CN104371926A - 一种处理微藻培养液的方法 - Google Patents

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马东强
荣峻峰
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Abstract

本发明提供一种处理微藻培养液的方法，所述方法包括如下步骤：（1）将待处理的微藻培养液的pH值调整至1-5，得到酸性微藻培养液；（2）在水热条件和搅拌条件下，将酸性微藻培养液进行破壁，得到微藻溶浆；（3）将微藻溶浆与萃取剂混合，并进行萃取和油水分离，得到油相和含藻渣的水相；（4）对所述含藻渣的水相进行固液分离，得到藻渣和清液；其中，将步骤（1）中的所述酸性微藻培养液与步骤（2）中的所述微藻溶浆进行换热，使得所述酸性微藻培养液的温度升高；并且，将步骤（4）中的所述清液用于培养微藻。通过上述技术方案，本发明的方法能够将单位油脂能耗（kW/kg油脂）降低40%左右。

Description

一种处理微藻培养液的方法
技术领域
本发明涉及工业微生物学领域，具体地，涉及一种处理微藻培养液的方法。
背景技术
微藻是的光合效率高，生长迅速，可以吸收大量二氧化碳（CO2），有效地降低温室效应。微藻在生长过程中吸收大量的营养盐类，为污水处理提供良好的途径。特别是，微藻的细胞中含有大量的脂肪酸酯，可望成为生物能源的重要基础原料。
但是，微藻养殖液浓度较低，一般不超过1%。并且微藻在微藻培养液中处于较为稳定的悬浮状态，且微藻多为单细胞生物，其直径通常在3-30μm之间，如果通过离心来分离，则会因所需转速较高而能耗巨大；如果通过过滤分离，则会因极易堵塞滤孔而导致过滤失败。因此，将微藻从微藻培养液中分离出来十分困难。
在微藻油脂的提取方面，国内外研发机构做了大量的研究。例如CNCN1416469A中报道了一种利用水热法提取含油微生物中的油脂的技术，通过KOH处理裂殖壶菌（Schizochytrium sp.）的发酵液，并使蒸汽通入发酵液，在130℃加热约30分钟，然后用商业购得Westfalia HFA-100堆积-盘离心机从处理过的发酵液回收粗油。实验证实，该方法存在能耗高、经济性和环境友好性差的缺陷。
发明内容
本发明的目的是克服现有提取微藻油脂的方法中存在的能耗高、经济性和环境友好性差的缺陷，提供一种处理微藻培养液的方法。
为了实现上述目的，本发明提供一种处理微藻培养液的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：（1）将待处理的微藻培养液的pH值调整至1-5，得到酸性微藻培养液；（2）在水热条件和搅拌条件下，将酸性微藻培养液进行破壁，得到微藻溶浆；（3）将微藻溶浆与萃取剂混合，并进行萃取和油水分离，得到油相和含藻渣的水相；（4）对所述含藻渣的水相进行固液分离，得到藻渣和清液；其中，将步骤（1）中的所述酸性微藻培养液与步骤（2）中的所述微藻溶浆进行换热，使得所述酸性微藻培养液的温度升高；并且，将步骤（4）中的所述清液用于培养微藻。
通过上述技术方案，本发明的方法能够将单位油脂能耗（kW/kg油脂）降低40%左右。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是实施例1的工艺流程示意图。
附图标记说明
1微藻培养池    2进料泵     3管道
4管道          5换热器     6换热器
7搅拌反应器    8管道       9管道
10搅拌反应器   11管道      12管道
13沉降池       14管道      15管道
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明中，未做相反说明的情况下，气体和液体的体积数值均为标准状态下的数值。
本发明提供了一种处理微藻培养液的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：（1）将待处理的微藻培养液的pH值调整至1-5，得到酸性微藻培养液；（2）在水热条件和搅拌条件下，将酸性微藻培养液进行破壁，得到微藻溶浆；（3）将微藻溶浆与萃取剂混合，并进行萃取和油水分离，得到油相和含藻渣的水相；（4）对所述含藻渣的水相进行固液分离，得到藻渣和清液；其中，将步骤（1）中的所述酸性微藻培养液与步骤（2）中的所述微藻溶浆进行换热，使得所述酸性微藻培养液的温度升高；并且，将步骤（4）中的所述清液用于培养微藻。
其中，步骤（1）中，主要通过常规的酸将微藻培养液的pH值调整至1-5。其中，酸的种类可以在较大的范围内的选择，例如硫酸、盐酸、甲酸、乙酸、柠檬酸、乳酸、马来酸、酒石酸和草酸中的至少一种。
其中，步骤（1）中，优选情况下，步骤（1）中，将待处理的微藻培养液的pH值调整至2-4。
其中，步骤（1）中，为了进一步提高后续处理步骤的效率，优选情况下，调整pH值在加压的条件下进行，即在压力为0.2-0.4MPa下进行。
其中，步骤（1）中，典型地，待处理的微藻培养液中，微藻的含量为2-40重量%。
其中，步骤（2）中，水热条件是指在加压条件下维持水的温度高于100℃且保持液态的条件，具体的水热条件可以在较宽的范围内选择，为了进一步提高后续处理步骤的效率，优选情况下，水热条件包括：温度为120-400℃，更优选为160-240℃。
其中，步骤（2）中，水热条件的压力可以在较宽的范围内变化，只要能使水的温度高于100℃且保持液态即可，为了进一步提高后续处理步骤的效率，优选情况下，水热条件还包括：温度为160-240℃时，压力为0.65-3.5MPa。
其中，步骤（2）中，在水热的条件下，还可以通过搅拌来进一步增加破壁的效率，搅拌条件包括：相对于每立方米被搅拌的物料，搅拌功率为0.1-1.5kW，进一步优选为0.2-1kW。
其中，步骤（2）中，破壁的时间可以为2-250分钟，优选为50-150分钟。
其中，步骤（2）中，微藻细胞在水热条件下和搅拌条件下破碎，成为微藻细胞碎片，从而使得酸性微藻培养液成为微藻溶浆。
其中，步骤（3）中，相对于每升的微藻溶浆，萃取剂的用量可以为5-20mL。
其中，步骤（3）中，油水分离的条件可以包括：时间为2-20分钟，温度为5-50℃。
其中，步骤（3）中，还可以通过搅拌来进一步增强油水分离的效果，优选情况下，油水分离的条件还包括：油水分离在搅拌下进行，相对于每立方米被搅拌的物料，搅拌功率为0.1-1.5kW，进一步优选为0.2-1kW。
其中，步骤（3）中，所述萃取剂可以为各种能够溶解微藻油脂但不溶于水的有机溶剂，优选情况下，所述萃取剂为C10-C22的柴油。
其中，步骤（3）中，通过油水分离即可得到油相和含藻渣的水相。所述油相可以用于生产生物柴油。所述含藻渣的水相可以通过静置沉降的方式实现固液分离，分离得到藻渣和清液。
本发明的方法可以进一步降低能耗，并且进一步降低水的消耗且提高环境友好性。
本发明中，对于微藻的种类没有特别的限制，可以为蓝藻门（Cyanophyta）、金藻门（Chrysophyta）、黄藻门（Xanthophyta）、硅藻门（Bacillariophyta）、甲藻门（Pyrrophyta）、隐藻门（Cryptophyta）、裸藻门（Euglenophyta）、绿藻门（Chlorophyta）、轮藻门（Charophyta）、褐藻门（Fhaeophyta）和红藻门（Rhodophyta）的至少一种的微藻。微藻的分类信息是指按照文献（Michael Guiry(2005)."AlgaeBase-listing the world's algae".The Irish Scientist:74-75）中的分类体系确定的。
本发明的方法特别适合于产油微藻，优选情况下，所述微藻为小球藻属（Chlorella）、葡萄藻属（Botryococcus）、拟微球藻属（Nannochloropsis）、螺旋藻属（Spirulina）、红球藻属（Haematococcus）、绿球藻属（Chlorococcum）、扁藻属（Tetraselmis）、菱板藻属（Hantzschia）、眼虫属（Euglena）、栅藻属（Scenedesmus）、褐指藻属（Phaeodactylum）、菱形藻属（Nitzschia）、筒柱藻属（Cylindrotheca）、链藻属（Thalassiosira）、等鞭金藻属（Isochrysis）、角毛藻属（Chaetoceros）、异胶藻属（Heterogloea）、塔胞藻属（Pyramimimonas）和杜氏藻属（Dunaliella）中的至少一种的微藻。
本发明的方法更特别适合于产油工程的微藻，更优选情况下，所述微藻为小球藻（Chlorella sorokiniana）、原始小球藻（Chlorella protothecoides）、蛋白核小球藻（Chlorella pyrenoidosa）、普通小球藻（Chlorella vulgaris）、钝顶螺旋藻（Spirulina platensis）、极大螺旋藻（Spirulina maxima）、雨生红球藻（Haematococcus pluvialis）、布朗葡萄藻（Botryococcus brauni）、海滩绿球藻（Chlorococcum littorale）、杜氏盐藻（Dunaliella tertiolecta）、眼点拟微球藻（Nannochloropsis oculata）、干扁藻（Tetraselmis suecica）、三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）、纤细眼虫（Euglena gracilis）、微型海链藻（Thalassiosira pseudonan）、紫球藻（Porphyridium cruentum）、梭形筒柱藻（Cylindrotheca closterium）、新月筒柱藻（Cylindrotheca closterium）、斜生栅藻（Scenedesmus obliquus）、四尾栅藻（Scenedesmus quadricauda）、二型栅藻（Scenedesmus dimorphus）、衣藻（Chlamydomonas rheinhardii）、柱胞鱼腥藻（Anabaena cylindrica）、球等鞭金藻（Isochrysis galbana）和新月菱形藻（Nitzschia closterium）中的至少一种。
目前，具有较大的产业利用价值的产油工程微藻为小球藻属的微藻，例如小球藻、原始小球藻、蛋白核小球藻和普通小球藻中的至少一种。
以下，结合图1，举例性地说明本发明一种特别优选的实施方式：
将微藻培养池1中的微藻培养液作为待处理的微藻培养液。
将待处理的微藻培养液经进料泵2提压至0.2-0.4MPa，然后与经管道3导入的酸在管道4中混合，将pH值调整至1-5，得到酸性微藻培养液。
将酸性微藻培养液先后依次通过换热器5和加热器6，达到160-240℃的温度并维持0.65-3.5MPa的压力，然后通入搅拌反应器7中。在搅拌反应器7中，相对于每立方米被搅拌的物料，搅拌功率为0.1-1.5kW；温度为160-240℃，压力为0.65-3.5MPa，酸性微藻培养液在搅拌反应器7中维持2-250分钟的破壁的时间，得到微藻溶浆。
将微藻溶浆通过换热器5与酸性微藻培养液进行换热，换热后的微藻溶浆温度为40-50℃，然后与经管道8导入的萃取剂在管道9中混合，然后导入至搅拌反应器10中进行油水分离；油水分离的条件包括：时间为2-20分钟，温度为5-50℃，并且，搅拌反应器10中，相对于每立方米被搅拌的物料，搅拌功率为0..1-1.5kW。搅拌反应器10的上部溢流口处可见含有微藻油脂的油相，可以通过管道11将其导出。
将搅拌反应器12中的含藻渣的水相经管道12导入沉降池13，在沉降池13中，沉降分离的条件包括：时间为5-30分钟，温度为10-50℃。沉降池13的上部可见清液，经管道14将其导出，并用于培养微藻；沉降池13的底部可见藻渣，经管道15将其导出。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
参照图1，对待处理的微藻培养液进行处理。
在微藻培养池1中，培养小球藻（Chlorella sorokiniana），该小球藻（Chlorella sorokiniana）购自ATCC，商品号为22521TM。将微藻培养池1中的微藻培养液作为待处理的微藻培养液。待处理的微藻培养液中，微藻的含量为5重量%。
将待处理的微藻培养液经进料泵2提压至0.3MPa，然后与经管道3导入的酸在管道4中混合，将pH值调整至2，得到酸性微藻培养液。
将酸性微藻培养液先后依次通过换热器5和加热器6，达到220℃的温度并维持2.5MPa的压力，然后通入搅拌反应器7中。在搅拌反应器7中，，相对于每立方米被搅拌的物料，搅拌功率为0.6kW，温度为220℃，压力为2.5MPa，酸性微藻培养液在搅拌反应器7中维持120分钟的破壁的时间，得到微藻溶浆。
将微藻溶浆通过换热器5与酸性微藻培养液进行换热，换热后的微藻溶浆温度为40～50℃，然后与经管道8导入的萃取剂（C12-C18的柴油）在管道9中混合，相对于每升的微藻溶浆，萃取剂的用量为10mL，然后导入至搅拌反应器10中进行油水分离；油水分离的条件包括：时间为20分钟，温度为30℃。搅拌反应器10的上部溢流口处可见含有微藻油脂的油相，可以通过管道11将其导出。管道11导出的油相即含有经本实施例的方法处理得到的微藻油脂。
将搅拌反应器12中的含藻渣的水相经管道12导入沉降池13，在沉降池13中，沉降分离的条件包括：时间为20分钟，温度为30℃。沉降池13的上部可见清液，经管道14将其导出并用于培养微藻；沉降池13的底部可见藻渣，经管道15将其导出。
实施例2
参照图1，对待处理的微藻培养液进行处理。
在微藻培养池1中，培养小球藻（Chlorella sorokiniana），该小球藻（Chlorella sorokiniana）购自ATCC，商品号为22521TM。将微藻培养池1中的微藻培养液作为待处理的微藻培养液。待处理的微藻培养液中，微藻的含量为5重量%。
将待处理的微藻培养液经进料泵2提压至0.3MPa，然后与经管道3导入的酸在管道4中混合，将pH值调整至4，得到酸性微藻培养液。
将酸性微藻培养液先后依次通过换热器5和加热器6，达到240℃的温度并维持3.6MPa的压力，然后通入搅拌反应器7中。在搅拌反应器7中，相对于每立方米被搅拌的物料，搅拌功率为1kW，温度为240℃，压力为3.6MPa，酸性微藻培养液在搅拌反应器7中维持150分钟的破壁的时间，得到微藻溶浆。
将微藻溶浆通过换热器5与酸性微藻培养液进行换热，换热后的微藻溶浆温度为40～50℃，然后与经管道8导入的萃取剂（C14-C22的柴油）在管道9中混合，相对于每升的微藻溶浆，萃取剂的用量为20mL，然后导入至搅拌反应器10中进行油水分离；油水分离的条件包括：时间为30分钟，温度为40℃。搅拌反应器10的上部溢流口处可见含有微藻油脂的油相，可以通过管道11将其导出。管道11导出的油相即含有经本实施例的方法处理得到的微藻油脂。
将搅拌反应器12中的含藻渣的水相经管道12导入沉降池13，在沉降池13中，沉降分离的条件包括：时间为20分钟，温度为20℃。沉降池13的上部可见清液，经管道14将其导出并用于培养微藻；沉降池13的底部可见藻渣，经管道15将其导出。
实施例3
参照图1，对待处理的微藻培养液进行处理。
在微藻培养池1中，培养小球藻（Chlorella sorokiniana），该小球藻（Chlorella sorokiniana）购自ATCC，商品号为22521TM。将微藻培养池1中的微藻培养液作为待处理的微藻培养液。待处理的微藻培养液中，微藻的含量为10重量%。
将待处理的微藻培养液经进料泵2提压至0.4MPa，然后与经管道3导入的酸在管道4中混合，将pH值调整至3，得到酸性微藻培养液。
将酸性微藻培养液先后依次通过换热器5和加热器6，达到160℃的温度并维持0.7MPa的压力，然后通入搅拌反应器7中。在搅拌反应器7中，相对于每立方米被搅拌的物料，搅拌功率为0.2kW，温度为160℃，压力为0.7MPa，酸性微藻培养液在搅拌反应器7中维持200分钟的破壁的时间，得到微藻溶浆。
将微藻溶浆通过换热器5与酸性微藻培养液进行换热，换热后的微藻溶浆温度为40～50℃，然后与经管道8导入的萃取剂（C10-C16的柴油）在管道9中混合，相对于每升的微藻溶浆，萃取剂的用量为15升，然后导入至搅拌反应器10中进行油水分离；油水分离的条件包括：时间为15分钟，温度为40℃。搅拌反应器10的上部溢流口处可见含有微藻油脂的油相，可以通过管道11将其导出。管道11导出的油相即含有经本实施例的方法处理得到的微藻油脂。
将搅拌反应器12中的含藻渣的水相经管道12导入沉降池13，在沉降池13中，沉降分离的条件包括：时间为20分钟，温度为20℃。沉降池13的上部可见清液，经管道14将其导出并用于培养微藻；沉降池13的底部可见藻渣，经管道15将其导出。
实施例4
按照实施例1的方法对待处理的微藻培养液进行处理，不同的是搅拌反应器7中的温度为400℃。
实施例5
按照实施例1的方法对待处理的微藻培养液进行处理，不同的是搅拌反应器7中的温度为120℃。
实施例6
按照实施例1的方法对待处理的微藻培养液进行处理，不同的是将待处理的微藻培养液的pH值调整至5。
对比例1
按照实施例1的方法对待处理的微藻培养液进行处理，不同的是不进行所述酸性微藻培养液与所述微藻溶浆之间的换热。
对比例2
按照实施例1的方法对待处理的微藻培养液进行处理，不同的是不调整微藻培养液的pH值，而直接将待处理的微藻培养液经进料泵2提压至0.3MPa，并先后依次通过换热器5和加热器6以进行后续的步骤。
测试实施例1
测试实施例1-6和对比例1的单位油脂能耗和微藻油脂收率。结果如表1所示。
表1
实施例编号 单位油脂能耗（kW/kg油脂） 微藻油脂收率（wt%）
实施例1 0.57 35.7
实施例2 0.58 32.5
实施例3 0.56 34.5
实施例4 0.65 36.2
实施例5 0.55 28.7
实施例6 0.58 29.8
对比例1 0.95 35.7
对比例2 0.65 25.7
根据表1的数据可见，本发明的方法能够显著降低单位油脂能耗并提高微藻油脂的收率。
并且，在优选将微藻培养液的pH值调整至2-4的情况下，能够进一步提高微藻油脂的收率和降低单位油脂能耗。
并且，在优选水热条件的温度为160-240℃的情况下，能够进一步降低单位油脂能耗和提高微藻油脂的收率。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (13)

1.一种处理微藻培养液的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
（1）将待处理的微藻培养液的pH值调整至1-5，得到酸性微藻培养液；
（2）在水热条件和搅拌条件下，将酸性微藻培养液进行破壁，得到微藻溶浆；
（3）将微藻溶浆与萃取剂混合，并进行萃取和油水分离，得到油相和含藻渣的水相；
（4）对所述含藻渣的水相进行固液分离，得到藻渣和清液；
其中，将步骤（1）中的所述酸性微藻培养液与步骤（2）中的所述微藻溶浆进行换热，使得所述酸性微藻培养液的温度升高；并且，将步骤（4）中的所述清液用于培养微藻。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤（1）中，将待处理的微藻培养液的pH值调整至2-4。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，步骤（1）中，在0.2-0.4MPa的压力下调整pH值。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，步骤（2）中，水热条件的温度为120-400℃。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，步骤（2）中，水热条件的温度为160-240℃。
6.根据权利要求1、2或5所述的方法，其中，步骤（2）中，搅拌条件包括：相对于每立方米被搅拌的物料，搅拌功率为0.15-1.5kW。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，步骤（2）中，相对于每立方米被搅拌的物料，搅拌功率为0.2-1kW。
8.根据权利要求1、2、5或7所述的方法，其中，步骤（2）中，破壁的时间为2-250分钟。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤（3）中，相对于每升的微藻溶浆，萃取剂的用量为5-20mL。
10.根据权利要求1或9所述的方法，其中，步骤（3）中，油水分离的条件包括：时间为2-20分钟，温度为5-50℃。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，步骤（3）中，油水分离的条件在搅拌下进行。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述萃取剂为C10-C22的柴油。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述待处理的微藻培养液中的微藻为小球藻（Chlorella sorokiniana）、原始小球藻（Chlorella protothecoides）、蛋白核小球藻（Chlorella pyrenoidosa）和普通小球藻（Chlorella vulgaris）中的至少一种。
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