專(zhuān)利名稱(chēng)：微藻培養(yǎng)固定微生物發(fā)酵尾氣CO₂補(bǔ)充發(fā)酵原料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微藻培養(yǎng)以及微生物發(fā)酵產(chǎn)生CO2的減排和循環(huán)利用技術(shù)，具體的說(shuō)是利用微生物發(fā)酵產(chǎn)生的CO2作為微藻生長(zhǎng)的碳源，在光照生物反應(yīng)器中培養(yǎng)微藻積累碳水化合物、蛋白質(zhì)等生物質(zhì)，并通過(guò)預(yù)處理將其作為補(bǔ)充原料用于微生物發(fā)酵。該技術(shù)可用于微生物發(fā)酵廠的尾氣凈化，實(shí)現(xiàn)CO2減排和循環(huán)利用。
背景技術(shù)：
微生物發(fā)酵生產(chǎn)目標(biāo)產(chǎn)物(如乙醇、氨基酸、抗生素等)的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物CO2,目前由于沒(méi)有經(jīng)濟(jì)可行的利用渠道而直接排放。這不僅造成了資源浪費(fèi)，更重要的是，CO2的大量排放會(huì)導(dǎo)致溫室效應(yīng)和全球氣候變暖。 微藻能夠利用太陽(yáng)光通過(guò)光合作用將CO2轉(zhuǎn)化成生物質(zhì)并釋放氧氣，因其生長(zhǎng)速度快、CO2固定效率高、環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)、不占耕地、易于人工控制、能實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有效的CO2生物固定方法。利用微藻的光合作用固定微生物發(fā)酵產(chǎn)生的CO2，并將其生成的碳水化合物、蛋白質(zhì)等生物質(zhì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后作為發(fā)酵原料的補(bǔ)充，能實(shí)現(xiàn)CO2減排和循環(huán)利用，同時(shí)減少微生物發(fā)酵對(duì)糧食類(lèi)原料的消耗，獲得良好的環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。目前國(guó)內(nèi)外比較關(guān)注利用熱電和冶金等行業(yè)產(chǎn)生的煙道氣中的CO2培養(yǎng)微藻，也有一些關(guān)于用微藻作為原料發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的報(bào)道，對(duì)于微生物發(fā)酵系統(tǒng)與微藻培養(yǎng)系統(tǒng)耦聯(lián)操作實(shí)現(xiàn)CO2減排和循環(huán)利用的報(bào)道尚為空白。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種微藻培養(yǎng)固定微生物發(fā)酵尾氣CO2作為其發(fā)酵補(bǔ)充原料的方法。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為微藻培養(yǎng)固定微生物發(fā)酵尾氣CO2作為其發(fā)酵補(bǔ)充原料的方法所采用的裝置包括發(fā)酵罐和光照生物反應(yīng)器；發(fā)酵液收集罐頂端通過(guò)管線(xiàn)與發(fā)酵罐頂端相連，形成密閉系統(tǒng)，保證發(fā)酵尾氣不泄漏進(jìn)入空氣中；發(fā)酵尾氣在密閉的環(huán)境中達(dá)到O. 01 O. 03Mpa后依靠自身壓力從發(fā)酵罐頂端經(jīng)過(guò)O. 22 μ m微孔濾膜過(guò)濾除菌，通過(guò)放氣閥控制所需氣體流量，進(jìn)入光照生物反應(yīng)器供微藻生長(zhǎng)積累生物質(zhì)；培養(yǎng)好的微藻經(jīng)過(guò)水解預(yù)處理得到可發(fā)酵的預(yù)處理液，返回到微生物發(fā)酵培養(yǎng)基儲(chǔ)存罐中，通過(guò)蠕動(dòng)泵從發(fā)酵液進(jìn)料口泵入發(fā)酵罐進(jìn)行發(fā)酵。所述光照生物反應(yīng)器為氣升式平板光照生物反應(yīng)器，壓縮空氣和發(fā)酵尾氣均與反應(yīng)器的曝氣管相連；反應(yīng)器內(nèi)懸置有兩平行擋板，擋板與反應(yīng)器底部間設(shè)有間隙，反應(yīng)器中藻液沒(méi)過(guò)擋板；壓縮空氣曝氣管置于反應(yīng)器底部?jī)善叫袚醢逯g，使氣體于擋板中間上升，帶動(dòng)反應(yīng)器中藻液在擋板中間上升，于擋板兩側(cè)下降，形成循環(huán)，避免死角；發(fā)酵尾氣曝氣管設(shè)在兩擋板外側(cè)，使發(fā)酵尾氣從擋板兩側(cè)上升，與下降的藻液形成逆流，從而增加氣體在反應(yīng)器中的停留時(shí)間，使氣體與藻液充分接觸，提高CO2吸收率。將微生物發(fā)酵罐中的尾氣直接引入微藻培養(yǎng)光照生物反應(yīng)器中，控制光照、溫度和通氣等條件，添加合適的無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽，以微生物發(fā)酵尾氣中的CO2為碳源培養(yǎng)微藻并積累碳水化合物、蛋白質(zhì)等生物質(zhì)，并經(jīng)過(guò)水解預(yù)處理將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為發(fā)酵所需的碳源和氮源等原料，返回到微生物發(fā)酵系統(tǒng)中作為其發(fā)酵補(bǔ)充原料，從而實(shí)現(xiàn)CO2減排和循環(huán)利用。可按如下步驟具體操作 I)微生物發(fā)酵生產(chǎn)目標(biāo)產(chǎn)物按照常規(guī)方法進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)目標(biāo)產(chǎn)物，同時(shí)獲得含有CO2的發(fā)酵尾氣。2)培養(yǎng)微藻固定發(fā)酵尾氣中的CO2用O. 04% O. 1%的NaClO溶液將光照生物反應(yīng)器滅菌12 24h，無(wú)菌水清洗干凈，接入用O. 3μπι孔徑的微濾膜過(guò)濾后的海水或自來(lái)水，添加無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽及其終濃度為·NaNO3 100 300mg/L，NaH2PO4 ·2Η20 20. O 50. Omg/L，EDTA-Na2 90. Omg/L, H3BO3 67. 2mg/L, MnCl2 · 4H20 0. 72mg/L, FeCl3 · 6H20 2. 6mg/L, ZnCl2 0. 42mg/L, CoCl2 · 6H20 0. 40mg/L,(NH4)4Mo7O24 · 4H20 0. 18mg/L, CuSO4 · 5H20 0. 40mg/L ;接入終濃度為 0· I 0. 4g/L 微藻，從反應(yīng)器底部擋板中部通入O. 125 O. 375VVM的空氣，從反應(yīng)器底部擋板兩側(cè)通入O. 005 O. 02VVM含有30% 50% CO2的微生物發(fā)酵尾氣，保持溫度25 30°C，光照強(qiáng)度100 250 μ mo I E · m_2 · S—1，光暗比12 : 12 24 : 0。微藻培養(yǎng)以間歇或者半連續(xù)方式進(jìn)行。本發(fā)明所述微藻為固定CO2積累淀粉、纖維素等碳水化合物和蛋白質(zhì)的海水或淡水微藻。海水藻如亞心形四月藻(Tetraselmis subcordiformis)、湛江等邊金藻(Isochrysis zhanjiangensis)等，淡水藻如萊茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)、小球藻(Chlorella vulgaris)等。3)微藻生物質(zhì)的收獲和預(yù)處理微藻培養(yǎng)至穩(wěn)定期后離心或者過(guò)濾收獲藻泥。如有必要可以經(jīng)過(guò)冷凍干燥、低溫烘箱烘干或室外晾曬等方式除去水分制得藻粉。用酸熱水解法或超聲波-酶水解法處理藻粉或藻泥，釋放微藻生物質(zhì)中的淀粉、纖維素等多糖和蛋白質(zhì)，得到可用于發(fā)酵的葡萄糖等碳源和氨基酸等氮源。酸熱水解法以料液比I : 2. 5 I : 20向藻粉或藻泥中加入I % 5% (V/V)的硫酸，100 120°C處理15 60min，Ca(OH)2或NaOH調(diào)節(jié)pH至所需；超聲波-酶水解法以料液比I : 2. 5 I : 20向藻粉或藻泥中加入去離子水或自來(lái)水，400 600W超聲處理后調(diào)節(jié)pH到6. O 6. 5之間，加入I 2 μ L/ (g藻粉)液化酶(諾維信公司商品酶制劑,Liquozyme supra NBSSG4163) ,80 90°C保溫液化I I. 5h ;降溫到60 65°C，調(diào)節(jié)pH到4. O 4. 5之間，加入2 4 μ L/ (g藻粉)糖化酶(諾維信公司商品酶制劑，Dextrozyme dx NCSP0041),保溫糖化10 12h。該法還可以將藻粉或者藻泥添加到玉米粉等常規(guī)糧食類(lèi)發(fā)酵原料中并與之共同處理(如高溫蒸煮、液化、糖化等)后供發(fā)酵使用。4)微藻生物質(zhì)預(yù)處理液的發(fā)酵微藻生物質(zhì)預(yù)處理液提供發(fā)酵所需80% 100%碳水化合物(如葡萄糖、蔗糖等)碳源和5% 10%氮源，向微藻生物質(zhì)預(yù)處理液中加入另外0% 20%碳水化合物碳源和90 % 95 %氮源，發(fā)酵生產(chǎn)目標(biāo)產(chǎn)物。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)I.環(huán)境友好利用微藻的光合作用高效固定微生物發(fā)酵產(chǎn)生的CO2,從而實(shí)現(xiàn)CO2減排，緩解溫室效應(yīng)。2.實(shí)現(xiàn)副產(chǎn)物的循環(huán)利用，降低生產(chǎn)成本通過(guò)微藻將微生物發(fā)酵的副產(chǎn)物CO2轉(zhuǎn)化為碳水化合物、蛋白質(zhì)等可發(fā)酵原料，不僅實(shí)現(xiàn)了 CO2的循環(huán)利用，還降低了發(fā)酵生產(chǎn)的原料成本；同時(shí)利用微生物發(fā)酵的副產(chǎn)物CO2培養(yǎng)微藻,也解決了大規(guī)模微藻培養(yǎng)中的CO2來(lái)源問(wèn)題，降低了微藻培養(yǎng)的成本。3.可持續(xù)性好微藻生物質(zhì)作為微生物發(fā)酵的原料補(bǔ)充，可以減少糧食類(lèi)發(fā)酵原料的消耗，有較好的可持續(xù)性。總之，本發(fā)明涉及的微生物發(fā)酵與微藻培養(yǎng)耦聯(lián)技術(shù)，可用于微生物發(fā)酵廠的尾氣凈化和微藻培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)CO2減排和循環(huán)利用，有良好的環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。


圖I為本發(fā)明耦聯(lián)系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖；注1.光照生物反應(yīng)器主體；2.微生物發(fā)酵罐；3.發(fā)酵液收集罐；4.培養(yǎng)基儲(chǔ)存罐；5.空氣壓縮機(jī)；6.氣體流量計(jì)；7.氣體過(guò)濾器；8.光源；9.壓縮空氣曝氣管；10.發(fā)酵尾氣曝氣管；11.擋板；12.微藻放料閥；13.微生物發(fā)酵尾氣出口 ；14.氣體壓力表；15.攪拌器；16.蠕動(dòng)泵；17.發(fā)酵罐與發(fā)酵液收集罐氣體連通口 ；18.放氣閥；19.發(fā)酵液進(jìn)料口 ；20.氣體分散器；21.藻泥或藻粉；22.微藻預(yù)處理液；23.離心或過(guò)濾、干燥過(guò)程；24.水解預(yù)處理過(guò)程；箭頭代表氣體或液體流動(dòng)方向。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)施例I培養(yǎng)亞心形四月藻固定酵母發(fā)酵生產(chǎn)乙醇尾氣中的CO2，將含有約40% (VA)CO2的乙醇發(fā)酵尾氣直接通入光照生物反應(yīng)器培養(yǎng)亞心形四月藻，使其固定CO2并積累大量淀粉，經(jīng)過(guò)超聲波-酶水解法釋放淀粉生成葡萄糖，作為酵母發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的原料補(bǔ)充。所述系統(tǒng)裝置如圖I所示，包括微生物發(fā)酵罐2和光照生物反應(yīng)器I ;微生物發(fā)酵罐2設(shè)有攪拌槳15，壓縮空氣經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)流量并經(jīng)O. 22 μ m微孔濾膜7過(guò)濾除菌后通入微生物發(fā)酵罐2底部并被氣體分散器20分散成小氣泡供發(fā)酵使用；發(fā)酵液收集罐3頂端通過(guò)管線(xiàn)與微生物發(fā)酵罐頂端氣體連通口 17相連，發(fā)酵尾氣在密閉的環(huán)境中達(dá)到O. 012Mpa后依靠自身壓力從發(fā)酵罐頂端13經(jīng)過(guò)O. 22 μ m微孔濾膜7過(guò)濾除菌，關(guān)閉放氣閥18，氣體全部從光照生物反應(yīng)器I底部?jī)蓚?cè)曝氣管10進(jìn)入，壓縮空氣經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)6調(diào)節(jié)流量并經(jīng)O. 22 μ m微孔濾膜過(guò)濾除菌后從光照生物反應(yīng)器I底部中部曝氣管9進(jìn)入，培養(yǎng)微藻積累生物質(zhì)；培養(yǎng)好的微藻經(jīng)放料閥12放出，采用超聲波-酶水解法得到可發(fā)酵的預(yù)處理液22，返回到發(fā)酵培養(yǎng)基儲(chǔ)存罐4中，通過(guò)蠕動(dòng)泵16從發(fā)酵液進(jìn)料口 19泵入發(fā)酵罐2進(jìn)行發(fā)酵。所述光照生物反應(yīng)器為氣升式平板光照生物反應(yīng)器，其主體I尺寸為照光面長(zhǎng)140mm，高120mm，光徑100mm，裝液量IOL ;反應(yīng)器內(nèi)置兩擋板11，高度為100mm，擋板下邊緣離反應(yīng)器底高45mm ;壓縮空氣曝氣管9和發(fā)酵尾氣曝氣管10離擋板下沿均為25mm ;反應(yīng)器所用材質(zhì)為二氯甲烷粘結(jié)成的透明有機(jī)玻璃。反應(yīng)器兩側(cè)均設(shè)白色熒光燈8。亞心形四月藻培養(yǎng)固定乙醇發(fā)酵尾氣CO2作為其發(fā)酵補(bǔ)充原料的具體操作如下I)酵母發(fā)酵生產(chǎn)乙醇和副產(chǎn)物CO2釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)用于乙醇發(fā)酵。以15% (W/V)葡萄糖、
O.5%蛋白胨和O. 5%酵母浸粉為培養(yǎng)基，連續(xù)恒化培養(yǎng)，控制流加稀釋率為O. 06511'工作體積I. 5L，培養(yǎng)溫度30°C，pH控制為4. 5，發(fā)酵罐攪拌速率150r/min，通氣量100mL/min，相當(dāng)于單位體積通氣量為O. 067VVM,既保持乙醇發(fā)酵的厭氧環(huán)境，又提供微量氧促進(jìn)酵母細(xì)胞生長(zhǎng)。酵母發(fā)酵生產(chǎn)乙醇在180h內(nèi)基本處于連續(xù)穩(wěn)定操作狀態(tài)，發(fā)酵液中殘?zhí)强刂圃?7. 8g/L左右，乙醇含量約65. 4g/L，酵母細(xì)胞干重維持在8. 7g/L左右。從乙醇的含量可以推算乙醇的產(chǎn)率為4. 25g/(L · h)，CO2的產(chǎn)率為4. 07g/(L · h)。 2)亞心形四月藻的培養(yǎng)及淀粉積累用0.044 % NaClO溶液將光照生物反應(yīng)器滅菌12h，無(wú)菌水清洗干凈，接入用O. 3μπι孔徑的微濾膜過(guò)濾后的海水，添加無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽及其終濃度為NaN03200mg/L，NaH2PO4 · 2H20 40. Omg/L, EDTA-Na2 90. Omg/L, H3BO3 67. 2mg/L, MnCl2 · 4H20 0. 72mg/L,FeCl3 · 6H20 2. 6mg/L, ZnCl2 0. 42mg/L, CoCl2 · 6H20 0. 40mg/L, (NH4)4Mo7O24 · 4H20 0. 18mg/L，CuSO4 · 5H20 0. 40mg/L。以0. lg/L的初始濃度接入微藻，工作體積10L，從反應(yīng)器底部擋板中部通入100L/h的空氣，從反應(yīng)器底部擋板兩側(cè)通入含有40% CO2的乙醇發(fā)酵尾氣，總流速為165mL/min,保持溫度25 30°C，光照強(qiáng)度200 μ mo I E · m_2 · s—1，連續(xù)光照，間歇培養(yǎng)。利用乙醇發(fā)酵尾氣提供的CO2作為碳源，亞心形四月藻生長(zhǎng)良好，培養(yǎng)7天后開(kāi)始進(jìn)入穩(wěn)定期，細(xì)胞干重從初始的O. lg/L達(dá)到2g/L，細(xì)胞總糖含量略高于淀粉含量，說(shuō)明細(xì)胞中積累的糖類(lèi)物質(zhì)主要是淀粉；培養(yǎng)液中淀粉含量從初始的O. Olg/L上升到0. 78g/L，淀粉占細(xì)胞干重的比例從初始的8%上升到40%。用CO2鋼瓶和空氣配制CO2含量為4%的氣體并以此為碳源，在相同的條件下培養(yǎng)亞心形四月藻，7天內(nèi)細(xì)胞干重從初始的0. lg/L達(dá)到I. 8g/L，細(xì)胞內(nèi)淀粉含量占細(xì)胞干重的45%，說(shuō)明乙醇發(fā)酵尾氣提供的CO2與CO2鋼瓶配制的氣體對(duì)亞心形四月藻的培養(yǎng)效果沒(méi)有顯著差別。經(jīng)元素分析得知，亞心形四月藻細(xì)胞含碳量為細(xì)胞干重的40%，由此可以推算亞心形四爿藻固定CO2速率為O. 27g/(L · d)，10L亞心形四月藻培養(yǎng)7天共固定CO2 27. 9g，CO2吸收率為2. 7%。如要完全吸收I. 5L乙醇發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)生的CO2，可培養(yǎng)542. 7L亞心形四爿藻與之匹配。3)亞心形四月藻的預(yù)處理亞心形四月藻培養(yǎng)到第七天離心收獲藻泥，經(jīng)過(guò)冷凍干燥除去水分制得藻粉。超聲波-酶水解法釋放微藻淀粉生成葡萄糖以料液比I : 20向亞心形四爿藻藻粉中加入去離子水，600W超聲處理后調(diào)節(jié)pH到6. O 6. 5之間，加入10 μ L液化酶(諾維信公司商品酶制劑，Liquozyme supra NBSSG4163) ,80 90°C保溫液化I I. 5h ;降溫到60 65°C，調(diào)節(jié)pH到4. O 4. 5之間，加入20 μ L糖化酶(諾維信公司商品酶制劑，Dextrozyme dx NCSP0041)，保溫糖化10 12h，葡萄糖的釋放量為71. 1%，水解液中葡萄糖含量為18. 0g/L。離心取上清調(diào)節(jié)pH到4. 50 4. 55之間，供隨后發(fā)酵使用。4)亞心形四月藻預(yù)處理液的發(fā)酵
在含糖量為18. Og/L的亞心形四月藻預(yù)處理液中加入2%蛋白胨和1%酵母浸粉，以10%的接種量接入釀酒酵母菌種，30°C，150r/min搖床培養(yǎng)發(fā)酵產(chǎn)乙醇，酵母發(fā)酵6h到達(dá)終點(diǎn)，生物量由O. 825 + 0. 035g/L增加到4. 43 + 0. 14g/L，乙醇濃度由接種初始的
I.07±0. llg/L增加到9. 13±0. 18g/L，乙醇對(duì)總糖的得率系數(shù)為O. 448，為理論值O. 511的87.7%。在相同條件下以18g/L葡萄糖為碳源進(jìn)行乙醇發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，乙醇對(duì)總糖的得率系數(shù)為O. 471，為理論值O. 511的92. 2%，說(shuō)明亞心形四月藻超聲波-酶水解預(yù)處理液作為碳源發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的能力略低于直接用葡萄糖為碳源的常規(guī)發(fā)酵，但仍可以用于酵母發(fā)酵生產(chǎn)乙醇。本實(shí)施例中，連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)乙醇對(duì)葡萄糖的得率系數(shù)為O. 491，根據(jù)乙醇與CO2的質(zhì)量關(guān)系(23 22)，推算CO2對(duì)葡萄糖的得率系數(shù)為O. 470，即Ig葡萄糖能產(chǎn)生O. 470gCO2 ;如果有足夠規(guī)模的微藻吸收CO2,則此O. 470g CO2將全部轉(zhuǎn)化成微藻生物質(zhì)，亞心形四爿藻含碳量為40%，根據(jù)C平衡計(jì)算，可獲得O. 32g微藻生物質(zhì)，其中淀粉含量50%，則可推算產(chǎn)生的微藻淀粉為O. 160g ;預(yù)處理微藻生物質(zhì)的葡萄糖釋放率為71. I %，則最終能得到O. 126g葡萄糖作為發(fā)酵原料的補(bǔ)充，即能夠減少12. 6%的常規(guī)發(fā)酵原料。 實(shí)施例2培養(yǎng)亞心形四月藻固定酵母發(fā)酵生產(chǎn)乙醇尾氣中的CO2，將含有約40% (VA)CO2的乙醇發(fā)酵尾氣直接通入光照生物反應(yīng)器培養(yǎng)亞心形四月藻，使其固定CO2并積累大量淀粉，采用酸熱水解法釋放淀粉生成葡萄糖，作為酵母發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的原料補(bǔ)充。實(shí)驗(yàn)裝置、乙醇發(fā)酵、微藻培養(yǎng)方法同實(shí)施例I。酸熱水解法釋放微藻淀粉生成葡萄糖以料液比I : 20亞心形四月藻藻粉中加A3% (V/V)的硫酸，110°C處理30min，水解液中葡萄糖含量為15. Og/L，葡萄糖的釋放量為59. 2%0離心取上清，用Ca(OH)2調(diào)節(jié)pH到4. 50 4. 55之間，供隨后發(fā)酵使用。在含糖量為15. Og/L的亞心形四月藻預(yù)處理液中加入2%蛋白胨和1%酵母浸粉，以10%的接種量接入釀酒酵母菌種，30°C，150r/min搖床培養(yǎng)發(fā)酵產(chǎn)乙醇，酵母發(fā)酵6h到達(dá)終點(diǎn)，生物量由O. 625 + 0. 106g/L增加到3. 450 + 0. 071g/L,乙醇濃度由接種初始的O. 91 + 0. 02g/L增加到6. 75±0· 71g/L，乙醇對(duì)總糖的得率系數(shù)為O. 491，為理論值O. 511的96. 0%。盡管酸熱水解法對(duì)微藻葡萄糖的釋放率不如超聲波-酶水解法，但是發(fā)酵效率卻高于超聲波-酶水解法和直接用葡萄糖為碳源的常規(guī)發(fā)酵，可能是由于酸熱水解法將微藻細(xì)胞中的蛋白質(zhì)水解為氨基酸，作為部分發(fā)酵氮源的結(jié)果。酸熱水解法可以應(yīng)用于微藻碳水化合物的釋放并對(duì)發(fā)酵有一定促進(jìn)作用。
權(quán)利要求
1.微藻培養(yǎng)固定微生物發(fā)酵尾氣CO2補(bǔ)充發(fā)酵原料的方法，其特征在于將以CO2為副產(chǎn)物的微生物發(fā)酵過(guò)程中的尾氣直接引入微藻培養(yǎng)光照生物反應(yīng)器中，控制光照、溫度和通空氣的條件，添加無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽，以微生物發(fā)酵尾氣中的CO2為碳源培養(yǎng)微藻并積累生物質(zhì)，并經(jīng)過(guò)水解預(yù)處理將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為發(fā)酵所需的碳源和氮源，返回到微生物發(fā)酵系統(tǒng)中作為其發(fā)酵補(bǔ)充原料，獲得發(fā)酵產(chǎn)物，并實(shí)現(xiàn)CO2減排和循環(huán)利用。
2.按照權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于以CO2為副產(chǎn)物的微生物發(fā)酵過(guò)程是指以有機(jī)物為原料進(jìn)行微生物發(fā)酵、副產(chǎn)物中含有CO2的生產(chǎn)過(guò)程。
3.按照權(quán)利要求I或2所述的方法，其特征在于 所述微生物發(fā)酵過(guò)程是指微生物發(fā)酵法生產(chǎn)醇類(lèi)的過(guò)程、微生物發(fā)酵法生產(chǎn)氨基酸的過(guò)程、微生物發(fā)酵法生產(chǎn)有機(jī)酸的過(guò)程、或微生物發(fā)酵法生產(chǎn)抗生素的過(guò)程。
4.按照權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述微藻為能夠固定CO2并將其轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)的海水或淡水微藻。
5.按照權(quán)利要求I或4所述的方法，其特征在于所述生物質(zhì)為碳水化合物和蛋白質(zhì)。
6.按照權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述光照生物反應(yīng)器(I)為氣升式平板光照生物反應(yīng)器，壓縮空氣和發(fā)酵尾氣均與反應(yīng)器的曝氣管相連；反應(yīng)器內(nèi)懸置有兩平行擋板(11)，擋板與反應(yīng)器底部間設(shè)有間隙，反應(yīng)器中藻液沒(méi)過(guò)擋板；壓縮空氣曝氣管(9)置于反應(yīng)器底部?jī)善叫袚醢逯g，使氣體于擋板中間上升，帶動(dòng)反應(yīng)器中藻液在擋板中間上升，于擋板兩側(cè)下降，形成循環(huán)，避免死角；發(fā)酵尾氣曝氣管(10)設(shè)在兩擋板外側(cè)，使發(fā)酵尾氣從擋板兩側(cè)上升，與下降的藻液形成逆流，從而增加氣體在反應(yīng)器中的停留時(shí)間，使氣體與藻液充分接觸，提高CO2吸收率。
7.按照權(quán)利要求I或6所述的方法，其特征在于 微藻培養(yǎng)的條件為用O. 04% O. 1%的NaClO溶液將光照生物反應(yīng)器滅菌12 24h，無(wú)菌水清洗干凈，接入用O. 3μπι孔徑的微濾膜過(guò)濾后的海水或自來(lái)水，添加無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽及其終濃度為=NaNO3IOO 300mg/L，NaH2PO4 · 2H20 20. O 50. Omg/L, EDTA-Na2 90. Omg/L,H3BO3 67. 2mg/L, MnCl2 · 4H20 0. 72mg/L, FeCl3 · 6H20 2. 6mg/L, ZnCl2O. 42mg/L, CoCl2 · 6H200. 40mg/L, (NH4)4Mo7O24 ·4Η20 0. 18mg/L，CuSO4 · 5H20 0. 40mg/L ;接入終濃度為 0· I 0. 4g/L微藻，從反應(yīng)器底部擋板中部通入0. 125 O. 375VVM的空氣，從反應(yīng)器底部擋板兩側(cè)通入O.005 O. 02VVM含有30% 50% CO2的微生物發(fā)酵尾氣，保持溫度25 30°C，光照強(qiáng)度100 250ymol E · m_2 · S—1，光暗比12 12 24 O ;微藻培養(yǎng)以間歇或者半連續(xù)方式進(jìn)行。
8.按照權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述水解預(yù)處理方法為酸熱水解法或超聲波-酶水解法；微藻生物質(zhì)可以單獨(dú)處理，也可以與糧食類(lèi)發(fā)酵原料混合后共同處理。
9.按照權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述酸熱水解法為以料液比I: 2. 5 1 20向藻粉或藻泥中加入1% 5% (V/V)的硫酸，100 120°C處理15 60min，Ca(0H)2或NaOH調(diào)節(jié)pH至所需；所述超聲波-酶水解為以料液比I : 2. 5 I : 20向藻粉或藻泥中加入去離子水或自來(lái)水，400 600W超聲處理后調(diào)節(jié)pH到6. O 6. 5之間，加入I 2μ L/ (g藻粉)液化酶，80 90°C保溫液化I I. 5h，降溫到60 65°C，調(diào)節(jié)pH到4. O 4.5之間,加入2 4 μ L/ (g藻粉)糖化酶,保溫糖化10 12h。
10.按照權(quán)利要求I或6所述的方法，其特征在于所采用的裝置包括微生物發(fā)酵罐(2)和光照生物反應(yīng)器(I)； 發(fā)酵液收集罐(3)頂端通過(guò)管線(xiàn)與發(fā)酵罐(2)頂端(17)相連，形成密閉系統(tǒng)，保證發(fā)酵尾氣不泄漏進(jìn)入空氣中；發(fā)酵尾氣在密閉的環(huán)境中達(dá)到O. Ol O. 03Mpa后依靠自身壓力從發(fā)酵罐頂端(13)經(jīng)過(guò)O. 22μπι微孔濾膜(7)過(guò)濾除菌，通過(guò)放氣閥(18)控制所需氣體流量，進(jìn)入光照生物反應(yīng)器(I)供微藻生長(zhǎng)積累生物質(zhì)；培養(yǎng)好的微藻經(jīng)過(guò)水解預(yù)處理(24)得到可發(fā)酵的預(yù)處理液(22)，返回到微生物發(fā)酵培養(yǎng)基儲(chǔ)存罐(4)中，通過(guò)蠕動(dòng)泵(16)從發(fā)酵液進(jìn)料口(19)泵入發(fā)酵罐(2)進(jìn)行發(fā)酵。
全文摘要
本發(fā)明涉及CO2減排和循環(huán)利用的技術(shù)，公開(kāi)一種微藻培養(yǎng)固定微生物發(fā)酵尾氣CO2作為其發(fā)酵補(bǔ)充原料的方法。將微生物發(fā)酵罐中的尾氣直接引入微藻培養(yǎng)光照生物反應(yīng)器中，控制光照、溫度和通氣等條件，添加合適的無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽，以微生物發(fā)酵尾氣中的CO2為碳源培養(yǎng)微藻積累碳水化合物、蛋白質(zhì)等生物質(zhì)，并經(jīng)過(guò)預(yù)處理將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為發(fā)酵所需的碳源和氮源等原料，返回到微生物發(fā)酵系統(tǒng)中作為其發(fā)酵補(bǔ)充原料。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了微生物發(fā)酵尾氣CO2的減排和循環(huán)利用，同時(shí)能減少微生物發(fā)酵對(duì)糧食類(lèi)原料的消耗，具有良好的環(huán)境效益和社會(huì)效益。
文檔編號(hào)C12N1/12GK102827775SQ20111016429
公開(kāi)日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2011年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月17日
發(fā)明者薛松, 姚長(zhǎng)洪, 張衛(wèi), 白鳳武, 廖莎, 陳兆安 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所