[2]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.
[4]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).
[5]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.
[6]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.
[7]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.
[8]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.
[9]2. Через минуту смесь перемешивалась мешалкой со скоростью 200 об/мин в течение 1 минуты при комнатной температуре.
[10]3. Затем смесь отстаивалась в течение 120 минут при комнатной температуре.
[11]4. После отстаивания надосадочная жидкость исследовалась на спектрофотометре Jenway 6300.
[12]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.
[13]Раскрытие изобретения
[14]Техническим результатом, на которое направлено изобретение, является увеличение скорости осаждения биомассы за счет увеличения размеров флокул при последовательном использовании трех различных реагентов.
[15]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.
[16]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.
[17]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.
[18]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).
[19]Осуществление и пример реализации изобретения
[20]Последовательность проводимых операций:
[21]a. в отобранную биомассы микроводорослей добавляется раствор хлорида трехвалентного железа, полученная смесь перемешивается в течение одной минуты;
[22]b. через одну минуту в смесь добавляется раствор катионного флокулянта на основе полиакриламида и перемешивается в течение одной минуты;
[23]c. далее добавляется третий реагент - флокулянт на основе полиэтиленоксида, смесь снова перемешивается в течение 30 секунд.
[24]Все операции являются обязательными. Последовательность их выполнения не должна нарушаться.
[25]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.
[26]Данный процесс флокуляции эффективен при температурах от 10°С до 40°С.
[27]Данный способ флокуляции был реализован при сборе биомассы Chlorella vulgaris GKV1, Chlorella vulgaris C-81 и Arthrospira platensis K50006. Были получены следующие результаты:
[28]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;
[29]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;
[30]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.
[31]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;
[32]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;
[33]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.
[34]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.
[35]Данный способ флокуляции обладает следующими преимуществами:
[36]1. Снижение расхода реагентов на флокуляцию, и, следовательно, снижение их себестоимости;
[37]2. Повышение эффективности флокуляции;
[38]3. Снижение времени флокуляции не менее чем в 2 раза.
[39]Сравнение предлагаемого способа флокуляции микроводорослей с описанным в литературе (Gorin et al., 2015) представлено в таблице 1.
[40]
[41]
[42]Эффективность флокуляции Chlorella vulgaris GKV1 2 г/л при одновременном и последовательном добавлении флокулянтов представлена в таблице 2.
[43]
[44]Зависимость эффективности процесса флокуляции биомассы Chlorella vulgaris GKV1 концентрацией 2 г/л от температуры представлена в таблице 3.
[45]
[47]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.
[48]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.
[49]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.
[50]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).
[51]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).
[52]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.
[53]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.
[54]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.
