СПОСОБ ФЛОКУЛЯЦИИ БИОМАССЫ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ
METHOD OF MICROALGAE BIOMASS FLOCCULATION

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.
3
2
3
Наиболее близким к предлагаемому методу является работа (Gorin et al. 2015), в которой для сбора биомассы Chlorella vulgaris GKV1 в качестве коагулянта использовался FeCl·6НО, 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 (FeCl 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.
6
6
6
2
6
В качестве реагентов для эффективного ведения процесса могут использоваться флокулянты на основе полиэтиленоксида с молекулярной массой не менее 5·10, на основе полиакриламида - не менее 4·10. В своих экспериментах мы использовали катионный флокулянт на основе полиэтиленоксида Sibfloc-718 (молекулярная масса 6·10, кинематическая вязкость 50%-о раствора 1,31 мм/с (сСт)) и катионный флокулянт на основе полиакриламида Magnafloc LT 22 (молекулярная масса 5·10, 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.