专利名称：利用吸收的二氧化碳支持藻类生长的系统的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及用于生长藻类的方法。更具体地，本发明涉及使用由碳酸氢钠溶液构成的介质用于使藻类生长。特别但不排它地，本发明作为利用碳酸氢盐溶液以及利用装料用溶液来支持藻类的生长的系统是有用的，所述溶液利用在液体-气体接触介质处的吸收的二氧化碳，以用于进一步支持藻类生长。
背景技术：
随着全世界的石油矿层的减少，存在对石油短缺和与生产烃类产品相关联的成本的上升的担忧。结果，正在研究当前从石油加工的产品的替代品。因此，诸如生物柴油的生物燃料已经被认为是石油基的运输燃料的可能的替代品。一般地，生物柴油是由源自于植物油或动物脂肪的长链脂肪酸的单烷基酯构成的燃料。在工业实践中，当植物油或动物脂肪与诸如甲醇的酒精起反应时，产生生物柴油。对于植物衍生的生物燃料，太阳能首先通过光合作用转变成化学能。化学能因此被提炼成可用燃料。当前，在从植物油产生生物燃料中所涉及的工艺相对于提取和提炼石油的工艺是昂贵的。然而，可能的是，可能因最大化植物源的生长率而降低加工植物衍生的生物燃料的成本。因为已知道藻类是用于将太阳能转变成细胞生长的大多数有效植物中的一种，所以藻类作为生物燃 料源是特别让人感兴趣的。重要地，藻类作为生物燃料源的使用表明没有特殊的问题，即，从藻类中的油加工生物燃料可以与从陆地植物中的油加工生物燃料一样容易。虽然藻类能够经高速率的细胞生长而有效地将太阳能变换成化学能，但是难以创造出使藻类细胞生长速率最优化的环境。具体地，已经发现，在大规模操作中创造有利于藻类细胞的快生长速度所必需的条件是昂贵的。虽然日光可以便宜且容易地被供给至藻类，但是，其它生长源可能需要昂贵的分布系统。例如，可能难以在整个系统中提供处在适当水平下的二氧化碳。出于商用目的，诸如在池塘-空气界面处，依赖于从大气层对CO2的正常吸收太慢。另一方面，具有广泛的管网的传统抽运技术是过于昂贵的。因此，需要CO2的备用源。在来自电厂或其它燃料源的烟气中发现了一个可能的二氧化碳源。此外，烟气中的二氧化碳一般作为污染物被处理。因此，使用来自烟气的二氧化碳将帮助减轻污染。用于藻类光合作用的CO2的商业上可行的源是碳酸氢盐溶液。在光合作用期间，会产生碳酸盐溶液。此外，已知的是，这样的碳酸盐溶液将从空气吸收CO2 (虽然有些效率低下)，用于转变回至碳酸氢盐溶液。在该周期内，在微藻类生物反应器系统中，从碳酸氢盐溶液转变成碳酸盐溶液是藻类生长的结果。另一方面，如上文所提及的，从碳酸盐溶液(介质)转变至碳酸氢盐溶液能够仅通过暴露于空气来完成。另外，为了生产生物柴油燃料的目的，在藻类在生物反应器系统中生长的情形下，可以从发电厂废气回收CO2来产生碳酸氢盐溶液。依据上文，本发明的一个目的是提供一种用于支持藻类的生长且还减小化石燃料污染的系统。本发明的另一个目的是提供一种用于生长藻类的系统，该系统降低投入成本。本发明的另一个目的是在液体-气体接触介质处吸收二氧化碳到溶液中，用于给藻类供料。本发明的另一个目的是提供一种用于生长藻类的系统，该系统利用碳酸氢盐溶液来将碳输送至藻类。本发明的另一个目的是，用二氧化碳补充所消耗的介质，以便支持藻类在该介质中的进一步的生长。本发明的目的是又一个目的是，将碳酸氢盐溶液引入到藻类生长介质中，以在生物反应器系统中建立升高的CO2水平，用于藻类生长。本发明的另一个目的是，使来自生物反应器系统的碳酸盐溶液再循环，用于转变成碳酸氢盐溶液，以用于随后在生物反应器系统中生长藻类时使用。本发明的再一个目的是，提供一种用于生长藻类的系统和方法，该系统和方法实现起来简单、易于使用并且相当成本有效。
发明内容
根据本发明的，提供了一种用于生长藻类的系统和方法。重要地，该系统和方法提供将二氧化碳吸收到介质中，以用于支持藻类生长。此外，该系统能够使用来自烟气或其它污染的二氧化碳。在该系统中，槽道保持碳酸氢盐溶液，以支持藻类生长。在生长期间，藻类使用二氧化碳并且将碳酸氢盐溶液转变成碳酸盐溶液。为了重复使用该溶液，该系统提供高表面积气体-液体接触介质。具体地，碳酸盐溶液被输送至并且移动通过该液体-气体接触介质。同时，使包含二氧化碳空气移动通过该接触介质。在气体与液体之间接触的期间，碳酸盐溶液从空气吸收二氧化碳并且被转变成碳酸氢盐溶液。在该过程完成之后，使碳酸氢盐溶液返回至槽道中，以支 持进一步的藻类生长。当结合发电厂使用时，该系统可以通过使用来自发电厂的蒸汽动力而被最优化用于操作。具体地，使用该蒸汽动力的风机能够导引空气通过该接触介质。此外，蒸汽动力能够被用来将溶液移动至槽道，从槽道移动溶液，以及将溶液移动在槽道内。
将从附图结合所附描述最佳地理解本发明的新颖特征，以及本发明本身，关于其结构及其操作两者，其中相似的附图标记表示相似的部分，并且其中图1是根据本发明的藻类生长系统的示意图；以及图2是在用于本发明的碳酸盐与碳酸氢盐之间的转换的示意图。
具体实施例方式参照图1，示出了用于从污染物供料的藻类生产生物燃料的系统并且其总体由10表示。如示出的，系统10包含洗涤器12，该洗涤器12用于洗涤被污染物污染的流体流。具体地，洗涤器12包含腔室14和输入端口 16a，其用于接收来自诸如发电厂18和洗涤器溶液20的燃烧源的烟气。通常，烟气包含诸如二氧化碳、硫氧化物、和/或氮氧化物的污染物。另外，洗涤器溶液20通常包括碳酸氢钠。如进一步示出的，洗涤器12包含溶液出口 22和气体出口 24。另外，系统10包含氧化阶段26，该氧化阶段26用于氧化烟气内的污染物，以有利于将它们从烟气移除。如示出的，氧化阶段26互连在发电厂18与洗涤器12之间。如进一步示出，系统10包含生物反应器28，该生物反应器28由至少一个恒化器30和塞流反应器34构成，恒化器30用于生长藻类细胞(以32描绘出的示例性细胞)，塞流反应器34用于处理藻类细胞32以触发甘油三酸酯的细胞产生。优选地，并且如示出的，恒化器30和塞流反应器34两者是开放的流道，但是，但是也可考虑封闭的系统。此外，这样的开放系统10能够覆盖几英亩土地，以最佳化规模经济。为了本发明的目的，系统10包含藻类分离器36，该藻类分离器36用于从塞流反应器34除去藻类细胞32。如图1中所示， 恒化器30包含槽道38。如进一步示出的，槽道38设有输入端口 40，该输入端口 40与洗涤器腔室14的溶液出口 22流体连通。为了本发明的目的，输入端口 40也与保持营养混合物 (由箭头42指示)的储存器(未示出)流体连通。优选地，营养混合物42包含磷、氮、硫以及支持藻类生长所必需的、未通过洗涤器溶液20提供给生物反应器28的许多微量元素。此外，恒化器30设有桨轮44，该桨轮44用于促使由洗涤器溶液20和营养混合物42形成的介质46以预定的流体流速环绕槽道38连续地循环。另外，每个槽道38设有与塞流反应器 34连通的输出端口 48。
如示出的，塞流反应器34包含输入端口 50a，该输入端口 50a用于接收具有来自恒化器30的输出端口 48的藻类细胞32的溢出介质(由箭头46'指示)。如进一步示出的，塞流反应器34包含槽道52，该槽道52用于使具有藻类细胞32的介质46"向下游传递。介质46"的流动速率仅归因于重力和来自恒化器30的引入的溢出介质46'的力。优选地， 塞流反应器34具有基本上约一至四天的固定的驻留时间。为了本发明的目的，系统10设有储存器(未示出)，该储存器保持修改的营养混合物(由箭头54指示)。此外，槽道52设有用于接收修改的营养混合物54的输入端口 50b。为了操纵塞流反应器34内的藻类细胞32 的细胞性质，修改的营养混合物54可以含有有限数量的选定的成分，诸如氮或磷。例如，营养混合物54可以不含有氮。替代地，藻类细胞32可以在塞流反应器34中预定的点处耗尽营养混合物42中的营养物，诸如氮或磷。通过允许耗尽这样的营养物，可以在不增加特定的修改的营养混合物54的情况下，造就藻类细胞32的期望性质。此外，可以仅仅向修改的营养混合物54添加水以补偿蒸发。除了输入端口 50a和50b之外，槽道52进一步设有用以接收其它物质的输入端口 50c。
在图1中，藻类分离器36被示出为与塞流反应器34的槽道52流体连通。为了本发明的目的，藻类分离器36将藻类细胞32从介质46"分离，并且藻类细胞32中剩余的营养物通过絮凝和/或过滤。如进一步示出的，藻类分离器36包含流出物出口 56和藻类细胞出口 60。为了本发明的目的，系统10包含槽道58，该槽道通过洗涤器室14中的溶液输入端口 16b而在流出物出口 56与洗涤器12之间提供流体连通。
另外，系统10包含细胞溶解装置62，该细胞溶解装置62从藻类分离器36的藻类出口 60接收藻类细胞32。如示出的，细胞溶解装置62与油分离器64流体连通。为了本发明的目的，油分离器64设有两个出口 66、68。如示出的，出口 66连接到水解装置70。此外，水解装置70连接到恒化器30的槽道38中的输入端口 40。
回过来参照油分离器64，可以看到的是，出口 68连接到生物燃料反应器72。进一步示出的是，生物燃料反应器72包含两个出口 74、76。为了本发明的目的，出口 74连接到塞流反应器34的槽道52中的输入端口 50c。另外或可替代地，出口 74可以被连接到恒 化器30中的输入端口 40。此外，出口 76可以被连接到贮槽或储存器(未示出)，用于本发明的目的。
在本发明的操作中，被污染物污染的烟气(由箭头78指示)被从发电厂18导引至氧化阶段26。在氧化阶段26，通过硝酸或通过其它催化技术或非催化技术氧化烟气78中的一氧化氮，以提高其随后除去效率。具体地，一氧化氮被氧化成二氧化氮。其后，已氧化的烟气(由箭头80指示)从氧化阶段26被输送至洗涤器12。具体地，已氧化的烟气80通过输入端口 16a进入洗涤器12的腔室14。在烟气80进入到腔室14中之后，在腔室14内喷射洗涤器溶液20，以吸收、吸附或以如在洗涤领域中已知的其它方式捕获烟气80中的污染物。在其污染物被除去的状态下，干净的烟气(由箭头82指示)通过气体出口 24离开洗涤器12。同时，洗涤器溶液20和污染物通过溶液出口 22离开洗涤器12。
在离开洗涤器12之后，洗涤器溶液20和污染物(由箭头84指示)通过输入端口 40进入恒化器30。此外，营养混合物42通过输入端口 40被供给至恒化器30。在恒化器 30的槽道38中，营养混合物42、洗涤器溶液20和污染物(箭头84)形成用于生长藻类细胞 32的介质46。通过桨轮44使该介质46环绕槽道38循环。此外，维持槽道38中的条件， 以用于最大化藻类生长。例如，为了维持期望的条件，介质46和藻类细胞32环绕槽道38 以近似五十厘米每秒的优选的流体流速移动。此外，槽道38中的藻类细胞32的量保持基本上恒定。具体地，具有污染物(箭头84)的营养混合物42和洗涤器溶液20以选定的速率通过输入端口 40被连续地供给至槽道38中，并且含有藻类细胞32的溢出介质46'通过槽道38的输出端口 48被连续地移走。
在进入 塞流反应器34的输入端口 50a之后，含有藻类细胞32的介质46"在栓塞流状态下向下游移动通过槽道52。此外，随着介质46"向下游移动，修改的营养混合物54 可以通过输入端口 50b被添加到槽道52。该修改的营养混合物54可以含有有限数量的选定的成分，诸如氮或磷。没有选定的成分或少量的选定的成分促使藻类细胞32集中于能量储存而非生长。结果，藻类细胞32形成甘油三酸酯。
在槽道52的端部，藻类分离器36将藻类细胞32从剩余流出物(由箭头86指示) 除去。之后，流出物86通过流出物出口 56被从藻类分离器36排出。为了使流出物86再循环，流出物86通过槽道58被输送至洗涤器12的输入端口 16b，用于作为洗涤器溶液20 重复使用。此外，被除去的藻类细胞(由箭头88指示)被输送至细胞溶解装置62。具体地， 被除去的藻类细胞88从藻类细胞出口 60出来到细胞溶解装置62。为了本发明的目的，细胞溶解装置62溶解被除去的藻类细胞88，以使其中的油从剩余的细胞物质释放出。在溶解过程发生之后，释放出的油和剩余的细胞物质被传输至油分离器64，其共同地由箭头90标识。之后，油分离器64从剩余的细胞物质提取油，如本领域中已知的。在进行了该分离之后，油分离器64将剩余的细胞物质(由箭头92标识)从油分离器64的出口 66排出到恒化器30的输入端口 40。
在恒化器30中，利用剩余的细胞物质92作为用于藻类细胞32的生长的营养物和能量的源。因为剩余的细胞物质92的小单元更容易被吸收或由生长藻类细胞32以其它方式处理，所以剩余的细胞物质92在被供给到恒化器30的输入端口 40中之前可以首先被分解。为此，水解装置70互连在油分离器64与恒化器30之间。因此，水解装置70从油分离器64接收剩余细胞物质92，使接收的细胞物质92水解，然后将已水解的细胞物质(由箭头 94标识)传递到恒化器30。
回过来参照油分离器64，回想到的是，剩余的细胞物质92通过出口 66被排出。同时，由油分离器64提取的油通过出口 68被排出。具体地，油(由箭头96标识)被输送至生物燃料反应器72。在生物燃料反应器72中，油96与诸如甲醇的酒精起反应，以产生单烷基酯，即，生物燃料。该生物燃料(由箭头98标识)从反应器72的出口 76被释放到贮槽、储存器、或管路(未示出)用于作为燃料使用。除了生物燃料98之外，油96与酒精之间的反应产生作为副产品的甘油。为了本发明的目的，甘油(由箭头100标识)被从生物燃料反应器72 的出口 74泵送到塞流反应器34的输入端口 50c。
在塞流反应器34中，甘油100由藻类细胞32利用，作为碳的来源。重要地，甘油 100不提供任何可以被限制以通过藻类细胞32引起油生产或以触发絮凝的营养物。甘油 100可以在夜间被添加到塞流反应器34以辅助夜间油生产。此外，因为甘油100将另外对细菌和/或其它非光合有机体提供能源，所以仅在夜间限制将甘油100添加到塞流反应器 34允许了藻类细胞32利用甘油100而不会有利于外来有机体的生长。如图1中所示，生物燃料反应器72的出口 74也可以与恒化器30的输入端口 40流体连通(连接以虚线示出)。 该布置允许将甘油100作为碳源提供给恒化器30。图1图示出用于使介质46移动通过通道38和52的桨轮44或重力，而来自发电厂18的蒸汽动力102可以被用来对这样的移动提供动力。
在图2中，图示了利用吸收的二氧化碳支持藻类生长的系统并且其大体上由103 表示。在图2中，通道38和52共同地由附图标记104表示。这些通道104保持包含碳酸氢盐溶液的介质46。随着藻类32在通道104中生长，藻类32耗尽介质46的碳，并且介质 46主要变成碳酸盐溶液。为了补充碳酸盐溶液，系统103提供将碳酸盐溶液106从通道104 除去。如示出的,碳酸盐溶液106被输送至高表面面积液体-气体接触介质108。如示出的，由蒸汽动力102驱动的风机110使包含二氧化碳的空气112移动通过接触介质108。结果，当碳酸盐溶液106缓慢地移动通过或透过接触介质108时，碳酸盐溶液吸收二氧化碳并且被转变回成碳酸氢盐溶液。之后，碳酸氢盐溶液114从接触介质108返回到通道104，以支持藻类32在其中的进一步生长。
虽然在此处示出并且详细地公开的利用吸收的二氧化碳支持藻类生长的特定系统完全能够达到目的并且在此处提供之前陈述的优势，但是需理解的是，它仅仅是本发明的目前的优选实施例的说明，并且意图不在于限制此处示出的结构或设计的细节，除如所附权利要求书中所描述的之 外。
权利要求
1.一种用于利用吸收的二氧化碳支持藻类生长的系统，所述系统包括 高表面积液体-气体接触介质； 碳酸盐溶液，所述碳酸盐溶液通过所述接触介质，以吸收二氧化碳并且转变成碳酸氢盐溶液； 槽道，所述槽道用于保持所述碳酸氢盐溶液，以支持藻类生长，其中所述藻类将所述碳酸氢盐溶液转变成碳酸盐溶液；以及 用于将所述碳酸盐溶液从所述槽道输送至所述接触介质的装置。
2.如权利要求1中所述的系统，进一步包括风机，所述风机使空气移动通过所述接触介质。
3.如权利要求2中所述的系统，其中所述二氧化碳从包含来自发电厂的废气的空气中回收，并且其中来自所述发电厂的低压蒸汽被用来驱动所述风机。
4.如权利要求3中所述的系统，其中来自所述发电厂的低压蒸汽被用来使所述碳酸氢盐溶液移动通过所述槽道。
5.如权利要求4中所述的系统，进一步包括藻类分离器，所述藻类分离器用于从所述槽道除去藻类。
6.如权利要求5中所述的系统，进一步包括细胞溶解装置，所述细胞溶解装置用于释放所述藻类内的油。
7.如权利要求6中所述的系统，进一步包括油分离器，所述油分离器用于从其它细胞物质除去所述油。
8.如权利要求7中所述的系统，进一步包括生物燃料反应器，所述生物燃料反应器用于从所述油中产生生物燃料。
9.一种用于生产生物燃料的系统，所述系统包括 用于使藻类在其中生长的槽道； 藻类分离器，所述藻类分离器与所述槽道流体连通，用于从所述槽道除去藻类； 细胞溶解装置，所述细胞溶解装置用于从所述藻类释放油； 油分离器，所述油分离器用于将所述油从其余藻类物质隔离； 生物燃料反应器，所述生物燃料反应器用于将所述油转变成生物燃料； 碳酸氢盐溶液，所述碳酸氢盐溶液流动通过所述槽道，以支持藻类生长，其中所述藻类将所述碳酸氢盐溶液转变成碳酸盐溶液；以及 高表面积液体-气体接触介质，所述高表面积液体-气体接触介质用于将二氧化碳吸收到所述碳酸盐溶液中，以用于转变成碳酸氢盐溶液。
10.如权利要求9中所述的系统，进一步包括风机，所述风机使空气移动通过所述接触介质。
11.如权利要求10中所述的系统，其中所述二氧化碳从包含来自发电厂的废气的空气中回收，并且其中来自所述发电厂的低压蒸汽被用来驱动所述风机。
12.如权利要求11中所述的系统，其中来自所述发电厂的低压蒸汽被用来使所述碳酸氢盐溶液移动通过所述槽道。
13.一种用于利用吸收的二氧化碳支持藻类生长的方法，所述方法包括如下步骤 提供高表面积液体-气体接触介质；使碳酸盐溶液通过所述接触介质，以吸收二氧化碳并且转变成碳酸氢盐溶液； 使所述碳酸氢盐溶液移动通过所述槽道，以支持藻类生长，其中所述藻类将所述碳酸氢盐溶液转变成碳酸盐溶液；以及 将所述碳酸盐溶液从所述槽道输送至所述接触介质。
14.如权利要求13中所述的方法，进一步包括使空气移动通过所述接触介质的步骤。
15.如权利要求14中所述的方法，其中所述二氧化碳从包含来自发电厂的废气的空气中回收，并且其中来自所述发电厂的低压蒸汽被用来使所述空气移动通过所述接触介质。
16.如权利要求15中所述的方法，其中来自所述发电厂的低压蒸汽被用来使所述碳酸氢盐溶液移动通过所述槽道。
17.如权利要求16中所述的方法，进一步包括利用藻类分离器从所述槽道除去所述藻类的步骤。
18.如权利要求17中所述的方法，进一步包括利用细胞溶解装置释放所述藻类内的油的步骤。
19.如权利要求18中所述的方法，进一步包括利用油分离器从其它细胞物质除去所述油的步骤。
20.如权利要求19中所述的方法，进一步包括利用生物燃料反应器从所述油中产生生 物燃料的步骤。
21.一种用于在生物反应器的藻类生长介质中建立升高的二氧化碳水平的系统，所述系统包括 第一子系统，所述第一子系统具有用于接收来自所述生物反应器的碳酸盐溶液的接触介质，其中所述接触介质包含多个面板，且每个面板具有扩展的表面，所述扩展的表面用以最大化空气与所述碳酸盐溶液之间的表面界面，以将所述碳酸盐溶液转变成碳酸氢盐溶液；以及 第二子系统，所述第二子系统用于将所述碳酸氢盐溶液包含在所述藻类生长介质中，以及用于之后将所述藻类生长介质供给至所述生物反应器，以便由藻类消耗所述碳酸氢盐溶液中的二氧化碳，用于所述藻类的生长以及将所述碳酸氢盐溶液转变成碳酸盐溶液，以回到所述第一子系统。
全文摘要
本发明提供了一种用于利用吸收的二氧化碳来支持藻类生长的系统。在该系统中，诸如流道的槽道被设置并且保持碳酸氢盐溶液。随着藻类在该溶液中生长，该溶液被转变成碳酸盐溶液。因此，该系统提供用于将碳酸盐溶液转变回成碳酸氢盐溶液的高表面积液体-气体接触介质。具体地，来自槽道的碳酸盐溶液被输送至该接触介质。在该接触介质处，碳酸盐溶液滴落或缓慢向前移动，而同时含有二氧化碳的空气移动通过该溶液。随着二氧化碳被该溶液吸收，该溶液转变回成碳酸氢盐溶液。然后，该碳酸氢盐溶液被送回到该槽道中，以支持进一步的藻类生长。
文档编号C12M1/04GK103068961SQ201180029942
公开日2013年4月24日 申请日期2011年6月10日 优先权日2010年6月16日
发明者戴维·A·哈兹勒贝克 申请人:通用原子公司