专利名称：一种高pH诱导、耦合二氧化碳减排的微藻采收新方法
技术领域：
本发明涉及一种微藻培养物的采收方法，具体涉及一种高PH诱导、耦合二氧化碳减排的微藻采收新方法。
背景技术：
微藻营养丰富，富含蛋白质、维生素和多不饱和脂肪酸等物质，在保健食品、生物饵料、医药、以及生物燃料等工业领域有着极好的应用前景。然而，目前阻碍微藻产业发展的关键问题是培养生产成本过高，而采收成本是限制微藻培养成本的主要因素之一。在微藻培养中，通过化学絮凝法，即向培养物中添加少量可使细胞絮凝的大分子或小分子化合物，浓缩细胞，进而对浓缩细胞离心或过滤实现细胞收集，是目前最常用的采收方法。虽然 该方法对微藻细胞具有较高的浓缩效率，但化学絮凝剂要么絮凝剂自身成本太高而抵消了絮凝浓缩细胞所降低的成本，要么对人体或动物具有毒副产物而妨碍微藻生物质资源的后续利用开发，要么对微藻细胞生长具有毒害或抑制作用使采收后的培养基(上清液)难以循环用于微藻养殖，造成了培养基的浪费。而在微藻大规模培养中，由于加入化学絮凝剂，而所有絮凝剂至少都会抑制培养微藻的生长，因而采收后的培养基势必被大规模排放，将会导致严重的环境问题，其中包括絮凝剂带来的环境安全问题和培养基营养成分带来的富营养化问题。因此，综上所述，化学絮凝法在微藻采收技术上的进一步推广和放大收到了极大得限制。而通过电、磁、超声波等物理方法建立的微藻采收技术不仅存在效率偏低、耗能较高等问题，尚未建立成熟的技术。因此，开发出一种绿色高效的微藻采收预处理方法是微藻产业化进一步发展所必须解决的问题。近年来，有报道称可以通过大量补充碱液而快速提高培养物的pH，有效诱导培养物中藻细胞的絮凝浓缩、实现低能耗采收，采收后的高PH培养基(上清液)可通过加酸中和培养基而使培养基可以循环利用。该方法的仍然存在较高成本问题，但由于目前培养的多数单细胞微藻的最佳生长的PH范围接近中性(6. 5-7. 5)，因此，加碱诱导的成本较高，而采收后的中和PH所大量加入的酸包括盐酸、硫酸或二氧化碳，又会增加新的成本。同时，该方法若使用盐酸和硫酸中和高PH采收上清液，虽然可在一定程度上减少培养基的排放，循环利用培养基，但随着循环时间延长，可大幅度提高培养物中的盐度，抑制细胞的生长。加入二氧化碳似乎是其中较为合理的选择，可以在不改变盐度的情况下补充碳源，但添加碱液的成本仍然较高，而二氧化碳溶入水中后为弱酸，添加量大，而且酸化终点为适宜微藻生长的pH (6. 5-7. 5)，在该范围内，溶入培养基的CO2会大量溢出，导致碳源浪费。
发明内容
本发明的目的是提供一种能使微藻自动沉降，低成本、高效补碳、绿色环保且有利藻细胞长期培养生长的高PH诱导、耦合二氧化碳减排的微藻采收新方法。本发明的高pH诱导、耦合二氧化碳减排的微藻采收新方法采用了高pH诱导下藻体自动沉降，为随后的藻体离心分离提供了高浓度的藻液，不仅有效的降低了以往采收过程中的高耗能问题，而且也不会对下游处理工艺造成影响。同时在分离得到的高碱上清液中采用耦合CO2减排补碳技术，不仅使得高碱上清液可循环用于微藻培养，而且也提高了CO2补碳的传质效率(酸性CO2气体在碱性溶液中传质效率高)，大大降低了微藻工业化生产成本和肥料成本，从而实现了本发明的目的。本发明的高pH诱导、耦合二氧化碳减排的微藻采收新方法，其特征在于，选择最佳生长pH值在8. 2彡pH彡12. 3范围、适应高碱性、以HC03_为主要碳源并具良好的pH漂移特性的微藻作为藻种，用微藻的培养基对其进行常规培养，所述的培养基中的无机碳源以HC03_为主，培养基的起始pH ^ 8. 2，在培养过程中用CO2控制培养体系的pH值为8. 2^9. 5之间，当微藻细胞浓度达到适宜采收浓度后，停止补充CO2不再控制培养体系的pH值，在微藻细胞光合固碳作用的驱动下或既在微藻细胞光合固碳作用的驱动下又添加碱液使培养物的PH值上升至pHl(Tl2. 3之间，诱导微藻细胞自沉降，微藻细胞沉淀浓缩于培养容器底部，上层培养液逐步澄清，将下层微藻细胞沉淀与上层高碱上清液分离，由此得到沉淀的微藻细胞和高碱上清液，再在高碱上清液中补入CO2将其pH值降低到适宜微藻生长的pH值水平，同时补充由于微藻细胞生长而消耗的其他营养物质而作为新的培养基进行循环利用 培养微藻。所述的选择最佳生长pH值在8. 2彡pH彡12. 3范围、适应高碱性、以HC03_为主要碳源并具良好的PH漂移特性的微藻作为藻种，其藻种优选为嗜碱绿球藻(ChlOTococcumalkaliphilus)MC_l 株系,该嗜喊绿球藻(Chlorococcum alkaliphilus)MC_l 株系在文献向文洲，谢科，吴华莲，何慧，肖伟，一种绿藻分离物的显微研究，[J].热带海洋学报，2007，26 (2),65 68中公开过。该嗜喊绿球藻(Chlorococcum alkaliphilus) MC-1株系本申请人也持有，保证自申请日起20年内向公众提供。所述的微藻的培养基是常规的微藻培养基，只是其无机碳源以HC03_为主。可以采用海水、人工海水、淡水、咸淡水、淡水、碱湖水、盐湖水或盐田卤水为基础配制，培养基的无机碳源以HC03_为主，添加浓度彡O.1mM ;培养物起始pH彡8. 2，培养基盐度范围为质量体积分数0-300%。。培养基中无机氮源可以是硝态氮、铵态氮或尿素中的任何I种或3者之间的任一组合，添加浓度为(T200mM。培养基中添加磷酸和磷酸盐为无机磷源，添加浓度为0^2000 μ M0培养基中铁元素是二价或三价无机铁盐，添加浓度为(Γ200 μ Μ。然后在上述培养基中根据需要添加必要的有机物，主要包括有机酸、糖类、肽类、氨基酸、核苷酸、生物碱等富含碳、氮元素的有机物或富含碳、氮、磷等元素的农业、养殖、生物制品加工、食品工业、发酵工业等行业的废水、废渣。优选为ZSNT培养基(现有技术中的培养基，其配方见向文洲，谢科，吴华莲，何慧，肖伟，一种绿藻分离物的显微研究，[J].热带海洋学报，2007，26
(2)，65 68)，其 NaHCO3 为 5g/L。微藻培养容器或设施包括跑道池、圆池及柱式、管式、平板式、罐式、袋式等任何形状或结构的光生物反应器，培养物采用叶轮搅拌机、悬臂式搅拌机、鼓泡充气等方式搅拌，培养光源为太阳光、LED灯、白炽灯、光管。微藻接种后，先米用一步培养法使培养物生物量(干重)浓度达到可采收的范围(0. SlOgL—1)，然后采用半连续培养方式不断同步进行间歇采收、间歇补充营养物并间歇循环利用培养基。本发明的下层微藻细胞沉淀与上层高碱上清液分离可以采用倾析法或水泵抽取法转入其他容器或水池中，浓缩的下层微藻细胞沉淀通过水泵转入采收容器收集，重复操作自然沉降-上清液转移，进一步浓缩微藻细胞，或实现采收细胞的冲洗(去掉营养盐等杂质)，自沉降性能好的微藻细胞可直接形成较干的藻泥，可直接用于下游产品的利用开发，自沉降效果较差或略差的细胞，可通过离心、过滤等方法进一步浓缩，然后转入下游产品的利用与开发。本发明以耐高碱、最佳生长pH值范围为8. 2彡pH彡12. 3、以碳酸氢根离子为主要碳源并具良好的PH漂移特性的藻株为微藻规模化培养的藻种。该类藻种在培养过程中，每利用I个碳酸根离子，将释放一个0H_，从而使得培养物pH逐步上升，生长越快，pH上升越快，生物量积累越多，PH值越高，当培养物由于微藻细胞光合生长所导致的pH漂移使培养物pH值超过8. 2-9. 5范围时，向培养物中连续或间歇补充二氧化碳，使培养物的pH稳定在8. 2^9. 5之间的适宜范围，当细胞浓度达到适宜采收浓度后，停止补充二氧化碳，使培养物的PH值在光合固碳作用的驱动下上升，并停止搅拌，当ρΗΙΟ. (Γ12. 3时，微藻细胞即出现自沉降，待培养物中大部分微藻细胞下沉浓缩后，收集高碱上清液，底部沉降浓缩的微藻细胞可进一步自沉降或通过离心浓缩获得藻泥。对于PH漂移幅度不够高(pH9-9.5)的藻种培养物，补充少量碱液(如Na0H，K0H等溶液)即可达到细胞自沉降的要求(pH10-10. 5)。根据水体中碳酸盐化学平衡原理，如果平衡体系中的任一条件发生改变后，平衡就向削弱这 些改变的方向移动。而当向分离得到的高碱上清液中通入CO2时，上清液中CO2浓度的升高将导致碳酸盐平衡体系向减少溶液中CO2浓度的方向进行，溶液pH下降，但由于酸化终点pH为藻种的适宜生长的pH范围(pH ^ 8.2),而在这个pH范围内，溶入培养基中CO2的主要以HC03_形式存在，既有利于微藻的培养，又可防止过低pH所造成的CO2外逸泄露，因此，98-100%的CO2以碳酸氢根离子的形式存在于培养基中，相当于向培养基中补回了生长所消耗的碳源。因此，本项发明基于耐高碱的藻种、利用其PH漂移机制，大幅度减少或避免了文献报道中提高PH所需的碱液添加，通过二氧化碳补充和酸化pH终点的控制，避免溶入二氧化碳的逃逸，补充二氧化碳(酸化处理)后的培养物理化条件没有明显的改变，培养基可以长期循环使用，有效避免了化学絮凝法采收所带来的对藻细胞的抑制或毒害，难以循环使用及所衍生的严重环境安全性等问题。因此本发明利用高pH诱导微藻细胞自沉降，高效浓缩藻细胞，实现高效低成本采收；耦合CO2减排的补碳技术，利用采收后的高碱上清液高效吸收酸性气体CO2,使高碱上清液的PH降低到适合微藻生长的水平(pH ^ 8. 2)，实现培养基的高效补碳，保障采收后上清液的循环利用，大大降低微藻大规模养殖中的采收成本和肥料成本。
具体实施例方式以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。以下实施例中的嗜碱绿球藻(Chlorococcum alkaliphilus) MC-1株系,其最佳生长PH值范围为8. 2彡pH彡12. 3、适应高碱性、以HC03_为主要碳源并具良好的pH漂移特性，以其作为藻种。实施例1 :嗜碱绿球藻(Chlorococcum alkaliphilus) MC-1株系来自于中国科学院南海海洋研究所，以其作为藻种，培养基以ZSNT为基础进行修改，NaHCO3修改为SgL—1，其他相同，培养基起始pH值为8. 2。用3L三角瓶加入2L培养基，再接种藻种，接种后的培养物OD7tltl为0. 2，光照强度为100 μ EnT2s—1，培养温度25°C，光照周期为14h:10h (光暗)。在光照情况下，每隔4个小时摇匀一次，并检测藻液pH，若pH达到9. 5-10，通入CO2将培养基调到PH8. 2-8. 5后，停止补充CO2,如此反复，控制培养基的pH值为8. 2^9. 5之间。藻液培养到7天，藻细胞浓度达到待采收的水平O. 8g/L，停止补充CO2,不再加以控制藻液的pH，培养基中PH逐渐升高，藻细胞开始沉降，经12小时沉降后，藻体沉降率达95% (100%减去上清液中残留的藻体百分比)。随后将上清液通过倾倒的方式转移至另一个三角瓶，将在底部的藻细胞收集在离心管中，离心(5000rpm, IOmin )进行进一步的浓缩,收集得到藻泥。对分离的高碱上清液进行二氧化碳补充，将PH降低到合适的水平(pH8. 2)，同时补充O. 4gL_NaN03，随后在已补充二氧化碳和NaNO3的培养基中接种藻液，培养物OD7tltl为O. 2，按照上述的培养条件进行培养，培养基 循环利用。与传统的离心采收法相比，本实施例通过高pH诱导采收法节约了大约20倍的采收成本。实施例2嗜碱绿球藻(Chlorococcum alkaliphilus)MC_l株系来自于中国科学院南海海洋研究所，以其作为藻种，培养基以ZSNT为基础进行修改，NaHC03修改为SgL'培养基起始pH值为8. 2。用20L玻璃缸反应器加入9. 6L培养基，即在9. 6L培养基中接入6. 4L嗜碱绿球藻(Chlorococcum alkaliphilus) MC-1藻液(用本实施例的培养基培养的),接种后的培养物OD7tltl为0. 3,室外自然光培养。在光照情况下,每隔4个小时搅拌一次,并检测藻液pH,若pH达到9. 5-10，通入CO2将培养基调到pH8. 2-9后，停止补充C02，如此反复，控制培养基的pH值为8. 2^9. 5之间。藻液培养3天，藻细胞浓度达到待采收的水平lg/L，停止补充C02，不再加以控制藻液的PH，培养基中pH逐渐升高，藻细胞开始沉降，取出6升藻液于采收容器中，隔夜沉降后，藻体沉降率达98% (100%减去上清液中残留的藻细胞百分比)。第二天将上清液转移另一个采收容器，将沉淀在底部的藻细胞收集起来，进一步自然沉降后，收集得到高度浓缩的藻泥(8%干重)。对分离的高碱上清液进行二氧化碳补充，将pH降低到合适的水平(PH8. 2)，同时补充0. 4gL_NaN0dP少量磷、铁元素，将加入NaNOjP少量磷、铁元素的培养基转入未采收的培养箱中，按照上述的培养条件进行培养，实现培养基循环利用。在阳光充足的情况下，采收后每隔2天又可采收，循环培养-采收-培养基循环这一过程，实现了 2个月的半连续培养和采收。本实施例与传统的离心采收法相比，通过高pH诱导采收法节约了大约22倍的采收成本。
权利要求
1.一种高pH诱导、耦合二氧化碳减排的微藻采收新方法，其特征在于，选择最佳生长pH值在8. 2彡pH彡12. 3范围、适应高碱性、以HC03_为主要碳源并具良好的pH漂移特性的微藻作为藻种，用微藻的培养基对其进行常规培养，所述的培养基中的无机碳源以HC<V为主，培养基的起始pH ^ 8. 2，在培养过程中用CO2控制培养体系的pH值为8. 2^9. 5之间，当微藻细胞浓度达到适宜采收浓度后，停止补充CO2不再控制培养体系的pH值，在微藻细胞光合固碳作用的驱动下或既在微藻细胞光合固碳作用的驱动下又添加碱液使培养物的PH值上升至PHlO 12. 3之间，诱导微藻细胞自沉降，微藻细胞沉淀浓缩于培养容器底部，上层培养液逐步澄清，将下层微藻细胞沉淀与上层高碱上清液分离，由此得到沉淀的微藻细胞和高碱上清液，再在高碱上清液中补入CO2将其pH值降低到适宜微藻生长的pH值水平，同时补充由于微藻细胞生长而消耗的其他营养物质而作为新的培养基进行循环利用培养微藻。
2.根据权利要求1所述的高PH诱导、耦合二氧化碳减排的微藻采收新方法，其特征在于，所述的藻种为嗜碱绿球藻(Chlorococcum alkaliphilus) MC-1株系。
3.根据权利要求1所述的高PH诱导、耦合二氧化碳减排的微藻采收新方法，其特征在于，所述的培养基中的HCO3-,其浓度彡0.1mM。
4.根据权利要求1所述的高PH诱导、耦合二氧化碳减排的微藻采收新方法，其特征在于，所述的培养基为改良ZSNT培养基，其NaHCO3为5g/L，其他与ZSNT培养基成分相同。
全文摘要
本发明公开了一种高pH诱导、耦合二氧化碳减排的微藻采收新方法。本发明利用高pH诱导微藻细胞自沉降，高效浓缩藻细胞，实现低高效成本采收；耦合CO2减排的补碳技术，利用采收后的高碱上清液高效吸收酸性气体CO2，使高碱上清液的pH降低到适合微藻生长的水平(pH≥8.2)，实现培养基的高效补碳，保障采收后上清液的循环利用，大大降低微藻大规模养殖中的采收成本和肥料成本。
文档编号C12R1/89GK103013833SQ20121058591
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月28日 优先权日2012年12月28日
发明者张峰, 向文洲, 吴华莲, 何慧, 萧邶, 叶永辉, 范洁伟 申请人:中国科学院南海海洋研究所