一种产生物柴油微藻的规模化收获方法及装置.pdf

本发明公开了一种产生物柴油微藻的规模化收获方法，向微藻溶液中加入碱溶液，或者加入碱溶液和金属盐溶液，常温常压下反应0.5～2小时，分液取下层沉淀物，得到浓缩的微藻。本发明还公开了上述产生物柴油微藻的规模化收获方法的实现装置。本发明方法反应操作过程简单，生产成本低，环境污染小，可规模化，收获后水中过量的碱可以与培养过程中通入的CO2反应生成碳酸盐，而形成的沉淀随藻一起被收集走，故水可以循环利用，是一种满足工业化需求、环保型、实用性很强的新方法。

1、  一种产生物柴油微藻的规模化收获方法，其特征在于向微藻溶液中加入碱溶液，或者加入碱溶液和金属盐溶液，常温常压下反应0.5～2小时，分液取下层沉淀物，得到浓缩的微藻。

2、  根据权利要求1所述的产生物柴油微藻的规模化收获方法，其特征在于所述的微藻溶液和碱溶液的体积比为1～1500∶1。

3、  根据权利要求1所述的产生物柴油微藻的规模化收获方法，其特征在于碱溶液中的碱和金属盐溶液中的金属盐的摩尔比为1～5∶1。

4、  根据权利要求1所述的产生物柴油微藻的规模化收获方法，其特征在于碱溶液和金属盐溶液的加入顺序是先加碱溶液再加金属盐溶液。

5、  根据权利要求1～4中任意一项所述的产生物柴油微藻的规模化收获方法，其特征在于所述的碱溶液为氢氧化钠或氢氧化钾溶液。

6、  根据权利要求1、3或4所述的产生物柴油微藻的规模化收获方法，其特征在于所述的金属盐溶液为氯化锰、硫酸锰、氯化铝和硫酸铝溶液中的任意一种或几种的混合。

7、  根据权利要求5所述的产生物柴油微藻的规模化收获方法，其特征在于所述的碱溶液浓度为0.02～15mol/L。

8、  根据权利要求6所述的产生物柴油微藻的规模化收获方法，其特征在于所述的金属盐溶液浓度为0.1～3mol/L。

9、  根据权利要求1所述的产生物柴油微藻的规模化收获方法，其特征在于分液的上层水溶液可循环用于微藻的培养。

10、  一种产生物柴油微藻的规模化收获装置，其特征在于它包括储碱溶液罐(1)、储金属盐溶液罐(2)和分液装置(3)，分液装置(3)的顶部通过管道分别与储碱溶液罐(1)和储金属盐溶液罐(2)相通，分液装置(3)的底部有管道出口，所有管道都设有可控制物料流出的阀门(4)。

11、  根据权利要求10所述的产生物柴油微藻的规模化收获装置，其特征在于储碱溶液罐(1)和储金属盐溶液罐(2)的安装高度高于分液装置(3)的安装高度。

一种产生物柴油微藻的规模化收获方法及装置
技术领域
本发明属于化工技术领域，具体涉及一种生物柴油微藻的规模化收获方法及装置。
背景技术
微藻油脂，又称单细胞油脂，可以用来制取生物柴油。微藻产油能力强，是大豆的30倍，与其他油料作物相比，微藻培养生产生物柴油所需占地面积最少，同时可以利用滩涂地、荒废地等非耕地，微藻还具有受气候影响小、生产成本低、生产周期短等优点，因此微藻油脂具有很大的开发潜力。近10年来，随着世界经济的快速发展，大量化石能源的使用和消耗，导致能源严重的枯竭和环境的日益恶化，特别是CO₂排放的急剧增加引起严重的温室效应。而微藻具有利用太阳能固定CO₂合成制备生物柴油所需油脂的能力。利用微藻油脂这一新的油脂资源，可实现能源和环境的和谐而可持续发展。
利用微藻生产油脂的过程中，由于微藻生长环境的特殊性及微藻藻体小，传统微藻收获方法的成本占微藻培养成本的20～30％(Gudin & Therpenier，1986)，是造成目前利用微藻油脂制备生物柴油成本居高不下的关键因素之一。传统的微藻收获方法有离心(Mohn，1978)，膜过滤方法(Elmaleh等，1991)，絮凝方法(Shelef，1978)等。其中，离心方法是利用微藻在离心过程中受离心力作用而沉淀到容器底部，实现藻体与水的分离，该方法具有运行、维护成本高，收获规模小等缺点；膜过滤方法是利用孔径大小介于藻体与水分子大小之间的膜，在重力或外力的作用下，实现藻与水的分离，该方法存在膜易受污染、堵塞，分离时间长等问题；絮凝方法是利用絮凝剂将藻沉降的方法，该方法易造成环境污染。但是这类方法目前面临的难题主要是成本过高和对环境的污染。因此，急需我们找到一种合适的微藻规模化收获方法。
近年由于石油价格的大幅上涨，使得利用自养微藻产油脂开发燃料的研究得到许多机构高度的重视，出现了许多微藻能源公司。绿能公司从2004年9月开始在麻省理工学院20MW电厂进行示范反应器的运行，成功验证了在现实环境下的可行性。2006年11月，美国GreenFuel Technology Corp和Arizona Public Service Company报道了以微藻为生物质原料制备生物柴油研发所取得的进展。两公司在亚利桑那州建立了可与1040兆瓦电厂烟道气相联接的商业化系统，成功地利用烟道气中的CO₂，大规模光合成培养微藻，并将微藻转化为生物“原油”，其产率可达到每年、每英亩提供5000-10000加仑(3784-7567L/亩)生物柴油及相应量生物乙醇的水平。美国绿能公司预计2008年将在亚历桑那州开始商业化生产，以后的发展目标地是澳大利亚和南非。美国能源部(DOE)每年投资数百万美元以推进该项目的商业化进程。目前微藻的大规模收获普遍采用膜过滤方法，但效率比较低，成本较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种产生物柴油微藻的规模化收获方法，该方法收获成本低、反应条件温和、操作过程简单、微藻收率高、水去除率高。
本发明还要解决的一个技术问题是提供上述方法的实现装置。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种产生物柴油微藻的规模化收获方法：向微藻溶液中加入碱溶液，或者加入碱溶液和金属盐溶液，常温常压下反应0.5～2小时，分液取下层沉淀物，得到浓缩的微藻。
其中，所述的微藻溶液和碱溶液的体积比为1～1500∶1。
其中，碱溶液中的碱和金属盐溶液中的金属盐的摩尔比为1～5∶1。
其中，碱溶液和金属盐溶液的加入顺序是先加碱溶液再加金属盐溶液。
其中，所述的碱溶液为氢氧化钠或氢氧化钾溶液。
其中，所述的金属盐溶液为氯化锰、硫酸锰、氯化铝和硫酸铝溶液中的任意一种或几种的混合。
其中，所述的碱溶液浓度为0.02～15mol/L。
其中，所述的金属盐溶液浓度为0.1～3mol/L。
其中，分液的上层水溶液可循环用于微藻的培养。
通过本发明方法得到的浓缩的微藻可直接用于油脂的提取及制备生物柴油。
本发明所述的微藻包括小球藻、微绿球藻、扁藻、杜氏藻、隐甲藻、等鞭金藻、硅藻等。本发明所述的微藻溶液是指接入的藻种经培养10-20天结束后，悬浮在培养液中的微藻。
本发明的反应总时间通常为0.5～2h，初期最好先搅拌1～10min，以利于碱溶液和金属盐溶液与微藻溶液的充分接触，然后静置直至分液后的上清液OD值在0.150以下。
本发明中碱沉降悬浮的微藻主要是利用在高pH值条件下，藻细胞失水，使细胞密度变大而下沉，实现藻与水分离。本发明中用碱和金属盐来沉降，主要是利用碱和金属盐反应形成沉淀而下降，下降过程中附带藻一起下沉而实现藻与水的分离。
一种产生物柴油微藻的规模化收获装置，它包括储碱溶液罐、储金属盐溶液罐和分液装置，分液装置的顶部通过管道分别与储碱溶液罐和储金属盐溶液罐相通，分液装置的底部有管道出口，所有管道都设有可控制物料流出的阀门。
其中，储碱溶液罐和储金属盐溶液罐的安装高度高于分液装置的安装高度。
其中，分液装置、储碱溶液罐和储金属盐溶液罐为透明、且有刻度的储液罐。
其中，分液装置和储碱溶液罐为耐碱腐蚀的储液罐。
其中，本发明装置中的储金属盐溶液罐在不需要加入金属盐溶液时，可以不使用。
有益效果：本发明的产生物柴油微藻的规模化收获方法是以碱液或过量的碱和金属盐反应形成的沉淀为沉降剂，通过分液装置实现藻与水分离，反应操作过程简单，生产成本低，环境污染小，可规模化，是一种满足工业化需求、实用性很强的新方法。收获微藻后，上清液中过量的碱可以用于微藻的培养，并与培养过程中通入的CO₂反应生成碳酸盐，形成的沉淀随藻一起被收集走，故分液过程产生的上清液可以循环利用，非常环保。
附图说明：
图1为本发明的装置结构示意图。
具体实施方式：
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
如图1所示，本发明的反应装置包括储碱溶液罐1、储金属盐溶液罐2和分液装置3，分液装置3的顶部通过管道分别与储碱溶液罐1和储金属盐溶液罐2相通，分液装置3的底部有管道出口，所有管道都设有可控制物料流出的阀门4。储碱溶液罐1和储金属盐溶液罐2的安装高度高于分液装置3的安装高度。
具体操作过程为：将待收获的微藻溶液装入分液装置3，根据体积比由储碱溶液罐1向分液装置3中加入碱溶液(此时储金属盐溶液罐2的阀门闭合)，或者根据体积比由储碱溶液罐1和储金属盐溶液罐2向分液装置分别加入过量碱溶液和适量金属盐溶液，在分液装置3中常温常压反应0.5～2h，打开分液装置的底部控制阀门4收集藻体。上清液用Spectrumlab752S紫外可见分光光度计测定，藻液、上清液体积用普通容器测量。
实施例1：
将需收获的小球藻5L(培养周期为10天，初始光密度(OD)值为1.5左右)加入分液装置中，由储碱溶液罐向分液装置中加入15mol/L的NaOH溶液5mL，在常温常压下反应1h(先搅拌5min，再静置55min)，测得上清液OD值为0.052。反应结束后，藻体沉降到分液装置的底部，打开分液装置底部控制阀，放出藻体，用于油脂的提取及制备生物柴油，分液的上层清液回收用于微藻的培养。收集到的藻液及上清液取样进行分析，结果见表1。
实施例2：
将需收获的小球藻5L(培养周期为10天，初始光密度(OD)值为1.5左右)加入分液装置中，由储碱溶液罐向分液装置中加入1.5mol/L的NaOH溶液50mL，在常温常压下反应1h(先搅拌3min，再静置57min)，测得上清液OD值为0.083。反应结束后，藻体沉降到分液装置的底部，打开分液装置底部控制阀，放出藻体，用于油脂的提取及制备生物柴油，分液的上层清液回收用于微藻的培养。收集到的藻液及上清液取样进行分析，结果见表1。
实施例3：
将需收获的小球藻5L(培养周期为10天，初始光密度(OD)值为1.5左右)加入分液装置中，由储碱溶液罐向分液装置中加入0.15mol/L的NaOH溶液500mL，在常温常压下反应1h(先搅拌10min，再静置50min)，测得上清液OD值为0.036。反应结束后，藻体沉降到分液装置的底部，打开分液装置底部控制阀，放出藻体，用于油脂的提取及制备生物柴油，分液的上层清液回收用于微藻的培养。收集到的藻液及上清液取样进行分析，结果见表1。
实施例4：
将需收获的小球藻5L(培养周期为10天，初始光密度(OD)值为1.5左右)加入分液装置中，由储碱溶液罐向分液装置中加入15mol/L的KOH溶液5mL，在常温常压下反应1h(先搅拌5min，再静置55min)，测得上清液OD值为0.081。反应结束后，藻体沉降到分液装置的底部，打开分液装置底部控制阀，放出藻体，用于油脂的提取及制备生物柴油，分液的上层清液回收用于微藻的培养。收集到的藻液及上清液取样进行分析，结果见表1。
实施例5：
将需收获的小球藻5L(培养周期为10天，初始光密度(OD)值为1.5左右)加入分液装置中，由储碱罐向分液装置中加入15mol/L的NaOH溶液10mL，由储金属盐溶液罐向分液装置中加入3mol/L的氯化铝溶液20mL，在常温常压下反应1h(先搅拌5min，再静置55min)，测得上清液OD值为0.108。反应结束后，藻体沉降到分液装置的底部，打开分液装置底部控制阀，放出藻体，用于油脂的提取及制备生物柴油，分液的上层清液回收用于微藻的培养。收集到的藻液及上清液取样进行分析，结果见表1。
实施例6：
将需收获的小球藻5L(培养周期为10天，初始光密度(OD)值为1.5左右)加入分液装置中，由储碱溶液罐向分液装置中加入15mol/L的KOH溶液10mL，由储金属盐溶液罐向分液装置中加入3mol/L的氯化锰溶液20mL，在常温常压下反应1h(先搅拌5min，再静置55min)，测得上清液OD值为0.087。反应结束后，藻体沉降到分液装置的底部，打开分液装置底部控制阀，放出藻体，用于油脂的提取及制备生物柴油，分液的上层清液回收用于微藻的培养。收集到的藻液及上清液取样进行分析，结果见表1。
对比例1：
将需收获的小球藻5L(培养周期为10天，初始光密度(OD)值为1.5左右)加入分液装置中，向分液装置中加入12mol/L的HCl溶液50mL，在常温常压下反应2h(先搅拌10min，再静置110min)，反应结束后藻体沉降到分液装置的底部，打开分液装置底部控制阀，放出藻，用于油脂的提取及制备生物柴油。收集到的藻液及上清液取样进行分析，结果见表1。
对比例2：
将需收获的小球藻5L(培养周期为10天，初始光密度(OD)值为1.5左右)，用醋酸纤维素酯滤膜，孔径为0.22μm过滤，过滤时间约1h，收集到的藻液及过滤的清液取样进行分析，结果见表1。
对比例3：
将需收获的小球藻5L(培养周期为10天，初始光密度(OD)值为1.5左右)，用eppendorf离心机离心(转速6000r/min，5min)，每次可离心200mL，离心前需要配平，耗时约5h，收集到的藻液及上清液取样进行分析，结果见表1。
表1实施例及反应结果

(续表1)