專利名稱：一種高pH誘導、耦合二氧化碳減排的微藻采收新方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種微藻培養(yǎng)物的采收方法，具體涉及一種高PH誘導、耦合二氧化碳減排的微藻采收新方法。
背景技術：
微藻營養(yǎng)豐富，富含蛋白質、維生素和多不飽和脂肪酸等物質，在保健食品、生物餌料、醫(yī)藥、以及生物燃料等工業(yè)領域有著極好的應用前景。然而，目前阻礙微藻產業(yè)發(fā)展的關鍵問題是培養(yǎng)生產成本過高，而采收成本是限制微藻培養(yǎng)成本的主要因素之一。在微藻培養(yǎng)中，通過化學絮凝法，即向培養(yǎng)物中添加少量可使細胞絮凝的大分子或小分子化合物，濃縮細胞，進而對濃縮細胞離心或過濾實現細胞收集，是目前最常用的采收方法。雖然 該方法對微藻細胞具有較高的濃縮效率，但化學絮凝劑要么絮凝劑自身成本太高而抵消了絮凝濃縮細胞所降低的成本，要么對人體或動物具有毒副產物而妨礙微藻生物質資源的后續(xù)利用開發(fā)，要么對微藻細胞生長具有毒害或抑制作用使采收后的培養(yǎng)基(上清液)難以循環(huán)用于微藻養(yǎng)殖，造成了培養(yǎng)基的浪費。而在微藻大規(guī)模培養(yǎng)中，由于加入化學絮凝劑，而所有絮凝劑至少都會抑制培養(yǎng)微藻的生長，因而采收后的培養(yǎng)基勢必被大規(guī)模排放，將會導致嚴重的環(huán)境問題，其中包括絮凝劑帶來的環(huán)境安全問題和培養(yǎng)基營養(yǎng)成分帶來的富營養(yǎng)化問題。因此，綜上所述，化學絮凝法在微藻采收技術上的進一步推廣和放大收到了極大得限制。而通過電、磁、超聲波等物理方法建立的微藻采收技術不僅存在效率偏低、耗能較高等問題，尚未建立成熟的技術。因此，開發(fā)出一種綠色高效的微藻采收預處理方法是微藻產業(yè)化進一步發(fā)展所必須解決的問題。近年來，有報道稱可以通過大量補充堿液而快速提高培養(yǎng)物的pH，有效誘導培養(yǎng)物中藻細胞的絮凝濃縮、實現低能耗采收，采收后的高PH培養(yǎng)基(上清液)可通過加酸中和培養(yǎng)基而使培養(yǎng)基可以循環(huán)利用。該方法的仍然存在較高成本問題，但由于目前培養(yǎng)的多數單細胞微藻的最佳生長的PH范圍接近中性(6. 5-7. 5)，因此，加堿誘導的成本較高，而采收后的中和PH所大量加入的酸包括鹽酸、硫酸或二氧化碳，又會增加新的成本。同時，該方法若使用鹽酸和硫酸中和高PH采收上清液，雖然可在一定程度上減少培養(yǎng)基的排放，循環(huán)利用培養(yǎng)基，但隨著循環(huán)時間延長，可大幅度提高培養(yǎng)物中的鹽度，抑制細胞的生長。加入二氧化碳似乎是其中較為合理的選擇，可以在不改變鹽度的情況下補充碳源，但添加堿液的成本仍然較高，而二氧化碳溶入水中后為弱酸，添加量大，而且酸化終點為適宜微藻生長的pH (6. 5-7. 5)，在該范圍內，溶入培養(yǎng)基的CO2會大量溢出，導致碳源浪費。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種能使微藻自動沉降，低成本、高效補碳、綠色環(huán)保且有利藻細胞長期培養(yǎng)生長的高PH誘導、耦合二氧化碳減排的微藻采收新方法。本發(fā)明的高pH誘導、耦合二氧化碳減排的微藻采收新方法采用了高pH誘導下藻體自動沉降，為隨后的藻體離心分離提供了高濃度的藻液，不僅有效的降低了以往采收過程中的高耗能問題，而且也不會對下游處理工藝造成影響。同時在分離得到的高堿上清液中采用耦合CO2減排補碳技術，不僅使得高堿上清液可循環(huán)用于微藻培養(yǎng)，而且也提高了CO2補碳的傳質效率(酸性CO2氣體在堿性溶液中傳質效率高)，大大降低了微藻工業(yè)化生產成本和肥料成本，從而實現了本發(fā)明的目的。本發(fā)明的高pH誘導、耦合二氧化碳減排的微藻采收新方法，其特征在于，選擇最佳生長pH值在8. 2彡pH彡12. 3范圍、適應高堿性、以HC03_為主要碳源并具良好的pH漂移特性的微藻作為藻種，用微藻的培養(yǎng)基對其進行常規(guī)培養(yǎng)，所述的培養(yǎng)基中的無機碳源以HC03_為主，培養(yǎng)基的起始pH ^ 8. 2，在培養(yǎng)過程中用CO2控制培養(yǎng)體系的pH值為8. 2^9. 5之間，當微藻細胞濃度達到適宜采收濃度后，停止補充CO2不再控制培養(yǎng)體系的pH值，在微藻細胞光合固碳作用的驅動下或既在微藻細胞光合固碳作用的驅動下又添加堿液使培養(yǎng)物的PH值上升至pHl(Tl2. 3之間，誘導微藻細胞自沉降，微藻細胞沉淀濃縮于培養(yǎng)容器底部，上層培養(yǎng)液逐步澄清，將下層微藻細胞沉淀與上層高堿上清液分離，由此得到沉淀的微藻細胞和高堿上清液，再在高堿上清液中補入CO2將其pH值降低到適宜微藻生長的pH值水平，同時補充由于微藻細胞生長而消耗的其他營養(yǎng)物質而作為新的培養(yǎng)基進行循環(huán)利用 培養(yǎng)微藻。所述的選擇最佳生長pH值在8. 2彡pH彡12. 3范圍、適應高堿性、以HC03_為主要碳源并具良好的PH漂移特性的微藻作為藻種，其藻種優(yōu)選為嗜堿綠球藻(ChlOTococcumalkaliphilus)MC_l 株系,該嗜喊綠球藻(Chlorococcum alkaliphilus)MC_l 株系在文獻向文洲，謝科，吳華蓮，何慧，肖偉，一種綠藻分離物的顯微研究，[J].熱帶海洋學報，2007，26 (2),65 68中公開過。該嗜喊綠球藻(Chlorococcum alkaliphilus) MC-1株系本申請人也持有，保證自申請日起20年內向公眾提供。所述的微藻的培養(yǎng)基是常規(guī)的微藻培養(yǎng)基，只是其無機碳源以HC03_為主。可以采用海水、人工海水、淡水、咸淡水、淡水、堿湖水、鹽湖水或鹽田鹵水為基礎配制，培養(yǎng)基的無機碳源以HC03_為主，添加濃度彡O.1mM ;培養(yǎng)物起始pH彡8. 2，培養(yǎng)基鹽度范圍為質量體積分數0-300%。。培養(yǎng)基中無機氮源可以是硝態(tài)氮、銨態(tài)氮或尿素中的任何I種或3者之間的任一組合，添加濃度為(T200mM。培養(yǎng)基中添加磷酸和磷酸鹽為無機磷源，添加濃度為0^2000 μ M0培養(yǎng)基中鐵元素是二價或三價無機鐵鹽，添加濃度為(Γ200 μ Μ。然后在上述培養(yǎng)基中根據需要添加必要的有機物，主要包括有機酸、糖類、肽類、氨基酸、核苷酸、生物堿等富含碳、氮元素的有機物或富含碳、氮、磷等元素的農業(yè)、養(yǎng)殖、生物制品加工、食品工業(yè)、發(fā)酵工業(yè)等行業(yè)的廢水、廢渣。優(yōu)選為ZSNT培養(yǎng)基(現有技術中的培養(yǎng)基，其配方見向文洲，謝科，吳華蓮，何慧，肖偉，一種綠藻分離物的顯微研究，[J].熱帶海洋學報，2007，26
(2)，65 68)，其 NaHCO3 為 5g/L。微藻培養(yǎng)容器或設施包括跑道池、圓池及柱式、管式、平板式、罐式、袋式等任何形狀或結構的光生物反應器，培養(yǎng)物采用葉輪攪拌機、懸臂式攪拌機、鼓泡充氣等方式攪拌，培養(yǎng)光源為太陽光、LED燈、白熾燈、光管。微藻接種后，先米用一步培養(yǎng)法使培養(yǎng)物生物量(干重)濃度達到可采收的范圍(0. SlOgL—1)，然后采用半連續(xù)培養(yǎng)方式不斷同步進行間歇采收、間歇補充營養(yǎng)物并間歇循環(huán)利用培養(yǎng)基。本發(fā)明的下層微藻細胞沉淀與上層高堿上清液分離可以采用傾析法或水泵抽取法轉入其他容器或水池中，濃縮的下層微藻細胞沉淀通過水泵轉入采收容器收集，重復操作自然沉降-上清液轉移，進一步濃縮微藻細胞，或實現采收細胞的沖洗(去掉營養(yǎng)鹽等雜質)，自沉降性能好的微藻細胞可直接形成較干的藻泥，可直接用于下游產品的利用開發(fā)，自沉降效果較差或略差的細胞，可通過離心、過濾等方法進一步濃縮，然后轉入下游產品的利用與開發(fā)。本發(fā)明以耐高堿、最佳生長pH值范圍為8. 2彡pH彡12. 3、以碳酸氫根離子為主要碳源并具良好的PH漂移特性的藻株為微藻規(guī)?；囵B(yǎng)的藻種。該類藻種在培養(yǎng)過程中，每利用I個碳酸根離子，將釋放一個0H_，從而使得培養(yǎng)物pH逐步上升，生長越快，pH上升越快，生物量積累越多，PH值越高，當培養(yǎng)物由于微藻細胞光合生長所導致的pH漂移使培養(yǎng)物pH值超過8. 2-9. 5范圍時，向培養(yǎng)物中連續(xù)或間歇補充二氧化碳，使培養(yǎng)物的pH穩(wěn)定在8. 2^9. 5之間的適宜范圍，當細胞濃度達到適宜采收濃度后，停止補充二氧化碳，使培養(yǎng)物的PH值在光合固碳作用的驅動下上升，并停止攪拌，當ρΗΙΟ. (Γ12. 3時，微藻細胞即出現自沉降，待培養(yǎng)物中大部分微藻細胞下沉濃縮后，收集高堿上清液，底部沉降濃縮的微藻細胞可進一步自沉降或通過離心濃縮獲得藻泥。對于PH漂移幅度不夠高(pH9-9.5)的藻種培養(yǎng)物，補充少量堿液(如Na0H，K0H等溶液)即可達到細胞自沉降的要求(pH10-10. 5)。根據水體中碳酸鹽化學平衡原理，如果平衡體系中的任一條件發(fā)生改變后，平衡就向削弱這 些改變的方向移動。而當向分離得到的高堿上清液中通入CO2時，上清液中CO2濃度的升高將導致碳酸鹽平衡體系向減少溶液中CO2濃度的方向進行，溶液pH下降，但由于酸化終點pH為藻種的適宜生長的pH范圍(pH ^ 8.2),而在這個pH范圍內，溶入培養(yǎng)基中CO2的主要以HC03_形式存在，既有利于微藻的培養(yǎng)，又可防止過低pH所造成的CO2外逸泄露，因此，98-100%的CO2以碳酸氫根離子的形式存在于培養(yǎng)基中，相當于向培養(yǎng)基中補回了生長所消耗的碳源。因此，本項發(fā)明基于耐高堿的藻種、利用其PH漂移機制，大幅度減少或避免了文獻報道中提高PH所需的堿液添加，通過二氧化碳補充和酸化pH終點的控制，避免溶入二氧化碳的逃逸，補充二氧化碳(酸化處理)后的培養(yǎng)物理化條件沒有明顯的改變，培養(yǎng)基可以長期循環(huán)使用，有效避免了化學絮凝法采收所帶來的對藻細胞的抑制或毒害，難以循環(huán)使用及所衍生的嚴重環(huán)境安全性等問題。因此本發(fā)明利用高pH誘導微藻細胞自沉降，高效濃縮藻細胞，實現高效低成本采收；耦合CO2減排的補碳技術，利用采收后的高堿上清液高效吸收酸性氣體CO2,使高堿上清液的PH降低到適合微藻生長的水平(pH ^ 8. 2)，實現培養(yǎng)基的高效補碳，保障采收后上清液的循環(huán)利用，大大降低微藻大規(guī)模養(yǎng)殖中的采收成本和肥料成本。
具體實施例方式以下實施例是對本發(fā)明的進一步說明，而不是對本發(fā)明的限制。以下實施例中的嗜堿綠球藻(Chlorococcum alkaliphilus) MC-1株系,其最佳生長PH值范圍為8. 2彡pH彡12. 3、適應高堿性、以HC03_為主要碳源并具良好的pH漂移特性，以其作為藻種。實施例1 :嗜堿綠球藻(Chlorococcum alkaliphilus) MC-1株系來自于中國科學院南海海洋研究所，以其作為藻種，培養(yǎng)基以ZSNT為基礎進行修改，NaHCO3修改為SgL—1，其他相同，培養(yǎng)基起始pH值為8. 2。用3L三角瓶加入2L培養(yǎng)基，再接種藻種，接種后的培養(yǎng)物OD7tltl為0. 2，光照強度為100 μ EnT2s—1，培養(yǎng)溫度25°C，光照周期為14h:10h (光暗)。在光照情況下，每隔4個小時搖勻一次，并檢測藻液pH，若pH達到9. 5-10，通入CO2將培養(yǎng)基調到PH8. 2-8. 5后，停止補充CO2,如此反復，控制培養(yǎng)基的pH值為8. 2^9. 5之間。藻液培養(yǎng)到7天，藻細胞濃度達到待采收的水平O. 8g/L，停止補充CO2,不再加以控制藻液的pH，培養(yǎng)基中PH逐漸升高，藻細胞開始沉降，經12小時沉降后，藻體沉降率達95% (100%減去上清液中殘留的藻體百分比)。隨后將上清液通過傾倒的方式轉移至另一個三角瓶，將在底部的藻細胞收集在離心管中，離心(5000rpm, IOmin )進行進一步的濃縮,收集得到藻泥。對分離的高堿上清液進行二氧化碳補充，將PH降低到合適的水平(pH8. 2)，同時補充O. 4gL_NaN03，隨后在已補充二氧化碳和NaNO3的培養(yǎng)基中接種藻液，培養(yǎng)物OD7tltl為O. 2，按照上述的培養(yǎng)條件進行培養(yǎng)，培養(yǎng)基 循環(huán)利用。與傳統(tǒng)的離心采收法相比，本實施例通過高pH誘導采收法節(jié)約了大約20倍的采收成本。實施例2嗜堿綠球藻(Chlorococcum alkaliphilus)MC_l株系來自于中國科學院南海海洋研究所，以其作為藻種，培養(yǎng)基以ZSNT為基礎進行修改，NaHC03修改為SgL'培養(yǎng)基起始pH值為8. 2。用20L玻璃缸反應器加入9. 6L培養(yǎng)基，即在9. 6L培養(yǎng)基中接入6. 4L嗜堿綠球藻(Chlorococcum alkaliphilus) MC-1藻液(用本實施例的培養(yǎng)基培養(yǎng)的),接種后的培養(yǎng)物OD7tltl為0. 3,室外自然光培養(yǎng)。在光照情況下,每隔4個小時攪拌一次,并檢測藻液pH,若pH達到9. 5-10，通入CO2將培養(yǎng)基調到pH8. 2-9后，停止補充C02，如此反復，控制培養(yǎng)基的pH值為8. 2^9. 5之間。藻液培養(yǎng)3天，藻細胞濃度達到待采收的水平lg/L，停止補充C02，不再加以控制藻液的PH，培養(yǎng)基中pH逐漸升高，藻細胞開始沉降，取出6升藻液于采收容器中，隔夜沉降后，藻體沉降率達98% (100%減去上清液中殘留的藻細胞百分比)。第二天將上清液轉移另一個采收容器，將沉淀在底部的藻細胞收集起來，進一步自然沉降后，收集得到高度濃縮的藻泥(8%干重)。對分離的高堿上清液進行二氧化碳補充，將pH降低到合適的水平(PH8. 2)，同時補充0. 4gL_NaN0dP少量磷、鐵元素，將加入NaNOjP少量磷、鐵元素的培養(yǎng)基轉入未采收的培養(yǎng)箱中，按照上述的培養(yǎng)條件進行培養(yǎng)，實現培養(yǎng)基循環(huán)利用。在陽光充足的情況下，采收后每隔2天又可采收，循環(huán)培養(yǎng)-采收-培養(yǎng)基循環(huán)這一過程，實現了 2個月的半連續(xù)培養(yǎng)和采收。本實施例與傳統(tǒng)的離心采收法相比，通過高pH誘導采收法節(jié)約了大約22倍的采收成本。
權利要求
1.一種高pH誘導、耦合二氧化碳減排的微藻采收新方法，其特征在于，選擇最佳生長pH值在8. 2彡pH彡12. 3范圍、適應高堿性、以HC03_為主要碳源并具良好的pH漂移特性的微藻作為藻種，用微藻的培養(yǎng)基對其進行常規(guī)培養(yǎng)，所述的培養(yǎng)基中的無機碳源以HC<V為主，培養(yǎng)基的起始pH ^ 8. 2，在培養(yǎng)過程中用CO2控制培養(yǎng)體系的pH值為8. 2^9. 5之間，當微藻細胞濃度達到適宜采收濃度后，停止補充CO2不再控制培養(yǎng)體系的pH值，在微藻細胞光合固碳作用的驅動下或既在微藻細胞光合固碳作用的驅動下又添加堿液使培養(yǎng)物的PH值上升至PHlO 12. 3之間，誘導微藻細胞自沉降，微藻細胞沉淀濃縮于培養(yǎng)容器底部，上層培養(yǎng)液逐步澄清，將下層微藻細胞沉淀與上層高堿上清液分離，由此得到沉淀的微藻細胞和高堿上清液，再在高堿上清液中補入CO2將其pH值降低到適宜微藻生長的pH值水平，同時補充由于微藻細胞生長而消耗的其他營養(yǎng)物質而作為新的培養(yǎng)基進行循環(huán)利用培養(yǎng)微藻。
2.根據權利要求1所述的高PH誘導、耦合二氧化碳減排的微藻采收新方法，其特征在于，所述的藻種為嗜堿綠球藻(Chlorococcum alkaliphilus) MC-1株系。
3.根據權利要求1所述的高PH誘導、耦合二氧化碳減排的微藻采收新方法，其特征在于，所述的培養(yǎng)基中的HCO3-,其濃度彡0.1mM。
4.根據權利要求1所述的高PH誘導、耦合二氧化碳減排的微藻采收新方法，其特征在于，所述的培養(yǎng)基為改良ZSNT培養(yǎng)基，其NaHCO3為5g/L，其他與ZSNT培養(yǎng)基成分相同。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高pH誘導、耦合二氧化碳減排的微藻采收新方法。本發(fā)明利用高pH誘導微藻細胞自沉降，高效濃縮藻細胞，實現低高效成本采收；耦合CO2減排的補碳技術，利用采收后的高堿上清液高效吸收酸性氣體CO2，使高堿上清液的pH降低到適合微藻生長的水平(pH≥8.2)，實現培養(yǎng)基的高效補碳，保障采收后上清液的循環(huán)利用，大大降低微藻大規(guī)模養(yǎng)殖中的采收成本和肥料成本。
文檔編號C12R1/89GK103013833SQ20121058591
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月28日 優(yōu)先權日2012年12月28日
發(fā)明者張峰, 向文洲, 吳華蓮, 何慧, 蕭邶, 葉永輝, 范潔偉 申請人:中國科學院南海海洋研究所