CN101921811B - 微藻培养的方法 - Google Patents
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Abstract
一种微藻培养的方法，其特征是它包括如下步骤：(1)产酸发酵，发酵结束后的上清液即酸液流至培养装置，产生的混合气收集在储气罐中；(2)将经过培养的微藻接种到培养装置中的酸液进行异养培养；(3)将储气罐中混合气循环通入到光生物反应装置中进行通气自养培养。它是将耦合沼气发酵的产酸阶段与微藻培养过程，异养与自养相结合，在培养高生物量的富油微藻的同时可以获得浓度较高的富氢气体。本发明主要用于富油微藻的培养。
Description
技术领域
本发明涉及微藻培养技术。
背景技术
随着全球能源危机的不断加剧，以及人们环保意识的不断增强，生物柴油等可再生资源受到人们越来越多的关注。生物柴油是由动植物或微生物油脂与低碳醇经过酯交换反应得到的一种脂肪酸单酯，其可再生、可生物降解，燃烧排放性能较化石柴油优良，是一种环境友好型能源，已逐渐成为化石柴油的替代品。微藻是一种单细胞植物，具有光合作用效率高、环境适应能力强、生长周期短和生物量高的特点。近些年由于生物柴油产业的发展，油脂含量较高的富油微藻的综合开发和利用已经引起了人们越来越多的关注，微藻油脂可以解决目前生物柴油原料来源缺乏及不稳定的问题，各个国家及地区的科研机构相继开展了微藻培养方面的研究工作，使其逐渐成为许多国家开源节能、变害为利和保护环境的重要手段。
在微藻的诸多特点中，其较强的适应能力有着广泛的应用前景。目前已有研究工作表明，微藻可以在生活污水或有机废水中生长，如专利CN101525576A，一种利用生活污水和工业废水生产微藻的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：初期培养步骤，将经过一级处理并过滤的生活污水加入生物反应器后，在生物反应器中加入藻种，在光照、通空气和二氧化碳的条件下搅拌培养，直到微藻细胞生长进入稳定期；油脂诱导步骤，在生物反应器中按照1∶200～1∶1000的体积比加入蔗糖渣发酵后的工业废液，诱导微藻细胞内的油脂积累；提取步骤，在油脂积累达到稳定后，提取生物反应器中的微藻细胞。有机污水经过厌氧-好氧处理后仍含有大量的氮、磷等营养元素，其中通入烟道气后微藻可以利用CO2进行生长繁殖并积累油脂，这既降低了微藻的培养成本，同时对污水进行了生物处理，使其可以循环利用。
微藻还可以利用沼气发酵废液-沼液进行培养，如专利CN 101285075A，公开一种沼气发酵和自养型淡水微藻培养的耦合方法，将沼气发酵和自养型淡水微藻光合培养同时进行，其特征在于：1)沼气发酵：发酵获得沼气和沼液；2)沼液的处理：取经沼气发酵后得到的沼液，过滤去除残余的固体颗粒，以水稀释为原浓度的25％～100％，作为自养型淡水微藻的全营养培养基；3)自养型淡水微藻的接种和沼气的引入：将处理后的沼液装入自养型淡水微藻培养用的光生物反应器，接入新鲜扩培的自养型淡水微藻藻种，将沼气从反应器底部引入反应器；4)自养型淡水微藻培养控制：自养型淡水微藻培养早期光照强度为1000Lx～2000Lx，到培养中后期增大光强到4000Lx～8000Lx，间歇或24h连续光照；5)自养型淡水微藻细胞的收获：藻细胞生长停滞后，停止光照通气，收集藻细胞后，去除藻细胞中的水分。微藻接种到稀释一定程度的沼液中，并以沼气中的CO2为无机碳源进行自养过程，经过9天后最终生物量达到6g/L，该过程中微藻与沼气发酵的偶联既实现了微藻的培养，提高了沼气的纯度，又减少了沼液的排放带来的环境污染，达到了增加社会和经济效益的目的。但上述方法主要是采用自养的培养方式，存在着生长速度慢，生物量相对较低等缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：耦合沼气发酵的产酸阶段与微藻培养过程，异养与自养相结合，在培养高生物量的富油微藻的同时可以获得浓度较高的富氢气体。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
(1)产酸发酵
以动物粪便、农作物秸秆、城市农村生活污水、工农业生产有机废水和废渣等为发酵底物，将其置于发酵反应装置，加入活性污泥后控制温度在25±1℃，进行发酵12-72h，产生的混合气收集在储气罐中。所述活性污泥是指用于污水处理厌氧发酵工艺的微生物菌群。
(2)微藻培养
本发明培养的淡水微藻包括来自于淡水域等野生环境或驯化后的自养型淡水微藻，可于各大藻种保藏中心或市售获得，如小球藻、栅藻和螺旋藻等。所述微藻藻种为小球藻(chlorella vulgaris)，曾记载于2009年11月19公开的美国专利申请公开说明书US 20090288223中，还可于美国德克萨斯藻种保藏中心获得，其保藏编号为UTEX 2714。
藻种的培养：培养基成分为NH4Cl 400mg/L，KH2PO4 56mg/L，K2HPO4 108mg/L，MgSO4 7H2O 100mg/L，冰醋酸1mg/L，微量元素1ml/L，将藻种经无菌操作接种于灭过菌的培养基中，然后置于光照培养箱中静置培养，每天震荡3-4次，培养温度为15-30℃，光照强度为2000-4000Lux，培养7天。
酸液培养：产酸发酵结束后经螺旋挤压机分离后的酸液流至培养装置，接种微藻后进行异养培养。培养条件为温度15-30℃，培养5天。
通气培养：待有机碳源耗尽后，将发酵产生的混合气(主要成分为氢气和二氧化碳)通入光生物反应装置中进行自养培养，培养条件为温度15-30℃，光照强度为4000-8000Lux，培养7天。
沼气发酵过程大致可以分为两个阶段，第一是产酸，即将有机物降解为小分子的挥发性有机酸如乙酸、丙酸等，同时产生氢气，CO2以及少量的NH3、H2S等气体；第二是产甲烷，即沼气的主要成分。由于产酸发酵时间短，几个小时到几天，条件较容易控制，且产生的气体主要是氢气和二氧化碳，而产甲烷过程条件苛刻，周期较长，一般需要两个月左右，操作不当容易造成发酵的失败。微藻不但利用乙酸等有机碳源快速生长，还可以利用气体中的二氧化碳作为无机碳源进行自养培养。因此将产酸过程与微藻培养两个阶段相结合，与沼气发酵相比，提高了整个系统的稳定性，发酵时间也大大缩短。将产酸(氢)发酵与微藻培养相结合，具有以下有益效果：
(1)产酸发酵时间短，仅需要数小时至几天，而且微藻异养过程生长速率高，周期短，该系统与整个沼气发酵相比，周期和稳定性都得到了很大的提高。
(2)微藻的自养过程提高了氢气的浓度，为下一步的应用如燃料电池等提供了良好的条件，而且进一步增加了微藻的生物量。
(3)该过程变废为宝，减少了环境污染，实现了废弃物的资源化利用。
附图说明
图1为本发明工艺路线示意图。
具体实施方式
实施例1：步骤一：产酸发酵。以500g牛粪为发酵底物，加水调节固体含量为6％，装填于反应装置中，接种25％活性污泥(取自污水处理厂)后开始发酵，温度控制在25±1℃，产生的气体收集在储气罐中，发酵48h后，将发酵产物经螺旋挤压机进行固液分离。
步骤二：藻种的培养：采用的藻种为chlorella vulgaris(购自美国德克萨斯藻种保藏中心，UTEX 2714)。培养基成分为NH4Cl 400mg/L，KH2PO456mg/L，K2HPO4108mg/L，MgSO4·7H2O 100mg/L，冰醋酸1mg/L，微量元素1ml/L，在该培养基中总油脂含量可达细胞干重的40％以上，为富油微藻。该藻已经实验证实可以在产酸发酵所得液体中生存。具体操作为：将培养基分别加入到锥形瓶(具透气封口膜)中，经过121℃灭菌后经无菌操作接入藻种，然后置于光照培养箱中静置培养，每天震荡3次，培养温度为28℃，光照强度为4000Lux(日光灯)，培养7天。
酸液培养：取固液分离后的上清液即酸液至发酵培养装置中，按照10％接种量(藻种OD680为0.8)接入上述培养所得藻种后进行培养。培养条件为温度28℃，通气搅拌培养5天后取样测定生物量为15g/L，油脂含量为38％。
实施例2：本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于异养培养之后可以继续进行自养过程，在实施例1的基础上，将异养培养后的微藻置于罐式光生物反应器中，循环通入气瓶中的混合气进行自养培养，培养条件为温度28℃，光照强度为6000Lux，7天后测定微藻生物量18g/L，油脂含量为37％，氢气纯度90％以上。
实施例3：步骤一：产酸发酵。以500g玉米秸秆为发酵底物，与500g牛粪混合后装填于反应装置中，加水调节固体含量为8％，接种25％活性污泥(取自沼气池)后开始发酵，温度控制在25±1℃，产生的气体收集在储气罐中，发酵72h后，将发酵产物经螺旋挤压机进行固液分离。其余步骤同实施例中步骤二，5天后取样测定生物量为18g/L，油脂含量为39％。
实施例4：步骤一：产酸发酵。以2L啤酒厂废水为发酵底物装填于反应装置中，接种20％活性污泥(取自沼气池)后开始发酵，温度控制在25±1℃，产生的气体收集在储气罐中，发酵12h后，将发酵产物经螺旋挤压机进行固液分离。其余同实施例1中的步骤二，5天后取样测定生物量为10g/L，油脂含量为35％。
Claims (6)
1.一种微藻培养的方法，其特征是它包括如下步骤：(1)以牛粪、玉米秸秆和啤酒厂废水为发酵底物，加入活性污泥产酸发酵，发酵结束后的上清液即酸液流至培养装置，产生的混合气收集在储气罐中；(2)将经过培养的微藻接种到培养装置中的酸液中进行异养培养；所述微藻为美国德克萨斯藻种保藏中心获得的，保藏编号为UTEX2714的微藻；(3)将异养培养后的微藻置于光生物反应装置中，将储气罐中混合气循环通入到光生物反应装置中进行通气自养培养。
2.根据权利要求1所述的微藻培养的方法，其特征是所述产酸发酵是指以动物粪便、农作物秸秆、城市农村生活污水为发酵底物，将其与适量的水混合置于发酵反应装置，加入活性污泥后控制温度在25±1℃，进行发酵6-72h，发酵结束的上清液即酸液流至培养装置，产生的气体收集在储气罐中。
3.根据权利要求2所述的微藻培养的方法，其特征是所述活性污泥是指用于污水处理厌氧发酵工艺的微生物菌群。
4.根据权利要求1所述的微藻培养的方法，其特征是步骤(2)中经过培养的微藻是指培养基成分为NH4Cl 400mg/L，KH2PO456mg/L，K2HPO4108mg/L，MgSO47H2O 100mg/L，冰醋酸1mg/L，微量元素1ml/L，将藻种经无菌操作接种于灭过菌的培养基中，然后置于光照培养箱中静置培养，每天震荡3-4次，培养温度为15-30℃，光照强度为2000-4000Lux，培养7天。
5.根据权利要求1所述的微藻培养的方法，其特征是所述接种微藻后进行异养培养是指：培养条件为温度15-30℃，通气搅拌培养5天。
6.根据权利要求1所述的微藻培养的方法，其特征是所述通气自养培养：向光生物反应器通入发酵产生的混合气进行自养培养，培养条件为温度15-30℃，光照强度为4000-8000Lux，培养7天。
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