CN101285075B - 沼气发酵和自养型淡水微藻培养的耦合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于环保和新技术能源领域，公开一种沼气发酵和自养型淡水微藻培养的耦合方法，其特征在于采用沼气发酵和自养型淡水微藻光合培养同时进行的方法，包括沼气的发酵、沼液的处理、自养型淡水微藻的接种和沼气的引入、自养型淡水微藻培养控制、自养型淡水微藻细胞的收获。本发明采用沼气发酵过程和光合自养型淡水微藻培养相偶联的方法，以沼液作为自养型淡水微藻培养的培养基，沼气中的CO2作为自养型淡水微藻培养所需的CO2来源，大大降低了自养型淡水微藻的生产成本，又解决了沼气的净化和沼液的后处理问题。
Description
技术领域：
本发明涉及一种将沼气发酵的沼液利用及沼气净化和自养型淡水微藻培养相偶联的方法，专用于沼气发酵和自养型淡水微藻的培养。
背景技术：
自养型微藻可在光合作用下固定CO2，并利用无机氮、磷等无机盐为营养源，具有光合作用效率高、环境适应能力强、生长周期短、生物产量高的特点，是理想的生物质能源材料。微藻，特别是油脂含量较高的富油微藻的综合开发和利用已成为许多国家开源节能、化害为利和保护环境的重要措施。自养型微藻的各种无机盐占到其总成本的60％以上，若能采用成本低廉的培养技术，将会大大促进自养型微藻的规模化培养应用步伐。
沼气发酵已经被广泛应用于废弃生物质的利用上。沼气中约含60％的甲烷，其它气体主要为CO2，含量在30～40％之间，优质成品沼气需去除这部分CO2。沼气发酵后的沼液一般作为废弃物处理，由于沼液中含有较高含量的氮磷无机盐，直接排放污染环境。故若把沼气发酵和自养型淡水微藻的培养两个体系进行偶联，即利用沼气发酵的沼液作为自养型淡水微藻的培养基，同时把沼气中的CO2作为自养型淡水微藻培养的CO2来源，既解决了自养型淡水微藻培养的培养基成本问题，又提高了沼气的纯度与质量，还减少了沼液的环境污染，达到改善环境、增加经济、社会和生态效益的目的。
目前国内外合理利用沼气发酵的废气废液培养自养型淡水微藻，将两个过程合理偶联的研究处于空白阶段。
发明内容：
本发明的目的是提供将沼气发酵和自养型淡水微藻培养过程相耦合的方法。针对自养型淡水微藻培养基的高成本问题及沼气发酵的废气废液问题而提出一种构建两者耦合培养体系的方法。
本发明通过以下技术方案进行实施：
为了达到以上目的，本发明采用沼气发酵和自养型淡水微藻光合培养同时进行的方法，包括沼气的发酵、沼液的处理、自养型淡水微藻的接种和沼气的引入、自养型淡水微藻培养控制、自养型淡水微藻细胞的收获，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。
本发明可采用絮凝、过滤或离心的方法收集藻细胞，可采用室外晾晒、低温烘箱烘干、喷雾干燥或冷冻干燥的方法去除藻细胞中的水分。
本发明培养的自养型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，也可于各大藻种保藏中心或市售获得。如小球藻、栅藻、微藻Neochloris oleoabundans、Ankistrodesmus pseudobraunii等。
上述耦合培养体系具体培养方法可按以下步骤进行：
1)沼气发酵：按常规沼气发酵方法获得沼气和沼液，如：将人畜粪，生活垃圾等废弃生物质和水混合，接入厌氧活性污泥，35℃厌氧发酵10～20天，获得沼气和沼液。
2)沼液的处理：取沼气发酵后的沼液，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，经藻细胞吸收后的沼气再通入下一级反应器。共经自养型淡水微藻3～5次吸收后的沼气作为能源使用。
4)自养型淡水微藻培养控制：采取光照强度由弱至强的顺序，在自养型淡水微藻对数生长前期光照强度为1000Lx～2000Lx，进入对数生长期后增大到4000Lx～8000Lx。间歇或24h连续光照，间隔1～2天取样测定生物量及总油脂含量。
5)自养型淡水微藻细胞的收获：藻细胞的生物量和总油脂含量不再增加时，停止通气光照，用絮凝、过滤或离心的方法收集藻细胞。可以室外晾晒、低温烘箱烘干、喷雾干燥或冷冻干燥的方法去除藻细胞中的水分，测干重及总油脂含量。
本发明的有益效果：将沼气发酵和自养型淡水微藻培养过程相偶联。即把沼气发酵副产品CO2和沼液合理利用，用来培养自养型淡水微藻。沼气发酵的沼液作为自养型淡水微藻培养的培养基；沼气通入自养型淡水微藻培养基，其中的CO2作为自养型淡水微藻培养所需的CO2来源。本发明大大降低了自养型淡水微藻的生产成本，使沼气得到净化(CH4的含量从60％提高到95％以上)，又解决了沼液的后处理问题。沼气发酵的产物沼气及藻细胞里的生物质能量皆为利用废物再生的清洁型新能源，且部分微藻细胞可产生不饱和脂肪酸、活性多糖等高附加值产物。本发明达到了改善环境、增加经济、社会和生态效益的目的。
下面结合实施例对本发明的方法做进一步说明。
附图说明
图1为多级光生物反应器示意图。
图中，1-5分别为光生物反应器。
具体实施方式
实施例1
本实施例的微藻Neochloris oleoabundans(购自美国UTEX藻种保藏中心，UTEX#1185)为自养型淡水藻，在BG11培养基中总油脂含量可达干生物量的45％以上，为富油微藻。采用沼气和沼液为Neochloris oleoabundans的全部营养源，在室温室内小型管道式光生物反应器中培养藻细胞。该藻已经实验证实可在此条件下生存。其步骤如下：
A：沼气发酵——将人畜粪，生活垃圾等废弃生物质和水以1∶19混合，接入30％的厌氧活性污泥，35℃厌氧发酵25天，获得沼气和沼液，沼气经管道引入光生物反应器，沼液经处理后作为培养基。
B：沼液的处理——取沼气发酵后的沼液，以脱脂棉过滤法去除残余的固体颗粒，分别以自来水稀释为原浓度的100％，75％，50％，25％作为该微藻的培养基，以BG11培养基作为对照培养基。比较上述稀释度下的沼液培养基和对照培养基在生物量OD680及总油脂含量间的差别，并确定最适沼液稀释比例。
C：微藻的接种和沼气的分级引入——将处理后的沼液装入微藻培养用的光生物反应器，接入新鲜扩培的Neochloris oleoabundans藻种至OD680为0.8～1.0，将沼气从反应器底部引入反应器，反应器为五级串联排列(如图1所示)，经藻细胞吸收后的沼气再通入下一级反应器，共经藻细胞5次吸收后的沼气直接作为能源使用。
D：培养控制——室温下以日光灯为光源光照光生物反应器中的藻细胞，在藻细胞培养的前3天光照强度为1000Lx，后7天增大光照强度到6000Lx。24h连续光照和通入沼气。
E：藻细胞的收获——藻细胞生物量不再增加时，停止光照通气，5000r/min离心收集藻细胞，50℃烘干后测干重及总油脂含量。
以上步骤中Neochloris oleoabundans的培养温度为室温22℃左右；净化后沼气中的甲烷含量从60％增至96％左右，CO2含量从35％降到4％以下；50％的沼液废水为最优培养条件，此时藻细胞干重达到5.5g/L以上，为对照培养基的80％左右；总油脂含量达到干生物量的50％左右，和对照培养基相当。
实施例2
以光合自养型的Ankistrodesmus pseudobraunii(购自美国UTEX藻种保藏中心，UTEX#LB 1380)为微藻藻种，采用沼气和沼液为该藻的全部营养源，在室温室内小型管道式光生物反应器中培养藻细胞。该藻已经实验证实可以沼液为唯一培养基生存，为富油微藻。其步骤如下：
A：沼气发酵——将水葫芦，人畜粪，生活垃圾等废弃生物质和水以1∶20混合，以10％的重量比例接入厌氧活性污泥，35℃厌氧发酵20天，以获得沼气和沼液。沼气经管道引入光生物反应器，沼液经处理后作为培养基。
B：沼液的处理——取沼气发酵后的沼液，以脱脂棉过滤法去除残余的固体颗粒，分别以自来水稀释为原浓度的100％，75％，50％，25％作为Ankistrodesmuspseudobraunii的培养基，以BG11培养基作为对照培养基。比较上述稀释度下的沼液培养基和对照培养基在生物量OD680及总油脂含量间的差别，并确定最适沼液稀释比例。
C：微藻的接种和沼气的分级引入——将处理后的沼液装入微藻培养用的光生物反应器，接入新鲜扩配的Ankistrodesmus pseudobraunii藻种至OD680为0.8～1.0。将原始沼气从底部引入反应器底部，反应器为四级串联排列，原始沼气经藻细胞吸收2天后作为二次沼气引入下一级反应器，共经4次吸收后的沼气直接作为能源使用。
D：培养控制——室温下开灯给光生物反应器中的藻细胞以光照。在藻细胞9天的培养周期内光照强度从1000Lx逐渐增加到8000Lx(在藻细胞生长的前两天，光照强度为1000Lx；第3～4天增加为5000Lx；第5～9天增加为8000Lx)。以16∶8的光照光暗周期供光。沼气的通入采取24h不间断的方法。
E：藻细胞的收获——藻细胞生物量不再增加时，停止光照通气，5000r/min离心收集藻细胞，50℃烘干后测干重及总油脂含量。
以上步骤中藻细胞的培养温度为25℃左右，净化后沼气中的甲烷含量从60％增至95％以上，CO2含量从35％降到5％以下。50％的沼液废水为最优培养条件，藻细胞的干重达到6.0g/L培养基，为对照培养基的85％左右。总油脂含量达到干生物量的45％左右，和对照培养基相当。
Claims (3)
1.一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，反应器为五级串联排列，经藻细胞吸收后的沼气再通入下一级反应器，共经藻细胞5次吸收后的沼气作为能源使用；
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。
2.根据权利要求1所述的沼气发酵和自养型淡水微藻培养的耦合方法，其特征在于采用絮凝、过滤或离心的方法收集藻细胞。
3.根据权利要求1所述的沼气发酵和自养型淡水微藻培养的耦合方法，其特征在于采用室外晾晒、低温烘箱烘干、喷雾干燥或冷冻干燥的方法去除藻细胞中的水分。
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