一种级联高效节能收获微藻生物质的装置及方法

摘要

本发明公开了一种级联高效节能收获微藻生物质的方法，其主要步骤是：将配置好的絮凝剂与微藻液体培养物混合均匀，混合溶液进入沉降池进行沉降，去除一部分上清液，将剩下的混合溶液用蠕动泵泵入管式离心机进行藻水分离，最后收获微藻生物质。本发明还公开了一种级联高效节能收获微藻生物质的装置，所使用主要装置包括絮凝池、沉降池、离心装置和电源控制器。本发明进样流速可控，样品处理连续且量大，易于放大生产。适用于微藻生物质的大规模收获。

权利要求

1.一种级联高效节能收获微藻生物质的方法，利用一种级联高效节能收获微藻生物质的装置，包括微藻进液软管(1)，微藻进液软管(1)通过第一蠕动泵(5-1)与絮凝池(4)连通，絮凝池(4)还通过第二蠕动泵(5-2)与絮凝剂储存池(6)连通，絮凝池(4)还通过沉降池进液软管(7)与沉降池(8)连通，絮凝池(4)内设置有藻液和絮凝剂搅拌装置(3)，沉降池(8)上设置有沉降池上清输出软管(11-1)，沉降池(8)的底部通过沉降池沉淀物输出软管(11-2)与第三蠕动泵(5-3)连通，第三蠕动泵(5-3)通过管式离心机进样软管(12)与管式离心机(13)连通，沉降池进液软管(7)与沉降池(8)连通的一端设置有藻液进样口缓冲(9)，藻液进样口缓冲(9)包括沉降池进液软管出液管部(9-1)和套设在沉降池进液软管出液管部(9-1)外部的沉降池进液软管套头(9-2)，沉降池进液软管出液管部(9-1)的管壁开设有出液孔，还包括分别与第一蠕动泵(5-1)、第二蠕动泵(5-2)、第三蠕动泵(5-3)、藻液和絮凝剂搅拌装置(3)和管式离心机(13)连接的电源控制器(15)，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A、产油微藻的规模化培养：培养基为改进型的BG11培养基，改进型的BG11培养基配方为：

其中，A5的配方为：

培养的方式为跑道式培养池，光照采用自然光照，

步骤B、絮凝剂的配制与用量：将阳离子型聚丙烯酰胺配制成质量分数0.1％-0.15％的水溶液作为絮凝剂；配置好的絮凝剂储存于絮凝剂储存池(6)中，调节第一蠕动泵(5-1)和第二蠕动泵(5-2)的流量，使絮凝剂与藻液的进样体积比为1:50；

步骤C、开启电源控制器(15)，打开沉降池上清出水阀门(10)，依次启动第一蠕动泵(5-

1)、第二蠕动泵(5-2)、藻液和絮凝剂搅拌装置(3)；藻液经过微藻进液软管(1)进入絮凝池(4)，絮凝池(4)的容积至少为200L，藻液和絮凝剂在絮凝池(4)中混合均匀，藻液和絮凝剂搅拌装置(3)转速为100-200rpm；絮凝池(4)中的混合藻液经过沉降池进液软管(7)进入沉降池(8)中，沉降池(8)的容积至少为400L；

步骤D、当沉降池中液面升高至沉降池上清输出软管(11-1)的位置时，沉降池上清输出软管(11-1)开始出水，打开第三蠕动泵(5-3)并调节流量为100L/h～200L/h，启动管式离心机(13)，沉降后的藻液经过管式离心机进样软管(12)进入管式离心机(13)，离心转速为

20000rpm，离心后清液经过管式离心机清液出口(14)流出，微藻生物质滞留在管式离心机(13)中；

步骤E、当管式离心机清液出口(14)流出清液开始出现微藻时，依次关闭第一蠕动泵(5-1)、第二蠕动泵(5-2)、藻液和絮凝剂搅拌装置(3)、第三蠕动泵(5-3)、管式离心机(13)，取出管式离心机(13)离心柱，收获微藻生物质，收获完毕后，清洗管式离心机离心柱，然后将管式离心机(13)组装完好，返回步骤B直至微藻收集完毕。

说明书

一种级联高效节能收获微藻生物质的装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及产油微藻生物质收获技术领域，更具体涉及一种级联高效节能收获微藻生物质的装置，还涉及一种级联高效节能收获微藻生物质的方法，适合大批量产油微藻生物质的快速高效收集。

背景技术

[0002] 随着矿物质能源的消耗及其导致的全球气候问题日益严重，全世界都在致力于研究开发和利用新型的环保型可再生能源。其中高含油量微藻因其光合作用效率高、生长周期短、细胞油脂含量高和环境适应力强等优点，成为了目前最具发展前景的可再生能源之一。

[0003] 在利用微藻生产生物柴油的产业化过程中，一套高效节能的微藻生物质收获技术显得尤为重要。由于微藻的生物学特性，普通的收集方法很难应用于其生物质的收获。目前实际生产中收集微藻的方法主要有离心法和絮凝剂法，但是都有很大的局限性。其中离心法耗能高，成本高，虽收集率高，但不适宜于批量化的工业生产。絮凝剂法单独采用，能耗低，但收集率不高，絮凝后还需要进一步的后续处理收获生物质，成本投入较高，也难以产业化。本发明采用聚丙烯酰胺(阳离子型)这种高效、广泛使用的絮凝剂对微藻液体培养物(以下简称“藻液”)进行絮凝作用，再配以管式离心机进行藻-水分离，从而收集微藻生物质。本发明操作简单，成本低廉，可大批量、低能耗、高效率地收集微藻生物质。

发明内容

[0004] 本发明目的是在于提供一种级联高效节能收获微藻生物质的装置与方法，它的藻液流量可以调节，藻液和絮凝剂混合均匀，能在各种环境条件下进行微藻生物质的收获。此方法操作简单、方便，成本低廉，微藻收获率达到95％以上，具有较高的环境、社会和经济效益。该方法收集效果好，适用于工业上大规模微藻生物质的收获。

[0005] 为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

[0006] 在微藻生物质收获过程中，如果直接使用管式离心机对藻液进行离心收集，不仅工作量大、成本高而且会造成相当大的资源浪费，为此申请人使用一种高效的絮凝剂(聚丙烯酰胺)絮凝藻液，藻液和絮凝剂加以搅拌混合均匀，待藻液沉淀稳定后，放掉上清液，然后离心剩下的浓缩藻液。经实验证实，絮凝后收集到的微藻产油率与直接离心获得的微藻产油率之间无统计学差异。

[0007] 一种级联高效节能收获微藻生物质的装置，包括微藻进液软管，微藻进液软管通过第一蠕动泵与絮凝池连通，絮凝池还通过第二蠕动泵与絮凝剂储存池连通，絮凝池还通过沉降池进液软管与沉降池连通，絮凝池内设置有藻液和絮凝剂搅拌装置，沉降池上设置有沉降池上清输出软管，沉降池的底部通过沉降池沉淀物输出软管与第三蠕动泵连通，第三蠕动泵通过管式离心机进样软管与管式离心机连通。

[0008] 如上所述的沉降池进液软管与沉降池连通的一端设置有藻液进样口缓冲，藻液进样口缓冲包括沉降池进液软管出液管部和套设在沉降池进液软管出液管部外部的沉降池进液软管套头，沉降池进液软管出液管部的管壁开设有出液孔。

[0009] 一种级联高效节能收获微藻生物质的装置，还包括分别与第一蠕动泵、第二蠕动泵、第三蠕动泵、藻液和絮凝剂搅拌装置和管式离心机连接的电源控制器。

[0010] 一种级联高效节能收获微藻生物质的方法，包括以下步骤：

[0011] 步骤A、产油微藻的规模化培养：培养基为改进型的BG11培养基，改进型的BG11培养基配方为：

[0012]

[0013] 其中，A5的配方为：

[0014]

[0015] 培养的方式为跑道式培养池，光照采用自然光照，

[0016] 所述的微藻为小球藻属中的一种或多种；

[0017] 步骤B、絮凝剂的配制与用量：将阳离子型聚丙烯酰胺配制成质量分数0.1％-0.15％的水溶液作为絮凝剂；配置好的絮凝剂储存于絮凝剂储存池中，调节第一蠕动泵和第二蠕动泵的流量，使絮凝剂与藻液的进样体积比为1:50；

[0018] 步骤C、开启电源控制器，打开沉降池上清出水阀门，依次启动第一蠕动泵、第二蠕动泵、藻液和絮凝剂搅拌装置；藻液经过微藻进液软管进入絮凝池，絮凝池的容积至少为200L，藻液和絮凝剂在絮凝池中混合均匀，藻液和絮凝剂搅拌装置转速为100-200rpm；絮凝池中的混合藻液经过沉降池进液软管进入沉降池中，沉降池的容积至少为400L；

[0019] 步骤D、当沉降池中液面升高至沉降池上清输出软管的位置时，沉降池上清输出软管开始出水，打开第三蠕动泵并调节流量为100L/h～200L/h，启动管式离心机，沉降后的藻液经过管式离心机进样软管进入管式离心机，离心转速为20000rpm，离心后清液经过管式离心机清液出口流出，微藻生物质滞留在管式离心机中；

[0020] 步骤E、当管式离心机清液出口流出清液开始出现微藻时(即清液颜色开始变绿或清液中检测出叶绿素a浓度)，依次关闭第一蠕动泵、第二蠕动泵、藻液和絮凝剂搅拌装置、第三蠕动泵、管式离心机，取出管式离心机离心柱，收获微藻生物质，收获完毕后，清洗管式离心机离心柱，然后将管式离心机组装完好，返回步骤B直至微藻收集完毕。

[0021] 本发明与现有技术比较有以下优点和效果：

[0022] 1、利用此方法对絮凝浓缩后的藻液进行离心收集，相比于对未进行絮凝浓缩的藻液进行直接离心收集，可以减少离心藻液体积，节约时间、降低能耗，降低微藻生物质的收获成本；

[0023] 2、微藻生物质收获率高，实验证明收集率大于95％。离心同体积的藻液，采用此方法离心机运行能耗仅为普通离心的15.8％-26.9％。

[0024] 3、实验证明，使用聚丙烯酰胺(阳离子型)对微藻产油率无显著影响。

[0025] 4、由于是级联式，人工操作较少，对操作者的专业要求较低，降低了人力成本。

附图说明

[0026] 图1为一种级联高效节能收获微藻生物质的方法所使用的装置示意图。

[0027] 图2为藻液进样口缓冲(9)示意图。

[0028] 图3为阳离子型聚丙烯酰胺絮凝收集小球藻与直接离心收集小球藻产油率对比；

[0029] 图4为阳离子型聚丙烯酰胺絮凝收集小球藻与直接离心收集小球藻离心机运行时间对比。

[0030] 其中：(1)微藻进液软管，(2)絮凝剂进液软管，(3)藻液和絮凝剂搅拌装置，(4)絮凝池，(5-1)第一蠕动泵，(5-2)第二蠕动泵，(5-3)第三蠕动泵，(6)絮凝剂储存池，(7)沉降池进液软管，(8)沉降池，(9)藻液进样口缓冲，(9-1)沉降池进液软管出液管部，(9-2)沉降池进液软管套头(9-2)，(10)沉降池上清出水阀门，(11-1)沉降池上清输出软管，(11-2)沉降池沉淀物输出软管，(12)管式离心机进样软管，(13)管式离心机，(14)管式离心机清液出口，(15)电源控制器，(16)电源控制器信号输送电缆。

具体实施方式

[0031] 下面结合附图与具体实例进一步描述本方法。

[0032] 一种级联高效节能收获微藻生物质的装置，包括微藻进液软管1，微藻进液软管1通过第一蠕动泵5-1与絮凝池4连通，絮凝池4还通过第二蠕动泵5-2与絮凝剂储存池6连通，絮凝池4还通过沉降池进液软管7与沉降池8连通，絮凝池4内设置有藻液和絮凝剂搅拌装置3，沉降池8上设置有沉降池上清输出软管11-1，沉降池8的底部通过沉降池沉淀物输出软管
11-2与第三蠕动泵5-3连通，第三蠕动泵5-3通过管式离心机进样软管12与管式离心机13连通。

[0033] 沉降池进液软管7与沉降池8连通的一端设置有藻液进样口缓冲9，藻液进样口缓冲9包括沉降池进液软管出液管部9-1和套设在沉降池进液软管出液管部9-1外部的沉降池进液软管套头9-2，沉降池进液软管出液管部9-1的管壁开设有出液孔。

[0034] 一种级联高效节能收获微藻生物质的装置，还包括分别与第一蠕动泵5-1、第二蠕动泵5-2、第三蠕动泵5-3、藻液和絮凝剂搅拌装置3和管式离心机13连接的电源控制器15。

[0035] 第一蠕动泵～第三蠕动泵(5-1、5-2、5-3)为可调节流量式蠕动泵，蠕动泵转速范围是60-600rpm。管式离心机13最大转速为20000rpm，最大通水量为200L/h。

[0036] 本装置可以连续性使用，也可以间歇性使用；连续性使用过程中，沉降池上清输出软管11-1位于沉降池8容积的80％位置处；间歇性使用过程中，沉降池上清输出软管11-1位于沉降池8容积的15％-20％位置处。

[0037] 沉降池8包括沉降池进样软管7、沉降池上清输出软管11-1、沉降池沉淀物输出软管11-2；藻液和絮凝剂混合后进入沉降池，上清从沉降池上清输出软管11-1溢出，沉淀物通过沉降池沉淀物输出软管11-2进入离心环节。

[0038] 所述的藻液进样口缓冲9为沉降池进液软管7末端加装的结构，包括沉降池进液软管出液管部9-1，沉降池进液软管套头9-2组成，藻液通过沉降池进液软管7到达藻液进样口缓冲9，从沉降池进液软管出液管部9-1流出，流出的藻液在沉降池进液软管套头9-2的作用下降低流速，能使进入沉降池8的藻液流速降低到最低，起到减少对沉降池中液体的扰动，使沉降池9能发挥最大的沉降作用。

[0039] 一种级联高效节能收获微藻生物质的方法，其主要方法是：

[0040] A产油微藻的规模化培养：规模化培养所用的培养基为改进型的BG11培养基，具体配方见表1。培养的方式为跑道式培养池，光照采用自然光照。所述的微藻为小球藻属(Chlorella spp.)中的一种或多种。

[0041] 表1 改进型BG11培养基配方

[0042]

[0043] B絮凝剂的配制与用量：将阳离子型聚丙烯酰胺配制成质量分数0.1％-0.15％的水溶液作为絮凝剂，经过试验得出质量分数0.1％-0.15％的阳离子型聚丙烯酰胺溶液的絮凝效果最好；配置好的絮凝剂储存于絮凝剂储存池(6)中。作业过程中，调节第一蠕动泵(5-1)和第二蠕动泵(5-2)的流量，使絮凝剂与藻液的进样体积比为1:50。

[0044] C开始作业时，开启电源控制器(15)，打开沉降池上清出水阀门(10)。依次启动第一蠕动泵(5-1)、第二蠕动泵(5-2)、藻液和絮凝剂搅拌装置(3)；藻液经过微藻进液软管(1)进入絮凝池(4)，絮凝池(4)的容积至少为200L，在藻液和絮凝剂搅拌装置(3)作用下，藻液和絮凝剂在絮凝池(4)中混合均匀，所述的藻液和絮凝剂搅拌装置(3)转速为100-200rpm；絮凝池(4)中的混合藻液经过沉降池进液软管(7)进入沉降池(8)中，在藻液进样口缓冲(9)的作用下，降低进样对沉降池中水体的扰动，沉降池(8)的容积至少为400L。

[0045] D当沉降池中液面升高至沉降池上清输出软管(11-1)的位置时，沉降池上清输出软管(11-1)开始出水，打开第三蠕动泵(5-3)并调节流量为100L/h-200L/h，启动管式离心机(13)，沉降后的藻液经过管式离心机进样软管(12)进入管式离心机(13)，离心开始进行工作，离心转速为20000rpm。离心后清液经过管式离心机清液出口(14)流出，微藻生物质滞留在管式离心机(13)中。

[0046] E当管式离心机清液出口(14)流出清液开始出现微藻时(即清液颜色开始变绿或清液中叶绿素a浓度≥0.1mg/L)，依次关闭第一蠕动泵(5-1)、第二蠕动泵(5-2)、藻液和絮凝剂搅拌装置(3)、第三蠕动泵(5-3)、管式离心机(13)。取出管式离心机(13)离心柱，收获微藻生物质。收获完毕后，清洗管式离心机离心柱，然后将管式离心机(13)组装完好。

[0047] F依次重复进行步骤B-C-D-E直到大规模培养的微藻收集完毕。

[0048] 具体实施效果：

[0049] 本方法在中国科学院水生生物研究所内蒙古野外试验站进行实施，实验证明使用阳离子型聚丙烯酰胺对小球藻产油率无显著的影响(图3)，且收集相同体积的小球藻藻液离心机运行时间仅为普通离心的15.8％-26.9％(图4)。

[0050] 本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。