連續培養與原位自絮凝採收微藻的方法及裝置的製作方法

2023-10-19 20:04:37

專利名稱：連續培養與原位自絮凝採收微藻的方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於微生物培養技術領域，涉及一種培養與採收微藻的方法，尤其涉及一種連續培養與原位自絮凝採收小球藻的方法；本發明同時還涉及一種連續培養與原位自絮凝採收小球藻的裝置。
背景技術：
藻類具有分布廣、生物量大、光合效率高、環境適應能力強、生長周期短、蛋白質和油脂含量高以及環境友好等突出特點。小球藻屬於單細胞綠藻，含有豐富的蛋白質、維生素、礦物質、食物纖維、核酸及葉綠素等，是維持和促進人體健康所不可缺少的營養素。小球藻具有增強人體免疫、防止病毒增殖、抑制癌細胞增殖、降低血清膽固醇含量、排毒等功能。小球藻為世界上公認的健康食品，是全世界微藻產業中產量最大的品種。目前,微藻的培養方法主要有罐式、室外開放池、循環池、跑道池、室內密閉培養器和管式反應器等。微藻的大規模採收方法有離心法、絮凝沉澱法、過濾法和篩分法等。但是，這幾種方法均存在一些問題:在低密度培養時，離心法的動力成本較高；常規的絮凝法不僅要用到絮凝劑，而且採收後的培養液不能循環使用，生產成本較高，而且若使用化學絮凝劑，大量廢水會造成環境汙染；過濾法採收微藻時，容易造成濾布堵塞；篩分法只適用於個體較大的微藻。大規模採收小球藻的難點主要在於:(1)培養液中藻細胞的密度一般較低，若要獲得一定規模的藻體，必須要大量培養，因此，培養液的處理量非常大。(2)小球藻細胞的個體比較小，一般只有:Tsil m，因而一般的固液分離方法不太適用。(3)小球藻濃度達到一定值時，黏度很大造成分離困難。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術中存在的問題，提供一種低成本、高效率、培養液可循環利用的連續培養與原位自絮凝採收小球藻細胞的方法。本發明的另一目的是提供一種連續培養與原位自絮凝採收小球藻的裝置。(—)連續培養與原位自絮凝採收小球藻的方法
本發明連續培養與原位自絮凝採收小球藻的方法，包括以下工藝步驟:
1、配製廢水培養基:在經靜止沉降、4(T100目過濾預處理的有機廢水中，添加相應的物質，配製成以下濃度組分的培養基:
氮源:0.25 1.5 g/L,磷源:0.05 0.25 g/L, NaHCO3:0.05 1.0 g/L, MgSO4 7H20:
0.075 0.15 g/L, CaCl2 2H20:25 100 mg/L, NaCl:25 500 mg/L, FeCl3 ■ 6H20:5 50 mg/L。所述氮源為KNO3、NaNO3或尿素。所述磷源為KH2PO4、K2HPO4、NaH2PO4 或 Na2HPO4。所述有機廢水為啤酒工業廢水、城市生活汙水、畜禽養殖廢水或食品加工廢水。調整上述廢水培養基的pH值為6.5 8.0，並採用微濾除菌或高壓蒸汽滅菌後待用。2、接種與培養微藻:在柱式反應器中，將培養至對數生長期的藻種細胞接入上述廢水培養基進行培養:接入溼重藻種細胞濃度為10(T500 mg/L，在自然光源照射下或控制光照強度為2000 10000 lux、光暗比為(8h 16h): (16h 8h)的光源照射下,控制攪拌轉速為150 300 r /min ;通入空氣或空氣與CO2的混合氣體，通氣量控制在為200 1200 ml/min ;調節培養液的pH在7.(T9.0，在培養溫度2(T35°C下培養6 12天。所述藻種為小球藻屬的微藻品種。所述空氣與CO2的混合氣體中，CO2的體積分數為I 9T10 %。3、採收微藻:培養結束後，用鹼液調節培養液的pH值在If 13，並以15(T300 r/min的轉速攪拌處理5 15min ;停止攪拌後自然靜置沉降，使藻種細胞自然沉降至柱式反應器的底部，待沉降完全後從底部閥門分離沉降的藻漿。調整pH所用的鹼液為NaOH或K0H，鹼液濃度為I mol/L至飽和；而且不同批次處理中交替使用不同種類的鹼液。4、微藻的連續培養與採收:沉降上清液用酸液調整pH值至6.5^8.0，在其中補加相應的物質，使培養基的濃度組分同步驟(1)，並按步驟(2)、(3)的工藝進行連續接種、培養和採收。調整pH所用的酸液為硫酸、鹽酸、硝酸、檸檬酸或醋酸，酸液濃度為I mol/L至飽和；而且不同批次處理中交替使用不同種類的酸液。(二)連續培養與原位自絮凝採收微藻的裝置
一種連續培養與原位自絮凝採收微藻的裝置，包括柱式反應器，該柱式反應器的底部為倒錐體，並在倒錐體的底端設 有排藻閥；柱式反應器的下部設置有通氣裝置和採樣閥；柱式反應器內中間部位設置有攪拌槳，該攪拌槳有安裝在攪拌機外部的電機傳動；柱式反應器的內壁設有加熱器，外周設置有光源；柱式反應器的上部設有營養鹽儲罐、PH電極、溫度傳感器(pH電極、溫度傳感器不與攪拌槳相撞)和接種口(同時作為調酸鹼口和尾氣出口)。所述通氣裝置包括設置在柱式反應器內的氣體分布器(為環形管，並在環形管設置有向上的通氣口)及安裝在柱式反應器外的通氣管路，該通氣管路內設置有濾膜或濾芯；並在通氣管路上設置有氣體轉子流量計。操作要點:先將微藻培養基注入柱式反應器中，按上述工藝要求通過接種口接入已培養好的藻種細胞；控制攪拌速度、PH值、溫度、光照強度、光周期和通氣量培養微藻；連續培養一定時間後，攪拌狀態下在培養液中加入鹼液調整其PH值，使藻細胞發生自絮凝沉降，停止攪拌，自然靜止沉降使藻細胞沉降完全，從柱底部的排藻閥門放出藻漿；再通過反應器頂部的接種口調整沉降後的培養上清液的PH值，並通過營養鹽補料口補加濃縮營養鹽母液(已滅菌)調整PH值後，繼續接入已培養好的藻種細胞，在相同條件下進行培養；如此反覆，實現了微藻的連續培養與原位自絮凝採收，解決了大規模培養微藻時的技術難題，降低了微藻的培養成本、提高了培養效率，同時實現了微藻培養液的重複利用。本發明相對現有技術具有以下優點:
1、通過鼓泡攪拌柱式光生物反應器培養微藻細胞，採用原位自絮凝沉降法分離藻細胞，並從柱下端錐體底部放出濃縮藻漿；再通過絮凝上清液中直接補料，可繼續培養藻細胞，實現了微藻的連續培養與原位自絮凝採收，降低了大規模培養微藻的成本，提高了微藻培養和採收的效率；
2、以有機廢水為主要基質配製微藻培養基，實現了廢水再利用，降低了培養基成本；
3、培養液的循環利用，大大降低了培養液的處理量，從而降低了處理廢水造成的環境汙染；
4、微藻的連續培養與原位自絮凝採收工藝簡單、操作方便，分離效率高；
5、微藻的連續培養與原位自絮凝採收設備結構簡單，成本低，適用範圍廣，具有產業化推廣應用的潛力。


圖1為本發明連續培養與原位自絮凝採收微藻裝置的結構示意圖。
具體實施例方式下面通過具體實施例對本發明微藻連續培養與原位自絮凝採收的裝置和工藝進一步說明。實施例一
1、微藻連續 培養與原位自絮凝採收裝置
微藻連續培養與原位自絮凝採收裝置(參照圖1 )，包括一個底部為倒錐體2 (錐體高1(T40 cm)的柱式反應器1(反應器的材質無色透明的有機玻璃；柱體為圓柱狀，柱內直徑為1(T40 cm，柱身高度為5(T200 cm);並在倒錐體的底端設有排藻閥4。柱式反應器I的下部設置有通氣裝置，給柱體內通入含一定比例CO2的無菌空氣，以實現供氣和CO2的生物固定。該通氣裝置包括設置在柱式反應器I內的氣體分布器12及安裝在柱式反應器外的通氣管路10，通氣管路內設置有濾膜或濾芯，並在通氣管路上還設置有氣體轉子流量計11。柱式反應器內的中軸上安裝有攪拌槳6，並由柱體外的電機7提供動力。柱式反應器的內壁設有加熱器14，對柱體內的物料進行控溫加熱，以保證工藝所需要的溫度。柱式反應器的外周設置有光源3 (LED人工光源)，以提供反應所需光照條件。柱式反應器的上部設有營養鹽儲罐5、pH電極8、溫度傳感器9 (pH電極8、溫度傳感器9的安放位置與葉片旋轉位置錯開)和接種口(13同時也是調酸鹼口和尾氣出口)。柱式反應器I的下部設有採樣閥15。2、微藻連續培養與原位自絮凝採收工藝
(1)普通小球藻(CX7ore77a vulgaris")種子的製備:以土壤浸出液培養基(SEM)作為普通小球藻的種子培養基，SEM組成如表I所示。表1:SEM培養基組成
權利要求
1.一種連續培養與原位自絮凝採收微藻的方法，包括以下工藝步驟: (1)配製廢水培養基:在經靜止沉降、40 100目過濾預處理的有機廢水中，添加相應的物質，配製成以下濃度組分的培養基:氮源:0.25 1.5 g/L，磷源:0.05 0.25 g/L, NaHCO3:0.05 1.0 g/L,MgSO4 *7H20:0.075 0.15 g/L, CaCl2 2H20:25 100 mg/L, NaCl:25 500 mg/L, FeCl3 · 6H20:5 50 mg/L ； 調整上述廢水培養基的pH值為6.5 8.0，並採用微濾除菌或高壓蒸汽滅菌後待用； (2)接種與培養微藻:在柱式反應器中，將培養至對數生長期的藻種細胞接入上述廢水培養基進行培養:接入溼重藻種細胞濃度為100 500 mg/L，在自然光源照射下或控制光照強度為2000 10000 lux、光暗比為(8h 16h): (16h 8h)的光源照射下,控制攪拌轉速為150 300 r /min ;通入空氣或空氣與CO2的混合氣體，通氣量控制在為200 1200ml/min ;調節培養液的pH在7.0 9.0，在培養溫度20 35°C下培養6 12天； (3)採收微藻:培養結束後，用鹼液調節培養液的pH值在11 13，並以150 300r/min的轉速攪拌處理5 15min ;停止攪拌後自然靜置沉降，使藻種細胞自然沉降至柱式反應器的底部，待沉降完全後從底部閥門分離沉降的藻漿； (4)微藻的連續培養與採收:沉降上清液用酸液調整pH值至6.5 8.0，在其中補加相應的物質，使培養基的濃度組分同步驟(I)，並按步驟(2)、(3)的工藝進行連續接種、培養和米收。
2.按權利要求1所述連續培養與原位自絮凝採收微藻的方法，其特徵在於:步驟(I)所述有機廢水為啤酒工業廢水、城市生活汙水、畜禽養殖廢水或食品加工廢水。
3.按權利要求1所述連續培養與原位自絮凝採收微藻的方法，其特徵在於:步驟(I)所述氮源為KNO3、NaNO3或尿素。
4.按權利要求1所述連續培養與原位自絮凝採收微藻的方法，其特徵在於:步驟(I)所述磷源為 KH2PO4、K2HPO4、NaH2PO4 或 Na2HPO4。
5.按權利要求1所述連續培養與原位自絮凝採收微藻的方法，其特徵在於:步驟(2)所述藻種為小球藻屬的微藻品種。
6.按權利要求1所述連續培養與原位自絮凝採收微藻的方法，其特徵在於:步驟(2)中所述空氣與CO2的混合氣體中，CO2的體積分數為I % 10 %。
7.按權利要求1所述連續培 養與原位自絮凝採收微藻的方法，其特徵在於:步驟(3)中，調整pH所用的鹼液為NaOH或K0H，鹼液濃度為I mol/L至飽和；而且不同批次處理中交替使用不同種類的鹼液。
8.按權利要求1所述連續培養與原位自絮凝採收微藻的方法，其特徵在於:步驟(4)中，調整PH所用的酸液為硫酸、鹽酸、硝酸、檸檬酸或醋酸，酸液濃度為I mol/L至飽和；而且不同批次處理中交替使用不同種類的酸液。
9.一種連續培養與原位自絮凝採收微藻的裝置，包括柱式反應器(I )，其特徵在於:所述柱式反應器的底部為倒錐體(2)，並在倒錐體的底端設有排藻閥(4);柱式反應器的下部設置有通氣裝置和採樣閥(15);柱式反應器內中間部位設置有攪拌槳(6);柱式反應器的內壁設有加熱器(14)，外周設置有光源(3);柱式反應器的上部設有營養鹽儲罐(5)、pH電極(8)、溫度傳感器(9)和接種口(13)。
10.按權利要求9所述連續培養與原位自絮凝採收微藻的裝置，其特徵在於:所述通氣裝置包括設置在柱式反應器內的氣體分布器(12)及安裝在柱式反應器外的通氣管路(10)，所述通氣管路(10)內設置有濾膜或濾芯；並在通氣管路(10)上還設置有氣體轉子流量計( 11)。
全文摘要
本發明提供了一種連續培養與原位自絮凝沉降法採收微藻的方法及裝置，屬於微生物培養技術領域。本發明通過鼓泡攪拌柱式光生物反應器培養微藻細胞，採用原位自絮凝沉降法分離藻細胞，並從柱下端錐體底部放出濃縮藻漿；再通過絮凝上清液中直接補料繼續培養藻細胞，可同時實現有機廢水的再利用、CO2的生物固定、微藻的連續培養與分離，降低了大規模培養微藻的成本，提高了培養和採收的效率；培養液的循環利用使其處理量大大降低；微藻培養和採收工藝簡單、操作方便；設備結構簡單，成本低，適用範圍廣，具有產業化推廣應用的潛力。
文檔編號C12N1/12GK103087919SQ20131001570
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月16日 優先權日2013年1月16日
發明者孔維寶, 劉娜, 張繼, 牛世全, 楊紅, 曾家豫 申請人:西北師範大學