一種清潔的微藻油脂利用裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明涉及微藻清潔利用和生物能源開發(fā)領(lǐng)域，具體涉及一種清潔的微藻油脂利用裝置及其方法。
【背景技術(shù)】
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[0002]隨著工業(yè)領(lǐng)域飛速發(fā)展，社會(huì)對(duì)能源的需求越來越大。煤炭、石油等傳統(tǒng)非可再生燃料日益緊缺。另一方面，化石燃料燃燒過程中大量二氧化碳急速排放大氣，影響我們賴以生存的環(huán)境。微藻是一類廣泛存在，并能快速利用二氧化碳的生物。作為第三代生物質(zhì)能源，微藻有主要3方面優(yōu)點(diǎn)I，快速利用大氣中二氧化碳并釋放氧氣；2，不與傳統(tǒng)農(nóng)作物競(jìng)爭(zhēng)土地；3，與傳統(tǒng)能源作物相比光合效率更高，等面積土地上具有更大的燃料生產(chǎn)潛力。因而，開發(fā)與利用微藻能源，對(duì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、保障國(guó)家能源安全、改善生存環(huán)境和二氧化碳減排都具有重要作用和實(shí)際意義。
[0003]現(xiàn)階段，微藻主要通過水熱法(Hydrothermal Liquefact1n)利用:在2,000 -3，OOOpsia, 300 - 350°C下將部分脫水的微藻(20wt% TS)轉(zhuǎn)化為C4等短鏈，石腦油組分，柴油組分，重鏈油組分；重鏈油組分通常進(jìn)一步經(jīng)傳統(tǒng)的加氫裂化(hydrocracker)工藝裂解成石腦油組分和柴油組分。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0004]微藻中含有大量的蛋白和糖類，組分組成為CH17Oci 4Nci15Pci cici94，氮約為微藻干重的4-8% wt，直接水熱法轉(zhuǎn)化微藻時(shí)，微藻中糖和蛋白組分將使微藻水相部分含有很高的COD和氮含量；油相中將含有較高的氮、硫、氧組分一一水熱反應(yīng)后，水相中C:N比遠(yuǎn)低于厭氧發(fā)酵的適合C:N比27-32:1，很難被微生物直接厭氧發(fā)酵；而油相組分中氮、硫、氧會(huì)對(duì)利用微藻柴油的裝置和設(shè)備有毒害。因而，現(xiàn)階段，微藻水熱法處理需包含復(fù)雜的凈化工藝:水相部分，主要通過催化水熱氣化工藝(Catalytic Hydrothermal Gasif icat1n)，將微藻中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為二氧化碳和甲烷從而加以利用；粗油層通常借助石油精煉工藝的一一加氫過程(hydrotreating process)純化；氮、硫、氧組分將轉(zhuǎn)化為氨氣、硫化氫、二氧化碳和水。微藻本身豐富的蛋白和糖營(yíng)養(yǎng)組分在后期凈化工藝中成為影響微藻油脂品質(zhì)的障礙；后期復(fù)雜的凈化工藝的本質(zhì)，是將天然有機(jī)營(yíng)養(yǎng)轉(zhuǎn)化為氨氣、硫化氫和二氧化碳等廢氣形式；造成了資源的浪費(fèi)。
[0005]本發(fā)明的目的是針對(duì)直接水熱法轉(zhuǎn)化微藻的缺陷，提供一種清潔的微藻油脂利用裝置及其方法，有效分離利用蛋白和糖類，通過有序的方式提取和利用不能轉(zhuǎn)化生物油的蛋白和糖類；既可全面利用微藻豐富的營(yíng)養(yǎng)組分，還可避免后期變寶為廢的凈化工藝，防止氨氣、硫化氫等有害氣體產(chǎn)生。
[0006]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的:
[0007]一種清潔的微藻油脂利用裝置，該裝置包括依次連通的微藻培養(yǎng)系統(tǒng)、微藻沉降系統(tǒng)、微藻分離系統(tǒng)、預(yù)處理系統(tǒng)、蛋白提取系統(tǒng)、多糖提取系統(tǒng)、微藻脂類利用系統(tǒng)，此外還包括微藻回收利用系統(tǒng)，所述蛋白提取系統(tǒng)、多糖提取系統(tǒng)、微藻脂類利用系統(tǒng)分別經(jīng)微藻回收利用系統(tǒng)跟微藻微藻培養(yǎng)系統(tǒng)連通，形成回路；所述微藻微藻培養(yǎng)系統(tǒng)跟二氧化碳尾氣連通，用來培養(yǎng)微藻以吸收二氧化碳尾氣；所述微藻脂類利用系統(tǒng)由微藻水熱反應(yīng)系統(tǒng)和\或厭氧發(fā)酵系統(tǒng)組成；所述微藻水熱反應(yīng)系統(tǒng)包括預(yù)熱系統(tǒng)，活塞流動(dòng)水熱反應(yīng)器，三相分咼系統(tǒng)。
[0008]所述的微藻培養(yǎng)系統(tǒng)為光生物反應(yīng)器，所述光生物反應(yīng)器選自發(fā)酵罐式光反應(yīng)器，管式光反應(yīng)器或板式光反應(yīng)器中的一種。
[0009]所述的微藻培養(yǎng)系統(tǒng)優(yōu)選用溫度光照適宜的跑道式微藻培養(yǎng)系統(tǒng)。
[0010]所述微藻分離系統(tǒng)選自過濾裝置或絮凝裝置或氣浮裝置或離心裝置或沉降系統(tǒng)中一個(gè)或一個(gè)以上的耦合的裝置。
[0011]所述預(yù)處理系統(tǒng)包括物理破碎或細(xì)胞溶解裝置。
[0012]優(yōu)選地，所述蛋白提取系統(tǒng)跟所述多糖提取系統(tǒng)整合成一個(gè)系統(tǒng)，為酶解提取系統(tǒng)。
[0013]本發(fā)明還提供一種清潔的微藻油脂利用方法，包括以下步驟:
[0014]a、利用上述微藻培養(yǎng)系統(tǒng)培養(yǎng)微藻以吸收二氧化碳尾氣，所述微藻以工業(yè)廢水或配置培養(yǎng)液作為培養(yǎng)液，微藻成熟后，通過上述沉降系統(tǒng)和分離系統(tǒng)分離出微藻，得到的微藻再經(jīng)預(yù)處理系統(tǒng)后進(jìn)入所述蛋白提取系統(tǒng)、多糖提取系統(tǒng)進(jìn)行提取，分離得到蛋白和糖；所述蛋白提取系統(tǒng)、多糖提取系統(tǒng)的殘?jiān)謩e經(jīng)所述微藻回收利用系統(tǒng)回收，為微藻培養(yǎng)系統(tǒng)提供營(yíng)養(yǎng)；
[0015]b、步驟a得到的提取液分離出蛋白和糖后，油相部分進(jìn)入所述微藻脂類利用系統(tǒng)中通過常規(guī)石化方法獲得柴油或航空煤油；所述固相是未能水解的殘?jiān)?，可直接用于厭氧發(fā)酵，或氣化產(chǎn)電或經(jīng)所述微藻回收利用系統(tǒng)回收，為微藻培養(yǎng)系統(tǒng)提供營(yíng)養(yǎng)。
[0016]所述微藻培養(yǎng)方式選自批式培養(yǎng)、循環(huán)培養(yǎng)、連續(xù)培養(yǎng)中的任一種。
[0017]通過上述沉降系統(tǒng)和分離系統(tǒng)分離出的微藻可進(jìn)一步經(jīng)洗滌，冷凍，干燥等純化過程，在非氧化條件下(如二氧化碳，氮?dú)?儲(chǔ)存?？蛇x擇性添加人工或天然的抗氧化劑。
[0018]分離出的微藻通過預(yù)處理系統(tǒng)經(jīng)物理破碎或細(xì)胞溶解后在蛋白提取系統(tǒng)通過常規(guī)方法用干法或者濕法抽提蛋白，這些常規(guī)預(yù)處理方法包括但并不局限于:水熱法，機(jī)械破碎法，碾磨法，超聲波破碎或者法式壓濾壺法等方法。
[0019]蛋白提取方法包括但并不局限于:溶劑提取，超臨界流體萃取，次臨界流體提取，酶法提取等。
[0020]其中溶劑萃取時(shí)，在溶解的細(xì)胞中添加兩性溶劑和親水溶劑，形成重層和輕層分餾，通過單次或多次分餾，回收沉淀蛋白，回收溶劑。溶劑回收方法包括蒸餾，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，升膜蒸發(fā)器，蒸汽脫氣塔等溶劑回收方法。
[0021]可以用于蛋白提取的溶劑，包括但并不局限于如下兩性溶劑:甲醇，乙醇，異丙醇，2丙醇，丙酮，丁酮，丙醛，乙腈，二甲基乙醚等。
[0022]輕水溶劑包含:丙烷，丁烷，戊烷，庚烷，辛烷，環(huán)己烷等。通常選擇毒性小易回收的單個(gè)組分或多個(gè)混合組分。
[0023]其中超臨界流體萃取時(shí)，可通過C02\N0作為溶劑提取，其中次臨界流體萃取時(shí)，可利用水作為溶劑提取，通常2，000 - 3，OOOpsia, 300 - 350°C ;依據(jù)特定微藻蛋白、糖、脂類各組分在超臨界\次臨界狀態(tài)中解聚常數(shù)的差異分離；通過控制臨界流體的溫度壓力環(huán)境，依次解離蛋白、糖，以純化脂類。
[0024]其中酶法提取時(shí)，包括破壁使用的phytase，水解纖維素的cellulase，以及水解蛋白的protease ο
[0025]上述方法提取微藻蛋白的裝置包括但并不局限于破碎提取裝置、加熱提取裝置、加壓提取裝置、皂化提取裝置、冷凍提取裝置、粉碎提取裝置、離子交換裝置、色譜裝置、膜分離裝置、反滲透裝置、蒸餾裝置等一種或兩種以上裝置的組合.
[0026]所述蛋白提取后可進(jìn)一步純化，包括物理和化學(xué)純化方式，包含脫膠工藝，漂白工藝，過濾工藝等純化或改良微藻的蛋白組分。
[0027]在有些條件下還需耦合脫膠過程，可包含水脫膠工藝，酸脫膠工藝，酶脫膠工藝，膜脫膠工藝等。例如酸式脫膠過程中，將通過和液態(tài)酸結(jié)合用于沉降脂肪中的膠體和葉綠素等物質(zhì)，酸類物質(zhì)包括硫酸，磷酸及其組分等。酸沉淀物質(zhì)可通過離心或過濾分離；冷凍干燥脫水。
[0028]微藻提取蛋白前后可耦合微藻多糖、色素、DHA, EPA等提取，包括以上所描述的溶劑提取，超臨界流體萃取，次臨界流體提取，酶法提取等，或者將蛋白和糖類的提取過程整合成一個(gè)系統(tǒng)。
[0029]所述耦合提取色素的方法，通過中性、酸性活化物質(zhì)或膜法等提取色素。
[0030]提取蛋白包括并不局限用于食品，保健品，飼料，微藻的培養(yǎng)基組分等。
[0031]提取的多糖類物質(zhì)包括并不局限于用于食品，保健品，飼料，乙醇發(fā)酵的原料等。
[0032]微藻蛋白和糖類同時(shí)提取時(shí)，在用于食品，保健品，飼料同時(shí)，也可直接用于乙醇發(fā)酵，多糖供給發(fā)酵，蛋白質(zhì)作為微生物的培養(yǎng)基組分。
[0033]提取