CN115433744A - 一种利用剩余污泥培养微藻生产生物柴油的方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用剩余污泥培养微藻生产生物柴油的方法，本发明属于微藻生物技术领域，具体涉及一种利用剩余污泥培养微藻生产生物柴油的方法。本发明要解决目前剩余污泥利用率低的技术问题。本发明对剩余污泥进行预处理，利用高压均质机进行高压破碎，通过离心取上清作为微藻生长和油脂生产的培养基，进而建立废弃物利用与微藻产油的联合工艺。本发明方法实现了不同温度下剩余污泥废弃物的资源再利用，同时促进了微藻油脂的高效积累，降低了微藻生产生物柴油的成本，尤其适用于我国北方寒冷地区的微藻生物柴油生产。本发明用于生产生物柴油。

Description

一种利用剩余污泥培养微藻生产生物柴油的方法
技术领域
本发明属于微藻生物技术领域，具体涉及一种利用剩余污泥培养微藻生产生物柴油的方法。
背景技术
由于世界人口的增加、工业化和对交通运输日益增长的需求，能源的消费正在迅速增加。石油、天然气和煤炭等化石能源是不可再生的，同时这些能源的使用会导致环境的污染，增加了大气中的二氧化碳负荷和温室气体含量。面对这些问题，亟需寻找一种替代传统化石燃料的可再生、清洁能源，生物柴油被认为是最有前途的替代燃料之一。微藻作为生产生物柴油的原料之一，可以利用太阳光进行生长，且不与粮食作物争夺耕地和水源。此外，藻类的生产力比陆地高等植物高几倍
2020年我国污泥产量已超过7000万吨，且年增长率在不断增加。污水厂的剩余污泥产量高、易腐烂、气味重且含量大量的病原菌和微生物，若处理不当会造成地下水和土壤的二次污染，威胁人类健康和环境安全。剩余污泥中含有大量的碎屑、菌体以及一些复杂的物质，其中的微生物细胞和胞外聚合物含有大量的碳、氮、磷、金属离子等营养物质，因而剩余污泥具有较高的资源价值。因此，利用剩余污泥培养微藻生产清洁能源，不仅能够节约生产成本，还可避免剩余污泥造成的环境问题。
发明内容
本发明要解决目前剩余污泥利用率低的技术问题，而提供一种利用剩余污泥培养微藻生产生物柴油的方法。
一种利用剩余污泥培养微藻生产生物柴油的方法，按以下步骤进行：
一、将剩余污泥自然沉降，弃上清，过筛；
二、采用高压匀质机，将步骤一过筛后的剩余污泥进行高压破碎处理，然后离心，收集上清液，调节pH至6.8～7.0，灭菌，获得微藻生长和油脂积累的培养基；
三、将微藻接种至步骤二获得的培养基中，控制培养条件为：温度为10～30℃，光照强度为3500～4000Lux，培养至稳定期，离心，收集藻细胞，提取微藻中的油脂，完成生产。
进一步，步骤三接种的微藻为Asterarcys quadricellulare R-56。
进一步，步骤三控制微藻的接种量为10～12％，体积比。
进一步，步骤三提取微藻中油脂的方法为：将藻细胞进行离心，控制转速为8000r/min，离心5min，收集藻细胞，用蒸馏水洗涤2-3次，放入温度为-80℃冰箱中，保持12h，然后真空冷冻干燥48h，收集冻干藻粉称重，将冻干藻粉加入氯仿-甲醇溶液，在功率200W条件下超声破碎10min，藻体发白，再离心收集有机相干燥称重。
进一步，冻干藻粉与氯仿-甲醇溶液添加量比为0.1g:10mL。
本发明首先对剩余污泥进行预处理，并利用高压均质机进行高压破碎，高压破碎是通过是外部剪切、空化、压力梯度和湍流的形式对剩余污泥进行处理，通过破坏污泥絮凝体，充分的将剩余污泥中的营养物质溶出，为后续培养微藻提供培养基质。最后通过离心取上清作为微藻生长和油脂生产的培养基，进而实现废弃物利用与微藻产油的耦合工艺，该方法实现了剩余污泥废弃物的资源再利用，同时促进了微藻油脂的高效积累，降低了微藻生产生物柴油的成本。
本发明的有益效果是：
(1)本发明利用剩余污泥中的营养物质，实现了不同温度下尤其是低温下剩余污泥的资源化利用，降低了微藻生物柴油的生产成本，将剩余污泥处理与微藻培养相结合，有利于保护环境，实现变废为宝。
(2)本发明中产油微藻能够很好的在剩余污泥培养基中生长，不仅解决了环境污染问题，而且将污染物转化为可再生的生物能源，同时，微藻能够有效的利用培养基中的营养物质并高效的促进了微藻油脂的积累。
(3)本发明所述工艺，最高可获得生物量1.84g/L，微藻的油脂含量最高可达到59.13％，较其他工艺具有显著的提升。
本发明用于生产生物柴油。
附图说明
图1为实施例微藻生物量变化图，其中■代表实施例一，●代表实施例二，▲代表实施例三，▼代表实施例四，◆代表实施例五；
图2为实施例微藻油脂含量和油脂产率图，■代表油脂产率，
Figure BDA0003908169070000023
代表油脂产量；
图3为实施例微藻培养后总氮(TN)的剩余量和去除效率，■代表TN去除效率，
Figure BDA0003908169070000022
代表剩余TN；
图4为实施例微藻培养后总磷(TP)的剩余量和去除效率，■代表TP去除效率，
Figure BDA0003908169070000021
代表剩余TP。
具体实施方式
本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。
具体实施方式一：本实施方式一种利用剩余污泥培养微藻生产生物柴油的方法，所述方法按以下步骤进行：
一、将剩余污泥自然沉降，弃上清，过筛；
二、采用高压匀质机，将步骤一过筛后的剩余污泥进行高压破碎处理，然后离心，收集上清液，调节pH至6.8～7.0，灭菌，获得微藻生长和油脂积累的培养基；
三、将微藻接种至步骤二获得的培养基中，控制培养条件为：温度为10～30℃，光照强度为3500～4000Lux，培养至稳定期，离心，收集藻细胞，提取微藻中的油脂，完成生产。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一控制自然沉降时间为48～50h。其它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：步骤一控制过筛为40目。其它与具体实施方式一或二相同。
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：步骤二在压力为50～52MPa条件下进行破碎处理，控制破碎时间为3～4min。其它与具体实施方式一至三之一相同。
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：步骤二控制离心速率为8000～8100r/min，离心时间为5～6min。其它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：步骤二控制灭菌温度为120～121℃，时间为20～22min。其它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：步骤三接种的微藻为Asterarcys quadricellulare R-56。其它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一至七之一不同的是：步骤三控制微藻的接种量为10～12％。其它与具体实施方式一至七之一相同。
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：步骤三提取微藻中油脂的方法为：将藻细胞进行离心，控制转速为8000r/min，离心5min，收集藻细胞，用蒸馏水洗涤2-3次，放入温度为-80℃冰箱中，保持12h，然后真空冷冻干燥48h，收集冻干藻粉称重，将冻干藻粉加入氯仿-甲醇溶液，在功率200W条件下超声破碎10min，藻体发白，再离心收集有机相干燥称重。其它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至九之一不同的是：冻干藻粉与氯仿-甲醇溶液添加量比为0.1g:10mL。其它与具体实施方式一至九之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
一种利用剩余污泥培养微藻生产生物柴油的方法，按以下步骤进行：
一、将剩余污泥自然沉降48h，弃上清，过40目筛；
二、采用高压匀质机，将步骤一过筛后的剩余污泥在压力为50MPa条件下进行高压破碎处理，控制破碎时间为3min，然后离心，控制离心速率为8000r/min，离心时间为5min，收集上清液，调节pH至6.8～7.0，控制灭菌温度为121℃，灭菌20min，获得微藻生长和油脂积累的培养基；
三、将微藻Asterarcys quadricellulare R-56接种至步骤二获得的培养基中，接种量为体积的10％，控制培养条件为：温度为10℃，光照强度为3500～4000Lux，培养至稳定期，离心，收集藻细胞，提取微藻中的油脂，完成生产。
步骤三提取微藻中油脂的方法为：将藻细胞进行离心，控制转速为8000r/min，离心5min，收集藻细胞，用蒸馏水洗涤2-3次，放入温度为-80℃冰箱中，保持12h，然后真空冷冻干燥48h，收集冻干藻粉称重，将冻干藻粉加入氯仿-甲醇溶液，控制冻干藻粉与氯仿-甲醇溶液添加量比为0.1g:10mL，在功率200W条件下超声破碎10min，藻体发白，再离心收集有机相干燥称重。
经测试，本实施例10℃培养下，微藻的生物量为1.04g/L，获得的油脂油脂含量59.13％和油脂产率为62.03mg/L·d。
实施例二：
一种利用剩余污泥培养微藻生产生物柴油的方法，按以下步骤进行：
一、将剩余污泥自然沉降48h，弃上清，过40目筛；
二、采用高压匀质机，将步骤一过筛后的剩余污泥在压力为50MPa条件下进行高压破碎处理，控制破碎时间为3min，然后离心，控制离心速率为8000r/min，离心时间为5min，收集上清液，调节pH至6.8～7.0，控制灭菌温度为121℃，灭菌20min，获得微藻生长和油脂积累的培养基；
三、将微藻Asterarcys quadricellulare R-56接种至步骤二获得的培养基中，接种量为体积的10％，控制培养条件为：温度为15℃，光照强度为3500～4000Lux，培养至稳定期，离心，收集藻细胞，提取微藻中的油脂，完成生产。
步骤三提取微藻中油脂的方法为：将藻细胞进行离心，控制转速为8000r/min，离心5min，收集藻细胞，用蒸馏水洗涤2-3次，放入温度为-80℃冰箱中，保持12h，然后真空冷冻干燥48h，收集冻干藻粉称重，将冻干藻粉加入氯仿-甲醇溶液，控制冻干藻粉与氯仿-甲醇溶液添加量比为0.1g:10mL，在功率200W条件下超声破碎10min，藻体发白，再离心收集有机相干燥称重。
经测试，本实施例15℃培养下，微藻的生物量为1.37g/L，获得的油脂油脂含量44.40％和油脂产率为62.58mg/L·d。
实施例三：
一种利用剩余污泥培养微藻生产生物柴油的方法，按以下步骤进行：
一、将剩余污泥自然沉降48h，弃上清，过40目筛；
二、采用高压匀质机，将步骤一过筛后的剩余污泥在压力为50MPa条件下进行高压破碎处理，控制破碎时间为3min，然后离心，控制离心速率为8000r/min，离心时间为5min，收集上清液，调节pH至6.8～7.0，控制灭菌温度为121℃，灭菌20min，获得微藻生长和油脂积累的培养基；
三、将微藻Asterarcys quadricellulare R-56接种至步骤二获得的培养基中，接种量为体积的10％，控制培养条件为：温度为20℃，光照强度为3500～4000Lux，培养至稳定期，离心，收集藻细胞，提取微藻中的油脂，完成生产。
步骤三提取微藻中油脂的方法为：将藻细胞进行离心，控制转速为8000r/min，离心5min，收集藻细胞，用蒸馏水洗涤2-3次，放入温度为-80℃冰箱中，保持12h，然后真空冷冻干燥48h，收集冻干藻粉称重，将冻干藻粉加入氯仿-甲醇溶液，控制冻干藻粉与氯仿-甲醇溶液添加量比为0.1g:10mL，在功率200W条件下超声破碎10min，藻体发白，再离心收集有机相干燥称重。
经测试，本实施例20℃培养下，微藻的生物量为1.53g/L，获得的油脂油脂含量43.70％和油脂产率为69.37mg/L·d。
实施例四：
一种利用剩余污泥培养微藻生产生物柴油的方法，按以下步骤进行：
一、将剩余污泥自然沉降48h，弃上清，过40目筛；
二、采用高压匀质机，将步骤一过筛后的剩余污泥在压力为50MPa条件下进行高压破碎处理，控制破碎时间为3min，然后离心，控制离心速率为8000r/min，离心时间为5min，收集上清液，调节pH至6.8～7.0，控制灭菌温度为121℃，灭菌20min，获得微藻生长和油脂积累的培养基；
三、将微藻Asterarcys quadricellulare R-56接种至步骤二获得的培养基中，接种量为体积的10％，控制培养条件为：温度为25℃，光照强度为3500～4000Lux，培养至稳定期，离心，收集藻细胞，提取微藻中的油脂，完成生产。
步骤三提取微藻中油脂的方法为：将藻细胞进行离心，控制转速为8000r/min，离心5min，收集藻细胞，用蒸馏水洗涤2-3次，放入温度为-80℃冰箱中，保持12h，然后真空冷冻干燥48h，收集冻干藻粉称重，将冻干藻粉加入氯仿-甲醇溶液，控制冻干藻粉与氯仿-甲醇溶液添加量比为0.1g:10mL，在功率200W条件下超声破碎10min，藻体发白，再离心收集有机相干燥称重。
经测试，本实施例25℃培养下，微藻的生物量为1.78g/L，获得的油脂油脂含量43.08％和油脂产率为80.41mg/L·d。
实施例五：
一种利用剩余污泥培养微藻生产生物柴油的方法，按以下步骤进行：
一、将剩余污泥自然沉降48h，弃上清，过40目筛；
二、采用高压匀质机，将步骤一过筛后的剩余污泥在压力为50MPa条件下进行高压破碎处理，控制破碎时间为3min，然后离心，控制离心速率为8000r/min，离心时间为5min，收集上清液，调节pH至6.8～7.0，控制灭菌温度为121℃，灭菌20min，获得微藻生长和油脂积累的培养基；
三、将微藻Asterarcys quadricellulare R-56接种至步骤二获得的培养基中，接种量为体积的10％，控制培养条件为：温度为30℃，光照强度为3500～4000Lux，培养至稳定期，离心，收集藻细胞，提取微藻中的油脂，完成生产。
步骤三提取微藻中油脂的方法为：将藻细胞进行离心，控制转速为8000r/min，离心5min，收集藻细胞，用蒸馏水洗涤2-3次，放入温度为-80℃冰箱中，保持12h，然后真空冷冻干燥48h，收集冻干藻粉称重，将冻干藻粉加入氯仿-甲醇溶液，控制冻干藻粉与氯仿-甲醇溶液添加量比为0.1g:10mL，在功率200W条件下超声破碎10min，藻体发白，再离心收集有机相干燥称重。
经测试，本实施例30℃培养下，微藻的生物量为1.84g/L，获得的油脂油脂含量36.35％和油脂产率为70.22mg/L·d。
将实施例不同温度下利用剩余污泥对微藻生物量、油脂含量及油脂产率的影响得出表1。
表1
Figure BDA0003908169070000071
上述结果表明，利用剩余污泥上清培养微藻，实施例一中，当培养温度为10℃时，微藻的生物量为最低，只能达到1.04g/L，但是油脂含量因为在低温胁迫下，油脂积累较多，可达到最高，为59.13％。随着温度的升高，微藻的生物量呈现上升的趋势，且在培养温度为30℃时，微藻的生物量可达到最高，可达到1.84g/L，但是随着温度的升高，油脂含量却呈现下降趋势，当温度增加至30℃时，油脂含量下降至36.35％。而实施例四中，当培养温度为25℃时，油脂产率最高，可到达到80.41mg/L·d。
因此，通过表1和图1-2中微藻R-56的生物量、油脂含量和油脂产率的结果来看，这为利用剩余污泥上清培养微藻积累油脂提供了数据支持和理论依据。可以看出，微藻R-56在培养温度为10-30℃时，获得了最佳的生物量、油脂含量和油脂产率。从图3-图4可以看出，不同温度培养下，利用剩余污泥上清培养微藻后，培养基中的TN和TP得到了有效的利用。由此可见，利用剩余污泥上清培养微藻积累油脂，是一种可行的、经济的、环保的、有效的方法，满足剩余污泥废弃物的再利用以及利用其生产生物柴油的基本需求
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种利用剩余污泥培养微藻生产生物柴油的方法，其特征在于，所述方法按以下步骤进行：
一、将剩余污泥自然沉降，弃上清，过筛；
二、采用高压匀质机，将步骤一过筛后的剩余污泥进行高压破碎处理，然后离心，收集上清液，调节pH至6.8～7.0，灭菌，获得微藻生长和油脂积累的培养基；
三、将微藻接种至步骤二获得的培养基中，控制培养条件为：温度为10～30℃，光照强度为3500～4000Lux，培养至稳定期，离心，收集藻细胞，提取微藻中的油脂，完成生产。
2.根据权利要求1所述的一种利用剩余污泥培养微藻生产生物柴油的方法，其特征在于步骤一控制自然沉降时间为48～50h。
3.根据权利要求1所述的一种利用剩余污泥培养微藻生产生物柴油的方法，其特征在于步骤一控制过筛为40目。
4.根据权利要求1所述的一种利用剩余污泥培养微藻生产生物柴油的方法，其特征在于步骤二在压力为50～52MPa条件下进行破碎处理，控制破碎时间为3～4min。
5.根据权利要求1所述的一种利用剩余污泥培养微藻生产生物柴油的方法，其特征在于步骤二控制离心速率为8000～8100r/min，离心时间为5～6min。
6.根据权利要求1所述的一种利用剩余污泥培养微藻生产生物柴油的方法，其特征在于步骤二控制灭菌温度为120～121℃，时间为20～22min。
7.根据权利要求1所述的一种利用剩余污泥培养微藻生产生物柴油的方法，其特征在于步骤三接种的微藻为Asterarcys quadricellulare R-56。
8.根据权利要求1所述的一种利用剩余污泥培养微藻生产生物柴油的方法，其特征在于步骤三控制微藻的接种量为10～12％。
9.根据权利要求1所述的一种利用剩余污泥培养微藻生产生物柴油的方法，其特征在于步骤三提取微藻中油脂的方法为：将藻细胞进行离心，控制转速为8000r/min，离心5min，收集藻细胞，用蒸馏水洗涤2-3次，放入温度为-80℃冰箱中，保持12h，然后真空冷冻干燥48h，收集冻干藻粉称重，将冻干藻粉加入氯仿-甲醇溶液，在功率200W条件下超声破碎10min，藻体发白，再离心收集有机相干燥称重。
10.根据权利要求9所述的一种利用剩余污泥培养微藻生产生物柴油的方法，其特征在于冻干藻粉与氯仿-甲醇溶液添加量比为0.1g:10mL。
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