Способ флокуляции биомассы микроводорослей



Способ флокуляции биомассы микроводорослей
Способ флокуляции биомассы микроводорослей
Способ флокуляции биомассы микроводорослей
Способ флокуляции биомассы микроводорослей

 


Владельцы патента RU 2603733:

Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" (RU)

Изобретение относится к биотехнологии и может применяться в коммунальном (водоподготовка и водоотведение) и сельском хозяйстве, горнодобывающей промышленности, медицине, биотехнологическом производстве. Предложен способ флокуляции биомассы микроводорослей из суспендирующей среды. Способ заключается в последовательном добавлении в суспендирующую среду с биомассой микроводорослей коагулянта шестиводного хлорида железа (III) в концентрации 20-40 мг/л и флокулянтов: полиакриламида и полиэтиленоксида в количестве, соответственно, 2-5 мг/л и 1-4 мг/л. Флокуляцию биомассы микроводорослей проводят при перемешивании при температуре 10°С-40°С. Изобретение обеспечивает увеличение скорости осаждения биомассы микроводорослей. 7 з.п. ф-лы, 3 табл.

 

Область техники

Изобретение относится к биотехнологии, в частности к способам флокуляции биомассы микроводорослей из суспендирующих сред, и может применяться в различных отраслях промышленности - коммунальном (водоподготовка и водоотведение) и сельском хозяйстве, горнодобывающей промышленности, медицине, биотехнологическом производстве.

Уровень техники

На крупных биотехнологических производствах часто возникает необходимость отделения выращенной биомассы от культуральной жидкости и/или питательной среды, для чего используют различные флокулянты и коагулянты. Следует отметить, что высокая стоимость сбора выращенной биомассы является основным препятствием к ее широкому коммерческому производству. Высокая стоимость сгущения биомассы достигает по некоторым оценкам до 20-30% от общей стоимости производства микроводорослей (Molina Grima et al. 2003). В этой связи снижение стоимости процесса сбора биомассы является одной из ключевых задач оптимизации биотехнологических производств. Известны различные способы флокуляции биомассы, такие как описаны в работах (Gorin et al. 2015; Harith, Z. et al. 2009; Vandamme, Foubert, and Muylaert 2013; Wan et al. 2015).

В патенте RU 2266954 C2 (Dzhonatan Kh′Juz, Stiven Vejr 2000) описывается процесс флокуляции биомассы с использованием двух флокулянтов на основе поли-DADMAC (полидиаллиддиметиламмоний хлорид), и сополимера, состоящего из смеси диметиламиноэтилакрилата, кватернизированного метилхлоридом, и акриламида в различных соотношениях. В патенте рассматриваются варианты как последовательного, так и одновременного добавления флокулянтов в суспензию. В данном методе была достигнута эффективность флокуляции 90-98%, и продолжительность отстаивания составила в среднем 10-20 минут.

Авторы работы (Harith, Z. et al. 2009) для сбора биомассы микроводоросли Chaetoceros calcitrans предварительно подщелачивали культуральную жидкость при помощи KOH или NaOH до рН 10.2 с последующим использованием полиэлектролитного флокулянта (Magnafloc® LT 27 и LT 25). Кроме того, для флокуляции была использована смесь хитозана и Magnafloc® LT 27 и LT 25. И в том и другом случае была получена эффективность флокуляции более 90% при продолжительности флокуляции 4 часа.

Наиболее близким к предлагаемому методу является работа (Gorin et al. 2015), в которой для сбора биомассы Chlorella vulgaris GKV1 в качестве коагулянта использовался FeCl3·6Н2О, флокулянты на основе полиэтиленоксида, а также биомасса в качестве балластного агента. Была достигнута эффективность флокуляции порядка 90% в течение 5 минут седиментации при добавлении смеси коагулянта и флокулянта (FeCl3 50 мг/л + флокулянт на основе полиэтиленоксида Sibfloc-718 7.5 мг/л) или флокулянта с балластным агентом (Sibfloc-718 7.5 мг/л + 10% флокулированной биомассы). Флокулянты на основе полиэтиленоксида показали высокую эффективность при дозировке 0.025.

1. К суспензии биомассы микроводоросли Chlorella vulgaris в лабораторный стакан объемом 250 мл добавлялась смесь коагулянта - хлорид трехвалентного железа FeCl3·6Н2О с концентрацией 50 мг/л и флокулянта на основе полиэтиленоксида Sibfloc-718 с концентрацией 7,5 мг/л до образования флокул.

2. Через минуту смесь перемешивалась мешалкой со скоростью 200 об/мин в течение 1 минуты при комнатной температуре.

3. Затем смесь отстаивалась в течение 120 минут при комнатной температуре.

4. После отстаивания надосадочная жидкость исследовалась на спектрофотометре Jenway 6300.

Основной недостаток описанных выше методов заключается в низкой скорости флокуляции (от 10 минут до 4 часов), значительными затратами флокулянтов (более 10 мг/л). Предложенный метод позволяет провести флокуляцию с эффективностью 91-96% в течение 6 минут.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом, на которое направлено изобретение, является увеличение скорости осаждения биомассы за счет увеличения размеров флокул при последовательном использовании трех различных реагентов.

Для достижения технического результата предложен способ флокуляции биомассы из суспендирующей среды, в котором в суспендирующую среду добавляют коагулянт шестиводный хлорид железа(III) с последующим добавлением полимерного вещества, являющегося флокулянтом на основе полиэтиленоксида, с последующей флокуляцией биомассы, при этом в суспендирующую среду последовательно добавляют шестиводный хлорид железа, полиакриламид, а затем полиэтиленоксид.

При этом концентрация шестиводного хлорида железа(III) составляет 20-40 мг/л, концентрация полиакриламида составляет 2-5 мг/л, концентрация полиэтиленоксида составляет 1-4 мг/л, флокуляцию биомассы проводят при перемешивании при температуре 10°С-40°С.

Кроме того: после добавления шестиводного хлорида железа суспендирующую среду перемешивают 55-65 сек, после добавления полиакриламида суспендирующую среду перемешивают 55-65 сек, после добавления полиэтиленоксида суспендирующую среду перемешивают 30 сек.

В качестве реагентов для эффективного ведения процесса могут использоваться флокулянты на основе полиэтиленоксида с молекулярной массой не менее 5·106, на основе полиакриламида - не менее 4·106. В своих экспериментах мы использовали катионный флокулянт на основе полиэтиленоксида Sibfloc-718® (молекулярная масса 6·106, кинематическая вязкость 50%-о раствора 1,31 мм2/с (сСт)) и катионный флокулянт на основе полиакриламида Magnafloc LT 22® (молекулярная масса 5·106, динамическая вязкость 1%-го раствора 0,5 Па·с).

Осуществление и пример реализации изобретения

Последовательность проводимых операций:

a. в отобранную биомассы микроводорослей добавляется раствор хлорида трехвалентного железа, полученная смесь перемешивается в течение одной минуты;

b. через одну минуту в смесь добавляется раствор катионного флокулянта на основе полиакриламида и перемешивается в течение одной минуты;

c. далее добавляется третий реагент - флокулянт на основе полиэтиленоксида, смесь снова перемешивается в течение 30 секунд.

Все операции являются обязательными. Последовательность их выполнения не должна нарушаться.

Биомасса микроводорослей отбирается в металлическую емкость, объем 250 мл. В отобранную биомассу микроводорослей добавляется раствор хлорида трехвалентного железа с дозировкой от 20 до 40 мг/л. Смесь перемешивается в течение одной минуты с частотой от 60 до 100 об/мин. Через одну минуту в смесь добавляется раствор катионного флокулянта на основе полиакриламида с дозировкой от 2 до 5 мг/л. После этого смесь перемешивается в течение одной минуты с частотой от 60 до 100 об/мин. После завершения перемешивания добавляется третий реагент - флокулянт на основе полиэтиленоксида с концентрацией от 1 до 4 мг/л. Далее смесь снова перемешивается в течение 30 секунд с частотой 60 об/мин.

Данный процесс флокуляции эффективен при температурах от 10°С до 40°С.

Данный способ флокуляции был реализован при сборе биомассы Chlorella vulgaris GKV1, Chlorella vulgaris C-81 и Arthrospira platensis K50006. Были получены следующие результаты:

1. Культуральная среда с концентрацией биомассы Chlorella vulgaris GKV1 2 г/л флоккулировалась следующим образом: концентрация хлорида трехвалентного железа 20 мг/л, концентрация флокулянта на основе полиакриламида Magnafloc LT 22 2 мг/л, концентрация флокулянта на основе полиэтиленоксида Sibfloc-718 1 мг/л. При таких дозировках в течение 6 минут удалось достичь 91% эффективности флокуляции;

2. Культуральная среда с концентрацией биомассы Chlorella vulgaris GKV1 2 г/л флоккулировалась следующим образом: концентрация хлорида трехвалентного железа 30 мг/л, концентрация флокулянта на основе полиакриламида Magnafloc LT 22 3,5 мг/л, концентрация флокулянта на основе полиэтиленоксида Sibfloc-718 2,5 мг/л. При таких дозировках в течение 6 минут удалось достичь 93% эффективности флокуляции;

3. Культуральная среда с концентрацией биомассы Chlorella vulgaris GKV1 2 г/л флоккулировалась следующим образом: концентрация хлорида трехвалентного железа 40 мг/л, концентрация флокулянта на основе полиакриламида Magnafloc LT 22 5 мг/л, концентрация флокулянта на основе полиэтиленоксида Sibfloc-718 4 мг/л. При таких дозировках в течение 6 минут удалось достичь 96% эффективности флокуляции.

4. Культуральная среда с концентрацией биомассы Chlorella vulgaris C-81 2 г/л флоккулировалась следующим образом: концентрация хлорида трехвалентного железа 20 мг/л, концентрация флокулянта на основе полиакриламида Magnafloc LT 22 2 мг/л, концентрация флокулянта на основе полиэтиленоксида Sibfloc-718 1 мг/л. При таких дозировках в течение 6 минут удалось достичь 90% эффективности флокуляции;

5. Культуральная среда с концентрацией биомассы Chlorella vulgaris C-81 2 г/л флоккулировалась следующим образом: концентрация хлорида трехвалентного железа 30 мг/л, концентрация флокулянта на основе полиакриламида Magnafloc LT 22 3,5 мг/л, концентрация флокулянта на основе полиэтиленоксида Sibfloc-718 2,5 мг/л. При таких дозировках в течение 6 минут удалось достичь 92% эффективности флокуляции;

6. Культуральная среда с концентрацией биомассы Chlorella vulgaris C-81 2 г/л флоккулировалась следующим образом: концентрация хлорида трехвалентного железа 40 мг/л, концентрация флокулянта на основе полиакриламида Magnafloc LT 25 5 мг/л, концентрация флокулянта на основе полиэтиленоксида Sibfloc-718 4 мг/л. При таких дозировках в течение 6 минут удалось достичь 95% эффективности флокуляции.

Скорость перемешивания составляла 60 оборотов в минуту. Повышение скорости оборотов до 100 оборотов в минуту при флокуляции данной микроводоросли не привело к существенному приросту скорости осаждения.

Данный способ флокуляции обладает следующими преимуществами:

1. Снижение расхода реагентов на флокуляцию, и, следовательно, снижение их себестоимости;

2. Повышение эффективности флокуляции;

3. Снижение времени флокуляции не менее чем в 2 раза.

Сравнение предлагаемого способа флокуляции микроводорослей с описанным в литературе (Gorin et al., 2015) представлено в таблице 1.

Эффективность флокуляции Chlorella vulgaris GKV1 2 г/л при одновременном и последовательном добавлении флокулянтов представлена в таблице 2.

Зависимость эффективности процесса флокуляции биомассы Chlorella vulgaris GKV1 концентрацией 2 г/л от температуры представлена в таблице 3.

Источники информации

1. Dzhonatan Kh′Juz, Stiven Vejr, Pol Moran. 2000. "Способ флокуляции биомассы из суспендирующей среды и способ определения дозировки полимерных веществ, добавляемых в суспендирующую среду." Открытый реестр ФИПС RU 2266954: 1-13.

2. Gorin, Kirill V et al. 2015. "Methods Coagulation/flocculation and Flocculation with Ballast Agent for Effective Harvesting of Microalgae." Bioresource technology 193: 178-84. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960852415008883.

3. Harith, Z., T. et al. 2009. "Effect of Different Flocculants on the Flocculation Performance of Microalgae, Chaetoceros Calcitrans, Cells." African Journal of Biotechnology 8(21): 5971-78.

4. Molina Grima, E et al. 2003. "Recovery of Microalgal Biomass and Metabolites: Process Options and Economics." Biotechnology Advances 20(7-8): 491-515. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0734975002000502 (January 12, 2015).

5. Uduman, Nyomi et al. 2010. "Dewatering of Microalgal Cultures: A Major Bottleneck to Algae-Based Fuels." Journal of Renewable and Sustainable Energy 2(1).

6. Vandamme, Dries, Imogen Foubert, and Koenraad Muylaert. 2013. "Flocculation as a Low-Cost Method for Harvesting Microalgae for Bulk Biomass Production." Trends in Biotechnology 31(4): 233-39. http://dx.doi.org/10.1016/j.tibtech.2012.12.005.

7. Wan, Chun et al. 2015. "Current Progress and Future Prospect of Microalgal Biomass Harvest Using Various Flocculation Technologies." Bioresource Technology 184: 251-57. http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0960852414016939.

8. Wu, Z., Zhu, Y., Huang, W., Zhang, C, Li, Т., Zhang, Y., Li, A., 2012. Evaluation of flocculation induced by pH increase for harvesting microalgae and reuse of flocculated medium. Biores. Technol. 110, 496502.

1. Способ флокуляции биомассы микроводорослей из суспендирующей среды, содержащей биомассу, в котором в суспендирующую среду добавляют коагулянт шестиводный хлорид железа(III) с последующим добавлением полимерного вещества, являющегося флокулянтом на основе полиэтиленоксида, с последующей флокуляцией биомассы, отличающийся тем, что в суспендирующую среду последовательно добавляют шестиводный хлорид железа, полиакриламид, а затем полиэтиленоксид.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что концентрация шестиводного хлорида железа(III) составляет 20-40 мг/л.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что концентрация полиакриламида составляет 2-5 мг/л.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что концентрация полиэтиленоксида составляет 1-4 мг/л.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что флокуляцию биомассы проводят при перемешивании при температуре 10°С-40°С.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что после добавления шестиводного хлорида железа суспендирующую среду перемешивают 55-65 сек.

7. Способ по п. 5, отличающийся тем, что после добавления полиакриламида суспендирующую среду перемешивают 55-65 сек.

8. Способ по п. 5, отличающийся тем, что после добавления полиэтиленоксида суспендирующую среду перемешивают 30 сек.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области биохимии, генной инженерии и биотехнологии, в частности к штамму Escherichia coli BL21(DE3)GoldpETCYPopti. Настоящий штамм является продуцентом рекомбинантного циклофилина А человека.
Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к пчеловодству, и может быть использовано для борьбы с большой восковой молью. Биоинсектицид для борьбы с большой восковой молью содержит штамм Bacillus thuringiensis ВНИИСХМ RCAM 00045 и наполнитель например NaCl, в заданном соотношении компонентов.

Изобретение относится к области биотехнологии, а именно к способу детоксикации белого фосфора в загрязненной почве. Обеззараживание выполняют путем обработки загрязненной белым фосфором почвы штаммом Trichoderma asperellum ВКПМ F-1087.
Изобретение относится к промышленной микробиологии. Штамм бактерий Desulfovibrio sp.

Изобретение относится к биотехнологии, прикладной микробиологии и может быть использовано для применения в качестве продуцента душистых соединений. Штамм микроводоросли Chlorella vulgaris Beyerinck SMP-1802153, обладающий способностью синтезировать смесь душистых веществ, аналогичную резиноиду дубового мха, депонирован в коллекции микроводорослей ИФР РАН (IPPAS) под регистрационным номером Chlorella vulgaris Beyerinck IPPAS C-2019.

Изобретение относится к области биотехнологии и может быть использовано для рекомбинантного получения CTR1. Получают плазмидную ДНК pNdCTR1, кодирующую гибридный полипептид GST-NdCTR1, состоящий из N-концевого полипептидного фрагмента глутатион-S-трансферазы (GST), соединенного через сайт гидролиза тромбином с полипептидным фрагментом N-концевого домена высокоаффинного импортера меди человека CTR1 (NdCTR1).
Изобретение относится к биотехнологии. Предложен штамм Enterococcus durans кос 37 б №19, обладающий высокой антагонистической способностью по отношению к условно-патогенной и патогенной микрофлоре.

Группа изобретений относится к штаммам микроорганизмов Lactobacillus plantarum MCC1 DSM 23881 и Lactobacillus gasseri MCC2 DSM 23882 и их применению в качестве антиоксидантных протеолитических ингредиентов для приготовления пищевого продукта или пищевой добавки.

Предложены варианты бактерий Escherichia coli, являющихся продуцентами янтарной кислоты. Бактерия Escherichia coli модифицирована таким образом, что гены асkА, pta, рохВ, ldhA, adhE, ptsG в ней инактивированы, экспрессия генов galP и glk усилена, и бактерия обладающий активностью пируват карбоксилазы.

Заявленная группа изобретений относится к области иммунологии. Штаммы вида Streptococcus pneumoniae депонированы в Государственной коллекции патогенных микроорганизмов III-IV групп патогенности ФГБУ «Научный центр экспертизы средств медицинского применения» Минздрава России под регистрационными номерами 296, 297, 298.

Изобретение относится к биотехнологии, прикладной микробиологии и может быть использовано для применения в качестве продуцента душистых соединений. Штамм микроводоросли Chlorella vulgaris Beyerinck SMP-1802153, обладающий способностью синтезировать смесь душистых веществ, аналогичную резиноиду дубового мха, депонирован в коллекции микроводорослей ИФР РАН (IPPAS) под регистрационным номером Chlorella vulgaris Beyerinck IPPAS C-2019.

Изобретение относится к области утилизации уходящих газов энергетических установок. Предложено устройство для утилизации продуктов сгорания энергоустановок, использующих природный газ.

Предлагаемый способ относится к фотобиотехнологии, промышленной микробиологии, аквакультуре, экологии, альгологии, биохимии, может быть также использован в пищевой промышленности, животноводстве при производстве кормов, в медицинской и ветеринарной микробиологии.

Группа изобретений относится к биохимии. Предложен биоактиватор, способ повышения эффективности выращивания хлореллы и полотно биоактиватора для выращивания хлореллы.

Изобретение относится к области культивирования микроорганизмов. Предложен аппарат для культивирования автотрофных микроорганизмов.

Изобретение относится к биотехнологии. Штамм одноклеточной зеленой водоросли Chlorella kessleri ARW депонирован во Всероссийской Коллекции Промышленных Микроорганизмов под регистрационным номером ВКПМ Al-11 и может быть использован для предотвращения «цветения» водоемов синезелеными водорослями.

Изобретение относится к биотехнологии и может быть использовано при промышленном получении биомассы диатомовой водоросли Cylindrotheca closterium. Способ предусматривает выращивание культуры диатомовой водоросли Cylindrotheca closterium в течение 7-10 суток в плоскопараллельных культиваторах с рабочей толщиной слоя 2-5 см при круглосуточном освещении 13,5 клк на модифицированной питательной среде до плотности 5-7 г сухой биомассы на 1 л культуры.

Изобретение относится к области биохимии. Предложен способ производства биомассы фотоавтотрофных микроорганизмов.

Изобретение относится к области биохимии. Предложен способ получения биогенного сероводорода.

Изобретение относится к фотобиотехнологии. Штамм микроводорослей Haematococcus pluvialis ВМ1 депонирован в Российской Коллекции Микроводорослей при учреждении Институт физиологии растений им.

Изобретение относится к электрохимическим методам анализа, а именно к иммуноанализу, в частности к определению содержания патогенных микроорганизмов в различных объектах и средах.
Наверх