CN106047957A - 一种微藻油脂的生产方法及应用藻渣作为污染物吸附剂 - Google Patents

一种微藻油脂的生产方法及应用藻渣作为污染物吸附剂 Download PDF

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Abstract

一种微藻油脂的生产方法及应用藻渣作为污染物吸附剂，本发明属于生物质能源回收与生物功能材料开发利用领域，它为了解决产油微藻的产量低，吸附剂的吸附能力有待提高的问题。微藻油脂的生产方法：一、产油微藻进行活化培养；二、活化藻液在可见光光照反应器中，控制生长环境中的光照强度，二氧化碳的浓度和生长温度等条件进行放大培养；三、冻干微藻粉破碎后萃取油脂，离心回收藻渣，完成微藻油脂的采收。应用冻干藻渣粉作为水体中污染物吸附剂。通过本发明产油的方法可产生30％～50％藻干重的微藻生物油脂，同时藻渣吸附剂可用于对金属或抗生素等污染物的吸附去除，吸附去除效果良好。

Description

一种微藻油脂的生产方法及应用藻渣作为污染物吸附剂
技术领域
本发明属于生物质能源回收与生物功能材料开发利用领域，具体涉及一种提升微藻产油能力同时开发藻渣作为高效污染物吸附剂的应用方法。
背景技术
吸附技术是目前废水处理尤其在突发事件中较多使用的方法。其中相比于常规吸附材料运用，如活性炭等，生物吸附技术的开发目前在此领域中受到的关注较多。生物吸附技术指利用生物体或产物对废水中的污染物进行吸附，然后通过固液分离或浓缩解吸附等手段实现水体净化。生物吸附具有材料来源广泛、环境友好等优势。目前生物吸附主要面临的问题是吸附剂的开发，主要开发的生物吸附剂包括细菌、真菌、农林废弃物与藻类等。如将生物吸附规模化应用，应解决吸附剂成本与吸附剂吸附能力提升等主要问题。由于在微藻表面含有多种可用于对污染物有吸附能力的功能基团，近些年在将微藻应用于污染物吸附等方面的热度成上升趋势。
微藻是一种在自然界中分布最广、数量最大，且对生长环境要求低，光合效率高易于大量繁殖的生物。在微藻生长过程中，会固定二氧化碳，且吸附转化大量的水体中富营养化元素如氮磷等。目前将微藻应用于废水处理的研究逐年增多。而在微藻生长过程中的某些特定条件，如氮饥饿等会使藻体快速积累油脂，含量可能占到细胞干重的10％～50％。从燃料角度,微藻所产生物柴油热值高、点火性好，低温流动性强且便于运输等优点。另外微藻油脂含硫量非常低，目前作为一种环境友好的可再生能源受到了非常多的关注。近些年在中国南方、台湾、马来西亚等较多国家和地区已经将微藻应用于养殖废水、生活污水等处理并产生生质柴油。在微藻藻粉提取油脂的同时，会产生大量的藻渣，通过对微藻提油后的藻渣进行开发作为生物吸附剂，既能回收清洁能源，又降低了吸附剂生产的成本。
光照强度、二氧化碳浓度、生长温度是在微藻生长中非常重要的外部条件，在研究中发现通过对以上条件的控制，能严重的影响微藻的生长速率和油脂产量。光照的强度以及温度不仅能直接影响微藻细胞的光合作用，还能影响微藻细胞的油脂含量，并调节脂肪酸的组成。高光强在减少极性总脂含量的同时增加中性脂质含量从而改变脂肪酸的饱和程度，而低光强可以促进极性脂质合成。温度是影响藻类所有代谢活动的一个主要因素,也是影响微藻脂肪含量和脂肪酸种类的重要因素之一。在一定范围内升高培养温度会使某些藻合成脂肪的含量增加，但高温条件下培养的微藻，其不饱和脂肪酸的含量下降。此外，微藻培养中氮含量也是能对微藻油脂含量起到决定性的因素之一。在氮含量足够时，微藻生长状态好但是油脂积累少，氮元素缺乏时，油脂积累逐渐加强。因此，对培养液中氮元素含量的控制，可以起到平衡产油微藻生长量和产油量，使之达到最大化的目的。
发明内容
本发明的目的是为了解决产油微藻的产量低、油脂含量少，吸附剂的吸附能力有待提高的问题，而提供一种微藻油脂的生产方法及应用藻渣作为污染物吸附剂。
本发明微藻油脂的生产方法按下列步骤实现：
一、将产油微藻藻株置于预培养液中进行活化培养，得到活化藻液；
二、将活化藻液转至可见光光照反应器中，控制生长环境的光照强度为100～350mmol·m-2·s-1，并通入二氧化碳与氮气的混合气，其中二氧化碳的体积浓度为1％～15％，调节生长温度为22～32℃进行放大培养12～16天，得到微藻藻液；
三、对步骤二得到的微藻藻液进行离心收集，采用冷冻干燥得到冻干微藻粉，将藻粉破碎后萃取油脂，然后离心回收藻渣，对藻渣进行冷冻干燥，研磨均匀得到冻干藻渣粉并作为污染物吸附剂，从而完成微藻油脂的采收。
本发明在生产微藻油脂的同时开发应用冻干藻渣粉作为水体中污染物的吸附剂。
本发明将提油后藻渣作为吸附剂应用常规含污染物废水和突发性污染处理中。
本发明生产微藻油脂同时开发藻渣作为水体中污染物的吸附剂，通过优化培养条件等使微藻产量产率、油脂产量产率进行提升，同时通过对微藻提油方法开发与藻渣处理实现对水体中的污染物吸附能力的提升。
本发明所述的产油微藻可产生30％～50％藻干重的微藻生物油脂，同时藻渣吸附剂可用于对染料或抗生素等有机污染物的吸附去除，在pH＝7左右的条件下，通过微藻藻渣吸附剂对头孢抗生素的震荡吸附，20分钟内即可达到吸附平衡，其吸附容量为5～15mg/g；也可用于突发重金属污染或常规重金属废水处理中对重金属离子的高效吸附，有效降低水的硬度。在铜离子溶液pH＝7左右的条件下，通过微藻藻渣吸附剂对1000mg/L的铜离子进行震荡吸附，20分钟内即可达到吸附平衡，其吸附容量为20～50mg/g。
本发明微藻油脂的生产方法及应用藻渣作为高效污染物吸附剂包含以下有益效果：
1、可在生产微藻吸附剂同时处理废水、脱氮除磷、固定二氧化碳、回收优质生物油脂。能同时达到废水处理、废弃处理以及生物能源回收等多重目标，具有重要的环境和经济价值。
2、本发明通过对微藻生长条件与油脂生产条件控制，大大提升了微藻产量和油脂产量。
3、本发明通过对微藻提油破碎方式的选择，提升了油脂收率和藻渣对重金属的吸附能力。
附图说明
图1为实施例一中空星藻藻体的电镜图；
图2为实施例一中油脂积累期的空星藻藻体的电镜图；
图3为实施例二中小球藻藻体的电镜图；
图4为实施例二中油脂积累期的小球藻藻体的电镜图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式微藻油脂的生产方法按下列步骤实施：
一、将产油微藻藻株置于预培养液中进行活化培养，得到活化藻液；
二、将活化藻液转至可见光光照反应器中，控制生长环境的光照强度为100～350mmol·m-2·s-1，并通入二氧化碳与氮气的混合气，其中二氧化碳的体积浓度为1％～15％，调节生长温度为22～32℃进行放大培养12～16天，得到微藻藻液；
三、对步骤二得到的微藻藻液进行离心收集，采用冷冻干燥得到冻干微藻粉，将藻粉破碎后萃取油脂，然后离心回收藻渣，对藻渣进行冷冻干燥，研磨均匀得到冻干藻渣粉并作为污染物吸附剂，从而完成微藻油脂的采收。
光照强度、二氧化碳浓度以及生长温度是在微藻生长中非常重要的外部条件，能严重的影响微藻的生长速率。光照的强度以及温度不仅能直接影响微藻细胞的光合作用，还能影响微藻细胞的油脂含量，和调节脂肪酸的组成。高光强在减少极性总脂含量的同时增加中性脂质含量从而改变脂肪酸的饱和程度，而低光强可以促进极性脂质合成。温度是影响藻类所有代谢活动的一个主要因素,也是影响微藻脂肪含量和脂肪酸种类的重要因素之一。在一定范围内升高培养温度会使某些藻合成脂肪的含量增加，但高温条件下培养的微藻，其不饱和脂肪酸的含量下降。针对不同藻株，温度以及光照等关键条件都有不同。因此，针对特定产油微藻，生长条件的筛选优化是非常重要的。
本实施方式选取高产油微藻藻种，对藻种进行预培养以达到活化和稳定生长。随后将预培养液转入可见光微藻培养反应器中放大培养，通过对光照强度、二氧化碳浓度、以及培养温度等关键参数进行优化增加微藻生物质和油脂产量，然后通过破碎法一步提取油脂并生成微藻藻渣吸附剂。
本实施方式在回收微藻油脂同时制备成本低，生物及环境友好型的高性能藻渣吸附剂。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一所述的预培养液为BG-11培养基、BBM培养基或BM培养基。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤一所述的产油微藻为栅藻、小球藻、布朗葡萄藻、盐藻、空星藻或螺旋藻。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
本实施方式所述的产油微藻均可通过商购获得。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤二控制生长环境的光照强度为120～250mmol·m-2·s-1，并通入二氧化碳与氮气的混合气，其中二氧化碳的体积浓度为2％～6％，调节生长温度为22～32℃先进行放大培养至培养液中的N含量下降到原始质量浓度10％以下的低N条件，然后在低N条件下继续放大培养7～12天。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
本实施方式培养液中N的初始含量为0.2～0.3g/L，低N条件时培养液中N含量为0.02～0.03g/L，然后开始积累油脂。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤三对微藻藻液进行离心收集，控制离心的转数为3000～10000rpm，离心时间1～5min。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤三所述的破碎处理的方式为超声破碎、微珠球磨破碎、均质破碎或高温高压破碎。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是步骤三采用有机溶剂分散于均质破碎机中进行一步破碎的同时萃取油脂，控制破碎压力为10～80Kpsi，循环数为1～5个循环。其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是所述的有机溶剂为丙酮、正己烷、乙醚或乙腈。其它步骤及参数与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是步骤三对藻渣进行冷冻干燥，研磨均匀，过100目～400目筛得到冻干藻渣。其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一不同的是应用冻干藻渣粉作为水体中污染物吸附剂。
实施例一：本实施例微藻油脂的生产方法按下列步骤实施：
一、将空星藻藻株置于BG-11培养基中进行活化培养至OD680相对值为1.5～2.0间，得到活化藻液；
二、将活化藻液作为藻种转至可见光光照反应器中，控制生长环境的光照强度为150mmol·m-2·s-1，并通入二氧化碳与氮气的混合气，其中二氧化碳的浓度为3％，生长温度为26℃先进行放大培养6天，通过对N含量进行检测，来保证微藻生长密度、微藻产量与藻体内油脂含量的最佳平衡关系，当培养基中N含量下降到原始浓度10％以下，再在低N条件下连续培养10天，得到微藻藻液，以达到微藻体内油脂的最大积累；
三、对步骤二得到的微藻藻液在离心机转数为8000rpm·min-1的条件下进行离心收集5min，浓缩藻液放入冷冻干燥机中冷冻干燥12h得到冻干微藻，冻干微藻分散于丙酮中，转移至均质压力破碎机中，调整压力为40Kpsi，破碎2个循环，进行破碎处理的同时萃取油脂，8000rpm·min-1离心回收藻渣，对藻渣进行冷冻干燥，研磨均匀得到冻干藻渣并作为污染物吸附剂，从而完成微藻油脂的采收。
本实施例步骤二培养液中初始的N含量为0.28g/L，当培养基中N含量下降到0.028g/L时为起始低N条件，然后连续培养10天进行积累油脂。
本实施例所产油脂含量为33.5％(藻粉干重)。
本实施例将步骤三得到的冻干藻渣进行污染物吸附能力测试，当所用头孢抗生素浓度为100mg L-1时，在30±0.5℃、pH为7条件下进行震荡吸附，其吸附容量为8.3mg/g，20min即可达到吸附平衡。
实施例二：本实施例微藻油脂的生产方法按下列步骤实施：
一、将小球藻藻株置于BG-11培养基中进行活化培养4天，得到活化藻液；
二、将活化藻液转至可见光光照反应器中，培养基为BG-11，控制生长环境的光照强度为200mmol·m-2·s-1，并通入二氧化碳与氮气的混合气，其中二氧化碳的浓度为2.5％(控制流量为200ml·min-1)，生长温度为28℃进行放大培养7天，当培养液中N含量下降到原始浓度10％以下，再在低N条件下连续培养8天，得到微藻藻液；
三、对步骤二得到的微藻藻液在离心机转数为10000rpm·min-1的条件下进行离心收集10min，浓缩藻液放入冷冻干燥机中冷冻干燥12h得到冻干微藻，冻干微藻分散于有机溶剂乙醚中，转移至高频超声破碎机中，超声频率为25KHz，超声时间为5分钟，进行破碎处理的同时萃取油脂，然后离心回收藻渣，对藻渣进行冷冻干燥，研磨均匀得到冻干藻渣，从而得到微藻油脂。
本实施例所产油脂含量为45％(藻粉干重)。
本实施例将步骤三得到的冻干藻渣0.1g于250mL的螺口瓶中，加入100mL的1000mgL-1的Cu(Ⅱ)溶液，在30±0.5℃、pH＝7的条件下进行震荡吸附，其吸附容量为29.8mg/g，20min即可达到吸附平衡。

Claims (10)

1.一种微藻油脂的生产方法，其特征在于是按下列步骤实现：
一、将产油微藻藻株置于预培养液中进行活化培养，得到活化藻液；
二、将活化藻液转至可见光光照反应器中，控制生长环境的光照强度为100～350mmol·m-2·s-1，并通入二氧化碳与氮气的混合气，其中二氧化碳的体积浓度为1％～15％，调节生长温度为22～32℃进行放大培养12～16天，得到微藻藻液；
三、对步骤二得到的微藻藻液进行离心收集，采用冷冻干燥得到冻干微藻粉，将藻粉破碎后萃取油脂，然后离心回收藻渣，对藻渣进行冷冻干燥，研磨均匀得到冻干藻渣粉并作为污染物吸附剂，从而完成微藻油脂的采收。
2.根据权利要求1所述的一种微藻油脂的生产方法，其特征在于步骤一所述的预培养液为BG-11培养基、BBM培养基或BM培养基。
3.根据权利要求1所述的一种微藻油脂的生产方法，其特征在于步骤一所述的产油微藻为栅藻、小球藻、布朗葡萄藻、盐藻、空星藻或螺旋藻。
4.根据权利要求1所述的一种微藻油脂的生产方法，其特征在于步骤二控制生长环境的光照强度为120～250mmol·m-2·s-1，并通入二氧化碳与氮气的混合气，其中二氧化碳的体积浓度为2％～6％，调节生长温度为22～32℃先进行放大培养至培养液中的N含量下降到原始质量浓度10％以下的低N条件，然后在低N条件下继续放大培养7～12天。
5.根据权利要求1所述的一种微藻油脂的生产方法，其特征在于步骤三对微藻藻液进行离心收集，控制离心的转数为3000～10000rpm，离心时间1～5min。
6.根据权利要求1所述的一种微藻油脂的生产方法，其特征在于步骤三所述的破碎处理的方式为超声破碎、微珠球磨破碎、均质破碎或高温高压破碎。
7.根据权利要求6所述的一种微藻油脂的生产方法，其特征在于步骤三采用有机溶剂分散于不同破碎方式中进行藻体破碎同时萃取油脂。
8.根据权利要求7所述的一种微藻油脂的生产方法，其特征在于所述的有机溶剂为丙酮、正己烷、乙醚或乙腈。
9.根据权利要求1所述的一种微藻油脂的生产方法，其特征在于步骤三对藻渣进行冷冻干燥，研磨均匀，过100目～400目筛得到冻干藻渣。
10.应用如权利要求1所述的藻渣应用，其特征在于将冻干藻渣粉作为水体中污染物的吸附剂。
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