申请日2013.01.31
公开(公告)日2013.05.01
IPC分类号C12N1/12; C02F9/14; C12R1/89; B01D53/62; B01D53/84
摘要
本发明公开了一种利用生物丁醇的工业废水废气生产微藻的方法及其应用。该方法将废水废气的处理与微藻培养结合起来，利用生物丁醇的工业废水废气配制藻液培养基生产微藻，充分利用了生物丁醇的工业废水废气及其残留的营养成分，所要添加的营养元素含量较低，成本低，在培养微藻的同时实现对废水废气的处理，实现了资源的有效利用和污染的零排放，防止了环境污染。本发明提供的利用生物丁醇的工业废水废气生产微藻的方法可应用于工业化生产微藻，得到的微藻可以用于制备藻蛋白饲料、虾青素、类胡萝卜素或叶黄素等高附价值的产品，具有良好的经济效益。
权利要求书
1.一种利用生物丁醇的工业废水废气生产微藻的方法，其特征在于包括如 下步骤：
(1)藻种活化：用接种环从冰箱保存的藻种斜面挑取1～2环接种到新鲜 藻种斜面，培养4～6d;
(2)种子液的制备：用接种环挑取步骤(1)活化后的藻种3～4环，接种 至培养基中，25～30℃、140～160r/min培养至对数期，得到一级种子液;将一 级种子液按培养基体积的2～15%接种至培养基中，于25～30℃、150～600rpm 培养至对数期，得到二级种子液;将二级种子液按培养基体积的2～15%接种至 培养基中，25～30℃、140～160r/min培养2～5d，得到藻种种子液;
(3)微藻的培养：将藻种种子液按培养基体积的2～15%加入藻液培养基 中，同时通入废气进行培养，得到藻液;
(4)微藻的回收：取步骤(3)的藻液，进行回收处理，干燥，得到微藻。
2.根据权利要求1所述的利用生物丁醇的工业废水废气生产微藻的方法， 其特征在于：步骤(1)中所述的藻种为小球藻Chlorella vulgaris、小球藻Chlorella sorokiniana、小球藻Chlorella zofingiensis或钝顶螺旋藻Spirulina platensis。
3.根据权利要求1所述的利用生物丁醇的工业废水废气生产微藻的方法， 其特征在于：步骤(3)中所述的藻液培养基采用以下方法进行制备：将生物丁 醇工业废水和营养元素混合均匀，消毒处理，得到藻液培养基。
4.根据权利要求3所述的利用生物丁醇的工业废水废气生产微藻的方法， 其特征在于：所述的生物丁醇工业废水采用以下方法进行预处理：将生物丁醇 工业废水进行固液分离，得到固体和液体;将液体置于沉淀池中，待其中的杂 质沉淀后经格栅过滤悬浮杂质;将滤液置于调节池内调节pH为6.0～8.0后将其 置于厌氧生化反应器中进行厌氧处理。
5.根据权利要求3所述的利用生物丁醇的工业废水废气生产微藻的方法， 其特征在于：所述的营养元素为C6H12O6、KNO3、KH2PO4、NaHCO3、CH3COONa、 NaCl、NaNO3、KH2PO4、MgSO4·7H2O、FeCl3·3H2O、K2SO4、EDTA·Na2、 H3BO3、CaCl2·2H2O、FeSO4·7H2O、ZnSO4·7H2O、MnCl2·4H2O、MoO3、 CuSO4·5H2O、Co(NO3)2·6H2O、MnSO4·2H2O和(NH4)Mo7O24·4H2O中 的一种或至少两种混合物。
6.根据权利要求5所述的利用生物丁醇的工业废水废气生产微藻的方法， 其特征在于：所述的营养元素的用量为：C6H12O60～5g/L，KNO30.5～1.25g/L， KH2PO40.01～1.0g/L，NaHCO30.1～20g/L，CH3COONa0.5～1.5g/L，NaCl0.01～ 1.5g/L，NaNO30.5～2.5g/L，KH2PO40.05～0.1g/L，MgSO4·7H2O0.05～1.00g/L， FeCl3·3H2O0.001～0.005g/L，K2SO40.5～1.0g/L，EDTA·Na20.1～0.6g/L，H3BO30.1～0.2g/L，CaCl2·2H2O0.01～0.2g/L，FeSO4·7H2O0.01～0.05g/L，ZnSO4·7H2O0～0.1g/L，MnCl2·4H2O0～0.02g/L，MoO30～0.01g/L，CuSO4·5H2O 0.01～0.02g/L，Co(NO3)2·6H2O0.001～0.005g/L，MnSO4·2H2O0～0.1g/L， (NH4)Mo7O24·4H2O0～0.001g/L。
7.根据权利要求1所述的利用生物丁醇的工业废水废气生产微藻的方法， 其特征在于：步骤(3)中所述的废气为生产生物丁醇产生的CO2，所述的培养为 异养培养或混合培养。
8.根据权利要求7所述的利用生物丁醇的工业废水废气生产微藻的方法， 其特征在于：所述的异养培养为于25～30℃、通风量100～500m3/h、搅拌速度 为120～180r/min中进行培养;所述的混合培养是指自养+异养的培养，首先进 行自养培养，当残糖利用完后进行异养培养;自养培养为于25～30℃、通风量 100～500m3/h、搅拌速度为120～180r/min、通入生物丁醇工业废气CO2进行培 养，异养培养为于光照强度2000～10000Lux、25～30℃、通风量5～10m3/h、搅 拌速度为100～150r/min中进行培养。
9.根据权利要求1所述的利用生物丁醇的工业废水废气生产微藻的方法， 其特征在于：
步骤(1)中所述的培养的培养基为CZ-M1培养基+1.5wt%琼脂;所述的培 养的条件为于25℃、光照强度200～2000lux、光暗时间比14:10中进行培养;
步骤(2)中所述的培养基为CZ-M1培养基或Zarrout培养基。
10.权利要求1～9任一项所述的利用生物丁醇的工业废水废气生产微藻的 方法应用于处理生物丁醇的工业废水废气。
说明书
利用生物丁醇的工业废水废气生产微藻的方法及其应用
技术领域
本发明属于微藻培养和工业废水废气利用的技术领域，特别涉及一种利用 生物丁醇的工业废水废气生产微藻的方法及其应用。
背景技术
随着世界经济发展对石油需求的不断增加，石油作为战略物资和不可再生 的能源，价格不断上涨，也带动了丁醇的价格不断上扬。面对化学法生产丁醇 的高成本以及丁醇需求旺盛的局面，生物发酵法生产丁醇重新具有了市场竞争 优势，发展前景十分广阔，受到越来越多的关注。目前我国的丁醇发酵生产主 要以玉米和木薯作为原料。在利用新鲜木薯或者木薯干为原料发酵生产丁醇的 过程中，丁醇发酵液中丁醇浓度不高，丁醇发酵液需要经过后期提取流程把丁 醇等溶剂和水分离开来，在这个过程中产生了大量的废水，每生产1吨溶剂约 产生45吨废水。废水中含有高浓度的悬浮物和有机物，其化学需氧量又称化学 耗氧量(COD)在15000～20000mg/L之间;而且发酵废液中含有机酸、有机 溶剂等物质，若直接向环境排放，将会造成极大污染。
丁醇发酵过程产生的废水中有机质和各种有害物质成分复杂，含量高，为 达到彻底的净化污水，通常要联合使用好氧和厌氧处理工艺来实现发酵废水的 净化，而生物丁醇工业产生的废气(主要是CO2)会增加“温室气体”的排放。 丁醇废水经过厌氧处理/好氧处理工艺，其水质基本上达到了国家污水综合排放 二级标准，但这样的处理工艺需要高额的处理设备的投资，处理设备的运行和 维护费用也非常高昂，无形中加大了企业生产的成本。
随着废水废气资源化利用研究的不断深入，许多研究者已经将微藻培养与 工业废水、废气偶联起来，将废气、废水资源利用最大化。微藻具有光合作用 效率高、环境适应能力强、生长周期短、生物产量高等特点，并且微藻回收可 以进行高值化利用，比如提取虾青素、叶黄素、类胡萝卜素等生物活性物质， 制备藻粉高蛋白饲料等，通过微藻产品市场化抵消废水处理的成本，实现生物 丁醇废水废气处理的低成本化，形成微藻培养与工业废水废气处理耦合的新工 艺。但是，上述方法并没有综合利用丁醇生产过程中的CO2和发酵结束后的废 液。
发明内容
本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种利用生物丁 醇的工业废水废气生产微藻的方法。
本发明的另一目的在于提供所述的利用生物丁醇的工业废水废气生产微藻 的方法的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种利用生物丁醇的工业废水废气 生产微藻的方法，包括如下步骤：
(1)藻种活化：用接种环从冰箱保存的藻种斜面挑取1～2环接种到新鲜 藻种斜面，培养4～6d;
(2)种子液的制备：用接种环挑取步骤(1)活化后的藻种3～4环，接种 至培养基中，25～30℃、140～160r/min培养至对数期，得到一级种子液;将一 级种子液按培养基体积的2～15%接种至培养基中，于25～30℃、150～600rpm 培养至对数期，得到二级种子液;将二级种子液按培养基体积的2～15%接种至 培养基中，25～30℃、140～160r/min培养2～5d，得到藻种种子液;
(3)微藻的培养：将藻种种子液按培养基体积的2～15%加入藻液培养基 中，同时通入废气进行培养，得到藻液;
(4)微藻的回收：取步骤(3)的藻液，进行回收处理，干燥，得到微藻;
步骤(1)中：
所述的藻种优选为小球藻Chlorella vulgaris、小球藻Chlorella sorokiniana、 小球藻Chlorella zofingiensis或钝顶螺旋藻Spirulina platensis;更优选为小球藻 Chlorella vulgaris或小球藻Chlorella zofingiensis;
所述的培养的培养基优选为CZ-M1培养基+1.5wt%琼脂;
所述的培养的条件优选为于25℃、光照强度200～2000lux、光暗时间比 14:10中进行培养;
步骤(2)中：
所述的培养基优选为CZ-M1培养基或Zarrout培养基;
所述的一级种子液的培养优选在三角瓶中进行;
所述的二级种子液的培养优选在光生物反应器中进行;
所述的藻种种子液的培养优选在种子罐中进行;
步骤(3)中：
所述的藻液培养基采用以下方法进行制备：将预处理后的生物丁醇工业废 水和营养元素混合均匀，消毒处理，得到藻液培养基;
所述的预处理后的生物丁醇工业废水采用以下方法进行预处理：将生物丁 醇工业废水进行固液分离，得到固体和液体;将液体置于沉淀池中，待其中的 杂质沉淀后经格栅过滤悬浮杂质;将滤液置于调节池内调节pH为6.0～8.0后将 其置于厌氧生化反应器中进行厌氧处理;
优选的，所述的固体经脱水干燥后可用于生产饲料;
所述的厌氧生化反应器优选为普通厌氧消化池、升流式厌氧污泥床反应器 (UASB)、内循环厌氧反应器(IC)、膨胀颗粒污泥床反应器(EGSB)或复合 厌氧光生物反应器(HAF);
所述的营养元素优选为C6H12O6(葡萄糖)、KNO3、KH2PO4、NaHCO3、 CH3COONa、NaCl、NaNO3、KH2PO4、MgSO4·7H2O、FeCl3·3H2O、K2SO4、 EDTA·Na2、H3BO3、CaCl2·2H2O、FeSO4·7H2O、ZnSO4·7H2O、MnCl2·4H2O、 MoO3、CuSO4·5H2O、Co(NO3)2·6H2O、MnSO4·2H2O和(NH4)Mo7O24·4H2O 中的一种或至少两种混合物;
所述的营养元素的用量优选为：C6H12O6(葡萄糖)0～5g/L，KNO30.5～ 1.25g/L，KH2PO40.01～1.0g/L，NaHCO30.1～20g/L，CH3COONa0.5～1.5g/L， NaCl0.01～1.5g/L，NaNO30.5～2.5g/L，KH2PO40.05～0.1g/L，MgSO4·7H2O 0.05～1.00g/L，FeCl3·3H2O0.001～0.005g/L，K2SO40.5～1.0g/L，EDTA·Na20.1～ 0.6g/L，H3BO30.1～0.2g/L，CaCl2·2H2O0.01～0.2g/L，FeSO4·7H2O0.01～ 0.05g/L，ZnSO4·7H2O0～0.1g/L，MnCl2·4H2O0～0.02g/L，MoO30～0.01g/L， CuSO4·5H2O0.01～0.02g/L，Co(NO3)2·6H2O0.001～0.005g/L，MnSO4·2H2O 0～0.1g/L，(NH4)Mo7O24·4H2O0～0.001g/L;
所述的消毒处理优选为臭氧消毒、二氧化氯消毒或蒸汽消毒;
所述的废气为生产生物丁醇产生的CO2;
所述的培养优选为异养培养或混合培养;
所述的异养培养优选为于25～30℃、通风量100～500m3/h、搅拌速度为 120～180r/min中进行培养;
所述的混合培养是指自养+异养的培养，即首先进行自养培养，自养培养优 选为于25～30℃、通风量100～500m3/h、搅拌速度为120～180r/min、通入生物 丁醇工业废气CO2进行培养;当残糖利用完后进行异养培养，异养培养为于自 然光照或LED光源培养，优选为光照强度2000～10000Lux、25～30℃、通风量 5～10m3/h、搅拌速度为100～150r/min中进行培养;
步骤(3)中，在培养过程中监测反应器中的藻细胞浓度，去除藻细胞后培 养液的CODcr、BOD、N、P浓度，在藻细胞浓度达到最大值时排出90%藻液， 再继续往反应器中补加冷却后的藻液培养基，直到监测到藻细胞活性明显下降 (对COD的去除作用明显降低)时将藻液全部排出，进行清罐，再用高压蒸汽 对管道进行灭菌处理，重新重复上述从藻种活化开始的步骤;
步骤(4)中：
优选的，所述的回收处理采用沉淀法、絮凝法、气浮法、离心法或膜分离进 行处理;
更优选的，所述的回收处理采用气浮法或离心法进行处理;
优选的，所述的干燥采用冷冻干燥法或喷雾干燥法进行干燥;
更优选的，所述的干燥采用喷雾干燥法进行干燥;
步骤(4)中，测定剩余的废水的残糖、CODcr、BOD、N和P指标的含量， 达到酒精行业二级标准的废水直接排放，未达标的废水继续用于配制藻液培养 基;
所述的利用生物丁醇的工业废水废气生产微藻的方法可应用于处理生物 丁醇的工业废水废气。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明将废水废气的处理与微藻培养结合起来，利用生物丁醇的工业 废水废气配制藻液培养基生产微藻，充分利用了生物丁醇的工业废水废气及其 残留的营养成分，所要添加的营养元素含量较低，成本低，在培养微藻的同时 实现对废水废气的处理，实现了资源的有效利用和污染的零排放，防止了环境 污染。
(2)本发明提供的利用生物丁醇的工业废水废气生产微藻的方法可应用于 工业化生产微藻，得到的微藻可以用于制备藻蛋白饲料、虾青素、类胡萝卜素 或叶黄素等高附价值的产品，具有良好的经济效益。