CN108192828B - 一种利用废物回收技术制备微藻培养基的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用废物回收技术制备微藻培养基的方法,属于微藻生物燃料生产领域;具体步骤为:在废水中培养微藻,培育成熟后,将微藻水装入离心机中进行离心,收集微藻;然后,通过三氯甲烷和甲醇溶液提取微藻油脂,得到无脂微藻生物质;将无脂微藻生物质进行水解、过滤,得到无脂藻类水解产物;从微藻中提取油脂,进行脂交换,得到废甘油;最后,将废水、无脂藻类水解产物和废甘油按一定比例混合,得到培养基;本发明制备的微藻培养基可以有效地增强脂质的生产,另一方面还可以降低生物柴油的制油成本,有效提高了生物柴油的产率。
Description
技术领域
本发明属于微藻生物燃料生产领域,具体涉及一种利用废物回收技术制备微藻培养基的方法,特别涉及用于增强作为生物柴油原料的微藻生产和脂质积累创新方法。
背景技术
目前,由于化石燃料存在数量有限和破坏生态环境等问题,再加上现在全球变暖越来越严重,因此许多科学家们都在寻找新的可再生能源来替代化石燃料。生物柴油被认为是世界上使用最广泛的燃料之一,生物柴油主要提炼自植物油,这就要利用大量的耕地面积,甚至有时制油过程中还需要利用到农作物,使得该技术在世界范围内广泛地不被人们认可。因此,降低生物柴油的成本,使用非食用的原料来取代化石燃料仍旧存在着极大的挑战性。近几年,微藻类生物燃料受到越来越多的关注,其中包括生物柴油、生物乙醇、生物油和生物制氢、合成气;相比较于陆生植物而言,微藻具有很多优点,例如光合效率较高、微藻的生长速度快、微藻对于烟气中的CO2也有很强的净化能力;同时,它的生长适应能力也很强,可以生活在不同的环境中,例如干旱地、海水或者污水。尽管如此,微藻生物质燃料生产的可持续性还面临着很多问题。
对于微藻的培养和加工来说,成本都是需要考虑和克服的主要问题;其中营养成本,尤其是微藻生长的必要无机元素:氮和磷占据了总成本中相当大的一部分;氮和磷主要来自矿物资源,而磷矿资源的自然储量非常有限,并且不会再生。目前市场上现有的微藻培养基大部分采用直接添加氮、磷等营养元素,导致了成本昂贵,产油的效果不明显等技术缺陷,不利于提高生物柴油的产率和脂质的积累作用。
当藻类中的油脂被处理和制备生物柴油之后,无脂藻类生物质仍然还有大量的可利用的营养,如碳水化合物、氮、磷以及其他微量元素。因此,通过在残留的无脂藻类水解物(LFAH)中回收营养物质可以减少藻类培养期间所需求的营养;另外,每生产100公斤生物柴油,可以产生约10千克的副产品——生物制油工业剩余废甘油(WG)。近年来,由于净化过程成本高,许多人更不愿意使用生物制油工业剩余废甘油,导致生物柴油工业生产的未经精炼的废甘油已成为潜在的环境污染物。
因此需要开发新技术以充分利用生物制油工业剩余废甘油以减少生物柴油的生产成本和对环境的影响,甚至可以直接从藻类生物柴油生产中将废甘油回收并用来增强油脂生产的有机碳源。
发明内容
本发明克服了现有微藻培养基制备过程中存在的成本昂贵,产油率低的缺点,介绍了一种利用废物回收技术制备微藻培养基的方法。
本发明制备的微藻培养基可以提高藻类生物的生产力,同时还可以通过废物回收利用的方式来提高油脂的产率。在本发明中发现,无脂藻类水解产物(LFAH)和废甘油(WG)分别增加了藻类的生长速率和油脂的积累,从而提高了油脂的生产力水平。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的。
一种利用废物回收技术制备微藻培养基的方法,包括如下步骤:
(1)微藻的培育与收集
(2)制备无脂微藻水解产物
首先从微藻中提取油脂,然后进行干燥,得到无脂微藻生物质,加入甲醇混合后形成混合物,无脂藻类生物质与甲醇的质量浓度比为1:3;加入硫酸,冷却,过滤,蒸发溶剂中的水分、干燥、研磨得到细粉,与NaOH溶液混合,搅拌、离心、中和、过滤后,得到的无脂微藻水解产物,储存备用;
(3)制备废甘油
通过使用甲醇钠法从微藻中提取脂质,然后进行酯交换,得到废甘油;
(4)制备微藻培养基
将步骤(2)的无脂微藻水解产物和步骤(3)的废甘油与废水混合,即可得到微藻培养基。
优选的,步骤(1)所述的微藻培育具体步骤是将微藻放在装有的废水的管状玻璃瓶中生长,光密度为680nm(OD680)0.30±0.04,并设置一定的光照强度和光照周期来培养微藻,然后将培养成熟的微藻进行离心收集。
优选的,所述的废水包括30~250 mg L-1 NH4Cl,400~420 mg L-1 MgSO4·7H2O,200~300 mg L-1 K2HPO4,100~230 mg L-1 NaNO3,100~160 mg L-1 Na2HPO4,100~160 mg L-1 NaCOOCH3,100~160 mg L-1 CaCl2.2H2O 和50~80 mg L-1 KH2PO4;所述废水的pH值为7.0。
优选的,所述的光照强度为100 µmol m-2 s-1,光照周期为18 h:6 h。
优选的,所述的离心条件为3000~4500g,10~20 min。
优选的,步骤(2)所述的所述的硫酸与混合物的体积比为1:100;所述的NaOH溶液浓度为1 mol/L,所述的细粉与NaOH溶液的质量体积比为1:10。
优选的,步骤(2)所述的水解时间为18~48 h;所述的储存条件为3.8~4.8℃。
优选的,步骤(3)所述的预处理方法是将废甘油和蒸馏水以体积比为1:4比例混合以降低粘度,添加2mol/L的HCl将混合物的pH调节至3.0,然后在3000~4500g下离心至分层。
优选的,步骤(4)所述的无脂微藻水解产物的添加量占培养基总体积的0~15%。
优选的,步骤(4)所述的废甘油的浓度为0~20 g L-1。
本发明的有益效果:
(1)本发明中的微藻培养基含有较低的粘度,是具有较好流动性的液体,液体呈现淡棕黄色。
(2)由于废甘油在制备生物柴油过程中的量比较大,不仅处理起来成本较高,还会对环境造成破坏,采用本发明,可以将生物柴油制备过程中产生的废弃物—废甘油(WG)再次利用,既可以保护环境不受到工业废弃物的污染,也可以提高微藻中生物质油脂的累积,进而达到提高生物柴油的产率的目的。
(3)本发明中采用了除去油脂后的藻类水解产物(LFAH),在该产物中,氮和磷的含量相对较高,这可以弥补微藻生长过程中所需要的大量氮和磷元素;采用藻类水解产物,可以大幅度地降低原本微藻生长所需的培养成本。
(4)本发明的微藻培养基,一方面可以有效地增强脂质的生产,另一方面还可以降低生物柴油的制油成本,有效提高了生物柴油的产率;本发明充分回收利用了废弃资源,迎合了我国目前可持续发展的战略方针。
附图说明
图1为利用废物回收技术提高生物柴油产率的微藻培养基的技术流程图。
图2为无脂藻类水解产物(LFAH)和废甘油(WG)的混合物对斜生栅藻生长指数周期A(20天)和固定期B(24天)的生物质生产力的影响;小写字母代表显著性差异分析(P≤0.05),WW为废水,LFAH为无脂藻类水解产物,其后的数字为无脂藻类水解产物占培养基总体积的百分比,单位为%;WG为废甘油,其后的数字为废甘油的浓度,单位为g L-1。
图3为无脂藻类水解产物(LFAH)和废甘油(WG)的混合物对斜生栅藻生长指数周期20天的生物质油脂含量和油脂生产力的影响;小写字母代表显著性差异分析(P≤0.05),WW为废水,LFAH为无脂藻类水解产物,其后的数字为无脂藻类水解产物占培养基总体积的百分比,单位为%;WG为废甘油,其后的数字为废甘油的浓度,单位为g L-1。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明进一步说明,但本发明的保护范围并不限于此。
将无脂藻类水解产物(LFAH)、废甘油(WG)以及废水(WW)的按不同比例混合成培养基;图2反映了培养基的不同配比情况所培育出的微藻表现出的生物质生产率,通过血细胞计数器每隔一天观察微藻的生长情况,在指数期(20天)和生长固定期(20~24天)结束时测量斜生栅藻的干重,并使用以下公式计算生物质生产力(g L-1d-1):
其中,DW末——生长指数周期末期的微藻干重重量;
CDW初——生长指数周期初期的微藻干重重量;
t末——生长指数周期末期的所需时间;
t初——生长指数周期初期的所需时间
图3反映了培养基的不同配比情况所培育出的微藻在生长指数周期末期的油脂含量和油脂生产力。先采用三氯甲烷:甲醇为2:1的混合溶液对产出的油脂进行脂质提取,将提取出的脂质放在预先称重好的玻璃瓶中,利用氩气进行干燥,然后将含有提取出来脂质物的玻璃瓶放入80℃的干燥箱内干燥30 min,然后在干燥的环境下冷却至室温,并且再次称重。使用以下的方程计算出体积脂质生产率:
其中,LC末——生长指数周期末期的油脂含量;
LC初——生长指数周期初期的油脂含量;
t末——生长指数周期末期的所需时间;
t初——生长指数周期初期的所需时间
实施例1:
(1)微藻的培育与收集
将微藻放在装有的废水的管状玻璃瓶中生长,初始光密度为680nm(OD680)0.30±0.04,废水的pH值为7.0,包括230 mg L-1 NH4Cl,400 mg L-1 MgSO4·7H2O,200 mg L-1K2HPO4,100 mg L-1 NaNO3,100 mg L-1 Na2HPO4,100 mg L-1 NaCOOCH3,100 mg L-1CaCl2.2H2O 和50 mg L-1 KH2PO4;然后用LED灯管(PHILIPS Master TL-D 85 W/840)照射培养物,培养容器的表面光照强度为100 µmol m-2 s-1,光照周期为18:6 h,黑暗时的温度为25℃;将培养的微藻采用离心机进行离心,3000g的离心力来离心藻水20 min,通过去除上层液体,获得底部的微藻。
(2)制备无脂微藻水解产物
首先,从微藻细胞中提取油脂,将微藻置于三氯甲烷和甲醇的混合溶液中进行溶剂萃取,三氯甲烷和甲醇的体积比为2:1;通过在溶剂中温育2 h,可以将油脂和藻类细胞分离,最后通过用氩气流蒸发来进一步除去溶剂;将去除油脂的无脂微藻进行干燥,得到无脂微藻生物质,加入甲醇混合后形成混合物,无脂藻类生物质与甲醇的质量浓度比例为1:3,在加热条件下加入硫酸,硫酸与混合物的体积比为1:100,将混合物冷却至室温,过滤,蒸发溶剂中的水分后形成了固体混合物,再将固体混合物进行干燥,为了制备无脂藻类水解产物,将干燥后的固体混合物研磨成细粉,加入到1 mol/LNaOH溶液中形成混合物,细粉与NaOH溶液的质量体积比为1:10;将混合物在室温并且在碱性的条件下水解24h,搅拌充分后,将藻类水解产物离心直至除去大颗粒,通过2mol/L的HCl将上层的无脂藻类水解产物中和至pH为7.0,最后将过滤后的无脂藻类水解产物LFAH储存在3.8℃的环境中备用;
(3)制备废甘油
通过使用甲醇钠法从藻类提取脂质,随后进行酯交换,从而得到废甘油;
(4)制备微藻培养基
将斜生栅藻放在装有350mL培养基的管状玻璃瓶中培育,其中无脂微藻水解产物的添加量占培养基总量的0%,废甘油的浓度为0 g L-1,通过血细胞计数器每隔一天观察微藻的生长情况,在指数期(20天)结束时测量斜生栅藻的干重,并使用公式计算得出生物质生产力为0.19 g-1 d-1,然后对斜生栅藻进行脂质提取,使用公式计算得出油脂生产力为37.53 mg L-1 d-1。
实施例2:
(1)微藻的培育与收集
将微藻放在装有的废水的管状玻璃瓶中生长,初始光密度为680nm(OD680)0.30±0.04,通过测验,废水的pH值为7.0,并由250 mg L-1 NH4Cl, 420 mg L-1 MgSO4·7H2O, 300mg L-1 K2HPO4,230 mg L-1 NaNO3,160 mg L-1 Na2HPO4,160 mg L-1 NaCOOCH3,160 mg L-1CaCl2.2H2O 和80 mg L-1 KH2PO4组成;然后把LED灯管(PHILIPS Master TL-D 85 W/840)照射培养物,培养容器的表面光照强度为100 µmol m-2 s-1,光照周期为18:6 h,黑暗时的温度为26℃;将培养的微藻采用离心机进行离心,4000g的离心力来离心藻水15 min,通过去除上层液体,获得底部的微藻。
(2)制备无脂微藻水解产物
首先,从微藻细胞中提取油脂,将微藻置于三氯甲烷和甲醇的混合溶液中进行溶剂萃取,三氯甲烷和甲醇的体积比为2:1;通过在溶剂中温育4 h,可以将油脂和藻类细胞分离,最后通过用氩气流蒸发来进一步除去溶剂;将去除油脂的无脂微藻进行干燥,将剩余的无脂微藻水解产物进行干燥,得到无脂微藻生物质,加入甲醇混合后形成混合物,无脂藻类生物质与甲醇的质量浓度比例为1:3,在加热条件下加入硫酸,硫酸与混合物的体积比为1:100,将混合物冷却至室温,过滤,蒸发溶剂中的水分后形成了固体混合物,再将固体混合物进行干燥,为了制备无脂藻类水解产物,将干燥后的固体混合物研磨成细粉,加入到1 mol/L的NaOH溶液中形成混合物,细粉与NaOH溶液的质量体积比为1:10;将混合物在室温并且在碱性的条件下水解18h,搅拌充分后,将藻类水解产物离心直至除去大颗粒,通过2mol/L的HCl将上层的无脂藻类水解产物中和至pH为7.0,最后将过滤后的无脂藻类水解产物LFAH储存在4℃的环境中备用;
(3)制备废甘油
通过使用甲醇钠法从藻类提取脂质,随后进行酯交换,从而得到废甘油;
(4)制备微藻培养基
将斜生栅藻放在装有350mL培养基的管状玻璃瓶中培育,其中无脂微藻水解产物的添加量占培养基总量的5%,废甘油的浓度为5 g L-1,通过血细胞计数器每隔一天观察微藻的生长情况,在指数期(20天)结束时测量斜生栅藻的干重,并使用公式计算得出生物质生产力为0.196 g-1 d-1,然后对斜生栅藻进行脂质提取,使用公式计算得出油脂生产力为43.047 mg L-1 d-1。
实施例3:
(1)微藻的培育与收集
将微藻放在装有的废水的管状玻璃瓶中生长,初始光密度为680nm(OD680)0.30±0.04,通过测验,废水的pH值为7.0,并由240 mg L-1 NH4Cl,410 mg L-1 MgSO4·7H2O,250 mgL-1 K2HPO4,200 mg L-1 NaNO3,120 mg L-1 Na2HPO4,120 mg L-1 NaCOOCH3,120 mg L-1CaCl2.2H2O 和,60 mg L-1 KH2PO4组成,分别测试无脂藻类水解产物(LFAH)和废甘油(WG)混合废水培育微藻的效果。然后把LED灯管(PHILIPS Master TL-D 85 W/840)照射培养物,培养容器的表面光照强度为100 µmol m-2 s-1,光照周期为18:6h,黑暗时的温度为25±1℃;
将培养的微藻采用离心机进行离心,4500g的离心力来离心藻水10 min,通过去除上层液体,获得底部的微藻。
(2)制备无脂微藻水解产物
首先,从微藻细胞中提取油脂,将微藻置于三氯甲烷和甲醇的混合溶液中进行溶剂萃取,三氯甲烷和甲醇的体积比为2:1;通过在溶剂中温育6 h,可以将油脂和藻类细胞分离,最后通过用氩气流蒸发来进一步除去溶剂;将去除油脂的无脂微藻进行干燥,将剩余的无脂微藻水解产物进行干燥,得到无脂微藻生物质,加入甲醇混合后形成混合物,无脂藻类生物质与甲醇的质量浓度比例为1:3,在加热条件下加入硫酸,硫酸与混合物的体积比为1:100,将混合物冷却至室温,过滤,蒸发溶剂中的水分后形成了固体混合物,再将固体混合物进行干燥,为了制备无脂藻类水解产物,将干燥后的固体混合物研磨成细粉,加入到1 mol/LNaOH溶液中形成混合物,细粉与NaOH溶液的质量体积比为1:10;将混合物在室温并且在碱性的条件下水解48h,搅拌充分后,将藻类水解产物离心直至除去大颗粒,通过2mol/L的HCl将上层的无脂藻类水解产物中和至pH为7.0,最后将过滤后的无脂藻类水解产物LFAH储存在4.8℃的环境中备用;
(3)制备废甘油
通过使用甲醇钠法从藻类提取脂质,随后进行酯交换,从而得到废甘油;
(4)制备微藻培养基
将斜生栅藻放在装有350mL培养基的管状玻璃瓶中培育,其中无脂微藻水解产物的添加量占培养基总量的5%,废甘油的浓度为10 g L-1,通过血细胞计数器每隔一天观察微藻的生长情况,在指数期(20天)结束时测量斜生栅藻的干重,并使用公式计算得出生物质生产力为0.197 g-1 d-1,然后对斜生栅藻进行脂质提取,使用公式计算得出油脂生产力为45.888 mg L-1 d-1。
实施例4:
步骤(1)-(3)同实施例1;将斜生栅藻放在装有350mL培养基的管状玻璃瓶中培育,其中无脂微藻水解产物的添加量占培养基总量的5%,废甘油的浓度为20 g L-1,通过血细胞计数器每隔一天观察微藻的生长情况,在指数期(20天)结束时测量斜生栅藻的干重,并使用公式计算得出生物质生产力为0.201 g-1 d-1,然后对斜生栅藻进行脂质提取,使用公式计算得出油脂生产力为49.136 mg L-1 d-1。
实施例5:
步骤(1)-(3)同实施例1;将斜生栅藻放在装有350mL培养基的管状玻璃瓶中培育,其中无脂微藻水解产物的添加量占培养基总量的10%,废甘油的浓度为5 g L-1,通过血细胞计数器每隔一天观察微藻的生长情况,在指数期(20天)结束时测量斜生栅藻的干重,并使用公式计算得出生物质生产力为0.213 g-1 d-1,然后对斜生栅藻进行脂质提取,使用公式计算得出油脂生产力为48.005 mg L-1 d-1。
实施例6:
步骤(1)-(3)同实施例1;将斜生栅藻放在装有350mL培养基的管状玻璃瓶中培育,其中无脂微藻水解产物的添加量占培养基总量的10%,废甘油的浓度为10 g L-1,通过血细胞计数器每隔一天观察微藻的生长情况,在指数期(20天)结束时测量斜生栅藻的干重,并使用公式计算得出生物质生产力为0.23 g-1 d-1,然后对斜生栅藻进行脂质提取,使用公式计算得出油脂生产力为55.047 mg L-1 d-1。
实施例7:
步骤(1)-(3)同实施例1;将斜生栅藻放在装有350mL培养基的管状玻璃瓶中培育,其中无脂微藻水解产物的添加量占培养基总量的10%,废甘油的浓度为20 g L-1,通过血细胞计数器每隔一天观察微藻的生长情况,在指数期(20天)结束时测量斜生栅藻的干重,并使用公式计算得出生物质生产力为0.223 g-1 d-1,然后对斜生栅藻进行脂质提取,使用公式计算得出油脂生产力为55.244 mg L-1 d-1。
实施例8:
步骤(1)-(3)同实施例1;将斜生栅藻放在装有350mL培养基的管状玻璃瓶中培育,其中无脂微藻水解产物的添加量占培养基总量的15%,废甘油的浓度为5 g L-1,通过血细胞计数器每隔一天观察微藻的生长情况,在指数期(20天)结束时测量斜生栅藻的干重,并使用公式计算得出生物质生产力为0.242 g-1 d-1,然后对斜生栅藻进行脂质提取,使用公式计算得出油脂生产力为53.622 mg L-1 d-1。
实施例9:
步骤(1)-(3)同实施例1;将斜生栅藻放在装有350mL培养基的管状玻璃瓶中培育,其中无脂微藻水解产物的添加量占培养基总量的15%,废甘油的浓度为10 g L-1,通过血细胞计数器每隔一天观察微藻的生长情况,在指数期(20天)结束时测量斜生栅藻的干重,并使用公式计算得出生物质生产力为0.248 g-1 d-1,然后对斜生栅藻进行脂质提取,使用公式计算得出油脂生产力为59.66 mg L-1 d-1。
实施例10:
步骤(1)-(3)同实施例1;将斜生栅藻放在装有350mL培养基的管状玻璃瓶中培育,其中无脂微藻水解产物的添加量占培养基总量的15%,废甘油的浓度为20 g L-1,通过血细胞计数器每隔一天观察微藻的生长情况,在指数期(20天)结束时测量斜生栅藻的干重,并使用公式计算得出生物质生产力为0.245 g-1 d-1,然后对斜生栅藻进行脂质提取,使用公式计算得出油脂生产力为60.77 mg L-1 d-1。
综合上述实施例,浓度为15%的无脂藻类水解产物、10 g L-1的废甘油以及废水所制成的培养基效果最好,既可以提高生物质生产力,也可以提高油脂生产力。上述的实施方法仅仅用于证明本发明,并不局限于本发明。当废甘油和无脂藻类水解产物联合使用时,由于无脂藻类水解产物中的营养物质的浓度较高,因此细胞就可以大量繁殖,这就体现出了更高的生物质生产力;但是,脂质的积累是因为运用到了废甘油,通过本发明,可以将生物柴油制备过程中产生的废弃物再利用,进而提高生物质油脂的产率。
虽然已经结合特定实施例给出了本发明的某些优点,但是本发明的许多优点还可以在其他配置中实现;本领域的技术人员应当理解,本发明可以修改和采用,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (2)
1.一种利用废物回收技术制备微藻培养基的方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)微藻的培育与收集:将微藻放在装有废水的管状玻璃瓶中生长,OD680为0.30±0.04,并设置一定的光照强度和光照周期来培养微藻,然后将培养成熟的微藻进行离心收集;所述的光照强度为100 µmol.m-2. s-1,光照周期为18 h:6 h;所述的离心条件为3000~4500g、10~20 min;
(2)制备无脂微藻水解产物
首先从微藻中提取油脂,然后进行干燥,得到无脂微藻生物质,加入甲醇混合后形成混合物,无脂藻类生物质与甲醇的质量浓度比为1:3;加入硫酸,冷却,过滤,蒸发溶剂中的水分、干燥、研磨得到细粉,与NaOH溶液混合,搅拌、离心、中和、过滤后,得到的无脂微藻水解产物,储存备用;所述的硫酸与混合物的体积比为1:100;所述的NaOH溶液浓度为1 mol/L,所述的细粉与NaOH溶液的质量体积比为1:10;所述细粉与NaOH溶液混合后反应的时间为18-48h;所述的储存条件为3.8-4.8℃;
(3)制备废甘油
通过使用甲醇钠法从微藻中提取脂质,然后进行酯交换,得到废甘油;
(4)制备微藻培养基
将步骤(2)的无脂微藻水解产物和步骤(3)的废甘油与废水混合,即可得到微藻培养基;所述的无脂微藻水解产物的添加量占培养基总体积的5%~15%;所述的废甘油的浓度为5~20 g·L-1;
所述的微藻为斜生栅藻。
2. 根据权利要求1所述的一种利用废物回收技术制备微藻培养基的方法,其特征在于,所述的废水包括30~250 mg·L-1 NH4Cl,400~420 mg·L-1 MgSO4·7H2O,200~300 mg·L-1K2HPO4,100~230 mg·L-1 NaNO3,100~160 mg·L-1 Na2HPO4,100~160 mg·L-1 CH3COONa,100~160 mg·L-1 CaCl2·2H2O 和50~80 mg·L-1 KH2PO4;所述废水的pH值为7.0。
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