用于藻類收獲和脫水的系統(tǒng)以及方法
【專利摘要】施加的電場通過增加溶劑與溶質(zhì)之間的界面電勢以及使用微米大小的氫氣和氧氣氣泡來從生長培養(yǎng)基中收獲藻類。該工藝和方法利用了產(chǎn)生氫氣和氧氣的、策略性地放置的雙極電極板。氣體的微氣泡把生物質(zhì)從溶液中絮凝出來，同時(shí)使水澄清以便再利用在藻類生長系統(tǒng)中。然后可以處理聚集的藻類，以便使用在要求無化學(xué)品以及脫水的產(chǎn)品的應(yīng)用中，正如對生物燃料、藥品或食品所要求的一樣。
【專利說明】用于藻類收獲和脫水的系統(tǒng)以及方法

【背景技術(shù)】
[0001] 從懸浮液中分離材料的歷史存在于多種行業(yè)中，其包括污水處理業(yè)和藻類養(yǎng)殖 業(yè)。隨著所期望的最終結(jié)果不同，參與實(shí)現(xiàn)分離的工藝可以是不同的。例如在污水處理業(yè) 中，所期望的結(jié)果通常是能被釋放到環(huán)境中的處理水。反之，在藻類養(yǎng)殖業(yè)中，主要的所期 望的結(jié)果可能是收獲可用于能源生產(chǎn)的生物質(zhì)。
[0002] 電絮凝在污水處理業(yè)中具有悠久的歷史。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)電絮凝是在治理的次級階段中 分離流體和固體的有效方法。該廢棄物料流含有各種類型的有機(jī)材料，藻類被認(rèn)為是在所 述料流中由常見的高硝酸鹽量所產(chǎn)生的公害。因此，根除藻類的工作通常不包括保存所述 物質(zhì)的完整性以用于進(jìn)一步的應(yīng)用，譬如制藥以及其他高價(jià)值的原料。
[0003] 在通常使用在污水處理的電絮凝中，加入金屬離子或陽離子來通過增加基質(zhì)的導(dǎo) 電性而改善絮凝。以下陽離子具有比H+更低的電極電勢，并且因此被認(rèn)為是適于用在這些 工藝中作為電解質(zhì)陽離子的：Li+、Rb+、K+、Cs+、Ba 2+、Sr2+、Ca2+、Na+和Mg2+ (經(jīng)常使用鈉和鋰， 這是因?yàn)樗鼈冃纬闪畠r(jià)的鹽）。與電絮凝相結(jié)合地使用其他金屬來輔助從污水中沉淀固體， 例如鐵氧化物和其他氧化劑。這些金屬在把固體沉淀出溶液方面是極其有效的；然而，它們 使產(chǎn)品以及水本身受到隨后必須在三級廢物處理階段中被移除或者要不被加工的無機(jī)化 學(xué)品的污染。
[0004] 在實(shí)踐中，為污水系統(tǒng)所使用的、用于電絮凝的電流普遍是低的，通常在1安培 以下，因?yàn)樗龉に嚨膱?zhí)行是在大的水池中和/或與對于廢物處理廠典型的、可為每天數(shù) 百萬加侖的大規(guī)模流體流相結(jié)合。由于工廠的龐大規(guī)模和歐姆定律（I = V/R)、電流要求和 工藝的規(guī)模，長時(shí)間應(yīng)用高能量的電絮凝系統(tǒng)是不切實(shí)際的。此外，長時(shí)間在高電流下運(yùn)行 的電解板的劣化和結(jié)垢妨礙了該技術(shù)在高電流強(qiáng)度下的有效應(yīng)用。因此，必須通過上述金 屬離子來增加廢物料流的電導(dǎo)率，以便降低能量要求并且使該工藝變得實(shí)用。
[0005] 在藻類產(chǎn)品養(yǎng)殖和收獲中，思考的角度被顛倒了，因?yàn)樵趹腋∫褐械纳镔|(zhì)被 視為一種寶貴物質(zhì)，必須保護(hù)這些生物質(zhì)的品質(zhì)，而金屬的使用對產(chǎn)品造成不可逆的污 染。因此，大多數(shù)用于給懸浮液中的藻類脫水的方法由以下組成：離心、膜過濾、空氣干 燥，以及可能的化學(xué)處理和消除污染。在脫水中使用化學(xué)品常常阻止或限制生長水的 再利用。在 2011 年 10 月 14 日提交 了題為"Systems，Methods, and Apparatuses for Dewatering, Flocculating, and Harvesting Algae Cells (用于脫水、絮凝和收獲藻類細(xì) 胞的系統(tǒng)、方法以及設(shè)備）"的相關(guān)在先申請No. 13/274, 094,其通過援引并入本文，所述申 請公開了電磁絮凝系統(tǒng)的一些形式。該申請專注于作為最終產(chǎn)品的細(xì)胞裂解。
[0006] 收獲例如藻類的微生物以及微生物的胞內(nèi)產(chǎn)物有望成為用于制造產(chǎn)品例如藥品、 化妝品、工業(yè)產(chǎn)品、生物燃料、合成油、動(dòng)物飼料和肥料的石油衍生物或其他化學(xué)品的部分 的或完全的代用品。然而，為了使這些代用品變得可行，包括回收和加工胞內(nèi)產(chǎn)物步驟的 收獲細(xì)胞的方法必須是有效率并符合成本效益的，以便能與石油衍生物相關(guān)的精煉成本競 爭。當(dāng)前用于收獲例如藻類的微生物以最終產(chǎn)生用作石油代用品的產(chǎn)品的提取方法是費(fèi)力 的，并且獲得低的凈能量收益，這使它們對于當(dāng)今的可替代能源需求是不可行的。這些現(xiàn)有 方法還可能產(chǎn)生顯著的碳排放量，從而加劇全球變暖以及其他環(huán)境問題。這些現(xiàn)有方法在 進(jìn)一步擴(kuò)大規(guī)模時(shí)還由于有價(jià)值的胞內(nèi)組分的降解產(chǎn)生更大的效率損失，并且需要比目前 從微生物收獲時(shí)在經(jīng)濟(jì)上可行的能量或化學(xué)品投入更高的能量或化學(xué)品投入。例如，每加 侖的微生物生物燃料的成本目前大約是化石燃料的成本的九倍。
[0007] 所有原核和真核活細(xì)胞都具有質(zhì)膜（Plasma transmembrane)，其包覆這些細(xì)胞的 內(nèi)含物并且擔(dān)當(dāng)相對外部環(huán)境的半多孔性屏障?？缒こ洚?dāng)邊界、將細(xì)胞組成部分保持在一 起并且防止外來物質(zhì)進(jìn)入。根據(jù)所接受的、被稱為流體鑲嵌模型的當(dāng)前理論（S.J. Singer 和G. Nicolson，1972,作為引用文獻(xiàn)納入本發(fā)明），質(zhì)膜由雙層（兩層）脂質(zhì)所組成，該脂質(zhì) 是在所有的細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的油狀或蠟狀物質(zhì)。雙層中的大部分脂質(zhì)可以更確切地被描述為磷 脂，即，特征為在每個(gè)分子的一個(gè)端部帶有磷酸基團(tuán)的脂質(zhì)。
[0008] 在質(zhì)膜的磷脂雙層內(nèi)包埋著許多多樣化的有用蛋白，而其他類型的礦物蛋白簡單 地附著于雙層表面。這些蛋白中的一些、主要是至少部分暴露于膜外側(cè)的那些，附連了糖 類，因此被稱為糖蛋白。蛋白質(zhì)沿著內(nèi)部質(zhì)膜的定位，部分與包含細(xì)胞骨架的細(xì)絲的組織相 關(guān)，其幫助將它們錨定在位。蛋白質(zhì)的這種排列還涉及細(xì)胞的疏水和親水區(qū)。
[0009] 取決于所涉及的生物體類型、它們的所需內(nèi)部組分及其純度水平，細(xì)胞內(nèi)提取方 法可以極為不同。然而，一旦細(xì)胞已被破裂，這些有用組分被釋放出來，并典型懸浮在用于 容納活微生物生物質(zhì)的液體培養(yǎng)基內(nèi)，使得收獲這些有用物質(zhì)變得困難或需要消耗大量能 源。
[0010] 在目前的大多數(shù)從藻類收獲細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)物的方法中，必須執(zhí)行脫水過程以便從液體 培養(yǎng)基或生物質(zhì)廢物（細(xì)胞物質(zhì)和碎片）分離和收獲有用組分。由于液體蒸發(fā)所需要的時(shí) 間范圍或使液體培養(yǎng)基干透所需的能量投入或物質(zhì)分離所需的化學(xué)品投入，目前的工藝效 率低。此外，這些工藝常常限于分批處理，并且難以適應(yīng)連續(xù)的處理系統(tǒng)。
[0011] 因此，對于用于微生物如藻類脫水的簡單高效的程序存在著需求，以使得所述微 生物能被收獲而其胞內(nèi)產(chǎn)物能被回收用作具有競爭力價(jià)格的石油和石油衍生物代用品，以 用于制造工業(yè)產(chǎn)品。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明一般性地涉及以簡單、低成本的途徑來收獲藻類的系統(tǒng)的方法。本發(fā)明的 實(shí)施產(chǎn)生一種生物質(zhì)，該生物質(zhì)隨后可被裂解用于油分離，而把澄清的、富集養(yǎng)分的水返回 給生長系統(tǒng)。通過在策略性放置的位置中使用短期爆發(fā)的能量而減少了絮凝的成本。這些 能量爆發(fā)可以在生長系統(tǒng)內(nèi)或者在獨(dú)立的分批處理器中實(shí)施。
[0013] 通過在生長和/或提取系統(tǒng)中應(yīng)用質(zhì)子極性酸實(shí)現(xiàn)了另一優(yōu)點(diǎn)。質(zhì)子極性酸提高 了藻類生長，并且，當(dāng)由兩性板供電時(shí)澄清了水，因而消除了使用金屬離子的要求。
[0014] 在一種實(shí)施方式中，本發(fā)明實(shí)施為用于藻類收獲和脫水的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括能夠 容納藻類溶液的容器；置于容器內(nèi)的陰極；置于容器內(nèi)的、與陰極呈約1英寸到約10英寸 的距離的陽極；以及與陰極和陽極電連接的電壓源。電壓源被設(shè)置用于在容器容納了藻類 溶液時(shí)在陰極與陽極之間提供電壓。陰極與陽極之間的電壓導(dǎo)致在藻類溶液中形成氫氣氣 泡，其附著于藻類溶液中的藻類細(xì)胞，導(dǎo)致藻類細(xì)胞漂浮到藻類溶液的表面。
[0015] 在另一實(shí)施方式中，本發(fā)明實(shí)施為用于藻類收獲和脫水的方法。該方法包括把藻 類溶液提供給藻類脫水設(shè)備。藻類脫水設(shè)備包含能夠容納藻類溶液的容器；置于容器內(nèi)的 陰極；置于容器內(nèi)的、與陰極呈約1英寸到約10英寸的距離的陽極。然后，在陰極與陽極之 間提供電壓，導(dǎo)致在陰極形成氫氣氣泡，所述氣泡穿過藻類溶液并同時(shí)附著于藻類細(xì)胞并 且使藻類細(xì)胞漂浮到藻類溶液的表面。接著，由表面移除漂浮的藻類細(xì)胞。
[0016] 在另一實(shí)施方式中，本發(fā)明實(shí)施為用于從生長培養(yǎng)基收獲藻類和使藻類脫水的方 法。在至少一個(gè)陽極與至少一個(gè)陰極之間生成電場，該至少一個(gè)陽極與至少一個(gè)陰極浸沒 在含有藻類的生長培養(yǎng)基內(nèi)。所述至少一個(gè)陽極與至少一個(gè)陰極被設(shè)置用于在生成電場時(shí) 在生長培養(yǎng)基內(nèi)生成氫氣泡或氧氣泡。氫氣泡或氧氣泡附著于生長培養(yǎng)基內(nèi)的藻類，導(dǎo)致 藻類漂浮到生長培養(yǎng)基的表面。接著，由生長培養(yǎng)基的表面移除漂浮的藻類。
[0017] 該概述提供用于以簡化的形式介紹精選的發(fā)明構(gòu)思，其在以下的【具體實(shí)施方式】中 還將被進(jìn)一步說明。本概述并不旨在識(shí)別所要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵特征或必要特征。
[0018] 本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在下面的說明中闡述，并且部分上將從說明中顯而易 見，或者可以通過本發(fā)明的實(shí)踐而得知。本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)可以通過在權(quán)利要求書中特 別指出的手段和組合來實(shí)現(xiàn)和獲得。本發(fā)明的這些特征和其他特征將由下面的說明和權(quán)利 要求書而變得更加顯而易見，或者可以通過實(shí)施下文中所述的本發(fā)明而得知。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 為了描述能夠獲得本發(fā)明的上述以及其他優(yōu)點(diǎn)和特征的方式，上面簡要描述的本 發(fā)明的更具體描述將參照呈現(xiàn)在附圖中示出的【具體實(shí)施方式】。要理解的是，這些附圖僅描 繪了本發(fā)明的典型實(shí)施方式，并且因此不被視為是對其范圍的限制，本發(fā)明將通過使用附 圖以附加特征和細(xì)節(jié)來描述和解釋，在附圖中：
[0020] 圖1A和1B示出示例性的分批處理系統(tǒng)，其中，藻類可以根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式脫 水；
[0021] 圖2示出結(jié)合到水道（raceway)中的收獲系統(tǒng)；
[0022] 圖3A-3D示出另一示例性的藻類收獲系統(tǒng)；以及
[0023] 圖4示出能夠用于本發(fā)明的一些實(shí)施方式中的電極配置的變化形式。

【具體實(shí)施方式】
[0024] 本發(fā)明一般性地涉及以簡單、低成本的途徑來收獲藻類的系統(tǒng)的方法。本發(fā)明的 實(shí)施產(chǎn)生一種生物質(zhì)，該生物質(zhì)隨后可被裂解用于油分離，而把澄清的、富集養(yǎng)分的水返回 給生長系統(tǒng)。通過在策略性放置的位置中使用短期爆發(fā)的能源而減少了絮凝的成本。這些 能量爆發(fā)可以在生長系統(tǒng)內(nèi)或者在獨(dú)立的分批處理器中實(shí)施。
[0025] 通過在生長和/或提取系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)用質(zhì)子極性酸實(shí)現(xiàn)了另一優(yōu)點(diǎn)。質(zhì)子極性酸提高 了藻類生長，并且，當(dāng)由兩性板供電時(shí)澄清了水，因而消除了使用金屬離子的要求。
[0026] 在一種實(shí)施方式中，本發(fā)明實(shí)施為用于藻類收獲和脫水的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括能夠 容納藻類溶液的容器；置于容器內(nèi)的陰極；置于容器內(nèi)的、與陰極呈約1英寸到約10英寸 的距離的陽極；以及與陰極和陽極電連接的電壓源。電壓源被設(shè)置用于在容器容納了藻類 溶液時(shí)在陰極和陽極之間供應(yīng)電壓。陰極與陽極之間的電壓導(dǎo)致在藻類溶液中形成氫氣氣 泡，其附著于藻類溶液中的藻類細(xì)胞，導(dǎo)致藻類細(xì)胞漂浮到藻類溶液的表面。
[0027] 在另一實(shí)施方式中，本發(fā)明實(shí)施為用于藻類收獲和脫水的方法。該方法包括把藻 類溶液提供給藻類脫水設(shè)備。藻類脫水設(shè)備包含能夠容納藻類溶液的容器；置于容器內(nèi)的 陰極；置于容器內(nèi)的、與陰極呈約1英寸到約10英寸的距離的陽極。然后，在陰極與陽極之 間提供電壓，導(dǎo)致在陰極形成氫氣氣泡，所述氣泡穿過藻類溶液并同時(shí)附著于藻類細(xì)胞并 且使藻類細(xì)胞漂浮到藻類溶液的表面。接著，由表面移除漂浮的藻類細(xì)胞。
[0028] 在另一實(shí)施方式中，本發(fā)明實(shí)施為用于從生長培養(yǎng)基收獲藻類和使藻類脫水的方 法。在至少一個(gè)陽極與至少一個(gè)陰極之間生成電場，該至少一個(gè)陽極與至少一個(gè)陰極浸沒 在含有藻類的生長培養(yǎng)基中。所述至少一個(gè)陽極與至少一個(gè)陰極被設(shè)置用于在生成電場時(shí) 在生長培養(yǎng)基內(nèi)生成氫氣泡或氧氣泡。氫氣泡或氧氣泡附著于生長培養(yǎng)基內(nèi)的藻類，導(dǎo)致 藻類漂浮到生長培養(yǎng)基的表面。接著，由生長培養(yǎng)基的表面移除漂浮的藻類。
[0029] 現(xiàn)在，參考附圖給出對本發(fā)明的實(shí)施方式的描述。預(yù)期的是，本發(fā)明可以采取多種 其他的形式和形狀，因此，下面的公開內(nèi)容旨在是說明性的，而非限制性的，并且本發(fā)明的 范圍應(yīng)當(dāng)參照權(quán)利要求書來確定。
[0030] 除非另有定義，所用所有技術(shù)術(shù)語在本文中具有與本發(fā)明的實(shí)施方式所屬技術(shù)領(lǐng) 域中的普通技術(shù)人員的通常理解相同的含義。
[0031] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，藻類生長培養(yǎng)基按以下方式絮凝，即，導(dǎo)致藻類細(xì)胞漂浮到 使其可以被簡單地提?。ɡ缡褂冒遥┑谋砻嫔稀？梢杂秒姌O給生長培養(yǎng)基施加電場。電 場增加溶劑和溶質(zhì)之間的界面電勢，并且產(chǎn)生氫氣和氧氣的微米尺寸的氣泡，這些氣泡將 聚集的藻類提升至表面。
[0032] 該工藝和方法米用策略性放置的、產(chǎn)生氫氣和氧氣的雙極電極板。微型的氣體氣 泡把生物質(zhì)從溶液中絮凝出來，同時(shí)使水澄清，以便再利用到藻類生長系統(tǒng)中。然后，可以 處理聚集的藻類，以便使用在要求無化學(xué)品并且經(jīng)脫水的產(chǎn)品的應(yīng)用中，正如對生物燃料、 藥品或食品所要求的一樣。
[0033] 本發(fā)明的一些實(shí)施方式利用引入的質(zhì)子溶劑，例如甲酸、正丁醇、異丙醇、正丙醇、 乙醇、甲醇以及乙酸，它們被認(rèn)為是對總體的藻類生長系統(tǒng)良性的。此外，能夠使用的電極， 例如電解板和/或電解棒也是對藻類生長系統(tǒng)良性的。
[0034] 在一種實(shí)施方式中，例如在圖1A和1B中所示出的，使用分批處理系統(tǒng)，其中，生長 成熟的藻類儲(chǔ)備物通過密圍式構(gòu)造（enclosure)進(jìn)行處理，在那里發(fā)生電絮凝過程以基本 上完全使產(chǎn)品絮凝。圖1A示出了儲(chǔ)槽1的側(cè)視圖，而圖1B示出了儲(chǔ)槽1的俯視圖。
[0035] 生長培養(yǎng)基被封閉在儲(chǔ)槽1中，在此，該生長培養(yǎng)基與底部電極板4以及兩個(gè)頂部 的雙極電極棒2形成接觸。電池5在電極板4與電極棒2之間施加電壓差（其可能與圖中 所示相反），因此導(dǎo)致電流流過生長培養(yǎng)基。該電流導(dǎo)致生長培養(yǎng)基絮凝。
[0036] 在其他絮凝技術(shù)中，經(jīng)常難于從生長培養(yǎng)基分離絮凝的藻類細(xì)胞，并且通常要求 使用使藻類細(xì)胞不適用于許多應(yīng)用的化學(xué)品或技術(shù)。然而，本發(fā)明使用氫和氧的小氣泡來 附著于藻類細(xì)胞叢，并且將這些細(xì)胞叢提升至生長培養(yǎng)基的表面。一旦到達(dá)表面，絮凝的產(chǎn) 品則通過板6排出，以便用于進(jìn)一步處理。雖然示出了單獨(dú)的板4以及兩個(gè)棒2,但是也可 以使用不同數(shù)量的板4和/或棒2。
[0037] 此外，在一些實(shí)施方式中，生長培養(yǎng)基能夠被注入例如甲酸、正丁醇、異丙醇、正丙 醇、乙醇、甲醇以及乙酸的質(zhì)子溶劑的稀釋溶液，例如約0.05體積％的稀釋溶劑。在電絮凝 工藝的電場生成時(shí)，或者在分批處理工藝即將發(fā)生之前，可以把所述溶液混入到基質(zhì)中。目 前在測試中使用的電壓基本恒定為約12伏；然而，取決于原料的密度及其對歐姆定律的影 響，電流強(qiáng)度可能從約5安培到約10安培變化。
[0038](一個(gè)或多個(gè)）板4、（一個(gè)或多個(gè)）電極棒2、或者其他電極應(yīng)當(dāng)由相對惰性和良 性的、不給最終產(chǎn)品或生長水帶來污染的金屬構(gòu)成，因此，使得生長水能夠被再利用。但是， 在不關(guān)心生長水的再利用和/或收集的產(chǎn)品的污染時(shí)，可以使用非良性金屬。為了能夠再 利用生長水，不可以使用例如銅的金屬，這是因?yàn)樗鼈兪浅鍎?。不銹鋼隨時(shí)間會(huì)劣化并且 給生長水帶來鉻。因此，碳、鋁和鉬族金屬是通常被視為安全的，并且為本工藝所優(yōu)選。
[0039] 測試表明，該設(shè)備能夠以12v的直流電和9. 5安培的恒定電流，在1. 50分鐘內(nèi)絮 凝350mg/l的藻類儲(chǔ)備物來完全澄清水，同時(shí)藻類像鋪毯子樣的位于表面上。在實(shí)驗(yàn)中，在 儲(chǔ)槽頂部和長度上僅使用一個(gè)鋁棒作為陽極。
[0040] 下部板4與（一個(gè)或多個(gè)）上部棒2之間的距離可以在約1英寸與約10英寸之 間變化，以便使得所生成的氧氣泡和氫氣泡能夠自由向上流動(dòng)。在陽極棒2上的微小氧氣 泡以及在陰極板4上的微小氫氣泡的生成產(chǎn)生了絮凝所需的氣泡。
[0041] 如以上所討論的，圖1示出了適用于從生長培養(yǎng)基分批絮凝藻類的實(shí)施方式。圖 1的分批處理設(shè)備能夠可操作地與藻類生長系統(tǒng)偶聯(lián)，并且隨著藻類充分生長的發(fā)生，不時(shí) 地可以將分批的生長培養(yǎng)基從藻類生長系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到圖1的分批處理設(shè)備。如以上所討論 的，在電絮凝后剩余的生長培養(yǎng)基（其可能是營養(yǎng)密集的）能夠被返還給藻類生長系統(tǒng)，以 便再利用。
[0042] 或者，本發(fā)明的實(shí)施方式能夠被直接納入到藻類生長系統(tǒng)，以使得電絮凝工藝能 夠如所需地間歇性地或者甚至是連續(xù)地發(fā)生在生長系統(tǒng)內(nèi)。圖2示出了這樣的配置。圖2 的系統(tǒng)包括水道20,藻類在此生長并且以預(yù)定的方式滋養(yǎng)。在該實(shí)施方式中，生長培養(yǎng)基以 順時(shí)針方式流動(dòng)，并且在生長培養(yǎng)基行進(jìn)通過水道20包含電絮凝設(shè)備的部分時(shí)，通過直流 發(fā)電機(jī)（未不出）、底部電極板4以及（一個(gè)或多個(gè)）雙極電極棒2,所述培養(yǎng)基被電聚集 (electro-flocked)。生物質(zhì)通過堪16收集。
[0043] 因此，當(dāng)本發(fā)明的特征實(shí)施在連續(xù)生長系統(tǒng)生物質(zhì)提取系統(tǒng)中時(shí)，所述設(shè)備被安 置在水池、水道或其他生長系統(tǒng)的流體流內(nèi)，并且手動(dòng)地或自動(dòng)地啟動(dòng)（例如通過分布式 控制系統(tǒng)，其通過例如pH、0RP、密度、比色計(jì)讀數(shù)或者細(xì)胞計(jì)數(shù)等等度量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判定）， 從而，實(shí)現(xiàn)了在定時(shí)的時(shí)間間隔來提取成熟細(xì)胞而適當(dāng)?shù)胤峙潆娏鳎瑫r(shí)維持了整體基質(zhì) 的完整性。
[0044] 無論本發(fā)明的實(shí)施方式是如圖1中所示的分批處理實(shí)施方式或是如在圖2中所示 的連續(xù)處理實(shí)施方式，已發(fā)現(xiàn)的是，在生長階段期間向生長培養(yǎng)基灌輸微小比例的良性質(zhì) 子溶劑是有益于增強(qiáng)生長周期的。生長培養(yǎng)基中存在的質(zhì)子溶劑在電絮凝時(shí)額外地充當(dāng)有 利于使藻類與生長培養(yǎng)基分離的澄清劑。這可能是由于：當(dāng)存在質(zhì)子溶劑時(shí)促進(jìn)了氫氣微 氣泡在陰極的形成。
[0045] 在這些系統(tǒng)的使用中，作為水解過程的結(jié)果生成了眾多的氫氣和氧氣。氣體將其 本身附著于藻類細(xì)胞，并且把這些藻類細(xì)胞攜帶到生長培養(yǎng)基頂部，有效地減少了要不然 則是中性密度的藻類細(xì)胞。以這種形式，氣體和藻類形成一種成為絮凝物的固有部分的團(tuán) 簇（mat)。盡管可以以其中在絮凝物中存在氫氣（和/或氧氣）的組成方式來使用絮凝物， 但是可以針對這種高價(jià)值氣體設(shè)計(jì)回收系統(tǒng)并且用于節(jié)能減排或其他用途，由此收回一部 分在水解中使用的輸入能量。
[0046] 圖3A-3D示出示例性的容器310,本發(fā)明的藻類收獲技術(shù)可以在該容器中實(shí)施。容 器310包括陰極板311以及一系列堆疊的陽極棒312和陰極棒313。然而，如在圖1和圖2 中所示，陰極棒313不是必需的。還可以如在圖4中所示出的那樣在容器310內(nèi)使用電極 的其他配置。容器310還包括傳送器315 (具有耙315a和315b)以及傳送器316,所述傳送 器用于從容器310移除藻類細(xì)胞并且如還要進(jìn)一步描述的那樣將其移入到收集器314中。 還可以如在本領(lǐng)域中所公知的那樣使用其他從生長培養(yǎng)基的表面移除藻類的方式。
[0047] 圖3A示出當(dāng)絮凝的藻類細(xì)胞存在于生長培養(yǎng)基內(nèi)時(shí)容器310的狀態(tài)。在一些實(shí) 施方式中，可以把已經(jīng)包含經(jīng)絮凝的藻類細(xì)胞的生長培養(yǎng)基引入到容器310中。在另一些 實(shí)施方式中，可以把具有不同濃度藻類細(xì)胞的生長培養(yǎng)基引入到容器310中。例如，可以如 圖1那樣引入包含馬上可用于絮凝的藻類的生長培養(yǎng)基，或者可以如圖2那樣引入在絮凝 之前需要額外的藻類生長的生長培養(yǎng)基。
[0048] 如以上所述，用于分離生長培養(yǎng)基和藻類的現(xiàn)有方法是復(fù)雜的、昂貴的、并且經(jīng)常 是對于藻類不利的，這使得這些方法不適于回收打算用于某些目的的藻類。相反，本發(fā)明提 供了一種對于回收藻類細(xì)胞簡單并且安全的方法。該方法包括用電極311、312,以及在一 些情況下的電極313,給生長培養(yǎng)基施加電場。在一些情況下，該電場可以導(dǎo)致在生長培養(yǎng) 基中的藻類細(xì)胞如圖3A所示的那樣絮凝成細(xì)胞叢（例如，如果在把生長培養(yǎng)基引入到容器 310之前還沒有形成細(xì)胞叢,或者通過生長細(xì)胞叢的尺寸）。在一些實(shí)施方式中，細(xì)胞叢可 以在1mm與4mm之間。
[0049] 除了形成細(xì)胞叢，電極還可以被配置用于導(dǎo)致形成氫氣和氧氣氣泡，它們粘附到 細(xì)胞叢上并且將這些細(xì)胞叢提升到表面，如其在圖3B中所示出的那樣。在一些實(shí)施方式 中，還可以給生長培養(yǎng)基加入質(zhì)子溶劑，來加強(qiáng)藻類細(xì)胞的絮凝，以及加強(qiáng)已絮凝的藻類與 生長培養(yǎng)基的分離。
[0050] 圖3C示出在藻類細(xì)胞叢漂浮到表面后容器310的狀態(tài)。圖3C還示出，在漂浮的 細(xì)胞叢下的剩余生長培養(yǎng)基是基本上澄清的，這表明，該工藝對于生長培養(yǎng)基與藻類的分 離是非常高效的。于是，可以再利用養(yǎng)分密集的生長培養(yǎng)基。
[0051] 最后，圖3D示出如何移除漂浮的藻類細(xì)胞的示例。如所示，可以用耙315a、315b 進(jìn)行所述移除，這些耙在生長培養(yǎng)基的表面上方旋轉(zhuǎn)，以便把藻類細(xì)胞耙向傳送器316。旋 轉(zhuǎn)傳送器316,以便把耙出的藻類細(xì)胞轉(zhuǎn)移到收集器314中，其可以在該收集器中被收回以 便用于進(jìn)一步加工。因此，該工藝獲得了高度脫水的、能夠容易地運(yùn)送和使用的生物質(zhì)。
[0052] 圖3A-3D通常代表以分批方式施行的工藝（S卩，在加入任何新的藻類細(xì)胞之前，對 全部生長培養(yǎng)基進(jìn)行完全絮凝）。然而，在一些實(shí)施方式中，該工藝可以在連續(xù)的基礎(chǔ)上進(jìn) 行，例如周期性加入新的、含有藻類（無論是否絮凝到一定程度）的生長培養(yǎng)基。
[0053] 圖4示出可以用在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中的電極可選布置。如所示，可以把電 極布置成三層結(jié)構(gòu)。還可以使用其他配置。還可以在層之間使用不同的間距。
[0054] 實(shí)駘結(jié)果
[0055] 進(jìn)行以下測試以對上述本發(fā)明實(shí)施方式所闡明的原理進(jìn)行評估。測試結(jié)果被包括 用于示明在此討論的原理，而并非意在限制本發(fā)明的范圍。此外，在一些測試中使用了銅 (Cu)電極，但是根據(jù)以上的討論要理解的是，用于銅的殺藻特性，通常不在要再利用生長培 養(yǎng)基的情況下使用銅電極，
[0056] 測丨試1
[0057] 該測試要確定MX (在美國專利No. 6, 279, 611中公開的瞬態(tài)空化發(fā)生器和混合器， 所述專利作為引用文獻(xiàn)納入本發(fā)明）在絮凝處理、細(xì)胞破裂和如果存在的話，其他輔助益 處中的價(jià)值。
[0058] 在數(shù)次試錯(cuò)法運(yùn)行之后，該測試配置如下：1)MX注射石灰水（Kalkwasser)(經(jīng)過 濾的氫氧化鈣水摻混物）；2)施加電流來使藻類破裂；3)回收產(chǎn)品（絮凝物）；以及4)在 三個(gè)不同的階段對細(xì)胞裂解的證據(jù)進(jìn)行分析。
[0059] 當(dāng)遵循以下規(guī)程時(shí)，取得了最令人感興趣的結(jié)果：1)通過MX把1升高 pH(11.4)的石灰水漿料注射到5升良好密度（約500mg/l)的、在鹽水中的微綠球藻 (nannocholoropsis)中，并且在微米級循環(huán)1分鐘。2)得到的產(chǎn)品在〈1分鐘內(nèi)增加約1 個(gè)pH值（8. 4到9. 2)。3)兩個(gè)棒：錯(cuò)棒和銅棒被放置在儲(chǔ)槽的任一側(cè)，并且其長度為儲(chǔ)槽 的全長，所述儲(chǔ)槽與電壓發(fā)生器連接；4)以+/-6. 0伏特以及3. 25安培施加電荷2分鐘。
[0060] 可見的結(jié)果是徹底的細(xì)胞裂解以及在滑道（slide)上形成似乎是疏水性的液滴。 盡管該液滴看起來像油并且像油那樣反應(yīng)，但是對結(jié)論擴(kuò)展的話，其是任意類型的脂類。然 而，如在三幅顯微照片中記錄的那樣，非常有說服力地破壞了細(xì)胞。
[0061] 觀測結(jié)果：只要兩個(gè)棒（陽極和陰極）隔開的距離是儲(chǔ)槽的整個(gè)寬度，那么經(jīng)由這 兩個(gè)棒（陽極和陰極）在水中施加的電力就是有效的?？s小間隙降低了電流強(qiáng)度和電壓， 以至于沒有裂解效果或者極度增加了裂解時(shí)間。在一些測試中在產(chǎn)品被裂解時(shí)似乎存在與 m/s(微西門子）的增加的相關(guān)性：這還沒有被完全證實(shí)，然而可能被證明是來確定裂解的 可能的度量標(biāo)準(zhǔn)。
[0062] 在起電之前使用高pH表現(xiàn)得輔助裂解過程。在裂解之前使用高pH表現(xiàn)得在更短 的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的絮凝物。使用微米氣泡混合通過對整個(gè)基質(zhì)進(jìn)行近即時(shí)調(diào)整，增強(qiáng)了 pH管理的過程。這在大規(guī)模操作中是具有價(jià)值的。
[0063] 針對短周期（約2分鐘），在用于電絮凝和細(xì)胞裂解的儲(chǔ)槽中使用的棒具有低電 壓（6伏特以及3. 25安培）。MX在該電階段期間連續(xù)運(yùn)行來使基質(zhì)大幅分散；基質(zhì)包含非 常大量的、從陰極剝離下來的氫。在具有這種攪拌以及沒有這種攪拌的情況下完成其他測 試，來確定微細(xì)化步驟在電絮凝/裂解中的價(jià)值。要注意的是，陰極不是在銅棒上，而是在 鋁棒上，從而減少了 Cu20的產(chǎn)生。（陰極在這種情況下用于分解生物材料并且被插入到該 電壓發(fā)生器的負(fù)級側(cè)，而正極側(cè)插入銅。）在這種電平下，產(chǎn)生A120(氧化鋁）要難很多，并 且發(fā)現(xiàn)的陰極降解比銅陰極會(huì)發(fā)生的陰極降解少很多。
[0064] 測試 2
[0065] 規(guī)程：儲(chǔ)槽被設(shè)置有置于儲(chǔ)槽底部的陽極板。離陽極（Cu)約4英寸設(shè)置陰極條 (A1)。陽極和陰極的長度為所述儲(chǔ)槽的長度。把低密度的藻類溶液（約200mg/l)傾倒入 儲(chǔ)槽中使其剛好超過陰極板，對產(chǎn)品進(jìn)行MX循環(huán)。在泵驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品微氣泡化同時(shí)施加低電 壓：4伏特以及3. 25安培。當(dāng)所有的進(jìn)程停止時(shí)，整個(gè)混合物運(yùn)行了兩分鐘的時(shí)間。
[0066] 視覺效果：使所有生物質(zhì)快速地漂浮到頂部，并且在約一分鐘以內(nèi)絮凝。物質(zhì)呈現(xiàn) 綠色，無可見褪色。此時(shí)，可以容易地撇去該物質(zhì)。拍攝顯微照片并且顯示了大規(guī)模的細(xì)胞 膨脹以及破裂的證據(jù)。所述物質(zhì)的大部分在儲(chǔ)槽的頂部存留24小時(shí)，表明了高濃度的、t匕 水更輕的產(chǎn)品的可能性。
[0067] 結(jié)論：長度為儲(chǔ)槽的長度并且被分隔開許多英寸的兩個(gè)板的構(gòu)思是有效的。大規(guī) 模的"破裂用儲(chǔ)槽"的構(gòu)思是可能的，其基礎(chǔ)設(shè)施成本極低以及運(yùn)營能源成本低廉。當(dāng)對氫 氣、氧氣以及生物質(zhì)進(jìn)行強(qiáng)烈混合時(shí)，微氣泡表現(xiàn)得有助于絮凝生物質(zhì)。當(dāng)微氣泡泵停止 時(shí)，氣泡上升到頂部，從而提升了工藝。
[0068] 通過這種方法，可以設(shè)計(jì)大規(guī)模的快速聚集和破裂用儲(chǔ)槽。要注意的是，沒有使用 化學(xué)品促進(jìn)絮凝。因此，剩余的水可以無需更多處理或者凈化地返還到循環(huán)中。還應(yīng)當(dāng)注 意的是，在儲(chǔ)器的頂部產(chǎn)生了大量的、可以被收獲的氫氣。本工藝違背了板緊密靠近的現(xiàn)行 辦法，并且還提供了直接置于基質(zhì)頂部的"漂浮陰極"，據(jù)此，其連續(xù)地提供了正電流來絮凝 生物質(zhì)。
[0069] 測試 3
[0070] 規(guī)程：研究在絮凝/破裂系統(tǒng)中使用MX和不使用MX之間的區(qū)別。對兩種冋樣數(shù) 量的產(chǎn)品進(jìn)行了處理。密度表現(xiàn)為約400mg/l的良好產(chǎn)品。
[0071] 第一份由兩個(gè)板電解。初始電壓為3. 0和3. 25安培。11分鐘后，物質(zhì)開始絮凝， 而電壓躍升至4. 5伏特。停止施加電壓并且對現(xiàn)在已經(jīng)絮凝的物質(zhì)進(jìn)行微觀檢測。其顯現(xiàn) 出破裂以及可見的、從細(xì)胞中滲出的物質(zhì)。
[0072] 第二份在通電情況下以MX處理2分鐘；初始電壓為3. 0V和3. 25安培。停止MX， 而電解工藝?yán)^續(xù)3分鐘，實(shí)現(xiàn)了電壓至4. 5伏特的同樣的躍升。對生物質(zhì)的檢測顯現(xiàn)出大 幅的破裂，并且物質(zhì)完全集聚到頂部。
[0073] 結(jié)論：1)細(xì)胞破裂以及絮凝顯現(xiàn)出與電壓增加的相關(guān)性，使其具有作為確定細(xì)胞 在何時(shí)破裂的度量標(biāo)準(zhǔn)的可能。2)表明了，MX使生產(chǎn)時(shí)間減半。這是否是一種優(yōu)點(diǎn)還需要 通過成本分析以及生物質(zhì)質(zhì)量來確定。3)這種破裂藻類的方法非?？焖佟⒂行?，并且很有希 望成為裂解和絮凝的方法。4)在這種情況下，生物質(zhì)具有高出很多的密度：app:約400mg/ 1，并且該工藝良好而有效地工作。
[0074] 本發(fā)明能夠以其他具體形式來實(shí)施而不脫離其精神或基本特征。所述實(shí)施方式在 所有方面都應(yīng)當(dāng)被當(dāng)做僅是說明性的而不是限制性的。因此，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求書 而不是由前面的描述來表示。在權(quán)利要求書的等同物的含義和范圍內(nèi)的所有變化都落入其 范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于藻類收獲和脫水的系統(tǒng)，其包含： 能夠容納藻類溶液的容器； 置于所述容器內(nèi)的陰極； 置于所述容器內(nèi)的、與所述陰極呈約1英寸與約10英寸之間的距離的陽極； 與所述陰極以及所述陽極電連接的電壓源，所述電壓源被配置用于在所述容器容納 有所述藻類溶液時(shí)在所述陰極與所述陽極之間提供電壓，其中，在所述陰極與所述陽極之 間的電壓導(dǎo)致在所述藻類溶液中形成氫氣氣泡，所述氣泡附著于所述藻類溶液中的藻類細(xì) 胞，導(dǎo)致所述藻類細(xì)胞漂浮到所述藻類溶液的表面。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述陰極是板并且所述陽極是多個(gè)陽極棒中的 一個(gè)，所述多個(gè)陽極棒中的每個(gè)都以約1英寸與約10英寸之間的距離置于陰極板上方。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括： 多個(gè)陰極棒，所述多個(gè)陰極棒中的每個(gè)都以1英寸與10英寸之間的距離置于陽極棒上 方。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括： 以1英寸與10英寸之間的距離放置在所述陽極棒上方的第二陰極板。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述陰極和陽極是板。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括： 多個(gè)陰極棒，所述多個(gè)陰極棒中的每個(gè)都以1英寸與10英寸之間的距離置于陽極板上 方。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述陰極包含多個(gè)陰極棒，并且所述陽極包含多 個(gè)陽極棒，所述多個(gè)陽極棒中的每個(gè)都以約1英寸與約10英寸之間的距離置于相應(yīng)的陰極 棒上方，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括： 第二多個(gè)陰極棒，其中的每個(gè)都以1英寸與10英寸之間的距離置于相應(yīng)的陽極棒上 方。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)被納入到水道中。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述陰極或陽極的一個(gè)或多個(gè)包含氧化銥涂覆 的鈦。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述容器是溝槽。
11. 一種用于藻類收獲和脫水的方法，其包含： 把藻類溶液供應(yīng)給藻類脫水設(shè)備，所述藻類脫水設(shè)備包含： 能夠容納藻類溶液的容器； 置于所述容器內(nèi)的陰極； 置于所述容器內(nèi)的、與所述陰極呈約1英寸與約10英寸之間的距離的陽極； 在所述陰極與陽極之間提供電壓，導(dǎo)致在所述陰極形成氫氣氣泡，所述氣泡穿過藻類 溶液并同時(shí)附著于藻類細(xì)胞并且使所述藻類細(xì)胞漂浮到所述藻類溶液的表面；以及 由所述表面移除漂浮的藻類細(xì)胞。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，所述方法進(jìn)一步包括： 給所述藻類溶液加入質(zhì)子溶劑。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述質(zhì)子溶劑包含甲酸、正丁醇、異丙醇、正丙 醇、乙醇、甲醇或乙酸中的一種。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述甲酸、正丁醇、異丙醇、正丙醇、乙醇、甲醇 和乙酸中的一種以約0. 05體積％的濃度加入。
15. -種用于從生長培養(yǎng)基收獲藻類和使藻類脫水的方法，所述方法包含： 在至少一個(gè)陽極與至少一個(gè)陰極之間生成電場，所述至少一個(gè)陽極與至少一個(gè)陰極浸 沒在含有藻類的生長培養(yǎng)基中，所述至少一個(gè)陽極與所述至少一個(gè)陰極被設(shè)置用于在生成 所述電場時(shí)在所述生長培養(yǎng)基內(nèi)生成氫氣泡或氧氣泡，所述氫氣泡或氧氣泡附著于所述生 長培養(yǎng)基內(nèi)的藻類，導(dǎo)致所述藻類漂浮到所述生長培養(yǎng)基的表面；以及 由所述生長培養(yǎng)基的表面移除漂浮的藻類。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述至少一個(gè)陽極和所述至少一個(gè)陰極包含 放置在一個(gè)或多個(gè)陽極棒下方的陰極板。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述至少一個(gè)陽極和所述至少一個(gè)陰極包含 三層堆疊，所述三層堆疊包括底部陰極層、中間陽極層、以及頂部陰極層。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述底部陰極層包含板、并且所述中間陽極層 包含多個(gè)陽極棒。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述生長培養(yǎng)基含有乙酸以增強(qiáng)所述藻類與 所述生長培養(yǎng)基的分離。
20. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述電場導(dǎo)致所述藻類絮凝成細(xì)胞叢，所述氫 氣泡或氧氣泡附著于所述細(xì)胞叢，由此使所述細(xì)胞叢漂浮到所述表面。
【文檔編號】C02F3/32GK104203840SQ201380006431
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2013年1月30日 優(yōu)先權(quán)日:2012年1月30日
【發(fā)明者】尼古拉斯·?？藸柊倮? 申請人:源油公司