專利名稱：沼氣發酵和自養型淡水微藻培養的耦合方法
技術領域：
本發明涉及一種將沼氣發酵的沼液利用及沼氣凈化和自養型淡水微藻培 養相偶聯的方法，專用于沼氣發酵和自養型淡水微藻的培養。
背景技術：
自養型微藻可在光合作用下固定C02，并利用無機氮、磷等無機鹽為營養
源，具有光合作用效率高、環境適應能力強、生長周期短、生物產量高的特 點，是理想的生物質能源材料。微藻，特別是油脂含量較高的富油微藻的綜 合開發和利用已成為許多國家開源節能、化害為利和保護環境的重要措施。
自養型微藻的各種無機鹽占到其總成本的60%以上，若能采用成本低廉的培 養技術，將會大大促進自養型微藻的規模化培養應用步伐。
沼氣發酵已經被廣泛應用于廢棄生物質的利用上。沼氣中約含60%的甲 垸，其它氣體主要為C02，含量在30 40%之間，優質成品沼氣需去除這部分 C02。沼氣發酵后的沼液一般作為廢棄物處理，由于沼液中含有較高含量的氮 磷無機鹽，直接排放污染環境。故若把沼氣發酵和自養型淡水微藻的培養兩 個體系進行偶聯，即利用沼氣發酵的沼液作為自養型淡水微藻的培養基，同 時把沼氣中的C02作為自養型淡水微藻培養的C02來源，既解決了自養型淡 水微藻培養的培養基成本問題，又提高了沼氣的純度與質量，還減少了沼液 的環境污染，達到改善環境、增加經濟、社會和生態效益的目的。
目前國內外合理利用沼氣發酵的廢氣廢液培養自養型淡水微藻，將兩個 過程合理偶聯的研究處于空白階段。

發明內容
本發明的目的是提供將沼氣發酵和自養型淡水微藻培養過程相耦合的方 法。針對自養型淡水微藻培養基的高成本問題及沼氣發酵的廢氣廢液問題而提出 一種構建兩者耦合培養體系的方法。 本發明通過以下技術方案進行實施
為了達到以上目的，本發明采用沼氣發酵和自養型淡水微藻光合培養同時 進行的方法，包括沼氣的發酵、沼液的處理、自養型淡水微藻的接種和沼氣 的引入、自養型淡水微藻培養控制、自養型淡水微藻細胞的收獲，其特征在 于
1) 沼氣發酵發酵獲得沼氣和沼液；
2) 沼液的處理取經沼氣發酵后得到的沼液，過濾去除殘余的固體顆粒， 以水稀釋為原濃度的25%~100%，作為自養型淡水微藻的全營養培養基；
3) 自養型淡水微藻的接種和沼氣的引入將處理后的沼液裝入自養型淡水 微藻培養用的光生物反應器，接入新鮮擴培的自養型淡水微藻藻種，將沼 氣從反應器底部引入反應器；
4) 自養型淡水微藻培養控制自養型淡水微藻培養早期光照強度為1000Lx 2000Lx，到培養中后期增大光強到4000Lx 8000Lx，間歇或24h連續光照；
5) 自養型淡水微藻細胞的收獲藻細胞生長停滯后，停止光照通氣，收集 藻細胞后，
去除藻細胞中的水分。
本發明可采用絮凝、過濾或離心的方法收集藻細胞，可采用室外晾曬、低 溫烘箱烘干、噴霧干燥或冷凍干燥的方法去除藻細胞中的水分。
本發明培養的自養型淡水微藻包括來自于淡水域等野生環境或馴化后的 自養型淡水微藻，也可于各大藻種保藏中心或市售獲得。如小球藻、柵藻、 微藻iVeoc/z/on,s o/eoaZ>wm/am\ J"Ai欲06ifefmws /wez^o6raimz7等。
上述耦合培養體系具體培養方法可按以下步驟進行
1) 沼氣發酵按常規沼氣發酵方法獲得沼氣和沼液，如將人畜糞，生活 垃圾等廢棄生物質和水混合，接入厭氧活性污泥，35"C厭氧發酵10 20天， 獲得沼氣和沼液。
2) 沼液的處理取沼氣發酵后的沼液，過濾去除殘余的固體顆粒，以水稀 釋為原濃度的25%~100%，作為自養型淡水微藻的全營養培養基。
3) 自養型淡水微藻的接種和沼氣的引入將處理后的沼液裝入自養型淡水微藻培養用的光生物反應器，接入新鮮擴培的自養型淡水微藻藻種，將沼 氣從反應器底部引入反應器，經藻細胞吸收后的沼氣再通入下一級反應器。 共經自養型淡水微藻3 5次吸收后的沼氣作為能源使用。
4) 自養型淡水微藻培養控制采取光照強度由弱至強的順序，在自養型淡
水微藻對數生長前期光照強度為1000Lx 2000Lx，進入對數生長期后增大 到4000Lx 8000Lx。間歇或24h連續光照，間隔1~2天取樣測定生物量及 總油脂含量。
5) 自養型淡水微藻細胞的收獲藻細胞的生物量和總油脂含量不再增加時， 停止通氣光照，用絮凝、過濾或離心的方法收集藻細胞。可以室外晾曬、 低溫烘箱烘干、噴霧干燥或冷凍干燥的方法去除藻細胞中的水分，測干重 及總油脂含量。
本發明的有益效果將沼氣發酵和自養型淡水微藻培養過程相偶聯。即把 沼氣發酵副產品C02和沼液合理利用，用來培養自養型淡水微藻。沼氣發酵 的沼液作為自養型淡水微藻培養的培養基；沼氣通入自養型淡水微藻培養基，
其中的C02作為自養型淡水微藻培養所需的C02來源。本發明大大降低了自
養型淡水微藻的生產成本，使沼氣得到凈化(CH4的含量從60%提高到95% 以上)，又解決了沼液的后處理問題。沼氣發酵的產物沼氣及藻細胞里的生物 質能量皆為利用廢物再生的清潔型新能源，且部分微藻細胞可產生不飽和脂 肪酸、活性多糖等高附加值產物。本發明達到了改善環境、增加經濟、社會 和生態效益的目的。
下面結合實施例對本發明的方法做進一步說明。


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圖1為多級光生物反應器示意圖。 圖中，l-5分別為光生物反應器。
具體實施方式
實施例l
本實施例的微藻A^ocWo^ o/eoa^"&ra(購自美國UTEX藻種保藏中心，t/7EA^/7S5)為自養型淡水^"，在BGll培養基中總油脂含量可達干生物量的 45%以上，為富油微藻。采用沼氣和沼液為A^oc/2/o&o/eoa^"^ms的全部營 養源，在室溫室內小型管道式光生物反應器中培養藻細胞。該藻已經實驗證實可在此條件下生存。其步驟如下A:沼氣發酵——將人畜糞，生活垃圾等廢棄生物質和水以1: 19混合，接入30%的厭氧活性污泥，35'C厭氧發酵25天，獲得沼氣和沼液，沼氣經管道引 入光生物反應器，沼液經處理后作為培養基。B:沼液的處理——取沼氣發酵后的沼液，以脫脂棉過濾法去除殘余的固體顆粒，分別以自來水稀釋為原濃度的100%， 75%， 50%， 25%作為該微藻的培 養基，以BG11培養基作為對照培養基。比較上述稀釋度下的沼液培養基和對 照培養基在生物量OD,及總油脂含量間的差別，并確定最適沼液稀釋比例。 C:微藻的接種和沼氣的分級引入——將處理后的沼液裝入微藻培養用的光生 物反應器，接入新鮮擴培的A^ocWoni o/eoa6w"&ra藻種至OD68()為0.8-1.0， 將沼氣從反應器底部引入反應器，反應器為五級串聯排列(如圖l所示)，經 藻細胞吸收后的沼氣再通入下一級反應器，共經藻細胞5次吸收后的沼氣直 接作為能源使用。D:培養控制——室溫下以日光燈為光源光照光生物反應器中的藻細胞，在藻 細胞培養的前3天光照強度為1000Lx，后7天增大光照強度到6000Lx。 24h 連續光照和通入沼氣。E:藻細胞的收獲——藻細胞生物量不再增加時，停止光照通氣，5000r/min 離心收集藻細胞，5(TC烘干后測干重及總油脂含量。以上步驟中iVeoc/z/o/ls 的培養溫度為室溫22。C左右；凈化后沼氣中的甲垸含量從60%增至96。/。左右，C02含量從35%降到4%以下；50% 的沼液廢水為最優培養條件，此時藻細胞干重達到5.5g/L以上，為對照培養 基的80%左右；總油脂含量達到干生物量的50%左右，和對照培養基相當。實施例2以光合自養型的^"h'欲o^ymws p"w^^raww7 (購自美國UTEX藻種保藏 中心，LTEA^Z^"卵)為微藻藻種，采用沼氣和沼液為該藻的全部營養源，在室溫室內小型管道式光生物反應器中培養藻細胞。該藻已經實驗證實可以 沼液為唯一培養基生存，為富油微藻。其步驟如下A:沼氣發酵——將水葫蘆，人畜糞，生活垃圾等廢棄生物質和水以1: 20混合，以10%的重量比例接入厭氧活性污泥，35'C厭氧發酵20天，以獲得沼氣和沼液。沼氣經管道引入光生物反應器，沼液經處理后作為培養基。B:沼液的處理——取沼氣發酵后的沼液，以脫脂棉過濾法去除殘余的固體顆粒，分別以自來水稀釋為原濃度的100%, 75%， 50%， 25%作為^"H^racfeswms 戸w^6ra"m7的培養基，以BGll培養基作為對照培養基。比較上述稀釋度下 的沼液培養基和對照培養基在生物量OD68。及總油脂含量間的差別，并確定最 適沼液稀釋比例。C:微藻的接種和沼氣的分級引入——將處理后的沼液裝入微藻培養用的光生 物反應器，接入新鮮擴配的^2h'Wrafl^w^ ;wewcfoZ)ra"m'f藻種至OD680為 0.8~1.0。將原始沼氣從底部引入反應器底部，反應器為四級串聯排列，原始 沼氣經藻細胞吸收2天后作為二次沼氣引入下一級反應器，共經4次吸收后 的沼氣直接作為能源使用。D:培養控制——室溫下開燈給光生物反應器中的藻細胞以光照。在藻細胞9 天的培養周期內光照強度從1000Lx逐漸增加到8000Lx (在藻細胞生長的前 兩天，光照強度為1000Lx;第3~4天增加為5000 Lx;第5~9天增加為8000Lx)。 以16: 8的光照光暗周期供光。沼氣的通入采取24h不間斷的方法。 E:藻細胞的收獲——藻細胞生物量不再增加時，停止光照通氣，5000r/min 離心收集藻細胞，50'C烘干后測干重及總油脂含量。以上步驟中藻細胞的培養溫度為25'C左右，凈化后沼氣中的甲烷含量從 60%增至95%以上，C02含量從35。/。降到5%以下。50%的沼液廢水為最優培 養條件，藻細胞的干重達到6.0g/L培養基，為對照培養基的85%左右。總油 脂含量達到干生物量的45%左右，和對照培養基相當。
權利要求
1. 一種沼氣發酵和自養型淡水微藻培養的耦合方法，將沼氣發酵和自養型淡水微藻光合培養同時進行，其特征在于1)沼氣發酵發酵獲得沼氣和沼液；2)沼液的處理取經沼氣發酵后得到的沼液，過濾去除殘余的固體顆粒，以水稀釋為原濃度的25％～100％，作為自養型淡水微藻的全營養培養基；3)自養型淡水微藻的接種和沼氣的引入將處理后的沼液裝入自養型淡水微藻培養用的光生物反應器，接入新鮮擴培的自養型淡水微藻藻種，將沼氣從反應器底部引入反應器；4)自養型淡水微藻培養控制自養型淡水微藻培養早期光照強度為1000Lx～2000Lx，到培養中后期增大光強到4000Lx～8000Lx，間歇或24h連續光照；5)自養型淡水微藻細胞的收獲藻細胞生長停滯后，停止光照通氣，收集藻細胞后，去除藻細胞中的水分。
2、 根據權利要求l所述的沼氣發酵和自養型淡水微藻培養的耦合方法，其特 征在于采用絮凝、過濾或離心的方法收集藻細胞。
3、 根據權利要求l所述的沼氣發酵和自養型淡水微藻培養的耦合方法，其特 征在于采用室外晾曬、低溫烘箱烘干、噴霧干燥或冷凍干燥的方法去除藻細 胞中的水分。
全文摘要
本發明屬于環保和新技術能源領域，公開一種沼氣發酵和自養型淡水微藻培養的耦合方法，其特征在于采用沼氣發酵和自養型淡水微藻光合培養同時進行的方法，包括沼氣的發酵、沼液的處理、自養型淡水微藻的接種和沼氣的引入、自養型淡水微藻培養控制、自養型淡水微藻細胞的收獲。本發明采用沼氣發酵過程和光合自養型淡水微藻培養相偶聯的方法，以沼液作為自養型淡水微藻培養的培養基，沼氣中的CO₂作為自養型淡水微藻培養所需的CO₂來源，大大降低了自養型淡水微藻的生產成本，又解決了沼氣的凈化和沼液的后處理問題。
文檔編號C12P5/02GK101285075SQ20081002425
公開日2008年10月15日 申請日期2008年5月27日 優先權日2008年5月27日
發明者何若平, 華 周, 應漢杰, 環 李, 歐陽平凱, 萍 韋, 和 黃 申請人:南京工業大學