CN110591919A - 一种利用厨余废水养殖微藻并制备生物油的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用厨余废水养殖微藻并制备生物油的方法，包括如下步骤：(1)制备厨余废水培养液并接种微藻进行养殖；(2)收集微藻并离心；(3)取离心后底部的微藻生物质与离心后的上清液混合形成固液比5～20g:30ml的微藻液；(4)微藻和上清液中厨余废水的醇类化合物、脂类化合物发生共水热反应；(5)用有机溶剂对冷却后的反应产物进行收集，过滤有机相，除去有机溶剂，得到最终产物生物油。本发明从生物油制备的源头展开，利用厨余废水养殖微藻、厨余废水与微藻共水热反应，将微藻养殖与生物油制备相结合起来，利用尽可能少的成本，尽可能循环的使用以降低生物油制备的成本，同时还能提高生物油的最终产率和热值。

Description

一种利用厨余废水养殖微藻并制备生物油的方法
技术领域
本发明属微藻生物燃料生产领域，具体涉及一种利用厨余废水养殖微藻并制备生物油的方法。
背景技术
目前，随着人民生活水平和经济的不断发展，人们对饮食的要求也发生了改变，多油多脂的食物获得了人们的大量喜爱。随之而来，如何处理餐后的厨余废水引起了广泛的关注。厨余废水俗称泔水，是餐饮消费过程后形成的生活废物，有着易腐烂、易变质、气味重和传播细菌的特点。但是厨余废水中也包含了很多优点，例如：有机物、蛋白质和纤维素的含量较高；含水量高，一般的厨余废水中含水率可达到70～95％之间；盐分含量高，厨余废水中含有大量的无机盐，可以为微藻生物质的生长提供必要的营养来源；大部分的厨余废水中含有易发酵的活性菌种。
厨余废水的处理和使用规范直接影响着人类的健康。由于厨余废水处理成本高昂，工艺复杂，有不少不法商家对厨余废水进行违规的再利用回收，不仅危害了环境，还会对生态带来破坏。
石油、柴油、汽油等属于不可再生能源，目前全球石化能源用量紧张，且造成巨大的环境空气污染，急需一种可再生能源作为替代。在所有的可再生能源中，生物质能以其高产量、低污染、二氧化碳零排放等诸多优点而成为争相研究的热点。其中微藻作为一种重要的可再生生物质能因其具有光合作用效率高、环境适应能力强、生长周期短，易于大规模养殖等诸多优点，而备受关注。
发明内容
针对直接排放厨余废水会污染水体，造成营养物质浪费，以及现有的能源用量紧张的问题，本发明提供了一种利用厨余废水养殖微藻并制备生物油的方法。
本发明利用厨余废水养殖微藻并制备生物油的方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)制备厨余废水培养液对微藻进行养殖；
(2)收集微藻，用离心机对微藻进行离心；
(3)取离心后底部的微藻生物质与含厨余废水的上清液混合形成固液比5～20g:30ml的微藻液；
(4)将制备后的微藻液放入反应釜进行水热液化反应：微藻和上清液中厨余废水的醇类化合物、脂类化合物发生共水热反应；
(5)反应结束并冷却后，用有机溶剂对反应产物进行收集，过滤有机相，除去有机溶剂，得到最终产物生物油。
进一步的，述步骤(1)中的厨余废水培养液通过以下方式制备：厨余废水进行了多次静置过滤并去除上表层油脂，厨余废水加入清水中作为培养基，培养基中厨余废水体积分数为0-20％，并调pH至7；所述微藻接种在培养基中，在波长680nm时初始吸光度值大于0.01。
进一步的，所述微藻为小球藻或斜生栅藻。
进一步的，所述微藻生长在100μmol m-2s-1的光照强度下，光照和黑暗时间比例为16:8h，黑暗时的温度为25±1℃。
进一步的，所述水热液化反应在惰性气体保护下进行，反应温度为250～400℃，反应时间20～50min。
进一步的，步骤(5)所述有机溶剂为二氯甲烷或三氯甲烷。
进一步的，步骤(5)将分离出的有机相放入烧瓶中，用旋转蒸发仪在40～60℃下进行旋蒸去除有机溶剂。
进一步的，步骤(3)中剩余的顶部上清液用于步骤(1)中的微藻养殖。
与现有技术相比，本发明提供的利用厨余废水养殖微藻并制备生物油的方法有益效果在于：
(1)在本发明中，从生物油制备的源头展开，利用厨余废水作为主要的营养来源，替代了传统的培养基，既可以节省了微藻的培养成本，还可以起到节能减排，起到了废物循环利用的效果。
(2)本发明中采用养殖微藻后的含厨余废水的上清液作为溶剂来和微藻一同水热液化反应，在反应过程中，厨余废水中的醇类化合物和脂类化合物与微藻起到共水热的作用。通过添加厨余废水和微藻共水热，能够增加生物油的产率，增加生物油中的烃类化合物，提高生物油的油品，促进生物油在实际生活中的应用。
(3)利用离心法收集，顶部上清液中仍会含有少量的微藻细胞在内，顶部上清液中的少量微藻细胞仍然会吸收顶部上清液中的营养物质，进行下一阶段的繁殖，形成第二轮生长；而离心后底部的微藻加上主要厨余废水中的物质，可以进行下一步水热液化使用。对微藻采用循环培养，可以进一步的降低培养基的成本投入，再一次提高了厨余废水的利用率。
虽然离心后的微藻生物质中仍带有少量的水分，但由于本发明采用厨余废水和微藻共水热的方法，生物质所含水分的成分与溶剂一致，将收集微藻与水热液化制油两个步骤相结合，可以省去生物质干燥的步骤。在现有的微藻制备生物油的研究中，微藻生物质干燥占据了其中30％左右的成本，这是遏制微藻生物油投入市场的主要因素之一，本发明节省了生物油制备的电能消耗成本，为后期大面积的投入市场提供了可能。
(4)利用厨余废水养殖微藻、厨余废水与微藻共水热反应，将微藻培育与生物油制备相结合起来，利用尽可能少的成本，尽可能循环的使用以降低生物油制备的成本。
附图说明
图1为本发明所述利用厨余废水养殖微藻并制备生物油的流程图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
图1为本发明所述利用厨余废水养殖微藻并制备生物油的流程图，具体的实施方式详见以下实施例：
实施例1
(1)制备厨余废水培养液
将取来的厨余废水先进行一次过滤，去除厨余废水中的大颗粒悬浮物与残渣，然后将过滤后的液体沉淀1小时后，取上层清液进行第二次过滤以保证除去液体中的大颗粒。再次沉淀静置1小时后，去除上表层油脂，避免微藻在浮油下缺氧导致生长效率降低，将处理好的厨余废水保存在3℃环境中备用。按照体积比为5％取厨余废水代替营养培养基添加到清水中，制备成1.2L的小球藻培养液，将制备好的小球藻培养液静置存放一天以去除水体中自带的氯离子，用NaOH或HCL来调节pH至7.0。
(2)小球藻的培养
取制备好的厨余废水培养液放入可见光分度计中，读数后置零，然后投入微藻原液，使得微藻在波长为680nm的初始吸光度值OD680为0.01，培养容器的表面光照强度为100μmolm-2s-1，光照和黑暗时间比为18:6h，黑暗时的温度为25℃，每隔一天测量一次OD680，在生长和数值稳定后，每天用可见光分度计记录小球藻的OD680，以监测小球藻的生长状况。
(3)小球藻的收集
待小球藻达到生长指数周期最后阶段时，对小球藻进行收集。采用离心法收集，利用大容量低速离心机对微藻进行离心收集，离心力为3000g，离心至固液分离，取出离心后的顶部上清液在室温下储存以备后续水热使用，加入生长完成的藻液重复离心操作，直至所有藻液离心收集完成。
(4)小球藻水热制备生物油
取离心后的小球藻生物质与储存的顶部上清液配备成固液比20g:30ml的小球藻液，将制备好的小球藻液投入到水热反应釜中，随后通入0.8L/min的惰性气体作为反应的载气保护气，通气时间为5分钟以排出釜内的空气，待空气排净后，对水热釜进行密封，并且检查气密性以确保密封效果。待水热反应准备工作完成之后，对水热反应釜进行升温，调定好升温程序，升温速率为10℃/min，最终温度为300℃，并保持最终温度反应45min。
(5)生物油的收集
待水热反应结束之后，打开通气阀排出釜内的气体，待内外气压达到平衡后打开反应釜。用有机溶剂二氯甲烷熔解反应釜内的生物油，取出溶液之后放在分液漏斗中静置10分钟，待其出现明显的分层现象后，分离有机相，用旋转蒸发仪在40℃下旋蒸除去有机溶剂二氯甲烷，即得到最终产物生物油。经测得，小球藻水热产油率为54.23％。
实施例2
(1)制备厨余废水培养液
将取来的厨余废水先进行一次过滤，去除厨余废水中的大颗粒悬浮物与残渣，然后将过滤后的液体沉淀3小时后，取上层清液进行第二次过滤以保证除去液体中的大颗粒。再次沉淀静置3小时后，去除上表层油脂，避免微藻在浮油下缺氧导致生长效率降低，保存在9℃环境中备用。按体积浓度为10％取厨余废水添加到清水中，制备成1.2L的斜生栅藻培养液，将制备好的斜生栅藻培养液静置存放一天以去除水体中自带的氯离子，用NaOH或HCL来调节pH至7.0。
(2)斜生栅藻的培养
取制备好的厨余废水培养液放入可见光分度计中，读数后置零，然后投入微藻原液，使得微藻在波长为680nm的初始吸光度值OD680为0.05，培养容器的表面光照强度为100μmolm-2s-1，光照和黑暗时间比为18:6h，黑暗时的温度为25℃，每隔一天测量一次OD680，在生长和数值稳定后，每天用可见光分度计记录斜生栅藻的OD680，以监测斜生栅藻的生长状况。
(3)斜生栅藻的收集
待斜生栅藻达到生长指数周期最后阶段时，就对斜生栅藻进行收集。采用离心法收集，利用大容量低速离心机对斜生栅藻进行离心收集，离心力为3000g，离心至固液分离，取出离心后的顶部上清液在室温下储存以备后续水热使用，加入生长完成的藻液重复离心操作，直至所有藻液离心收集完成。
(4)斜生栅藻水热制备生物油
取离心后的斜生栅藻生物质与储存的顶部上清液配备成固液比15g:30ml的斜生栅藻液，将制备好的斜生栅藻液投入到水热反应釜中，随后通入0.2L/min的惰性气体氮气作为反应的载气保护气，通气时间为20分钟以排出釜内的空气，待空气排净后，对水热釜进行密封，并且检查气密性以确保密封效果。待水热反应准备工作完成之后，对水热反应釜进行升温，调定好升温程序，升温速率为10℃/min，最终温度为280℃，并保持最终温度反应30min。
(5)生物油的收集
待水热反应结束之后，打开通气阀排出釜内的气体，待内外气压达到平衡后打开反应釜。用有机溶剂二氯甲烷或三氯甲烷熔解反应釜内的生物油，取出溶液之后放在分液漏斗中静置5～10分钟，待其出现明显的分层现象后，分离过滤出去有机相，用旋转蒸发仪在60℃下旋蒸除去有机溶剂二氯甲烷或三氯甲烷抽除，即得到最终产物生物油。经测得，斜生栅藻水热产油率为36.48％。
以实施例2中养殖的斜生栅藻为例，分别以离心上清液和清水为水热液化反应中的液相溶剂，对照说明本发明中用离心上清液中的醇类化合物和脂类化合物对水热液化反应的贡献。对照实验所制备的生物油中，烃类物质在生物油中的相对含量如表1所示：
表1微藻与不同溶剂水热反应产生的烃类化合物在生物油中相对含量
从表1可以看出，同样的固液比条件下，微藻与厨余废水共水热反应所产生的生物油中烃类化合物的相对含量高于清水与微藻水热液化反应产生的生物油中的烃类化合物。由此可以验证本发明中厨余废水和微藻共水热反应能够提高生物油的油品。即厨余废水中醇类化合物和脂类化合物可以与微藻在共水热液化时起到交互作用，提高了生物油产率，增加生物油中的烃类化合物，提高生物油的油品
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种利用厨余废水养殖微藻并制备生物油的方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)制备厨余废水培养液并接种微藻进行养殖；
(2)收集微藻，用离心机对微藻进行离心；
(3)取离心后底部的微藻生物质与含厨余废水的上清液混合形成固液比5～20g:30ml的微藻液；
(4)将制备后的微藻液放入反应釜进行水热液化反应：微藻和上清液中厨余废水的醇类化合物、脂类化合物发生共水热反应；
(5)反应结束并冷却后，用有机溶剂对反应产物进行收集，过滤有机相，除去有机溶剂，得到最终产物生物油。
2.根据权利要求1所述的利用厨余废水养殖微藻并制备生物油的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的厨余废水培养液通过以下方式制备：厨余废水进行了多次静置过滤并去除上表层油脂，厨余废水加入清水中作为培养基，培养基中厨余废水体积分数为0-20％，并调pH至7；所述微藻接种在培养基中，在波长680nm时初始吸光度值大于0.01。
3.根据权利要求1所述的利用厨余废水养殖微藻并制备生物油的方法，其特征在于，所述微藻为小球藻或斜生栅藻。
4.根据权利要求1所述的利用厨余废水养殖微藻并制备生物油的方法，其特征在于，步骤(1)中微藻的养殖条件为：在100μmolm-2s-1的光照强度下，光照和黑暗时间比例为16:8h，黑暗时的温度为25±1℃。
5.根据权利要求1所述的利用厨余废水养殖微藻并制备生物油的方法，其特征在于，所述水热液化反应在惰性气体保护下进行，反应温度为250～400℃，反应时间20～50min。
6.根据权利要求1所述的利用厨余废水养殖微藻并制备生物油的方法，其特征在于，步骤(5)中所述有机溶剂为二氯甲烷或三氯甲烷。
7.根据权利要求1所述的利用厨余废水养殖微藻并制备生物油的方法，其特征在于，步骤(5)中除去有机溶剂的方法为：将分离出的有机相放入烧瓶中，用旋转蒸发仪在40～60℃下进行旋蒸除去有机溶剂。
8.根据权利要求1所述的利用厨余废水养殖微藻并制备生物油的方法，其特征在于，步骤(3)中剩余的顶部上清液用于步骤(1)中的微藻养殖。
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