利用超聲刺激微藻快速積累油脂的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于生物質(zhì)能源的開發(fā)領(lǐng)域，涉及利用超聲刺激微藻快速積累油脂方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于大氣中二氧化碳的量不斷增加，溫室效應(yīng)也在加劇，而化石能源的燃燒加快了這一過程，因此尋找新的可持續(xù)的再生能源，可有效減少向大氣中排放二氧化碳?？捎脕砩a(chǎn)生物柴油的可再生生物質(zhì)原料有多種，其中包括麻風(fēng)樹、油菜籽、棕櫚樹、餐廚垃圾及微藻等生物質(zhì)原料，相比其他原料，微藻具有高生長速度、碳中性和極強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)，且微藻的營養(yǎng)學(xué)、藥學(xué)及生物學(xué)價值較高，能應(yīng)用于某些生物及醫(yī)藥行業(yè)，也可用來生產(chǎn)高附加值營養(yǎng)品、魚類餌料和生物柴油。
[0003]利用微藻作為原料生產(chǎn)生物柴油，能夠在很大程度上減少占地面積，甚至能夠利用不適合耕種的土地，由于其繁殖周期短、油脂含量高等優(yōu)點(diǎn)，可有效提高生產(chǎn)效率、節(jié)省時間，因此微藻是一種極具開發(fā)前景的可再生生物質(zhì)資源，本發(fā)明可用于微藻積累生物質(zhì)和油脂的開發(fā)研究。四尾柵藻屬于綠藻門，綠球藻目，柵藻科，柵藻屬，普遍存在于各種淡水環(huán)境中，已有大量研究表明其生長迅速、易于培養(yǎng)，有優(yōu)良的生產(chǎn)生物質(zhì)和油脂的性能，可作為生產(chǎn)生物柴油的理想原料。由于微藻在生長過程中，生物質(zhì)和油脂不能實(shí)現(xiàn)同步高效積累，因此兩階段培養(yǎng)被認(rèn)為是一種比較合理的解決方案，第一階段將微藻在最適條件下培養(yǎng)至對數(shù)期末期，使微藻細(xì)胞以較高的生長速率達(dá)到最大濃度，第二階段在外界不利環(huán)境的刺激脅迫下進(jìn)行培養(yǎng)，促使微藻合成積累油脂。有研究顯示，超聲作用可以在短時間內(nèi)對細(xì)胞內(nèi)組分產(chǎn)生影響，通過對微藻進(jìn)行超聲刺激，其胞內(nèi)葉綠素含量產(chǎn)生了變化，也有研究顯示，超聲處理可以影響細(xì)胞膜脂的含量。研究表明，超聲波可以在水中產(chǎn)生空化作用，形成的微小氣泡向內(nèi)爆破時可產(chǎn)生瞬時的高溫和高壓環(huán)境，可以對微藻細(xì)胞產(chǎn)生刺激作用，進(jìn)而影響胞內(nèi)化學(xué)組分的合成和轉(zhuǎn)化，尤其是高溫會形成脅迫環(huán)境，利于油脂含量的提尚O
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的是克服微藻生物質(zhì)生長和油脂積累之間的矛盾，利用分步培養(yǎng)方案，提供一種操作簡單、耗時短、效率高、易于實(shí)現(xiàn)的促進(jìn)微藻油脂快速積累的方法。利用超聲波實(shí)現(xiàn)一種快速且方便的環(huán)境脅迫方案，促使對數(shù)期末期的微藻在短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)油脂的高效積累，同時不影響微藻生物質(zhì)濃度，達(dá)到提高油脂產(chǎn)率的目的，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用前景。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下具體技術(shù)方案
[0006]—種利用超聲刺激微藻快速積累油脂的方法，將進(jìn)入對數(shù)生長期末期的微藻在超聲環(huán)境中處理、培養(yǎng)，即得高油脂含量微藻。
[0007]進(jìn)一步地，所述微藻在進(jìn)入對數(shù)生長期末期之前的培養(yǎng)條件為:以BGll為培養(yǎng)基，在溫度20-25°C，曝氣量500-600mL/min，光照強(qiáng)度5000-60001ux條件下培養(yǎng)微藻10-15天。提供適宜的培養(yǎng)條件，保證微藻快速生長。
[0008]進(jìn)一步地，所述BGll 培養(yǎng)基成分(g/L)為:NaN03，1.5 ；K2HPO4,0.04 ；MgS04.7H20，0.075 ；CaCl2.2Η20，0.036 ;檸檬酸，0.006 ;檸檬酸鐵銨，0.006 ；EDTA.2Na，0.001 ；Na2CO3,0.02 ;以及 lmL/L 的 A5。
[0009]進(jìn)一步地，所述A5 成分(g/L)為:H3BO3, 2.86 ；MnCl2.4H20，1.86 ；ZnSO4.7H20，
0.22 ；Na2MoO4.2Η20，0.39 ；CuSO4.5Η20，0.08 ；Co (NO3)2.6Η20，0.05。
[0010]進(jìn)一步地，所述微藻為四尾柵藻，購自山東省環(huán)境科學(xué)工程技術(shù)研究中心，藻種已保藏于中國科學(xué)院淡水藻種庫，保藏號為FACHB-1768，保藏日期:2013年12月。優(yōu)選的微藻種類為四尾柵藻，但對其種類并無特殊限定。
[0011]進(jìn)一步地，所述微藻的生長進(jìn)入對數(shù)生長期末期后，微藻的生物質(zhì)濃度為0.99?
1.118/1，油脂含量為22.3%?25.3%。判斷微藻的生長狀況和油脂含量，為后續(xù)處理?xiàng)l件的選擇提供依據(jù)。進(jìn)一步地，所述超聲環(huán)境條件為150-200W，30-40kHz。本發(fā)明中用到的超聲處理只在微藻生長的對數(shù)期末進(jìn)行一次，即為單次操作，與間隙式連續(xù)超聲相比，本發(fā)明操作時間短，更簡單，更易實(shí)現(xiàn)。同時，為了實(shí)現(xiàn)對微藻產(chǎn)油的刺激作用，選用了較高的超聲功率。
[0012]超聲功率小于150W，頻率小于30kHz時，無法有效刺激微藻產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)，油脂積累效果差；超聲功率大于200W，頻率大于40kHz時，與油脂合成相關(guān)的酶活力下降，甚至部分失活，生物量和油脂積累效率隨著超聲功率和頻率的繼續(xù)升高呈下降趨勢。
[0013]進(jìn)一步地，所述微藻經(jīng)超聲處理、培養(yǎng)后，于4-6 °C、3500-4000r/min下離心
5-10min。低溫離心保證微藻的生物質(zhì)成分不被破壞，并通過離心轉(zhuǎn)速的控制，使富含油脂的微藻快速沉積。
[0014]由于采用了超聲處理，在不影響微藻的生物質(zhì)濃度的前提下，微藻高油脂含量顯著提高，可達(dá)37.1%?39.6%，能夠滿足作為生物柴油燃料的要求。
[0015]在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，所述微藻可以在一定的培養(yǎng)裝置和合適的外部環(huán)境控制下，進(jìn)行快速的生長繁殖。所用術(shù)語“一定的培養(yǎng)裝置”可以是密閉式光生物反應(yīng)器(例如玻璃氣泡柱反應(yīng)器)、開放式跑道培養(yǎng)池或生物膜培養(yǎng)裝置(如半干固態(tài)貼壁培養(yǎng)裝置(CN201210051158.2))，其中上述裝置可按照次序串聯(lián)使用或單獨(dú)使用。所用術(shù)語“合適外部環(huán)境”是指適宜微藻生長的溫度、光照、營養(yǎng)鹽和二氧化碳等因素的綜合。
[0016]本發(fā)明所述高油脂含量微藻可用于提煉汽油、柴油、航空燃油，以及作為塑料制品和藥物的原料等。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
[0018]1.本發(fā)明操作簡單、耗時短、效率高、易于實(shí)現(xiàn)。
[0019]2.本發(fā)明能夠使四尾柵藻的生物質(zhì)濃度不受影響，在2天時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)油脂的快速積累。
[0020]3.本發(fā)明所用刺激方案便于擴(kuò)大實(shí)施，有較好的應(yīng)用性。
[0021]4.本發(fā)明能促使對數(shù)期末期的四尾柵藻快速積累油脂，可為利用微藻生產(chǎn)生物柴油或開發(fā)其他生物質(zhì)能源提供有效方案。
【附圖說明】
[0022]圖1為對數(shù)期末期的四尾柵藻經(jīng)過不同時間的超聲刺激再繼續(xù)培養(yǎng)2天后，生物質(zhì)濃度和油脂含量隨超聲刺激時間的變化。超聲環(huán)境為200W，40kHz。
[0023]圖2為對數(shù)期末期的四尾柵藻經(jīng)過20分鐘超聲刺激后，四尾柵藻生物質(zhì)濃度隨繼續(xù)培養(yǎng)時間的變化。超聲環(huán)境為200W，40kHz。
[0024]具體實(shí)施例如下:
[0025]實(shí)施例1
[0026]本發(fā)明涉及一種利用超聲刺激微藻快速積累油脂、提高油脂產(chǎn)率的微藻培養(yǎng)方法。
[0027]利用BGll培養(yǎng)基在溫度25°C，曝氣量600mL/min，光照強(qiáng)度60001ux的連續(xù)光照條件下培養(yǎng)微藻。所培養(yǎng)的微藻為四尾柵藻，來自山東省環(huán)境科學(xué)工程技術(shù)研究中心，已保藏于中國科學(xué)院淡水藻種庫，保藏號為FACHB-1768。經(jīng)過15天培養(yǎng)以后微藻達(dá)到對數(shù)生長期末期，此時微藻的生物質(zhì)濃度達(dá)到最高為0.99?1.llg/L，油脂含量為22.3%?25.3%。
[0028]進(jìn)行超聲刺激條件的優(yōu)化，將對數(shù)期末期的四尾柵藻放置于超聲環(huán)境中(200W，40kHz)，超聲處理不同時間(0、5、10、15、20和40分鐘)，然后將微藻重新放置于同步驟I的培養(yǎng)條件下繼續(xù)培養(yǎng)2天，并于收獲后檢測微藻的生物質(zhì)濃度和油脂含量，結(jié)果如圖1所示，由此確定最佳超聲刺激時間。從圖1中可以看出微藻在經(jīng)過超聲刺激繼續(xù)培養(yǎng)2天以后，油脂含量隨著超聲時間的增加而提高，在超聲20分鐘的條件下達(dá)到最大值，繼續(xù)延長超聲時間則導(dǎo)致油脂含量的下降，可能是因?yàn)榧?xì)胞受到破壞影響了油脂合成。不同的超聲時間沒有造成微藻生物質(zhì)濃度的明顯下降，在最長超聲時間40分鐘的條件下，微藻生物質(zhì)濃度最低。因此在20分鐘條件微藻的油脂產(chǎn)率最大，為最佳超聲刺激時間。
[0029]將對數(shù)期末期的四尾柵藻放置于超聲環(huán)境中(200W，40kHz)處理20分鐘(最佳時間超聲時間)后，然后將微藻重新放置于同步驟I