专利名称：从藻类中提取生物柴油的方法和装置的制作方法
技术领域：
该发明涉及从藻类中提取柴油，其中该方法起始于藻类培养阶段，随后是藻类油 脂的提取，和在终产物提取过程中油脂的转化。
背景技术：
当我们走近后石油经济，未来新兴能源的混合物在不久的将来会逐渐增多。进一步加入到这些能源之中的一种成分是由藻类制备的油，其与其它来源不同， 其包含重量高达60%的油。藻类生长要求的因素很少，水，营养素和阳光，其在水塘中或封闭系统中生长，其 有能力生产出大量的油。美国专利申请US2008086939涉及光改良效率的藻类生长系统和方法。该系统包 括由用于藻类细胞在介质中生长的管道构成的反应器。随后系统提供通过输送管移动介质 至预设速度的方法，以便藻类细胞将太阳能高效的转化为化学能，大多数的隔障被放置于 流体中。这些隔障以预设的间距分开，以在中间产生Von Karman涡旋。因此，藻类以规律 的间隔时段流动到液体表面接受太阳能。该系统是开放的，并考虑以叶轮移动介质。美国专利申请US2008086939涉及光改良效率的藻类生长系统和方法。该系统包 括由用于藻类细胞在介质中生长的管道构成的反应器。随后系统提供通过输送管移动介质 至预设速度的方法，以便藻类细胞将太阳能高效的转化为化学能，大多数的隔障被放置于 流体中。这些隔障以预设的间距分开，以在中间产生Von Karman涡旋。因此，藻类以规律 的间隔时段流动到液体表面接受太阳能。该系统是开放的，并考虑以叶轮移动介质。美国专利申请US2008086938涉及从藻类生长的污染流中生产生物燃料的系统和 方法，其与本文提交的发明完全不同。美国专利申请US2008090284涉及处理藻类和获得生物燃料的系统。上述文献涉 及的是与本发明描述的完全不同的方法。美国专利申请US2008090284涉及处理藻类和获得生物燃料的系统。上述文献涉 及的是与本发明描述的完全不同的方法。W02008048861文献涉及生产高油含量的藻类的系统和方法。该系统与前述系统一 样，主要的不同是开放的系统。W02008060571文献涉及从微藻和植物中生产和纯化生物燃料的方法和组合物。所 述方法包括一些不同的高油含量的藻类。上述文献与本发明的不同在于其使用尺寸小于 500纳米的纳米-碳材料粒子。美国专利US3955317是在透明塑料管状结构中培育植物的系统，在该处藻类吸收 营养素，而且二氧化碳气流通过那里。所述发明重点是食物生产，并且其是水平结构。专利申请公开文本FR20907311涉及培养藻类的系统，其中藻类存在于浮动的管 状系统中，并且意指浮动在水或海洋系统上。该系统提供黑暗区和光亮区。上述发明与本 发明也不相似。
美国专利US7135308涉及从藻类中获得乙醇的方法，其与本发明完全不同。而美国专利申请US20070048848涉及培养藻类的封闭系统，该系统包括具有多 层，包括阻热层的袋子，用于调节藻类温度。另外，该系统包括在系统中移动液体的几种机 械结构，并提供调节温度的装置。发明简述
图1是培养和提取阶段的简要工艺流程2是培养反应器O)的透视图，该图显示了下部水平切面的夹套(7)图3是培养反应器的顶视图，其中可见相对于上部水平切面(3)偏移或移位的下 部水平切面G)。也可见夹套的底部或下部(7)图4是生物柴油生产过程阶段的工艺流程简5是甘油纯化阶段的工艺流程简图本发明涉及藻类培养，油脂提取和油脂酯交换反应从而获得生物柴油的系统。该 系统包括培养，提取和储存及反应三个部分。培养部分包括混合池(1)，培养反应器，其包含含有透明管形框架的三维连续管状 结构O)(封闭系统)，所述透明管形框架依次包括水平上部C3)和下部以及垂直部分 (5)，其中这些框架每部分通过90度弯头(6)连接，并且在每个框架的底部，其中一个弯头 相对于垂直面移位，从而允许与下一个框架的连续性，保持平行的只有垂直部分，而水平部 分并不那样。水平下部由不透明夹套(7)包被，其充满水以保持间隔中的介质温度适于藻 类生长。弯头和框架下部是不透明的，以提供给藻类黑暗期并促进生长。使用的材料可以 是塑料，玻璃，或任何透明和耐久的材料。该系统具有移动介质的隔膜泵(8)和置于培养反 应器底部O)的生物量检测系统(9)，其利用测量介质密度和通过介质的光的两个传感器 (10)确定藻类收获时间。为了控制生产，该系统具有很多由过程控制系统或分布控制系统(DCQ管理的传 感器，其中一系列传感器作用于泵或阀门以提供营养素或允许气体或藻类从该封闭系统中 排出。管长和直径直接取决于培养反应器的生产能力。该系统具有培养藻类的装置，其包括离心机(11)，藻类和过量营养素在此分离。将 藻类被输送到油脂提取系统，其是与一系列超声波发射器(1 联机运转的反应器(1 。发 射器数目和反应器长度依赖于被处理的藻类数量和种类。反应器中藻类暴露于超声波的区 域可以加夹套(14)以降低暴露于所述处理时的藻类温度。依次地，提取的油脂被输送到 次级提取设备(15)，其可以是利用压榨或通过与乙醇混合的获取设备的提取设备和蒸发器 (16)，随后输送到离心机(17)中以去除过量的水分，进一步输送到贮存槽(18)中，在此被 输送到生产生物柴油的日用池中。处理系统使用泵装置(19)将油脂转移到联机的加热器00)中，接着到处理反应 器中。其还具有静态混合器(21)，在混合器的开端处有进口 0 以产生湍流并使油 脂和来自催化池0 的催化剂更好的混合。反应装置包括两个日用池04)和两个催化池0幻。池的数目变化视植物容量而定。反应装置具有很多联机的超声波发射器06)。反应器的几何形状优选管状。存 在两个贮存池(等待期间M27)和一个离心机08)以从甘油中分离生物柴油。获得的生物柴油被输送到具有阳离子交换聚合物的过滤装置组中09)纯化，并 且甘油被输送到次级系统进行处理。为了处理从离心机中获得的甘油，其通过热交换器(30)，在此过量的甲醇通过蒸 发去除，次级系统具有加工池(31)和压滤机(3 以从甘油中俘获污染物质。该系统还具有 电渗析设备(33)，其包括电极和一系列交替放置的阴离子和阳离子膜以去除甘油中的盐。本领域的描述教导证明有很多从植物和其它生物获得柴油(生物柴油)的机会， 其方法可以概述为油脂提取，和与氢氧化钠或氢氧化钾混合的甲醇反应(酯交换反应)， 用水清洗以去除皂基和其它杂质。生产生物柴油的一个问题是产物获得的速度，其意味着 更大的能量消耗和增多的生产时间。为了消除该问题，在此提出的系统，与其它创新措施 一起，具有使用超声波发射器破碎藻类中含油脂囊的提取系统，从而增加提取速率并降低 能量使用。该方法的另一贡献包括使用超声波加速酯交换反应，减少反应时间，从8小时 到少于1小时，从而达到该反应中超过98%的最大效率。生产方法开始于用水，营养素和 CO2填充生物反应器，接着藻类接种于混合介质上(500升菌体量)(1)，调整介质中需要的 营养素。在混合槽(1)中开始泵取，在生物反应器中启动再循环。如果必要，分布控制系 统开始将热水或冷水泵到生物反应器的冷却夹套(7)中，以调整介质温度到20至40摄氏 度的温度范围。藻类可以是新绿藻(Neochloris oleoabundans)，普通小球藻(Chlorella vulgaris) ,(Dunaliella Bioculata) , '! ! (Botryococcus Baunii) ^f1 ^ 限定所述方法中的藻类。再循环速度，停留时间和生长速率根据藻类的类型，以及密度和光吸收率，这些决 定收获时间的因素而变化。在藻类返回入口或输入混合槽处，具有一个由光吸收率和培养介质密度调节的三 通阀门(图中未显示)。当变量到达已确定的参数(具体依赖于每株藻)，三通阀门使水流 转向到从生物质中分离过量水的离心机(11)中。过量的水返回到包含大量营养素的给定 混合槽(1)中，而生物质被输送到油脂提取部分。为了控制生产，我们有大量由过程控制系统操纵的传感器，这些传感器作用于泵 或阀门，以供应营养素或允许气体或藻类从该封闭系统中输出。这些传感器是·溶解氧传感器·排氧传感器· CO2 传感器·温度传感器· pH传感器 光传感器·电导传感器·密度仪由于50%的藻类是碳而二氧化碳含25%碳，因此提供给系统的(X)2量，总是产生 的藻类重量的至少两倍。与每株藻有关，提供的营养素在低于30 %的范围内变化，而金属和维生素不会变化。营养素起始表示的范围如下钠15. 5%钙8. 1 %镁1.3%磷19.1%氮56%铁0.65mg Γ1锰 0.05mg Γ1铜 2· 5 μ g锌 5 μ g钴 2· 5 μ g钼2· 5 μ g硫胺0· Img Γ1生物素0· 5 μ g/1Β12 0. 5 μ g/1温度范围保持在20和40摄氏度之间，优选在25和28摄氏度之间。通过注入一些碱，例如碳酸钠，氢氧化钠等，将PH维持在8. 2到8. 7的范围。根据藻类的类型，密度仪和测光表将指示何时收获生产的藻类。提取过程从通过提取设备(1 抽运生物质开始，所述提取设备包含声发射器 (13)，从一个向另一个声发射装置联机流动，其是在20KHz，16000w的能量下工作的。发射 器(1 的数目，其能力以及反应器的直径，依赖于生物质的进料量，在提取设备中的停留 时间维持在1到2分钟。声能会作用于藻类外部细胞壁和藻类的油囊内壁，产生最终导致 藻类外细胞壁和囊破碎的微小内爆和外破裂。另外，可以使用提取藻类内部剩余油脂的其 它方法。其它的方法可以是通常已经知晓的任何方法，或挤压(15)或通过醇获取(16)随 后进行蒸发。产物最终输送到离心机(17)中进行分离，并通过输油管运送到处理贮存池 04)。提取的油脂具有下表的特征脂肪酸组成(IS05508/IS05509)C 14:0η-肉豆蔻酸 低于0. 1%C 16:0η-棕榈酸 8. 0%C 16:1 棕榈酸 0. 2%C 17:0η-十七酸 低于0. 1% C 17:1 十七酸 0. 1%C 18:0η-十八酸 2. 5%C 18:1 十八酸39. 9%C 18:2 十八酸(ω6) 39. 0% C 18:3α 亚麻酸 ALA (ω 3) 7. 3% C 18:4 十八酸(ω 3) 低于0. 1%
C 20:0η-二十碳烯酸0.4%C 20:1 二十碳烯酸0.8%C 20:2 二十碳二烯酸低于0. 1 %C 22:0η-二十二烯酸0.4%C 22:1 二十二烯酸0.1%
C 23:0 二十三烷酸低于0. 1 %C 24:0 二十四烷酸0.1%C 22:6 二十二碳六烯酸 DHA(ω 3)低于 0. 1 %饱和脂肪酸11.7%单不饱和脂肪酸41.0%多不饱和脂肪酸46.6%脂肪酸ω 37.5%脂肪酸，ω639.0%未知脂肪酸0.7%藻类暴露于超声波的区域可以加夹套(14)以降低暴露于所述处理的藻类的温度。酯交换反应过程开始于从贮存槽(18)泵送油脂到日用槽04)中(尽管已经附加 了藻类油脂的描述，事实上，任何类型的植物油都可以用于此方法)，将在交换反应中加工 必须量的油脂填充到日用槽中，并开始将甲醇泵送到联机的加热器00)中。催化池05)中填充甲醇，其处理油脂的需要量高达油槽04)体积的20%，并加 入5%的粒料氢氧化钾，氢氧化钾浓度为99%。混合调配直到获得氢氧化钾在甲醇中的理 想溶液。油脂以120加仑每分钟的速度泵送到联机的加热器00)中，在此其升高要被处理 的油脂的温度至50摄氏度。所述速度根据工厂设备容量而变化。同时，开始泵送催化剂到静态混合器中，速率为油脂泵送速率的20%，在静 态混合器混合炉0 内催化剂和油脂开始混合。产物被泵送到一套超声处理装置06)发射器的数目，其容量，以及处理反应器 (23)的直径，依赖于产物进料速度，其使油脂分子断裂，使得开始于静态混合器部分02) 的反应在其生产线通行过程中加速和完成。需要的超声装置06)的数目直接依赖于期望
的产物量。为了保证100%的反应，两个反应槽(XT)配置足够的容量以维持四小时的生产， 在第一个槽填充结束时，开始第二个槽的填充，以迅速运送第一个槽中的产物到离心机 (28)中，所述离心机从甘油中分离生物柴油。生物柴油被运送到具有氢离子形式的酸性阳离子交换聚合物的过滤装置组09) 中，其将清除包含的杂质并产生最终储存的成品。甘油将被输送到热交换器(30)中通过蒸发进行甲醇萃取。其接着被输送到含有 活性炭的中间贮槽(31)中，活性炭将吸收或清除油类，颜色，气味等。获得的产物被输送到 压滤机(3 中收集所有的污染物质。下一步，甘油被输送到包含电极和一系列交替放置的阴离子和阳离子膜的电渗析装置(3 中，所述电渗析装置通过输送盐类，例如氯化钠，硫酸酯等到阳极依次在电流和 甘油的通路中起作用，带阳性电荷的物质如钠，向阴极移动，从而允许清除甘油中的盐。
来自整个过程的仅有副产品是来自压滤机的碎屑块和从电渗析装置中出来的盐 水。所述块状物具有燃料性质，因此其可以用于通过干燥和成型开发另一类型的产品，作为 与香精混合的人造木柴。 我们的生物柴油BlOO产品符合ASTM方法规范的情况如下
ASTM D 6751-02 要求
权利要求
1.一种从藻类中获得柴油的系统，其包括初级混合装置，封闭的管状生物反应器，离 心机，提取装置，次级提取装置，次级离心装置，贮存池，催化反应池，暂存池，第三级离心机 和过滤装置，其中，所述提取装置是连续的管，各种产生超声波以粉碎藻类细胞壁的能量发射器定 位其中。
2.上述权利要求所述的系统，其中次级提取步骤由提取油脂的挤压装置组成。
3.上述权利要求所述的系统，其中次级提取步骤由用醇进行的萃取装置组成。
4.前述权利要求所述的获得生物柴油的系统，其中反应装置由以下组成油加热装 置，混合油和催化剂的静态混合器，以及连续管线，产生超声波以分解油组分分子的各种能 量发射器定位在连续管线中。
5.前述权利要求所述的获得生物柴油的系统，其中生物反应器由在下部互联的透明管 形框架以及由隔膜泵进料的系统组成。
6.权利要求6所述的获得柴油的系统，其中管形框架在其下部加夹套。
7.前述权利要求所述的获得柴油的系统，其中超声提取装置加夹套。
8.—种从藻类中获得生物柴油的方法，其中藻类接种于初级混合池，加入用于藻类生 长的营养素，能量流穿过包含管形框架的生物反应器，其中框架下部加夹套并且是不透明 的；能量流向贮存池回流直至获得由光吸收度和密度决定的浓度；一旦能量流达到特定的 吸收度和密度条件，其通过三通阀门转移至离心机以清除过量的水，接着被运送到暂存池， 在此其将被加料到包含连续管线的脂质提取系统，在那里能量穿过功率范围在16000W到 20kHz的超声波发射器；采用的超声波破坏内部和外部的藻类细胞壁和油囊，使利用挤压 装置进行随后的提取成为可能；将获得的油脂运送到离心机，接着运送到生物柴油中间贮 槽，并将油脂输送到加热器，接着运送到静态混合器，在此与催化剂混合；将混合物运送到 应用16000w到20kHz能量以促进反应速度的反应器中；将获得的产物输送到离心机，接着 到过滤槽和产品储存池。
9.权利要求8所述的从藻类中获得生物柴油的方法，其中脂质提取是通过与乙醇混合 以及随后的蒸发作用完成的。
10.权利要求8所述的从藻类中获得生物柴油的方法，其中生物反应器中的温度保持 在 20-40 0C ο
11.权利要求8所述的从藻类中获得生物柴油的方法，其中完成脂质提取的pH值控制 在 8. 2-8. 7。
全文摘要
本发明涉及培养藻类，提取脂质和脂质的酯交换反应以获得生物柴油的系统。所述系统包含三个部分，即培养，提取和贮存以及反应部分。在脂质提取区具有超声波反应器，其中藻类外部的细胞壁与油囊壁一起被破碎，从而允许在酯交换反应区提取脂质，在酯交换反应区也具有超声波反应器，其使经过的液体中的分子断裂以加速反应，从而导致反应几乎是即时的。
文档编号C12M1/42GK102119206SQ200880130468
公开日2011年7月6日 申请日期2008年9月8日 优先权日2008年6月18日
发明者A·J·D·J·D·S·J·B·埃切瓦里亚·帕雷斯 申请人:A·J·D·J·D·S·J·B·埃切瓦里亚·帕雷斯