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CN110066736A - 循环培养微藻的方法和系统 - Google Patents

循环培养微藻的方法和系统 Download PDF

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CN110066736A
CN110066736A CN201810065298.2A CN201810065298A CN110066736A CN 110066736 A CN110066736 A CN 110066736A CN 201810065298 A CN201810065298 A CN 201810065298A CN 110066736 A CN110066736 A CN 110066736A
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CN
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microalgae
liquid
filter membrane
membrane
membrane filtration
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CN201810065298.2A
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朱俊英
荣峻峰
宗保宁
李煦
程琳
黄绪耕
周旭华
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China Petroleum and Chemical Corp
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Sinopec Research Institute of Petroleum Processing
China Petroleum and Chemical Corp
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Abstract

本发明涉及微藻培养领域，公开了循环培养微藻的方法和系统。循环培养微藻的方法包括：1)对微藻进行培养，获得微藻培养液；2)将收获的微藻培养液在设有膜过滤设备的回路中循环，微藻培养液中的部分液体透过膜过滤设备的滤膜，从而在滤膜两侧分别得到透过液和浓缩的藻液；将透过液回用至步骤1)，滤膜的截留分子量≤30kDa。本发明还公开了循环培养微藻的系统，包括微藻培养单元和用于收集微藻培养单元产生的微藻的微藻采收单元，微藻采收单元包括膜过滤设备，膜过滤设备的透过液输出口与微藻培养单元的进料口相连从而使输出的透过液被回用至微藻培养单元，膜过滤设备的滤膜的截留分子量≤30kDa。本发明实现了养殖水体的循环利用。

Description

循环培养微藻的方法和系统
技术领域
本发明涉及微藻培养领域，具体涉及一种循环培养微藻的方法和系统。
背景技术
“能源”与“环境”是新世纪在可持续发展中人类社会所面临的重要问题，一方面，支撑人类现代文明的化石能源是不可再生的，因而世界各国在加紧开发替代能源技术；另一方面，人类在加工和使用化石能源时不可避免地产生严重的废气与污水的排放问题，对气候和人类的生存环境已经造成了严重的影响。这些问题需要有统筹协调的解决方案。
微藻是效率极高的由阳光驱动的“活的化工厂”，通过微藻细胞高效的光合作用，将光能转化为脂肪或淀粉等碳水化合物的化学能，并放出O2。利用微藻生产生物能源与化学品可以同时达到“替代化石能源和减少工业废气排放”的双重目的。微藻是一类非常原始的生物资源，没有器官分化，故而具有生长快、产量高、环境适应性强的特点，并且与高等植物相比，它们的脂类、淀粉和蛋白质等有效成分的含量更高。微藻的传统商业应用包括将它们用作食品添加剂、在农业中的饲料以及水产养殖业和化学工业的原料。此外，某些藻类具备含油量高、易于培养、单位面积产量大、不与农业争地等优点，被视为新一代的，甚至是唯一能实现替代化石燃料的生物柴油原料。
在微藻养殖过程中，微藻的采收通常采用离心或絮凝方法，但是这样的方法能耗较高，不利于实现绿色生产。此外，微藻的采收和养殖水体的循环利用是影响微藻循环养殖成败的关键因素，一般情况下，通过离心或絮凝的方式采收微藻后的剩余养殖水体直接回用至微藻培养过程会严重影响后续过程中的微藻产量(稳定性较弱)，因此一般难以在确保微藻产量的同时实现养殖水体的循环利用。
利用膜过滤能有效截留水中的微粒、胶体和有机物等，被广泛地用于食品、轻纺、化工、医药和环保电子等行业。但是，一般的膜过滤采用内压式过滤方式，膜过滤设备在运行一段时间后滤膜容易出现堵塞，需要进行反冲洗，这不仅使过程变得复杂，还会大幅度增加能耗。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的微藻培养能耗高和难以循环利用养殖水体的问题，提供一种能耗降低地循环培养微藻的方法。
本发明的发明人发现，选择特定截留分子量的滤膜对微藻培养液以连续循环流经滤膜的方式进行膜过滤能够同时实现养殖水体的循环利用，且相对于常规的离心工艺能耗更低，滤膜也不易堵塞。因此。为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种循环培养微藻的方法，该方法包括：
(1)对微藻进行培养，获得微藻培养液；
(2)将步骤(1)收获的微藻培养液在设有膜过滤设备的回路中循环，微藻培养液流经膜过滤设备中的滤膜时，微藻培养液中的部分液体透过滤膜，从而在滤膜两侧分别得到透过液和浓缩的藻液；将所述透过液回用至步骤(1)；其中，滤膜的截留分子量≤30kDa。
本发明第二方面提供了一种循环培养微藻的系统，该系统包括微藻培养单元和用于收集微藻培养单元产生的微藻的微藻采收单元，其中，所述微藻采收单元包括膜过滤设备和任选的干燥设备，所述膜过滤设备包括水不透过性硬质腔体和设置于腔体内的滤膜；所述腔体设置有进料口和出料口使得藻液能够被循环地引入所述腔体中，且藻液流经滤膜(1)时，微藻培养液中的部分液体透过滤膜，从而在滤膜两侧分别得到透过液和浓缩的藻液；所述微藻采收单元的出料口与微藻培养单元的进料口相连，使得微藻采收单元得到的透过液能够被回用至微藻培养单元，所述滤膜的截留分子量≤30kDa。
通过以上技术方案，本发明在保证微藻产量的同时实现了养殖水体的循环利用，稳定性强，在极大程度上节约了能耗，减少了废水的产生量，实现了微藻的绿色生产。
附图说明
图1为实施例1和实施例4中小球藻的生长曲线；
图2为对比例1和对比例2中小球藻的生长曲线；
图3为实施例2和实施例5中栅藻的生长曲线；
图4为对比例3和对比例4中栅藻的生长曲线；
图5为实施例3中小球藻的生长曲线。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明提供的循环培养微藻的方法包括：
(1)对微藻进行培养，获得微藻培养液；
(2)将步骤(1)收获的微藻培养液在设有膜过滤设备的回路中循环，微藻培养液流经膜过滤设备中的滤膜时，微藻培养液中的部分液体透过滤膜，从而在滤膜两侧分别得到透过液和浓缩的藻液；将所述透过液回用至步骤(1)；其中，滤膜的截留分子量≤30kDa，优选为5-30kDa，更优选为30kDa。其中，在设有膜过滤设备的回路中循环是指微藻培养液以不间断的方式进行膜过滤，且浓缩的藻液再随新鲜的微藻培养液循环流经滤膜进行膜过滤，微藻培养液与滤膜之间形成循环的回路。
本发明中，可以使用常规的培养基进行微藻培养，例如，BG-11培养基、SE培养基、Pr培养基、f/2培养基、Zarrouk培养基中的至少一种(优选BG-11培养基)。
本领域技术人员公知的是，为了获得更多量的微藻生物质，可以往培养体系中补加氮源(和其它营养物质—特别是碳源)。因此，根据本发明的一种优选实施方式，所述方法还包括在培养过程中监测培养体系中的氮源(如NO3 -和/或NO2 -)含量，从而适时往培养体系补加氮源(如NO3 -和/或NO2 -)。当以硝酸作为氮源时，补加的硝酸的量使得培养体系的pH值维持在6.5-10(优选7-9.5)范围内。碳源(如葡萄糖)的补加量通常使得培养体系中碳源的含量在5-10g/L范围内。
本发明中，所述培养可以在常规的光生物反应条件下进行，对温度、光照、pH、溶氧量等没有特别的要求，可以根据所使用的微藻的种类进行调整。通常地，培养的条件包括：温度为15-40℃，光照强度为1000-200000lux，pH值为6.5-10(优选7-9.5)，通气量为0.5-1.5vvm。其中，“vvm”指每分钟通气量(标准状态)与培养体系的体积的比值。
本发明中，在进行培养之前，可以对微藻的藻种进行种子培养，种子培养是为了得到较多的纯而壮的微藻，即获得活力旺盛、接种数量足够的藻种。可以采用本领域常规的方法进行种子培养，在此不再赘述。
在微藻培养过程中，为了获得更高的微藻产量，可以向培养体系中添加抗生素以控制杂菌的生长。所述抗生素可以为本领域常规使用的抗生素，例如，可以选自青霉素G、氨苄青霉素、羧苄青霉素、链霉素、庆大霉素、卡那霉素、新霉素、氯霉素、红霉素、四环素、土霉素、萘啶酮酸和利福平中的至少一种。
本发明中，可以选用本领域各种常见的微藻进行培养，例如，可以为蓝藻或绿藻。优选情况下，所述微藻为小球藻(如小球藻(Chlorella vulgaris)、椭圆小球藻(C.ellipsoidea)或蛋白核小球藻(C.pyrenoidosa))、单针藻(如戴氏单针藻(Monoraphidiumdybowskii))、栅藻(如斜生栅藻(Scenedesmusobliqnus)、尖细栅藻(S.acuminatus)、弯曲栅藻(S.arcuatus)、被甲栅藻(S.armatus)或四尾栅藻(S.quadricauda))或螺旋藻(如钝顶螺旋藻(Spirulina platensis))。
本发明中，可以根据培养体系中的微藻生长状态与已有经验判断步骤(1)的培养终点，并进行后续操作，不再赘述。
本发明中，通过将至少部分微藻培养液进行膜过滤能够实现微藻养殖水体的循环利用，对进行膜过滤的微藻培养液的量没有特别的要求，但在本发明的优选实施方式中，步骤(1)中，培养结束时，留下部分微藻培养液作为藻种进行下一轮的微藻培养，其余的微藻培养液进行步骤(2)。更优选地，留下10-20体积％的微藻培养液作为藻种进行下一轮的微藻培养，其余的(80-90体积％)微藻培养液进行步骤(2)。未进行膜过滤的剩余微藻培养液(作为藻种)可以与透过液一起返回步骤(1)。
本发明中，膜过滤所使用的滤膜可以为有机膜，也可以为无机膜。膜过滤可以在常规的压力下进行，例如，在一种具体的实施方式中，膜过滤设备的入口压力为0.05-0.15MPa，出口压力为0.03-0.06MPa。
本发明中，膜过滤所得截留物(浓缩的藻液)经简单的干燥(例如喷雾干燥)步骤即可得到微藻生物质产品。所得截留物(浓缩的藻液)中的微藻含量(≥80g/L)在适于进行喷雾干燥的范围内，因此，经膜过滤后无需进行其他操作即可直接进行喷雾干燥，过程简化。喷雾干燥可以借助喷雾干燥机实现。
使微藻培养液连续循环地流经滤膜能够尽可能地避免物料在滤膜表面的沉积，从而防止滤膜堵塞。在本发明的优选实施方式中，为了实现膜过滤的连续进行，微藻培养液在设有膜过滤设备的回路中循环的方式为：当步骤(1)的培养结束时，将收获的微藻培养液引入储液设施(储液罐)；然后使微藻培养液在膜过滤设备与储液设施之间循环，控制滤膜两侧的压力差为0.03-0.15MPa，使微藻培养液中的部分液体透过滤膜，在滤膜两侧分别得到透过液和浓缩的藻液。
所述膜过滤在膜过滤设备上进行，所述滤膜优选为中空纤维膜。一般地，所述膜过滤设备可以包括：水不透过性硬质腔体和设置于腔体内的中空纤维膜。所述膜过滤还可以借助储液设施，微藻培养液在中空纤维膜和储液设施中循环流动，并通过中空纤维膜两端的压力差使部分液体透过中空纤维膜流出得到透过液。所述微藻培养液可以借助循环泵进入膜过滤设备流经中空纤维膜。
其中，所述腔体可以由各种常规的水不透过性硬质材料制得，如塑料、不锈钢等。
在优选的实施方式中，所述腔体以滤膜垂直于水平面的方式设置，使得滤膜更不易被堵塞。
本发明提供的循环培养微藻的系统包括微藻培养单元和用于收集微藻培养单元产生的微藻的微藻采收单元，其特征在于，所述微藻采收单元包括膜过滤设备和任选的干燥设备，所述膜过滤设备包括水不透过性硬质腔体和设置于腔体内的滤膜；所述腔体设置有进料口和出料口使得藻液能够被循环地引入所述腔体中，且藻液流经滤膜时，微藻培养液中的部分液体透过滤膜，从而在滤膜两侧分别得到透过液和浓缩的藻液；所述微藻采收单元的出料口与微藻培养单元的进料口相连，使得微藻采收单元得到的透过液能够被回用至微藻培养单元，所述滤膜的截留分子量≤30kDa，优选为5-30kDa，更优选为30kDa。
根据本发明，所述微藻采收单元为采收微藻的单元，而本发明通过使用膜过滤设备作为采收的主要装置能够实现微藻养殖水体的循环利用并节省采收所需的能耗。所述膜过滤设备可以为本领域常见的各种设备，只要使其中配置的膜组件的截留分子量满足上述要求且藻液能够以连续循环的方式流经滤膜即可。所述干燥设备可以为本领域常规使用的干燥设备，例如喷雾干燥设备。
根据本发明的优选实施方式，所述微藻采收单元还包括储液设施和/或用于控制膜两侧压差的压力调控设备，水不透过性硬质腔体的进料口和出料口分别与储液设施相连从而形成循环的回路。如前所述，将收获的微藻培养液引入储液设施；然后使微藻培养液在膜过滤设备与储液设施之间循环，控制滤膜两侧的压力差，使微藻培养液中的部分液体透过滤膜，在滤膜两侧分别得到透过液和浓缩的藻液。所述微藻培养液可以借助循环泵进入膜过滤设备流经滤膜。
其中，所述腔体可以由各种常规的水不透过性硬质材料制得，如塑料、不锈钢等。
如前所述，在优选的实施方式中，所述腔体以滤膜垂直于水平面的方式设置，使得滤膜更不易被堵塞。所述滤膜优选为中空纤维膜。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
藻液光密度值(OD680)测定：光密度值用分光光度计测定，以蒸馏水作对照，测定藻液在波长680nm处的吸光值，作为藻细胞浓度的指标。
BG11培养基：初始培养时氮源为BG11培养基中NaNO3，养殖过程中补加HNO3作为氮源。
膜过滤单元包括：水不透过性硬质腔体(垂直放置的管状体)、设置于腔体内的垂直于水平面的滤膜(中空纤维膜)和储液设施(储液罐)，所述腔体设置有进料口和出料口使得藻液能够被循环地引入所述腔体中，且藻液流经滤膜时，微藻培养液中的部分液体透过滤膜，从而在滤膜两侧分别得到透过液和浓缩的藻液；所述微藻采收单元的出料口与微藻培养单元的进料口相连，使得微藻采收单元得到的透过液能够被回用至微藻培养单元；膜过滤的具体方式为：将收获的微藻培养液引入储液设施；然后使微藻培养液在膜过滤设备与储液设施之间循环，控制滤膜两侧的压力差，使微藻培养液中的部分液体透过滤膜，在滤膜两侧分别得到透过液和浓缩的藻液。
喷雾干燥借助YC-015实验型喷雾干燥机实施，条件为：进风温度200℃，出风温度80℃，进样速度为80mL/h。
BG11培养基的成分如下：
微量元素A5含如下成分：
实施例1
小球藻藻种购于中国科学院水生生物研究所，BG11培养基培养。藻种在含5g/L葡萄糖的BG11培养基中诱导2d，然后接入5L的含3L BG11培养基的光照发酵罐中无菌兼养养殖，接种后藻液OD680控制在1左右，养殖条件为：温度28℃、通气量约0.9vvm、搅拌转速约280rpm、光照强度6000lux、光暗周期12h:12h，加入抗生素控制细菌生长(卡那霉素50mg/L和氯霉素10mg/L)，并加入0.1体积％的消泡剂(乳化硅油)。养殖过程中，对细胞密度(以680nm处的吸光度OD680为指标)进行监测，根据微藻的生长状态补加营养盐，从而控制葡萄糖浓度为5-10g/L，补加的氮源为HNO3，HNO3补加量使得藻液pH控制在7.5-9之间。养殖3d后取出90体积％藻液(以干重计的微藻含量为22.5g/L)进入膜过滤单元。
膜过滤单元的入口压力0.1MPa，出口压力0.05MPa，膜的截留分子量30kDa，过滤后得到透过液和藻液浓缩液(以干重计的微藻含量为97.5g/L)，透过液直接回用，浓缩液进行喷雾干燥，获得微藻产品。
透过液直接加入到5L发酵罐中，以上次取样剩余的10体积％藻液为藻种，补充营养盐、抗生素和消泡剂后继续养殖，其中氮源为HNO3，养殖条件同上，养殖过程中根据微藻的生长情况补充营养盐和HNO3，养殖3d后，取出90体积％藻液进入膜过滤单元，重复上述步骤。
小球藻生长曲线如图1所示。
对比例1
小球藻养殖条件同实施例1，不同之处是，藻液从发酵罐中取出后，在无菌条件下离心，4500r/min离心15min，然后上清液倒回发酵罐中继续微藻养殖实验。小球藻生长曲线如图2所示。
对比例2
小球藻养殖条件同实施例1，不同之处是，膜的截留分子量为40kDa，小球藻生长曲线如图2所示。第一次养殖结束后进行膜过滤，藻液以干重计的微藻含量为19.4g/L，膜过滤后的浓缩液以干重计的微藻含量为100.8g/L。
实施例2
栅藻购于中国科学院水生生物研究所，BG11培养基培养。在5L三角瓶中加入3LBG11培养基，然后接种，接种后OD680控制为约0.8，养殖条件为：温度28℃、通气量0.8-1vvm、光强6000lux、光暗周期12h:12h，养殖过程中，对细胞密度(以680nm处的吸光度OD680为指标)进行监测，补充HNO3和其他营养盐，pH控制在7-8之间，养殖7d后取出80体积％的藻液(以干重计的微藻含量为1.2g/L)进行膜过滤。膜过滤单元入口压力0.1MPa，出口压力0.05MPa，膜的截留分子量30kDa。膜过滤后的浓缩液(以干重计的微藻含量为87g/L)进行喷雾干燥，获得微藻产品。将透过液倒回三角瓶中并以取样剩余藻液(20体积％)为藻种继续养殖，养殖过程中根据微藻的生长情况补充营养盐和HNO3，重复上述操作。
栅藻生长曲线如图3所示。
对比例3
栅藻养殖条件同实施例2，不同之处是，藻液从发酵罐中取出后，在无菌条件下离心，在4500r/min离心15min，然后上清液倒回发酵罐中继续微藻养殖实验。栅藻的生长曲线如图4所示。
对比例4
栅藻养殖条件同实施例2，不同之处是，膜的截留分子量为40kDa，栅藻生长曲线如图4所示，第一次养殖结束后进行膜过滤，藻液以干重计的微藻含量为1.4g/L，膜过滤后的浓缩液以干重计的微藻含量为98.3g/L。
实施例3
按照实施例1的方式培养小球藻，不同的是，取70体积％的藻液(以干重计的微藻含量为19.7g/L)进入膜过滤单元。膜过滤后的浓缩液以干重计的微藻含量为87.9g/L，小球藻生长曲线如图5所示。
实施例4
小球藻养殖条件同实施例1，不同之处是，微藻养殖过程中补加KNO3作为氮源，小球藻生长曲线如图1所示，第一次养殖结束后进行膜过滤，藻液以干重计的微藻含量为22.6g/L，膜过滤后的浓缩液以干重计的微藻含量为107.4g/L。
实施例5
栅藻养殖条件同实施例2，不同之处是，微藻养殖过程中补加KNO3作为氮源，栅藻生长曲线如图3所示，进行膜过滤的藻液以干重计的微藻含量为1.3g/L，膜过滤后的浓缩液以干重计的微藻含量为94.8g/L。
对本发明的培养方法和常规的离心方法的能耗进行统计可以得出，本发明的方法的能耗仅为离心方法的一半或更低，因此本发明的方法具有能耗低的优势。
通过以上结果可以看出，采用本发明方法能够在能耗较低的情况下获得较高产量的微藻生物质。而且，在循环300h(即进行4个循环)后，本发明仍能够获得较高的微藻产量，说明即使将养殖水体循环，仍能够实现稳定生产，且滤膜仍能够有效实现膜过滤，未发生堵塞。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种循环培养微藻的方法，其特征在于，该方法包括：
(1)对微藻进行培养，获得微藻培养液；
(2)将步骤(1)收获的微藻培养液在设有膜过滤设备的回路中循环，微藻培养液流经膜过滤设备中的滤膜时，微藻培养液中的部分液体透过滤膜，从而在滤膜两侧分别得到透过液和浓缩的藻液；将所述透过液回用至步骤(1)；其中，滤膜的截留分子量≤30kDa。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，培养的条件包括：温度为15-40℃，光照强度为1000-200000lux，pH值为6.5-10，通气量为0.5-1.5vvm。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述微藻为蓝藻或绿藻，优选为小球藻、单针藻、栅藻或螺旋藻。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(1)中，培养结束时，留下部分微藻培养液作为藻种进行下一轮的微藻培养，其余的微藻培养液进行步骤(2)；优选地，留下10-20体积％的微藻培养液作为藻种进行下一轮的微藻培养，其余的微藻培养液进行步骤(2)。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述微藻培养液在设有膜过滤设备的回路中循环的方式为：当步骤(1)的培养结束时，将收获的微藻培养液引入储液设施；然后使微藻培养液在膜过滤设备与储液设施之间循环，控制滤膜两侧的压力差为0.03-0.15MPa，使微藻培养液中的部分液体透过滤膜，在滤膜两侧分别得到透过液和浓缩的藻液。
6.根据权利要求1或5所述的方法，其中，所述滤膜为中空纤维膜。
7.一种循环培养微藻的系统，该系统包括微藻培养单元和用于收集微藻培养单元产生的微藻的微藻采收单元，其特征在于，所述微藻采收单元包括膜过滤设备和任选的干燥设备，所述膜过滤设备包括水不透过性硬质腔体和设置于腔体内的滤膜；所述腔体设置有进料口和出料口使得藻液能够被循环地引入所述腔体中，且藻液流经滤膜时，微藻培养液中的部分液体透过滤膜，从而在滤膜两侧分别得到透过液和浓缩的藻液；所述微藻采收单元的出料口与微藻培养单元的进料口相连，使得微藻采收单元得到的透过液能够被回用至微藻培养单元，所述滤膜的截留分子量≤30kDa。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述微藻采收单元还包括储液设施和/或用于控制膜两侧压差的压力调控设备，水不透过性硬质腔体的进料口和出料口分别与储液设施相连从而形成循环的回路。
9.根据权利要求7或8所述的系统，其中，所述腔体以滤膜垂直于水平面的方式设置。
10.根据权利要求7或8所述的系统，其中，所述滤膜为中空纤维膜。
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