CN104762331A

CN104762331A - 一种将沼气发酵与微藻培养耦合的方法以及培养装置

Info

Publication number: CN104762331A
Application number: CN201510148577.1A
Authority: CN
Inventors: 贾其坤; 向文洲; 李涛; 吴华莲
Original assignee: South China Sea Institute of Oceanology of CAS
Current assignee: South China Sea Institute of Oceanology of CAS
Priority date: 2015-03-31
Filing date: 2015-03-31
Publication date: 2015-07-08

Abstract

本发明公开了一种将沼气发酵与微藻培养耦合的方法以及培养装置。它是先沼气发酵获得沼气和沼液；沼液经过滤去除固体颗粒，稀释后作为微藻的培养基，装入微藻培养反应器中，作为微藻培养的培养基，沼气作为碳源通入微藻培养反应器中的微藻培养液的底部，在光照条件下进行培养，微藻培养反应器出来的沼气经干燥去除水蒸气后供使用；到微藻收获时，经脱水处理得到藻泥和培养液，藻泥进行生物油脂、藻蓝蛋白及其他高附加值产品的提取，提取后剩余的藻渣和培养液作为沼气发酵物料进入沼气池中进行沼气发酵。本发明的整个过程以太阳光能驱动，碳、氮、磷及其他微量元素循环利用，符合绿色能源和可持续发展要求。

Description

一种将沼气发酵与微藻培养耦合的方法以及培养装置

技术领域：

本发明属于微藻培养领域，具体涉及一种将沼气发酵与微藻培养耦合的方法以及培养装置。

背景技术：

微藻，作为一种原始的自养型单细胞生物，和高等绿色植物相比，拥有极高的繁殖速度和光合作用效率。同时以其不占用耕地，水质要求低等优点，成为继玉米之后第三代生物能源原料。尤其是油脂含量在40％以上的富油微藻的藻种资源筛选及开发利用日益受到人们的关注。同时，一些微藻拥有极高含量的藻蓝蛋白，虾青素等极高附加值产品。因此能源及高附加值资源微藻的大规模开发利用具有极好的发展前景。

目前成本过高是阻碍微藻产业大规模发展的一个重要因素。这些成本包括优质藻种资源的筛选和保育，微藻培养成本，微藻采收成本，产品提取和后续加工成本等。其中微藻培养成本在整个产业链成本中占重要部分。因此寻找一种节能高效绿色环保可持续的培养模式对降低微藻生产成本乃至整个微藻能源和其他产品产业链都是至关重要的。

随着全民环保意识的提高，农作物废弃秸秆、废弃木柴及家禽牧畜的粪便等多被用来沼气发酵。一方面减少了农作物秸秆直接燃烧引起的大气污染和资源浪费，另一方面家禽牧畜粪便的利用也防止了直接排放引起的水体污染。但沼气发酵的产物包括沼气、沼液和沼渣三部分。除沼气外，沼液中也含有大量的氮磷及其他微量元素，具有很高的利用价值。而目前对沼液的处理多是直接排放或农田灌溉。这样的处理方式不仅会引起土壤板结还会造成地下水污染等其他环境问题。

发明内容：

本发明的第一个目的是提供一种将沼气发酵与微藻培养耦合的方法。

本发明的将沼气发酵与微藻培养耦合的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、沼气发酵获得沼气和沼液；

b、沼液经过滤去除固体颗粒，稀释后作为微藻的培养基，装入微藻培养反应器中，作为微藻培养的培养基，沼气作为碳源通入微藻培养反应器中的微藻培养液的底部，在光照条件下进行培养，沼气中含有甲烷、一氧化碳和一氧化氮等可燃气体外，还含有50-70％的二氧化碳，这些二氧化氮不可燃烧且会降低沼气的品质，以沼气中的二氧化碳作为碳源，利用微藻去除二氧化碳，不但为微藻生长提供了碳源还纯化了沼气，从微藻培养反应器出来的沼气已经去除二氧化碳，经干燥去除水蒸气后供使用，如用于燃烧、照明等用途；

c、到微藻收获时，经脱水处理得到藻泥和培养液，藻泥进行生物油脂、藻蓝蛋白及其他高附加值产品的提取，提取后剩余的藻渣和培养液作为沼气发酵物料进入沼气池中进行沼气发酵。

所述的脱水处理可以是经气浮或/和絮凝得到藻泥和培养液。

沼气发酵用于生产沼气，同时解决农作物废弃秸秆，家禽牧畜及微藻提油残渣的处理问题，发酵所得沼液也可进入微藻培养系统。

所述的沼液经过滤去除固体颗粒，稀释后作为微藻的培养基，沼液的稀释比例以当时当事的沼液而定。因为不同的发酵原料、发酵时间、甚至发酵菌群都会对沼液中的氮磷含量产生影响，同时，不同种属的微藻对培养基中的氮磷绝对含量和比例也各有不同，不一而足。

从微藻培养反应器出来的沼气由于含有少量水蒸气，因此经过简单干燥后即可作为优质沼气用于燃烧和照明等用途。

沼液提供氮源、磷源及其他微量元素，沼气中的二氧化碳作为碳源，以太阳能为能源进行培养。同时，沼气的通入引起的扰动可使营养物充分混合，光源也得到充分利用，不必提供额外的动力进行搅拌。

提取后剩余的藻渣富含C，N，P等多种元素，且属于破碎的细胞残渣，极易降解发酵，因此可以作为优质的沼气发酵物料进入沼气池发酵。

本发明的第二个目的是提供一种将沼气发酵与微藻培养耦合的培养装置，其特征在于，包括沼气发酵系统、过滤系统、微藻培养反应器、生物柴油提取器、除湿器，沼气发酵系统的底部经沼液输送管道与过滤系统的入口相连，过滤系统的出口经培养液输送管道与微藻培养反应器相连，过滤系统的残渣出口经残渣输送管道与沼气发酵系统的上部相连，在沼气发酵系统的上部设有沼气输送管道，该沼气输送管道通入微藻培养反应器的底部，沼气除作为碳源提供二氧化碳供微藻生长外，还可对藻液进行鼓动，起到搅拌的效果，在微藻培养反应器的上部设有纯化沼气输送管道与除湿器相连，除湿器再经沼气利用管道与沼气使用设备相连，在微藻培养反应器的底部经藻液输送管道与生物柴油提取器相连，生物柴油提取器的提油残渣出口经藻渣输送管道与沼气发酵系统相连，微藻培养反应器上部还连有稀释用水管道。

优选，在沼液输送管道、残渣输送管道、沼气输送管道、藻渣输送管道、稀释用水管道、纯化沼气输送管道、藻液输送管道、沼气利用管道和培养液输送管道上都设有阀门，以更加方便的控制气体和液体的流动。

家禽牲畜的排泄物及废弃植物秸秆、木柴等经微生物厌氧发酵后产生沼气、沼液和沼渣。其中沼气为混合气体，一般含甲烷50～70％，其余为二氧化碳和少量的氮、氢和硫化氢等。沼液中富含氮、磷等营养元素及多种微量元素。本发明利用沼气中的二氧化碳替代微藻培养中的碳源，沼气混合气经藻液去除二氧化碳后甲烷含量可达到90％以上，经除水干燥即为优质沼气，可用做燃料和照明等其他用途。利用沼液作为微藻培养基，沼液中的氮、磷及微量元素替代微藻培养中的其他营养元素，可大幅降低微藻培养的生产成本。微藻采收后的培养液及微藻经油脂及生物质提取后的藻渣进入沼气池进行循环发酵。提取的油脂经转脂化后即得到生物柴油。整个过程以太阳光能驱动，碳、氮、磷及其他微量元素循环利用，符合绿色能源和可持续发展要求。

附图说明：

图1是本发明的将沼气发酵与微藻培养耦合的培养装置的结构示意图；

其中1、沼气发酵系统；2、过滤系统；3、微藻培养反应器；4、生物柴油提取器；5、除湿器；6、沼气灯；7、沼液输送管道；8、残渣输送管道；9、沼气输送管道；10、藻渣输送管道；11、稀释用水管道；12、纯化沼气输送管道；13、藻液输送管道；14、沼气利用管道；15、培养液输送管道；A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、M和N分别代表阀门A、阀门B、阀门C、阀门D、阀门E、阀门F、阀门G、阀门H、阀门I、阀门J、阀门K、阀门L、阀门M和阀门N。

具体实施方式：

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。

实施例1：

如图1所示，本实施例的将沼气发酵与微藻培养耦合的培养装置，包括沼气发酵系统1、过滤系统2、微藻培养反应器3、生物柴油提取器4、除湿器5，沼气发酵系统1的底部经沼液输送管道7与过滤系统2的入口相连，过滤系统的出口经培养液输送管道15与微藻培养反应器3相连，过滤系统的残渣出口经残渣输送管道8与沼气发酵系统的上部相连，在沼气发酵系统的上部设有沼气输送管道9，该沼气输送管道通入微藻培养反应器3的底部，在微藻培养反应器的上部设有纯化沼气输送管道12与除湿器5相连，除湿器再经沼气利用管道14与沼气使用设备(本实施例为沼气灯6)相连，在微藻培养反应器的底部经藻液输送管道13与生物柴油提取器4相连，生物柴油提取器的提油残渣出口经藻渣输送管道10与沼气发酵系统相连，微藻培养反应器上部还连有稀释用水管道11。

在沼液输送管道7、残渣输送管道8、培养液输送管道15和稀释用水管道11上分别设有阀门C、阀门D、阀门F和阀门N。在藻渣输送管道10上顺序设有阀门A和阀门K，在沼气输送管道9上顺序设有阀门B和阀门E，在纯化沼气输送管道12上顺序设有阀门G和阀门H，在沼气利用管道14上顺序设有阀门I和阀门J，在藻液输送管道13上顺序设有阀门L和阀门M。

本实施例使用的微藻是栅藻Scenedesmus sp.。以家禽牲畜的排泄物及废弃植物秸秆、木柴等作为沼气发酵原料放入沼气发酵系统1中经微生物厌氧发酵后产生沼气、沼液和沼渣，打开阀门C、D和F，沼液经过沼液输送管道7进入过滤系统2中，过滤后的沼液作为培养基经过培养液输送管道15进入微藻培养反应器3中，大颗粒固体及滤渣经残渣输送管道8返回沼气发酵系统中。由于栅藻Scenedesmus sp.是海水藻，因此用于稀释沼液的补加水为自来水和海水的混合物，盐度为25‰，如果培养的藻种为淡水藻则直接添加自来水即可。打开阀门N，补加水通过稀释用水管道11补加进入微藻培养反应器3中，过滤后的沼液以流加的形式加入微藻培养反应器中，微藻培养反应器的体积为100L。打开阀门B和阀门E，沼气发酵系统中的沼气经沼气输送管道9输入微藻培养反应器的底部，在太阳光光照条件下进行培养，培养过程中微藻培养反应器中通气速率以溢出的沼气中不含二氧化碳为准，通过阀门控制，培养前期由于藻液浓度低，稀释二氧化碳速率较小，应适当调低气流速率，培养后期则相应增加。本实施例中气流速率介于5-20vvm之间。通入微藻培养反应器的沼气中含有甲烷、一氧化碳和一氧化氮等可燃气体外，还含有50-70％的二氧化碳，这些二氧化氮不可燃烧且会降低沼气的品质，以沼气中的二氧化碳作为碳源，利用微藻去除二氧化碳，不但为微藻生长提供了碳源还纯化了沼气，打开阀门G、H、I和J，从微藻培养反应器出来的沼气已经去除二氧化碳，再进入纯化沼气输送管道12，经过除湿器5去除水蒸气，通入沼气利用管道14，给于沼气灯6照明使用。

培养5天后微藻藻液浓度增高，OD₆₈₀达到1时，即可关闭沼液进入阀门F，沼气进入阀门E，和稀释用水进入阀门N，让藻液静置12小时后，打开阀门M、阀门L、阀门A和阀门K，微藻培养反应器底部的浓缩藻液经藻液输送管道13输送进入生物柴油提取器4中，在其中进行脱水处理，得到藻泥和培养液，藻泥经细胞破碎，提油后获得生物油脂，提油后的藻渣和培养液经藻渣输送管道10进入沼气发酵系统1中进行发酵。每次采收全部微藻培养液体积的90％，剩余10％为继续培养藻种。

Claims

1.一种将沼气发酵与微藻培养耦合的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、沼气发酵获得沼气和沼液；

b、沼液经过滤去除固体颗粒，稀释后作为微藻的培养基，装入微藻培养反应器中，作为微藻培养的培养基，沼气作为碳源通入微藻培养反应器中的微藻培养液的底部，在光照条件下进行培养，微藻培养反应器出来的沼气经干燥去除水蒸气后供使用；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的脱水处理是经气浮或/和絮凝得到藻泥和培养液。

3.一种将沼气发酵与微藻培养耦合的培养装置，其特征在于，包括沼气发酵系统、过滤系统、微藻培养反应器、生物柴油提取器和除湿器，沼气发酵系统的底部经沼液输送管道与过滤系统的入口相连，过滤系统的出口经培养液输送管道与微藻培养反应器相连，过滤系统的残渣出口经残渣输送管道与沼气发酵系统的上部相连，在沼气发酵系统的上部设有沼气输送管道，该沼气输送管道通入微藻培养反应器的底部，在微藻培养反应器的上部设有纯化沼气输送管道与除湿器相连，除湿器再经沼气利用管道与沼气使用设备相连，在微藻培养反应器的底部经藻液输送管道与生物柴油提取器相连，生物柴油提取器的提油残渣出口经藻渣输送管道与沼气发酵系统相连，微藻培养反应器上部还连有稀释用水管道。

4.根据权利要求3所述的将沼气发酵与微藻培养耦合的培养装置，其特征在于，在沼液输送管道、残渣输送管道、沼气输送管道、藻渣输送管道、稀释用水管道、纯化沼气输送管道、藻液输送管道、沼气利用管道和培养液输送管道上都设有阀门。