藻（Chlorella protothecoides）；具体为原始小球藻（Chlorella protothecoides）0710（即记载在“Wei Xiong,Chunfang Gao,Dong Yan,Chao Wu,Qingyu Wu*，Double CO2fixation in photosynthesis–fermentation model enhances algal lipid synthesis for biodieselproduction，Bioresource Technology101(2010)2287–2293”一文中的“C.protothecoidesstrain0710”）。
以上所述专用装置或所述方法在生产油脂中应用，以及在生产生物柴油中应用也属于本发明的保护范围。
本发明对针对工业级生物反应器中培养的微藻进行设计，利用板框压滤机和工业滤布等成熟的工业化设备和材料，结合培养装置居于高位，微藻培养液重力势能大的特点，通过滤布的拦截作用，达到了过滤收获微藻的目的。此收获方法比离心脱水法能耗更低，比絮凝或沉淀收获法时间更短，脱水效果更好，而且相关工业设备不需要二次改装，可以多次重复使用，没有设备和材料的损耗。具体而言，本发明优点如下：
（1）微藻培养装置居于高于板框压滤机的位置，过滤压力来自于微藻培养液自身的重力，以液体压力泵作为辅助动力，因此微藻收获的能耗和板框压滤机的运行成本极低。
（2）通过板框压滤法收获微藻，收获率高，脱水效果好，大大降低了后期的干燥成本。
（3）双层滤布的使用提高了收获率，而且便于分离藻泥饼和滤布。
附图说明
图1为用于规模化收获微藻的专用装置的结构示意图。其中，1表示微藻培养液储存器（发酵罐）；2表示微藻培养液（发酵液）；3表示压力泵；4表示连接管道I；5表示板框压滤机；6表示板框；7表示管道II；8表示藻泥饼。
图2为板框压滤机收获微藻的实物图。
图3为实验中使用的多种特种滤布。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
下述实施例中的定量试验，均设置三次重复实验，结果取平均值。
下述实施例中所用的微藻为原始小球藻（Chlorella protothecoides）0710，即记载在“Wei Xiong,Chunfang Gao,Dong Yan,Chao Wu,Qingyu Wu*，Double CO2fixation inphotosynthesis-fermentation model enhances algal lipid synthesis for biodiesel production，Bioresource Technology101(2010)2287–2293”一文中的“C.protothecoides strain0710”。
实施例1、用于规模化收获微藻的专用装置的组装
本实施例所提供的用于规模化收获微藻的专用装置，是用于分离微藻培养液中的微藻细胞和培养基清液的专用装置，其结构示意图如图1所示，主要包括位于高位的微藻培养液储存器和位于低位的夹装有滤布的板框压滤机；在所述微藻培养液储存器的卸料口与所述板框压滤机的进料孔之间设有连通管道1；在所述连通管道1上设有压力泵；所述滤布为孔径为0.1-5.0μm的滤布。为了方便分离微藻培养液时培养基清液的排出，以及过滤所得微藻（藻泥饼）的收集，所述专用装置还可包括与所述板框压滤机的出液孔相连用于排出滤液的管道2，和/或位于所述板框压滤机下方用于收集微藻（藻泥饼）的收集盘。
将各部件按照如上描述进行组装即得到所述用于规模化收获微藻的专用装置。
其中，各主要部件的来源及其相关信息如下：
板框压滤机：衡水海江压滤机集团有限公司生产的1500型液压式板框压滤机，总容积为1.5m3，板框过滤面积为1m2，板框材质为高强聚丙稀。
滤布：苏州四方特种滤布有限公司生产，共涉及9种滤布，如下：
编号 材质 织物组织 平均孔径μm
1# 尼龙 斜纹 15
2# 全棉 网格 20
3# 尼龙 螺旋 0.5
5# 聚乙烯纤维 平纹 8
6# 聚乙烯纤维 双面斜纹 3
7# 聚酯纤维 经纬 1
8# 聚乙烯纤维 缎纹 10
9# 聚丙烯纤维 平纹 0.1
10# 全棉 网格 5
在实际应用中，本发明的发明人对如上9种滤布分别单层滤布的形式，或者选择其中两种滤布以双层滤布的形式配合板框压滤机使用，从中筛选得到效果较好的。
压力泵：上海机电股份有限公司生产的500W液体压力泵。
微藻培养液储存器：石家庄华北制药华胜公司生产的60000L发酵罐（搅拌式）。
连通管道1和用于排出滤液的所述管道2：均为钢材质，其内径大小为8-15cm，与发酵罐和板框压滤机焊接连通。
当然，在实际应用中，如果所需微藻（藻泥饼）的体积大于所述板框压滤机一次收获的总体积，可在所述专用装置中将多个板框压滤机并联使用。
实施例2、用实施例1的专用装置规模化收获微藻的操作方法
本实施例所提供的规模化收获微藻的方法，是利用实施例1的专用装置分离微藻培养液中的微藻细胞和培养基清液。
微藻培养液：在60000L发酵罐中，采用本领域技术人员所熟知的常规现有方法培养原始小球藻（Chlorella protothecoides）0710，得到小球藻（Chlorella protothecoides）0710的发酵培养液42,500L。
发酵完成后，按照如下方法分离原始小球藻（Chlorella protothecoides）0710的发酵培养液中的原始小球藻（Chlorella protothecoides）0710细胞和培养基清液：
（1）打开发酵罐（微藻培养液储存器）的卸料口，发酵罐中的待分离的原始小球藻（Chlorella protothecoides）0710的发酵培养液由于重力势能经连通管道1导入夹装有滤布的板框压滤机；
（2）打开与板框压滤机相连的用于排出滤液的管道2，培养基清液自动流出；
（3）待从管道2中流出的培养基清液的流速减慢或停止流出后，打开设在连通管道1上的压力泵，压力从0.05Mpa逐步提高到0.12Mpa，将发酵罐和连通管道1中残留的发酵培养液压入板框过滤机中，同时使培养基清液从管道2中持续流出；
（4）待所有的发酵培养液过滤完毕后，向发酵罐中加入1500L自来水，保持压力泵的压力为0.12MPa，以冲洗发酵罐和管道中残留的小球藻。
（5）待用于排出滤液的管道2处无液体流出后，仍保持压力泵的压力0.12MPa继续工作1小时，吹干板框压滤机中的所有液体；
（6）关闭压力泵，控制板框压滤机的液压杆打开板框，分离滤布，藻泥饼（过滤所得原始小球藻（Chlorella protothecoides）0710）自动落入板框压滤机下部的收集盘内，完成原始小球藻（Chlorella protothecoides）0710的规模化收集。
以上方法的整个操作过程仅用时12小时。另外，在上述方法中，滤布经过清洗后可重复循环使用多次。图2为利用实施例1的专用装置规模化收获微藻的实物图。
实施例3、采用实施例2方法进行微藻规模化收集时，不同型号滤布的选择
本实施例采用实施例1的专用装置，按照实施例2的操作方法，对原始小球藻（Chlorella protothecoides）0710的发酵培养液（同实施例2），进行分离。其间对实施例1所涉及的9种滤布进行了单层滤布、双层滤布等不同形式（见表1）配合板框压滤机使用，以最终的藻细胞收获率为评价指标，评价各种形式滤布的过滤效果。
其中，藻细胞收获率的生物学测定方法如下：
（1）细胞干重的测定方法：取10ml液体体系到已称重的玻璃离心管中，8000rpm离心3分钟，收集沉淀（细胞）；洗涤沉淀3-4次（每次洗涤的方法均为：用少量蒸馏水并震荡以悬浮细胞，8000rpm离心3分钟，收集沉淀）；随后去掉上清，将收集有沉淀的玻璃离心管放入80℃烘箱烘干，之后每隔8小时称量一次，如果相邻的两次称重结果一致，该重量减去玻璃离心管的重量后，即为细胞干重。
（2）藻细胞收获率测定方法：计算收获前V体积发酵液（取自小球藻（Chlorellaprotothecoides）0710的发酵培养液总体系）中的细胞干重W1，计算收获后V体积排出清液（取自实施例2步骤（4）向发酵罐中加入自来水之前从管道2中流出的培养基清液总体系）中的细胞干重W2，板框压滤所得藻细胞的收获率S的计算公式为：
S = ( W 1 - W 2 ) W 1 × 100 %
每个处理设置至少三次重复实验，结果取平均值。
结果如表1所示，使用9种不同规格不同材质（聚丙烯、聚酯和尼龙）的纤维滤布（图3中的1#、2#、3#、5#、6#、7#、8#、9#、10#）以不同形式进行过滤发酵液时，过滤效果差异明显，在过滤能够顺利进行的情况下，6#滤布和10#滤布分别以单层滤布的形式进行过滤，其藻细胞收获率S高于90%。当使用10#滤布和6#滤布（表1中的10#滤布+6#滤布）以双层滤布组合时，得到相应的藻细胞收获率S>99%。
表1各种形式滤布的过滤效果（藻细胞收获率，单位：%）
Figure BDA00003483158100071
注：“双层滤布（a+b）”，其中a滤布在板框压滤机中是紧贴板框铺放，b滤布是紧贴a滤布铺放。

Claims (10)

1.用于规模化收获微藻的专用装置，主要包括位于高位的微藻培养液储存器和位于低位的夹装有滤布的板框压滤机；在所述微藻培养液储存器的卸料口与所述板框压滤机的进料孔之间设有连通管道1；在所述连通管道1上设有压力泵；所述滤布为孔径为0.5-5.0μm的滤布。
2.根据权利要求1所述的专用装置，其特征在于：在所述专用装置的使用过程中，所述滤布为单层滤布或双层滤布；或
所述滤布为纤维滤布；
所述纤维滤布具体为聚丙烯纤维滤布、聚乙烯纤维滤布、全棉滤布、聚酯纤维滤布或尼龙滤布。
3.根据权利要求1或2所述的专用装置，其特征在于：所述专用装置还包括与所述板框压滤机的出液孔相连用于排出滤液的管道2，和/或位于所述板框压滤机下方用于收集微藻的收集盘。
4.根据权利要求1-3中任一所述的专用装置，其特征在于：所述微藻培养液储存器为生物反应器；所述生物反应器具体为发酵罐；或
所述板框压滤机为液压式板框压滤机；或
所述压力泵为液体压力泵。
5.用权利要求1-4中任一所述的专用装置规模化收获微藻的方法，是分离微藻培养液中的微藻细胞和培养基清液的方法，包括如下步骤：
（1）打开所述微藻培养液储存器的卸料口，所述微藻培养液储存器中的待分离微藻培养液由于重力势能经所述连通管道1导入所述夹装有滤布的板框压滤机；
（2）打开与所述板框压滤机相连的所述管道2，所述培养基清液自动流出；
（3）待从所述管道2中流出的所述培养基清液的流速减慢或停止流出后，打开设在所述连通管道1上的所述压力泵，控制压力为0.05-0.12MPa，将所述微藻培养液储存器和所述连通管道1中残留的所述微藻培养液压入所述板框过滤机中，同时使所述培养基清液从所述管道2中持续流出；
（4）待所述管道2处无液体流出后，仍维持所述压力泵的压力为0.05-0.12MPa，直至吹干所述板框压滤机中的残留液体；
（5）关闭所述压力泵，打开所述板框压滤机的板框，分离所述滤布，过滤所得微藻形成藻泥饼自动落入所述板框压滤机下部的所述收集盘内，完成微藻的规模化收集。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：在所述方法的步骤（3）和步骤（4）之间还可包括如下步骤：待所有的所述微藻培养液过滤完毕后，向所述微藻培养液储存器中加入水，控制所述压力泵的压力为0.05-0.12MPa，以冲洗所述微藻培养液储存器中残留的微藻。
7.根据权利要求1-4中任一所述的专用装置，或权利要求5或6所述的方法，其特征在于：所述微藻为原始小球藻（Chlorella protothecoides）。
8.根据权利要求7所述的专用装置或方法，其特征在于：所述原始小球藻（Chlorella protothecoides）为原始小球藻（Chlorella protothecoides）0710。
9.权利要求1-8中任一所述的专用装置或方法在生产油脂中应用。
10.权利要求1-8中任一所述的专用装置或方法在生产生物柴油中应用。
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