CN103937711A - 适用于微生物生物质工业化培养物的压滤加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于微生物生物质工业化培养物的压滤加工方法，其包括以下步骤：(1)自然絮凝；(2)抽取上清液；(3)采收；（4）管道输送至暂存池；（5）在暂存池中暂存；（6）沉淀物高压输送至压滤机；（7）压滤过程包括一次压滤操作及二次压滤操作；（8）滤饼烘干；（9）粉碎处理。应用本发明的方法，能很好地针对工业化培养获得的生物质进行采收、分离、干燥，能使产能提高至2000～5000吨,且良好地保持了生物质的活性。

Description

适用于微生物生物质工业化培养物的压滤加工方法

技术领域

本发明涉及一种微生物产品的加工方法。

背景技术

微藻一般是指那些在显微镜下才能辨别形态微小的单细胞藻类。微藻约占已知藻类的70%，其细胞微小、形态多样、适应强、分布广泛。微藻营养丰富，富含脂肪、蛋白、多糖、虾青素、维生素、矿物质、叶绿素、胡萝卜素等各种生物活性物质，微藻在能源、医药、食品、水产养殖、化工、环保、农业等领域有着重要的应用价值。目前已有较为成熟的开发藻类包括螺旋藻、杜氏藻、小球藻。

微藻具有生长快、产量高、可定向培养、适应能力强、易调控等特点，因此大规模培养技术近年来有了较快的发展，各种养殖微藻的光生物反应器被设计出来，使得微藻较高密度培养成为可能。公开号为CN102016001A的中国发明专利申请公开了一种微藻类产品的生产方法，该方法获得的产品属于微藻类产品，称为微生物生物质，该方法为饲料工业低成本应用微藻类产品提供了可能,从而与现有已开发的微藻类产品有较大区别。从微藻产品种类来看，该专利申请所涉及的产品是一种包含微藻和细菌的微生物混合物，具体包括：微藻、酵母、真菌、原生生物、小型浮游生物和细菌。这与其他微藻类进行单一培养获得螺旋藻、小球藻等有所区别。

相对于微藻的培养发展，其收获加工方法大大滞后，成为行业发展的一个瓶颈，严重制约微藻的发展。常用的微藻分离方法包括过滤、离心法、板框压滤法、絮凝法。如何提高生产效率，及减少对微生物生物质活性的破坏是要重点考虑的问题。

公开号为cn101597564的中国发明专利申请公开了一种微藻收获方法、系统及微藻收获机。该方法包括：微藻收获机沿着盛放有微藻液的培养装置上设置的轨道运动，通过其下方安装的收获装置，过滤收集藻液中的微藻，将微藻富集到培养装置中的选定区域内。其微藻收获机滤网孔径为1um～1000um。微藻收获系统包括：培养装置、收获机、收获车。从技术细节看只适用于特定的小规模培养池。该使用的结构特殊的过滤装置，存在过滤已有的容易堵塞滤网的缺点，不适用于颗粒微小的微藻产品。

公开号为cn101693878的发明专利申请公开了一种微藻浓缩和收集方法，是将微藻液中的水分过滤后通过虹吸排除并收集水分，以实现微藻和水分的分离。其装置包括：微藻培养池，微滤器，置于微藻培养池中，安装有能通过水分的微滤膜，用于过滤水分和截留微藻；虹吸管，一端为三通管，一通连接微滤器的出水口，用于水的自吸，防止断流，另一通连接水分收集池，将微藻培养池中的水分通过虹吸管以自流的方式流向位于水分收集池。实现超低能耗收集微藻。具有能承受反冲过程中产生的压力的微滤膜。

公开号为US20100184197A1的美国专利申请公开了一种使用陶瓷基膜滤器收集生物材料如微藻细胞的方法。

工业化程度较高的螺旋藻生产一般采用跑道式进行养殖，采收方法则一般是通过各种人工操作的筛网器具来完成，如通常采用300～380目的软滤网制成的平筛上兜筛、倾斜筛等无动力筛具，并利用液体重力使其达到固液分离的目的。这种方式又有两种，一种为单机斜面滤床，另一种是多级(5～6级)斜面滤床。

过滤法是较传统的分离方法，不管是使用滤网、滤膜还是陶瓷过滤器，过滤介质都极易被堵塞，而且藻质较轻容易飘起，滤饼较难形成，过滤耗时长且难以持续进行。过滤法对过滤的对象也有要求适用范围窄，滤网网眼过小则会速度缓慢，网眼过大则会流失较多过滤对象。对于滤膜和陶瓷过滤器等新型过滤材质，过滤的对象需要成分稳定单一，尤其是不能含有纤维类的载体等杂质，否则容易破坏和堵塞过滤设备。

公开号为cn102696340的中国发明专利申请公开了一种微藻采收与脱水方法及装置，该方法采用一台以上的倾斜式转筒过滤机相串联完成藻液的采收和脱水，藻液通过管道输送到倾斜式转筒过滤装置的高端进入转筒，根据自由落体、离心原理，藻液中藻泥被留于过滤网上，最终由转筒低端排出，而水通过倾斜式转筒上的过滤网排出。相邻两台倾斜式转筒过滤机间设置搅拌桶，将前级倾斜式转筒过滤机收集的藻泥加水搅拌后送至下一级倾斜式转筒过滤机进行脱水收集。转筒转速为20～120rpm，用于脱水是转速为50～200rpm。转筒滤布规格为150～500目，塑料滤网5～15目，规格为5～15目。该方法使用低速转筒处理藻液，仍然需要依靠滤网截留藻泥，因此限制了其所能处理藻类的大小，其更适合螺旋藻的离心分离，对于混合微藻细菌的微生物生物质来说则会导致大量活性物质随着藻液流失。

公开号为cn10748068的发明专利申请则使用了较为简单的收获方法，在沉降池去除上清液后直接进行晒干，然后获取产品，虽然工艺简单，但属于非工业化的方法，产量品质都不能稳定。

公开号为cn101514324的中国发明专利申请公开了一种较为特殊的收集微藻方法和装置，使用电泳池电场来处理藻液。此方法显著的特点是能耗高、产生氢气具有安全风险，不是一个可行的工业化方案。

公开号为cn103305405的中国发明专利申请公开了一种规模化收获微藻的方法及其专用装置，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。该发明利用高低势能，板框的滤布进行过滤，虽然降低了能耗，但实际运行会发现，具有的势能仍然太小，过滤速度因滤布截留的物料增多而显著降低，实际过滤时间仍然很长。

板框压滤技术作为过滤一种改进，在工业领域已有广泛应用。压滤机过滤后的滤饼因含有更高的含固率和优良的分离效果而得到重视。随着应用的不断扩大，事实上现有的板框压滤技术已经有了很大的发展，针对不同的物料特性有针对性的改进技术，适合于物料特性才是板框压滤分离设备选择的关键。

公开号为cn103266063的中国发明专利申请则公开了一种原位絮凝分离微藻的方法，采用了原位絮凝分离技术，通过向培养液添加酸液调节pH值至酸性，然后搅拌使微藻絮凝沉降，静置分层后，分离上清液。该方法在实验室使用具有可行性，大规模生产则需要添加的酸性原料用量会很高，并造成上清液不能重复使用。公开号为cn103087919的发明专利申请提供了相类似的原位絮凝方法，在培养结束后，使用碱液调节pH在11～13，使得细胞自然沉降至柱式反应器的底部，待沉降完全后从底部阀门分离沉降的藻浆。从工业化生产角度看，絮凝剂的使用会显著提高产品成本，絮凝剂的残留也会对微藻产品的品质产生较大影响。

通过上述文献可以看出，主要的固液分离技术在微藻领域都有所应用和尝试，在工业化规模化开发上产生了一些成果。但是从发展现状看，微藻类产品仍然是生产成本很高的产品，因为其核心的固液分离的成本仍然高昂，导致工业化尝试的生产技术没有突破产量限制，未有明确的百吨级、千吨级、万吨级的工艺方法。

发明内容

本发明的目的在于弥补现有技术的不足，提供一种适合于微藻工业化培养物的压滤加工方法，既可以提高生产效率，又能减少对产品的生物活性的破坏。

为了实现上述发明目的，本发明采用了以下技术方案：一种适用于工业化微生物生物质培养物的压滤加工方法，其包括以下步骤：

(1)待培养结束后，关闭培养池内的搅拌及增氧装置，让培养池内培养物自然絮凝4小时至培养液的上清液中含固量低于35mg/L；

(2)抽取上清液；

(3)开启设置于培养池池底的抽料泵，操作采收设备，将培养池底部的培养物从远处往抽料泵方向推送，采用高压水枪冲刷采收设备推过的区域，以冲走剩余的培养物；

（4）抽料泵出料口通过管道将培养物输送至暂存池；

（5）在暂存池中暂存1～2小时，去掉上清液；

（6）将暂存池中的沉淀物以0.4～0.75MPa的高压输送至压滤机；

（7）压滤过程包括一次压滤操作及二次压滤操作，压滤面积为30～100平方米，一次压滤的进料压力为0.4～0.75MPa，二次压滤的压力小于20MPa，压滤后滤饼含水量为50～70%；总压滤时间为30～70分钟；

（8）压滤后的滤饼被输送至干燥机进行烘干，烘干温度为100～120℃，烘干至终水率为15%以下即送至冷却机冷却；

（9）对干燥后的物料进行粉碎处理。

具体来说，所述步骤2中抽取上清液至液面距离池底20cm以下。

所述步骤3中采用的手推采收设备包括车架、车轮、刮板及用于推行的扶手，车架上安装有发动机，所述车轮安装于车架并由所述发动机驱动，所述扶手安装于车架的后方，所述刮板通过刚性连接机构连接于车架前方，所述刮板具有一竖直的主板及分别从主板两侧向外前方延伸形成的侧翼。

所述步骤5中的暂存池具有圆锥底，锥角为120°～140°。

所述一次压滤的周期优选为40～60分钟。

优选地，所述步骤7采用两部均带有二次压滤功能的板框压滤机双机并联方式，两部机的压滤周期交替进行。

优选地，步骤8干燥使用空心浆叶干燥机，所述冷却机为流化床冷却机。

本发明的方法特别适合应用在公开号为CN102016001A的中国发明专利申请的培养技术进行工业化开发后使用超大规模培养池生产获得的微生物生物质。应用本发明的方法，能很好地针对工业化培养获得的生物质进行采收、分离、干燥，能使产能提高至2000～5000吨。工作效率高，且良好地保持了生物质的生物活性。尤其各环节步步相扣且充分结合培养物的物理及化学性能，在保持良好生物活性的基础上具有高产出，很好地解决了工业化微藻培养物的加工处理难题。

附图说明

图1是本发明的采收设备的结构示意图。

图2是本发明的压滤方法工艺流程图。

图3是本发明的压滤步骤工艺流程图。

图4是微生物生物质培养物干燥温度与产品生物学活性的关系图。

图5是微生物生物质培养物在120℃条件下干燥时间与产品生物学活性的关系图。

具体实施方式

本发明开发的生产工艺的对象是利用公开号为CN102016001A的中国发明专利申请的培养技术进行工业化开发后使用超大规模培养池生产获得的微生物生物质。但不限于此，也适用于性状与该申请类似的产品。

该工业化开发获得的产品是一种包含微藻和细菌的微生物混合物，其中微藻以干物质计10～80%的量存在，细菌以干物质计5～20%的量存在。

培养过程中产生的微藻、细菌、酵母、有机碎屑物质、原生生物能絮凝在一起，成为悬浮的絮凝颗粒。作在生长停止并停止搅拌和增氧后，这些微生物絮凝物可以快速沉淀至池底。

作为优选所述大型培养池为方形或长方形培养池，优选的长宽比为1:1～1.3:1。培养池水深：0.5～3.0米，1～2.5米，1.5～2.0米。培养水体体积：4000～30000立方米。培养池池底及池壁使用水泥进行硬化，池底可为水泥底面、HDPE膜或PP膜底面。

如图2所示为本发明的压滤加工方法，其包括以下步骤：

(1)待培养池培养结束后，关闭培养池内的搅拌及增氧装置，让培养池内培养物自然絮凝4小时。

含固量的测定：

取样：在培养池不同的区域选定3个取样点，使用液体取样器在取样点的水面下50cm处取样，每个样品不少于100ml。每隔30分钟取样一次。

测定：取3份滤液试样混合后取体积为100ml滤液用快速定性滤纸过滤，滤纸连同滤出的固体放入烘箱内110℃烘干，经1.5小时烘干，称重后再放入烘箱中继续烘干，每隔0.5小时取出称重，直至恒重。

$Z=\frac{g_1-g_2}{V}$

式中：

z--滤液含固量，单位为毫克每升(mg/L)

g1-滤纸及固体的质量，单位为毫克(mg)

g2-过滤前预先烘干的滤纸质量，单位为毫克(mg)

V-滤液体积，单位为升(L)

表1为含固量测试结果。

表1

当上清液的含固量小于35mg/L时，显示自然絮凝沉淀基本完成。

(2)抽取上清液；

使用离心泵或自吸泵等抽取上清液。抽水口位于水面50cm以内，确保抽取表层水，避免对底层沉淀物造成扰动。抽取上清液至距离池底0～20公分，至池底的物料露出，可以使用工具进行收取，确保水体在8～12小时内抽取完。

抽取的上清液抽取至其他培养池用于继续培养。

(3)开启设置于培养池池底的抽料泵，抽料泵出料管连接于培养物暂储罐，操作采收设备，将培养池底部的培养物从远处往抽料泵方向推送，采用高压水枪冲刷采收设备推过的区域，以冲走剩余的培养物。作为优选，每个培养池中的采收设备和水枪按1：1的比例配置成一组，每个培养池配置2～3组以及一台抽料泵。

如图1所示，采收设备100包括：车架1、车轮2及刮板3，车架上安装有柴油发动机或汽油发动机。所述车轮2安装固定于车架1并由发动机所驱动，所述刮板3通过刚性连杆4连接于车架1前方。刮板具有一竖直的主板31及分别从主板31两侧向外前方延伸形成的侧翼32。主板与侧翼形成120～150°的夹角。所述刮板的宽度为90～140cm，刮板的宽度与侧翼的宽度比例为4.5:1～5.5:1。所述刮板具有钢架制成的上部架体及固定于所述上部架体底部的以橡胶材料制成的刮片。刮片的材质可选用橡胶或帆布等软性材料。

所述车架1还包括安装于车架后方的用于推动车架的扶手5。

所述高压水枪流量为：35～120立方/小时，功率：1.5～7.5千瓦。抽料泵为单吸入叶片式无阻塞排污泵，功率：1.5～15千瓦，流量：50～250立方/小时，扬程8～20米。抽料泵位于培养池池底最低处。

在池底最低处设置排料口，排料口下方设置抽料泵。

（4）抽料泵出料口通过管道将培养物输送至暂存池。

暂存池与一条主管道相连；多个培养池并联至该主管道，通过阀门控制特定的培养池将培养物输送至暂存池。

管路系统由相配套的直接、弯头、三通相连接，接头处使用密封圈进行密封。

（5）在暂存池中暂存1～2小时，去掉上清液。

暂存池的作用在于：存放物料，使得生产用的培养池可以尽快进行下一批次的培养；均质物料，使得絮凝物、载体等物料均匀，保证产品质量。

暂存池具有圆锥形底部，锥角为100～140°，直径(R)和高度(H)的比例为R：H=2:1～5:1。暂存池体积根据培养基地整体的生产能力有关，一般为500～2000立方。池内配有搅拌设备，如螺旋桨搅拌器、框式搅拌器。出料口设置于池底，沉淀的物料使用抽料泵从底部抽出。

进入暂存池的物料由于使用了高压水枪来配合采收，进行暂存池的物料固形物含量会降低。在不影响池内物料的流动性的情况下，去除上清液，提高暂存池物料的固形物含量有助于提高后续脱水的效率、助于降低成本。

静置后使用离心泵、自吸泵等抽取上清液。抽水口位于水面50cm以内，确保抽取表层水，避免对底层沉淀物造成扰动。抽取的上清液抽取至其他培养池用于继续培养。

沉淀物的抽取可采用高压柱塞泵。抽取物料之前开启暂存池的搅拌设备，确保物料均质。抽取物料时根据压滤的需要设定流量。

优选地，抽料泵类型为液压双缸柱塞泵，材质为陶瓷，功率为5.5～30kw(优选：7.5～30kw)，流量为5～60立方/小时。

（6）将暂存池中的沉淀物0.4～0.75MPa的高压输送至压滤机。.

（7）压滤过程包括一次压滤及二次压滤，压滤面积为30～100平方米，一次压滤的进料压力为0.4～0.75MPa，二次压滤的压力为小于20MPa，且没有物料从板框的缝隙中喷出，压滤后滤饼含水量为50～70%；滤布材料采用丙纶。总的压滤时间为30～70分钟。

如图3所示为压滤步骤的操作，具体工作方式为：

一次压滤：将已均质的物料通过高压柱塞泵注入板框压滤机的滤室中，当滤室中的压力达到0.6MPa时，停止注料；同时为板框压滤机提供0.6Mpa的压紧压力进行压滤；

物料被截留在滤室中逐渐形成滤饼，滤液通过接水盘系统排出。

二次加压压滤：向板框压滤机滤板提供20MPa以下的二次加压进行压滤，使带有弹性的滤板发生变形，滤室容积相应减少，滤饼厚度随之减少，在挤压力的作用下更多的滤液被分离出来，进一步降低滤饼的含水率。

本例中采用两部压滤机且不同步的交替方式进行压滤操作，以错开压滤周期。

（8）压滤后的滤饼被输送至干燥机进行烘干，烘干温度为100～120℃，物料初始水分为50～70%，烘干至终水率为15%以下，即送至冷却机冷却，冷却的初始物料料温70～90℃，冷却后温度40℃以下。如图4，及图5所示，从图中可以看到培养物中的有效组份在标准加热时间内，经100℃处理后养殖效果基本不受影响。在120℃条件下加热时间提高对有效组份基本无影响。

干燥设备为空心桨叶干燥机，冷却设备为流化床冷却机。

（9）对干燥后的物料进行粉碎包装处理。

Claims (7)

1.一种适用于微生物生物质工业化培养物的压滤加工方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)待培养结束后，关闭培养池内的搅拌及增氧装置，让培养池内培养物自然絮凝4小时至培养液的上清液中含固量低于35mg/L；

(2)抽取上清液；

(3)开启设置于培养池池底的抽料泵，操作采收设备，将培养池底部的培养物从远处往抽料泵方向推送，采用高压水枪冲刷采收设备推过的区域，以冲走剩余的培养物；

（4）抽料泵出料口通过管道将培养物输送至暂存池；

（5）在暂存池中暂存1～2小时，去掉上清液；

（6）将暂存池中的沉淀物以0.4～0.75MPa的高压输送至压滤机；

（7）压滤过程包括一次压滤操作及二次压滤操作，压滤面积为30～100平方米，一次压滤的进料压力为0.4～0.75MPa，二次压滤的压力小于20MPa，压滤后滤饼含水量为50～70%；总压滤时间为30～70分钟；

（8）压滤后的滤饼被输送至干燥机进行烘干，烘干温度为100～120℃，烘干至终水率为15%以下即送至冷却机冷却；

（9）对干燥后的物料进行粉碎处理。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2中抽取上清液至液面距离池底20cm以下。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤3中采用的手推采收设备包括车架、车轮、刮板及用于推行的扶手，车架上安装有发动机，所述车轮安装于车架并由所述发动机驱动，所述扶手安装于车架的后方，所述刮板通过刚性连接机构连接于车架前方，所述刮板具有一竖直的主板及分别从主板两侧向外前方延伸形成的侧翼。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤5中的暂存池具有圆锥底，锥角为120°～140°。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述一次压滤的周期优选为40～60分钟。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤7采用两部均带有二次压滤功能的板框压滤机双机并联方式，两部机的压滤周期交替进行。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤8干燥使用空心浆叶干燥机，所述冷却机为流化床冷却机。