CN104560633A - 一种清洁的微藻油脂利用装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种清洁的微藻油脂利用装置及其方法，该装置包括依次连通的微藻培养系统、微藻沉降系统、微藻分离系统、预处理系统、蛋白提取系统、多糖提取系统、微藻脂类利用系统，此外还包括微藻回收利用系统，所述蛋白提取系统、多糖提取系统、微藻脂类利用系统分别经微藻回收利用系统跟微藻培养系统连通，形成回路；本发明能有效利用微藻中的蛋白和糖组分，清洁了微藻油脂利用过程，既可全面利用微藻丰富的营养组分，还可避免油脂利用时后期复杂的变宝为废的净化提炼工艺，防止氨气、硫化氢等有害气体产生，同时获得了乙醇、柴油、航空煤油、微藻多糖、色素、DHA、EPA等产品。

Description

一种清洁的微藻油脂利用装置及其方法

技术领域：

本发明涉及微藻清洁利用和生物能源开发领域，具体涉及一种清洁的微藻油脂利用装置及其方法。

背景技术：

随着工业领域飞速发展，社会对能源的需求越来越大。煤炭、石油等传统非可再生燃料日益紧缺。另一方面，化石燃料燃烧过程中大量二氧化碳急速排放大气，影响我们赖以生存的环境。微藻是一类广泛存在，并能快速利用二氧化碳的生物。作为第三代生物质能源，微藻有主要3方面优点1，快速利用大气中二氧化碳并释放氧气；2，不与传统农作物竞争土地；3，与传统能源作物相比光合效率更高，等面积土地上具有更大的燃料生产潜力。因而，开发与利用微藻能源，对实现可持续发展、保障国家能源安全、改善生存环境和二氧化碳减排都具有重要作用和实际意义。

现阶段，微藻主要通过水热法(Hydrothermal Liquefaction)利用：在2,000–3,000psia，300–350℃下将部分脱水的微藻(20wt％TS)转化为C4等短链，石脑油组分，柴油组分，重链油组分；重链油组分通常进一步经传统的加氢裂化(hydrocracker)工艺裂解成石脑油组分和柴油组分。

发明内容：

微藻中含有大量的蛋白和糖类，组分组成为CH_1.7O_0.4N_0.15P_0.0094，氮约为微藻干重的4-8％wt，直接水热法转化微藻时，微藻中糖和蛋白组分将使微藻水相部分含有很高的COD和氮含量；油相中将含有较高的氮、硫、氧组分——水热反应后，水相中C:N比远低于厌氧发酵的适合C:N比27-32:1，很难被微生物直接厌氧发酵；而油相组分中氮、硫、氧会对利用微藻柴油的装置和设备有毒害。因而，现阶段，微藻水热法处理需包含复杂的净化工艺：水相部分，主要通过催化水热气化工艺(Catalytic Hydrothermal Gasification)，将微藻中的有机物转化为二氧化碳和甲烷从而加以利用；粗油层通常借助石油精炼工艺的——加氢过程(hydrotreating process)纯化；氮、硫、氧组分将转化为氨气、硫化氢、二氧化碳和水。微藻本身丰富的蛋白和糖营养组分在后期净化工艺中成为影响微藻油脂品质的障碍；后期复杂的净化工艺的本质，是将天然有机营养转化为氨气、硫化氢和二氧化碳等废气形式；造成了资源的浪费。

本发明的目的是针对直接水热法转化微藻的缺陷，提供一种清洁的微藻油脂利用装置及其方法，有效分离利用蛋白和糖类，通过有序的方式提取和利用不能转化生物油的蛋白和糖类；既可全面利用微藻丰富的营养组分，还可避免后期变宝为废的净化工艺，防止氨气、硫化氢等有害气体产生。

本发明是通过以下技术方案予以实现的：

一种清洁的微藻油脂利用装置，该装置包括依次连通的微藻培养系统、微藻沉降系统、微藻分离系统、预处理系统、蛋白提取系统、多糖提取系统、微藻脂类利用系统，此外还包括微藻回收利用系统，所述蛋白提取系统、多糖提取系统、微藻脂类利用系统分别经微藻回收利用系统跟微藻微藻培养系统连通，形成回路；所述微藻微藻培养系统跟二氧化碳尾气连通，用来培养微藻以吸收二氧化碳尾气；所述微藻脂类利用系统由微藻水热反应系统和\或厌氧发酵系统组成；所述微藻水热反应系统包括预热系统，活塞流动水热反应器，三相分离系统。

所述的微藻培养系统为光生物反应器，所述光生物反应器选自发酵罐式光反应器，管式光反应器或板式光反应器中的一种。

所述的微藻培养系统优选用温度光照适宜的跑道式微藻培养系统。

所述微藻分离系统选自过滤装置或絮凝装置或气浮装置或离心装置或沉降系统中一个或一个以上的耦合的装置。

所述预处理系统包括物理破碎或细胞溶解装置。

优选地，所述蛋白提取系统跟所述多糖提取系统整合成一个系统，为酶解提取系统。

本发明还提供一种清洁的微藻油脂利用方法，包括以下步骤：

a、利用上述微藻培养系统培养微藻以吸收二氧化碳尾气，所述微藻以工业废水或配置培养液作为培养液，微藻成熟后，通过上述沉降系统和分离系统分离出微藻，得到的微藻再经预处理系统后进入所述蛋白提取系统、多糖提取系统进行提取，分离得到蛋白和糖；所述蛋白提取系统、多糖提取系统的残渣分别经所述微藻回收利用系统回收，为微藻培养系统提供营养；

b、步骤a得到的提取液分离出蛋白和糖后，油相部分进入所述微藻脂类利用系统中通过常规石化方法获得柴油或航空煤油；所述固相是未能水解的残渣，可直接用于厌氧发酵，或气化产电或经所述微藻回收利用系统回收，为微藻培养系统提供营养。

所述微藻培养方式选自批式培养、循环培养、连续培养中的任一种。

通过上述沉降系统和分离系统分离出的微藻可进一步经洗涤，冷冻，干燥等纯化过程，在非氧化条件下(如二氧化碳，氮气)储存。可选择性添加人工或天然的抗氧化剂。

分离出的微藻通过预处理系统经物理破碎或细胞溶解后在蛋白提取系统通过常规方法用干法或者湿法抽提蛋白，这些常规预处理方法包括但并不局限于：水热法，机械破碎法，碾磨法，超声波破碎或者法式压滤壶法等方法。

蛋白提取方法包括但并不局限于：溶剂提取，超临界流体萃取，次临界流体提取，酶法提取等。

其中溶剂萃取时，在溶解的细胞中添加两性溶剂和亲水溶剂，形成重层和轻层分馏，通过单次或多次分馏，回收沉淀蛋白，回收溶剂。溶剂回收方法包括蒸馏，旋转蒸发，升膜蒸发器，蒸汽脱气塔等溶剂回收方法。

可以用于蛋白提取的溶剂，包括但并不局限于如下两性溶剂：甲醇，乙醇，异丙醇，2丙醇，丙酮，丁酮，丙醛，乙腈，二甲基乙醚等。

轻水溶剂包含：丙烷，丁烷，戊烷，庚烷，辛烷，环己烷等。通常选择毒性小易回收的单个组分或多个混合组分。

其中超临界流体萃取时，可通过CO₂\NO作为溶剂提取，其中次临界流体萃取时，可利用水作为溶剂提取，通常2,000–3,000psia，300–350℃；依据特定微藻蛋白、糖、脂类各组分在超临界\次临界状态中解聚常数的差异分离；通过控制临界流体的温度压力环境，依次解离蛋白、糖，以纯化脂类。

其中酶法提取时，包括破壁使用的phytase，水解纤维素的cellulase，以及水解蛋白的protease。

上述方法提取微藻蛋白的装置包括但并不局限于破碎提取装置、加热提取装置、加压提取装置、皂化提取装置、冷冻提取装置、粉碎提取装置、离子交换装置、色谱装置、膜分离装置、反渗透装置、蒸馏装置等一种或两种以上装置的组合.

所述蛋白提取后可进一步纯化，包括物理和化学纯化方式，包含脱胶工艺，漂白工艺，过滤工艺等纯化或改良微藻的蛋白组分。

在有些条件下还需耦合脱胶过程，可包含水脱胶工艺，酸脱胶工艺，酶脱胶工艺，膜脱胶工艺等。例如酸式脱胶过程中，将通过和液态酸结合用于沉降脂肪中的胶体和叶绿素等物质，酸类物质包括硫酸，磷酸及其组分等。酸沉淀物质可通过离心或过滤分离；冷冻干燥脱水。

微藻提取蛋白前后可耦合微藻多糖、色素、DHA、EPA等提取，包括以上所描述的溶剂提取，超临界流体萃取，次临界流体提取，酶法提取等，或者将蛋白和糖类的提取过程整合成一个系统。

所述耦合提取色素的方法，通过中性、酸性活化物质或膜法等提取色素。

提取蛋白包括并不局限用于食品，保健品，饲料，微藻的培养基组分等。

提取的多糖类物质包括并不局限于用于食品，保健品，饲料，乙醇发酵的原料等。

微藻蛋白和糖类同时提取时，在用于食品，保健品，饲料同时，也可直接用于乙醇发酵，多糖供给发酵，蛋白质作为微生物的培养基组分。

提取糖类和蛋白的微藻中油脂可通过常规方法合成柴油，航空煤油等，包括并不局限于水热法合成，酶法合成，酸碱催化合成等合成方法。

本发明具有如下有益效果：本发明能有效利用微藻中的蛋白和糖组分，清洁了微藻油脂利用过程，既可全面利用微藻丰富的营养组分，还可避免油脂利用时后期复杂的变宝为废的净化提炼工艺，防止氨气、硫化氢等有害气体产生，同时获得了乙醇、柴油、航空煤油、微藻多糖、色素、DHA、EPA等产品。

附图说明：

图1是本发明的装置结构示意图；

其中，1、微藻培养系统，2、微藻沉降系统，3、微藻分离系统，4、预处理系统，5、蛋白提取系统，6、多糖提取系统，7、微藻脂类利用系统，8、微藻回收利用系统。

具体实施方式：

以下是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。

如图1所示，一种清洁的微藻油脂利用装置，该装置包括依次连通的微藻培养系统1、微藻沉降系统2、微藻分离系统3、预处理系统4、蛋白提取系统5、多糖提取系统6、微藻脂类利用系统7，此外还包括微藻回收利用系统8，所述蛋白提取系统5、多糖提取系统6、微藻脂类利用系统7分别经微藻回收利用系统8跟微藻培养系统1连通，形成回路；所述微藻微藻培养系统1跟二氧化碳尾气连通，用来培养微藻以吸收二氧化碳尾气；所述微藻脂类利用系统7由微藻水热反应系统和\或厌氧发酵系统组成；所述微藻水热反应系统包括预热系统，活塞流动水热反应器，三相分离系统。

实施例1：

本实施例中，所述的微藻培养系统选用温度光照适宜的跑道式微藻培养系统，微藻培养系统用BG11作为培养溶液，选用耐热性的小球藻Chorella sp.作为培养微藻。

所述的微藻分离系统利用气浮装置沉淀收集微藻。

所述的预处理系统为研磨预处理系统。

所述的蛋白和多糖提取系统整合成一个系统，为酶解提取系统。

所述的微藻脂类利用系统是微藻水热反应系统和厌氧发酵系统。

所述的蛋白和糖类混合提取液通入发酵罐用于酵母发酵乙醇。

一种清洁的微藻油脂利用方法，首先利用上述微藻培养系统培养微藻以吸收二氧化碳尾气，所述微藻以配置BG11培养液作为培养液，微藻成熟后，通过上述沉降系统和分离系统分离出微藻，得到的微藻再经预处理系统碾磨处理后进入所述蛋白和多糖提取系统(整合成酶解提取系统，系统中加入固定化果胶酶)，pH4.8，50℃酶解24小时，回收酶，酶解液进入所述微藻脂类利用系统中的微藻水热反应系统的三相分离系统，得到上清液、油相和固相，所述上清液分离出蛋白和糖，得到的蛋白和糖进入微藻脂类利用系统的厌氧发酵系统制备乙醇，发酵残渣经调PH后经所述微藻回收利用系统返回微藻培养系统；所述油相部分通过常规石化方法获得柴油或航空煤油；未能水解的残渣，可直接用于厌氧发酵，或气化产电或经所述微藻回收利用系统回收，为微藻培养系统提供营养。

本实施例的能有效利用微藻中的蛋白和糖组分，清洁了微藻油脂利用过程，既可全面利用微藻丰富的营养组分，还可避免油脂利用时后期复杂的变宝为废的净化提炼工艺，防止氨气、硫化氢等有害气体产生，同时可获得乙醇、柴油、航空煤油、微藻多糖、色素、DHA、EPA等产品。

Claims (10)

1.一种清洁的微藻油脂利用装置，其特征在于，该装置包括依次连通的微藻培养系统(1)、微藻沉降系统(2)、微藻分离系统(3)、预处理系统(4)、蛋白提取系统(5)、多糖提取系统(6)、微藻脂类利用系统(7)，此外还包括微藻回收利用系统(8)，所述蛋白提取系统(5)、多糖提取系统(6)、微藻脂类利用系统(7)分别经微藻回收利用系统(8)跟微藻培养系统(1)连通，形成回路；所述微藻微藻培养系统(1)跟二氧化碳尾气连通，用来培养微藻以吸收二氧化碳尾气；所述微藻脂类利用系统(7)由微藻水热反应系统和\或厌氧发酵系统组成；所述微藻水热反应系统包括预热系统，活塞流动水热反应器，三相分离系统。

2.根据权利要求1所述的清洁的微藻油脂利用装置，其特征在于，所述的微藻培养系统选用温度光照适宜的跑道式微藻培养系统。

3.根据权利要求1或2所述的清洁的微藻油脂利用装置，其特征在于，所述微藻分离系统选自过滤装置或絮凝装置或气浮装置或离心装置或沉降系统中一个或一个以上的耦合的装置。

4.根据权利要求1或2所述的清洁的微藻油脂利用装置，其特征在于，所述预处理系统包括物理破碎或细胞溶解装置。

5.根据权利要求1或2所述的清洁的微藻油脂利用装置，其特征在于，所述蛋白提取系统跟所述多糖提取系统整合成一个系统，为酶解提取系统。

6.一种清洁的微藻油脂利用方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、利用权利要求1所述微藻培养系统培养微藻以吸收二氧化碳尾气，所述微藻以工业废水或配置培养液作为培养液，微藻成熟后，通过权利要求1所述沉降系统和分离系统分离出微藻，得到的微藻再经预处理系统后进入所述蛋白提取系统、多糖提取系统进行提取，分离得到蛋白和糖；所述蛋白提取系统、多糖提取系统的残渣分别经所述微藻回收利用系统回收，为微藻培养系统提供营养；

b、步骤a得到的提取液分离出蛋白或糖后，油相部分进入所述微藻脂类利用系统中通过常规石化方法获得柴油或航空煤油；未能水解的残渣直接用于厌氧发酵或气化产电或经所述微藻回收利用系统回收，为微藻培养系统提供营养。

7.根据权利要求6所述的清洁的微藻油脂利用方法，其特征在于，所述蛋白提取系统跟所述多糖提取系统整合成酶解提取系统，系统中加入固定化果胶酶，微藻成熟后，通过上述沉降系统和分离系统分离出微藻，得到的微藻再经预处理系统碾磨处理后进入所述酶解提取系统，pH4.8，50℃酶解24小时，回收酶，酶解液进入所述微藻脂类利用系统中的微藻水热反应系统的三相分离系统，得到上清液、油相和固相，所述上清液分离出蛋白和糖，得到的蛋白和糖进入微藻脂类利用系统的厌氧发酵系统制备乙醇，发酵残渣经调PH后经所述微藻回收利用系统返回微藻培养系统；所述油相部分通过常规石化方法获得柴油或航空煤油；未能水解的残渣直接用于厌氧发酵或气化产电或经所述微藻回收利用系统回收，为微藻培养系统提供营养。

8.根据权利要求6或7所述的清洁的微藻油脂利用方法，其特征在于，所述微藻培养方式选自批式培养、循环培养、连续培养中的任一种。

9.根据权利要求6或7所述的清洁的微藻油脂利用方法，其特征在于，分离出的微藻通过预处理系统经物理破碎或细胞溶解后在蛋白提取系统用干法或者湿法抽提蛋白。

10.根据权利要求6或7所述的清洁的微藻油脂利用方法，其特征在于，微藻提取蛋白前后可耦合微藻多糖、色素、DHA、EPA的提取。