CN112725184B - 一种净化烟气并生产微藻油脂的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种净化烟气并生产微藻油脂的方法，将凯氏拟小球藻FSH‑Y3或/和斜生栅藻FSH‑Y2接种到光生物反应器培养基中，并通入CO2进行光暗交替培养；然后接种栅藻HY‑D3和小球藻SF‑B1进行混合培养，通入烟气在连续光照下培养至稳定期，收获微藻细胞。本发明方法能够净化烟气中SOx、NOx，并且获得的生物质含有更多的油脂含量。
Description
技术领域
本发明属于生物质能源领域，具体涉及一种净化烟气并生产微藻油脂的方法。
背景技术
在诸多生物质能源中，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。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，某些微藻具有SOx、NOx 耐受性和脱除能力，废气中SOx、NOx会随着微藻的代谢被净化处理，有效减少有害气体排放。
CN104611228A公开了一种富含油脂的单针藻（Monoraphidiumsp.）SS-B1，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。但是，该藻株脱除SO2的能力有限。
CN109576315A公开了一种利用烟气生产微藻油脂的方法，首先将微藻培养基与凯氏拟小球藻FSH-Y3或/和斜生栅藻FSH-Y2种子液加入到光生物反应器中，调节pH为10～12，并通入CO2含量为1v%～5v%的烟气，培养一定时间；然后调节pH值为8～10，接入小球藻SF-B1种子液，同时接入栅藻MH-04种子液、单针藻SS-B1种子液中至少一种，进行混合培养，并通入CO2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。该方法提高了对烟气中SOx、NOx的耐受性，可以净化烟气，NOx的脱除率可以达到80%以上，但是SOx的去除效果有限。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种净化烟气并生产微藻油脂的方法。本发明方法可以净化烟气中SOx、NOx，而且提高了微藻的油脂含量。
本发明净化烟气并生产微藻油脂的方法，包括如下步骤：
（1）将凯氏拟小球藻FSH-Y3或/和斜生栅藻FSH-Y2接种到光生物反应器的微藻培养基中，调节pH为10～12，并通入CO2光暗交替培养1-3天；
（2）调节培养体系的pH为8～10，接入栅藻HY-D3和小球藻SF-B1进行混合培养，通入的烟气中CO2体积含量为5v%～45v%，SO2体积含量不超过0.06%，NOx体积含量不超过0.08%，在连续光照条件下培养至稳定期，收获微藻细胞。
其中所述的栅藻（Scenedesmus acutus）HY-D3的保藏编号为CGMCC No. 15298；小球藻（Chlorella sp.）SF-B1的保藏编号为CGMCC No.11005；凯氏拟小球藻（Parachlorella kessleri）FSH-Y3的保藏编号为CGMCC No. 9238；斜生栅藻（Scenedesmus obliqnus）FSH-Y2的保藏编号为CGMCC No. 6551。
本发明中，所述的凯氏拟小球藻（Parachlorella kessleri）FSH-Y3，已经于2014年5月26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.9238，保藏地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号中国科学院微生物研究所。FSH-Y3在CN106467896A中已申请公开，并提交了保藏及存活证明。
本发明中，所述的斜生栅藻（Scenedesmus obliqnus）FSH-Y2，已经于2012年9月11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，保藏地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号中国科学院微生物研究所。FSH-Y2在CN104611227A中已申请公开，并提交了保藏及存活证明。
本发明中，所述的栅藻（Scenedesmus acutus）HY-D3，已经于2018年2月5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. 15298。保藏地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号中国科学院微生物研究所。
本发明中，所述的小球藻（Chlorellasp.）SF-B1，已经于2015年7月6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CGMCC No.11005，保藏地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号中国科学院微生物研究所。SF-B1在CN109576158A中已申请公开，并提交了保藏及存活证明。
本发明中，步骤（1）所述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。
本发明中，步骤（1）所述凯氏拟小球藻FSH-Y3、斜生栅藻FSH-Y2种子液的制备方法为：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。
本发明中，步骤（1）光生物反应器中加入的凯氏拟小球藻FSH-Y3或/和斜生栅藻FSH-Y2种子液与微藻培养基的体积比1:20～1:5。当同时含两种微藻时，凯氏拟小球藻FSH-Y3和斜生栅藻FSH-Y2种子液的体积比为5:1-1:5。
本发明中，步骤（1）培养条件为：通入CO2体积含量为1%～5%，温度为20～35℃，光照周期为24h，光暗时间比为14:10，光照强度为2000～6000Lux。
本发明中，步骤（2）栅藻HY-D3种子液、小球藻SF-B1种子液的制备方法为：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不超过培养基总体积的30%，优选10%～25%。其中凯氏拟小球藻FSH-Y3或/和斜生栅藻FSH-Y2、栅藻HY-D3、小球藻SF-B1三者的体积比为1:6:6～4:1:1。
本发明中，所述的烟气来源于S-zorb再生尾气、硫磺回收装置焚烧尾气、催化裂化再生尾气等中的至少一种。优选的，烟气中CO2体积含量为10%～30%，SO2体积含量为0.005%～0.06%，NOx体积含量为0.005%～0.08%。
本发明中，步骤（2）混合培养的温度为20～35℃，光照强度在步骤（1）基础上增加为5000～20000Lux，培养至生长稳定期结束。
本发明中，步骤（2）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12.5g/L以上，油脂含量可达到细胞干重的47%以上。
与现有技术相比，本发明可以带来以下有益效果：
（1）本发明混合培养体系能够高效净化烟气，净化后烟气中，CO2脱除率为53%以上，SO2脱除率为92%以上，NOx脱除率为80%以上。
（2）本发明在HY-D3和SF-B1培养前首先对可耐受高pH环境的凯氏拟小球藻FSH-Y3或/和斜生栅藻FSH-Y2进行培养，使HY-D3和SF-B1快速适应混合培养体系，缩短培养周期。
（3）能够耐受高pH的凯氏拟小球藻FSH-Y3或/和斜生栅藻FSH-Y2培养1-3天后降低pH，再加入HY-D3和SF-B1进行连续光照培养，三类微藻互相配合，获得的生物质含有更多的油脂含量。
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。实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为本领域常规方法。下述实施例中所用的实验材料，如无特殊说明，均从常规生化试剂商店购买得到。
本发明中，气体中CO2、SO2、NOX浓度采用烟气分析仪检测。
气体脱除率=（反应器进口的气体浓度-反应器出口气体浓度）/反应器进口气体浓度×100%。
本发明所述栅藻HY-D3是发明人分离筛选出的新藻种，保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心；地址：北京市朝阳区北辰西路1号院3号中国科学院微生物研究所；保藏编号：CGMCC No. 15298；保藏日期：2018年2月5日。
本发明采用BG11培养基，培养基配方如表1和表2所示。
表1 BG11培养基
*表2 表1中A5+Co solution的组成
首先按照表1和表2制备BG11液体培养基，将培养凯氏拟小球藻FSH-Y3、斜生栅藻FSH-Y2的培养基的pH调节为10，将培养栅藻HY-D3、小球藻SF-B1的培养基的pH调节为8.0，然后将凯氏拟小球藻FSH-Y3、斜生栅藻FSH-Y2、栅藻HY-D3、小球藻SF-B1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，光照强度为5000Lux，120rpm振荡培养至对数生长期，获得凯氏拟小球藻FSH-Y3种子液、斜生栅藻FSH-Y2种子液、栅藻HY-D3种子液、小球藻SF-B1种子液，将上述种子液在15℃弱光下保存备用。
实施例1
（1）在20L光生物反应器中，加入400mL凯氏拟小球藻FSH-Y3种子液和8L微藻培养基，调节体系pH值为10，培养的光照强度为5000Lux，培养温度为25℃，光照周期为24h，光暗时间比为14:10，通入烟气中CO2的体积含量为5%，NO体积含量为0.005%，SO2体积含量为0.006%。
（2）培养2天后，调节培养体系的pH为8，接入400mL栅藻HY-D3种子液和400mL小球藻SF-B1种子液进行混合培养，连续光照培养，光照强度为5000Lux；通入烟气中CO2的体积含量为40%，NO体积含量为0.08%，SO2体积含量为0.06%。
（3）培养6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12.8g/L，油脂含量为细胞干重的47.6%。经检测和计算，CO2脱除率为53.1%，SO2脱除率为93.3%，NO脱除率为82.9%。
实施例2
（1）在20L光生物反应器中，加入800mL凯氏拟小球藻FSH-Y3种子液和8L微藻培养基，调节体系pH值为12，培养的光照强度为5000Lux，培养温度为25℃，光照周期为24h，光暗时间比为14:10，通入烟气中CO2的体积含量为5%，NO体积含量为0.008%，SO2体积含量为0.01%。
（2）培养2天后，调节培养体系的pH为9，接入560mL栅藻HY-D3种子液和560mL小球藻SF-B1的种子液进行混合培养，连续光照培养，光照强度为5000Lux；通入烟气中CO2的体积含量为40%，NO体积含量为0.08%，SO2体积含量为0.06%。
（3）培养6天后进入稳定期，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，细胞干重可达到13.1g/L，油脂含量为细胞干重的47.9%。经检测和计算，CO2脱除率为53.6%，SO2脱除率为93.8%，NO脱除率为83.7%。
实施例3
（1）在20L光生物反应器中，加入800mL凯氏拟小球藻FSH-Y3种子液和8L微藻培养基，调节体系pH值为12，培养的光照强度为5000Lux，培养温度为25℃，光照周期为24h，光暗时间比为14:10，通入烟气中CO2的体含量为5%，NO体积含量为0.008%，SO2体积含量为0.01%。
（2）培养1天后，调节培养体系的pH为9，接入560mL栅藻HY-D3种子液和560mL小球藻SF-B1种子液进行混合培养，连续光照培养，光照强度为5000Lux；通入烟气中CO2的体积含量为40%，NO体积含量为0.08%，SO2体积含量为0.06%。
（3）培养6天后进入稳定期，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，细胞干重可达到12.6g/L，油脂含量为细胞干重的47.1%。经检测和计算，CO2脱除率为53.0%，SO2脱除率为93.1%，NOx脱除率为82.5%。
实施例4
采用与实施例1相同的培养过程和培养条件，不同在于：步骤（1）采用斜生栅藻FSH-Y2种子液代替凯氏拟小球藻FSH-Y3种子液。经检测细胞干重可达到12.6g/L，油脂含量为细胞干重的47.3%，CO2脱除率为52.8%，SO2脱除率为93.0%，NOx脱除率为82.0%。
实施例5
采用与实施例1相同的培养过程和培养条件，不同在于：步骤（1）加入凯氏拟小球藻FSH-Y3种子液200mL，加入斜生栅藻FSH-Y2种子液200mL。细胞干重可达到12.7g/L，油脂含量为细胞干重的47.4%， CO2脱除率为53.0%，SO2脱除率为93.1%，NOx脱除率为82.3%。
实施例6
采用与实施例1相同的培养过程和培养条件，不同在于：步骤（2）培养的光照强度提高为10000Lux。细胞干重可达到13.0g/L，油脂含量为细胞干重的47.9%，培养过程中CO2脱除率为53.2%，SO2脱除率为93.9%，NOx脱除率为83.5%。
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-Y3种子液、栅藻HY-D3种子液和小球藻SF-B1种子液在培养起始一起加入反应器中，采用步骤（1）的培养条件。培养结束后，细胞干重为8.0g/L，油脂含量为细胞干重的36.2%，CO2脱除率为69.9%，SO2脱除率为80.9%，NOx脱除率为75.3%。
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：FSH-Y3种子液、栅藻HY-D3种子液和小球藻SF-B1的种子液在培养起始一起加入反应器中，采用步骤（2）的培养条件。培养结束后，细胞干重可为9.5g/L，油脂含量为细胞干重的40.2%，CO2脱除率为49.1%，SO2脱除率为81.6%，NOx脱除率为78.1%。
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：采用CN105713836A所述的纤维藻SS-B7，保藏编号CGMCCNo.7478代替小球藻SF-B1。细胞干重可达到11.9g/L，油脂含量为细胞干重的45.6%，CO2脱除率为51.1%，SO2脱除率为85.2%，NOx脱除率为20.1%。
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：采用CN106467897A所述的栅藻MH-04，保藏编号CGMCCNo.10764代替栅藻HY-D3。细胞干重可达到12.1g/L，油脂含量为细胞干重的46.1%，CO2脱除率为51.1%，SO2脱除率为62.2%，NOx脱除率为78.3%。
比较例5
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：采用CN104611228A所述的单针藻SS-B1，保藏编号CGMCCNo.7479代替栅藻HY-D3。细胞干重可达到10.6g/L，油脂含量为细胞干重的44.1%，CO2脱除率为50.9%，SO2脱除率为64.9%，NOx脱除率为78.9%。
Claims (12)
1.一种净化烟气并生产微藻油脂的方法，其特征在于包括如下步骤：（1）将凯氏拟小球藻FSH-Y3或/和斜生栅藻FSH-Y2接种到光生物反应器的微藻培养基中，调节pH为10～12，并通入含CO2的烟气，烟气中CO2体积含量为1%～5%，光暗交替培养1-3天；（2）调节培养体系pH为8～10，接种栅藻HY-D3和小球藻SF-B1进行混合培养，通入的烟气中CO2体积含量为5%～45%，SO2体积含量不超过0.06%，NOx体积含量不超过0.08%，在连续光照条件下培养至稳定期，收获微藻细胞；其中所述的栅藻HY-D3的保藏编号为CGMCC No. 15298；小球藻SF-B1的保藏编号为CGMCC No.11005；凯氏拟小球藻FSH-Y3的保藏编号为CGMCC No. 9238；斜生栅藻FSH-Y2的保藏编号为CGMCC No. 6551。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）所述微藻培养基采用BG11、SE、BBM培养微藻的液体培养基。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）所述凯氏拟小球藻FSH-Y3、斜生栅藻FSH-Y2种子液的制备方法为：将培养基pH调节为10～12，在温度20～30℃，光照周期为24h，光暗时间比为14:10，光照强度为2000～10000Lux条件下，振荡培养至对数生长期。
4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于：步骤（1）光生物反应器中接种的凯氏拟小球藻FSH-Y3或/和斜生栅藻FSH-Y2种子液与微藻培养基的体积比1:20～1:5。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：当同时含两种微藻时，凯氏拟小球藻FSH-Y3和斜生栅藻FSH-Y2种子液的体积比为5:1-1:5。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）培养条件为：温度为20～35℃，光照周期为24h，光暗时间比为14:10，光照强度为2000～6000Lux。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（2）栅藻HY-D3种子液、小球藻SF-B1种子液的制备方法为：将培养基的pH调节为7～9，在温度20～30℃，光照周期为24h，光暗时间比为14:10，光照强度为2000～10000Lux条件下，振荡培养至对数生长期。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：凯氏拟小球藻FSH-Y3、栅藻HY-D3、小球藻SF-B1三者接种的种子液体积比为1:6:6～4:1:1；或斜生栅藻FSH-Y2、栅藻HY-D3、小球藻SF-B1三者接种的种子液体积比为1:6:6～4:1:1；或凯氏拟小球藻FSH-Y3、斜生栅藻FSH-Y2、栅藻HY-D3、小球藻SF-B1四者接种的种子液体积比为1:1:2:2。
9.根据权利要求1或8所述的方法，其特征在于：控制微藻种子液的总接种量不超过培养基总体积的30%。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的烟气来源于S-zorb再生尾气、硫磺回收装置焚烧尾气、催化裂化再生尾气中的至少一种。
11.根据权利要求1或10所述的方法，其特征在于：步骤（2）烟气中CO2体积含量为10%～30%，SO2体积含量为0.005%～0.06%，NOx体积含量为0.005%～0.08%。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（2）混合培养的温度为20～35℃，光照强度在步骤（1）基础上增加为5000～20000Lux，培养至生长稳定期结束。
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