专利名称：用于水生生物加工的方法和系统的制作方法
用于水生生物加工的方法和系统
相关申请的交叉引用。基于35U. S. C. 119 (e)，本申请要求2010年3月17日提出的美国临时申请No. 61/314，736的优先权，在此将其全文引入作为参考。
背景技术：
海产蛋白源通常被用于饲料中，因为它们是优异的必需氨基酸、脂肪酸、维生素和矿物质的来源，并且因为它们普遍增强适口性。在饲料工业中，可以使用替代性的组分来代替鱼粉。出于这个原因，已经对用较低价值的组分来取代昂贵的海产蛋白进行了许多研究。相当多的注意力致力于用植物蛋白来代替鱼粉；浮萍(Iemnae),作为一种天然蛋白源，与大多数其他植物蛋白相比具有更好的必须氨基酸分布，更接近于动物蛋白。新收获的浮萍包含基于干重高达43%的蛋白质，无需进一步加工即能用做鱼类的完全饲料。与绝大部分其他植物相比，浮萍叶包含很少的纤维(栽培植物干重的5%)和甚至对于单胃动物来说，少到基本上没有的不可消化物质。这和许多农作物例如大豆、稻米和玉米的组成形成鲜明对比，几乎50%的它们的生物质中包含高含量纤维和低消化性的残渣。浮萍是来自浮萍科(duckweed family),也被称为浮萍科(Lemnaceae family),自由游动属的水生植物。已经发现这种生长迅速的植物在基础植物生物学、生态毒理学和在生物药品的生产的研究中用作模型系统，并在农业和水产养殖中用作动物饲料源。浮萍生物在水面上或在水面下长成单个的自由游动菌体。大部分很小，长度不超过5mm,除了品藻(lemna trisulca),它形状细长,具有分支结构。浮萍菌体有一个单根。这种植物基本上通过营养生殖生长。这种生长形式允许新水中非常迅速的移生。浮萍的快速生长发现可应用于污水的生物除污和用于环境研究中的测试生物。它也被用作复杂的生物制药的经济生产的表达系统。干燥浮萍可为优质牲畜饲料。它含有由干重测量25-45%的蛋白质(依赖于生长条件)，4. 4%脂肪和8-10%的纤维。浮萍可以通过提供来自各种来源例如牛粪、猪场废弃物、沼气厂泥浆或其他浆液形式有机物质的营养来有机养殖。
发明简述本发明的具体实施方式
提供了一种从水生生物的生物质中回收多种产品的工艺。该工艺可包括提供生物质；裂解生物质从而产生裂解的生物质；分离该裂解的生物质从而产生一种汁液和第一固相；使用汁液形成一种湿蛋白质浓缩物；干燥湿蛋白质浓缩物从而产生一种干蛋白质浓缩物；使用第一固相生产出一种湿生物质-原油；干燥生物质-原油从而产生至少一种选自干生物质-原油和富含碳水化合物的粉柏的产物；其中多种产物可包括选自干蛋白质浓缩物、干生物质-原油，以及富含碳水化合物的粉柏的产物；且其中多种产物中至少50%的蛋白质在干燥蛋白质浓缩物中。在一些实施方式中，提供的步骤可包括基于工业规模生产水生生物的生物质；并收获生物质。在一些实施方式中，分离步骤可以包括压榨裂解的生物质。同样，在一些实施方式中，该工艺可以包括过滤汁液从而形成经过滤的汁液和第二固相；澄清经过滤的汁液从而形成澄清的汁液和第三固相；从澄清汁液中凝固蛋白从而形成包括湿的蛋白质浓缩物的汤汁；以及从汤汁中分离湿的蛋白质浓缩物。在一些实施方式中，第一固相、第二固相、第三固相和汤汁中的至少一种可以用于回收生物原油和/或富含碳水化合物的粉柏。水生生物可以包括，例如，浮萍种。裂解可以包括使用至少一种球磨机、胶体磨、切碎机、锤式粉碎机、研磨机、打浆机和压滤机。压榨可包括使用至少一种带式压机、风扇压机、旋转式压机、螺旋压榨机、压滤机，以及精压机。汁液可包含可溶性蛋白。该工艺可包含压榨第一固相、第二固相，或第三固相中的至少一种从而产生一种第二汁液和生物质-原油。在一些实施方式中，第二汁液可以和汁液混合。同样，在一些实施方式中，可以使用螺旋压榨机进行进一步的压榨。在一些实施方式中，该工艺进一步可包括干燥生物质-原油。干燥可使用旋转闪蒸干燥器、喷雾干燥器、滚筒干燥器、气流干燥器、流化床干燥器、双滚筒干燥器和旋转干燥器中的至少一种而进行。过滤可使用振动分离器、振动筛过滤器、圆振动分离器、直线/倾斜振动筛、滗析离心机和压滤机中的至少一种而进行。振动分离器可包括至少一种振动筛过滤器。澄清可包括对经过滤的汁液的离心和/或进一步的过滤，例如像高速多盘堆栈离心机、微滤、超滤等中的至少一种。在一些实施方式中，澄清汁液可以被贮存在贮存罐中例如像冷藏储罐中。凝固可以包括降低澄清汁液的PH值，例如到低于约6，或低于约5，或到约4. 5或更低。降低pH值可包括使用至少一种选自盐酸、硝酸、硫酸等的酸。凝固可以使用包括至少一种热交换器例如像至少一个盘、或管、或蒸汽注入热交换器等的沉淀器而进行。凝固可包括将澄清汁液加热到第一温度从而产生汤汁；并使汤汁冷却到第二温度。在一些实施方式中，第一温度可以介于约40°C到约100°C，同样，例如，第二温度可以低于约40°C或低于约30°C。分离可包括使用高速多盘堆栈离心机。在一些实施方式中，湿的蛋白质浓缩物可以贮存在储存罐例如冷藏储罐中。该工艺进一步包括干燥湿的蛋白质浓缩物，产生干燥蛋白质浓缩物。干燥可使用例如喷雾干燥器、滚筒干燥器、旋转闪蒸干燥器、气流干燥器、流化床干燥器、双滚筒干燥器和旋转干燥器等而进行。在一些实施方式中，该工艺可包括使选自由第三固相和澄清汁液组成的组的物质和例如醇、溶剂、水等的至少一种接触,并进而使该物质和一种酸性催化剂接触，从而形成混合物，分离混合物得到液体和固体，由此，该物质中的油脂和灰分形式的组分等被分离进入液体中。该工艺进一步可包括在裂解之前或直接在裂解之后用水相溶剂等来洗涤生物质。本发明的一些实施方式还提供了从水生生物的生物质中回收多相产物的系统；该系统可包括，例如一个用于裂解生物质从而产生经裂解的生物质的裂解单元；一个用于分离经裂解的生物质从而产生一种汁液和一种固相的分离单元；一个利用该汁液用于形成湿的蛋白质浓缩物的单元；一个用于干燥湿的蛋白质浓缩物从而产生干燥蛋白质浓缩物的蛋白质干燥单元；以及一个用于干燥湿的生物质-原油从而产生至少一种选自干燥生物质-原油和富含碳水化合物粉柏的产物的单元，其中湿的生物质-原油可包含固相；其中多相产物可包括选自例如干燥蛋白质浓缩物、干燥生物质、富含碳水化合物的粉柏等的产物，其中多相产物中至少约50%的蛋白质是干燥的蛋白质浓缩物。裂解单元可包括至少一个选自胶体磨、切碎机、球磨机、锤式粉碎机、研磨机、打浆机和压滤机的装置。分离单元可包括至少一种选自带式压机、滗析离心机、风扇压机、旋转式压机、螺旋压榨机、压滤机，以及精压机的装置。利用该汁液形成湿的蛋白质浓缩物的单元可包括选自例如过滤单元、澄清单元、蛋白质凝固单元和蛋白质收集单元中的至少一个单元。在一些实施方式中，过滤单元可包括选自例如振动分离器、振动筛过滤器、圆振动分离器、直线/倾斜振动筛、滗析离心机、压滤机等中的至少一个装置。澄清单元可包括选自例如高速多盘堆栈离心机、微滤、超滤等中至少一个装置或工艺。在一些实施方式中，蛋白质凝固单元可包括选自例如一个热沉淀器、酸沉淀装置等中的至少一种装置。蛋白质收集单元可包括选自例如高速多盘堆栈离心机、沉降槽、澄清器和滗析离心机等中的至少一种装置。蛋白质干燥单元可包括选自例如喷雾干燥器、双滚筒干燥器、气流干燥器等中的至少一种装置。用于干燥生物质-原油的单元可包括选自例如流化床干燥器、旋转闪蒸干燥器、气流干燥器、滚筒干燥器、旋转干燥器等中的至少一种装置。同样，在一些实施方式中，系统可进一步包括清洁单元。
附图详述附
图1A是阐释为生物燃料原料和蛋白质浓缩物的浮萍产物示例性的流程图。附
图1B是阐释种植、收获和加工“微小农作物”的示例性工艺的方块图。附图2是阐释从新鲜浮萍中分离蛋白质的示例性工艺的流程图。附图3显示的是从螺旋压榨机所得干燥蛋白质(干燥的蛋白质浓缩物)的相对产量和生物质-原油的相对产量的柱状图。附图4显示的是如附图2中所示工艺中产生的湿的蛋白质浓缩物的水分含量实例的柱状图。附图5显示的是由附图2所示工艺中产生的每批次的蛋白质纯度。附图6显示的是如附图2所示工艺中产生的生物质-原油的水分含量的柱状图。附图7显示的是如附图2所示工艺中产生的每批次生物质-原油组成的柱状图。附图8显示的是基于不同阶段试点农田的相对性能的柱状图。附图9显示的是新鲜浮萍经过如附图2中所示裂解和压榨后固体碎片实例的柱状图。附
图10显示的是如附图2中所示混合的汁液原料经过振动分离器后实例的柱状图。附
图11显示的是使用附
图10和附
图11中所示结果计算物质碎片的实例。附
图12显示的是如附图2所示经过滤的汁液藉由离心而得以澄清后对固体碎片的测试的实例的柱状图。附
图13显示的是为了使蛋白质凝固沉淀而沉淀经旋转过滤的汁液后对固体碎片的样品测试的柱状图。附
图14显示的是如附图2所示的喷雾干燥器的产物捕获效率实例的柱状图。附
图15显示的是在每个单元操作后的固体碎片实例的柱状图。附
图16阐释了如何基于单元操作通过的固体物质流量来计算蛋白质产量(干的蛋白质浓缩物)。附
图17阐释的是从浮萍中分离蛋白质的示例工艺的流程图。附
图18是附
图17中显示的从浮萍中分离蛋白质的阐释性示例工艺的更具体的流程图。
附
图19显示的是附
图17和附
图18中所示的工艺中通过单元操作的相对固体碎片。附图20显示的是在如附
图19中所示的提取脱水#1和提取脱水#2后如何计算物
质碎片。附图21阐释的是如何基于通过单元操作的固体物质流量来计算产量(干的蛋白质浓缩物)的实例。附图22显示的是如附
图17和附
图18中所示工艺中通过单元操作相对蛋白质回收的柱状图。附图23阐释的是基于通过单元操作的蛋白质物质流量如何计算蛋白质产量的一个实例。附图24显示的是原料(处理过的)汁液藉由离心而得以澄清之后固体碎片的柱状图。附图25显示的是为使蛋白凝聚对澄清的汁液进行巴氏杀菌后的固体碎片的柱状图。附图26显示的是为使蛋白质分离，使在蛋白质凝固期间产生的汤汁经历离心的柱状图。附图27显示的是湿的蛋白质浓缩物通过喷雾干燥而干燥后相对固体碎片的柱状图。附图28显示的是附图24-27中所示的固体物质流实例的测试协议方案。附图29阐释的是从新鲜浮萍中分离蛋白质和其他产物的示例性工艺的流程图。附图30阐释的是从新鲜浮萍中分离蛋白质的示例性工艺的流程图。附图31阐释的是从新鲜浮萍中分离蛋白质的示例性工艺的流程图。附图32阐释的是用可选的pH调节和洗涤湿的蛋白质从新鲜浮萍中分离蛋白质的示例性工艺的流程图。附图33阐释的是和其他产物(例如生物质-原油)的生产一样，用逆混和可选的洗涤蛋白质从新鲜浮萍中分离蛋白质的示例性工艺的流程图。附图34阐释的是用逆混和向混合罐中加水，从新鲜浮萍中分离蛋白质的示例性工艺的流程图。附图35阐释的是用球磨机和滗析器，从新鲜浮萍中分离蛋白质和其他产物的示例性工艺的流程图。附图36阐释的是种植和收获新鲜浮萍的示例性工艺的流程图。附图37阐释的是从新鲜浮萍中分离蛋白质和其他产物的示例性工艺的流程图。附图38阐释的是从新鲜浮萍中分离蛋白质和其他产物的示例性工艺的流程图。
发明详述在一些实施方式中，用来描述和要求本申请的一些实施方式的表达组分数量、特性例如分子量、反应条件等的数值，应当被理解为在某些情况下由术语“大约”来修饰。相应地，在一些实施方式中，文字描述和附加的权利要求书中阐述的数字参数是近似值，可以基于某些实施方式中所期望获得的特性而变化。在一些实施方式中，数字参数可以根据报道的有效数字，并通过应用普通的凑整技巧来解释。尽管在本申请的一些实施方式的宽的范畴内数字范围和参数是近似值，然而在具体实施例中提及的数值是尽可能精确地报道的。说明书全文中对现有技术的任何讨论绝不应被看做对这些现有技术是众所周知的或是本领域普通常规技术的承认。除非在其他地方有明确规定，说明书和权利要求书全文中，词汇“包含comprise (s) ”、“包含 comprising”、“包括 include (s) ”、“包括 including” 等,应被解释为包含的含义，与独有的含义或详尽的含义正好相反，也即，“包括但不限于”的含义。浮萍科Lemnaceae (也称为浮萍duckweed)的植物种大量生长于世界的很多区域，同样，也已经因其潜在工业用途包括饲料应用而被广泛地研究。这一科的物种包含高水平的蛋白质，范围从大约15-43% (基于干重)，提供了用于要求浓缩的蛋白质源的饲料应用的潜在价值。考虑到这种典型特征，该物种可适宜于作为一种水产养殖饲料、动物饲料以及其他应用中替代的蛋白质源。当前环境正包含着气候变化，来自浮萍的可持续资源正被推动开发为商业化材 料，作为生物燃料和蛋白质浓缩物的原料。附
图1A显示的是为生物燃料原料和蛋白质浓缩物的示例性的浮萍产物流程图。为了生物燃料的应用，可以从基质材料中分离出碳水化合物，然而，可以利用蛋白质组分(它也包含相当多数量的脂肪)用于饲料应用。尤其是，考虑到生物燃料工业的规模，这些工艺的商业化能够导致这种可持续蛋白质源在大规模程度的有效性。进而，可以获得一种包含高达65%-70%蛋白质(基于干重)或更高的蛋白质浓缩物。表I显示的是浮萍的典型组成的必需氨基酸和初步的可消化性数据，它能阐释这种蛋白质源用于水产养殖饲料应用中的潜在效力。
表I——浮萍蛋白质浓缩物的必须脂肪酸图谱_
权利要求
1.一种从水生生物的生物质中回收多种产物的工艺,包括 提供生物质； 裂解生物质从而产生经裂解的生物质； 分离该裂解的生物质从而产生一种汁液和第一固相； 使用汁液形成一种湿蛋白质浓缩物； 干燥湿蛋白质浓缩物从而产生一种干蛋白质浓缩物； 使用第一固相生产出一种湿生物质-原油； 干燥生物质-原油从而产生至少一种选自干生物质-原油和富含碳水化合物的粉柏的产物； 其中多种产物包括选自干蛋白质浓缩物、干生物质-原油，以及富含碳水化合物的粉柏的产物；且其中多种产物中至少50%的蛋白质在干燥蛋白质浓缩物中。
2.权利要求1的工艺，其中提供步骤包括 基于工业规模生产水生生物的生物质； 并收获生物质。
3.权利要求1的工艺，其中分离步骤包括压榨经裂解的生物质。
4.权利要求1的工艺，进一步包括 过滤汁液从而形成经过滤的汁液和第二固相； 澄清经过滤的汁液从而形成澄清的汁液和第三固相； 从澄清汁液中凝固蛋白从而形成包含湿的蛋白质浓缩物的汤汁；以及 从汤汁中分离湿的蛋白质浓缩物。
5.权利要求4的工艺，其中第一固相、第二固相、第三固相和汤汁中至少一种用来回收生物质-原油和富含碳水化合物的粉柏。
6.权利要求1的工艺，其中水生生物包括浮萍种。
7.权利要求1的工艺，其中裂解包含使用球磨机、胶体磨、切碎机、锤式粉碎机、研磨机、打浆机和压滤机中的至少一种。
8.权利要求3中的工艺，其中压榨包括使用带式压机、风扇压机、旋转式压机、螺旋压榨机、压滤机，以及精压机中的至少一种。
9.权利要求1中的工艺,其中汁液包含可溶性蛋白质。
10.权利要求4的工艺，包含对第一固相、第二固相、或第三固相中的至少一种进行压榨，从而产生一种第二汁液和一种生物质-原油。
11.权利要求10的工艺，其中将第二汁液和汁液混合。
12.权利要求10的工艺，其中使用螺旋压榨机进行进一步的压榨。
13.权利要求10的工艺，进一步包含干燥生物质-原油。
14.权利要求13的工艺，其中干燥是使用旋转闪蒸干燥器、喷雾干燥器、滚筒干燥器、气流干燥器、流化床干燥器、双滚筒干燥器和旋转干燥器中的至少一种进行的。
15.权利要求4的工艺，其中过滤是通过使用振动分离器、振动筛过滤器、圆振动分离器、直线/倾斜振动筛、滗析离心机和压滤机中的至少一种而进行的。
16.权利要求15的工艺，其中振动分离器包含至少一个振动筛过滤器。
17.权利要求4的工艺，其中澄清包括对经过滤汁液进行离心和/或进一步的过滤。
18.权利要求17的工艺，其中澄清包括使用至少高速多盘堆栈离心机、微滤、超滤中的至少一种。
19.权利要求4的工艺，其中澄清汁液储存在冷藏储罐中。
20.权利要求4的工艺，其中凝固包括降低经澄清汁液的pH。
21.权利要求20的工艺，其中pH降低到低于约6。
22.权利要求20的工艺，其中pH降低到低于约5。
23.权利要求20的工艺，其中pH降低到低于约4.5。
24.权利要求20的工艺，其中降低pH包括使用选自盐酸、硝酸和硫酸中的至少一种。
25.权利要求4的工艺，其中凝固是使用包含至少一个热交换器的沉淀器而进行的。
26.权利要求25的工艺，其中至少一个热交换器包含至少一个盘式、或管式、或蒸汽注入式热交换器。
27.权利要求4的工艺，其中凝固包括 将澄清汁液加热到第一温度从而产生汤汁；且 冷却汤汁到第二温度。
28.权利要求27的工艺，其中第一温度为从约40°C到约100°C。
29.权利要求27的工艺，其中第二温度低于约40°C。
30.权利要求27的工艺，其中第二温度低于约30°C。
31.权利要求1的工艺，其中分离包括使用高速多盘堆栈离心机。
32.权利要求1的工艺，其中湿的蛋白质浓缩物储存在冷减储iiS中。
33.权利要求1的工艺，进一步包括干燥湿的蛋白质浓缩物从而产生一种干的蛋白质浓缩物。
34.权利要求33的工艺，其中干燥是使用喷雾干燥器、滚筒干燥器、旋转闪蒸干燥器、气流干燥器、流化床干燥器、双滚筒干燥器和旋转干燥器而进行的。
35.权利要求1的工艺，进一步包括使一种选自由第三固相和澄清汁液组成的组的物质接触至少一种醇类、溶剂或水，以及一种酸性催化剂，从而形成混合物，分离混合物成清液和固体，借此物质中的脂类和灰分形成组分分离进入清液。
36.权利要求1的工艺，进一步包括或在裂解之前，或直接在裂解之后，用水相溶剂洗涤生物质。
37.一种从水生生物的生物质中回收多种产物的系统，包括 一个用于裂解生物质从而产生经裂解的生物质的裂解单元； 一个用于分离经裂解的生物质从而产生一种汁液和一种固相的分离单元； 一个利用汁液形成湿的蛋白质浓缩物的单元； 一个用于干燥湿的蛋白质浓缩物从而产生干燥蛋白质浓缩物的蛋白质干燥单元； 以及一个用于干燥湿的生物质-原油从而产生至少一种选自干燥生物质-原油和富含碳水化合物粉柏的产物的单元，其中湿的生物质-原油包含固相； 其中多相产物可包括选自例如干燥蛋白质浓缩物、干燥生物质、富含碳水化合物的粉柏的产物，且 其中多相产物中至少约50%的蛋白质是干燥的蛋白质浓缩物。
全文摘要
在此公开了一种水生生物的生物质的工业化规模产物中回收多种产物的方法和系统。
文档编号A23N17/00GK103002752SQ201180024644
公开日2013年3月27日 申请日期2011年3月17日 优先权日2010年3月17日
发明者劳伦·奥利维尔, 格雷格·哈伍曼, 保罗·安塔里克, 班迪·爱德森 申请人:Pa公司