專利名稱：光合培養(yǎng)物的連續(xù)培養(yǎng)、收獲和油提取的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光合微生物的連續(xù)培養(yǎng)、收獲和油提取。
背景技術(shù)：
對(duì)化石燃料替代品來(lái)說(shuō)具有目前和日益增長(zhǎng)的需求。主要的興趣和投資已集中在生物燃料領(lǐng)域上，其為適合于在來(lái)源于生物源的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)部燃燒引擎燃燒的燃料。特別有吸引力的生物燃料生物源是藻類，部分原因是當(dāng)與其它原料(300-700加侖/英畝/年)相比時(shí)，其具有更好的產(chǎn)量(5000-10，000加侖/英畝/年)。某些藻株由于其理想的脂質(zhì)性質(zhì) (如脂質(zhì)組分，質(zhì)量百分比脂質(zhì)濃度)特別適合用作燃料產(chǎn)品。
目前可用的藻類生物燃料生產(chǎn)系統(tǒng)是昂貴的且不可擴(kuò)大化的，導(dǎo)致每加侖生物燃料的生產(chǎn)成本為$30至$60。這些現(xiàn)有的藻類生產(chǎn)系統(tǒng)面臨兩個(gè)重大挑戰(zhàn)-(1)使用成本高昂的封閉培養(yǎng)系統(tǒng)，和( 后培養(yǎng)過(guò)程能源密集，高度復(fù)雜。
培養(yǎng)系統(tǒng)必須為光合過(guò)程的發(fā)生提供接觸陽(yáng)光的機(jī)會(huì)以及必須讓占有優(yōu)勢(shì)的微藻種群無(wú)障礙地生長(zhǎng)而不受“入侵”菌株的威脅。今天，要實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)目標(biāo)，很多封閉系統(tǒng)使用清潔塑料袋或清潔玻璃管材。
這些封閉系統(tǒng)通常旨在為防止“入侵”物種的威脅而提供受保護(hù)環(huán)境，所述物種允許具有理想性狀的藻株單一培養(yǎng)的培養(yǎng)方式。但是，封閉系統(tǒng)由于暴露于自然環(huán)境下而無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間維持菌株穩(wěn)定。盡管系統(tǒng)旨在排除入侵的、野生型菌株，但入口點(diǎn)確實(shí)存在(例如閥門、連接器以及其他機(jī)械部件)。在給定的時(shí)間內(nèi)，單一培養(yǎng)最終被一種或多種地方性野生型藻株入侵，該藻株對(duì)生物燃料產(chǎn)品來(lái)說(shuō)不具備有利的性狀。一旦發(fā)生這種情況，封閉系統(tǒng)不再是理想菌株的單一培養(yǎng)，基本上使得培養(yǎng)過(guò)程“崩潰”。崩潰的系統(tǒng)需要昂貴和耗時(shí)的滅菌，造成生產(chǎn)成本增加和產(chǎn)量下降。
此外，對(duì)于單一培養(yǎng)來(lái)說(shuō)，玻璃管系統(tǒng)必須定期停止運(yùn)轉(zhuǎn)(taken off line)，以去除發(fā)生在培養(yǎng)過(guò)程中的生物膜堵塞。未清理的管材逐漸變得不透明，限制了太陽(yáng)輻射，并變得不適合于光合微生物的生長(zhǎng)。袋系統(tǒng)通常不清洗，而是被處理掉并被新袋取代。由于塑料的基材為石油，雖然袋系統(tǒng)消除管系統(tǒng)清理的要求，但它既昂貴而且環(huán)保效果較差。
另一個(gè)在封閉系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題是昂貴的冷卻要求來(lái)維持最佳的培養(yǎng)基溫度。在培養(yǎng)周期過(guò)程中，光合過(guò)程產(chǎn)生大量的熱量然后由于溫室效應(yīng)將其保留。如果發(fā)生在開放系統(tǒng)中沒(méi)有自然通風(fēng)(即熱量自然地通過(guò)暴露于空氣中而消散)，封閉生產(chǎn)系統(tǒng)陷入困境并保留熱量，這將大大破壞培養(yǎng)并降低生長(zhǎng)率。因此，冷卻系統(tǒng)對(duì)需要額外的成本和負(fù)面影響能源效率的封閉系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是需要的。
與封閉培養(yǎng)系統(tǒng)相關(guān)的這些挑戰(zhàn)的整體影響造成了與高資本成本及高經(jīng)營(yíng)成本。因此，在封閉系統(tǒng)中為生物燃料培養(yǎng)的微藻并不是經(jīng)濟(jì)上可行的。
現(xiàn)今的后培養(yǎng)系統(tǒng)是能源密集的、高度復(fù)雜的和成本高昂的。此外，該過(guò)程是批量化和非連續(xù)的，給大規(guī)模商業(yè)化造成了障礙。應(yīng)當(dāng)指出，目前實(shí)行的過(guò)程中，各種添加劑，經(jīng)營(yíng)成本和資本成本推高了過(guò)程的成本。另外處理時(shí)間的成本非常高。
現(xiàn)在的后培養(yǎng)系統(tǒng)中的第一個(gè)步驟是收獲過(guò)程。收獲通常需要絮凝來(lái)集中微藻， 以便它可以隨后從培養(yǎng)基中去除。誘導(dǎo)絮凝是最常用的方法，其要求加入表面活性劑通常為硫酸鋁和氯化鐵或商業(yè)產(chǎn)品殼聚糖。絮凝可以采用密度低至0. 02-0. 07%的藻類( Igm 藻類/5000gm水)進(jìn)行培養(yǎng)，取得高達(dá)藻類懸浮體和98%藻類回收。第二收獲步驟是進(jìn)一步要求實(shí)現(xiàn)高達(dá)3-4 %藻類的漿料濃度。經(jīng)常使用溶氣氣浮，其是通過(guò)去除懸浮微藻來(lái)清理培養(yǎng)基的過(guò)程。通過(guò)在壓力下溶解培養(yǎng)基中的空氣，然后大氣壓下在浮選槽或盆中釋放空氣來(lái)實(shí)現(xiàn)去除。被釋放的空氣形成微小氣泡，其粘附于微藻上引起懸浮物浮到水的表面，然后在那里可被除渣設(shè)備去除。
后培養(yǎng)的第二個(gè)重要步驟是初次和再次脫水。大規(guī)模商業(yè)化的一個(gè)重要瓶頸是， 提取之前需要脫水獲得糊狀物如粘稠物。初次脫水發(fā)生時(shí)使用一些微濾和離心的組合來(lái)將微藻密度提高到至少6-8%培養(yǎng)基體積。更多的離心和帶式過(guò)濾擠壓可以實(shí)現(xiàn)額外增加 (高達(dá)20%藻類)，但要增加的能源輸入和成本。干燥須達(dá)到較高的提取所需的干質(zhì)量濃度。由于干燥通常需要熱量，已使用沼氣滾筒式干燥機(jī)和其他爐式的干燥機(jī)。不過(guò)，隨著增量溫度和/或時(shí)間增加，成本急劇攀升?？諝飧稍镌诘蜐穸鹊臍夂蚴强赡艿?，但將需要額外的空間和大量的時(shí)間。干燥后，剩余的脫水生物質(zhì)為提取做準(zhǔn)備。
后培養(yǎng)過(guò)程的第三步是提取。提取是破裂或破碎細(xì)胞膜或結(jié)構(gòu)來(lái)釋放出細(xì)胞中的油，隨后可以進(jìn)行分離和處理的過(guò)程。最常用的提取方法是添加己烷溶劑到生物質(zhì)中。然而，使用己烷遭遇到重大挑戰(zhàn)。它是一種易揮發(fā)、易燃、易爆物質(zhì)，EPA將其分類為HAP (有害空氣污染物)并在TRI (有毒物質(zhì)排放清單)項(xiàng)目下對(duì)其控制。通過(guò)固有的設(shè)計(jì)，即使是最新的油加工設(shè)備也會(huì)將己烷泄露到環(huán)境中。據(jù)估計(jì)，平均規(guī)模的大豆設(shè)備通過(guò)大氣泄漏每天泄露6000磅的己烷到環(huán)境中。油壓/壓榨方法通常與己烷溶劑聯(lián)用，該方法在高壓下使用機(jī)械壓力基本上將油擠壓出來(lái)。隨后高成本回收己烷是必需的。
后培養(yǎng)的最后一步是分離，其中將油、剩余生長(zhǎng)培養(yǎng)基和有機(jī)物分離。使用重力流裝置和離心的組合來(lái)達(dá)到所需的油純度。
全球?qū)剂系男枨笫求@人的。根據(jù)NREL的研究，美國(guó)的汽油消費(fèi)量為每天 3. 9億加侖或約每年1420億加侖。因此，未來(lái)商業(yè)上可行的生物燃料生產(chǎn)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)大幅度降低成本結(jié)構(gòu)和大量大規(guī)模的生產(chǎn)量。
現(xiàn)在的后培養(yǎng)過(guò)程的復(fù)雜性，運(yùn)營(yíng)效率低下和能源強(qiáng)度導(dǎo)致了估計(jì)的產(chǎn)品成本為每加侖藻類生物燃料$30至$60，以及現(xiàn)在使用封閉系統(tǒng)和復(fù)雜的后培養(yǎng)過(guò)程不太可能提供商業(yè)上可行的化石燃料替代品。
除此之外，大量的后培養(yǎng)過(guò)程是離散的批處理過(guò)程-需要許多昂貴的、勞動(dòng)密集的和耗費(fèi)時(shí)間的過(guò)渡步驟，從一個(gè)過(guò)程到另一個(gè)，從而造成不能提供自身到連續(xù)高效的生產(chǎn)過(guò)程中。

發(fā)明內(nèi)容
目前所描述的發(fā)明涉及一種連續(xù)收獲、培養(yǎng)、和油提取光合微生物的方法，以及用于實(shí)施該方法的設(shè)備。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，該方法包括的步驟有提供培養(yǎng)容器和培養(yǎng)基；引入光合微生物到培養(yǎng)基中；相對(duì)于其他生物來(lái)說(shuō)，優(yōu)化培養(yǎng)基以有利于光合微生物生長(zhǎng)；在促進(jìn)光合微生物繁殖到所需密度的條件下，培養(yǎng)培養(yǎng)基和其中的光合微生物；將提取技術(shù)直接應(yīng)用到澄清的培養(yǎng)基中從而消除初次和再次收獲以及初次和再次脫水，將分離技術(shù)直接應(yīng)用到提取后培養(yǎng)基中，將該方法應(yīng)用到處理、富集和回收分離后的培養(yǎng)基中， 和持續(xù)返還回收的生長(zhǎng)培養(yǎng)基(growth medium)到培養(yǎng)容器；以及重復(fù)該方法的各步驟。
在優(yōu)選的實(shí)施方式中，提取方法包括將水動(dòng)力(流體動(dòng)力)空化運(yùn)用到生長(zhǎng)培養(yǎng)基中的微藻連續(xù)流來(lái)破壞細(xì)胞壁并提取微藻油的步驟。
在優(yōu)選的實(shí)施方式中，分離方法包括將重力流結(jié)合到靜水浮選擋板中來(lái)分離油、 生長(zhǎng)培養(yǎng)基和有機(jī)物質(zhì)的步驟。
在優(yōu)選的實(shí)施方式中，處理、富集和回收方法包括以下步驟將紫外光結(jié)合水動(dòng)力空化應(yīng)用到分離后的培養(yǎng)基連續(xù)流中來(lái)消除細(xì)菌、入侵光合生物和其他有害有機(jī)物，從而滅菌培養(yǎng)基并再利用、為提高的培養(yǎng)生長(zhǎng)特性改善培養(yǎng)基。
本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施方式包括使用分餾法收獲培養(yǎng)光合微生物和使用水動(dòng)力空化提取收獲的生物質(zhì)。
本發(fā)明進(jìn)一步涉及到由所描述的方法從收獲的生物質(zhì)中生產(chǎn)生物燃料。
具體實(shí)施例方式目前所描述的發(fā)明涉及一種連續(xù)培養(yǎng)、收獲和油提取藻類培養(yǎng)物來(lái)商業(yè)化生產(chǎn)藻油的系統(tǒng)。該方法通常包括培養(yǎng)、提取、分離和回收的步驟，每個(gè)步驟討論如下。優(yōu)選地，本文描述的方法不需要加入添加劑來(lái)有效地生產(chǎn)產(chǎn)品。進(jìn)一步地，目前描述的方法具有更佳的成本有效性和要求處理時(shí)間更短的優(yōu)勢(shì)。
連續(xù)流體系統(tǒng)結(jié)合了成本有效的培養(yǎng)過(guò)程和非常有效(基本上為流線型， substantially streamlined)的后培養(yǎng)過(guò)程，該后培養(yǎng)過(guò)程消除了初次和再次收獲以及初次和再次脫水的昂貴和能源密集的批處理步驟。這些批處理步驟的消除具有延長(zhǎng)時(shí)期的另外優(yōu)勢(shì)，光合生物在切換脂質(zhì)獲取模式前仍可為生長(zhǎng)模式。例如，與在現(xiàn)在復(fù)雜的批處理系統(tǒng)中的每天3倍翻倍相比，角毛藻種(Chaetoceros sp.)硅藻在連續(xù)流體體系將達(dá)到每天 4倍翻倍。因此產(chǎn)量將從每英畝每年3500加侖提高到超過(guò)每英畝每年5500加侖。
連續(xù)流體系統(tǒng)由以下完全完整和連續(xù)直通流步驟組成-(1)培養(yǎng)過(guò)程，維持光合生物優(yōu)選的菌株優(yōu)勢(shì)，(2)提取系統(tǒng)，直接處理連續(xù)移動(dòng)流中清理的培養(yǎng)基來(lái)破裂細(xì)胞膜和釋放藻油，(3)分離系統(tǒng)，直接處理來(lái)自步驟2中的移動(dòng)流來(lái)分離油、培養(yǎng)基和有機(jī)物質(zhì)，以及油的純度達(dá)到99. 9%，和(4)處理、富集和回收系統(tǒng)，直接處理步驟3中的培養(yǎng)基，以消除細(xì)菌和不需要的光合生物，通過(guò)注入所需的養(yǎng)分富集剩余的培養(yǎng)基以及然后回收富集的培養(yǎng)基回到培養(yǎng)系統(tǒng)中。
在優(yōu)選的實(shí)施方式中，選取一種或多種的光合生物菌株進(jìn)行培養(yǎng)。生長(zhǎng)菌株或菌株們放置在合適培養(yǎng)體系中，將培養(yǎng)物擴(kuò)大到合適的密度進(jìn)行收獲。一旦達(dá)到所需的密度， 培養(yǎng)基流到澄清器中，在那具有80%藻類生長(zhǎng)物的20%培養(yǎng)基不斷流動(dòng)直到進(jìn)行提取。剩余培養(yǎng)基仍然在培養(yǎng)體系中進(jìn)行自接種。通過(guò)使用讓藻油和其他組成成分釋放的水動(dòng)力空
6化，提取步驟破裂或粉碎細(xì)胞膜。一旦95%的油已被釋放，培養(yǎng)基流動(dòng)直接進(jìn)行分離。利用重力流經(jīng)靜水浮選擋板，油、培養(yǎng)基和有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行分離。剩余的培養(yǎng)基流動(dòng)直接進(jìn)行處理、富集和回收過(guò)程。使用紫外光結(jié)合水動(dòng)力空化來(lái)消毒培養(yǎng)基和注入所需的養(yǎng)分。然后回收流體并返回用于隨后的培養(yǎng)循環(huán)(rounds)中。
光合微牛物 本文使用的術(shù)語(yǔ)“光合微生物”，包括具有光合生長(zhǎng)物以及光合細(xì)菌能力的所有藻類和微藻類。優(yōu)選利用公開方法使用真核藻株。例子包括葡萄烴藻(Botryococcene sp.)、 小球藻、龍須菜藻、馬尾藻、藍(lán)綠藻(Spirolina sp.)、杜氏鹽藻(例如杜氏藻(Dunaliella tertiolecta))、紫球藻(Porphyridum sp·)、以及顆石藻(Plurochrysis sp.)(例如顆石藻(Plurochrysis carterae)).硅藻例如角毛藻，是用于目前所描述的本發(fā)明的特別優(yōu)選的藻株。這些術(shù)語(yǔ)也可包括人工修改或基因竄改的生物體。例如，美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?12/208，300，題為“工程捕光生物”，公開了適合用于公開的方法的生物體的例子，并其全部?jī)?nèi)容納入本文作為參考。
角毛藻特別適合用于目前所描述的發(fā)明中。全世界知名的有超過(guò)400個(gè)種和亞種。這種生物的生長(zhǎng)速度快，每天3至4倍翻倍，允許培養(yǎng)物快速生長(zhǎng)。這些生物已知對(duì)包括溫度、鹽度和太陽(yáng)輻射在內(nèi)的環(huán)境條件具有廣泛的耐受性。角毛藻也已知有具有良好的脂質(zhì)含量(高達(dá)40%)，有吸引力的脂肪酸性質(zhì)(profile)，與它的高成長(zhǎng)率相結(jié)合，能自然生產(chǎn)產(chǎn)量高的高質(zhì)量藻油。
很多微生物可作為種子原料，其中多種光合微生物可作為種子原料?；蛘?，光合微生物可與有益的非光合微生物共同培養(yǎng)。
培養(yǎng) 選做培養(yǎng)物的微生物可通過(guò)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所熟悉的任何傳統(tǒng)方法進(jìn)行培育。使用對(duì)每個(gè)生物體來(lái)說(shuō)都是優(yōu)選的最佳條件。最佳條件是允許光合微生物的種子原料(seed stock)的生長(zhǎng)，并且在能降低生產(chǎn)效率的污染物和其他有害生物中勝出 (outcompete)的那些條件。優(yōu)選地，在水介質(zhì)中達(dá)到最佳條件，通過(guò)最初調(diào)整某些或全部的下列成分的濃度氮、磷、維生素B12、氯化鐵、硫酸銅、硅酸鹽及EDTA鈉鹽。連續(xù)監(jiān)測(cè)培養(yǎng)基的PH，通過(guò)進(jìn)行調(diào)整例如二氧化碳處理將pH維持在期望的水平。
例如生物的培養(yǎng)可發(fā)生在開放或封閉的系統(tǒng)中或其結(jié)合中。優(yōu)選開放系統(tǒng)，因?yàn)橄啾扔诜忾]系統(tǒng)，資本投資、能源投入、經(jīng)營(yíng)維修成本能大大地降低，并且開放系統(tǒng)通常比封閉系統(tǒng)更穩(wěn)定。例如，包括自然或人為設(shè)計(jì)的淺水池(pond)的水道池對(duì)培養(yǎng)藻類是很有用的。在美國(guó)專利號(hào)6，673，592中描述了在使用開放系統(tǒng)的培養(yǎng)中為維持菌株優(yōu)勢(shì)而優(yōu)選的培養(yǎng)方法，將其納入本文作為參考。包括管、袋、池等的封閉系統(tǒng)也可用于本發(fā)明的方法。
簡(jiǎn)要總結(jié)地說(shuō)，培養(yǎng)系統(tǒng)包括用于容納培養(yǎng)基的容器。培養(yǎng)基包括初始水溶液和一種或多種生物的種子原料，通常至少一種生物是光合微生物。制備初始水溶液使得培養(yǎng)有益光合微生物的最佳條件成立。一旦最佳條件成立，水溶液使用包含至少一種光合微生物的種子原料進(jìn)行接種。由此產(chǎn)生的培養(yǎng)基控制在設(shè)定的PH范圍內(nèi)。pH范圍將根據(jù)一種或多種光合微生物的需要變化。光源，優(yōu)選太陽(yáng)光，傳遞光和熱到培養(yǎng)基中，促進(jìn)光合微生物培養(yǎng)物的生長(zhǎng)。一定比例的光合微生物培養(yǎng)基定期地流經(jīng)澄清器進(jìn)行提取。去除的培養(yǎng)基被替換為回收的培養(yǎng)基或未經(jīng)消毒的培養(yǎng)基如海水。該方法不斷地重復(fù)，從而提供不間斷的生產(chǎn)。
用于培養(yǎng)選擇出來(lái)的光合微生物的最佳條件通常建立在水溶液中。最佳條件是使光合微生物種子原料生長(zhǎng)，并勝出捕食者、污染物及其他潛在清除者(scavenger)的那些條件。創(chuàng)造這樣的培養(yǎng)基允許光合微生物在戶外和在非無(wú)菌條件下大規(guī)模生產(chǎn)。優(yōu)選地， 通過(guò)最初調(diào)整某些或全部的下列成分的濃度氮、磷、維生素B12、氯化鐵、硫酸銅、硅酸鹽及 Na2EDTA,在水培養(yǎng)基中達(dá)到最佳條件。連續(xù)監(jiān)測(cè)培養(yǎng)基的pH，通過(guò)進(jìn)行調(diào)整例如二氧化碳處理將PH維持在期望的水平。
在優(yōu)選的實(shí)施方式中，現(xiàn)行系統(tǒng)用于培養(yǎng)作為光合微生物的角毛藻。容器容納有具有如下初始特點(diǎn)的水培養(yǎng)基pH控制在約8. 2的二氧化碳，初始氮濃度至少3. Omg N/ 升，初始磷濃度至少2. 75mg P/升，初始維生素^2濃度至少5微克/升，初始氯化鐵濃度至少0. 3mg/升，初始硫酸銅濃度至少0. Olmg/升，初始硅酸鹽濃度至少IOmg SiO2/升，以及 Na2EDTA濃度5mg/升。該培養(yǎng)基與光合微生物角毛藻的種子原料進(jìn)行接種并直接暴露在陽(yáng)光下。光合微生物生長(zhǎng)在開放環(huán)境中，并定期不斷流向提取過(guò)程。這個(gè)量(volume)替換為回收培養(yǎng)基或非無(wú)菌的培養(yǎng)基如海水。然后培養(yǎng)不斷重復(fù)。收獲量替換為新的光合微生物角毛藻的種子原料并且重復(fù)培養(yǎng)。
雖然任何光源可用于本系統(tǒng)中，但全強(qiáng)度陽(yáng)光下培養(yǎng)光合微生物是最經(jīng)濟(jì)的選擇。
定期收獲一定百分比的培養(yǎng)物。優(yōu)選地，大約20%、30%、40%、50%、60%、70%、 80 %、90 %、95 %或99 %的培養(yǎng)物量在每個(gè)時(shí)期結(jié)束時(shí)進(jìn)行收獲。優(yōu)選地，具有大約80 %藻類培養(yǎng)物的大約20%培養(yǎng)物量在每個(gè)時(shí)期結(jié)束時(shí)流向提取步驟。在本系統(tǒng)和方法的優(yōu)選實(shí)施方式中，培養(yǎng)物流向提取步驟或以其他方式每日收獲一次，或約每二十四小時(shí)一次。由于并不需要無(wú)菌條件，收獲量很容易替換為回收的培養(yǎng)基或光合微生物的非無(wú)菌的種子原料，如海水。該容量?jī)?yōu)選是人工收獲的或使用任何可接受的收獲機(jī)器或裝置收獲的。
容器，可有任何可接受的尺寸和使用任何可接受的材料建造，并優(yōu)選有開放的頂部。優(yōu)選地，開放的池子，如水道型大池或水池用來(lái)作為容器。容器或池子可放置于地面以上以允許陽(yáng)光通過(guò)容器的邊緣。或者，容器或池子可放置于地面內(nèi)(within the ground) 0 透明的、透過(guò)光線的蓋子可放置于開放頂部的上方。在一個(gè)實(shí)施方式中，蓋子可移動(dòng)地放置于開放頂部的上方。
通過(guò)培養(yǎng)最佳條件下的光合微生物，能夠以低成本的方式進(jìn)行光合微生物大批量的生產(chǎn)。將單獨(dú)一個(gè)容器置于戶外環(huán)境中，使該容器內(nèi)的物質(zhì)直接暴露在自然光下。不需要人工光源或其他轉(zhuǎn)移池?？梢员苊馕廴疚锖筒妒痴撸@是由于建立的介質(zhì)條件使得光合微生物勝出，并克服不必要的或有害的物種。
通過(guò)建立角毛藻光合微生物的最佳培養(yǎng)條件，本系統(tǒng)提供角毛藻光合微生物勝于培養(yǎng)物中的其他光合微生物物種的環(huán)境。這就使得角毛藻光合微生物能夠連續(xù)地在使用自然光的大型戶外容器中培養(yǎng)。這消除了對(duì)旨在從培養(yǎng)物中排除其他物種的勞動(dòng)力密集和昂貴的系統(tǒng)的需求。開放容器和自然光的使用大大降低了冷卻的成本和與封閉系統(tǒng)相關(guān)的維修問(wèn)題。
收獲 多種方法可用于收獲根據(jù)目前所描述的方法培養(yǎng)的光合微生物。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，使用泡沫分餾從培養(yǎng)基中收獲光合微生物。這種方法利用氣泡收獲生物體。合適的泡沫分餾塔在培養(yǎng)基內(nèi)產(chǎn)生小氣泡流?？梢允褂锰峁馀莸墓蚕蛄骰蚰嫦蛄飨到y(tǒng)。優(yōu)選地，培養(yǎng)基被從培養(yǎng)容器中抽出到分餾柱中，該分餾柱垂直排列以使得收獲過(guò)程最大化。 隨著培養(yǎng)基填充并流經(jīng)塔室，它被帶入來(lái)接觸小氣泡柱。氣泡與光合微生物(生物質(zhì))、蛋白質(zhì)、細(xì)菌污染物和其他物質(zhì)交互作用并攜帶它們到氣泡形成泡沫的柱頂部。分餾培養(yǎng)基可在柱中循環(huán)以用于進(jìn)一步分離或被抽出，優(yōu)選回到培養(yǎng)容器中。收集泡沫體，然后壓縮成液體作進(jìn)一步處理。壓縮物含有收獲的生物質(zhì)。多種絮凝劑可用于提高該過(guò)程。典型的絮凝劑包括殼聚糖、氯化鐵和明礬?？梢肽承┥矬w來(lái)產(chǎn)生它們自己的絮凝劑。
合適的分餾塔能夠提取培養(yǎng)基中的光合微生物和其他有機(jī)化合物。這個(gè)行為旨在收獲培養(yǎng)產(chǎn)品以及通過(guò)去除有害污染物來(lái)提高培養(yǎng)基的質(zhì)量。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，使用泡沫分餾也可以提高培養(yǎng)基中的溶解氧。
泡沫分餾過(guò)程的組成部分是引入表面活性劑。通常外源性表面活性劑可被添加到分餾過(guò)程前的培養(yǎng)基中?；蛘邇?nèi)源性表面活性劑可通過(guò)光合微生物生產(chǎn)。例如，角毛藻已知能夠生產(chǎn)和排出可用于泡沫分餾過(guò)程的表面活性劑，特別是當(dāng)系統(tǒng)置于應(yīng)力下時(shí)，特別是養(yǎng)分應(yīng)力時(shí)。優(yōu)選地，通常在收獲前約一小時(shí)，將應(yīng)力施加到收獲前的生長(zhǎng)培養(yǎng)物中。 當(dāng)需要時(shí)，使用外源性表面活性劑添加到用于培育排出表面活性劑的光合微生物的培養(yǎng)基中，這是可預(yù)期的。
優(yōu)選地，泡沫分餾過(guò)程至少為80%、90%、95%、98%或99%有效地從培養(yǎng)基中去除培養(yǎng)的光合微生物。過(guò)程中的重要控制變量包括氣泡的大小、空氣流速、細(xì)胞密度、溢出高度和運(yùn)行時(shí)間。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，無(wú)法實(shí)現(xiàn)徹底清除或滅菌培養(yǎng)基，以至于返回到培養(yǎng)容器中的分餾培養(yǎng)基包含足夠量的光合微生物來(lái)補(bǔ)充培養(yǎng)物進(jìn)行下一輪的生產(chǎn)。如有需要，外源量的光合培養(yǎng)基可添加到分餾的培養(yǎng)基中。有必要讓優(yōu)選的菌株占優(yōu)勢(shì)地生長(zhǎng)的另外營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和其它組分，也可在分餾培養(yǎng)基返回培養(yǎng)容器之前或之后加入。在返回培養(yǎng)容器之前，分餾的培養(yǎng)基可經(jīng)受空化。
在另一個(gè)實(shí)施方式中，培養(yǎng)基直接分流(shunted)到提取步驟中而沒(méi)有泡沫分溜。
徹 在目前所描述的發(fā)明中，可使用允許想要的組分能夠從餾份中有效分離的任何提取方案。優(yōu)選地，應(yīng)用到移動(dòng)液體流以使其能夠進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程的提取方法是優(yōu)于靜態(tài)間歇過(guò)程的，因?yàn)檫B續(xù)化生產(chǎn)方法大大降低了生產(chǎn)成品生物燃料或其他產(chǎn)品的成本。
提取技術(shù)的選擇將在很大程度上取決于培養(yǎng)物中光合微生物的性質(zhì)。有機(jī)壁的微藻適合己烷溶劑和酶提取。然而，硅質(zhì)壁的微藻(硅藻)令其自己的細(xì)胞壁非常不易溶。此外硅質(zhì)創(chuàng)造了物理上強(qiáng)韌和化學(xué)惰性的保護(hù)層，因?yàn)榧?xì)胞壁無(wú)法被酶攻擊。硅藻如角毛藻的硅質(zhì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)使很多細(xì)胞破碎技術(shù)得以使用，該技術(shù)從分餾過(guò)程中收獲的培養(yǎng)生物中釋放油和脂質(zhì)，允許高質(zhì)量的硅質(zhì)(硅藻土)分離。優(yōu)選的細(xì)胞破碎技術(shù)是水動(dòng)力空化，其可有效地適用于有機(jī)壁和硅質(zhì)壁的光合生物。
空化是通過(guò)迅速移動(dòng)的固體如螺旋槳或高強(qiáng)度聲波在液體中形成部分真空而形成的。部分真空用于破裂光合微生物。許多不同的水動(dòng)力空化技術(shù)在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的。例如，美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?12/144，539，題為 “APPARATUS AND METHOD FOR GENERATINGCAVITATIONALFEATURES IN A FLUID MEDIUM(用于在流體介質(zhì)中產(chǎn)生空化特征的裝置和方法)，，；美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?，題為"ELECTROHYDRAULIC AND SHEARCAVITATION RADIAL COUNTERFLOff LIQUID PROCESSOR(電動(dòng)液壓和剪力空化輻射逆流液體處理器)”；美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?12/167，516，題為"APPARATUS AND METHOD FOR PRODUCING BIODIESEL FROMFATTY ACID FEEDSTOCK (脂肪酸原料生產(chǎn)生物柴油的裝置和方法)”和美國(guó)專利5，810，052、 5，931，771,5, 937，906,5, 971，601,6, 012，492,6, 502，979,6, 802，639,6, 857，774 和 7，207，712都教導(dǎo)了各種水動(dòng)力空化設(shè)備，并且所有這些的全部?jī)?nèi)容都納入本文作為參考。
在優(yōu)選的實(shí)施方式中，使用了用于創(chuàng)造流體中水動(dòng)力空化的裝置。通常，該裝置包括在室下游部分之一內(nèi)具有各個(gè)部分和多個(gè)擋板的流通室。設(shè)置該一個(gè)或多個(gè)擋板，使其可移動(dòng)地進(jìn)入室的上游部分，以便從每個(gè)移動(dòng)進(jìn)入到室上游部分的擋板產(chǎn)生水動(dòng)力空化區(qū)域下游。
在另一優(yōu)選實(shí)施方式中，使用了用于建立流體中的動(dòng)力空化的磁脈沖裝置。
空化(液體中氣體或蒸氣填充氣泡的形成、生長(zhǎng)和內(nèi)爆塌陷)可有重大的化學(xué)和物理效應(yīng)。雖然聲空化(即聲化學(xué)和聲致發(fā)光)的化學(xué)效應(yīng)近年來(lái)得到了廣泛的研究，但有關(guān)液體的旋渦流中創(chuàng)造的水動(dòng)力空化的化學(xué)后果知之甚少。
水動(dòng)力空化是由液體流中的局部壓力下降導(dǎo)致的在液體流內(nèi)或在流線體 (streamlined body)的邊界形成空化氣泡和空腔。在液體運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，如果在某些點(diǎn)的壓力降低到這樣的數(shù)量級(jí)，在這個(gè)數(shù)量級(jí)下液體達(dá)到這個(gè)壓力下的沸點(diǎn)(“冷沸騰”)，然后形成大量的蒸氣填充腔和氣泡。蒸氣填充腔和氣泡被稱為空化腔和空化氣泡。只要蒸氣填充氣泡和腔與流體一起移動(dòng)，它們?nèi)缓缶瓦M(jìn)入加壓區(qū)。然后，幾乎瞬間，在腔和氣泡內(nèi)發(fā)生蒸氣冷凝，它們塌陷，造成非常大的壓力沖量(impulse)。塌陷空化氣泡內(nèi)壓力沖量的規(guī)?？赡苓_(dá)到150，000psi。這些高壓內(nèi)爆的結(jié)果就是形成從每個(gè)塌陷空化氣泡點(diǎn)散發(fā)的沖擊波。這種高沖擊負(fù)荷導(dǎo)致塌陷空化氣泡附近發(fā)現(xiàn)的任何介質(zhì)的解體。懸浮體中固液顆粒相分離邊界附近的空化氣泡塌陷導(dǎo)致懸浮體顆粒的解體擴(kuò)散過(guò)程發(fā)生。液-液型相分離邊界附近的空化氣泡塌陷導(dǎo)致分散相液滴的解體空化過(guò)程發(fā)生。因此，來(lái)自塌陷的空化氣泡和腔中的動(dòng)能的使用在我們的空化過(guò)程中用來(lái)從微藻中提取脂質(zhì)和消毒培養(yǎng)基以再次使用。
空化攪拌器-勻漿機(jī)反應(yīng)器運(yùn)行原理 在其最簡(jiǎn)單的形式中，基本空化由流經(jīng)室和位于入口的空化發(fā)生器組成?？栈l(fā)生器的形狀顯著影響了空化流的特性，并相應(yīng)地影響分散的質(zhì)量。最佳的空化發(fā)生器設(shè)計(jì)在多級(jí)空化器中選擇。一般情況下，空化發(fā)生器以下面的方式工作。在壓力Pi下，待處理的組分流利用流經(jīng)室入口的輔助泵進(jìn)料。此外，液流在空化發(fā)生器周圍流動(dòng)，之后，由于局部壓力收縮，形成了空化腔。腔與它的尾部包括許多氣泡。空化氣泡流與流經(jīng)室的出口的液流進(jìn)入加壓區(qū)P2。在這個(gè)區(qū)域，空化氣泡塌陷，導(dǎo)致對(duì)懸浮體中的乳液液滴、顆粒或總顆粒產(chǎn)生動(dòng)態(tài)影響。
然而，在我們的方法中使用精確計(jì)算的工程設(shè)計(jì)來(lái)最大化多級(jí)水動(dòng)力學(xué)空化運(yùn)行的物理原理。
多級(jí)空化的優(yōu)勢(shì) 獨(dú)立于其運(yùn)行的物理原理，得到的粒徑取決于分散過(guò)程中一個(gè)主要參數(shù)-空化反應(yīng)器和空化泵中能量耗散水平。反應(yīng)器空化室中能源耗散水平越高，任何給定培養(yǎng)基中能夠達(dá)到的粒徑越小。
優(yōu)選的多級(jí)水動(dòng)力空化反應(yīng)器能達(dá)到最小的粒徑?？栈磻?yīng)器能源耗散水平主要取決于空化氣泡領(lǐng)域中三個(gè)重要參數(shù)空化氣泡的大小、分散介質(zhì)中它們的體積濃度和塌陷區(qū)的壓力。基于這些參數(shù)，控制反應(yīng)器中的空化規(guī)律并實(shí)現(xiàn)要求的分散質(zhì)量是有可能的。
在上面的例子中，空化氣泡的體積濃度為10%的等級(jí)，這通?？梢栽诳栈磻?yīng)器中濃度水平低端取得。通過(guò)改變反應(yīng)器中空化的類型，將領(lǐng)域中氣泡體積濃度由10%改變至60%，并將它們的大小從10改變至1000微米是有可能的。在大量空化氣泡塌陷的過(guò)程中，形成的水平非常高的能量耗散允許空化混合泵和多級(jí)水動(dòng)力學(xué)反應(yīng)器產(chǎn)生非常小的粒徑和非常均勻的粒徑分布。其結(jié)果是在500psi的操作壓力下產(chǎn)生，使得每天運(yùn)行操作的設(shè)備是安全的。
對(duì)生物柴油的轉(zhuǎn)化應(yīng)用來(lái)說(shuō)，水動(dòng)力兩級(jí)空化過(guò)程是分子水平上的反應(yīng)器組件組合。反應(yīng)器內(nèi)的所有組件都受到高壓脈沖和先進(jìn)的控制水動(dòng)力空化的影響。當(dāng)水動(dòng)力反應(yīng)器中所需的組件用來(lái)加工植物油時(shí)，隨著微型爆炸，脂肪酸分子破裂成碎片；它導(dǎo)致粘度下降，十六烷值增加，以及生產(chǎn)的燃料的能量參數(shù)提高。酯化反應(yīng)的速度和質(zhì)量也顯著增加。
水動(dòng)力空化技術(shù)可被用于將多種有機(jī)油轉(zhuǎn)化為生物柴油。通常植物油如花生油、 棕櫚油、大豆油等經(jīng)歷酯交換反應(yīng)生產(chǎn)生物柴油。以上討論的空化技術(shù)可用于利用這些植物油生產(chǎn)成生物柴油。生物柴油可單獨(dú)使用(BIOO)，與石油生產(chǎn)的柴油混合使用(如B99)， 和/或與其他添加劑混合使用，以提高生物燃料的質(zhì)量。
優(yōu)選地，這里所描述的空化技術(shù)用于提取由培養(yǎng)的光合微生物生產(chǎn)的油，并將它轉(zhuǎn)化成生物柴油和其它組合物如甘油。這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是它消除了對(duì)其它提取過(guò)程所需的收獲和脫水步驟的需求。在一個(gè)實(shí)施方式中，培養(yǎng)基的很大一部分是直接經(jīng)歷空化，該空化破壞微藻細(xì)胞結(jié)構(gòu)并從微藻細(xì)胞中提取油和其它組分。包括微藻油、微藻細(xì)胞生物質(zhì)與收獲的培養(yǎng)基的所得的培養(yǎng)基流經(jīng)到用于分離的分離過(guò)程。
水動(dòng)力提取使得能夠由微藻油生產(chǎn)低成本生物燃料，因?yàn)樗苋菀准傻浇?jīng)濟(jì)的和持續(xù)的過(guò)程中。使用10加侖/分鐘反應(yīng)器的水動(dòng)力提取成本約為每加侖處理流體 $0. 002，這比收獲、脫水和現(xiàn)有的提取技術(shù)結(jié)合的替代方案的成本低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。新的更高的流速反應(yīng)器設(shè)計(jì)將大大降低成本。此外，水動(dòng)力提取不需要加入并隨后去除昂貴的添加劑或化學(xué)品。水動(dòng)力提取也為微藻油生產(chǎn)加強(qiáng)了硅藻的采用。
iM 應(yīng)用到連續(xù)移動(dòng)流中的使連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程得以實(shí)現(xiàn)的分離方法優(yōu)于靜態(tài)間歇過(guò)程， 因?yàn)檫B續(xù)生產(chǎn)方法大大降低了生產(chǎn)生物燃料成品或其他產(chǎn)品的成本。
分離是一種包括油、水和懸浮有機(jī)固體的流出物的各個(gè)組分被分離進(jìn)入不同分流進(jìn)行額外處理或處置的過(guò)程。在提取后的光合生物處理中，所產(chǎn)生的培養(yǎng)基由海藻油、包括水和養(yǎng)分的培養(yǎng)基、以及來(lái)自細(xì)胞和細(xì)胞膜的有機(jī)物質(zhì)組成。對(duì)于每個(gè)組成都需要分離，理由如下-在這種硅藻二氧化硅的情況下，藻類油進(jìn)行額外處理并轉(zhuǎn)化成生物燃料產(chǎn)品、用于消毒和回收的生長(zhǎng)培養(yǎng)基、以及用于處置或進(jìn)行潛在的轉(zhuǎn)售的有機(jī)物質(zhì)。
分離過(guò)程使用斯托克斯定律(Stokes Law)，以便基于它們的密度和規(guī)模來(lái)定義油滴上升速度來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。分離器的設(shè)計(jì)是基于油和污水之間的比重差異，因?yàn)檫@種差異大大小于懸浮固體和水之間的比重差異。基于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，大部分的懸浮固體會(huì)沉淀在分離器的底部作為沉積層，油將上升到分離器頂部，污水將在頂部的油和底部固體之間的中間層。
在優(yōu)選的實(shí)施方式中，分離過(guò)程應(yīng)用于連續(xù)移動(dòng)流中，并消除了對(duì)耗時(shí)解決方案的需求。
在另一優(yōu)選實(shí)施方式中，分離單元由靜水加壓浮選擋板(HPFB)組成。混合物進(jìn)入 HPFB單元，在那里建立起薄層(laminar)和正弦流并且油沖擊在浮選擋板表面上。隨著油積累，它們凝聚成較大的液滴，上升通過(guò)浮選擋板直到它們達(dá)到頂部，在那里它們分離并上升到水表面。同時(shí)，固體遇到浮選擋板并向下滑入到收集盆(或?yàn)V污器，catch basin)中。
處理、富集和回收 分離后，組分之一將成為保留的生長(zhǎng)培養(yǎng)基。該生長(zhǎng)培養(yǎng)基包括水、養(yǎng)分、細(xì)菌和有害的光合生物。在典型的生產(chǎn)系統(tǒng)中，生長(zhǎng)培養(yǎng)基由于添加的養(yǎng)分而被視為未消毒的和潛在有害的，其將被處置。然而，這是昂貴的和潛在環(huán)境不友好的。
在本發(fā)明中，生長(zhǎng)培養(yǎng)基在連續(xù)移動(dòng)流中進(jìn)行處理、富集和回收，并使得來(lái)自第一輪空化產(chǎn)生的脂質(zhì)和生物質(zhì)經(jīng)歷隨后的幾輪的空化，并產(chǎn)生生物柴油和甘油產(chǎn)品。例如，參見美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?2/167，516，其披露了從脂肪酸生產(chǎn)生物柴油。分餾的培養(yǎng)基可分流回到培養(yǎng)容器中。此外，如上所述，培養(yǎng)基可直接經(jīng)受空化而跳過(guò)泡沫分離步驟?？栈腿コa(chǎn)品組分(例如脂質(zhì))后，培養(yǎng)基返回到培養(yǎng)體系中。該培養(yǎng)基經(jīng)過(guò)處理和消毒以消除細(xì)菌和不需要的光合生物，加入更多的養(yǎng)分并注入生長(zhǎng)培養(yǎng)基中，并將富集的生長(zhǎng)培養(yǎng)基流回入培養(yǎng)體系中。
在優(yōu)選的實(shí)施方式中，使用紫外光結(jié)合水動(dòng)力空化用于處理、富集和回收培養(yǎng)基。 通過(guò)校準(zhǔn)空化氣泡、流量和內(nèi)爆力的大小，使用結(jié)合于獨(dú)特的水動(dòng)力空化性能的紫外光來(lái)殺死細(xì)菌和其他有害光合生物。進(jìn)行同樣的校準(zhǔn)用于將補(bǔ)充養(yǎng)分分解成納米大小的顆粒， 使它們注入到生長(zhǎng)培養(yǎng)基中以獲得更均勻的分布。這種均勻分布有增加培養(yǎng)產(chǎn)量的潛在優(yōu)勢(shì)。
處理、富集和回收過(guò)程消除了與典型系統(tǒng)相關(guān)的高昂處理成本，并通過(guò)回收水和仍在生長(zhǎng)培養(yǎng)基中未用的養(yǎng)分來(lái)提供附加的成本節(jié)約。
生物燃料的制備 生物燃料是任何燃料，其來(lái)源于生物源一最近活著的生物或它們的生物代謝產(chǎn)物如光合生物的脂肪酸。生物燃料可進(jìn)一步定義為來(lái)源于生物體代謝產(chǎn)物的燃料。優(yōu)選的生物燃料包括但不限于生物柴油、生物質(zhì)原油、乙醇、丁醇和丙烷。
典型的脂肪酸包括飽和脂肪酸以及不飽和脂肪酸。飽和脂肪酸不含有任何雙鍵或其他官能團(tuán)。不飽和脂肪酸含有具有碳-碳雙鍵的兩個(gè)或多個(gè)碳原子。飽和酸包括硬脂酸 (C18 ;18:0)、棕櫚酸(palmitic acid) (C16 ； 160)、肉豆蔻酸(C14 ；14:0)和月桂酸(C12 ； 12:0))。不飽和酸包括如亞麻酸(順，順，順C18 ；18:3)、亞油酸(順，順C18 ；18:2)、油酸 (順 C18 ； 18:1)、棕櫚酸(hexadecanoic acid)(順，順 C16 ； 16:2)、棕櫚油酸(順 C16 ；16:1) 和肉豆蔻油酸(順C14;14:l)的那些酸。
據(jù)了解，中鏈(C10-C14)和/或長(zhǎng)鏈(大于C16)脂肪酸(天然合成羧酸)的熱和催化裂解，結(jié)合于分離和純化技術(shù)，可以生產(chǎn)適合用于作為燃料或混合燃料的化學(xué)品混合物， 尤其作為如柴油、煤油、航空渦輪燃油和車用汽油燃料的組分。從生物質(zhì)獲得燃料的方法的例子描述在美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?1/824，644中(METHOD FOR COLD STABLE BIOJET FUEL(7令穩(wěn)定生物噴射燃料的方法))，將其納入本文作為參考。美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?1/8 ，644描述了在濁點(diǎn)低于-io°c下由生物質(zhì)生產(chǎn)燃料的方法。本發(fā)明描述了可產(chǎn)生短鏈羧酸和羧酸酯的方法同時(shí)還生產(chǎn)適用于燃料或混合燃料的物質(zhì)。短鏈羧酸和羧酸酯生產(chǎn)與燃料或燃料產(chǎn)品相結(jié)合提供了采用裂解參數(shù)的一個(gè)設(shè)置時(shí)不僅生產(chǎn)一種而是兩種有益產(chǎn)品的能力。
在裂解過(guò)程中，使用能源來(lái)斷裂碳-碳鍵。一旦斷裂，每個(gè)碳原子終止于單個(gè)電子和自由基。自由基反應(yīng)可以產(chǎn)生各種產(chǎn)品。可通過(guò)利用高壓和/或高溫有催化劑(催化裂解)或無(wú)催化劑(熱裂解)來(lái)實(shí)現(xiàn)有機(jī)大分子斷裂成更小、更有用的分子。此前有研究表明，利用熱或催化裂解，中鏈(C10-C14)和長(zhǎng)鏈(大于C16)脂肪酸(天然合成羧酸)對(duì)裂解過(guò)程來(lái)說(shuō)是相容的。這些技術(shù)已用于以前的發(fā)明和研究中來(lái)改變生物柴油的化學(xué)組成。 然而，它們并沒(méi)有被用于生產(chǎn)商業(yè)質(zhì)量的短鏈羧酸和/或酯。
生物質(zhì)(包括脂質(zhì)和脂肪酸的原料)通過(guò)披露的連續(xù)培養(yǎng)方法進(jìn)行生產(chǎn)。生物質(zhì)可使用多種方法“斷裂”，優(yōu)選空化。斷裂過(guò)程的產(chǎn)品取決于呈現(xiàn)在裂解反應(yīng)器中的裂解條件、生物質(zhì)的原始組成和氣體環(huán)境?；谠敿?xì)的化學(xué)分析，改變裂解條件以便生產(chǎn)短鏈羧酸和燃料組分的最佳混合物。
由于較低的壓力、溫度或停留時(shí)間的要求，催化劑可用于提高想要的產(chǎn)品的產(chǎn)量， 減少不需要產(chǎn)品的形成，或提高裂解反應(yīng)效率。催化劑包括但不限于分子篩，碳，稀有金屬如鈀、鈮、鉬、鉬、鈦、鋁、鈷、金及其混合物。
裂解輸出經(jīng)歷多種依賴于產(chǎn)生的物質(zhì)的處理和純化步驟。來(lái)自裂解反應(yīng)器的輸出取決于采用的具體反應(yīng)器設(shè)計(jì)。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，從光合生物產(chǎn)生的脂質(zhì)、或其酯交換衍生物被加熱到300°C至500°C溫度范圍內(nèi)，在裂解反應(yīng)器中，壓力在真空條件至3000psia的范圍內(nèi)，在可以包含惰性氣體例如氮?dú)?、水蒸氣、氫氣、氣相有機(jī)化學(xué)品混合物或任何其他氣態(tài)物質(zhì)的氣態(tài)環(huán)境存在下，停留時(shí)間從1至180分鐘的范圍內(nèi)來(lái)影響裂解反應(yīng)，該反應(yīng)能夠改變裂解反應(yīng)器的化學(xué)組分含量。留在裂解反應(yīng)器(裂解產(chǎn)物)中的蒸氣進(jìn)行下游加工(downstream processing)，其可包括冷卻和部分冷凝、汽/液分離、副產(chǎn)物化學(xué)品提取通過(guò)溶劑萃取或其他化學(xué)/物理性質(zhì)操作、原位反應(yīng)、蒸餾或閃蒸分離來(lái)產(chǎn)生可接受的運(yùn)輸燃料如航空渦輪燃料或柴油燃料。留在反應(yīng)器中的液體和固體(殘留物)進(jìn)行下游加工，其可包括冷卻或加熱、液/固分離、汽/液分離、汽/固分離和副產(chǎn)物化學(xué)品通過(guò)溶劑萃取或其他化學(xué)/ 物理性質(zhì)操作來(lái)產(chǎn)生可以接受的燃料副產(chǎn)物或副產(chǎn)品。由裂解產(chǎn)物或殘留物分離出來(lái)的未反應(yīng)和部分反應(yīng)物質(zhì)可回收到裂解反應(yīng)器中，發(fā)送到其他裂解反應(yīng)器或用于其他過(guò)程。
提供下面的例子來(lái)說(shuō)明但不限制本發(fā)明。
實(shí)施例1 角毛藻的培養(yǎng)和收獲 角毛藻來(lái)源 將下述的肥料混合料添加到在夏威夷近海瀉湖或潮池環(huán)境中收集的未過(guò)濾海水中。將空氣通入海水中鼓泡。兩到三天內(nèi)，微藻的混種花將在水中成長(zhǎng)。在微藻花建立至少1. OX IO5細(xì)胞/ml之后，開始實(shí)施下述的經(jīng)營(yíng)方法。三至五天后，得到的藻類培養(yǎng)物至少為99%的角毛藻。
培養(yǎng)物經(jīng)營(yíng)方法 每天，日落一小時(shí)后去除約20%的培養(yǎng)物體積并替換為天然海水。在添加新海水后，將下述的肥料混合料添加到培養(yǎng)物中。培養(yǎng)物使未過(guò)濾的空氣鼓泡上升通過(guò)水體底部的培養(yǎng)物。PH控制器會(huì)打開一個(gè)電磁閥，這時(shí)pH上升到高于8. 2，以允許二氧化碳鼓泡通過(guò)培養(yǎng)物，直至PH低于8. 1，這時(shí)將二氧化碳流體關(guān)閉。用于培養(yǎng)物中的光路最小6英寸、 最大3英尺。不用控制培養(yǎng)物的溫度，每天將達(dá)到35°C或以上。
可以使用仵何培養(yǎng)器 使用各種各樣的培養(yǎng)容器，從6"深的方池到5英尺深直徑為18"的圓筒。在各類的培養(yǎng)容器中角毛藻微藻可以保持作為主導(dǎo)物種。光路越短，達(dá)到的細(xì)胞密度越高。在 6"深的一升玻璃缸中達(dá)到8-9X IO6細(xì)胞/ml的最高細(xì)胞密度，其中玻璃缸置于室外在夏威夷熱帶的陽(yáng)光下而沒(méi)有溫度控制。這些培養(yǎng)物中的溫度將達(dá)到35°C以上。
由于培養(yǎng)技術(shù)是不依賴于任何類型的培養(yǎng)容器，該技術(shù)可以很容易地?cái)U(kuò)展到較大規(guī)模的池中。
fl巴料混合料 一種改進(jìn)的Guillard' s f/2混合料加入到培養(yǎng)物中。這包括做出如下改變的下表中的標(biāo)準(zhǔn)配方。初始氮濃度至少3. Omg N/升，初始磷濃度至少2.75mg P/升，初始維生素B12濃度至少5微克/升，初始氯化鐵濃度至少0. 3mg/升，初始硫酸銅濃度至少0. Olmg/ 升，初始硅酸鹽濃度至少IOmgSiO2/升，以及Na2EDTA濃度5mg/升。
標(biāo)準(zhǔn)Guillard' s f/2配料表。為了培養(yǎng)硅藻，另外的Na2SiO3是必要的。

權(quán)利要求
1.一種用于連續(xù)培養(yǎng)、收獲、和提取光合微生物的方法，包括a)在促進(jìn)光合微生物繁殖到所需密度的條件下，在生長(zhǎng)培養(yǎng)基中培養(yǎng)所述光合微生物以及其中的光合微生物；b)將水相中的部分所述培養(yǎng)基流進(jìn)油提取過(guò)程，同時(shí)留下部分所述培養(yǎng)基在培養(yǎng)容器中進(jìn)行自接種；c)從所述培養(yǎng)基過(guò)程的連續(xù)水流中，通過(guò)破裂細(xì)胞膜并釋放油來(lái)提取所述光合微生物中的油；d)從提取的所述培養(yǎng)基的連續(xù)水流中分離藻油、可回收培養(yǎng)基、和來(lái)自提取的所述培養(yǎng)基中的生物質(zhì)；e)將水相中的所述可回收培養(yǎng)基流入處理和富集過(guò)程；f)從所述可回收培養(yǎng)基的連續(xù)水流中，處理和富集所述可回收培養(yǎng)基，作為新培養(yǎng)基進(jìn)行再利用；g)將水相中的新生長(zhǎng)培養(yǎng)基流入所述培養(yǎng)容器；以及h)重復(fù)步驟a)至g)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述培養(yǎng)容器相對(duì)于外界環(huán)境是封閉或開放的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述光合微生物是海洋硅藻。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中，所述海洋硅藻為角毛藻種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述培養(yǎng)基通過(guò)添加選自由a_g組成的組中的一種物質(zhì)或其組合進(jìn)行優(yōu)化，其中a.形成氮濃度至少為3.Omg N/升的氮；b.形成磷濃度至少為2.75mg P/升的磷；c.形成維生素B12濃度至少為5毫克/升的維生素B12；d.形成氯化鐵濃度至少為0.3mg/升的氯化鐵；e.形成硫酸銅濃度至少為0.Olmg/升的硫酸鐵；f.形成硅酸鹽濃度至少為IOmgSiO2/升的硅酸鹽；以及g.形成Na2EDTA濃度為5mg/升的Na2EDTA。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述培養(yǎng)容器經(jīng)受陽(yáng)光。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述培養(yǎng)容器經(jīng)受人工光源。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，在達(dá)到大約M小時(shí)的生長(zhǎng)時(shí)，將所述培養(yǎng)基流入提取步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，在流入提取步驟前，使在連續(xù)流中的所述培養(yǎng)基澄清。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，使用水動(dòng)力空化提取所述微藻油。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中，所述水動(dòng)力空化通過(guò)使用多級(jí)空化室實(shí)現(xiàn)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中，所述水動(dòng)力學(xué)空化通過(guò)使用磁脈沖空化實(shí)現(xiàn)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中，所述脂質(zhì)經(jīng)受一輪額外的空化來(lái)進(jìn)行酯交換生成生物柴油。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，通過(guò)添加養(yǎng)分和CO2處理和富集所述可回收培養(yǎng)基， 然后通過(guò)水動(dòng)力空化處理，再然后通過(guò)紫外光處理。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，通過(guò)添加養(yǎng)分和CO2處理和富集所述可回收培養(yǎng)基， 然后通過(guò)水動(dòng)力空化處理，再然后通過(guò)紫外光處理。
16.一種用于生產(chǎn)生物燃料的方法，包括a)收獲根據(jù)權(quán)利要求1的方法的原料，其中所述原料是一種或多種脂肪酸；b)使用水動(dòng)力空化分餾所述原料來(lái)生產(chǎn)脂質(zhì)；以及c)將所述脂質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物燃料。
17.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中，所述脂質(zhì)經(jīng)歷一輪額外的空化來(lái)進(jìn)行酯交換生成生物柴油。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于連續(xù)培養(yǎng)、收獲、和油提取藻類培養(yǎng)物以生產(chǎn)藻油的系統(tǒng)。
文檔編號(hào)C12M3/00GK102186966SQ200980139296
公開日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2009年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月4日
發(fā)明者馬里奧·C·拉赫 申請(qǐng)人:凱生物能公司