产油小球藻高效率生产的工艺改进

问题描述：

微生物制油由于藻类生长周期短、可工业化培养、占地面积小而备受瞩目，并获得了众多国家级科研项目支持。目前使用的异养培养技术，增长率可以达到 8 g/（L·d），是自养培养的 40 倍；但是异养培养过程中产乳酸较多，pH 若不加以控制可降低至 3 左右，严重影响了异养培养的正常进行，而得到的油脂还需要经过细胞收集、细胞破碎、油脂提取等工序， 工艺链长导致总体收集率低，且效率低、过程能耗高，这些都是影响微藻柴油产业化的关键问题， 亟待解决。

解题过程：

该技术问题的解决，用到了TRIZ理论中的鱼骨图分析、因果树分析、物质场模型、技术矛盾解决等理论，通过鱼骨图分析找到根原因，确定问题发生区域，通过技术矛盾和物质场分析两种工具，得到了5种解决方案。

运用技术矛盾分析工具，查找发明原理，并选择No.28 机械系统替代原理，No.7 嵌套原理，No.19 周期性作用原理、No.28 机械系统替、代原理，No.10 预先作用原理，No.29 气压或液压结构原理，No.35 参数改变原理，找到解决方案。

最终方案：

（1）利用树脂可以去除离子的特点，在培养液中添加树脂来达到调节 pH 的目的，使微藻培养过程实现一边培养一边调节 pH，不需要添加任何化学试剂，实现对环境的友好。

（2）利用部分真菌可以产生长菌丝体的特点，在培养液中加入真菌并培养，在真菌生长的同时也完成了微藻细胞的收集。

（3）将微藻细胞高速喷入一条平滑的管道中，在管道中获得最大速度后进入萃取塔中，在萃取塔中反复弹射，通过管道至塔中微藻细胞内压力的剧烈变化、在萃取塔中反复弹射的撞击作用，使微藻细胞彻底破碎，再进行油脂萃取，实现完全提取出油脂。

（4）使用板框萃取机进行萃取过程，在高压下，萃取剂与油脂充分接触，微藻细胞在通过板框时被过滤掉，密度较大的水从板框过滤机下流出，而含油、萃取剂的混合物在板框萃取机中反复通行，实现完全萃取和萃取剂的有效利用；同时省略了萃取后需要进行固液分离的步骤。

（5）细胞发酵周期分为延滞期、对数生长期、稳定期、衰亡期。使用一台发酵罐专门培养对数生长期的小球藻发酵液，以此作为种子液，不断往其他发酵罐中接种，结果是接种量大、小球藻始终处于旺盛的生长期且占据种群优势，从而缩短了培养周期，提高了设备利用率，减少了染菌概率。

应用情况：

上述解决方案已经在天冠集团自建的千吨级异养小球藻生产线上应用，发酵环节的片碱溶液使用量由单个50t罐的0.6 t降至0.2t。使用新的藻细胞收集方法，可避免使用高能耗的碟片离心机，能耗降低了87.3%；使用新的细胞破碎工艺后，细胞破碎率由原来的 53.3% 提高到了96.1%；使用新的油脂提取工艺后，藻油提取率由原来的 80.5% 提高到 97.4%。

本案例发明的5个新工艺，引领了异养小球藻工艺的变革方向，为减少微藻柴油生产过程中物料损耗和能源消耗做出了贡献。经过在天冠集团千吨级微藻柴油生产线应用 4 个月以来，因减少物料损耗、提高收集率而累计减少成本 63 万元，因效率提升、降低能耗减少成本89万元，取得了较好的经济效益。