一種利用紅球藻生產(chǎn)微藻能源（生物柴油）原料的工藝方法
【專利摘要】本發(fā)明屬微藻生物【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種利用紅球藻生產(chǎn)微藻能源（生物柴油）原料的工藝方法。將單細胞紅球藻接種于光生物反應(yīng)器內(nèi)，在游動細胞階段培養(yǎng)，獲得生物量，而后誘導(dǎo)細胞轉(zhuǎn)化為不動細胞，進而實現(xiàn)快速積累高附加值天然蝦青素和生物能源油脂；最后采用沉降、離心分離得到高附加值的蝦青素以及微藻能源（生物柴油）原料。本發(fā)明通過人工誘導(dǎo)單細胞紅球藻在累積高附加值活性物質(zhì)的同時生產(chǎn)生物能源原料油脂。其開發(fā)模式不僅提高了微藻生物資源綜合利用效率，也為微藻生物柴油開發(fā)經(jīng)濟可行性帶來了可能。
【專利說明】一種利用紅球藻生產(chǎn)微藻能源(生物柴油)原料的工藝方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬微藻生物【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種利用紅球藻生產(chǎn)微藻能源(生物柴油)原料的工藝方法。
【背景技術(shù)】
[0002]能源是經(jīng)濟發(fā)展的命脈和社會發(fā)展的推動力，決定著現(xiàn)代文明進步程度。伴隨著全球經(jīng)濟高速增長和城市化進程加快，能源需求日益增大；同時，傳統(tǒng)能源具有不可再生性，終將枯竭。在我國化石能源短缺、儲備不足，不能滿足高速發(fā)展的經(jīng)濟社會需要，能源形勢面臨十分嚴(yán)峻的局面。目前我國已成為全球石油消耗大國，其消耗量僅次于美國位于全球第二。預(yù)計到2030年我國對能源進口的依賴度可能達到80%。同時，傳統(tǒng)燃料排放大量CO2，導(dǎo)致溫室效應(yīng)日趨嚴(yán)重，因而引起系列氣候和生態(tài)變化問題，CO2減排已成為亟待解決的全球性問題。尋求可再生能源是社會關(guān)注的大問題。
[0003]近年來，作為化石能源替代品之一的生物柴油是國際上可再生能源的新生力量，發(fā)展迅猛、應(yīng)用范圍不斷擴大。在生物能源中，微藻具有光合作用效率高、含油量高、生長周期短、油脂單位面積產(chǎn)率高等獨特優(yōu)勢。據(jù)理論計算，微藻產(chǎn)油能力是油菜、大豆、玉米等作物產(chǎn)油量的幾十倍。發(fā)展微藻生物柴油具有獨特優(yōu)勢和廣闊前景。規(guī)?；_發(fā)微藻柴油，可充分滿足經(jīng)濟、社會長期持續(xù)發(fā)展和國家安全的戰(zhàn)略需求。
[0004]盡管如此，迄今為止國際上在該領(lǐng)域工作依然停留在前期研究與中試論證的起步階段，生產(chǎn)成本過高將一直是限制著該產(chǎn)業(yè)發(fā)展經(jīng)濟可行性的屏障。為此，尋找并開發(fā)兼產(chǎn)高附加值產(chǎn)品的 產(chǎn)油微藻，均攤和相對降低生物能源生產(chǎn)將是本領(lǐng)域重點方向之一。
[0005]雨生紅球藻具有復(fù)雜的細胞周期和多種繁殖方式，可簡單地分為游動和不動細胞階段。游動細胞階段的細胞行無性生殖(孢子)和營養(yǎng)繁殖(2分裂)，細胞多呈綠色。不動細胞階段的細胞行無性生殖(孢子)和營養(yǎng)繁殖(出芽)，不動細胞形態(tài)為圓球形，無鞭毛，不會游動。細胞大小變化幅度較大，剛形成的不動細胞通常為綠色，隨后從中央開始向外逐漸變成紅色，直至整個細胞呈鮮紅色。該藻在脅迫條件下，如缺乏氮、磷或強光照射下，藻細胞生長趨于緩慢，同時次生代謝產(chǎn)物蝦青素大量積累。規(guī)?；a(chǎn)中，蝦青素含量一般占細胞干重的1_2%，高的可達3-4%，理論上最高達6%，被公認為自然界中蝦青素含量最高的生物，是獲取高附加值天然蝦青素的理想材料。另外，在蝦青素累積過程中，紅球藻同時也可累積大量油脂，這些油脂也是生物能源開發(fā)的原料。蝦青素可廣泛應(yīng)用在水產(chǎn)、化妝品、食品和醫(yī)藥等領(lǐng)域，因此通過開發(fā)紅球藻蝦青素資源，同時生產(chǎn)生物能源原料，可綜合利用該生物資源，并在很大程度上均攤和降低生物能源生產(chǎn)成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明目的在于提供一種利用紅球藻生產(chǎn)微藻能源(生物柴油)原料的工藝方法。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0008]一種利用紅球藻生產(chǎn)微藻能源(生物柴油)原料的工藝方法，將生長至對數(shù)生長期的單細胞紅球藻于光生物反應(yīng)器內(nèi)經(jīng)過人工培養(yǎng)在游動細胞階段快速繁殖，獲取生物量，而后誘導(dǎo)細胞轉(zhuǎn)化為不動細胞，實現(xiàn)快速積累高附加值天然蝦青素和生物能源油脂；最后采用沉降、離心分離得到高附加值的蝦青素以及微藻能源(生物柴油)原料。
[0009]所述光生物反應(yīng)器由封閉體系的光生物反應(yīng)器與開放體系的光生物反應(yīng)器相結(jié)合組成。
[0010]所述封閉體系的光生物反應(yīng)器為柱狀光生物反應(yīng)器或平板光生物反應(yīng)器或管道式光生物反應(yīng)器；開放體系的光生物反應(yīng)器為敞開跑道池光生物反應(yīng)器。
[0011]將紅球藻在游動細胞階段培養(yǎng)到穩(wěn)定生長期，然后轉(zhuǎn)入到缺氮和/或缺磷的培養(yǎng)基中在脅迫條件下誘導(dǎo)游動細胞向不動細胞轉(zhuǎn)化；不動細胞降低生長速度并開始累積蝦青素和油脂，隨著上述脅迫時間的延長，在紅球藻不動細胞內(nèi)實現(xiàn)快速積累高附加值的天然蝦青素和生物能源油脂。
[0012]所述缺氮和/或缺磷的培養(yǎng)基具體指在培養(yǎng)紅球藻的相應(yīng)培養(yǎng)基中未添加氮磷營養(yǎng)元素，或由于前期游動細胞生長已經(jīng)將藻液中的氮磷營養(yǎng)耗盡，而實際產(chǎn)生的營養(yǎng)虧缺培養(yǎng)基。
[0013]將誘導(dǎo)培養(yǎng)后的藻細胞采用自然沉降、板框過濾和離心收集藻泥，所得藻泥經(jīng)高壓均質(zhì)或高速物理碰撞實現(xiàn)細胞破壁，細胞破碎后利用超臨界二氧化碳提取分離得到蝦青素和能夠轉(zhuǎn)化為生物柴油的微藻能源原料。
[0014]所述離心后收 集的藻泥需經(jīng)反復(fù)清洗后，直接經(jīng)高壓均質(zhì)的方式實現(xiàn)細胞破壁；或清洗后的藻泥通過真空冷凍噴霧干燥處理成干藻粉，再利用超高速碰撞的方式實現(xiàn)細胞破壁。
[0015]本發(fā)明所具有的優(yōu)點:本發(fā)明通過人工誘導(dǎo)單細胞紅球藻在累積高附加值活性物質(zhì)的同時生產(chǎn)生物能源原料油脂。其開發(fā)模式的具有以下主要優(yōu)點:通過微藻培養(yǎng)可生產(chǎn)出更多的產(chǎn)品，提高了生物資源綜合利用效率；所生產(chǎn)的高附加值的產(chǎn)品蝦青素屬于純天然產(chǎn)品，具有鮮紅色澤和很強的抗氧化活性，為特種水產(chǎn)飼料、化妝品、食品和藥品開發(fā)帶來了可能性；高附加值產(chǎn)品蝦青素的開發(fā)，也均攤降低了油脂生產(chǎn)成本，為微藻生物柴油開發(fā)經(jīng)濟可行性帶來了可能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明實施例提供的雨生紅球藻培養(yǎng)的光生物反應(yīng)器示意圖，其中A、平板光生物反應(yīng)器；B、柱狀光生物反應(yīng)器；C、管道光生物反應(yīng)器；D、跑道池光生物反應(yīng)器；代表符號:0、溫度控制裝置；1、溫度檢測傳感器；2、氧氣檢測傳感器；3、pH檢測傳感器；4、物料進口 ；5、物料出口 ；6、氣體出口 ；7、氣體(空氣+ 二氧化碳)入口 ；8、光生物反應(yīng)器；9、藻液；10、光源；11、水泵；12、交換塔；13、導(dǎo)流板；14、攪拌水車；15、電機。
[0017]圖2為本發(fā)明實施例提供的利用雨生紅球藻生產(chǎn)微藻能源的開發(fā)技術(shù)與工藝流程。
[0018]圖3為本發(fā)明實施例提供的紅球藻油脂脂肪酸的氣相色譜圖。
【具體實施方式】
[0019]本發(fā)明針對微藻能源(生物柴油)開發(fā)成本過高的問題，提出具體方案:構(gòu)建光生物反應(yīng)器系統(tǒng)(參見圖1)，選取其中的平板(圖1A)、柱狀(圖1B)、跑道池(圖1C)和管道(圖1D)等光生物反應(yīng)器；接種雨生紅球藻于上述反應(yīng)器中，采用MCM、BGll、Ll、l/2f、BBM等基礎(chǔ)培養(yǎng)基(表1)或優(yōu)化和改良培養(yǎng)基，首先控制培養(yǎng)條件在游動細胞階段快速繁殖，獲取生物量；然后改變培養(yǎng)條件誘導(dǎo)細胞轉(zhuǎn)化為不動細胞，實現(xiàn)快速積累高附加值天然蝦青素和生物能源油脂；而后采用以下工藝進行分離蝦青素和油脂:藻細胞沉降、離心技術(shù)收獲藻泥——高壓均質(zhì)或高速物理碰撞技術(shù)進行細胞破壁——超臨界提取脂溶性成分，然后先分離出高附加值的蝦青素成分，均攤掉生物能源的生產(chǎn)成本，然后將剩余油脂用于生物柴油加工。
[0020]具體為:
[0021]1.光生物反應(yīng)器為封閉式的管道光生物反應(yīng)器、柱狀光生物反應(yīng)器和平板光生物反應(yīng)器、以及敞開式的跑道池光生物反應(yīng)器中的一種類型或幾種類型的組合。
[0022]其中各個光生物反應(yīng)器(8)內(nèi)插設(shè)有控制培養(yǎng)藻液的溫度、溶解氧氣和pH值的溫度傳感器(I)、溶氧傳感器⑵和PH電極傳感器(3)(參見圖1A、B、(^PD)。
[0023]各個光生物反應(yīng)器(8)可由透明材質(zhì)(如玻璃、玻璃等)或不透明材質(zhì)(不銹鋼材、建筑材料等)等構(gòu)建，其中透明材質(zhì)構(gòu)建的光生物反應(yīng)器可從內(nèi)部或外部提供光照(10)，而不透明材質(zhì)只能采用內(nèi)置光源；光源可包括自然光和人工光源，如熒光燈管、碘鎢燈和LED等，人工光源光質(zhì)可進一步分為全色光、紅光和藍光。各個光生物反應(yīng)器(8)內(nèi)的溫度可通過加熱和冷凝裝置調(diào)節(jié)(0)，光照強度、光質(zhì)、光照時間、溫度等模式可通過計算機程序控制；物料可通過管道和泵自動上料(4)或卸料(5)。(上述反應(yīng)器可由現(xiàn)有反應(yīng)器直接連接進行操作)
[0024]2.在光生物反應(yīng)室內(nèi)，接種產(chǎn)高附加值蝦青素并累積生物油脂的紅球藻(Haematococcus SP.)藻種，通過人工培養(yǎng)在適宜培養(yǎng)基內(nèi)獲得生物量，然后通過施加脅迫讓游動細胞轉(zhuǎn)化為不動細胞，累積蝦青素和生物油脂。
[0025]其中，有利于培養(yǎng)紅球藻獲得生物量的培養(yǎng)基，主要特點氮磷鉀及其它營養(yǎng)鹽豐富的培養(yǎng)基，如通常所指的MCM、BGl1、Ll、l/2f、BBM等(具體參表1)，以及以此為基礎(chǔ)進一步優(yōu)化和改良的培養(yǎng)基；而有利于游動細胞向不動細胞轉(zhuǎn)化、誘導(dǎo)蝦青素累積和生物油脂生產(chǎn)培養(yǎng)基，主要以MCM、BGl1、Ll、l/2f、BBM等為基礎(chǔ)，通過降低配方中的氮與磷含量，而形成的營養(yǎng)虧缺培養(yǎng)基。
[0026]表1.幾種用于紅球藻培養(yǎng)的常見培養(yǎng)基組成及其配方
[0027]
【權(quán)利要求】
1.一種利用紅球藻生產(chǎn)微藻能源(生物柴油)原料的工藝方法，其特征在于:將生長至對數(shù)生長期的單細胞紅球藻于光生物反應(yīng)器內(nèi)經(jīng)過人工培養(yǎng)在游動細胞階段快速繁殖，獲取生物量，而后誘導(dǎo)細胞轉(zhuǎn)化為不動細胞，實現(xiàn)快速積累高附加值天然蝦青素和生物能源油脂；最后采用沉降、離心分離得到高附加值的蝦青素以及微藻能源(生物柴油)原料。
2.按權(quán)利要求1所述的利用紅球藻生產(chǎn)微藻能源(生物柴油)原料的工藝方法，其特征在于:所述光生物反應(yīng)器由封閉體系的光生物反應(yīng)器與開放體系的光生物反應(yīng)器相結(jié)合組成。
3.按權(quán)利要求2所述的利用紅球藻生產(chǎn)微藻能源(生物柴油)原料的工藝方法，其特征在于:所述封閉體系的光生物反應(yīng)器為柱狀光生物反應(yīng)器或平板光生物反應(yīng)器或管道式光生物反應(yīng)器；開放體系的光生物反應(yīng)器為敞開跑道池光生物反應(yīng)器。
4.按權(quán)利要求1所述的利用紅球藻生產(chǎn)微藻能源(生物柴油)原料的工藝方法，其特征在于:將紅球藻在游動細胞階段培養(yǎng)到穩(wěn)定生長期，然后轉(zhuǎn)入到缺氮和/或缺磷的培養(yǎng)基中在脅迫條件下誘導(dǎo)游動細胞向不動細胞轉(zhuǎn)化；不動細胞降低生長速度并開始累積蝦青素和油脂，隨著上述脅迫時間的延長，在紅球藻不動細胞內(nèi)實現(xiàn)快速積累高附加值的天然蝦青素和生物能源油脂； 所述缺氮和/或缺磷的培養(yǎng)基具體指在培養(yǎng)紅球藻的相應(yīng)培養(yǎng)基中未添加氮磷營養(yǎng)元素，或由于前期游動細胞生長已經(jīng)將藻液中的氮磷營養(yǎng)耗盡，而實際產(chǎn)生的營養(yǎng)虧缺培養(yǎng)基。
5.按權(quán)利要求1所述的利用紅球藻生產(chǎn)微藻能源(生物柴油)原料的工藝方法，其特征在于:將誘導(dǎo)培養(yǎng)后的藻細胞采用自然沉降、板框過濾和離心收集藻泥，所得藻泥經(jīng)高壓均質(zhì)或高速物理碰撞實現(xiàn)細胞破壁，細胞破碎后利用超臨界二氧化碳提取分離得到蝦青素和能夠轉(zhuǎn)化為生物柴油的微藻能源原料。
6.按權(quán)利要求5所述的利用紅球藻生產(chǎn)微藻能源(生物柴油)原料的工藝方法，其特征在于:所述離心后收集的藻泥需經(jīng)反復(fù)清洗后，直接經(jīng)高壓均質(zhì)的方式實現(xiàn)細胞破壁；或清洗后的藻泥通過真空冷凍噴霧干燥處理成干藻粉，再利用超高速碰撞的方式實現(xiàn)細胞破壁。
【文檔編號】C12P23/00GK103993046SQ201310053534
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2013年2月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年2月19日
【發(fā)明者】劉建國, 宋萍萍, 劉倩, 龍元薷, 龐通, 林偉, 李凌, 張振, 何梅琳 申請人:中國科學(xué)院海洋研究所