微藻全組分利用制備車用生物燃油、生物氣及肥料的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了微藻全組分利用制備車用生物燃油、生物氣及肥料的方法，步驟是：藻體的培養(yǎng)；藻體絮凝；藻油的提??；固定化全細胞催化劑的制備；油脂轉(zhuǎn)化制備車用生物燃油；藻沉淀熱解及氣液固組分利用。本發(fā)明的方法可使用所有海洋微藻及淡水微藻等原料，適應性極強。所用藻體收集方法采用天然高分子絮凝劑，減少了無機絮凝劑外加金屬鹽對環(huán)境及產(chǎn)物的污染。本發(fā)明反應的副產(chǎn)物為氣體產(chǎn)物和藻渣，其中氣體產(chǎn)物富含CO、H2和CH4，可作為天然氣直接使用；藻渣可以作為肥料或通過加工制成生態(tài)緩釋肥，達到藻類全組分利用目的。所用藻油轉(zhuǎn)酯化催化劑為固定化全細胞脂肪酶產(chǎn)生菌，具有高效、穩(wěn)定、重復性高、對環(huán)境無污染優(yōu)勢，為新型環(huán)保催化劑。
CGMCC No7644
20130527
【專利說明】微藻全組分利用制備車用生物燃油、生物氣及肥料的方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于藻類制取生物燃油及資源化應用領域，具體涉及一種微藻全組分利用 制備車用生物燃油、生物氣及肥料的方法。

【背景技術】
[0002] 傳統(tǒng)能源的大量消耗使得石油替代品的需求不斷加大，開發(fā)可替代石油資源的液 體燃料已經(jīng)成為亟需解決的能源問題。生物柴油作為一種新型燃料，具有良好的潤滑性、燃 料性、安全性和啟動性等特點，并且具有無毒、無害、可生物降解環(huán)保優(yōu)點，是替代傳統(tǒng)燃料 的最佳選擇。生產(chǎn)生物燃油的原料中，微藻被認為是唯一可以完全替代化石燃料的生物柴 油的原料。但是在實現(xiàn)微藻產(chǎn)油產(chǎn)業(yè)化的過程中，存在諸多問題。
[0003] 首先微藻藻種的篩選及培育。目前，對微藻制取生物柴油方面的工作主要集中在 藻種的篩選方面，但是由于實驗室的條件與戶外的條件差異很大，在溫度、營養(yǎng)、通氣以及 有害生物防治方面都會存在困難。因此需要對天然的微藻進行進一步的優(yōu)化，使其能適應 較寬的溫度變化以及較好的抗逆性，并保持高油脂含量、短生長周期特點，以降低微藻培養(yǎng) 成本。
[0004] 其次，由于微藻個體微小，且在培養(yǎng)液中的濃度很低，決定了其米收難度很大。對 于工業(yè)規(guī)模的微藻養(yǎng)殖，從藻液中米收微藻一直是個瓶頸。有資料表明，微藻米收的成本占 其養(yǎng)殖成本（包括培養(yǎng)和采收）的20%?30%。因此，尋求一種高效率、低成本的采收方 法是當前亟需解決的問題。目前，采用傳統(tǒng)的采收過程中加入無機及有機高分子絮凝劑，如 鐵鹽、鋁鹽等，雖然可以達到絮凝效果，但是由于引入了新的離子，對水體造成嚴重影響，增 加了水體處理費用。
[0005] 此外，在油脂轉(zhuǎn)酯化制備生物柴油過程中，常常采用液體酸堿或者固體酸堿催化 齊U，但是這些催化劑對存在工藝復雜，設備要求高，醇消耗量大，產(chǎn)物不易回收以及環(huán)境污 染大等問題。而甘油作為轉(zhuǎn)酯化的副產(chǎn)物而不再利用等現(xiàn)象不僅增加了環(huán)境風險，而且造 成了資源的浪費。
[0006] 藻類經(jīng)油脂提取后的藻粉的常規(guī)處理是作為廢棄物丟棄，但是由于藻類的體內(nèi)還 含有大量的含碳化合物等營養(yǎng)物質(zhì)，仍具有再利用的價值。
[0007] 雖然微藻尤其是含油微藻具有很多利用價值，但是目前對微藻的利用大部分局限 于利用藻體內(nèi)的脂肪酸，如不飽和脂肪酸作為保健品，或者通過轉(zhuǎn)酯化制備生物柴油等，以 及利用藻體內(nèi)的蛋白質(zhì)作為食品或者色素等，或者利用藻粉/藻液作為飼料及肥料等。但 是在藻類的全組分利用方面技術很少，因此造成大量的浪費以及環(huán)境的污染等問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種微藻全組分利用制備車用生物燃 油、生物氣及肥料的方法。
[0009] 本發(fā)明的技術方案概述如下：
[0010] 微藻全組分利用制備車用生物燃油、生物氣及肥料的方法，包括如下步驟：
[0011] (1)藻體的培養(yǎng)：將微藻接種到培養(yǎng)液中，使微藻的質(zhì)量濃度為8-12mg/L，在溫度 20-351：，光照12-1711培養(yǎng)；當油脂含量超過干重30%時，停止培養(yǎng)，得微藻培養(yǎng)液；
[0012] ⑵藻體絮凝：將胍基殼聚糖加入到微藻培養(yǎng)液中使?jié)舛葹?-100mg/L，在 200-400r/min攪拌5-10分鐘，靜置沉淀10-120分鐘，棄去上清液，采收微藻；
[0013] (3)藻油的提?。簩⑽⒃甯稍?，破碎，按照lg: l_5mL的比例，向破碎的微藻細胞中 加入提取混合溶劑，在200-400r/min轉(zhuǎn)速下攪拌20-40min，離心，得到含藻油的液體和藻 沉淀，含藻油的液體經(jīng)過蒸餾得到藻油；所述提取混合溶劑為體積比為2:1的氯仿和甲醇；
[0014] (4)固定化全細胞催化劑的制備：
[0015] ①按重量百分比稱?。?. 5% -1. 5%的干重門多薩假單胞菌、88. 5% -93. 5%的LB 液體培養(yǎng)基和5% -10 %的聚氨酯泡沫顆粒；
[0016] ②將門多薩假單胞菌作為脂肪酶產(chǎn)生菌接種到LB液體培養(yǎng)基上，加入聚氨酯泡 沫顆粒，在30°C -35°C，100_200r/min恒溫搖床中培養(yǎng)2-5天；過濾，得到固定有門多薩 假單胞菌菌株的聚氨酯泡沫顆粒，水洗，干燥，加入到〇. 1-0. 3wt%戊二醛水溶液中使?jié)舛?為50-100mg/L混合均勻，過濾，濾漁放入pH = 6. 5的磷酸緩沖液中，100-200r/min振蕩 5-10min，過濾、水洗，干燥，得到固定化全細胞催化劑；
[0017] (5)油脂轉(zhuǎn)化制備車用生物燃油：將摩爾比為1:1-1. 5的藻油和甲醇混合得混合 液，向混合液中加入固定化全細胞催化劑使加入量為l_l〇wt%，25°C -35°C，100_200r/min 震蕩進行催化轉(zhuǎn)酯化反應，每隔20h-30h加入與混合液中同體積的甲醇，共加入3-5次，繼 續(xù)以100-200r/min震蕩20h-30h得到車用生物燃油1 ;
[0018] (6)藻沉淀熱解及氣液固組分利用：
[0019] 將步驟（3)獲得的藻沉淀，干燥，通過生物質(zhì)熱裂解制油裝置，在400?600°C，壓 力控制在0. 1-0. 2MPa，進料率為0. 4?0. 7kg/h進行熱解，得到車用生物燃油2、作為燃氣 使用的生物氣及可用作肥料的藻渣。
[0020] 微藻優(yōu)選為硅藻，柵藻，綠藻，金藻，絲藻，盤星藻、魚腥藻、扁藻和衣藻至少一 種。
[0021] 培養(yǎng)液優(yōu)選f/2培養(yǎng)液、E3培養(yǎng)液或BGl 1培養(yǎng)液。
[0022] 本發(fā)明的優(yōu)點：
[0023] 1.本發(fā)明的方法可使用所有海洋微藻及淡水微藻等原料，適應性極強。
[0024] 2.本發(fā)明所用藻體收集方法采用天然高分子絮凝劑，減少了無機絮凝劑外加金屬 鹽對環(huán)境及產(chǎn)物的污染。
[0025] 3.本發(fā)明反應的副產(chǎn)物為氣體產(chǎn)物和藻漁，其中氣體產(chǎn)物富含CO、H2和CH 4，可作 為天然氣直接使用；藻渣可以作為肥料或通過加工制成生態(tài)緩釋肥，達到藻類全組分利用 之目的。
[0026] 4.本發(fā)明所用藻油轉(zhuǎn)酯化催化劑為固定化全細胞脂肪酶產(chǎn)生菌，具有高效、穩(wěn)定、 重復性高、對環(huán)境無污染優(yōu)勢，為新型環(huán)保催化劑。
[0027] 5.本發(fā)明的方法可應用于工業(yè)化大裝置的生產(chǎn)。
[0028] 6.本發(fā)明的方法流程簡單、效率高、成本低、產(chǎn)品質(zhì)量高、所有原料及產(chǎn)品均有效 利用、環(huán)境友好。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029] 圖1為固定化全細胞催化劑用量對油脂轉(zhuǎn)化率的影響。

【具體實施方式】
[0030] 下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
[0031] 下述微藻購于中國科學院淡水藻種庫。
[0032] 娃藻（菱形藻）Nitzschia Nitzschia sp. FACHB-206 ;
[0033] 綠藻（小球藻）Chlorella Chlorella sp. FACHB - 231 ;
[0034] 金藻（小定鞭金藻）Prymnesium Prymnesium parvum FACHB-923 ;
[0035] 絲藻 Ulothrix Ulothrix sp. FACHB-494 ;
[0036] 盤星藻 Pediastrum Pediastrum sp. FACHB-520 ;
[0037] 扁藻 Platymonas Platymonas sp. FACHB-557 ;
[0038] 衣藻 Chlamydomonas Chlamydomonas sp. FACHB-715 ;
[0039] 棚藻 Scenedesmus Scenedesmus sp FACHB-1229 ;
[0040] 斜生柵藻 Scenedesmus obiiquus FACHB-416 ;
[0041] 普通小球藻 Chlorella vulgaris FACHB-30 ;
[0042] 魚渥藻 Anabaena sp. 1105FACHB-179。
[0043] 本發(fā)明各實施例所采用的門多薩假單胞菌，保藏于中國微生物菌種保藏管理委員 會普通微生物中心（CGMCC)，地址為北京市朝陽區(qū)北辰西路1號院3號中國科學院微生物 研究所，保藏號為CGMCC No. 7644,保藏日期為2013年5月27日，建議分類命名為門多 薩假單胞菌Pseudomonas。
[0044] 實施例1
[0045] 微藻全組分利用制備車用生物燃油、生物氣及肥料的方法，包括如下步驟：
[0046] (1)藻體的培養(yǎng)：將微藻接種到f/2培養(yǎng)液中，使微藻的質(zhì)量濃度為8mg/L，在溫度 20°C，光照17h培養(yǎng)；當油脂含量超過干重32%時，停止培養(yǎng)，得微藻培養(yǎng)液；
[0047] (2)藻體絮凝：將胍基殼聚糖加入到微藻培養(yǎng)液中使?jié)舛葹?0mg/L，在200r/min 攪拌10分鐘，靜置沉淀40分鐘，棄去上清液，采收微藻；
[0048] (3)藻油的提?。簩⑽⒃甯稍?，破碎，按照lg:2mL的比例，向破碎的微藻細胞中加 入提取混合溶劑，在200r/min轉(zhuǎn)速下攪拌40min，離心，得到含藻油的液體和藻沉淀，含藻 油的液體經(jīng)過蒸餾得到藻油；所述提取混合溶劑為體積比為2:1的氯仿和甲醇；
[0049] (4)固定化全細胞催化劑的制備：
[0050] ①按重量百分比稱取：0. 5 %的干重門多薩假單胞菌、89. 5 %的LB液體培養(yǎng)基和 10 %的聚氨酯泡沫顆粒；
[0051] ②將門多薩假單胞菌作為脂肪酶產(chǎn)生菌接種到LB液體培養(yǎng)基上，加入聚氨酯泡 沫顆粒，在30°C，100r/min恒溫搖床中培養(yǎng)5天；過濾，得到固定有門多薩假單胞菌菌株的 聚氨酯泡沫顆粒，水洗，干燥，加入到〇. lwt%戊二醛水溶液中使?jié)舛葹?0mg/L混合均勻， 過濾，濾漁放入pH = 6. 5的磷酸緩沖液中，100r/min振蕩IOmin,過濾、水洗，干燥，得到固 定化全細胞催化劑；
[0052] (5)油脂轉(zhuǎn)化制備車用生物燃油：將摩爾比為1:1的藻油和甲醇混合得混合液，向 混合液中加入固定化全細胞催化劑使加入量為4wt%，25°C，lOOr/min震蕩進行催化轉(zhuǎn)酯 化反應，每隔24h加入與混合液中同體積的甲醇，共加入3次，繼續(xù)以lOOr/min震蕩24h得 到車用生物燃油1 ;
[0053] 利用本步驟的方法，用固定化全細胞催化劑加入量為0%，1%，2%，3%，4%，5%， 6%，7%，和8%，和用轉(zhuǎn)脂酶吣 ￥〇27111435加入量為0%，1%，2%，3%，4%，5%，6%，7%，和 8%，所獲得的甲酯的產(chǎn)率見圖1。
[0054] (6)藻粉熱解及氣液固組分利用：
[0055] 將步驟（3)獲得的藻沉淀，干燥，通過生物質(zhì)熱裂解制油裝置（中國專利申請 號201320672968. X)，在400,壓力控制在0. 2MPa，進料率為0. 4kg/h進行熱解，得到車用 生物燃油2、作為燃氣使用的生物氣及可用作肥料的藻渣。本實施例所用的微藻為柵藻 Scenedesmus Scenedesmus sp FACHB-1229。
[0056] 車用生物燃油1的收率37. 45%。車用生物燃油2收率35. 60%。生物氣的產(chǎn)率 16. 53%。藻渣收率為10.42%。
[0057] 車用生物燃油的成分，主要是烴類物質(zhì)，酸類，醛類，酮類等。生物氣的成分，主要 是CO、H 2和CH4、C2H4、C2H 6、C3H6等。車用生物燃油和藻渣具體元素分析如下：
[0058]

【權(quán)利要求】
1. 微藻全組分利用制備車用生物燃油、生物氣及肥料的方法，其特征是包括如下步 驟： (1) 藻體的培養(yǎng)：將微藻接種到培養(yǎng)液中，使微藻的質(zhì)量濃度為8-12mg/L，在溫度 20-35°C，光照12-17h培養(yǎng)；當油脂含量超過干重30%時，停止培養(yǎng)，得微藻培養(yǎng)液； (2) 藻體絮凝：將胍基殼聚糖加入到微藻培養(yǎng)液中使?jié)舛葹?-100mg/L，在200-400r/ min攪拌5-10分鐘，靜置沉淀10-120分鐘，棄去上清液，采收微藻； ⑶藻油的提?。簩⑽⒃甯稍?，破碎，按照lg:l_5mL的比例，向破碎的微藻細胞中加入 提取混合溶劑，在200-400r/min轉(zhuǎn)速下攪拌20-40min，離心，得到含藻油的液體和藻沉淀， 含藻油的液體經(jīng)過蒸餾得到藻油；所述提取混合溶劑為體積比為2:1的氯仿和甲醇； (4) 固定化全細胞催化劑的制備： ① 按重量百分比稱?。?. 5%-1. 5%的干重門多薩假單胞菌、88. 5%-93. 5%的LB液體 培養(yǎng)基和5% -10 %的聚氨酯泡沫顆粒； ② 將門多薩假單胞菌作為脂肪酶產(chǎn)生菌接種到LB液體培養(yǎng)基上，加入聚氨酯泡沫 顆粒，在30°C -35°C，100_200r/min恒溫搖床中培養(yǎng)2-5天；過濾，得到固定有門多薩假 單胞菌菌株的聚氨酯泡沫顆粒，水洗，干燥，加入到〇. 1-0. 3wt %戊二醛水溶液中使?jié)舛?為50-100mg/L混合均勻，過濾，濾漁放入pH = 6. 5的磷酸緩沖液中，100-200r/min振蕩 5-10min，過濾、水洗，干燥，得到固定化全細胞催化劑； (5) 油脂轉(zhuǎn)化制備車用生物燃油：將摩爾比為1:1-1. 5的藻油和甲醇混合得混合液，向 混合液中加入固定化全細胞催化劑使加入量為l_l〇wt%，25°C -35°C，100_200r/min震蕩 進行催化轉(zhuǎn)酯化反應，每隔20h-30h加入與混合液中同體積的甲醇，共加入3-5次，繼續(xù)以 100-200r/min震蕩20h-30h得到車用生物燃油1 ; (6) 藻沉淀熱解及氣液固組分利用：將步驟（3)獲得的藻沉淀，干燥，通過生物質(zhì)熱裂 解制油裝置，在400?600°C，壓力控制在0. 1-0. 2MPa，進料率為0. 4?0. 7kg/h進行熱解， 得到車用生物燃油2、作為燃氣使用的生物氣及可用作肥料的藻渣。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微藻全組分利用制備車用生物燃油、生物氣及肥料的方法， 其特征是所述的微藻為硅藻，柵藻，綠藻，金藻，絲藻，盤星藻、魚腥藻、扁藻和衣藻至少 一種。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微藻全組分利用制備車用生物燃油、生物氣及肥料的方法， 其特征是所述的培養(yǎng)液為f/2培養(yǎng)液、E3培養(yǎng)液或BG11培養(yǎng)液。
【文檔編號】C11B1/04GK104372044SQ201410649119
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月14日
【發(fā)明者】陳冠益, 齊云, 趙劉, 劉靜, 胡氈 申請人:天津大學