专利名称：藻类处理的制作方法
技术领域：
本发明总地涉及生物燃料的生产。更具体来说，本发明涉及用于培养藻类的高剪切处理。
背景技术：
石油储量耗尽、经济和环境压力已经影响并减少了从石油获取液态燃料的生产和提炼。由此，对液态碳氢化合物的可再生资源的持续增加的关注和投资已经提速。但是，从农作物获取的生物燃料受到生长季节、收获和有限的农作物生长能力的限制。此外，生物燃料对于食用农作物的依赖代表了世界范围内的粮食供应紧张，从谷物到牲畜，作为用于液态燃料替代来源，食用农作物实施面对着增大的经济、长期性、生存力的困难。对于生物燃料应用，藻类没有面对与农作物相同的生存力困难，因为藻类可以在相对小的土地区域上全年培养和收获。此外，已经发现很多藻类产生大量的可升级改良的碳氢化合物，诸如脂类。但是，作为水生的固碳有机体，这些碳氢化合物的开发和存储受限于含碳气体诸如二氧化碳穿过水的扩散。当前实施的交替生长培养基、气泡和流化床没有形成提高的碳氢化合物产量，因为穿过藻类培养基的气体的扩散限制了可用于固定、生长、 以及存储的碳。在收获过程中，可供提炼的碳氢化合物的量没达到在给定藻类密度下计算的理论产量。因为常规处理中，收获、溶解、以及分离步骤是慢的，是以秒和分钟为数量级，暴露于自由基、消化酶和其他细胞内生物化合物的碳氢化合物/脂类快速降解。生物降解代表了将藻类的生物量有效转换成不可降解的碳氢化合物的其他困难。如此，工业规模的藻类生物燃料代表同等地效率低的资源。
发明内容
—种藻类培养的方法，所述方法包括利用高剪切装置形成包括气态流和培养基的乳液，其中，乳液包括平均直径小于约5 μ m的气泡，且其中所述高剪切装置包括至少一个有齿转子和至少一个定子；将乳液引入生物反应器；以及将藻类引入生物反应器以培养藻类培养物。一种用于培养藻类以产生液态碳氢化合物的方法，该方法包括利用高剪切装置形成包括气态流和培养基的第一乳液，其中，该第一乳液包括平均直径小于约5 μ m的气泡，且其中所述高剪切装置包括至少一个转子和至少一个定子；将第一乳液引入生物反应器；将至少一种藻类引入生物反应器中的第一乳液，以产生藻类培养物；利用高剪切装置形成包括藻类培养物的一部分和缓冲剂的第二乳液，其中，第二乳液包括平均直径小于约 5 μ m的溶解的藻类组分球团，且其中溶解的藻类组分球团包括藻类碳氢化合物和藻类生物分子；在第二乳液中将藻类碳氢化合物从藻类生物分子分离；以及处理所述藻类碳氢化合物以产生液态碳氢化合物。一种用于在液态碳氢化合物产物中培养藻类的系统，包括具有用于藻类的营养物的液态培养基流；包括至少一种含碳气体的气态流；防止碳氢化合物的降解的缓冲剂流； 构造成用于藻类的水生培养的生物反应器；分离器；以及至少一个具有至少一个有齿转子和至少一个定子的高剪切装置，其中，所述至少一个高剪切装置与所述液态培养基流、所述气态流、所述缓冲剂流、所述生物反应器、以及所述分离器流体连通。在下面详细的说明和附图中，这些和其他实施例、特征和优点将变得明显。
为了更详细说明本发明的较佳实施例，现将参照附图，附图中图1是用于处理藻类的高剪切装置的剖视示意图；图2是根据本发明的实施例的用于高剪切藻类处理的处理流程框图。图3是根据本发明的另一实施例的用于高剪切藻类处理的处理流程框图。
具体实施例方式概述本公开提供通过至少一个高剪切装置来生产、收获、以及处理藻类的系统和方法。藻类是通常在水体中作为单细胞或多细胞形式成长的各种光合作用有机物群。作为水生或海产有机物，藻类需要二氧化碳，二氧化碳是通过布朗运动和扩散作用进行的光合作用所需的。此外，某些种类的藻类将来自二氧化碳的碳固定以产生和存储脂肪油、碳水化合物、蛋白质、多糖和其他组合物，下文中称为碳氢化合物。从水中获得二氧化碳(下文表示为CO2)代表了这些化合物的生长和存储的限制步骤。因为某些藻类可能以液态燃料产品形式可使用，碳的吸收和固定是制备藻类生物燃料的限制步骤。此外，在培养物中生长之后，藻类被收获、溶解，且所需要的碳氢化合物被从其他生物分子分离。溶解藻类的处理将碳氢化合物暴露于使碳氢化合物链降解的细胞内化合物、酶、和自由基。这些细胞内化合物降低了碳氢化合物的产量。通常，用于这些细胞内化合物的缓冲剂和螯合剂在其保护碳氢化合物时受到扩散作用速率和布朗运动速率的限制。 用于螯合这些化合物的缓冲剂的限制代表对于收获藻类和隔离碳氢化合物以用于加工成液态燃料的生产限制。系统和方法采用高剪切机械装置以在反应器/混合装置中在受控环境中提供化学成分的快速接触和混合。高剪切装置减小了对于反应的质量转移限制并由此增大了总体反应速率。化学反应和涉及液体、气体以及固体的混合物依赖与时间、温度和压力有关的动力学定律来限定反应速率。在需要使不同相(例如，固态和液态；液态和气态；固态、液态和气态)的两种或更多种原材料反应的情况中，控制反应速率的一个限制因素是反应物的接触时间。在非均相催化的反应的情形中，可能有其他速率限制因素，即从催化剂的表面移除反应产物以使得催化剂能够催化其它的反应物。在常规处理中，反应物和/或催化剂的接触时间通过混合来变化，该混合提供了化学反应中相关的两种或多种反应物之间的接触。包括高剪切装置的反应器组件使得能够减小质量转移限制并由此允许反应更接近动力学极限。当反应速率加速时，滞留时间可减少，由此增大可获得的通过量和产品。替代地，在当前产量可接受的情况中，减少所需要的滞留时间允许使用减少的反应物量，由此提高处理经济性。高剪切装置诸如高剪切混合器和高剪切磨床的高剪切装置(HSD)通过基于其混合流体的能力分类。混合是减小流体中不同类物体或颗粒的尺寸的处理。混合程度或混合彻底性的一种衡量标准是混合装置产生的破坏流体的每单元体积的能量密度。该分类基于所递送的能量密度区分。存在三类工业混合器，这些工业混合器具有足够的能量密度以连续地产生具有在0至50 μ m范围内的颗粒或气泡大小的混合物或乳液。均质阀系统通常归类为高能装置。所要处理的流体在非常高的压力下被泵送通过窄隙阀进入低压环境。阀两端的压力梯度及所导致的紊流和空穴用于破碎流体中的任何颗粒。这些阀系统最常用在牛奶均质化并可获得在约0. 01 μ m至约1 μ m范围内的均勻颗粒。 在范围的另一端是归类为低能量装置的高剪切混合器系统。这些系统通常具有在所要处理的流体的存储器中高速旋转的搅拌器或流体转子，在最通常的应用中，所要处理的流体是食品。这些系统通常用在处理后的流体中的可接收平均颗粒、球团、或气泡的尺寸大于20 微米的情况中。根据递送到流体的混合能量密度，在低能量-高剪切混合器与均质化阀系统之间是归类为中间能量装置的胶体磨。典型的胶体磨构造包括圆锥形或盘形转子，该转子与互补的液体冷却的定子分开可能在约0. 025mm至10. Omm范围内的被紧密控制的转子-定子间隙。转子可以较佳地由电马达通过直接驱动或带机构驱动。通过适当调节，很多胶体磨在处理后流体中可实现约0. 01 μ m至约25 μ m的平均颗粒或气泡大小。这些性能使得胶体磨适于多种应用，包括胶体和油/水基乳液处理，诸如化妆品、蛋黄酱、硅树脂/银汞齐和屋顶焦油混合物的制备。现参照图1，图1示出高剪切装置200的示意图。高剪切装置200包括至少一个转子-定子组合。转子-定子组合还可已知为发生器220、230、240或无限制分级。高剪切装置200包括至少两个发生器，并且最佳地，高剪切装置包括至少三个发生器。第一发生器220包括转子222和定子227。第二发生器230包括转子223和定子 228 ；第三发生器240包括转子2M和定子229。对于每个发生器220、230、对0，转子被输入物250可旋转地驱动。发生器220、230、240构造成绕轴线260沿旋转方向265旋转。定子 227可固定地联接到高剪切装置壁255。发生器包括在转子与定子之间的间隙。第一发生器220包括第一间隙225，第二发生器230包括第二间隙235 ；且第三发生器240包括第三间隙对5。间隙225、235、245的宽度在约0. 025mm(0. 01英寸)和10. Omm(0. 4英寸)之间。替代地，该处理包括利用高剪切装置200，其中，间隙225、235、245在约0. 5mm(0. 02英寸)和约2. 5mm(0. 1英寸)之间。 在某些情形中，间隙保持在约1.5mm(0. 06英寸)。替代地，发生器220、230、240之间的间隙 225、235、245是不同的。某些情形中，第一发生器220的间隙225约大于第二发生器230的间隙235，第二发生器230的间隙235约大于第三发生器MO的间隙M5。此外，间隙225、235、M5的宽度可包括粗糙、中等、精细、以及超精细特征。转子 222,223和224以及定子227、2观和2 可以是有齿设计。每个发生器可包括两组或多组转子-定子齿，如现有技术中已知的。转子222、223和2M可包括围绕每个转子的周界周向间隔开的多个转子齿。另一设计中，转子222、223和2M可包括多个同心的转子齿排。定子227、2观和2 可包括围绕每个定子的周界周向间隔开的多个定子齿。另一设计中，定子227、2观和2 可包括多个同心的定子齿排。在某些实施例中，转子的内径约为11.8cm。在某些实施例中，定子的外径约为 15. 4cm0其他实施例中，转子和定子可具有约60mm的转子外径和约64mm的定子外径。替代地，转子和定子可具有交替的直径以变化叶尖速度和剪切压力。某些实施例中，三级中的每一级通过超精细发生器运行，该发生器包括在约0. 025mm和约3mm之间的间隙。当包括固体颗粒的馈送流205要被送过高剪切装置200时，适当的间隙宽度首先选择为用于适当地减小的颗粒尺寸和增大的颗粒表面面积。某些实施例中，这通过剪切和分散颗粒而对于增大催化表面面积是有益的。高剪切装置200被馈送包括馈送流205的反应混合物。馈送流205包括分散相和连续相的乳液。乳液指包括不容易混合和溶解在一起的两个不同物质(或相)的液化混合物。大部分乳液具有连续相(或基质)，在连续相内保持不连续的微滴、气泡、和/或其他相或物质的颗粒。乳液可以是高粘性的，诸如浆料或糊料，或可以是微小气泡悬浮在液体中的泡沫。如这里所使用的，术语“乳液”包括包含气泡的连续相、包含颗粒(例如，固体催化剂)的连续相、包含不可在连续相中溶解的流体的微滴或球团的连续相，及其组合。馈送流205可包括颗粒固体催化剂组分。馈送流205被泵送通过发生器220、230、 240,从而形成产物分散体210。每个发生器中，转子222、223、2M相对于固定的定子227、 228,229高速旋转。转子的旋转将流体比如馈送流205在转子222的外表面与定子227的内表面之间泵送，从而形成局部高剪切状态。间隙225、235、245产生处理馈送流205的高剪切力。转子与定子之间的高剪切力用于处理馈送流205以形成产物分散体210。高剪切装置200的每个发生器220、230、240具有可互换转子-定子组合，以在馈送流205包括气体时在产物分散体210中产生所需气泡大小的窄分布，或在馈送流205包括流体时在产物分散体210中产生所需球团大小的窄分布。气体颗粒、球团、或气泡在液体中的产物分散体210包括乳液。某些实施例中，产物分散体210可包括先前不能混合在或不能溶解在连续相中的气体、液体或固体的分散体。产物分散体210具有小于约1. 5 μ m的平均气体颗粒、球团或气泡大小；较佳地球团直径是亚微米。某些情况中，平均球团大小在约1. 0 μ m至约0. 1 μ m范围内。替代地，平均球团直径小于约400nm(0. 4 μ m)且最优选地小于约100纳米(0. 1 μ m)。叶尖速度是与将能量传递给反应物的一个或多个旋转件的端部相关的速率(m/ sec)。对于旋转件，叶尖速度是由转子的叶尖在每单位时间内行进的周向距离，且叶尖速度通常由公式V(m/Sec) = π · ·η定义，其中，V是叶尖速度，D是转子直径(米)，而η是转子的转速(转/秒)。因此，叶尖速度是转子直径和转速的函数。 对于胶体磨，典型的叶尖速度超过23m/sec (4500f t/min)且可超过40m/ sec (7900ft/min)。对于本发明的目的，术语“高剪切”指一种机械转子_定子装置，该装置能够具有超过5m/sec(1000ft/min)的叶尖速度并需要外部机械驱动的动力装置以将能量驱入所要反应的产品流中的，诸如研磨机或混合器。高剪切装置将高叶尖速度与非常小的剪切间隙组合以在被处理的材料上产生显著摩擦。从而，在运行过程中，在剪切混合器的叶尖处产生在约IOOOMPa (约145，OOOpsi)至约1050MPa (152，300psi)范围内的局部压力和升高的温度。某些实施例中，该局部压力约1034MPa (约150，000psi)。该局部压力还取决于运行过程中的叶尖速度、流体粘度和转子-定子间隙。输入到流体中的能量的近似值(kW/1/min)可通过测量马达能量(kW)和流体输出(1/min)来完成。某些实施例中，高剪切装置的能量消耗大于1000W/m3。某些实施例中， 能量消耗在约3000W/m3至约7500W/m3范围内。高剪切装置200将高叶尖速度与非常小的剪切间隙组合以在材料上产生显著摩擦。剪切的量通常取决于流体的粘度。高剪切装置 200中产生的剪切率可以大于20,000^^某些实施例中，所产生的剪切率在20，OOOiT1至 100，000s 1 范围内。高剪切装置200产生能够在大气压力中保持分散至少15分钟的气体乳液。对于本发明的目的，在产物分散体210中的分散相的直径小于1.5μπι的气体颗粒、球团或气泡的乳液可包括微泡沫。不受具体理论限制，在乳化化学中，已知在液体中分散的亚微米颗粒、 球团、或气泡主要通过布朗运动效应而移动。通过高剪切装置200形成的产物分散体210 的乳液中的球团可具有更高的通过固体催化剂颗粒边界层的迁移率，由此通过增强的反应物运输促进并加速了催化反应。转子设定成以与转子的直径和上述的所需叶尖速度相称的速度旋转。通过整合高剪切装置200，运输阻力被减小，使得反应的速度提高至少约5%。替代地，高剪切装置200 包括高剪力胶体磨以用作加速反应器。加速反应器包括单级分散器。加速反应器包括至少两级的多级串列式分散器。高剪切装置200的选择取决于生产能力要求和出口分散体210中所需的颗粒或气泡大小。某些情况中，高剪切装置200包括IKA Works、Wilmington NC and APV North America 公司、和 Wilmington, Meg-Array 公司的 Dispax Reactor 。例如，型号 DR 2000/4 的装置包括带驱动器、4M发生器、PTFE密封环、入口凸缘士 1”清洁夹、出口凸缘3/4”清洁夹、2HP电源、7900rpm的输出速度、约3001/h至约7001/h的(水)流动能力(取决于发生器)、从9. 4m/s至约41m/s (约1850ft/min至约8070ft/min)的叶尖速度。可提供具有各种入口 /出口连接、马力、叶尖速度、输出rpm和流率的多种供选择的模型。不受理论限制，与本文描述的其他剪切装置相比，有齿转子和定子组合提供了增强的反应物向多个剪切间隙的暴露。此外，随着反应物在每个转子与定子组合之间径向向外移动时，反应物受到不断增大的剪切作用。由于反应物暴露于在每个转子/定子组合中形成的齿或齿排，旋转速率的不同导致增大的剪切。不受限于具体理论，相信高剪切混合的水平和程度足够增大质量传送的速率并可产生能够使基于吉布斯自由能预测预期不会发生的反应发生的局部非理想状态。在高剪切装置中被认为发生局部的非理想状态，导致温度和压力增大，其中认为局部压力发生最显著的增大。高剪切装置中压力和温度的升高是瞬间的和局部的，并且一旦离开高剪切装置就快速地回复到膨胀状态或平均系统状态。某些情形中，高剪切混合装置引起足够密度的气穴以将一个或多个反应物分离成自由基，这可增强化学反应，或使反应在比另外可能需要的状态不严格状态下发生。气穴还可通过产生局部紊流和液体微循环(声流)增加输送过程的速率。在 Current Science 91 (No. 1) :35-46 Q006)中，Gogate 等人的《Cavitation A technology on the horizon》提出了气穴现象在化学/物理处理领域中的应用的概览。 本系统和方法的某些实施例的高剪切混合装置相信是在气穴状态下运行，该气穴状态对将二氧化碳分离成纳米泡沫以最优化藻类的生长是有效。某些情况中，该状态有效用于以机械方式分解藻类来提取碳氢化合物。此外，该状态可有效用于以机械方式均质化碳氢化合物链来产生液态碳氢化合物产品。藻类生长和处理的工艺和系统参照图2，图2示出藻类处理系统(APS) 100。 APS100包括高剪切装置(HSD)30、生物反应器35、溶解反应器50以及碳氢化合物反应器 60。APS100构造成最优化藻类的生长和收获。APS 100构造成用于在植入(inoculation) 选定的藻类种类并引入生物反应器35之前，将包括营养物的培养基流和气体引到HSD30。 另一 APS100构造成将藻类与脂类、油和多糖隔离开，多糖在这里为碳氢化合物。APS100能够构造成包括多个HSD30或类似装置。某些应用中，APS100可以构造用于碳氢化合物的均质化。藻类在培养液(broth)或基质中生长或培养，诸如培养基流12。某些情形中，培养基流12包括糖、蛋白质、氨基酸和适于复制和/或仿真藻类的生长环境的其他生物大分子。培养基流12中这些生物分子的存在包括用于藻类生命周期的其他分子。此外，培养基流12包括类似于藻类的自然环境的盐度。例如，培养基流12包括复制水生、海产、或半咸环境的盐度。通常，水，较佳地蒸馏水用于培养藻类。水被灭菌并且没有任何污染物。根据所选择的在APS 100中培养的具体藻类种类，本领域技术人员已知的任何合适的生长培养基都可用作培养基流12。某些情形中，培养基流12有助于促进藻类的生长。培养基流14包括pH增强流 14、电解液流16和营养物流18。某些情形中，pH增强流14、电解液流16和营养物流18包括培养基流12。替代地，pH增强流14、电解液流16和营养物流18与培养基流12混合以改变、调节培养基流的成分。此外，PH增强流14、电解液流16和营养物流18被引到培养基流12，作为补充流以代替由藻类培养物消耗的培养基和营养物。pH增强流14与培养基流12混合。pH增强流14包括改变pH的、本领域技术人员理解的任何化学制品。替代地，PH增强流包括阻止pH变化的、本领域技术人员理解的任何化学制品，例如缓冲剂。PH增强流14不限制地包括盐、缓冲剂、阴离子、或阳离子。某些情形中，PH增强流14被直接引到培养基流12 ；替代地，在过程中的任何点处将pH增强流14 引入 APS 100。培养基流14由电解液流16补充。不受理论限制，电解液包括具有游离离子的任何化学制品。替代地，电解液包括导电介质，诸如离子溶液。某些情形中，电解液流14不限制地包括镁、钙、钠、钾、氯化物、磷酸盐、或碳酸盐离子。电解液流16包括有益于叶绿素的合成的化合物；或替代地有益于藻类碳氢化合物的合成的化合物。培养基流14由营养物流18补充。某些情形中，营养物流14引入营养物，诸如但不限于糖、脂类、或生物大分子。替代地，营养物流18包括构造成将营养物重新引入培养基流14的补充流。营养物流14还可包括抗生素或抗真菌化合物，以控制培养基流14中的污染物。培养基流14被引导到泵15。泵15用于将受控流供应到HSD 30和APS 100。泵 15将培养基流14的压力增加到大于约203kPa (2atm)。替代地，泵15可将培养基流14加压到大于约2030kPa(20atm)的压力。培养基流14的增加的压力可用于加速分子的反应和分散。其他情形中，该培养基流14的增加的压力确保培养基流的灭菌。不受理论限制地，被灭菌的培养基流14消除了培养基流14中的营养物的竞争者。APS 100中压力的限制因素
9可以是泵5和HSD30的压力限制。较佳地，泵15的所有接触部分包括不锈钢或其他抗细菌禾口真菌材料。栗15可以是任何合适的栗，例如，Roper Pump Company (Commerce Georgia) 的 Roper Type 1 齿轮泵或 Dayton Electric Co. (Niles, IL)的 Dayton PressureBooster 泵，型号2P372E。泵15与HSD30流体连通。气体流20被注入、发泡、分散、或引入到培养基流14中。气体流20被引导到 HSD30。气体流20包括空气。气体流20包括含碳气体或气体流。气体流20还包括二氧化碳(CO2)流22和氮流24。CO2流22包括气体CO2，例如加压CO2。此外，CO2流22包括空气， 例如来自富含CO2环境的空气，诸如停车场、飞机场、建筑物、或从城市或市区环境带入的空气。不受理论限制，来自富含(X)2环境的空气的实施包括分离CO2、回收CO2、或减少(X)2对空气的污染。氮流M包括含氮气体，例如氮气(N2)和其他氮化合物。氮流M不受限制地包括氮气(N2)、氮氧化物、氨、硝酸盐、和其他含氮化合物。CO2流22和氮流M以受控的比率被引入气体流20。(X)2流22与氮流M的比率被调节成使藻类生长最大化。培养基流12和气体流20被引入HSD30。培养基流12和气体流通过泵15被注入 HSD30。某些情况中，泵15注入培养基流12，并且气体流20被分开引入。培养基流12和气体流20被引入HSD30用于处理。如上面所详细讨论的，HSD30是利用例如在转子与定子之间具有固定间隙的定子转子混合头的机械装置。HSD中，气体流20和培养基流12混合以形成乳液，该乳液包括包含来自气体流20的气体的氮气和(X)2的微气泡和纳米气泡。所生成的分散体包括小于约1. 5 μ m的平均气泡大小；替代地，平均气泡大小小于约0. 1 μ m至约1.5 μ m。所生成的分散体包括具有亚微米平均气泡直径的气泡。平均气泡大小小于约 400nm;更佳地，小于约lOOnm。高剪切混合产生了能够在大气压下取决于气泡大小保持分散约15分钟或更长的气泡。乳液还可包括微泡沫或纳米泡沫。某些构造中，APS100包括串联运行的多个HSD30。不受具体方法限制，在乳化化学中，已知在液体中分散的亚微米颗粒主要通过布朗运动效应而移动。因此，由HSD30产生的亚微米气体颗粒具有更大的穿过培养基流12中的悬浮固体的边界层的迁移率，由此促进和加速藻类的吸收、生长和APS100的效率。HSD30产生乳液流32。乳液流32被引导到生物反应器35。生物反应器35不受限制地包括开口槽、透明罐、透明管、深罐、光照罐、流动反应器、或其他布置。生物反应器35 包括本领域技术人员已知的任何具有用于藻类生长的装置的生物反应器。生物反应器35 包括多个监控器和自动化电路以保持较佳状态。生物反应器35包括加热器或构造成加热或加温内容物并保持较佳温度的其他热力元件。生物反应器35包括光导管，例如，包括光缆以将光传递到生物反应器的最大体积内。生物反应器35包括搅拌装置，诸如包括搅拌器以将藻类暴露到其他光照射。不受理论限制，藻类生长率受暴露于光的影响，机械搅拌装置构造成将藻类暴露于光照射或光源照射。某些情形中，生物反应器35包括构造成将光递送到生物反应器30的光源34。此夕卜，光源34包括太阳。光源34构造成补充在某些范围内的太阳光光谱。光源34包括人造自然光，即，以与太阳光类似的光谱和强度传播的光。替代地，光源34包括构造成用较佳的光谱照射生物反应器的光。光源34构造成将生物反应器35加热或加温到适宜藻类生长的温度。藻类流33被引导到生物反应器35。藻类流33包括植入流。藻类流33包括在植入培养基中的藻类。藻类流33可包括植入罐，以生长用于植入生物反应器35的某一体积的藻类。藻类流33包括用以植入在乳液流32中的藻类的浓缩流或浆料。藻类流33包括用于在生物反应器35中生长的藻类流或藻类浆料。某些情形中，生物反应器35预填充有乳液流32 ；替代地，藻类流33和乳液流32被同时引入生物反应器35。藻类流33和乳液流 32被允许循环通过生物反应器35。不受理论限制，生物反应器35中的藻类通过消耗培养基流12和气体流20中的生物分子而生长、分裂和繁殖。培养基流12和气体流20的被消耗部分通过乳液流32被重新引入到生物反应器35。某些情形中，生物分子的重新引入包括补充流。该补充流跟随本文描述的原始处理流。而且，该补充流可包括保持生物反应器35的状态所优选的替代组分。 生物反应器35包括用于跟踪乳液流32补充流的组分并调节培养基流12和气体流20的组分的监控器。生物反应器35由藻类出口 37排出到过滤器40。生物反应器35可以连续地排出， 使得恒定的藻类流被从生物反应器35移走。替代地，生物反应器35基于批处理方式被排出。由藻类出口 37抽出的藻类通过过滤器40与培养基分开。过滤器40包括网状过滤器、 离心分离机、撇乳器、干燥器、真空吸尘器、或已知的将水培养基从藻类移除的其他方法。过滤器40形成废液流42和藻类浆料43。废液流42通过分离器44进一步分离以形成液体回收流46和生物废料流45。液体回收流46包括水培养基和分解的化合物。液体回收流46返回到培养基流12。某些情形中，液体回收流46包括补充液或补充营养物。生物废料45包括悬浮固体、藻类残留物、死亡藻类和其他固体废料。生物废料流45被引导到生物材料(BM)处理器56。BM处理器56 不受限制地包括用于处理生物废料流45的浸煮器、发酵器、搅碎机、或蒸煮器(cooker)。BM 处理器56可包括燃烧器以燃烧生物废料流45，以获得例如用于保持生物反应器35温度的能量°藻类浆料43被引导到溶解反应器50。某些情形中，溶解反应器50包括脱水步骤或干燥器以从藻类浆料43移除残留的水。溶解反应器50包括使藻类浆料43中的藻类溶解或破裂的装置。溶解反应器50包括缓冲剂流53。缓冲剂流53包括缓冲剂、螯合剂、抗氧化剂和本领域技术人员理解的抗脂类和碳氢化合物的降解的其他化合物。溶解反应器50 还构造成将脂类和碳氢化合物与其他细胞分子分离。溶解反应器50可包括用于藻类碳氢化合物流52和藻类废料流M的分离器。溶解反应器50形成藻类碳氢化合物流52和藻类废料流讨。藻类废料流M被引导到生物材料(BM)处理器56。藻类废料流M不受限制地包括细胞组分、蛋白质、分子、膜等。藻类废料流包括不能精炼入BM处理器56的细胞组分，BM 处理器56不受限制地包括用于处理生物废料流45的浸煮器、发酵器、搅碎机、或蒸煮器。BM 处理器56可包括燃烧器以燃烧生物废料流45，用于获得例如用于保持生物反应器35温度的能量。藻类碳氢化合物流52被引导到碳氢化合物反应器60中的破裂处理，以产生粗碳氢化合物流62。粗碳氢化合物流62包括石蜡、链烷以及其他饱和碳氢化合物。粗碳氢化合物流62包括。替代地，粗碳氢化合物流62不受限制地包括烯烃、链烯、炔和其他非饱和碳氢化合物。某些情形中，粗碳氢化合物流62不受限制地包括羧酸、乳酸和其他有机酸。粗碳氢化合物流62还包括脂类、脂肪酸和多糖。粗碳氢化合物流62被引导到精炼厂64，用于生产液态碳氢化合物产品66。精炼厂64包括本领域技术人员已知的用于液态碳氢化合物产品66的生产的氢化裂解、过滤、分离、起反应、蒸馏和其他处理。液态碳氢化合物产品66包括石脑油、煤油、汽油、柴油及其组合。用于藻类生长和处理的多重高剪切工艺和系统参见图3，图3示出多重剪切藻类处理系统(MAPS) 300。MAPS300包括高剪切装置(HSD) 130、生物反应器35、溶解反应器150 以及碳氢化合物反应器160。MAPS300构造成优化藻类的生长和收获。MAPS300构造成用于在植入选定的藻类种类并引入生物反应器135之前，将包括营养物的培养基流和气体引到HSD130。另一MAPS300构造成将藻类与脂类、油和多糖隔离开，其中多糖在此为碳氢化合物。MAPS300构造成包括多个HSD130或类似装置。某些应用中，MAPS300可以构造成用于碳氢化合物的均质化。藻类在培养液或基质中生长或培养，诸如培养基流112。某些情形中，培养基流 112包括糖、蛋白质、氨基酸和适于复制和/或仿真藻类的生长环境的其他生物大分子。培养基流112中的这些生物分子的存在包括用于藻类生命周期的其他分子。此外，培养基流 112包括类似于藻类的自然环境的盐度。例如，培养基流112包括复制水生、海产、或半咸环境的盐度。通常，水，较佳地蒸馏水用于培养藻类。水被灭菌并且没有任何污染物。根据所选择的具体藻类种类，本领域技术人员已知的任何合适的生长培养基都可用作培养基流 112。某些情形中，培养基流112有助于促进藻类的生长。培养基流14包括pH增强流 114、电解液流116和营养物流118。某些情形中，pH增强流114、电解液流116和营养物流 118包括培养基流112。替代地，pH增强流114、电解液流116和营养物流118与培养基流 112混合以改变、调节培养基流的成分。此外，pH增强流114、电解液流116和营养物流116 被引到培养基流112，作为补充流以代替由藻类培养物消耗的培养基和营养物。pH增强流114与培养基流112混合。pH增强流114包括改变pH的、本领域技术人员理解的任何化学制品。替代地，PH增强流包括阻止pH变化的、本领域技术人员理解的任何化学制品，例如缓冲剂。PH增强流114不限制地包括盐、缓冲剂、阴离子、或阳离子。某些情形中，PH增强流114被直接引到培养基流112 ；替代地，在过程中的任何点处将pH增强流 114 引入 MAPS200。培养基流114由电解液流116补充。不受理论限制，电解液包括任何具有游离离子的任何化学制品。替代地，电解液包括导电介质，诸如离子溶液。某些情形中，电解液流 114不限制地包括镁、钙、钠、钾、氯化物、磷酸盐、或碳酸盐离子。电解液流116包括有益于叶绿素的合成的化合物；或者替代地有益于藻类碳氢化合物的合成的化合物。培养基流114由营养物流118补充。某些情形中，营养物流114包括营养物，诸如但不限于糖、脂类、或生物大分子。替代地，营养物流118包括构造成将营养物重新引入培养基流114的补充流。营养物流114还可包括抗生素或抗真菌化合物，以控制培养基流114 中的污染物。培养基流114被引导到泵115。泵115用于将受控流供应到HSD130和MAPS 300。 泵115将培养基流114的压力增加到大于约203kPa(htm)。替代地，泵115可将培养基流114加压到大于约2030kPa(20atm)的压力。培养基流114的增加的压力可用于加速分子的反应和分散。其他情形中，该培养基流114的增加的压力确保培养基流的灭菌。不受具体理论限制，被灭菌的培养基流114消除了培养基流114中的营养物的竞争者。MAPS300 中压力的限制因素可以是泵115和HSD130的压力限制。较佳地，泵115的所有接触部分包括不锈钢或其他抗细菌和真菌材料。泵115可以是任何合适的泵，例如，Roper Pump Company (Commerce Georgia)的 Roper Type 1 齿轮泵或 Dayton Electric Co. (Niles, IL) 的 Dayton Pressure Booster 泵，型号 2P372E。泵 115 与 HSD130 流体连通。气体流120被注入、发泡、分散、或引入培养基流114。气体流120被引导到 HSDl300气体流120包括空气。气体流120还包括二氧化碳(CO2)流122和氮流124。CO2 流122包括气态CO2，例如加压C02。此外，CO2流22包括空气，例如来自富含(X)2环境的空气，诸如停车场、飞机场、建筑物、或从城市或市区环境带入的空气。不受理论限制，来自富含(X)2环境的空气的实施包括分离CO2、回收CO2、或减少(X)2对空气的污染。氮流IM包括气态氮(N2)和其他氮化合物。氮流IM不受限制地包括氮气(N2)、氮氧化物、氨、硝酸盐、 和其他含氮化合物。(X)2流122和氮流124以受控的比率被引入气体流120。CO2流122与氮流124的比率调节成使藻类生长最大化。培养基流112和气体流120被引入HSD130。培养基流112和气体流120通过泵 115被注入HSD130。某些情况中，泵115注入培养基流112，并且气体流120被分开引入。 培养基流112和气体流120被引入HSD30用于处理。如上面所详细讨论的，HSD130是利用例如在转子与定子之间具有固定间隙的定子转子混合头的机械装置。HSD中，气体流120和培养基流112混合以形成乳液，该乳液包括包含来自气体流120的气体的氮气和(X)2的微气泡和纳米气泡。所生成的分散体包括小于约1. 5μπι的平均泡沫大小；替代地，平均气泡大小小于约0. 1 μ m至约1. 5 μ m。所生成的分散体包括具有亚微米平均气泡直径的气泡。平均气泡大小小于约400nm ；更佳地，小于约lOOnm。高剪切混合产生了能够在大气压下取决于气泡大小保持分散约15分钟或更长的气泡。乳液还可包括微泡沫或纳米泡沫。某些构造中，MAPS300包括串联运行的多个HSD130，以在培养基流112中形成气体流120的纳米泡沫。不受具体方法限制，在乳化化学中，已知在液体中分散的亚微米颗粒主要通过布朗运动效应而移动。因此，由HSD130产生的亚微米气体颗粒具有更大的穿过培养基流112 中的悬浮固体的边界层的迁移率，由此促进和加速藻类的吸收、生长和MAPS300的效率。HSD130产生乳液流132。乳液流132被引导到生物反应器135。生物反应器135 不受限制地包括开口槽、透明罐、透明管、深罐、光照罐、流动反应器、或其他布置。生物反应器135包括本领域技术人员已知的任何具有用于藻类生长的装置的生物反应器。生物反应器135包括多个监控器和自动化电路以保持较佳状态。生物反应器135包括加热器或构造成加热或加温容纳物并保持较佳温度的其他热力元件。生物反应器135包括光导管，例如， 包括光缆以将光传递到生物反应器的最大体积内。生物反应器135包括搅拌装置，诸如搅拌器以将藻类暴露到其他光照射。不受理论限制，藻类生长率受暴露于光的影响，机械搅拌装置构造成将藻类暴露于光照射或光源照射。某些情形中，生物反应器135包括构造成将光递送到生物反应器130的光源134。 此外，光源134包括太阳。光源134构造成补充在某些范围内的太阳光光谱。光源134包括人造自然光，即，以与太阳光类似的光谱和强度传播的光。替代地，光源134包括构造成用较佳的光谱照射生物反应器的光。光源134构造成将生物反应器135加热或加温到适宜藻类生长的温度。藻类流133被引导到生物反应器135。藻类流133包括植入流。藻类流133包括在植入培养基中的藻类。藻类流133可包括植入罐，以生长用于植入生物反应器135的某一体积的藻类。藻类流133包括用植入乳液流132中的藻类的浓缩流或藻类浆料。藻类流 133包括在生物反应器135中生长的藻类流或藻类浆料。某些情形中，生物反应器135预填充有乳液流132 ；替代地，藻类流133和乳液流132被同时引入生物反应器135。藻类流 133和乳液流132被允许循环通过生物反应器135。不受理论限制，生物反应器135中的藻类通过消耗培养基流112和气体流120中的生物分子而生长、分裂和繁殖。培养基流112和气体流120的被消耗部分通过乳液流132 被重新引入到生物反应器135。某些情形中，生物分子的重新引入包括补充流。该补充流跟随本文描述的原始处理流。而且，该补充流可包括保持生物反应器135的状态所优选的替代组分。生物反应器135包括用于跟踪乳液流132补充流的组分并调节培养基流112和气体流120的组分的监控器。生物反应器135由藻类出口 137排出到过滤器140。生物反应器135可以连续地排出，使得恒定的藻类流被从生物反应器135移走。替代地，生物反应器135基于批处理方式被排出。由藻类出口 137抽出的藻类通过过滤器140与培养基分开。过滤器140包括网状过滤器、离心分离机、撇乳器、干燥器、真空吸尘器、或已知的将水培养基从藻类移除的其他方法。过滤器140形成废液流142和藻类浆料143。废液流142通过分离器144进一步分离以形成液体回收流146和生物废料流145。 液体回收流146包括水培养基和分解的化合物。液体回收流46返回到培养基流112。某些情形中，液体回收流146包括补充液或补充营养物。生物废料145包括悬浮固体、藻类残留物、死亡藻类和其他固体废料。生物废料流 145被引导到生物材料(BM)处理器156。BM处理器156不受限制地包括用于处理生物废料流45的浸煮器、发酵器、搅碎机、或蒸煮器。BM处理器156可包括燃烧器以燃烧生物废料流 45，以获得例如用于保持生物反应器35温度的能量。藻类浆料143被引导到溶解高剪切装置、或第二高剪切装置(HSD) 150。某些情形中，HSD150包括脱水步骤或干燥器以从藻类浆料143进一步移除水。HSD150包括使藻类浆料143中的藻类溶解或破裂的装置。溶解反应器150包括缓冲剂流53。缓冲剂流153包括缓冲剂、螯合剂、抗氧化剂和本领域技术人员理解的抗脂类和碳氢化合物的降解的其他化合物。不受理论限制，HSD150或溶解高剪切装置构造成在缓冲剂中以机械方式剪切藻类。 HSD150在缓冲剂中形成的藻类生物分子球团。某些情形中，HSD150在缓冲剂中形成细胞乳液流152，细胞乳液流152包括包含碳氢化合物的藻类组分的乳液。某些情形中，藻类组分包括藻类碳氢化合物和藻类生物分子。藻类碳氢化合物包括生物分子，这些生物分子包括所有细胞外和细胞内分子、蛋白质、酶和来自溶解的藻类细胞的材料HSD 150构造成通过上文中所述的运行来形成细胞乳液流152。细胞乳液流152通过分离器151处理以将脂类和碳氢化合物从其他细胞分子分离。细胞乳液流152可包括分离器，以形成藻类碳氢化合物流158和藻类废料流154。藻类
14碳氢化合物流158被引导到碳氢化合物处理器或裂化器160。藻类废料流巧4被引导到生物材料(BM)处理器156。藻类废料流巧4包括藻类生物分子。其他藻类废料流1 不受限制地包括细胞组分、蛋白质、分子、膜等。藻类废料流包括不能精炼入BM处理器156的细胞组分，BM处理器56不受限制地包括用于处理生物废料流154的浸煮器、发酵器、搅碎机、或蒸煮器。BM处理器156可包括燃烧器以燃烧生物废料流145，用于获得例如用于保持生物反应器35温度的能量。某些情形中，BM处理器156 产生生物质量流170以馈送到发酵器180。通过脱水和热转换184处理发酵产物182产生乙醇流186。通过其他步骤例如加氢作用处理乙醇流186形成补充碳氢化合物流189。补充的碳氢化合物流189被引导到碳氢化合物处理器或裂化器160。裂化器160包括本领域技术人员已知的任何工艺以产生粗碳氢化合物流162。粗碳氢化合物流162包括石蜡、烷烃以及其他饱和碳氢化合物。替代地，粗碳氢化合物流162 不受限制地包括烯烃、链烯、炔和其他非饱和碳氢化合物。某些情形中，粗碳氢化合物流162 不受限制地包括羧酸、乳酸和其他有机酸。粗碳氢化合物流162还包括脂类、脂肪酸和多糖。某些情形中，粗碳氢化合物流163被引导到均质化高剪切装置(HSD) 190。均质化 HSD190包括反应物流192。反应物流192不受限制地包括气态反应物、液体反应物、催化剂、 或其他反应物。均质化HSD190构造成形成上文中所描述的乳液，该乳液包括在粗碳氢化合物流163中的反应物流192。均质化HSD190形成碳氢化合物前体乳液194。碳氢化合物前体乳液194被引导到精炼厂164，用于生产液态碳氢化合物产品 166。精炼厂164包括本领域技术人员已知的用于液态碳氢化合物产品166的生产的氢化裂解、过滤、分离、起反应、蒸馏和任何其他处理。液态碳氢化合物产品166包括石脑油、煤油、汽油、柴油及其组合。因此，保护范围不受上面阐述的说明书的限制，而是仅由下面的权利要求书限制， 该范围包括权利要求书的主题的所有等同物。权利要求书作为本发明的实施例包含入说明书中。因此，权利要求书是进一步的说明并是对本发明的优选实施例的增加。相关领域中对参考文献的讨论不是承认其是本发明的现有技术，尤其是具有在本申请的优先权日之后的
公开日的任何参考文献。本文所引用的所有专利、专利申请以及出版物的公开通过引用合并于此，它们提供了示例、程序或其他细节以对本文所阐述的内容进行补充。
权利要求
1.一种藻类培养的方法，所述方法包括利用高剪切装置形成包括气态流和培养基的乳液，其中，所述乳液包括平均直径小于约5 μ m的气泡，且其中所述高剪切装置包括至少一个有齿转子和至少一个定子； 将所述乳液引入生物反应器中；以及将藻类引入生物反应器中以培养藻类培养物。
2.如权利要求1所述的方法，还包括利用高剪切装置形成包括所述藻类培养物的一部分和缓冲剂的第二乳液，其中，所述第二乳液包括平均直径小于约5 μ m的溶解的藻类组分球团，且其中所述溶解的藻类组分球团包括藻类碳氢化合物和藻类生物分子；将所述第二乳液中的藻类碳氢化合物与藻类生物分子分离；以及处理所述藻类碳氢化合物以产生液态碳氢化合物。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述气态流包括选自二氧化碳、氮气、氧气、大气气体、及其组合的气体。
4.如权利要求1所述的方法，还包括将包含培养基流的反应物流泵压到至少约203kPa 的压力以产生加压流。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述乳液中的所述气泡具有小于约1.5μπι的平均直径。
6.如权利要求1所述的方法，其中，形成所述乳液包括使所述至少一个有齿转子以至少约20m/s的叶尖速度旋转。
7.如权利要求1所述的方法，其中，形成所述乳液包括在所述至少一个有齿转子的叶尖处产生约IOOOMPa的局部压力。
8.如权利要求1所述的方法，其中，形成所述乳液包括至少1000W/m3的能量消耗。
9.如权利要求2所述的方法，其中，形成第二乳液还包括使所述藻类培养物脱水以形成藻类浆料。
10.如权利要求2所述的方法，其中，将所述藻类碳氢化合物与藻类生物分子分离包括处理所述藻类生物分子以形成液态碳氢化合物。
11.如权利要求10所述的方法，其中，处理所述藻类生物分子包括， 使藻类生物分子发酵以形成乙醇；以及使所述乙醇反应以形成液态碳氢化合物。
12.如权利要求2所述的方法，其中，处理所述液态碳氢化合物还包括在高剪切装置中形成包括催化剂和液态碳氢化合物的第三乳液；并且，其中所述第三乳液包括平均直径小于约5μπι的催化剂颗粒。
13.一种用于在液态碳氢化合物产物中培养藻类的系统，包括 液态培养基流，所述液态培养基流具有用于藻类的营养物；气态流，所述气态流包括至少一种含碳气体； 缓冲剂流，所述缓冲剂流防止碳氢化合物的降解； 生物反应器，所述生物反应器被构造成用于藻类的水生培养； 分离器；以及至少一个高剪切装置，其具有至少一个有齿转子和至少一个定子，其中，所述至少一个高剪切装置与所述液态培养基流、所述气态流、所述缓冲剂流、所述生物反应器和所述分离器流体连通。
14.如权利要求13所述的系统，其中，所述至少一个高剪切装置流体地连接到所述液态培养基流、所述气态流和所述生物反应器，其中所述至少一个高剪切装置被构造成用于产生所述气态流到所述培养基流中的分散体并且将所述分散体引导到所述生物反应器。
15.如权利要求13所述的系统，包括与所述生物反应器、所述缓冲剂流和所述分离器流体连接的至少一个附加的高剪切装置，其中所述至少一个附加的高剪切装置被构造成用于产生藻类细胞球团到所述缓冲剂流中的分散体并且将所述分散体引导到所述分离器。
全文摘要
一种用于培养藻类的方法，包括利用高剪切装置形成包括气态流和培养基的乳液，其中，乳液包括气泡，且其中高剪切装置包括至少一个有齿转子和至少一个定子；将乳液引入生物反应器；以及将藻类引入生物反应器以生长藻类培养物。此外，一种从藻类培养物产生液体的方法，该方法包括形成包含缓冲剂和藻类组分的乳液，其中该乳液包括藻类组分球团；分离藻类碳氢化合物；以及处理藻类碳氢化合物以形成液态碳氢化合物。此外，一种用于从藻类培养物产生液体的系统，该系统包括至少一个高剪切装置。
文档编号C12M1/04GK102575222SQ201080045469
公开日2012年7月11日 申请日期2010年10月6日 优先权日2009年10月7日
发明者格雷戈里·G·博尔西格, 阿巴斯·哈桑, 阿齐兹·哈桑, 雷福德·G·安东尼 申请人:Hrd有限公司