CN105713950A - 一种利用烟气生产微藻油脂的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用烟气生产微藻油脂的方法，包括（1）将微藻培养基与斜生栅藻FSH-Y2种子液加入光生物反应器中，调节培养体系pH为10～12，并通入CO₂体积含量为1v%～5v%的烟气，培养2～5天；（2）调节培养体系的pH值为8～10，接入单针藻SS-B1和纤维藻SS-B7种子液进行混合培养，并通入CO₂体积含量为5v%～45v%的烟气，在连续光照下培养至稳定期，收获微藻细胞；其中斜生栅藻FSH-Y2、单针藻SS-B1和纤维藻SS-B7分别于2012年9月11日和2013年4月15日保藏于“中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心”，保藏编号为CGMCC No.6551、CGMCC No.7479和CGMCC No.7478。本发明方法提高了微藻培养体系对高浓度CO₂的耐受性和溶解性，提高了固碳效率，微藻油脂的收获量明显提高，并且可以实现烟气的净化。

Description

一种利用烟气生产微藻油脂的方法

技术领域

本发明属于生物技术和生物能源领域，具体涉及一种利用烟气生产微藻油脂的方法。

背景技术

由于化石能源的日趋减少和使用化石能源造成温室效应的增加，越来越多的科研工作者把目光集中到可再生能源的开发和利用上。生物质能作为地球上最重要的可再生能源，它包括林业生物质、农作物、水生植物、农业废弃物等。在诸多的生物质能源中，微藻是重要的可再生资源。它们具有分布广泛、生物量大、光合作用效率高、环境适应能力强、生长周期短、生物量产量高等特点。其细胞中含独特的初级或次级代谢产物，化学成分复杂。微藻的太阳能转化效率可达到3.5%，是生产药品、精细化工品和新型燃料的潜在资源，从微藻中得到的脂肪酸可转化成脂肪酸甲脂，即生物柴油。

随着世界经济的发展，大量的化石能源的使用和消耗，导致能源的短缺和环境的日益恶化，特别是CO₂的急剧增加引起的温室效应越来越严重。近年来，对可用于直接固定工业废气尤其是燃烧烟气中CO₂的捕捉和封存(CCS)技术进行了广泛的研究。在这些技术中，微藻生物固定CO₂是一种具有大规模应用前景和经济上可行的CCS技术。微藻的生长周期短、光合效率高，CO₂固定效率高，一定条件下可达陆生植物的10倍以上，不仅可以减少CO₂排放，同时也降低了培养成本；除CO₂外，烟气中的一些SOx、NOx等成分也随着微藻的代谢被净化处理，有效减少有害气体排放，因此利用微藻油脂作为原料生产的生物柴油是目前最有可能满足世界运输所需燃料的可再生能源。

目前对于小球藻、栅藻等产油微藻研究的较多。CN20110144545.6公开了一株栅藻藻株，该藻株的生长可利用人工培养基或经适当处理的废水生长，其特点是油脂产率高于目前大多数分藻株，该藻株应用领域包括CO₂的固定，废水的净化，油脂、蛋白质、色素、淀粉、多糖、核酸的生产。CN20120154470.4公开了一株富油海洋微藻微拟球藻(Nannochloropsisgaditana)藻株及其应用，该藻株可在pH=4.5的环境下正常生长，其油脂含量可达35%。CN20111019480.X公开了一株微藻藻株（Mychonasessp.）及其用于生产生物柴油的应用，利用该藻株可生产高附加值的多不饱和脂肪酸，包括亚麻酸C18:3和神经酸C24:1，其在获得生物柴油的同时，获得高附加值的副产品。CN102703326A公开了一种高CO₂耐受性和固定率的微藻及其选育方法，但该专利所提供的藻株并未涉及该藻株的油脂含量。上述专利要么不能高效利用CO₂产油脂，要么获得的生物质中油脂含量不够高。特别是在实际应用中，当CO₂的浓度高于5%时，大多数微藻的生长将受到抑制，而工业排放的气体中的CO₂浓度一般为10%~20%，并同时含有对微藻有毒害作用的物质，例如SOx、NOx等。因此，用于直接固定工业排放的气体中的CO₂的微藻除了要求对CO₂的转化率高、生长速率快、耐受pH范围宽之外，还要能够耐受高CO₂浓度和耐受SOx、NOx等有害物质。

刘平怀等（有机碳源对单针藻细胞生长、油脂积累和光合作用的影响，生物工程,2012,33(18):224-246）介绍了利用有机碳源培养单针藻的一种生产方式，培养结束虽然生物量超过了10g/L，但该种方式为单针藻异养培养方式，培养过程中利用葡萄糖等有机碳源来实现细胞生长，这种培养方式没有利用CO₂等无机碳源经济，而且有机碳源的加入，在培养过程易产生染菌问题，影响藻细胞的生长。

发明内容

针对现有藻种不能满足耐受和吸收高浓度CO₂，固定CO₂效率低的问题，本发明提供了一种利用烟气生产微藻油脂的方法。本发明提高了微藻培养体系对高浓度CO₂的耐受性和溶解性，提高了固碳效率，微藻油脂的收获量明显提高，同时可以实现对烟气的净化。

本发明利用烟气生产微藻油脂的方法，包括如下内容：（1）将微藻培养基与斜生栅藻（Scenedesmusobliqnus）FSH-Y2种子液加入到光生物反应器中，调节培养体系pH为10～12，并通入CO₂体积含量为1v%～5v%的烟气，培养2～5天；（2）调节培养体系的pH值为8～10，接入单针藻（Monoraphidiumsp）SS-B1和纤维藻（Ankistrodesmussp.）SS-B7种子液进行混合培养，并通入CO₂体积含量为5v%～45v%的烟气，在连续光照条件下培养至稳定期，收获微藻细胞；其中斜生栅藻FSH-Y2、单针藻SS-B1和纤维藻SS-B7，分别于2012年9月11日和2013年4月15日保藏于“中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心”，保藏编号分别为CGMCCNo.6551、CGMCCNo.7479和CGMCCNo.7478。分类命名分别为：Scenedesmusobliqnus，Monoraphidiumsp，Ankistrodesmussp.；保藏单位地址：北京市朝阳区北辰西路1号院3号。

本发明所述斜生栅藻FSH-Y2藻株在显微镜下藻细胞呈纺锤形，丛生，有细胞壁膜包裹，颜色为深绿色；单个藻细胞直径约为6～10μm。该藻株在高PH值下能够很好地吸收利用二氧化碳，快速生长繁殖。

本发明所述单针藻SS-B1藻株是一种淡水绿藻，藻细胞为长叶形，绿色，藻种长为10～20μm，宽2～4μm，内含色素，平板藻落形态为S形，深绿色。该藻株能够耐受高浓度的CO₂和SO₂，可以利用含CO₂和SO₂的废气或烟气进行光照自养生长获取富含油脂的生物质，固碳效率高。

本发明所述纤维藻SS-B7藻株是一种淡水绿藻，在显微镜下藻细胞为绿色，镰形或弓形、丛生、弯曲，自中央向两端渐尖细，末端尖，长大约5～6μm，中央宽约2μm。该藻株能够耐受高浓度的CO₂和NOx，可以利用含CO₂和NOx的废气或烟气进行光照自养生长获取富含油脂的生物质，固碳效率高。

本发明中，微藻培养基采用本领域人员熟知的BG11、SE、BBM等培养微藻的液体培养基。所述斜生栅藻FSH-Y2种子液的制备方法如下：将培养基的pH调节为10～12，在温度为20～30℃，光照周期为24h，光暗时间比为14:10，光照强度为2000～10000Lux的条件下，振荡培养至对数生长期。单针藻SS-B1种子液和纤维藻SS-B7种子液的制备方法如下：将微藻培养基的pH调节为7～9，在温度为20～30℃，光照周期为24h，光暗时间比为14:10，光照强度为2000～10000Lux，振荡培养至对数生长期。

本发明中控制微藻种子液的总接种量为微藻培养基总体积的5%～20%，其中斜生栅藻FSH-Y2种子液，单针藻SS-B1种子液和纤维藻SS-B7种子液的体积比为2:1:1～6:1:1。

本发明中，所述烟气来源于硫磺回收装置焚烧尾气、催化裂化再生尾气或S-zorb再生尾气，优选S-zorb再生尾气；其中CO₂含量为5v%～45v%，SO₂含量为不超过600×10^-6（v/v），NOx含量不超过500×10^-6（v/v）。

本发明中，微藻混合培养的温度为20～30℃，光照强度为2000～10000Lux，培养至生长稳定期结束。通过离心、沉降等方式收获微藻细胞，测定细胞干重和油脂含量，细胞干重可达到12g/L以上，细胞的生物质产率达到1.5g/(L·d)，油脂含量可达到细胞干重的46%以上，同时二氧化碳的脱除率提高到50%以上。

与现有技术相比，本发明可以带来以下有益效果：

1、首先采用可耐受高pH环境的斜生栅藻FSH-Y2进行单独培养，初始的高pH和间歇光照可以抑制微藻培养初期杂菌和病虫害的生长，有助于微藻处于生长优势；并且高pH环境有利于二氧化碳的溶解，使二氧化碳更容易被微藻吸收利用，有助于提高二氧化碳的固定效率；

2、培养2～5天后降低pH，加入可耐受烟气中SO₂和NOx的单针藻SS-B1和纤维藻SS-B7进行连续光照培养，有助于促进微藻的快速生长，提高微藻的生长速率。而且，这三种微藻可以相互配合，比单一藻种培养具有更高的的固碳效率，二氧化碳的脱除率更高，获得的生物质含有更多的油脂；

3、本发明的混合培养体系能够耐受高浓度的CO₂、SO₂和NOx，可以利用废气中的CO₂进行自养生长，固定CO₂，缓解目前工业社会带来的温室效应和废气污染问题。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步详细说明。本发明中，wt%为质量分数，v%为体积分数。

本发明微藻培养采用BG11培养基，配方如表1和表2所示。

表1BG11培养基

*表2表1中A5+Cosolution的组成

首先按照表1和表2制备BG11液体培养基，将斜生栅藻FSH-Y2的培养基的pH调节为10，将培养单针藻SS-B7和纤维藻SS-B7的培养基的pH调节为7.5，然后将斜生栅藻FSH-Y2、单针藻SS-B1和纤维藻SS-B7分别接种于上述培养基中。在恒温光照摇床中培养，培养温度为25℃，光照周期为24h，光暗时间比为14:10，光照强度5000Lux，120rpm振荡培养至对数生长期，获得斜生栅藻FSH-Y2种子液、单针藻SS-B1种子液和纤维藻SS-B7种子液，将上述种子液在15℃弱光下保存备用。

实施例1

（1）在10L光生物反应器中，加入实施例1制备的斜生栅藻FSH-Y2种子液和微藻培养基，FSH-Y2种子液的加入量为400mL，微藻培养基的pH值调节为10，加入量为8L，培养光照强度为5000Lux，光照周期为24h，光暗时间比为14:10，通入烟气中CO₂的含量为3v%，NO和NO₂含量为50×10^-6（v/v），SO₂含量为60×10^-6（v/v）。

（2）培养4天后，接入实施例1制备的单针藻SS-B1种子液和纤维藻SS-B7种子液，两种藻种子液的加入量均为200mL，调节微藻培养体系的pH为8，连续光照培养，光照强度为5000Lux；通入烟气中CO₂的含量为30v%，NO和NO₂含量为500×10^-6（v/v），SO₂含量为600×10^-6（v/v）。

（3）培养7天后进入生长稳定期，结束培养，离心收获微藻细胞，测定细胞干重和油脂含量。在-60℃条件下真空冷冻干燥至恒重后测量藻粉干重，计算生物质产量，并采用正己烷:乙酸乙酯法测得总脂含量。经检测后细胞干重可达到14.5g/L，油脂含量为细胞干重的47.7%，培养过程中CO₂脱除率为52%。

实施例2

（1）在10L光生物反应器中，加入实施例1制备的斜生栅藻FSH-Y2种子液和微藻培养基，FSH-Y2种子液的加入量为800mL，微藻培养基的pH值调节为12，加入量为8L，培养的光照强度为5000Lux，光照周期为24h，光暗时间比为14:10，通入烟气中CO₂的含量为5v%，NO和NO₂含量为80×10^-6（v/v），SO₂含量为100×10^-6（v/v）。

（2）培养2天后，接入实施例1制备的单针藻SS-B1种子液和纤维藻SS-B7种子液，两种藻种子液的加入量均为200mL，调节微藻培养体系的PH为9，连续光照培养，光照强度为5000Lux；通入烟气中CO₂的含量为30v%，NO和NO₂含量为500×10^-6（v/v），SO₂含量为600×10^-6（v/v）。

（3）培养8天后进入生长稳定期，结束培养，离心收获微藻细胞，测定细胞干重和油脂含量。在-60℃条件下真空冷冻干燥至恒重后测量藻粉干重，计算生物质产量，并采用正己烷:乙酸乙酯法测得总脂含量。经检测后细胞干重可达到13.1g/L，油脂含量为细胞干重的47.4%，培养过程中CO₂脱除率为51.3%。

实施例3

（1）在10L光生物反应器中，加入实施例1制备的斜生栅藻FSH-Y2种子液和微藻培养基，FSH-Y2种子液的加入量为600mL，微藻培养基的pH值调节为11，加入量为8L，培养的光照强度为5000Lux，光照周期为24h，光暗时间比为14:10，通入烟气中CO₂的含量为4v%，NO和NO₂含量为50×10^-6（v/v），SO₂含量为60×10^-6（v/v）。

（2）培养3天后，接入实施例1制备的单针藻SS-B1种子液和纤维藻SS-B7种子液，两种藻的种子液的加入量均为300mL，调节微藻培养体系的pH为9，连续光照培养，光照强度为5000Lux；通入烟气中CO₂的含量为40v%，NO和NO₂含量为500×10^-6（v/v），SO₂含量为600×10^-6（v/v）。

（3）培养8天后进入生长稳定期，结束培养，离心收获微藻细胞，测定细胞干重和油脂含量。在-60℃条件下真空冷冻干燥至恒重后测量藻粉干重，计算生物质产量，并采用正己烷:乙酸乙酯法测得总脂含量。经检测后细胞干重可达到12.9g/L，油脂含量为细胞干重的47.1%，培养过程中CO₂脱除率为51.6%。

比较例1

采用与实施例1相同的培养过程和培养条件，不同之处在于：FSH-Y2种子液、单针藻SS-B1种子液和纤维藻SS-B7的种子液在培养起始一起加入到反应器中。培养结束后离心收获微藻细胞，测定细胞干重和油脂含量。经检测后细胞干重可达到12.6g/L，油脂含量为细胞干重的45.5%。

比较例2

采用与实施例1相同的培养过程和培养条件，不同之处在于：加入FSH-Y2种子液800mL，培养4天后，步骤（2）只改变培养条件，不加入其他微藻种子液。培养7天后结束培养，离心收获微藻细胞，测定细胞干重和油脂含量。经检测后细胞干重可达到3.2g/L，油脂含量为细胞干重的31.6%。

比较例3

采用与实施例1相同的培养过程和培养条件，不同之处在于：步骤（1）加入单针藻SS-B1种子液800mL，培养基的pH值始终为8。培养11天结束培养，离心收获微藻细胞，测定细胞干重和油脂含量。经检测后细胞干重可达到5.1g/L，油脂含量为细胞干重的39.2%。

比较例4

采用与实施例1相同的培养过程和培养条件，不同之处在于：步骤（1）加入纤维藻SS-B7种子液800mL，培养基的pH值始终为8。培养11天后结束培养，离心收获微藻细胞，测定细胞干重和油脂含量。经检测后细胞干重可达到9.8g/L，油脂含量为细胞干重的40.9%。

综上可知，相对于单一藻种，斜生栅藻FSH-Y2、单针藻SS-B1和纤维藻SS-B7采取两步法混合培养，有助于提高培养体系的耐受能力，而且可以获得更高的生物量和油脂含量。本发明利用烟气制备微藻油脂，即实现了油脂的生产，同时可以净化废气，经济效益和环境效益显著提高。

Claims (10)

1.一种利用烟气生产微藻油脂的方法，其特征在于包括如下内容：（1）将微藻培养基与斜生栅藻（Scenedesmusobliqnus）FSH-Y2种子液加入到光生物反应器中，调节培养体系pH为10～12，并通入CO₂体积含量为1v%～5v%的烟气，培养2～5天；（2）调节培养体系的pH值为8～10，接入单针藻（Monoraphidiumsp）SS-B1和纤维藻（Ankistrodesmussp.）SS-B7种子液进行混合培养，并通入CO₂体积含量为5v%～45v%的烟气，在连续光照条件下培养至稳定期，收获微藻细胞；其中斜生栅藻FSH-Y2、单针藻SS-B1和纤维藻SS-B7，分别于2012年9月11日和2013年4月15日保藏于“中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心”，保藏编号分别为CGMCCNo.6551、CGMCCNo.7479和CGMCCNo.7478。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述斜生栅藻FSH-Y2藻株在显微镜下藻细胞呈纺锤形，丛生，有细胞壁膜包裹，颜色为深绿色；单个藻细胞直径约为6～10μm；所述单针藻SS-B1藻株是一种淡水绿藻，藻细胞为长叶形，绿色，藻种长为10～20μm，宽2～4μm，内含色素，平板藻落形态为S形，深绿色；所述纤维藻SS-B7藻株是一种淡水绿藻，在显微镜下藻细胞为绿色，镰形或弓形、丛生、弯曲，自中央向两端渐尖细，末端尖，长大约5～6μm，中央宽约2μm。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：微藻培养基采用BG11、SE、或BBM液体培养基，优选采用BG11液体培养基。

4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：斜生栅藻FSH-Y2种子液的制备方法如下：将培养基的pH调节为10～12，在温度为20～30℃，光照周期为24h，光暗时间比为14:10，光照强度为2000～10000Lux，振荡培养至对数生长期。

5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：单针藻SS-B1种子液和纤维藻SS-B7种子液的制备方法如下：将微藻培养基的pH调节为7～9，在温度为20～30℃，光照周期为24h，光暗时间比为14:10，光照强度为2000～10000Lux，振荡培养至对数生长期。

6.按照权利要求1、4或5所述的方法，其特征在于：控制微藻种子液的总接种量为微藻培养基总体积的5%～20%，其中斜生栅藻FSH-Y2种子液，单针藻SS-B1种子液和纤维藻SS-B7种子液体积比为2:1:1～6:1:1。

7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述烟气来源于硫磺回收装置焚烧尾气、催化裂化再生尾气或S-zorb再生尾气。

8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于：烟气来源于S-zorb再生尾气。

9.按照权利要求1或7所述的方法，其特征在于：所述烟气中CO₂含量为5v%～45v%，SO₂含量为不超过600×10^-6（v/v），NOx含量不超过500×10^-6（v/v）。

10.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：微藻混合培养的温度为20～30℃，光照强度为2000～10000Lux，培养至生长稳定期结束。