CN111500465A - 利用猪场沼液养殖微藻并充分利用以制备生物油的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用猪场沼液养殖微藻并充分利用以制备生物油的方法，利用猪场沼液制备5‑20%的微藻培养液，并将微藻接种至培养液中进行培养；猪场沼液培养的微藻与石英砂按一定质量比研磨，加入有机溶剂进行萃取，实现微藻油脂的提取和藻渣的制备；微藻油脂通过酯化反应制得生物油；藻渣在裂解装置中在惰性气体的氛围下在300‑800℃的范围下热解，再次制得生物油。本发明在现有猪粪沼气工程的基础上利用猪场沼液进行微藻的培养，既实现了猪场沼液的净化处理，又为积累了大量的生物质能源；通过在沼液中加入添加剂，实现微藻在沼液中可生长的生物量和油脂含量的提升；并通过微藻的充分利用，提升沼液和微藻的能源化潜力，一定程度缓解能源问题。

Description

利用猪场沼液养殖微藻并充分利用以制备生物油的方法
技术领域
本发明涉及畜禽粪便处理能源化领域，具体涉及一种利用猪场沼液养殖微藻并充分利用以制备生物油的方法。
背景技术
目前，随着社会的进步和科技的发展，人们的生活水平不断提高，日常饮食中肉类所占比例越来越高，猪肉是人们最喜欢食用的肉类之一。伴随着猪肉的需求越来越高，养猪业的规模不断扩大，伴随而来的是猪场产生的猪粪排放的迅速增加。对于猪粪的处理，一般通过沼气工程来处理，但是沼气工程将导致大量的沼液的产生，而沼液的运输和处理成本均较高，可以实现沼液消纳的土地有限，且沼液长期灌溉土地易导致土地盐碱化、重金属超标等问题。
随着传统化石能源的枯竭和日益严重的环境污染，寻找一种清洁可再生的能源已经成为研究的热点。生物质是一种产量丰富、成本低、污染低的可再生能源。微藻是生物质能源中十分重要的一种，具有生长周期短、适应性强、光合效率高、不占用耕地、易于大规模养殖等多种优势。微藻在废水中培养，可以利用其中的氮磷等营养元素，使微藻可以积累丰富的脂质、蛋白质、碳水化合物等，还可以实现废水的处理。微藻中所含的脂质可以通过有机溶剂萃取的方式提取出来，在通过酯化反应即可制得生物油。
微藻通常可以采用热裂解、热液化等方式转化成生物燃料，热裂解是微藻转化为生物质燃料的一种常用方法，这种方法要求的装置简单、易于操作、可与检测仪器相连直接对产生的生物燃料进行成分分析。通过热裂解技术，既可以对微藻整体进行生物燃料的转化也可以对提脂后的微藻残渣进行生物燃料的转化，但目前还没有解决以上问题的有效方法。
发明内容
针对猪场沼液的处理可能造成土地盐碱化、重金属超标和营养成分浪费，以及当前日益严重的能源问题，本发明提供了一种利用猪场沼液养殖微藻并充分利用以制备生物油的方法。
本发明利用猪场沼液养殖微藻并充分利用以制备生物油的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1) 利用猪场沼液进行微藻的培养：以猪场中收集的沼液制备微藻培养液，进行微藻的接种培养；
(2) 对培养的微藻进行油脂的提取，得到藻渣和微藻油脂；
(3) 微藻油脂进行酯化反应得到生物油；
(4) 藻渣进行快速热裂解：将藻渣放入热裂解装置中于300℃-800℃的条件下进行快速热解，对产物进行收集处理，再次得到生物油。
进一步地，步骤（1）中以猪场沼液为原料的培养液通过以下方式制备：猪场沼液以6000-10000r/min的速度离心10-20分钟，取上清液保存于0-5℃的冰箱中，在容器中将培养液原液与去离子水和添加剂以一定的比例制备成5-20%的微藻培养液。
进一步地，步骤（1）中的添加剂为柠檬酸铁铵、磷酸氢二钾和七水硫酸镁的混合试剂，其中柠檬酸铁铵、磷酸氢二钾和七水硫酸镁的添加量范围均在0.01-1g/L内；制备完成后的微藻培养液的主要成分为1-100mg/L的NH4 +-N、1-10mg/L的PO4 3-，其总的N元素含量在1-100mg/L，总P元素含量在1-10mg/L。
进一步地，步骤（1）中微藻的培养方法为：先将微藻培养液在100-130℃下灭菌1-60分钟，再将微藻接种到微藻培养液中在6000±100lux的光照强度，25±1℃的温度和光暗时间比14h：10h的光照周期下进行培养。
进一步地，所述微藻为链带藻。
进一步地，微藻在接种到培养液中养殖前应进行驯化培养，将处于对数生长期的藻种接种到培养液中，每隔5-20天，接入新的培养液中，总驯化时间在20天以上。
进一步的，微藻在培养液中应培养10天以上，培养后的微藻通过6000-10000r/min的离心方法进行采集，分离后的培养液可继续应用也可作为净化后的液体排放；微藻收集后置于-100--20℃的条件下冷冻干燥，存放于0-10℃的冰箱中备用。
进一步地，步骤（2）中生物油的提取和藻渣的制备方法：微藻与石英砂按一定的质量比（1：1-1：4）的比例研磨，加入氯仿、甲醇和水的以体积比1：2：0.8制得的混合有机溶剂完成油脂的初步提取和藻渣的制备，油脂的初步提取后利用旋转蒸发仪在真空条件下在61-100℃的条件下蒸发溶剂获得微藻油脂。
进一步地，步骤（4）所述的快速热裂解反应在惰性气体的氛围下在300-800℃下进行热解，气态产物用冷凝装置进行收集，得到生物油和不可凝气体，固体产物在裂解装置冷却后进行收集。
进一步地，藻渣在提完油后在-100--20℃下冷冻干燥24-48小时后，储存在0-5℃的冰箱中。
进一步地，惰性气体为1.0 mL/min恒流的He。
与现有技术相比，本发明提供的利用猪场沼液养殖微藻并充分利用以制备生物油的方法有益效果在于：
1.在本发明中，以微藻制备生物油为目的，从微藻培养的源头入手，与传统微藻的培养基不同，本发明中微藻的培养液选用猪场采集到的猪场沼液为原料，在不影响猪粪沼气工程的现有能源利用的基础上，既实现了猪场沼液的处理，又为积累了大量的生物质能源。较现有技术直接利用猪粪直接制备生物能源所能产生的能源更多，价值更高；较现有微藻制备生物油技术成本更低，对环境更为友好。本发明一方面缓解猪场沼液排放导致的土地的盐碱化、重金属超标等问题，实现沼液营养成分的充分利用、沼液的水循环净化和资源化利用。另一方面猪场沼液作为生物质积累的原料，原料普通、来源广泛、成本低、耗能低便于大规模养殖微藻制取生物油，具有极高的应用价值。
2.本发明中，在微藻培养液的制备过程中加入添加剂，对猪场沼液的成分进行调节，提升了微藻的生物量。并且在沼液制得的培养液中的微藻较BG11培养基中培养的微藻的油脂含量更高，进一步提升了能源化的效果。
3.本发明中，通过离心法收集培养微藻细胞，可以有效地将微藻培养之后的培养液作为净化液同微藻细胞分离，可再次用于微藻的培养液的制备，减少添加剂的用量降低沼液处理和微藻养殖成本。并且其中残余的微藻能够通过不断地迭代加强在沼液中生长的适应性，可以形成良性循环，不断地提升沼液的处理能力和微藻的产量，进而提升生物油的产量。
4.本发明中，藻渣的干燥采用真空冷冻干燥技术，较现有技术更好的维持了藻渣的理化性质，提升了藻渣的能源价值。
5.本发明中，各步骤的操作简便、设备需求低、耗时少、所需条件温和易实现、产物无废气、废水，是具有大规模工业化潜力的绿色环保工艺。
附图说明
图1为本发明所述利用猪场沼液养殖微藻并充分利用以制备生物油方法的流程图。
具体实施方式
为了更好地阐述本发明的内容，下面通过具体的实施例对本发明进行行验证。实施例只是为了更直观的解释本发明，本发明的保护范围并不限于实施例。
具体实施例如下：
实施例1
如图1所示，一种利用猪场沼液养殖微藻并充分利用以制备生物油的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用猪场沼液进行微藻的培养：
将从猪场取得的沼液以10000r/min的速度离心15分钟，取上清液保存于4℃的冰箱中备用。在容器中将培养液原液与去离子水和添加剂以一定的比例制备成10%的微藻培养液。微藻培养液中柠檬酸铁铵、磷酸氢二钾和七水硫酸镁的添加量分别为0.03g/L、0.13g/L、0.44g/L，培养液中含40.1mg/L的NH4 +-N、2.5mg/L的PO4 3-总的N元素含量为46mg/L，总P元素含量在2.7mg/L。将微藻培养液在120℃下灭菌20分钟，再将驯化培养后的链带藻接种到微藻培养液中在6100lux的光照强度，24℃的温度和光暗时间比14h：10h的光照周期下进行培养。
微藻在培养液中培养14天后，对培养液进行7000r/min的离心处理，下层沉淀的微藻细胞放置于-45℃的条件下进行冷冻干燥，存储在4℃的冰箱中备用；上层剩余的培养液可视为净化后的沼液排放或继续用于微藻在沼液中的培养。
(2)对已完成培养的微藻进行油脂的提取，得到藻渣和生物油：
培养的微藻与石英砂以1：3的质量比研磨，加入氯仿∶甲醇∶水的体积比为1∶2∶0.8的混合有机溶剂在振荡器上振荡20min、静置5min后以6000r/min进行离心，取上层提取液，对下层沉淀再重复操作2次后，将上层液体合并，加入氯仿和水调整混合液体中氯仿、甲醇和水的比例为1：1：1。将混合液体振荡后分层，取下层溶液加入旋转蒸发仪中，在真空65℃的条件下进行蒸发溶剂等操作，实现生物油的提取和藻渣的制备。经计算沼液培养的微藻细胞的油脂含量为18.70%，较BG11培养基培养的微藻细胞油脂含量16.3%高。
(3)微藻油脂通过酯化反应制得生物油；
(4) 对藻渣进行热解
将藻渣放入接有气相色谱-质谱连用仪的热裂解装置中通入1.0 mL/min的He，排空装置中的氧气，并于800℃的条件下进行快速热解，对产物进行收集分析处理，再次得到生物油。经检测，藻渣生物油产油率为36.61%。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，藻渣热解温度设置为700℃，藻渣样品生物油产油率为29.34%。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于，藻渣热解温度设置为600℃，藻渣样品生物油产油率为15.12%。
实施例4
本实施例与实施例1的区别在于，藻渣热解温度设置为400℃，藻渣样品生物油产油率为5.48%。
可以看出，猪场沼液经处理进行微藻的培养并进行充分利用以制备生物油是可实现的，具有可行性，通过猪场沼液培养的微藻提取油后的藻渣依然有较高的能源潜力，而且藻渣热解制得生物油的产量明显与热解的温度有关系，藻渣热解的温度越高，其生物油的生产率越高。
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，本领域技术人员不经过创造性劳动能做出的各种变动均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.利用猪场沼液养殖微藻并充分利用以制备生物油的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）利用猪场沼液进行微藻的培养：以猪场中收集的沼液制备微藻培养液，进行微藻的接种培养；
（2）对培养的微藻进行油脂的提取，得到藻渣和微藻油脂；
（3）微藻油脂进行酯化反应得到生物油；
（4）藻渣进行快速热裂解：将藻渣放入热裂解装置中于300℃-800℃的条件下进行快速热解，对产物进行收集处理，得到生物油。
2.根据权利要求1所述的利用猪场沼液养殖微藻并充分利用以制备生物油的方法，其特征在于，所述步骤（1）中以猪场沼液为原料的微藻培养液通过以下方式制备：猪场沼液以6000-10000r/min的速度离心10-20分钟，取上清液保存于0-5℃的冰箱中，在容器中将培养液原液与去离子水和添加剂以一定的比例制备成5-20%的微藻培养液。
3.根据权利要求1所述的利用猪场沼液养殖微藻并充分利用以制备生物油的方法，其特征在于，步骤（1）中微藻的接种培养方法为：先将微藻培养液在100-130℃下灭菌1-60分钟，再将微藻接种到微藻培养液中在6000±100lux的光照强度，25±1℃的温度和光暗时间比14h：10h的光照周期下进行培养。
4.根据权利要求1所述的利用猪场沼液养殖微藻并充分利用以制备生物油的方法，其特征在于，所述微藻为链带藻。
5.根据权利要求1所述的利用猪场沼液养殖微藻并充分利用以制备生物油的方法，其特征在于，步骤（2）中微藻油脂的提取和藻渣的制备方法：微藻与石英砂按一定的质量比（1：1-1：4）的比例研磨，加入氯仿、甲醇和水的以体积比1：2：0.8制得的混合有机溶剂完成油脂的初步提取和藻渣的制备，油脂初步提取后利用旋转蒸发仪在真空条件下在61-100℃的条件下蒸发溶剂获得微藻油脂。
6.根据权利要求1所述的利用猪场沼液养殖微藻并充分利用以制备生物油的方法，其特征在于，步骤（4）所述的快速热裂解反应在惰性气体的氛围下在300-800℃下进行热解，气态产物用冷凝装置进行收集，得到生物油和不可凝气体，固体产物在裂解装置冷却后进行收集。
7.根据权利要求2所述的利用猪场沼液养殖微藻并充分利用以制备生物油的方法，其特征在于，添加剂为柠檬酸铁铵、磷酸氢二钾和七水硫酸镁的混合试剂，其中柠檬酸铁铵、磷酸氢二钾和七水硫酸镁的添加量范围均在0.01-1g/L内；制备完成后的微藻培养液的主要成分为1-100mg/L的NH4 +-N、1-10mg/L的PO4 3-，其总的N元素含量在1-100mg/L，总P元素含量在1-10mg/L。
8.根据权利要求3所述的利用猪场沼液养殖微藻并充分利用以制备生物油的方法，其特征在于，微藻在培养液中应培养10天以上，培养后的微藻通过6000-10000r/min的离心方法进行采集，分离后的培养液可继续应用也可作为净化后的液体排放；微藻收集后置于-100--20℃的条件下冷冻干燥，存放于0-10℃的冰箱中备用。
9.根据权利要求5所述的利用猪场沼液养殖微藻并充分利用以制备生物油的方法，其特征在于，藻渣在提完油后在-100--20℃下冷冻干燥24-48小时后，储存在0-5℃的冰箱中备用。
10.根据权利要求6所述的利用猪场沼液养殖微藻并充分利用以制备生物油的方法，其特征在于，惰性气体为1.0 mL/min恒流的He。
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