生物精煉系統(tǒng)、其構(gòu)件、使用方法以及來源于其的產(chǎn)品的制作方法
【專利摘要】本公開內(nèi)容的實施方案提供了用于在生物精煉系統(tǒng)中從生物質(zhì)產(chǎn)生能量和輸出產(chǎn)品的系統(tǒng)、構(gòu)件、方法。所述系統(tǒng)、構(gòu)件和方法可單獨使用或作為集成生物精煉系統(tǒng)的部分組合地使用。
【專利說明】生物精煉系統(tǒng)、其構(gòu)件、使用方法以及來源于其的產(chǎn)品
[0001]相關(guān)申請的交叉參考
[0002]本申請要求2011年I月19日提交的臨時申請N0.61/434353的利益，將所述臨時申請的公開內(nèi)容通過引用明確地以其整體并入本文。背景
[0003]世界各地日益擴(kuò)大的工業(yè)化和日益增加的人口持續(xù)產(chǎn)生不斷增加的對能源、食物和飲用水的需要，然而同時增加廢物和潛在地改變氣候的溫室氣體的產(chǎn)生。在本領(lǐng)域有充分證據(jù)表明，對化石燃料的歷史依賴性變得越來越不可靠和/或處理其廢棄副產(chǎn)品的成本變得越來越高。類似地，常規(guī)大規(guī)模農(nóng)業(yè)實踐和日益增加的工業(yè)廢物流出的存在已降低了土壤營養(yǎng)物水平，并且不利地影響了天然和人工水供應(yīng)，所有這一切削弱了我們?yōu)槲覀兊纳鐣a(chǎn)生可持續(xù)的營養(yǎng)食物供給。
[0004]因此，鑒定和產(chǎn)生用于產(chǎn)生可再生能源的替代來源的方法以及用于捕獲溫室氣體，增加土壤活力和修復(fù)水供應(yīng)的方法的需要和努力在本領(lǐng)域有詳盡記錄。
[0005]概述
[0006]提供了本概述以便以簡化形式介紹在下面“詳述”部分中進(jìn)一步說明的概念的選擇。本概述無意鑒定要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵特征，也無意用于幫助確定要求保護(hù)的主題的范圍。
[0007]根據(jù)本公開內(nèi)容的一個實施方案，提供了生物精煉系統(tǒng)。該系統(tǒng)通常包括光生物反應(yīng)器系統(tǒng)、厭氧生物反應(yīng)器系統(tǒng)和用于包含光生物反應(yīng)器系統(tǒng)的至少一部分和厭氧生物反應(yīng)器系統(tǒng)的至少一部分的外殼，其中所述外殼具有用于生長植物生命的環(huán)境。
[0008]根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個實施方案，提供了在溫室系統(tǒng)中生長植物生命的方法。該方法通常包括:形成外殼，其中外殼的至少一部分被構(gòu)造來用于接受太陽能；將光生物反應(yīng)器系統(tǒng)的至少一部分置于外殼中；和將厭氧生物反應(yīng)器系統(tǒng)的至少一部分置于外殼中。
[0009]根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個實施方案，提供了用于生長藻類集落的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)。該系統(tǒng)通常包括廢氣來源；管道系統(tǒng)，其包括多個被構(gòu)造來消耗廢氣以生長藻類集落的管道；和用于從管道的至少一個排出藻類集落的閥門系統(tǒng)，其中多個管道的每一個位于閥門系統(tǒng)附近。
[0010]根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個實施方案，提供了生長藻類集落的方法。該方法通常包括提供具有管道系統(tǒng)(包括多個管道)的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)；將廢氣遞送至藻類集落；和在藻類集落達(dá)到預(yù)定集落密度后，使用閥門系統(tǒng)排出藻類集落，其中多個管道的每一個位于閥門系統(tǒng)附近。
[0011]根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個實施方案，提供了用于捕獲廢氣以產(chǎn)生能量的生物精煉系統(tǒng)。系統(tǒng)通常包括被構(gòu)造來消耗纖維質(zhì)生物質(zhì)以產(chǎn)生能量的生物質(zhì)熱解裝置；和被構(gòu)造來消耗來自生物質(zhì)熱解裝置的廢氣以生長藻類集落的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)。
[0012]根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個實施方案，提供了捕獲二氧化碳的方法。該方法通常包括從生物質(zhì)熱解系統(tǒng)獲得二氧化碳；和將二氧化碳導(dǎo)向藻類集落以進(jìn)行消耗。
[0013]根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個實施方案，提供了土壤再生產(chǎn)品。該產(chǎn)品通常包括約2:1至約40:1的碳氮比以及約0.5至約7.0%的鉀含量。
[0014]根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個實施方案，提供了土壤再生產(chǎn)品。該產(chǎn)品通常包括在約2:1于約40:1的范圍內(nèi)的碳氮比；和第二構(gòu)件，其選自約0.5至約7.0%的范圍內(nèi)的鉀含量、約0.15至約1.3%的范圍內(nèi)的硫含量、約0.5至約6.8%的范圍內(nèi)的鈣含量、約100至約350mg/L的范圍內(nèi)的錳含量、約0.4至約2.0%的范圍內(nèi)的氮含量、約0.4至約1.5%的范圍內(nèi)的磷含量、約0.5至約18%的范圍內(nèi)的鈉含量、約84至約233.lmg/L的范圍內(nèi)的鋅含量、約600至約2500mg/L的范圍內(nèi)的鐵含量、約5至約150mg/L的范圍內(nèi)的硼含量及其組合。
[0015]根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個實施方案，提供了修復(fù)水的方法。該方法通常包括使用生物質(zhì)熱解裝置產(chǎn)生有機(jī)碳產(chǎn)物；和使用該有機(jī)碳產(chǎn)物過濾含有第一水平雜質(zhì)的水，以產(chǎn)生含有第二水平雜質(zhì)的水，其中第二水平的雜質(zhì)低于第一水平的雜質(zhì)。
[0016]根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個實施方案，提供了生物精煉系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)通常包括生物過程；和多個用于控制生物精煉系統(tǒng)的多個構(gòu)件的自主體(autonomousagent),其中多個自主體之一為管理體(governing agent)。
[0017]附圖概述
[0018]當(dāng)與附圖相結(jié)合時，通過參考下列詳細(xì)描述，本公開內(nèi)容的前述方面和許多伴隨的有利方面將變得更容易理解，同樣地變得更好理解，其中
[0019]圖1是根據(jù)本公開內(nèi)容的一個實施方案的生物精煉系統(tǒng)的示意圖，包括光生物反應(yīng)器系統(tǒng)、厭氧反應(yīng)器系統(tǒng)、生物質(zhì)熱解系統(tǒng)和能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)；
[0020]圖2-4是根據(jù)本公開內(nèi)容的實施方案的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)的管道的各種實施方案的視圖；
[0021]圖5是根據(jù)本公開內(nèi)容的一個實施方案的多管道光生物反應(yīng)器系統(tǒng)的頂視圖；
[0022]圖6A和6B是用于圖5的多管道光生物反應(yīng)器系統(tǒng)的選擇器閥的透視圖；
[0023]圖7是圖5的多管道光生物反應(yīng)器系統(tǒng)的側(cè)橫斷面視圖；
[0024]圖8A和8B是用于例如圖5的多管道光生物反應(yīng)器系統(tǒng)的選擇器閥和回水系統(tǒng)(water return system)的替代性實施方案的各自的頂視圖和側(cè)視圖；
[0025]圖9是在根據(jù)本公開內(nèi)容的一個實施方案的厭氧生物反應(yīng)器系統(tǒng)中進(jìn)行的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化工藝的工藝流程圖；
[0026]圖10是根據(jù)本公開內(nèi)容的一個實施方案的厭氧生物反應(yīng)器系統(tǒng)的示意圖；
[0027]圖1lA是根據(jù)本公開內(nèi)容的一個實施方案的溫室系統(tǒng)的示意圖；
[0028]圖1lB是根據(jù)本公開內(nèi)容的一個實施方案的示例性溫室系統(tǒng)的透視圖；
[0029]圖12是根據(jù)本公開內(nèi)容的一個實施方案的生物質(zhì)熱解系統(tǒng)的側(cè)橫斷面視圖；
[0030]圖13是多生物質(zhì)熱解系統(tǒng)的生物質(zhì)上樣系統(tǒng)的側(cè)視圖；
[0031]圖14是根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個實施方案的生物精煉系統(tǒng)的示意圖，包括光生物反應(yīng)器系統(tǒng)、厭氧反應(yīng)器系統(tǒng)、熱能源和能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)；和
[0032]圖15-19是根據(jù)本公開內(nèi)容的實施方案的生物精煉系統(tǒng)的各種控制系統(tǒng)的示意圖。
[0033]詳述
[0034]本公開內(nèi)容的實施方案提供了用于在大體上的閉環(huán)系統(tǒng)中從生物質(zhì)產(chǎn)生能量和輸出產(chǎn)品的系統(tǒng)、構(gòu)件和方法。所述系統(tǒng)、構(gòu)件和方法可單獨使用或作為集成生物精煉系統(tǒng)的部分組合使用。
[0035]參閱圖1，顯示了根據(jù)本公開內(nèi)容的生物精煉系統(tǒng)100中的構(gòu)件相互關(guān)系的一個實施方案。生物精煉系統(tǒng)100通常包括生物質(zhì)熱解系統(tǒng)102、光生物反應(yīng)器系統(tǒng)104和厭氧生物反應(yīng)器系統(tǒng)106。生物精煉系統(tǒng)100還可包括能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)108，例如，用于將甲烷轉(zhuǎn)化成電。
[0036]任選的溫室110可被構(gòu)造來包含系統(tǒng)100中的一個或多個構(gòu)件并且提供生長植物生命的環(huán)境。例如，在舉例說明的實施方案中，溫室110經(jīng)設(shè)計為包括光生物反應(yīng)器系統(tǒng)104和厭氧生物反應(yīng)器系統(tǒng)106。雖然在圖1中顯示為完整的系統(tǒng)100，但應(yīng)當(dāng)理解，本公開內(nèi)容的實施方案可涉及系統(tǒng)100中顯示的一個或多個單獨的構(gòu)件。
[0037]本公開內(nèi)容的生物精煉系統(tǒng)(例如圖1中看到的)及其構(gòu)件可用于許多工業(yè)和應(yīng)用，例如期望處理天然或人造生物質(zhì)或生物質(zhì)廢物包括木質(zhì)生物質(zhì)廢物的任何地方。就此而言，輸入系統(tǒng)的物質(zhì)是生物質(zhì)，特別地木質(zhì)生物質(zhì)，包括廢棄木材和薪材、澳洲堅果殼、雜草、秸桿等。產(chǎn)生此類生物質(zhì)的適當(dāng)?shù)墓I(yè)和應(yīng)用的非限定性實例可包括大牧場、農(nóng)場和其它農(nóng)業(yè)應(yīng)用包括例如澳洲堅果農(nóng)場；產(chǎn)生庭院廢棄物和/或食物廢棄物的地方社區(qū)；鋸木廠、造紙廠以及其它木材加工廠；其中天然存在的生物質(zhì)的處理成問題的熱帶氣候的工業(yè)和社區(qū)等。
[0038]系統(tǒng)的輸出物可包括土壤再生產(chǎn)品例如肥料、土壤調(diào)理劑(soil amendment)和土壤再生產(chǎn)品。因此，根據(jù)本公開內(nèi)容的實施方案，有用的工業(yè)和應(yīng)用包括期望獲得高等級、高營養(yǎng)密度的有機(jī)土壤再生產(chǎn)品的社區(qū)和工業(yè)。因此，本公開內(nèi)容的實施方案的特征還在于用于產(chǎn)生對于有機(jī)植物培養(yǎng)和其它農(nóng)業(yè)應(yīng)用有用的土壤再生產(chǎn)品的組合物、方法和工具。
[0039]本文中描述的生物精煉系統(tǒng)有能力用作仿生系統(tǒng)，模仿自然界中的生物系統(tǒng)間的，特別地生態(tài)群落中物種間的持續(xù)的適應(yīng)性通訊。在生態(tài)群落中，成員物種響應(yīng)環(huán)境的變化隨時間連續(xù)地調(diào)整和修正行為以維持群落內(nèi)輸入物和輸出物的總體平衡。在生物精煉系統(tǒng)中，光生物反應(yīng)器、厭氧生物反應(yīng)器、熱解裝置和溫室空間包括作為生物精煉系統(tǒng)的生態(tài)群落內(nèi)的構(gòu)件或“物種”。生物精煉系統(tǒng)包括自主控制系統(tǒng)，其能夠(I)連續(xù)感知和交流系統(tǒng)中每一個構(gòu)件以及整個系統(tǒng)的當(dāng)前行為，和(2)根據(jù)需要連續(xù)修正和調(diào)整構(gòu)件行為和系統(tǒng)行為，以推進(jìn)系統(tǒng)的輸入物和輸出物的變化。控制系統(tǒng)能夠發(fā)現(xiàn)用于平衡輸入物和輸出物的新的方法和組合，其從系統(tǒng)構(gòu)件的行為學(xué)習(xí)，正如生態(tài)群落隨時間進(jìn)化一樣。下面詳細(xì)描述的生物精煉結(jié)構(gòu)將特定生態(tài)群落的成員緊密地拉近，并且下面詳細(xì)描述的控制系統(tǒng)加速了在生態(tài)群落中天然發(fā)生的通訊。除了提供產(chǎn)生產(chǎn)品而無不想要的廢物的系統(tǒng)外，該系統(tǒng)還加速了天然產(chǎn)物的產(chǎn)生。在自然界中，樹要花費約400年來降解和再碳化土壤，天然過程要花費約1，000年來產(chǎn)生I英寸土壤。如下文中詳細(xì)地描述的，生物精煉系統(tǒng)可在30-50天內(nèi)產(chǎn)生天然的有機(jī)的碳化的土壤和土壤產(chǎn)品。
[0040]定義
[0041]在更詳細(xì)地描述圖1的生物精煉系統(tǒng)100之前，提供針對生物精煉系統(tǒng)100的各種構(gòu)件、過程、輸入物和輸出物的定義。
[0042]如本文中所使用，術(shù)語〃生物精煉〃或〃生物處理器(bioprocessor) 〃描述了集成一個或多個生物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程和設(shè)備以從生物質(zhì)產(chǎn)生燃料、功率、熱和其它較高附加值化學(xué)品或副產(chǎn)品的設(shè)施。
[0043]如本文中所使用，術(shù)語〃生物質(zhì)〃描述了來自活的或最近活的生物體的生物材料，包括但不限于由植物或其它光合生物體產(chǎn)生的所有物質(zhì)，包括植物物質(zhì)；木材；木材廢棄物；林業(yè)廢棄物，包括死亡的樹、樹枝和樹樁；庭院剪取物；木屑；食品廢棄物；藻類或藻類消化污泥；光合微生物及其消化污泥。生物質(zhì)還可包括木質(zhì)纖維質(zhì)生物質(zhì)。
[0044]如本文中所使用，術(shù)語〃木質(zhì)纖維素生物質(zhì)〃包括任何植物生物質(zhì)，所述植物生物質(zhì)包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，包括但不限于農(nóng)業(yè)廢物例如玉米秸桿或收獲后留在田中的其它植物材料殘渣；專用生物質(zhì)能源作物；木材殘渣例如鋸木廠和造紙廠廢棄物以及森林凋落物；和廢紙。
[0045]如本文中所使用，術(shù)語〃光合生物反應(yīng)器〃或〃光生物反應(yīng)器〃或“PBR"描述用于培養(yǎng)藻類(包括微藻)和/或其它光能自養(yǎng)生物或光合微生物以固定二氧化碳和/或產(chǎn)生富含碳的生物質(zhì)的系統(tǒng)。有用的生物包括但不限于硅藻類和藍(lán)藻細(xì)菌(也稱為藍(lán)綠藻)、小球藻屬(Chlorella)、螺旋藻屬(Spirulina)、布朗葡萄藻(Botryococcus braunii)、鹽生杜氏藻(Dunaliella tertiolecta)、江蘺屬(Graciaria)、顆石藻(Pleurochrysiscarterae)和馬尾藻屬(Sargassum),在數(shù)以萬計的目前已知存在的種類中僅舉幾例。在優(yōu)選實施方案中，藻類或其它光合微生物可以是固氮種類。
[0046]本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，有用的光合微生物，包括微藻，可包括生長在當(dāng)?shù)靥烊换蛉嗽斐靥林幸约皬钠涫占囊衙幕蛭疵姆N類。在一個實施方案中，在生物質(zhì)例如木質(zhì)纖維素生物質(zhì)存在的情況下將有用的光合微生物培養(yǎng)在PBR中。在另一個實施方案中，在用過的啤酒糟或啤酒花固體或類似的發(fā)芽的谷類組合物存在的情況下培養(yǎng)微生物。在另一個實施方案中，在生物碳或有機(jī)碳存在的情況下培養(yǎng)微生物。在另一個實施方案中，在巖石或晶體(無論是完整的還是粉碎為巖石粉末或巖鹽)存在的情況下培養(yǎng)微生物以提供微量營養(yǎng)物例如礦物質(zhì)和痕量元素。
[0047]如本文中所使用，術(shù)語〃厭氧生物反應(yīng)器〃或"ABR"描述了生物質(zhì)消化污泥處理或系統(tǒng)。示例性ABR生物質(zhì)原料可包括下列的一種或多種:PBR的輸出物；食品廢棄物；和水處理廠污泥和/或泥漿。根據(jù)本公開內(nèi)容的實施方案設(shè)計的ABR可包括用于生物質(zhì)原料的厭氧消化以產(chǎn)生有價值的液體和固體生物能產(chǎn)品的一個或多個階段。
[0048]在一個實施方案中，ABR生物質(zhì)原料是藻類原料，ABR輸出物可包括如下產(chǎn)品的一種或多種:甲烷、氫、二氧化碳、富氮液體消化污泥，在本文中稱為消化污泥液(digestateliquor)，包含適合于使用農(nóng)業(yè)土壤調(diào)理劑或肥料的高等級有機(jī)含氮土壤再生產(chǎn)品；和富含營養(yǎng)物的藻類消化污泥固體。如果原料包括不適合用于農(nóng)業(yè)的材料例如來自處理廠的污泥或泥漿，則消化污泥液和消化污泥固體可用作非農(nóng)業(yè)土壤調(diào)理劑，例如以重建森林土壤或用于市政種植或其它園藝應(yīng)用。ABR甲烷和氫輸出物可作能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的原料，所述能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可用于將甲烷和/或氫轉(zhuǎn)換成以電的形式存在的能量。二氧化碳可用作光生物反應(yīng)器系統(tǒng)104的營養(yǎng)物原料。
[0049]如本文中所使用，術(shù)語〃溫室〃描述了包含PBR和ABR系統(tǒng)的至少部分的環(huán)境或系統(tǒng)?？勺顑?yōu)化溫室中的條件以用于生長分離的植物生命，與PBR和ABR系統(tǒng)的功能分開。
[0050]如本文中所使用，術(shù)語〃生物質(zhì)氣化器〃或〃生物質(zhì)熱解系統(tǒng)〃描述了用于在氧不存在的情況下在升高的溫度熱化學(xué)分解有機(jī)材料或生物質(zhì)的系統(tǒng)。輸出物為在本文中稱為“生物碳”、“有機(jī)碳”(因為其已被分解為基本上元素碳)、〃炭〃和〃活性炭〃的多孔穩(wěn)定的富含碳的產(chǎn)品。生物碳或有機(jī)碳是富含碳含量的用于將碳捕獲并鎖在土壤中的穩(wěn)定的多孔固體，在本領(lǐng)域也稱為大氣碳捕捉和貯存。
[0051]如本文中所使用，術(shù)語〃有機(jī)碳熱解系統(tǒng)〃描述了本公開內(nèi)容的生物質(zhì)熱解裝置或生物質(zhì)氣化器的一個實施方案。有機(jī)碳熱解裝置中的熱解的溫度可變化。例如，在一個實施方案中，生物碳或有機(jī)碳成分通過在至少800° F的溫度熱解產(chǎn)生。在另一個實施方案中，有機(jī)碳成分通過在低于1，000° F的溫度熱解產(chǎn)生。在另一個實施方案中，用于本公開內(nèi)容的有機(jī)碳成分通過在800-900° F的溫度范圍熱解產(chǎn)生。
[0052]如可在圖1中看到的，收集根據(jù)來自本公開內(nèi)容的實施方案的有機(jī)碳熱解系統(tǒng)102的輸出物，將其用于閉環(huán)過程。在具體的實施方案中，合成氣(syngas)和生物燃油輸出物，包括氫和甲烷，用于(I)給氣化過程本身提供動力，和/或(2)包含用于能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的原料；以及將CO2和NOx輸出物提供給PBR作為用于藻類集落生長的營養(yǎng)源。在另一個實施方案中，通過閉環(huán)過程將由有機(jī)碳熱解裝置產(chǎn)生的熱的一部分作為熱源提供給PBR。在另一個實施方案中，凝結(jié)水蒸汽輸出物，將其用作用于如下的至少一個的回收水源=(I)PBR系統(tǒng)106 ； (2) PBR系統(tǒng)106和/或溫室系統(tǒng)110的水加熱系統(tǒng)/冷卻系統(tǒng)；和(3)植物培養(yǎng)的灌溉源。有機(jī)碳熱解裝置的有用原料包括但不限于任何木質(zhì)生物質(zhì)，包括木材廢棄物和薪材、澳洲堅果殼、雜草、秸桿等。
[0053]下面提供了單個裝置、生物精煉系統(tǒng)和產(chǎn)生的高附加值生物能輸出物的描述，以及示例性非限定性實例，所述描述(I)顯示了本文中描述的構(gòu)件和系統(tǒng)在本公開內(nèi)容的方法中的適合性，和(2)提供了如何產(chǎn)生和使用所述構(gòu)件和系統(tǒng)的描述。
[0054]生物精煉系統(tǒng)概述
[0055]參閱圖1，顯示了示例性捕獲碳生物精煉系統(tǒng)100中的成員裝置的相互關(guān)系。生物精煉系統(tǒng)的功能的關(guān)鍵是在整個閉環(huán)過程中高效地利用其各種構(gòu)件輸出物的能力，從而使得系統(tǒng)基本上負(fù)排碳的(carbon-negative)。
[0056]圖1中描述的生物精煉系統(tǒng)100消耗例如通過生物質(zhì)熱解系統(tǒng)102中的生物質(zhì)的熱解產(chǎn)生的廢熱和二氧化碳。廢熱和二氧化碳支持富含能量的生物質(zhì)例如藻類的培養(yǎng)以及其至有用形式的轉(zhuǎn)化。此類系統(tǒng)理想地適合于可用作運輸、農(nóng)場設(shè)備的燃料或轉(zhuǎn)化成電能的甲烷和氫的產(chǎn)生。圖1中顯示的系統(tǒng)100被設(shè)計為不產(chǎn)生廢物；相反地，其副產(chǎn)品是有價值的高等級、高營養(yǎng)密度的有機(jī)土壤再生產(chǎn)品，例如肥料、土壤調(diào)理劑和土壤再生產(chǎn)品。
[0057]圖1中顯示的生物精煉系統(tǒng)的單個構(gòu)件將單獨地描述。在已描述構(gòu)件后，將更詳細(xì)地描述示例性生物精煉系統(tǒng)中的單個構(gòu)件之間的相互關(guān)系。
[0058]光生物反應(yīng)器
[0059]參閱圖2，顯示了光生物反應(yīng)器系統(tǒng)200的示例性實施方案。光生物反應(yīng)器本質(zhì)上是光合微生物的生長裝置。圖2的示例性實施方案中的光生物反應(yīng)器200包括管道202和混合系統(tǒng)，其包括混合裝置204和分割器(divider) 206。管道202盛水，從而提供其中可培養(yǎng)和收獲光合微生物的含水環(huán)境?；旌涎b置204被構(gòu)造來循環(huán)微生物以增強(qiáng)環(huán)境混合和微生物生長。
[0060]光合微生物將陽光和二氧化碳轉(zhuǎn)化成富含碳的聚合物例如糖、淀粉和油，使它們成為理想的天然的碳捕獲劑。在生長期后，富含碳的聚合物隨后可被消化和修正，以產(chǎn)生許多高附加值生物燃料，包括生物柴油和其它有用的燃料。作為非限定性實例，微生物是藻類或微藻的一個或多個種類。作為另一個非限定性實例，微生物可包括其它非藻類光合微生物例如光合細(xì)菌，例如藍(lán)藻細(xì)菌(也稱為藍(lán)綠藻類)。在一個實施方案中，用于本文中描述的方法的微生物可包括固氮種類。
[0061]在本文公開內(nèi)容中為簡化起見，光合微生物通常在本文中稱為“藻類”，即使適當(dāng)?shù)墓夂衔⑸锟砂ㄐ袨槿缭孱惖募?xì)菌。藻類的功用以及如何生長藻類和將產(chǎn)物轉(zhuǎn)化成生物燃料的一般描述在本領(lǐng)域被詳盡記錄。如上所述，本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)用于示例性工作系統(tǒng)的適當(dāng)?shù)墓夂衔⑸锓N類包括硅藻類和藍(lán)藻細(xì)菌、小球藻屬、螺旋藻屬、布朗葡萄藻、鹽生杜氏藻、江蘺屬、顆石藻和馬尾藻屬等。
[0062]不同的藻種類具有不同的生長要求，給定的種類可具有不同的生長要求，取決于白天(或夜晚)的時間和/或一年中的時間、存在于生長環(huán)境中的營養(yǎng)物、礦物質(zhì)和其它構(gòu)件的數(shù)量和質(zhì)量、水溫、日光水平和/或藻類集落的密度。根據(jù)本公開內(nèi)容的實施方案的PBR可提供管理和調(diào)節(jié)生長條件的工具，提供藻類的連續(xù)或定期原料輸入、陽光、二氧化碳和/或其它期望的生長增強(qiáng)劑。
[0063]PBR通常具有用于調(diào)節(jié)水供應(yīng)溫度的工具，因為大多數(shù)藻類具有優(yōu)選生長溫度。如果PBR變得太冷，則藻類的生長變緩；如果其變得太熱，則藻類死亡。PBR，特別是其中藻類生長的管道，可利用任何工具、包括使用從生物精煉系統(tǒng)的一個或多個成員裝置(參見，例如，圖1)提供的廢熱來加熱，這將在下文中更詳細(xì)地描述。示例性光合微生物例如藍(lán)藻細(xì)菌的適當(dāng)溫度范圍在約50F至約120F的范圍內(nèi)，或者在約50F至約85F的范圍內(nèi)，以及或者在約65F至約80F的范圍內(nèi)。
[0064]或者，溫度調(diào)節(jié)可由用熱加熱的或冷卻的空氣或水來提供。在非限定性實例中，可通過生物精煉系統(tǒng)例如，通過使用生物質(zhì)熱解元件的熱輸出物(例如通過水地板輻射系統(tǒng)(hydronic radiant floor system)提供給PBR的)收集和加熱井水或地下水。在另一個實施方案中，液體循環(huán)加熱系統(tǒng)(hydronic system)中使用的水包括從生物質(zhì)熱解系統(tǒng)102收集的冷凝水蒸汽。在另一個非限定性實例中，通過地?zé)峒訜峄蚶鋮s的空氣通過地穴管(earth tube)來提供，所述地穴管利用地球自己的地?zé)崮馨匆笊呋蚪档铜h(huán)境溫度。示例性地穴管550，如下文中更詳細(xì)地描述的，示于圖5的舉例說明性實施方案中。
[0065]返回圖2，舉例說明性實施方案中的管道202大體上是用于生長藻類的矩形水平容器，然而，應(yīng)當(dāng)理解管道可被設(shè)計為垂直的、水平的、管狀構(gòu)型或任何其它適當(dāng)?shù)臉?gòu)型。作為非限定性實例，圖3和4舉例說明了替代性管道設(shè)計，例如分別地具有圓形末端的矩形管道302和梯形管道402。應(yīng)當(dāng)理解，圖3和4中顯示的管道302和402與圖2的管道202基本上相似，除了它們的形狀和流體流動動力學(xué)上具有差異外。除了在300和400系列中外，在圖3和4中使用與圖2中使用的相同的部件編號。
[0066]在圖2的舉例說明性實施方案中，管道202具有中央分割器206，混合裝置204 (顯示為電動衆(zhòng)輪(motorized paddle wheel))位于分割器206的一側(cè)。該構(gòu)型允許管道202中的流體通道圍繞分割器206 (無論是順時針還是反時針，這取決于混合裝置204的旋轉(zhuǎn)方向)。(參見，例如，通過箭頭308和408的各自組描述的圖3和4的舉例說明性實施方案中顯示的流體流動通道)。
[0067]管道202可向一端傾斜以在藻類收獲過程中幫助將管道202中的水排至放泄孔(未顯示)。如下文中更詳細(xì)描述的，可將藻類收獲物排入濃縮罐510(參見圖5和6)。如圖2中所看到的，管道202可包括蓋子214，例如透明的聚碳酸酯蓋子；然而，這樣的蓋子不是必需的，并且開放或部分開放的管道202也在本公開內(nèi)容的范圍內(nèi)。
[0068]具有最小化的死點(dead spot)的管道中的恒定流體流動是理想的，以便產(chǎn)生健康的藻類生長環(huán)境。參閱圖3，管道302已針對流體流動308進(jìn)行了最優(yōu)化，具有消除死點的圓形末端。參閱圖4，在大體上梯形的管道402中，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)具有單個分割器的構(gòu)型在管道402中產(chǎn)生流體流動死點。因此，梯形管道402的流體動力學(xué)通過包括2個分割器406a和406b (在兩個分割器406a和406b之間放置混合裝置404 (顯不為電動衆(zhòng)輪))被改善。在圖4的舉例說明性實施方案中，分割器406a和406b的取向大體上與管道402的側(cè)壁410平行。結(jié)果為在兩個流體通道中流動的混合模式，所述流動始于分割器406a和406b內(nèi)，向外流向管道402的側(cè)壁，如箭頭408所指示的。
[0069]PBR中的混合促進(jìn)了健康藻類生長環(huán)境，并且也可用于收獲PBR中的藻類。在舉例說明性實施方案中，混合通過混合裝置來實現(xiàn)，所述混合裝置可以是漿輪或其它適當(dāng)?shù)幕旌涎b置。應(yīng)當(dāng)理解，可構(gòu)造和控制混合裝置以便以不同的速度(例如穩(wěn)定狀態(tài)和收獲條件)操縱。此外，如果控制系統(tǒng)感知到對混合裝置的摩擦力，則控制系統(tǒng)可控制混合裝置以加速和/或逆轉(zhuǎn)方向一段時間，來打碎PBR中的可堵塞混合裝置的任何材料。在本公開內(nèi)容的一個實施方案中，混合在藻類生長狀態(tài)期間以穩(wěn)定的狀態(tài)進(jìn)行；但在收獲過程中，增加混合以從管道的底部升起藻類沉淀物。
[0070]參閱圖2，管道202還包括用于將二氧化碳、空氣、氮氣和/或其它氣體鼓入管道202的水中的氣體起泡器210。二氧化碳，通常被認(rèn)為是污染物，被用作藻類的營養(yǎng)物。除二氧化碳以外，還可將氮氣和其它氣體鼓入管道202的水中作為藻類的營養(yǎng)物?？蓮囊粋€或多個其它系統(tǒng)例如生物質(zhì)熱解系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、厭氧生物反應(yīng)器系統(tǒng)接收二氧化碳，或從工業(yè)爐子例如木材廠爐子或煤爐接收煙氣。作為一個非限定性實例，營養(yǎng)氣體的一個來源可以是燃燒來自生物質(zhì)熱解系統(tǒng)102(參見圖1)的合成氣輸出物以利用來自這樣的燃燒的能量，隨后將燃燒過的氣體鼓入管道202的水中。除了氣體以外，還可將來自厭氧生物反應(yīng)器的一部分氮肥用作藻類的營養(yǎng)物。
[0071]氣體(例如二氧化碳)和其它營養(yǎng)物經(jīng)起泡器210至管道202的流速的反饋可以是例如管道202中的水的pH并且，如果溫室110 (參見圖1)包含PBR，則可以是二氧化碳水平。這兩個參數(shù)之一或兩者可指示過量或不足的二氧化碳(和其它營養(yǎng)物)被鼓入PBR200。
[0072]根據(jù)本公開內(nèi)容的實施方案設(shè)計的水平管道PBR可以是依賴于太陽能和維持藻類生長的環(huán)境的環(huán)境溫度的大池塘。根據(jù)本公開內(nèi)容的實施方案，熱交換器212可用于調(diào)控管道202的溫度以增強(qiáng)藻類培養(yǎng)。如下文中更詳細(xì)描述的，熱交換器212可被構(gòu)造來利用來自生物精煉系統(tǒng)100的其它構(gòu)件和過程(例如，生物質(zhì)熱解系統(tǒng)102)的不想要的熱輸出物。在一個實施方案中，熱交換器是水輻射加熱系統(tǒng)/冷卻系統(tǒng)的部分。
[0073]控制系統(tǒng)可用于連續(xù)監(jiān)控和調(diào)整多個環(huán)境參數(shù)以使藻類生長速度最大化。例如，可控制熱交換器212以模擬藻類的天然晝夜節(jié)律。通常地，當(dāng)溫度在白晝80° F與夜晚65° F之間變化時，生長速度增加。因為更高的溫度減小氣體在水中的溶解度，所以生長周期可與藻類的天然呼吸周期相關(guān)。
[0074]現(xiàn)參閱圖5，顯示了多重PBR系統(tǒng)104，其包括多個梯形管道402，如可在圖4中看到的。在顯示的多重PBR系統(tǒng)104中，當(dāng)在具有中央藻類收集和濃縮罐520的并行系統(tǒng)中連接多個PBR時，梯形管道設(shè)計被選擇來最優(yōu)化表面積，從而最優(yōu)化PBR系統(tǒng)的容積。然而，應(yīng)當(dāng)理解，矩形管道202和302例如圖2和3中顯示的那些管道還可用于多重PBR系統(tǒng)中。在舉例說明的實施方案中，系統(tǒng)500包括8個管道402 ;然而，應(yīng)當(dāng)理解適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)可利用任意數(shù)目的管道來設(shè)計。
[0075]在舉例說明性實施方案中，以多邊形構(gòu)型構(gòu)造管道402，每一邊具有與閥門系統(tǒng)530相鄰的側(cè)面，如在下文中更詳細(xì)地描述的。
[0076]多重PBR系統(tǒng)的一個有利方面是在生長周期中，在一段時間內(nèi)可收集和濃縮總的系統(tǒng)中的一部分藻類。例如，如果生長周期為約8天，則可這樣設(shè)計系統(tǒng)以便每天可將一個PBR排入收集罐，以提供批式連續(xù)系統(tǒng)。此外，多重PBR系統(tǒng)還允許在系統(tǒng)中進(jìn)行實驗，因為不同的藻類可在單個PBR中生長，和/或可在單個PBR中設(shè)置不同的操作條件以利用藻類不同的生長條件進(jìn)行實驗和最優(yōu)化所述條件。應(yīng)當(dāng)理解，圖5中管道402的構(gòu)型可為溫室110提供基礎(chǔ)，如下文中更詳細(xì)描述的。
[0077]圖5的舉例說明性實施方案中的管道402的取向優(yōu)選傾斜朝向多邊形的中央，以在藻類收獲過程中幫助管道202的排水。在舉例說明性實施方案中，可將管道402排入位于多個管道402的中央的藻類濃縮罐520中。在這一點上，每一個管道402具有從管道導(dǎo)向濃縮罐520的管道排水管522。
[0078]選擇器閥門系統(tǒng)530被構(gòu)造來在任意給定的時間選擇管道排水管之一。參閱圖6A和6B，閥門系統(tǒng)530通常包括外軸532和相對于外軸532旋轉(zhuǎn)的內(nèi)軸534。內(nèi)軸534具有與位于各自的管道排水管522上的外軸532中的孔542對齊的孔540。因此，內(nèi)軸534旋轉(zhuǎn)以將其孔540與管道排水管522對齊來選擇將被收獲的管道402。當(dāng)對齊時，收獲閥544可被活化以允許管道402集落流入濃縮罐520。
[0079]在圖5的舉例說明性實施方案中，6點鐘方向的管道402被選擇，并且通過管道排水管522和閥門530被排入濃縮罐520。如果每一個管道被構(gòu)造來用于在約24小時后收獲，則系統(tǒng)可被構(gòu)造來每8天循環(huán)一次。
[0080]應(yīng)當(dāng)理解，閥門系統(tǒng)530可包括馬達(dá)(未顯示)來相對于外軸532旋轉(zhuǎn)內(nèi)軸534。在本公開內(nèi)容的一個實施方案中，使用霍爾效應(yīng)裝置來索引單個管道排水管522，該裝置可感知到何時內(nèi)軸534中的孔542與管道排水管522中的孔540對齊?；蛘?，馬達(dá)(未顯示)可以是步進(jìn)馬達(dá)，該馬達(dá)經(jīng)編程運行精確的步數(shù)以用隨后的管道排水管522中的孔540索引內(nèi)軸534中的孔542。
[0081]參閱圖7，顯示了 PBR系統(tǒng)104的橫斷面視圖。系統(tǒng)104包括接收從每一個管道402排出的藻類的藻類濃縮罐520，如可在圖5中看到的。箭頭560指示排出物從單個管道402的流動。如上所論述的，舉例說明的PBR系統(tǒng)104被設(shè)計來一次處理一個管道402的排出物。然而，在其它實施方案中，PBR系統(tǒng)104可被構(gòu)造來一次處理超過一個管道402的排出物。當(dāng)放置管道選擇器閥530(參見圖5、6A和6B)以選擇特定管道402時，收獲閥544被打開，從而管道402內(nèi)容物被排出至濃縮罐520中。
[0082]當(dāng)藻類排出物被接收在濃縮罐520中時，不進(jìn)行混合，使收獲物傾析。在這一點上,藻類污泥分離并且沉淀至罐底，同時水升高至罐的頂部,如由濃縮罐520中的各自的線562和564所標(biāo)示的。在舉例說明性實施方案中，泵566通過管570將藻類污泥抽運至收集罐568，隨后通過管572抽運至厭氧生物反應(yīng)器系統(tǒng)106 (參見圖8)以進(jìn)一步加工，這將在下文中進(jìn)一步描述。根據(jù)本公開內(nèi)容的一個實施方案，將收集的藻類收獲物傾析約24小時的時間段。
[0083]在圖7中顯示的系統(tǒng)構(gòu)型中，收集罐568與PBR垂直偏移，從而需要泵來將藻類污泥向上移至收集罐568。然而，應(yīng)當(dāng)理解，在其它系統(tǒng)中，厭氧生物反應(yīng)器位于管道下方，從而不需要泵，重力幫助藻類污泥運行至ABR收集罐。
[0084]傾析后，可將傾析的水再循環(huán)和再用于空管道402中。在這一點上，將傾析泵574位于浮體(float) 576上以漂浮在傾析水位的頂部。在那里，泵574將水通過管580抽運至補(bǔ)水箱(makeup water tank) 578,其通過管道選擇器閥530再充滿管道402的至少一個。除了傾析水以外，外部水來源也可將水通過管580添加至補(bǔ)水箱578。
[0085]在舉例說明性實施方案中，補(bǔ)水箱578置于管道選擇器閥530附近。因此，當(dāng)閥門被打開時，重力將把水從箱578遞送至選擇的管道402。在本公開內(nèi)容的另一個實施方案中，補(bǔ)水箱578可經(jīng)管道選擇器閥530旁邊的另一個管(例如，使用泵和旋轉(zhuǎn)回水管，如圖8中的替代性實施方案中顯示的)用水重新注滿管道402。
[0086]根據(jù)本公開內(nèi)容的實施方案，控制系統(tǒng)可用于控制PBR的功能。例如，控制系統(tǒng)可用于:
[0087]1.調(diào)節(jié)混合裝置(或漿輪)的速度和方向，所述混合裝置使藻類在管道中循環(huán)并且將氣體和營養(yǎng)物混合進(jìn)入管道水。在收獲之前，使?jié){輪速度增加以在打開排水管之前將已沉積至管道底部的藻類帶入懸浮液；
[0088]2.通過起泡器調(diào)節(jié)二氧化碳和氮氣(空氣)的流動和混合；
[0089]3.打開和關(guān)閉排水管，所述排水管將藻類運送至濃縮罐，隨后運送至ABR以進(jìn)行消化；和/或
[0090]4.調(diào)節(jié)熱水通過熱交換器的流動以控制管道溫度。
[0091]圖5中顯示的多重管道PBR系統(tǒng)102的方法將使用多個小的PBR和頻繁地收獲少量(例如，1/8)的總的藻類集落。然而，應(yīng)當(dāng)理解，更大的未調(diào)節(jié)的PBR也可在本公開內(nèi)容的范圍內(nèi)。多個更小的PBR的有利方面是對一系列PBR內(nèi)的生長速度而非單個管道中積累的藻類總量的更大控制，從而提供更大的對系統(tǒng)的需要的敏感性，更大的對系統(tǒng)內(nèi)能量消耗的控制以及更廣泛的對選擇支持集成生物精煉系統(tǒng)的最佳輸出物的方案的選擇。
[0092]返回至圖5，除了液體循環(huán)加熱系統(tǒng)熱交換器外，還可將地穴管550置于管道下方以便也用作PBR的熱交換器。將地穴管管埋在前沿(front line)下面，一個末端在生物精煉外殼(或溫室110)外部,另一個在內(nèi)部。在圖5中,地穴管終止于管道陣列中央的空氣交換區(qū)(未顯示)。在較冷的天氣中，冷空氣通過被動對流被從外部拉入地穴管550，當(dāng)其貫穿地穴管550時，冷空氣被加溫，也使其上方的PBR管道加溫。當(dāng)暖空氣進(jìn)入陣列中央的交換區(qū)時，其上升，加溫溫室110中的環(huán)境空氣(參見圖1和2)，這反過來支持維持最佳PBR生長溫度。溫室110還可具有天花板隔板，其可被激活以有效地降低溫室天花板，從而支持溫室110中環(huán)境空氣的更快速再循環(huán)。溫室110還可具有風(fēng)扇或通風(fēng)系統(tǒng)以便同樣也支持溫室110中環(huán)境空氣的更快速再循環(huán)。
[0093]在較暖和的天氣中，地穴管550中的空氣被地?zé)崂鋮s，并且該過程可被逆轉(zhuǎn)。冷卻的空氣終止于交換區(qū)，推動更暖和的空氣向上并增加循環(huán)和環(huán)境空氣冷卻。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，內(nèi)部地穴管末端可位于地面上，或可垂直地延伸一定距離。
[0094]因此，溫室110下的地用作熱電池或貯熱器。在液體循環(huán)加熱交換系統(tǒng)的情況下，地是由本文中描述的系統(tǒng)中的成員裝置產(chǎn)生的熱輸出物的熱電池。需要時，該熱是可獲得的，用于PBR和溫室本身。
[0095]如上所述，可將另外的試劑添加至管道集落以增強(qiáng)藻類生長。作為非限定實例，適當(dāng)?shù)脑噭┌举|(zhì)纖維素生物質(zhì)、熱解碳(如下文中更詳細(xì)描述的)、來自啤酒生產(chǎn)的廢醪液、發(fā)芽的稻、其它谷物糖化醪液等。將試劑置于管道的轉(zhuǎn)角中的穿孔容器中，例如，就足夠了，因為漿活動將隨時間將材料導(dǎo)入管道。取決于藻類種類、管道容積和試劑組成，試劑的優(yōu)選數(shù)量可變化。作為非限定性實例，對于70平方英尺水深4英寸的管道，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)添加2-4杯試劑對微藻生長具有積極影響，特別地當(dāng)藻類集落包括小球藻屬和/或螺旋藻屬的種類時。
[0096]當(dāng)木質(zhì)纖維素生物質(zhì)例如木屑或有機(jī)碳用作PBR中的試劑時，優(yōu)選改變材料的大小以便其成為以后脫水系統(tǒng)的部分。在這一點上，藻類具有將它們本身附著至纖維質(zhì)或碳材料的傾向性。這樣的附著的有利方面是藻類保持懸浮在管道402中并且具有較小的成簇的傾向。連續(xù)懸浮幫助藻類接收光，從而提高其生長速度。作為對濃縮罐520的另一選擇(圖5中顯示用于分離藻類和水的)，來自管道402的藻類排出物可在控制系統(tǒng)打開排水管522后通過具有孔的大過濾器。在這一點上，可改過濾器的孔的大小以便當(dāng)將水(和一些藻類集落)泵回進(jìn)入PBR以開始新的批次時，大多數(shù)藻類和試劑被保留。將水立即循環(huán)回PBR保持熱并且沖洗更多的來自罐的藻類和纖維素，因為排水管保持開放更長的時間段。
[0097]木材中的木質(zhì)素和半纖維素花費長時間來進(jìn)行厭氧消化，但藻類的高氮含量可用于在消化之前分解木質(zhì)素和半纖維素。將纖維素材料與藻類混合增加了來自ABR的甲烷產(chǎn)率，如在下文中更詳細(xì)描述的。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，與未熱解的纖維質(zhì)材料相比較，藻類也良好附著至熱解碳。此外，將熱解碳作為添加劑在PBR中混合在于ABR中幫助消化中起著重要作用。在這一點上，纖維質(zhì)材料傾向于減緩藻類的消化過程，因為纖維質(zhì)材料也需要被消化，然而，熱解碳因其基本形式而通常不需要消化。
[0098]現(xiàn)將更詳細(xì)地描述PBR系統(tǒng)104的操作，如圖5和7中所看到的。為了起動系統(tǒng)，可用水和藻類充滿管道402，并且可添加其它可選的試劑。水可以例如從藻類濃縮器通過系統(tǒng)再循環(huán)，或通過另一個水源添加至系統(tǒng)。此外，可將纖維質(zhì)生物質(zhì)或木質(zhì)纖維素生物質(zhì)添加至系統(tǒng)作為藻類的營養(yǎng)物。還可添加其它營養(yǎng)物。通過管道起泡器(圖5中未顯示，但看到圖2的舉例說明性實施方案中的起泡器)使二氧化碳起泡。此外，還可使其它氣體例如合成氣、氮氣或空氣起泡。
[0099]接種后，使PBR管道402培養(yǎng)指定的時間段。在該時期中，混合裝置404 (參見圖4)緩慢地且恒定地以約小于IOrpm的速率的非限定性實例混合管道402。如果混合裝置404被阻塞，則用戶或控制系統(tǒng)可檢測阻塞并且提供反向混合或加速混合以破碎阻塞物。
[0100]當(dāng)檢測到藻類生長的明顯下降時，通過控制或在指定的培養(yǎng)時間后，起始收獲順序，將生物質(zhì)移至處理的下一階段。在本公開內(nèi)容的一個實施方案中，管道402被構(gòu)造來準(zhǔn)備在約24小時后進(jìn)行收獲。在本公開內(nèi)容的另一個實施方案中，管道被構(gòu)造來準(zhǔn)備在約I至約8天，更優(yōu)選約3至約8天，更優(yōu)選約5至約8天的范圍內(nèi)進(jìn)行收獲。
[0101]作為非限定性實例，PBR控制系統(tǒng)可被構(gòu)造來感知藻類的密度。當(dāng)密度達(dá)到其中光至管道內(nèi)的穿透減少、導(dǎo)致更慢的生長速度的特定點時，控制系統(tǒng)可打開PBR底部的排水管，增加混合裝置的速度以將藻類從管道402移至濃縮罐520。作為非限定性實例，當(dāng)收獲時，混合裝置可以達(dá)到約30rpm的速度移動。
[0102]脫水后，將大部分分離的液體泵回至PBR中以維持熱度和殘留營養(yǎng)物來開始下一批藻類生長。藻類纖維質(zhì)原料被泵入收集罐568 (參見圖7)以起始ABR的水解階段(有機(jī)聚合物一蛋白質(zhì)、碳水化合物和脂質(zhì)一至有機(jī)單體一氨基酸、糖和脂肪酸的分解)和開始向甲烷、氫和含氮土壤再生產(chǎn)品和肥料產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化。水解是厭氧消化的準(zhǔn)備階段，在厭氧生物反應(yīng)器中進(jìn)行(參見圖1)。
[0103]作為另一個非限定性實例，當(dāng)達(dá)到一定的藻類密度時，PBR控制系統(tǒng)可使混合裝置404停止，停止二氧化碳和氮氣在起泡器中的流動，以及使管道溫度升高至85° F以上。剝奪營養(yǎng)物并且暴露于過熱，藻類開始產(chǎn)生更多脂質(zhì)，此后不久它們開始死亡。
[0104]如果在該狀態(tài)停留I或2天，藻類底物在管道402中開始經(jīng)歷水解。在系統(tǒng)例如圖5中舉例說明的系統(tǒng)中，當(dāng)存在以八邊形陣列排列的多重管道時，不同的管道可具有處于不同生長階段的藻類。因此，通過暫時地使用PBR作為消化過程的一部分，可增加消化速率而不阻礙藻類產(chǎn)生的速度。
[0105]在I或2天后，控制系統(tǒng)將混合裝置404倒轉(zhuǎn)并且以高速運行以將沉積的藻類和纖維素抬升進(jìn)入懸浮液?？刂葡到y(tǒng)隨后打開PBR底部的排水管以將藻類移入收集罐520中以進(jìn)行脫水。將多數(shù)分離的液體抽運回PBR以保留熱和殘留營養(yǎng)物來開始下一批藻類生長。在濃縮罐520中脫水后，可將藻類纖維質(zhì)原料直接泵入ABR的產(chǎn)乙酸階段632(參見圖10)，以完成其向能量產(chǎn)品以及肥料產(chǎn)品和土壤再生產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化。
[0106]厭氧生物反應(yīng)器
[0107]返回至圖1，厭氧生物反應(yīng)器或"ABR"系統(tǒng)106顯示為生物精煉系統(tǒng)100中的構(gòu)件。一般而言，ABR系統(tǒng)被構(gòu)造來使用一個或多個微生物物種來在厭氧環(huán)境中消化有機(jī)材料。有機(jī)原料的選擇和期望的生物能產(chǎn)品輸出物將為使用的厭氧微生物和用于ABR的階段數(shù)目的選擇提供信息。給定的ABR中的階段數(shù)目反映對支持最佳微生物消化的不同局部環(huán)境的需要。
[0108]在圖1的舉例說明性實施方案中，ABR106被構(gòu)造來主要消化藻類原料，所述原料是來自PBR104的輸出物。參閱圖9，提供了藻類原料消化的流程圖，其中甲烷和氫是期望的生物能輸出產(chǎn)品。消化過程始于水解，其為碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)(由塊602、604和606指示)至糖、脂肪酸和氨基酸(由塊608、610和612指示)的轉(zhuǎn)化。水解過程可以例如在管道402 (參見圖5)或收集罐568 (參見圖7)中進(jìn)行。
[0109]水解后，通常將來自水解的材料(即，糖、脂肪酸和氨基酸，由塊608、610和612指示)經(jīng)歷酸生成過程以形成碳酸和醇、氫、二氧化碳和氨，由塊614和616指示?；蛘?，水解和酸生成可同時例如在單個罐中進(jìn)行。
[0110]酸生成后，將來自酸生成的材料(碳酸和醇、氫、二氧化碳和氨，由塊614和616指示)經(jīng)歷產(chǎn)乙酸以形成氫、乙酸和二氧化碳(由塊618指示的)。氫氣可被收集來作為用于能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的能量產(chǎn)品。二氧化碳可被收集來作為用于PBR系統(tǒng)的原料。
[0111]在產(chǎn)乙酸后，將來自產(chǎn)乙酸的材料(藻類消化污泥和乙酸，由塊618指示)輕歷產(chǎn)甲烷作用以形成甲烷和二氧化碳，由塊620指示。可將甲烷氣體收集為用于能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的能量產(chǎn)物。可將二氧化碳收集為用于PBR系統(tǒng)的原料。
[0112]用于消化的有用的良性的和環(huán)境安全的微生物種類是可容易獲得的。具體的微生物產(chǎn)品可包括在輸入原料的消化中進(jìn)行不同步驟的許多細(xì)菌種類。
[0113]產(chǎn)乙酸通常通過3組細(xì)菌進(jìn)行:產(chǎn)乙酸菌(homoacetogen) ； syntrophes和sulphoreductorso不例性種類包括醋酸梭菌(Clostridium aceticum);伍氏醋酸桿菌(Acetobacter woodii)和熱角軍糖梭菌(Clostridium termoautotrophicum)。
[0114]示例性產(chǎn)甲焼細(xì)菌包括嗜熱自養(yǎng)甲焼桿菌(Methanobacterium bryantii)、Methanobacterium formicum、嗜樹甲焼短桿菌(Methanobrevibacter arboriphiIicus)、Methanobrevibacter gottschalki1、Methanobrevibacter ruminantium、Methanobrevibacter smithi1、耐鹽甲焼菌(Methanocalcuius chunghsingensis)、Methanococcoides burtoni1、產(chǎn)甲焼球菌(Methanococcus aeolicus)、Methanococcusdeltae、詹氏甲焼球菌(Methanococcus jannaschii)、海沼甲焼球菌(Methanococcusmaripaludis)、萬氏甲焼球菌(Methanococcus vannielii)、拉布雷亞甲焼粒菌(MethanocorpuscuIum labreanum)、Methanoculleus bourgensis (Methanogeniumolentangyi&布爾日產(chǎn)甲焼菌(Methanogenium bourgense));黑海甲焼袋狀菌(Methanoculleus marisnigri )、Methanofollis Iiminatans ;卡里亞薩產(chǎn)甲焼菌(Methanogenium cariaci)、Methanogenium frigidum、Methanogenium organophilum、Methanogenium wolfe1、運動甲焼微菌(Methanomicrobium mobile)、甲焼嗜熱菌(Methanopyrus kandleri)、嗜酸產(chǎn)甲焼菌(Methanoregula boonei)、甲焼毛狀菌(Methanosaeta concilii)、嗜熱鬟毛甲焼菌(Methanosaeta thermophila)、嗜乙酸甲焼八疊球菌(Methanosarcina acetivorans)、巴氏甲焼八疊球菌(Methanosarcina barkeri)、氏甲焼八疊球菌(Methanosarcina mazei)、Methanosphaera stadtmanae、亨氏甲焼螺菌(Methanospirillium hungatei)、Methanothermobacter defluvii (Methanobacteriumdefluvii)、熱自養(yǎng)甲焼桿菌(Methanothermobacter thermautotrophicus)(嗜熱自養(yǎng)甲焼桿菌(Methanobacterium thermoautotrophicum))、嗜熱彎曲甲焼熱桿 菌(Methanothermobacter thermoflexus)、Methanobacterium thermoflexum、Methanothermobacter wolfei (沃 氏甲焼桿菌(Methanobacterium wolfei))、Methanothrix sochngenii。
[0115]本文中描述的ABR可用于生物精煉系統(tǒng)例如圖1中顯示的生物精煉系統(tǒng)100，或可用作獨立的裝置或用于消化其它原料的其它系統(tǒng)?？墒褂玫钠渌纠栽习ㄎ勰嗷蚰酀{形式水處理廠和/或廢棄物處理廠?；蛘撸峡蓙碜园軌虮粎捬跸挠袡C(jī)廢棄材料的任何工廠、制造廠或工業(yè)。本文中描述的示例性藻類原料可產(chǎn)生適合用于農(nóng)業(yè)應(yīng)用的產(chǎn)品。然而，當(dāng)原料的來源是工業(yè)或市政廢棄物來源時，來自這類原料的產(chǎn)品通常用于非農(nóng)業(yè)應(yīng)用，例如森林補(bǔ)救或非食品園藝應(yīng)用。
[0116]在一些應(yīng)用中，ABR使用具有分布式處理和負(fù)載平衡的較小的罐來減少保留時間和增加通量。在這一點上，ABR系統(tǒng)是可按比例擴(kuò)展的，這樣可按能量和土壤產(chǎn)品需要增長或按有機(jī)原料流體積的增加容易地添加更多的反應(yīng)器階段。
[0117]參閱圖10，顯示了示例性厭氧生物反應(yīng)器系統(tǒng)106。反應(yīng)器使用兩階段消化，產(chǎn)乙酸階段(由罐632指示)和產(chǎn)甲烷階段(由并聯(lián)罐634和636指示)。產(chǎn)乙酸階段中的細(xì)菌將藻類原料分解成被產(chǎn)甲烷階段細(xì)菌用于產(chǎn)生甲烷的前體(圖10中顯示)。應(yīng)當(dāng)理解，添加至厭氧生物反應(yīng)器系統(tǒng)106的原料可以是藻類原料，或可將其與已被添加至PBR中的藻類的添加劑例如纖維質(zhì)材料、熱解碳或醪液混合，如上所論述的。
[0118]返回至圖7，將藻類污泥從藻類濃縮罐520抽運至藻類污泥收集罐568，該收集罐還可用作水解罐以完成消化的第一階段，碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)(由塊602、604和606指示)至糖、脂肪酸和氨基酸(由塊608、610和612指示)的轉(zhuǎn)化，如圖9中顯示的。然而，應(yīng)當(dāng)理解，分開的收集罐和水解罐也在本公開內(nèi)容的范圍內(nèi)。
[0119]在舉例說明性實施方案中，大量的水仍然保留在于離開濃縮罐520的濃縮的原料中，以便可將其從濃縮罐520抽運至收集罐568。
[0120]在原料已被抽運至收集罐568后，生物質(zhì)通過ABR系統(tǒng)104的流動主要由重力驅(qū)動。因為產(chǎn)甲烷階段花費的時間約為產(chǎn)乙酸階段的2倍，因此將兩個產(chǎn)甲烷罐634和636并聯(lián)使用(每一個產(chǎn)乙酸罐632)，以保持該過程連續(xù)運行。產(chǎn)乙酸罐632中的pH傳感器指示將內(nèi)容物從產(chǎn)乙酸罐移至較低的產(chǎn)甲烷罐634或636之一的時間選擇。從上方加載的產(chǎn)甲烷罐634或636也經(jīng)管644將其內(nèi)容物(包含液體和固體肥料)釋放進(jìn)入ABR下方的收集區(qū)(未顯示)。
[0121 ] 溫度控制在ABR系統(tǒng)106中對于藻類或與來自PBR的原料混合物中的纖維素混合的另一種微生物的快速消化是非常重要的。原料至少處于環(huán)境溫度，優(yōu)選，當(dāng)其從PBR移至ABR時變暖。達(dá)到溫暖溫度的環(huán)境是優(yōu)選的，因為產(chǎn)乙酸細(xì)菌傾向于在約70° F工作最佳。脫水過程中存在一定的熱損失，但原料到達(dá)溫暖至足以快速升高溫度的收集罐中。從第一階段的罐產(chǎn)生的熱將原料帶至最佳溫度。每一個罐使用單獨的計算機(jī)控制的熱交換器以按需要維持和改變溫度。
[0122]參閱圖10，原料的路徑由箭頭640、642和644指示。箭頭640顯示原料從收集罐568(其也可以是水解罐)移入產(chǎn)乙酸階段罐632。箭頭642顯示移入右手邊產(chǎn)甲烷階段罐636的產(chǎn)乙酸階段罐6 32的內(nèi)容物。箭頭644顯示移出進(jìn)入肥料加工區(qū)域的右手邊產(chǎn)甲烷階段罐636的內(nèi)容物，在所述肥料加工區(qū)域，液體和固體被分開。來自產(chǎn)乙酸階段罐632的下一個輸出物將移入現(xiàn)在空的右手邊產(chǎn)甲烷階段罐636，同時滿的左手邊產(chǎn)甲烷階段罐634準(zhǔn)備用于卸載其內(nèi)容物。
[0123]多個閥門560、562、564、566和568被用于控制液體原料通過ABR系統(tǒng)106的路徑。閥門優(yōu)選通過智能控制系統(tǒng)受計算機(jī)控制。此外，可凈化甲烷廢氣，從產(chǎn)甲烷階段罐634和636收集其。閥門570和572控制廢氣經(jīng)管676至壓力計(manometer)或空氣壓縮罐674的流動，所述空氣壓縮罐因而被構(gòu)造來經(jīng)管678將甲烷氣供應(yīng)給生物精煉系統(tǒng)100中的其它構(gòu)件。二氧化碳也可以是廢氣，如在舉例說明性實施方案中顯示的，熱交換器680和682可用于控制各種罐632、634和636的溫度。
[0124]ABR的每一個罐的優(yōu)選保留時間如下。
[0125].水解罐:可將原料在約環(huán)境溫度(約70° F至約75° F)至約95° F的范圍內(nèi)的溫度保持達(dá)到約5天。
[0126]?產(chǎn)乙酸階段罐:可將原料在約70° F至約95° F的范圍內(nèi)或約75° F至約90° F的范圍內(nèi)的溫度保持約4-14天，更優(yōu)選約5-10天，更優(yōu)選約5至8天；隨后將其滴入第二階段罐之一，這取決于哪一個罐被最后加載。[0127].左手邊產(chǎn)甲烷階段罐一可將原料在125° F至135° F的溫度，或在約127° F至約133° F的范圍內(nèi)的溫度保持約8-21天，更優(yōu)選約9-18天，更優(yōu)選約10-14天。在約2天的時間內(nèi)將溫度從產(chǎn)乙酸階段的溫度緩慢地上升至更高的范圍。更高的溫度殺死產(chǎn)乙酸細(xì)菌，同時產(chǎn)生對于產(chǎn)甲烷細(xì)菌增殖理想的環(huán)境。
[0128].右手邊產(chǎn)甲烷階段罐一也可將原料在與左手邊第二階段罐相同的溫度保持相同的時間。
[0129]因此，對于單個批次，從水解罐至產(chǎn)甲烷罐的ABR中總的保留時間為約18-40天，優(yōu)選約20天。經(jīng)歷產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷階段(無水解)的保留時間為約13-35天，優(yōu)選約15天。根據(jù)一個方法，產(chǎn)乙酸階段罐具有約5天的保留時間，每一個產(chǎn)甲烷罐的保留時間可錯開約5天，以便當(dāng)一個罐處于高峰甲烷產(chǎn)量時，另一個正在加速產(chǎn)生。當(dāng)產(chǎn)甲烷階段罐之一的生產(chǎn)速率開始減小時，產(chǎn)乙酸階段罐正準(zhǔn)備好再裝滿產(chǎn)甲烷階段罐。
[0130]雖然顯示為分開的水解步驟，但應(yīng)當(dāng)理解，水解步驟可在收獲和脫水功能之前始于PBR中，或可在分開的水解罐中進(jìn)行，如上文中更詳細(xì)描述的。組合和重疊PBR與ABR功能提供了獨特且有用的對已知系統(tǒng)的改善，并且突顯了集成的智能協(xié)同生物精煉系統(tǒng)的價值。
[0131]控制系統(tǒng)被用于調(diào)節(jié)ABR的功能。例如，可利用數(shù)字控制系統(tǒng)(DCS)調(diào)節(jié)溫度、pH、輸入和輸出數(shù)據(jù)以加速藻類纖維質(zhì)原料的消化?？刂葡到y(tǒng)被構(gòu)造來打開和關(guān)閉適當(dāng)?shù)拈y門以在適當(dāng)?shù)臅r間將消化物移動通過系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)還可控制和監(jiān)控來自ABR的產(chǎn)甲烷階段的甲烷氣體至壓力計或用于貯存的氣體壓縮罐中的流動?？杀３趾蛪嚎s收集的甲烷以用于例如遞送至可將其轉(zhuǎn)化成電能的燃料電池(或微型燃?xì)廨啓C(jī))?？刂葡到y(tǒng)可類似地控制和監(jiān)控來自產(chǎn)乙酸階段的氫的流動。
[0132]溫室系統(tǒng)
[0133]在本公開內(nèi)容的一個實施方案中，生物精煉系統(tǒng)是溫室系統(tǒng)。返回圖1，可將PBR和ABR系統(tǒng)104和106包含在大體上密閉的環(huán)境中，以產(chǎn)生可用于生長植物生命的溫室生物精煉系統(tǒng)110。在這一點上，由系統(tǒng)產(chǎn)生的廢熱“驅(qū)動”或加熱溫室本身、為管道提供日光的窗戶和支持藻類在PBR陣列中生長的管道構(gòu)型可被協(xié)同地用作用于生長用于農(nóng)業(yè)和/或園藝應(yīng)用的植物的空間。熱源可包括外部熱源、液體循環(huán)加熱系統(tǒng)或地?zé)嵩础?br> [0134]此外，在該生物精煉中產(chǎn)生的高等級氮肥和高營養(yǎng)密度的土壤再生材料提供了理想的生長底物來產(chǎn)生高質(zhì)量健康的植物。此外,植物生命灌溉水可接收自生物質(zhì)熱解系統(tǒng)102中的回收水，在下文中進(jìn)行了詳細(xì)描述。
[0135]作為實例，可將生物精煉(例如圖1中舉例說明的，在木材或木材加工廠利用工廠和砍伐廢棄物)例如并入閉環(huán)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)回收廢熱和二氧化碳以及系統(tǒng)中的其它輸出物以(I)捕獲碳和廢熱；(2)產(chǎn)生至少約1200kW/日或充足的能量來管理約50-100、優(yōu)選75個家庭的能量需要；和(3)產(chǎn)生提供額外收入流的高附加值副產(chǎn)品，包括富含有機(jī)氮的肥料、有機(jī)高營養(yǎng)密度上層土壤材料、有機(jī)種植的植物和來源于這些植物的食品。
[0136]實施例-溫室系統(tǒng)
[0137]參閱圖11A，顯示了在鋸木廠場所操作的生產(chǎn)規(guī)模的溫室的輸入和輸出的示例性流程圖。5000平方英尺的溫室生物精煉每天可產(chǎn)生的藻類的量為每5天約500加侖的消化污泥。生物質(zhì)熱解系統(tǒng)可每天處理約2至約12噸的生物質(zhì)，這產(chǎn)生每5天約3.5至約20噸的有機(jī)碳。對于平衡的系統(tǒng)，溫室生物精煉將產(chǎn)生每5天約2噸的有機(jī)碳和約500加侖的消化污泥。
[0138]可將甲烷和氫轉(zhuǎn)化成電能，并且可將大部分消化污泥與工廠場所的其它廢棄材料混合以產(chǎn)生高附加值有機(jī)土壤再生產(chǎn)品和/或調(diào)理劑。每5天產(chǎn)生2凈噸有機(jī)碳和500加侖消化污泥的單個GPH的組合能量輸出為約連續(xù)產(chǎn)生的250千瓦(約0.9MBTU/hr)。
[0139]兆瓦的連續(xù)電能可通過增加每天產(chǎn)生的有機(jī)碳的量來獲得。輸入物與輸出物的平衡可通過提供額外的熱解輸出物作為其它過程的原料來維持。例如，可將額外的有機(jī)碳用于生物過濾池反應(yīng)器，可將額外的二氧化碳提供給垃圾填埋場或肥堆以加速消化?；蛘撸蓪⒍鄠€生物精煉的系統(tǒng)建在一起以容納額外的熱解輸入物。生物精煉的多邊形結(jié)構(gòu)使得能夠容易地產(chǎn)生例如6個單元的模塊群。
[0140]溫室系統(tǒng)110可使用低溫(〈120° F)熱和地?zé)嵯到y(tǒng)來驅(qū)動過程。在這一點上,熱交換器和液體循環(huán)加熱系統(tǒng)(包含地?zé)峋?或回收的工藝用水)可用于使PBR中的藻類保溫以及保持ABR中的厭氧消化在最佳溫度。
[0141]參閱圖11B，顯示了示例性溫室的建造。溫室經(jīng)設(shè)計具有八邊形基底和具有一個或多個配置有窗戶以接收太陽能的側(cè)面。
[0142]生物質(zhì)熱解系統(tǒng)
[0143]參閱圖12,顯示了示例性生物質(zhì)熱解系統(tǒng)102的示意圖。熱解產(chǎn)生大量的熱并且餾出可用作驅(qū)動熱解過程的燃料的烴類(例如，以合成氣的形式存在)?；蛘?，或此外，由生物精煉系統(tǒng)100 (例如，ABR系統(tǒng)106)中的其它構(gòu)件產(chǎn)生的一些甲烷可用于起始熱解。一旦烴類開始流動，它們就可用于驅(qū)動過程。
[0144]如可在圖12中看到的，熱解系統(tǒng)102包括用于接收生物質(zhì)的入口 710(顯示為原料儲料漏斗)。在舉例說明性實施方案中，熱解系統(tǒng)102是具有內(nèi)部熱解室720和圍繞內(nèi)部熱解室720的外部排氣室722的同心圓筒式系統(tǒng)。在室720與722之間，熱解系統(tǒng)102可包括金屬隔壁來分隔小室。
[0145]當(dāng)接收時，例如使用旋轉(zhuǎn)螺旋(rotating auger) 726將生物質(zhì)原料從原料儲料漏斗710移至熱解室720。在熱解室720中，將生物質(zhì)加熱以餾出烴類，有時在本領(lǐng)域稱為〃合成氣"。合成氣是包括產(chǎn)生合成天然氣的過程中的中間類型的氣體混合物(從而，其昵稱“合成氣”)。樣品合成氣組分通常包括甲烷、CO(—氧化碳)、二氧化碳、氫以及有時氮氣和Nox氣(其可以是名義上的)，并且可包括痕量的雜質(zhì)元素如硫。
[0146]熱解室720可被分成2個區(qū)域:預(yù)熱區(qū)730和焦化區(qū)(char zone) 732?？蓪㈩A(yù)熱區(qū)730維持在約180° F至約700° F的溫度范圍內(nèi)，優(yōu)選約200F至約600F的范圍內(nèi)。預(yù)熱區(qū)730中的溫度可通過焦化區(qū)732中的加熱裝置734 (如下文中更詳細(xì)描述的)，或通過單獨的加熱裝置(未顯示)來維持。
[0147]預(yù)熱區(qū)730的主要目的是加熱除去可被截留在原料生物質(zhì)中的，在212F蒸掉的任何水份。水和其它蒸發(fā)的組分在出口 736處被收集，并且經(jīng)管738輸送至系統(tǒng)740以凝縮、洗滌和壓縮水和來自熱解室720的其它排氣(例如，但不限于合成氣、生物燃油和醇，如下文中描述的)。水可被回收并且用于生物精煉系統(tǒng)100的其它系統(tǒng)，例如，如PBR系統(tǒng)104的管道402中的水或如在溫室系統(tǒng)110中用于植物生命的灌溉水。
[0148]因此，將原料在預(yù)熱區(qū)730中干燥，以準(zhǔn)備進(jìn)入焦化區(qū)732。在焦化區(qū)732中，預(yù)熱的生物質(zhì)原料被加熱至在約600F至約1200F，更優(yōu)選約700F至約850F的范圍內(nèi)的溫度。在非限定性實例中，焦化區(qū)732被構(gòu)造來加熱至約800F，進(jìn)行約15至約20分鐘。在另一個實施方案中，微生物。加熱可通過位于焦化區(qū)732的加熱裝置734(顯示為一系列燃燒爐)來實現(xiàn)。添加至加熱裝置734的原料氣可包括例如來自生物精煉系統(tǒng)100中的其它構(gòu)件的甲烷或氫、從熱解室720收集的生物燃油和醇，或其它可燃?xì)怏w來源。將來自加熱裝置734的排氣收集在圍繞內(nèi)部熱解室720的外部排氣室722中。排氣可包括二氧化碳和其它廢氣，并且流可被定向遞送至PBR系統(tǒng)104作為用于藻類集落的原料。
[0149]在焦化區(qū)732中，將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成生物焦碳或有機(jī)碳。合成氣在出口 742處被收集并且經(jīng)管744輸送至冷凝器、洗滌器和壓縮機(jī)系統(tǒng)740。在那里，生物燃油、醇和水可被濃縮、洗滌和分離?？捎糜跒橄到y(tǒng)加熱裝置734供以燃料的任何構(gòu)件可經(jīng)管746被送至與輸入甲烷在管748和甲烷支持閥752處組合為原料氣，隨后經(jīng)管750至加熱裝置734。進(jìn)氣還可經(jīng)與管750組合的管752和進(jìn)氣閥754導(dǎo)向加熱裝置734。在另一選擇中，未被送至加熱裝置734的過量氣體可經(jīng)流量控制閥756轉(zhuǎn)向至發(fā)電機(jī)或鍋爐或經(jīng)管754轉(zhuǎn)向至生物精煉系統(tǒng)100的另一個系統(tǒng)。
[0150]在螺旋鉆726將生物質(zhì)移動通過熱解室720中的預(yù)熱和焦化區(qū)730和732后，螺旋鉆726將有機(jī)碳移至冷卻區(qū)760，其中一個或多個熱交換器762收集來自生物質(zhì)的熱。通過熱交換器762收集的熱可被導(dǎo)至ABR系統(tǒng)106 (參見圖1)或總的生物精煉系統(tǒng)100中的另一個系統(tǒng)。隨后將冷卻的有機(jī)碳從熱解系統(tǒng)102取出，作為輸出物。
[0151]取決于熱解系統(tǒng)102的尺寸，可收集充足的熱來為生物精煉系統(tǒng)100和鋸木廠提供能量，例如包括操作工廠的窯爐。每日加工6-30噸生物質(zhì)完全在本文中描述的系統(tǒng)的范圍內(nèi)。系統(tǒng)100是負(fù)排碳的并且當(dāng)碳立法通過時，還可使利用提煉廠的工業(yè)場地取得進(jìn)一步退稅和碳抵減交易鼓勵的資格。
[0152]現(xiàn)將更詳細(xì)地描述生物質(zhì)熱解系統(tǒng)102的操作。開始時，系統(tǒng)102可使用遞送至加熱裝置734的丙烷或甲烷來起始過程。作為非限定性實例，甲烷可以是來自ABR系統(tǒng)106的輸出產(chǎn)物?；蛘?，可使用外部來源例如丙烷。
[0153]當(dāng)生物質(zhì)熱解系統(tǒng)102產(chǎn)生足夠體積的合成氣來支持熱解過程時，系統(tǒng)可由合成氣或通過合成氣的組合來提供能量。來自氣體燃燒的廢氣可被排出、冷卻和抽運通過PBR氣體起泡器系統(tǒng)，作為用于藻類的原料。
[0154]通過打開加熱裝置734，焦化區(qū)732溫度上升并且加熱圍繞熱解室720的排氣室722。這繼而加熱預(yù)熱區(qū)730，從而升高生物質(zhì)原料的溫度，驅(qū)除以水蒸汽形式存在的水份，如上所述。來自預(yù)熱區(qū)730的蒸汽可被收集、凝縮和分配至總的生物精煉系統(tǒng)100中的其它構(gòu)件，例如作為至PBR系統(tǒng)104中的水原料。
[0155]來自熱解室720的過量的熱可按需要被收集和分配至總的生物精煉系統(tǒng)100的其它構(gòu)件，例如分配至PBR和/或ABR系統(tǒng)104或106。合成氣生產(chǎn)需要在焦化區(qū)732中實現(xiàn)的高溫。合成氣輸出可被收集，隨后例如通過分級分餾進(jìn)行分離，隨后分配至例如加熱裝置734以進(jìn)一步為熱解系統(tǒng)102提供能量。同樣地，起泡器或洗滌器可用于將不溶于水的甲燒與溶于水的CO2分離。隨后可將富含碳的水傳送至PBR系統(tǒng)104以用作營養(yǎng)輸入物。未被PBR系統(tǒng)104使用的過量的二氧化碳可以替代性方式使用，例如分流以供給堆肥或垃圾填埋堆。[0156]當(dāng)有機(jī)碳輸出物移出焦化區(qū)732時，有機(jī)碳進(jìn)入包括熱交換器762例如水套的熱解系統(tǒng)102的部分。熱交換器過程(I)冷卻有機(jī)碳，以便在其移至輸出儲料漏斗時其達(dá)到環(huán)境溫度，和(2)收集過量的熱，隨后按需提供給其它成員設(shè)備例如ABR和/或PBR系統(tǒng)104和/或106。
[0157]圖13舉例說明了用于共享共同的原料儲料漏斗的多重生物質(zhì)熱解系統(tǒng)102的一個可能的構(gòu)型。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，其它不同的構(gòu)型也是可能的。當(dāng)使用一系列生物質(zhì)熱解系統(tǒng)102時，由一個生物質(zhì)熱解系統(tǒng)102產(chǎn)生的合成氣的一些可用于起始另一個生物質(zhì)熱解系統(tǒng)102。控制系統(tǒng)還可將輸出氣體例如以循環(huán)(round-robin)的方式導(dǎo)向其它生物質(zhì)熱解系統(tǒng)102，以按需滿足加工需要。
[0158]優(yōu)選有機(jī)碳成分在800-1000° F的范圍內(nèi)、更優(yōu)選800-900° F的范圍內(nèi)的溫度產(chǎn)生。其移動原料通過生物質(zhì)熱解系統(tǒng)102花費的時間將取決于一系列變量，包括例如原料的水份含量、原料種類和除去所有合成氣所必需的時間，其全都將影響螺旋鉆的旋轉(zhuǎn)速度。這些變量可通過適當(dāng)?shù)目刂葡到y(tǒng)來管理和控制。
[0159]此外，熱解室720的長度對直徑的優(yōu)選比率可產(chǎn)生最佳輸出產(chǎn)量。在一個實施方案中，優(yōu)選長度對直徑比率為12:1，其中從圖12中預(yù)熱區(qū)730的起始至焦化區(qū)732的末端測量熱解室720長度。在另一個實施方案中，預(yù)熱區(qū)730的長度對焦化區(qū)732的長度的優(yōu)選比率為2:1。
[0160]控制系統(tǒng)可在生物質(zhì)熱解系統(tǒng)102中用于感知和調(diào)節(jié)熱能和二氧化碳通過整個系統(tǒng)的流動以最優(yōu)地產(chǎn)生生物燃料和電。過量的熱可局部用于其它工業(yè)過程或轉(zhuǎn)換進(jìn)入地?zé)崦Υ嫦到y(tǒng)以待以后使用，例如通過地穴管550或其它地?zé)峤粨Q器?？蓪⑼ㄟ^生物質(zhì)熱解系統(tǒng)102產(chǎn)生的有機(jī)碳與由ABR系統(tǒng)產(chǎn)生的高氮調(diào)理劑混合以提高其農(nóng)業(yè)和/或土壤再生價值。此外，有機(jī)碳輸出物可用作捕獲污染物、污染物質(zhì)和來自供應(yīng)者(如來自水處理廠的)的雜質(zhì)或來自工業(yè)場所的廢水的基質(zhì)，從而修復(fù)水和為不想要的雜質(zhì)提供即時收集裝置。
[0161]實施例-生物質(zhì)熱解系統(tǒng)
[0162]鋸木廠通常使用它們的稱為“薪材”的廢料木材(例如，粉碎的樹皮、刨花、鋸屑、低等級木材和廢木材(lumber reject))來給干燥它們的木材的窯爐提供燃料。利用標(biāo)準(zhǔn)鍋爐系統(tǒng)加熱其窯爐的中等大小的工廠將每天消耗約150噸的薪材來給其窯爐系統(tǒng)提供燃料，這繼而使用8，000-25，000磅的蒸汽/小時來將其窯爐在180° F的溫度保持一天。如本文中所描述的生物質(zhì)熱解系統(tǒng)102通過使用薪材作為其原料可產(chǎn)生約兩百萬BTU/hr。該量的BTU能夠產(chǎn)生30，000磅的蒸汽/小時，并且可產(chǎn)生約18噸的優(yōu)質(zhì)生物碳或有機(jī)碳。
[0163]此外，將熱解系統(tǒng)102改造以適合這樣的工廠操作允許工廠利用熱解系統(tǒng)的熱交換系統(tǒng)來支持窯爐系統(tǒng)的水保持溫度。經(jīng)計算，使用熱解系統(tǒng)可將窯爐系統(tǒng)的水溫波動降至2度。該下降可單獨地使工廠的碳印跡(carbon footprint)減少60%。假定生物質(zhì)室的長度對直徑的比率為12:1以及預(yù)熱區(qū)的長度對焦化區(qū)的長度比率為2:1，由總的系統(tǒng)構(gòu)型中的一系列3-5個熱解系統(tǒng)可維持中等大小的鋸木廠的日能量需要，以及系統(tǒng)能量需要。
[0164]產(chǎn)品
[0165]本公開內(nèi)容的實施方案表征了用于產(chǎn)生適合于有機(jī)植物栽培和其它農(nóng)業(yè)應(yīng)用的高營養(yǎng)密度有機(jī)土壤調(diào)理劑或上層土壤替代物或土壤再生產(chǎn)品的系統(tǒng)、構(gòu)件和方法。在一個實施方案中，有機(jī)土壤調(diào)理劑和/或再生產(chǎn)品通過將消化污泥固體與有機(jī)碳以特定的比率組合以達(dá)到給定的期望的稠度和營養(yǎng)密度來形成。在另一個實施方案中，土壤調(diào)理劑通過以特定的比率組合消化污泥固體、有機(jī)碳和消化污泥液以達(dá)到給定的期望的稠度和營養(yǎng)密度來形成。在另一個實施方案中，土壤調(diào)理劑通過以特定的比率組合消化污泥固體、有機(jī)碳、消化污泥液和其它材料以達(dá)到給定的期望的稠度和營養(yǎng)密度來形成。所述其它材料可包括但不限于土壤；洛土或成土母質(zhì)(soil parent material),包括粉末狀的砂碌或沙子；或干凈的非可腐爛的填埋廢物、鋸屑、薪材或其它木材殘留生物質(zhì)。
[0166]下面是一系列適當(dāng)?shù)耐寥涝偕a(chǎn)品中的構(gòu)件的組成。
[0167]在本公開內(nèi)容的一個實施方案中，土壤再生產(chǎn)品包括在約2:1至約40:1，更優(yōu)選4:1至約36:1的范圍內(nèi)的碳氮比。
[0168]在本公開內(nèi)容的另一個實施方案中，土壤再生產(chǎn)品包括前述或下列構(gòu)件的任一種和在約0.5%至約6.8%，更優(yōu)選約1.11至約6.6%的范圍內(nèi)的鈣含量。
[0169]在本公開內(nèi)容的另一個實施方案中，土壤再生產(chǎn)品包括前述或下列構(gòu)件的任一種和在約0.25至約1.6%，更優(yōu)選約0.33至約1.5%的范圍內(nèi)的鎂含量。
[0170]在本公開內(nèi)容的另一個實施方案中，土壤再生產(chǎn)品包括前述或下列構(gòu)件的任一種和在約0.73至約13mg/L，更優(yōu)選1.53至約12.03mg/L的范圍內(nèi)的銅含量。
[0171]在本公開內(nèi)容的另一個實施方案中，土壤再生產(chǎn)品包括前述或下列構(gòu)件的任一種和在約100至約350mg/L，更優(yōu)選約140.2至約324.5mg/L的范圍內(nèi)的錳含量。
[0172]在本公開內(nèi)容的另一個實施方案中，土壤再生產(chǎn)品包括前述或下列構(gòu)件的任一種和在約0.2至約2%，更優(yōu)選約1.1至約1.7%的范圍內(nèi)的氮含量。
[0173]在本公開內(nèi)容的另一個實施方案中，土壤再生產(chǎn)品包括前述或下列構(gòu)件的任一種和在約0.4至約1.5%，更優(yōu)選約0.9至約1.2%的范圍內(nèi)的磷含量。
[0174]在本公開內(nèi)容的另一個實施方案中，土壤再生產(chǎn)品包括前述或下列構(gòu)件的任一種和在約0.5至約7%，更優(yōu)選約0.75至約6.5%的范圍內(nèi)的鉀含量。
[0175]在本公開內(nèi)容的另一個實施方案中，土壤再生產(chǎn)品包括前述或下列構(gòu)件的任一種和在約0.15至約1.4%，更優(yōu)選約0.28至約1.26%的范圍內(nèi)的硫含量。
[0176]在本公開內(nèi)容的另一個實施方案中，土壤再生產(chǎn)品包括前述或下列構(gòu)件的任一種和在約0.5至約18%，更優(yōu)選約0.14至約17.94%的范圍內(nèi)的鈉含量。
[0177]在本公開內(nèi)容的另一個實施方案中，土壤再生產(chǎn)品包括前述或下列構(gòu)件的任一種和在約55至約255mg/L，更優(yōu)選約84至約233.lmg/L的范圍內(nèi)的鋅含量。
[0178]在本公開內(nèi)容的另一個實施方案中，土壤再生產(chǎn)品包括前述或下列構(gòu)件的任一種和在約600至約2500mg/L，更優(yōu)選約695.84至約2385.92mg/L的范圍內(nèi)的鐵含量。
[0179]在本公開內(nèi)容的另一個實施方案中，土壤再生產(chǎn)品包括前述或下列構(gòu)件的任一種和在約5至約150mg/L，更優(yōu)選約6.42至約115.7mg/L的范圍內(nèi)的硼含量。
[0180]在本公開內(nèi)容的另一個實施方案中，土壤再生產(chǎn)品包括前述或下列構(gòu)件的任一種并且具有在約5.4至約9.6的范圍內(nèi)的pH。
[0181]本公開內(nèi)容的實施方案還可包括用于通過將水暴露于通過本文中描述的系統(tǒng)產(chǎn)生的有機(jī)碳產(chǎn)品，將水污染物和雜質(zhì)捕獲在有機(jī)碳中來修復(fù)水的方法。此處有機(jī)碳單獨地或與其它適當(dāng)?shù)牟牧侠缒拘肌⒎勰┗蚨逊什牧辖M合地形成生物濾器反應(yīng)器，通過該反應(yīng)器可使廢水能夠以足以允許水的營養(yǎng)負(fù)荷被捕獲在有機(jī)碳的多孔小室中的速度流動。在優(yōu)選實施方案中，有機(jī)碳包含至少10%的濾器，更優(yōu)選至少20%。在另一個優(yōu)選實施方案中，有機(jī)碳在反應(yīng)器中包含至少50%、70%或100%的過濾材料。在一個實施方案中，有機(jī)碳生物濾器反應(yīng)器使廢水營養(yǎng)負(fù)荷減少50%。在另一個實施方案中，其減少負(fù)荷60%。在另一個實施方案中，其減少負(fù)荷70%或更多。另一個生物濾器反應(yīng)器應(yīng)用，有機(jī)碳或有機(jī)碳/木片組合可過濾來自工業(yè)鍋爐煙園的排放物。
[0182]系統(tǒng)的智能控制
[0183]如上所述，已發(fā)現(xiàn)可構(gòu)建智能的自我管理的碳捕獲裝置，其可消除不想要的生物質(zhì)，同時產(chǎn)生高附加值的生物能輸出物或產(chǎn)品。這類裝置可單獨使用或作為可按比例擴(kuò)大的、可擴(kuò)展的、集成的、交互式的和協(xié)同的智能生物精煉系統(tǒng)的成員使用，所述生物精煉系統(tǒng)模擬天然系統(tǒng)的行為。
[0184]生物精煉系統(tǒng)100及其構(gòu)件的管理，如本文中所描述的，需要能夠遞送系統(tǒng)的每一個構(gòu)件或成員裝置需要的量的熱，以及控制生物質(zhì)、氣體、熱和其它產(chǎn)物通過系統(tǒng)的運動的復(fù)雜控制系統(tǒng)。因此，每一個成員裝置受自主體(在本文中稱為生物處理器自主體(或"BPAA"))控制。自主體被構(gòu)造來與管理體(在本文中稱為生物精煉智能體(或〃BRA"))通訊，所述管理體被構(gòu)造來監(jiān)視整體生產(chǎn)過程。將自主體構(gòu)件添加至系統(tǒng)的成員裝置使得整個系統(tǒng)能夠基本上"即插即用〃。當(dāng)將更多的構(gòu)件添加至生物精煉系統(tǒng)時，自主控制系統(tǒng)適應(yīng)添加的負(fù)荷，重新分配能量和生物質(zhì)通過系統(tǒng)的流動。因此，系統(tǒng)在本文中稱為智能生物精煉系統(tǒng)，并且每一個成員設(shè)備本身是智能構(gòu)件。
[0185]智能生物精煉系統(tǒng)的智能成員裝置被設(shè)計來彼此協(xié)同地和獨立地工作。每一個構(gòu)件具有其自己的BPAA控制系統(tǒng)，所述系統(tǒng)使得其適合于改變的環(huán)境條件和工作負(fù)荷量。多個智能成員裝置可通過它們的BPAA相互連接以形成獨特的智能生物精煉系統(tǒng)。在這一點上，智能生物精煉系統(tǒng)可被訂制或改造來用于許多工業(yè)或農(nóng)業(yè)應(yīng)用，以使這些工業(yè)和應(yīng)用更干凈、更高效和最終更能產(chǎn)生效益。
[0186]例如，當(dāng)期望修復(fù)污染的水時，可將成員裝置包含在能夠接收污染的水和來自生物質(zhì)熱解系統(tǒng)的有機(jī)碳輸出物(作為濾器基質(zhì))的智能生物精煉系統(tǒng)中。成員裝置的BPAA從而可控制將水以能夠?qū)⑽廴疚锊东@在有機(jī)碳中的速率移動通過有機(jī)碳的過程。純化的水和載滿污染物的有機(jī)碳可以是裝置的輸出物并且必要時通過系統(tǒng)對于其它成員裝置是易于接近的。可特異性地設(shè)計和構(gòu)建系統(tǒng)的該成員裝置，或可僅通過改進(jìn)裝置以便其能夠接收新的構(gòu)件來改造現(xiàn)有裝置以將其插入智能生物精煉系統(tǒng)。在一個實施方案中，裝置利用使裝置與BPAA發(fā)生通訊的適配器來進(jìn)行改造。
[0187]定制用于給定的工業(yè)的智能生物精煉系統(tǒng)以改善其功能的另一個實例是在廢棄物管理或水處理工業(yè)中。這類工業(yè)的一個問題是有機(jī)淤泥或泥漿的標(biāo)準(zhǔn)厭氧消化不分解可在廢污泥中積累的任何藥物或激素。這需要將材料加熱至至少600° F。因此，定制的智能生物精煉系統(tǒng)可接收淤泥或泥漿，必要時將其脫水，隨后將其作為原料添加至ABR來消化或分解有機(jī)材料?？筛鶕?jù)需要干燥ABR消化污泥輸出物，和將其作為原料提供給具有足以分解殘留在消化污泥中的激素和藥物的加熱能力的生物質(zhì)熱解裝置。隨后可將生物質(zhì)熱解輸出物送回土地以用于例如園藝應(yīng)用或森林修復(fù)?；蛘?，如果處理廠提供其自己的工具用于消化其廢物，則可除去ABR步驟。[0188]本文中描述的智能生物精煉系統(tǒng)被設(shè)計來與產(chǎn)生廢熱和二氧化碳的現(xiàn)有工業(yè)整合，從而提供用于捕獲碳、回收廢熱和產(chǎn)生具有價值的生物能產(chǎn)品的系統(tǒng)。參閱圖14，顯示了示例性智能生物精煉系統(tǒng)。與圖1類似，該示意圖舉例說明了組成智能生物精煉系統(tǒng)800的4個基本構(gòu)件一熱能源802、光生物反應(yīng)器804、厭氧生物反應(yīng)器806和能量轉(zhuǎn)換器808。該示意圖還舉例說明了以支持總系統(tǒng)的最佳生產(chǎn)的方式在成員裝置間協(xié)同地共享輸入物和輸出物的可能。BPAA被設(shè)計來控制成員裝置以支持總系統(tǒng)的最佳生產(chǎn)。
[0189]BPAA給每一個成員裝置提供了用于解決可能產(chǎn)生的復(fù)雜的非線性問題，同時試圖在改變的條件下維持穩(wěn)定的生物環(huán)境的手段?？刂葡到y(tǒng)還幫助收獲和加工藻類生物質(zhì)以產(chǎn)生生物燃料、電以及氮肥和土壤再生產(chǎn)品。
[0190]根據(jù)本公開內(nèi)容的實施方案的智能生物精煉系統(tǒng)的每一個成員裝置使用基于簡單生物學(xué)原理的方法產(chǎn)生生物能產(chǎn)品。智能生物精煉系統(tǒng)通過使用模擬天然生物學(xué)過程的適應(yīng)性行為控制將該概 念帶至下一水平。
[0191]現(xiàn)在將描述構(gòu)件自主體或BPAA。如上所述，智能生物精煉系統(tǒng)的每一個構(gòu)件或成員裝置的功能性受自主體(在本文中稱為BPAA)例如軟件體控制。如圖15中的流程圖中舉例說明的，所述自主體包括4個基本亞構(gòu)件:
[0192]?功能性描述構(gòu)件的當(dāng)前狀態(tài)的當(dāng)前狀態(tài)向量(Current State Vector)。
[0193].描述構(gòu)件的期望狀態(tài)的目標(biāo)狀態(tài)向量(Target State Vector)。
[0194].構(gòu)件可進(jìn)行以改變其當(dāng)前狀態(tài)的一組行為(Action)。
[0195].決定什么行為是構(gòu)件需要執(zhí)行以實現(xiàn)或維持目標(biāo)狀態(tài)的行為模塊。
[0196]圖15舉例說明了信息是如何在自主體的亞構(gòu)件之間流動以及物理傳感器與修正構(gòu)件的物理狀態(tài)的控制機(jī)械裝置(效應(yīng)器)之間的數(shù)據(jù)流動。
[0197]當(dāng)前狀態(tài)向量和目標(biāo)狀態(tài)向量由稱為流(Fluents)的軟件對象組成。流(Fluents)是這樣的變量:其可以是單值的，代表一系列值；或可連接至傳感器以代表測量的物理參數(shù)。例如，BPAA的當(dāng)前狀態(tài)可具有被稱為〃管道溫度〃的流(fluent)，具有為80° F的感知到的值，而目標(biāo)狀態(tài)可具有被稱為〃管道溫度〃的流，其具有78與82° F之間的區(qū)間值，書寫為[78-82]。BPAA行為模塊識別到80°在范圍[78-82]內(nèi)，因而不需要進(jìn)行任何行為來改變光生物反應(yīng)器管道的溫度。流還可包括區(qū)間取值的流(Interval ValuedFluent)。實例是目標(biāo)狀態(tài)溫度流，其為間隔范圍[75，90]程度設(shè)置，和在80° F被“感知”的當(dāng)前狀態(tài)溫度流。在該情況下，狀態(tài)向量的溫度分量可以是匹配的。
[0198]構(gòu)件行為可以是反應(yīng)性的、預(yù)測性的或適應(yīng)性的或這些行為的組合。反應(yīng)性行為不斷地執(zhí)行調(diào)整當(dāng)前狀以匹配目標(biāo)狀態(tài)的行為，例如打開或關(guān)閉熱交換器閥門以調(diào)整構(gòu)件中的溫度，以便其匹配目標(biāo)狀態(tài)溫度。預(yù)測性行為可能使用信息例如從互聯(lián)網(wǎng)收集的天氣預(yù)報來開始調(diào)整溫度以期待突如其來的寒流。適應(yīng)性行為可組合預(yù)測性和反應(yīng)性行為來產(chǎn)生基于最佳結(jié)果的新行為。
[0199]整個智能生物精煉系統(tǒng)還可具有其自己的BPAA，所述BPAA具有與系統(tǒng)的成員裝置BPAA相似的結(jié)構(gòu)，但被設(shè)計來監(jiān)視系統(tǒng)和每一個構(gòu)件體。如上所述，這樣的構(gòu)件體在本文中稱為管理體或生物精煉體(BRA)。在該情況下，每一個構(gòu)件體被當(dāng)作BRA的流。
[0200]圖16顯示智能生物精煉系統(tǒng)的控制策略，所述智能生物精煉系統(tǒng)具有多個光生物反應(yīng)器和厭氧生物反應(yīng)器和控制系統(tǒng)的地?zé)嵩吹淖灾黧w。每一個自主體負(fù)責(zé)維持單個構(gòu)件的“狀態(tài)”和控制材料在這些母線(生物質(zhì)、CO2、熱等)上的流動。每一個構(gòu)件BPAA和BRA的行為模塊可被視為使用行為來修正構(gòu)件或成員裝置的狀態(tài)的非線性系統(tǒng)解算器(non-linear systems solver)。BPAA比較成員裝置的當(dāng)前狀態(tài)與針對其需要采取什么行為的目標(biāo)狀態(tài)(目的)。
[0201]圖1和14是根據(jù)本公開內(nèi)容的實施方案的智能生物精煉系統(tǒng)的示意圖。這些圖舉例說明了每一個成員裝置的輸入物和輸出物以及可如何將各種輸出物作為系統(tǒng)間的輸入物進(jìn)行共享。例如，圖14描述了使用一般的熱熱源作為成員裝置的智能生物精煉系統(tǒng)，圖1描述了其中熱源成員裝置是生物質(zhì)熱解系統(tǒng)的智能生物精煉系統(tǒng)。圖17可以是圖14中描述的智能生物精煉系統(tǒng)的流程圖，其描述了允許輸入物和輸出物在圖14描述的系統(tǒng)間被共享的成員裝置間的通訊途徑。類似地，圖16可以是圖1中描述的智能生物精煉系統(tǒng)的流程圖，其描述了允許輸入物和輸出物被圖1中描述的系統(tǒng)間共享的成員裝置間的通訊途徑。
[0202]圖18是另一個流程圖，其描述了圖1和13中描述的智能生物精煉系統(tǒng)的輸入物和輸出物，以及圖16和17中描述的用于共享信息的通訊工具。在圖18中，所有成員裝置的行為信息通過附圖中的數(shù)據(jù)總“線”傳送至BRA BPAA并且從BRA BPAA接收。這在附圖中通過成員裝置與數(shù)據(jù)總線之間的雙向箭頭來指示。成員裝置輸入物和輸出物以及它們?nèi)绾卧谙到y(tǒng)間被共享通過導(dǎo)向和來自附圖中代表例如甲烷、藻類生物質(zhì)或有機(jī)碳的參考線(reference line)的適當(dāng)標(biāo)記的箭頭來指示。
[0203]將圖12的生物質(zhì)熱解系統(tǒng)102示意圖看作示例性膜裝置，譬如說系統(tǒng)想在上午起動生物質(zhì)熱解系統(tǒng)。該信息通過圖18中的數(shù)據(jù)總線傳達(dá)至BRA的生物質(zhì)熱解系統(tǒng)(圖16)。生物質(zhì)熱解系統(tǒng)102的BPAA通過當(dāng)前狀態(tài)向量中的流評價其當(dāng)前狀態(tài)，并且開始起始適當(dāng)?shù)男袨椋o定從BRA傳送的期望的目標(biāo)狀態(tài)(參見圖16)。
[0204]目標(biāo)狀態(tài)向量信息可能包括進(jìn)行一定量的時間，產(chǎn)生期望量的有機(jī)碳，使用優(yōu)選原料和/或產(chǎn)生期望量的熱、合成氣或甲烷(參見圖1和14)。基于感知為生物質(zhì)熱解系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)的數(shù)據(jù)，生物質(zhì)熱解系統(tǒng)的BPAA行為模塊將起始一系列行為，通過流傳達(dá)至效應(yīng)器(圖15)。
[0205]示例性行為可包括打開甲烷支持閥門752以接收來自智能生物精煉系統(tǒng)的甲烷(參見圖12和圖18)。該行為通過總線傳送至BRA和成員裝置智能生物精煉系統(tǒng)，所述系統(tǒng)的BPAA管理行為模塊現(xiàn)已知其行為已改變并且甲烷支持為另一個成員裝置需要。智能生物精煉系統(tǒng)的BPAA隨后起始一系列行為(例如，釋放甲烷、收集甲烷或增加消化污泥產(chǎn)量，這取于通過其管理行為模塊(參見圖16)感知的ABR裝置的目前狀態(tài)，最終通過圖18中的代表性甲烷管748將甲烷提供給生物質(zhì)熱解裝置102。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的和本文中上面所描述的，系統(tǒng)被設(shè)計來用于連續(xù)裝置分析，以及預(yù)測性、反應(yīng)性和/或適應(yīng)性行為，從而允許系統(tǒng)以連接改造的方式最佳地、協(xié)同地以及和諧地發(fā)揮功能。
[0206]智能生物精煉系統(tǒng)設(shè)計還允許給定的智能生物精煉系統(tǒng)通過其管理行為模塊與其它智能生物精煉系統(tǒng)通訊，所述其它智能生物精煉系統(tǒng)可以是當(dāng)?shù)氐幕蛟谶h(yuǎn)處，以及與其成員裝置BPAA共享信息。例如，位于蒙大拿的智能生物精煉系統(tǒng)可能正在經(jīng)歷通常在夏威夷經(jīng)歷的氣候條件，并且其可能特別地影響藻類在蒙大拿智能生物精煉系統(tǒng)中的生長。通過使用本文中描述的系統(tǒng)，蒙大拿智能生物精煉系統(tǒng)可訪問夏威夷智能生物精煉系統(tǒng)的行為信息，并且蒙大拿智能生物精煉系統(tǒng)BPAA可將該解決信息用作其解決路徑的部分，以起始意在將智能生物精煉系統(tǒng)行為改變成其期望的目標(biāo)狀態(tài)的行為。很明顯，如由本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的，蒙大拿智能生物精煉系統(tǒng)還能與夏威夷智能生物精煉系統(tǒng)或其它智能生物精煉系統(tǒng)共享其行為信息。
[0207]該系統(tǒng)間通訊的能力在實施方案中具有特殊的應(yīng)用，其中多個智能生物精煉系統(tǒng)在當(dāng)?shù)毓I(yè)應(yīng)用中一起工作。例如，本公開內(nèi)容的一個實施方案是一系列兩個或更多個智能生物精煉系統(tǒng)，其中BRA是智能溫室。在另一個實施方案中，溫室形狀為八邊形，并且多個溫室可以以蜂房模式排列，從而允許它們?nèi)脊蚕碣Y源，包括在它們共同的邊上熱貯存的熱。
[0208]本文中描述的BPAA智能過程控制允許使用一組標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)件，利用最低限度的編程定制針對目標(biāo)工業(yè)的智能生物精煉系統(tǒng)的設(shè)計。其還允許改進(jìn)現(xiàn)有非智能裝置，以便其能成為智能生物精煉系統(tǒng)成員裝置。在該情況下，需要的額外步驟可以是必要時改造物理傳感器和效應(yīng)機(jī)械裝置，以便它們能夠接收來自裝置的信息并且對裝置施以變化。
[0209]適應(yīng)性可通過使用與BPAA和待改進(jìn)的裝置接口的適配工具來實現(xiàn)。因此，適配工具可按需要進(jìn)行改造以與廣泛的當(dāng)前存在的裝置一起工作，允許它們參與智能生物精煉系統(tǒng)，而無需明顯地改變智能生物精煉系統(tǒng)本身或再次重新設(shè)計或構(gòu)建整個裝置。因此，"即插即用"智能碳捕獲智能生物精煉系統(tǒng)現(xiàn)在是可獲得的，用于多個不同的工業(yè)。在上述鋸木廠實例中，如果想要包括工廠的鍋爐作為智能生物精煉系統(tǒng)的一部分，則這樣的適配工具可能包括用于測量水溫的傳感器，和用于調(diào)節(jié)提供給鍋爐的熱的量的效應(yīng)器。
[0210]根據(jù)本公開內(nèi)容的方面，本文中描述的系統(tǒng)可以是智能生物精煉系統(tǒng)。智能生物精煉系統(tǒng)是交互系統(tǒng)，包括集成的協(xié)同作用的成員裝置，并且可使用人工智能來(I)自主地管理每一個成員裝置的行為，和(2)將該行為通過用作管理體的自主體傳達(dá)至一個或多個其它成員裝置。在這一方面，設(shè)計成員裝置和系統(tǒng)自身的行為使得成員裝置協(xié)同作用，基于系統(tǒng)的需要調(diào)整它們的個體輸入物和輸出物。
[0211]根據(jù)本公開內(nèi)容的方面，每一個成員裝置本身是自主體，所述智能體能夠(I)使用傳感器和效應(yīng)器感知成員裝置的當(dāng)前狀態(tài)，分別地感知和作用于其環(huán)境；(2)基于來自其當(dāng)?shù)丨h(huán)境和其它來源、包括但不限于數(shù)據(jù)庫、其它地方的其它系統(tǒng)或裝置和/或管理體的輸入來鑒定目標(biāo)狀態(tài)；(3)起始意在針對期望的目標(biāo)狀態(tài)修正成員裝置的行為的行為；和(4)評價起始的行為在實現(xiàn)目標(biāo)狀態(tài)中的成功或失敗，以及相應(yīng)地產(chǎn)生改變。
[0212]根據(jù)本公開內(nèi)容的方面，自主體在其解決過程中包括尋求的先前解決路徑的結(jié)果，有效地連續(xù)“學(xué)習(xí)”。在另一個方面，自主體模擬自然界自己的連續(xù)進(jìn)化和適應(yīng)環(huán)境的變化，動態(tài)平衡輸入物與輸出物，同時發(fā)現(xiàn)實現(xiàn)期望的結(jié)果的“是佳”過程的過程。在其它方面，自主體使用目標(biāo)導(dǎo)向的行為模型作為其解決過程的部分。在另一個方面，自主體使用啟發(fā)算法或函數(shù)作為其解決路徑的部分。在另一個方面，自主體利用流作為理解其當(dāng)前和目標(biāo)狀態(tài)的過程的部分，和/或作為用于(I)將計算機(jī)化的行為傳送至外部環(huán)境中的效應(yīng)器，和(2)將外部環(huán)境的狀態(tài)傳送至通過一個或多個傳感器感知的自主體的工具。
[0213]根據(jù)本公開內(nèi)容的方面，智能生物精煉系統(tǒng)成員裝置的自主體可具有共同的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，從而允許成員裝置根據(jù)需要容易地插入或取出系統(tǒng)，增強(qiáng)智能生物精煉系統(tǒng)的攜帶性和可擴(kuò)展性，以及其變型以用于多個不同的工業(yè)或應(yīng)用。[0214]根據(jù)本公開內(nèi)容的方面，PBR自主體用作系統(tǒng)的管理體。在另一個方面，安裝有成員裝置的設(shè)施或結(jié)構(gòu)(例如，溫室系統(tǒng))可用作管理體。在另一個方面，溫室系統(tǒng)具有作為功能性溫室的價值。
[0215]在另一個方面，本公開內(nèi)容的實施方案表征了智能構(gòu)件，其每一個包括本文中描述的自主體。
[0216]本公開內(nèi)容的實施方案可體現(xiàn)在其它具體的形式中而不背離其精神或其基本特征。本實施方案因而在所有方面被當(dāng)作舉例說明性的，而非限制性的，本公開的范圍由所附權(quán)利要求而非通過上述描來指定，在權(quán)利要求的等同的含義和范圍內(nèi)的所有改變因而期望包括在其中。雖然舉例說明性實施方案已被舉例說明和描述，但應(yīng)理解，可在其中進(jìn)行各種變化而不背離本公開內(nèi)容的精神和范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種生物精煉系統(tǒng)，其包括: (a)光生物反應(yīng)器系統(tǒng)； (b)厭氧生物反應(yīng)器系統(tǒng)；和 (c)包含所述光生物反應(yīng)器系統(tǒng)的至少一部分和所述厭氧生物反應(yīng)器系統(tǒng)的至少一部分的外殼，其中所述外殼具有用于生長植物生命的環(huán)境。
2.權(quán)利要求1的生物精煉系統(tǒng)，其中所述光生物反應(yīng)器系統(tǒng)被構(gòu)造為生長藻類集落和產(chǎn)生藻類收獲物。
3.權(quán)利要求2的生物精煉系統(tǒng)，其中所述厭氧生物反應(yīng)器系統(tǒng)被構(gòu)造為消耗所述藻類收獲物以產(chǎn)生選自甲烷、二氧化碳、氫和肥料的一種或多種產(chǎn)品。
4.權(quán)利要求1的生物精煉系統(tǒng)，其中提供給所述光生物反應(yīng)器系統(tǒng)的原料是來自外部系統(tǒng)的廢氣。
5.權(quán)利要求4的生物精煉系統(tǒng)，其中所述外部系統(tǒng)選自生物質(zhì)熱解系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、厭氧生物反 應(yīng)器和煙囪。
6.權(quán)利要求1的生物精煉系統(tǒng)，其中提供給所述光生物反應(yīng)器系統(tǒng)的原料是來自厭氧生物反應(yīng)器系統(tǒng)的肥料輸出物的至少一部分。
7.權(quán)利要求1的生物精煉系統(tǒng)，其中植物生命灌溉水接收自來自生物質(zhì)熱解系統(tǒng)的回收水。
8.權(quán)利要求1的生物精煉系統(tǒng)，其中所述光生物反應(yīng)器接收來自生物質(zhì)熱解系統(tǒng)的回收水。
9.權(quán)利要求1的生物精煉系統(tǒng)，其中所述外殼被設(shè)計來接收太陽能。
10.權(quán)利要求1的生物精煉系統(tǒng)，其中所述外殼被設(shè)計來接收來自外部系統(tǒng)、液體循環(huán)加熱系統(tǒng)和地?zé)岬闹辽僖环N的熱。
11.權(quán)利要求1的生物精煉系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)具有管理的輸入物和輸出物。
12.權(quán)利要求1的生物精煉系統(tǒng)，進(jìn)一步包括控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括用于控制系統(tǒng)中的多個構(gòu)件的多個自主體，其中多個自主體之一是管理體。
13.權(quán)利要求12的生物精煉系統(tǒng)，其中控制系統(tǒng)可以是反應(yīng)性的、預(yù)測性的、適應(yīng)性的或其組合。
14.權(quán)利要求12的生物精煉系統(tǒng)，其中所述控制系統(tǒng)可通過使用選自目標(biāo)導(dǎo)向的行為模型、啟發(fā)算法和流的解決過程來適應(yīng)。
15.權(quán)利要求14的生物精煉系統(tǒng)，其中所述解決過程能夠適應(yīng)其環(huán)境的變化。
16.權(quán)利要求12的生物精煉系統(tǒng)，其中所述控制系統(tǒng)可接收來自另一個生物精煉系統(tǒng)的信息。
17.一種用于在溫室系統(tǒng)中生長植物生命的方法，所述方法包括: (a)形成外殼,其中至少一部分外殼被構(gòu)造來用以接收太陽能； (b)將至少一部分光生物反應(yīng)器系統(tǒng)置于所述外殼中；和 (C)將至少一部分厭氧生物反應(yīng)器系統(tǒng)置于所述外殼中。
18.權(quán)利要求17的方法，其還包括在所述光生物反應(yīng)器系統(tǒng)中生長藻類集落以產(chǎn)生藻類收獲物。
19.權(quán)利要求18的方法，其還包括在所述厭氧生物反應(yīng)器系統(tǒng)中消耗藻類收獲物以產(chǎn)生一種或多種選自甲烷、氫和肥料的產(chǎn)品。
20.權(quán)利要求17的方法，其還包括將廢氣從外部系統(tǒng)提供給所述光生物反應(yīng)器系統(tǒng)。
21.權(quán)利要求20的方法，其中所述外部系統(tǒng)選自生物質(zhì)熱解系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、厭氧生物反應(yīng)器和煙囪。
22.權(quán)利要求17的方法，其還包括將至少一部分來自所述厭氧生物反應(yīng)器系統(tǒng)的肥料輸出物提供給所述光生物反應(yīng)器系統(tǒng)。
23.權(quán)利要求17的方法，其還包括利用從外部系統(tǒng)、液體循環(huán)加熱系統(tǒng)和地?zé)岬闹辽僖粋€接收的熱加熱所述外殼。
24.權(quán)利要求17的方法，其還包括控制溫室系統(tǒng)中的構(gòu)件的行為。
25.—種生長藻類集落的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: (a)廢氣源； (b)包括多個被構(gòu)造來消耗所述廢氣以生長藻類集落的管道的管道系統(tǒng)；和 (C)用于將所述藻類 集落從所述管道的至少一個排出的閥門系統(tǒng)，其中所述多個管道的每一個位于所述閥門系統(tǒng)附近。
26.權(quán)利要求25的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其中所述光生物反應(yīng)器系統(tǒng)還接收熱、營養(yǎng)物和太陽能的至少一種以生長所述藻類集落。
27.權(quán)利要求25的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其中定期收獲所述藻類集落以產(chǎn)生藻類收獲物。
28.權(quán)利要求27的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其中所述藻類收獲物可被厭氧生物反應(yīng)器或能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的至少一個消耗，被厭氧生物反應(yīng)器消耗產(chǎn)生氮肥。
29.權(quán)利要求25的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其中所述廢氣源選自生物質(zhì)熱解系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、厭氧生物反應(yīng)器和煙囪。
30.權(quán)利要求25的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其中所述管道系統(tǒng)包括混合系統(tǒng)，所述混合系統(tǒng)在每一個管道中包括混合裝置和至少I個分割器。
31.權(quán)利要求25的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其中所述管道系統(tǒng)包括混合系統(tǒng)，所述混合系統(tǒng)在每一個管道中包括混合裝置和至少2個分割器。
32.權(quán)利要求25的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其還包括用于使所述藻類集落脫水的脫水系統(tǒng)。
33.權(quán)利要求32的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其中來自所述脫水的藻類集落的水被送回至所述管道以進(jìn)行接種。
34.權(quán)利要求32的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，其中所述脫水的藻類集落被遞送至厭氧生物反應(yīng)器系統(tǒng)以進(jìn)行消化。
35.一種生長藻類集落的方法,所述方法包括: (a)提供具有包括多個管道的管道系統(tǒng)的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)； (b)將廢氣遞送至所述藻類集落；和 (C)在所述藻類集落達(dá)到預(yù)定集落密度后，使用閥門系統(tǒng)排出所述藻類集落，其中所述多個管道的每一個位于所述閥門系統(tǒng)附近。
36.一種用于捕獲廢氣以產(chǎn)生能量的生物精煉系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: (a)被構(gòu)造來消耗纖維質(zhì)生物質(zhì)以產(chǎn)生廢氣的生物質(zhì)熱解裝置；和(b)被構(gòu)造來消耗來自所述生物質(zhì)熱解裝置的廢氣以生長藻類集落的光生物反應(yīng)器系統(tǒng)。
37.權(quán)利要求36的系統(tǒng)，其中所述生物質(zhì)熱解裝置還產(chǎn)生有機(jī)碳。
38.權(quán)利要求36的生物精煉系統(tǒng)，其還包括被構(gòu)造來消耗所述藻類收獲物以產(chǎn)生氫和甲烷的至少一種的厭氧生物反應(yīng)器系統(tǒng)。
39.權(quán)利要求38的系統(tǒng)，其中所述厭氧生物反應(yīng)器系統(tǒng)還產(chǎn)生氮肥。
40.一種捕獲二氧化碳的方法，所述方法包括: (a)從生物質(zhì)熱解系統(tǒng)獲得二氧化碳；和 (b)將所述二氧化碳導(dǎo)向藻類集落用以消耗。
41.一種土壤再生產(chǎn)品,其包含: (a)在約2:1至約40:1的范圍內(nèi)的碳氮比率；和 (b)在約0.5至約7.0%的范圍內(nèi)的鉀含量。
42.權(quán)利要求40的產(chǎn)品，其還包含在約0.15%至約1.3%的范圍內(nèi)的硫含量。
43.權(quán)利要求40的產(chǎn) 品，其還包含在約0.5%至約6.8%的范圍內(nèi)的鈣含量。
44.權(quán)利要求40的產(chǎn)品，其還包含在約0.25%至約1.6%的范圍內(nèi)的鎂含量。
45.權(quán)利要求40的產(chǎn)品，其還包含在約0.75至約13mg/L的范圍內(nèi)的銅含量。
46.權(quán)利要求40的產(chǎn)品，其還包含在約100至約350mg/L的范圍內(nèi)的錳含量。
47.權(quán)利要求40的產(chǎn)品，其還包含在約0.4至約2.0%的范圍內(nèi)的氮含量。
48.權(quán)利要求40的產(chǎn)品，其還包含在約0.4至約1.5%的范圍內(nèi)的磷含量。
49.權(quán)利要求40的產(chǎn)品，其還包含在約0.5至約18%的范圍內(nèi)的鈉含量。
50.權(quán)利要求40的產(chǎn)品，其還包含在約84至約233.lmg/L的范圍內(nèi)的鋅含量。
51.權(quán)利要求40的產(chǎn)品，其還包含在約600至約2500mg/L的范圍內(nèi)的鐵含量。
52.權(quán)利要求40的產(chǎn)品，其還包含在約5至約150mg/L的范圍內(nèi)的硼含量。
53.權(quán)利要求40的產(chǎn)品，其中所述產(chǎn)品具有約5.4至約9.6的范圍內(nèi)的pH。
54.一種土壤再生產(chǎn)品，其包括: (a)在約2:1至約40:1的范圍內(nèi)的碳氮比；和 (b)選自如下物質(zhì)的第二構(gòu)件: 在約0.5至約7.0%的范圍內(nèi)的鉀含量， 在約0.15%至約1.3%的范圍內(nèi)的硫含量， 在約0.5%至約6.8%的范圍內(nèi)的鈣含量， 在約100至約350mg/L的范圍內(nèi)的錳含量， 在約0.4至約2.0%的范圍內(nèi)的氮含量， 在約0.4至約1.5%的范圍內(nèi)的磷含量， 在約0.5至約18%的范圍內(nèi)的鈉含量， 在約84至約233.lmg/L的范圍內(nèi)的鋅含量， 在約600至約2500mg/L范圍內(nèi)的鐵含量， 在約5至約150mg/L的范圍內(nèi)的硼含量及其組合。
55.—種修復(fù)水的方法，其包括: (a)使用生物質(zhì)熱解裝置產(chǎn)生有機(jī)碳產(chǎn)品；和(b)使用所述有機(jī)碳產(chǎn)品過濾含有第一水平雜質(zhì)的水以產(chǎn)生含有第二水平的雜質(zhì)的水，其中所述第二水平的雜質(zhì)少于所述第一水平的雜質(zhì)。
56.一種用于生物精煉系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，其包括: (a)生物過程；和 (b)用于控制所述生物精煉系統(tǒng)中的多個構(gòu)件的多個自主體，其中所述多個自主體之一是管理體。
57.權(quán)利要求56的控制系統(tǒng)，其中所述控制系統(tǒng)可以是反應(yīng)性的、預(yù)測性的、適應(yīng)性的或其組合。
58.權(quán)利要求56的控制系統(tǒng)，其中所述控制系統(tǒng)可通過使用選自目標(biāo)導(dǎo)向的行為模型、啟發(fā)算法和流的解決過程來適應(yīng)。
59.權(quán)利要求56的控制系統(tǒng)，其中所述控制系統(tǒng)可接收來自另一個生物精煉系統(tǒng)的信肩、O
60.權(quán)利要求56的控制系統(tǒng)，其中所述自主體的至少一個模擬生物系統(tǒng)的進(jìn)化和適應(yīng)其環(huán)境的變化的能力。
61.權(quán)利要求56的控制系統(tǒng)，其中所述管理體模擬生物系統(tǒng)的進(jìn)化和適應(yīng)其環(huán)境的變化的能力。
62.權(quán)利要求56的控制系`統(tǒng)，其中所述自主體能夠不斷地發(fā)現(xiàn)用于實現(xiàn)所述變化的新方法。
【文檔編號】C12P1/00GK103429362SQ201280013128
【公開日】2013年12月4日 申請日期:2012年1月19日 優(yōu)先權(quán)日:2011年1月19日
【發(fā)明者】M·F·史密斯, J·M·小洛克維爾 申請人:藻類水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)股份有限公司