用于处理流体流的设备和执行流体流的处理的方法
【专利说明】
[0001] 本分案申请是基于中国发明专利申请号201080014312.8(国际申请号PCT/ GB2010/000113)、发明名称"用于处理流体流的设备和执行流体流的处理的方法"、申请日 2010年1月27日的专利申请的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明涉及一种用于处理流体流的设备。该设备通常应用于移除和/或转化流体 流的成分。在一个特别的方面，本发明涉及废料流的处理，例如从诸如烟道气等的废料流分 离二氧化碳。本发明还涉及执行流体流的处理的方法。
【背景技术】
[0003] 许多过程产生废液和/或废气流。在过去，这些废液和/或废气流被排放到环境 中，可能经过某种加工以减小它们对环境的影响。近年来，对这些废液和/或废气流及它们 对环境的长期影响的关注日益增加。一个示例是通过各种各样的过程排放到大气中的二氧 化碳的量。二氧化碳已被认定为所谓的"温室"气体并且所观察到的全球大气温度的升高 被归咎于大气中的二氧化碳的水平的升高。二氧化碳在许多过程中产生，可能二氧化碳的 最显著的产生者是燃烧，例如来自固体、液体和气体含碳燃料的燃烧以产生动力。但是，二 氧化碳仅是多种温室气体中的一种，所有的温室气体都被认为具有对大气和环境的有害影 响。
[0004] 因此，大量的注意力被放到对废流体流（例如发电站烟道气等）的处理，以移除 二氧化碳和其他环境不可接受的成分。用于处理这些废流体流的一个提议是利用微生物 来处理废料流并且移除不需要的成分。该处理产生作为微生物的生物过程的正常产物 的生物质，该生物质又可以利用非发酵过程来产生有价值的初级和次级代谢产物，包括 生物燃料原料。如下文献提供利用该理念的一些方面的总结：Dimitrov, K. "GreenFuel Technologies:A Case Study for Industrial Photosynthetic Energy Capture"，March 2007, Brisbane, Australia(澳大利亚布里斯班，2007年3月，Dimitrov, K.的"绿色燃料技 术：工业光合能量捕获的案例研宄"）。
[0005] 使用微生物来加工有机材料在本领域是众所周知的、并且以商业规模使用在不断 增加的应用中。因此，存在与生物反应器和其他用于使微生物与待处理、待加工或待消耗的 材料接触的设备相关的大量现有技术。在处理废流体流以移除有害成分并且收获所产生的 生物质以用于加工成有价值的初级和次级代谢产物的情况下，任意设备或系统必须有效地 使微生物与待处理的流体流接触并且允许微生物被收集。
[0006] WO 2004/046037中描述利用微生物来净化污水。公开一种设备，该设备包括透明 或半透明基底的透水基质及在基底上的包括一种或更多种光合微生物的生物膜。生物膜 是形成在基底基质上的一层微生物菌落。生物膜因由微生物分泌的多糖而描述为粘滑的。 虽然微生物可以用来处理水，但是这种形式的设备在其应用至气体废料流时受到限制。另 外，微生物的收集和收获是困难的，成为在将生物质转化为生物燃料等时的一个问题。US 6, 370, 815公开一种用于光合微生物的生长的反应器，该微生物在一端具有气体输入口而 在另一端具有气体输出口的管中生长。管包括带有翼片的转子，这些翼片从转子延伸以擦 拭管的内表面。管以相对于水平向的角度设置在容纳有液体的浴槽中，以使管的带有气体 输入口的端部最低。
[0007] WO 98/24879中公开一种光合生物反应器，其具有用于容纳微生物的多个平行通 道。这些通道由对光透明的壁形成。微生物保持在以低流动速率经通道泵送的液体悬浮 液中。采用具有柔性翼片的泵，以减小微生物经受的剪切力的水平。GB 2 341 896和US 200110002976中公开类似变化的泵。
[0008] US 5, 637, 219中公开一种用于持续消化有机物质的设备。该设备包括大致圆筒形 的容器，在该容器中安装有可转动的转子组件。转子组件包括两个或更多个板构件，所述板 构件围绕共用中心轴线延伸并且被设置为将容器的内部分成三个或更多个隔间。多个桶状 部在相邻的板构件之间延伸并且与板构件一起转动。这种设备能够从市场上获得以用于大 范围的应用并且已知为Graesser ContactorTM。US 5, 637, 219描述在利用微生物来厌氧 消化有机材料中接触器的使用。接触器用于加工废液流或液体-固体流。具有或不具有夹 带的固体的液体流被给送至接触器并与保持在液相悬浮液中的微生物接触。板构件和相关 联的桶状部的转动确保微生物与正被处理的液体之间的高度接触。
[0009] 用于使待加工的流体流与微生物接触的反应器的一个形式是光生物反 应器，在该光生物反应器中采用的微生物是光养的并且依赖或利用来自合适源 头的光以有效地执行它们的代谢过程。如下文献提供光生物反应器技术的总体 概述：Tredici, M. R.，"Bioreactors, Photo"，in Flickinger, M. C. and Drew, S. ff. (ed. ), "Encyclopedia of Bioprocess Technology!Fermentation, Biocatalysis and Bioseparation"，vol. I. Wiley, New York(1999), pages 395to 419(纽约 Wiley 出版社， 1999年，Flickinger, M. C.和Drew, S.W.编辑的"生物加工技术百科全书：发酵，生物催化 和生物分离"第1卷第395页至491页，Tredici，M. R.的"生物反应器，光"）。
[0010] US 2008 178739公开一种在处理诸如烟道气的气体中使用和用于产生生物质的 光生物反应器。所公开的生物反应器用于在处理含高浓度二氧化碳的气体中使用。光生物 反应器包括具有对光透明的盖部的细长容器。细长容器可以具有一个或更多个光生物反应 器部分。在采用多个光生物反应器部分的情况下，这些部分优选地相互连接，并且每个部分 都具有输入口和输出口。可设置单个透明盖部以在多个分开的生物反应器部分之上延伸。
[0011] GB2, 423, 525涉及一种在用于产生生物脂的溶剂萃取工艺中使用的光生物反应 器。该反应器包括塞流反应器和振荡流反应器的组合，其中由微生物产生的生物脂通过利 用合适溶剂的萃取移除。生物脂随后从溶剂中回收以在生物柴油的生产中使用。塞流反应 器部分包括具有透明壁部的管，光可以经该透明壁部进入到管内。
[0012] WO 2007/098150涉及光生物反应器及其使用。这些光生物反应器包括具有壁部的 容器，所述壁部至少部分透明以通过经过它们的光。容器被分成多个部分，其中相邻的部分 处于流体连通中。输入口和输出口端口设置在容器中以用于提供和移除流体。生物反应器 设有使容器的流体内容物及在它们内的微生物通气的装置。还设有用于控制容器内的流体 温度的装置。
[0013] JP 5344879公开一种用于培养微生物的生物反应器。该生物反应器包括水平设置 地大致圆筒形的容器，该容器透明以通过光。容器支承在转动的滚筒上，以使容器围绕其纵 向轴线转动。搅动叶片设置在容器中。滚筒和旋转容器的使用使得JP 5344879的布置特 别复杂并且很难大规模地采用。
[0014] US 2007/0214899涉及特别用于与生物反应器系统一起使用的采样端口以及相关 的容器系统。其中公开一种包括由壳体支承的容器的生物反应器系统。保持在壳体内的容 器可以是柔性的或刚性的、并且可以是透明的或不透明的。搅拌器设置在容器内以使容器 内的流体混合和/或悬浮。
[0015] US 5, 614, 378、US 4, 952, 511、US 5, 137, 828 和 US 4, 676, 956 中公开光生物反应 器的其他示例。在所公开的多种反应器中，利用定位在反应器自身内的一个或更多个发射 器或光源将光提供给反应器内的培养介质。生物反应器内的光源或发射器的位置一般被要 求，以将光提供到培养介质的所有区域，原因在于从液体介质的表面的光透射受到严重地 限制并且延伸至仅非常浅的深度。
[0016] US 6, 416, 993中公开一种利用光合微生物来处理废料流的方法及设备。
【发明内容】
[0017] 从对用于处理流体流的已知方法及设备的回顾，存在对作为生物反应器的改进设 备的需求。特别地，存在对能够有效地处理废气流（特别是由发电厂等通过燃料的燃烧产 生的烟道气）的改进设备的需求。存在对用于处理这种烟道气以移除二氧化碳的有效系统 的特别需求。最有利地，该系统能够对处于其由发电厂等产生的基本相同的压力下的烟道 气进行操作，这将不需要显著的压缩、或者更优选地不需要任何压缩。另一个显著的优点是 生物反应器能够采用光养微生物而无需依赖于人造光源和/或用于将太阳光传输到液体 培养介质的本体内的复杂布置。
[0018] 根据本发明的第一方面，提供一种用于使流体流与微生物接触的设备，所述设备 包括：
[0019] 壳体，所述壳体具有在其中的接触室，所述接触室由壳体的壁部限定；用于待处理 的流体流的第一输入口；
[0020] 用于移除含微生物的液体培养介质流的第一输出口；
[0021] 转子组件，所述转子组件包括在接触室内能够运动的叶轮，以增进在接触室内液 体培养介质和正被处理的流体流之间的接触；
[0022] 其中，限定接触室的壳体的壁部的至少一部分对光透明。
[0023] 本发明的第一方面的设备提供一种用于使待加工的流体流与含微生物的液体培 养介质接触的有效装置。微生物最优选地以悬浮液的形式包含在液体培养介质中。但是， 也可以采用其他用于保持微生物为液相（比如将微生物保持在透明的基质中）的装置，例 如在TO 2004/046037中所述的。
[0024] 所述设备可以用于通过在液体培养介质中的微生物来执行大范围的流体流中成 分的处理或加工。该加工可以包括将来自正被处理的流体流中的一种或更多种成分转变为 生物质，用于后续地收获和使用。可选地、或附加地，该加工可以包括通过微生物将正被处 理的流体流中的一种或更多种成分转变为其他期望的成分。在这种情况下，以这种方法产 生的成分可以由微生物递送或分泌到液体介质中，以用于通过已知的萃取技术（比如溶剂 萃取、蒸馏等）的移除。可选地，以这种方法产生的成分可以保持在微生物的细胞内并且一 旦微生物已被收获且从设备中移除就以已知的方式从细胞中回收。
[0025] 特别地，所述设备最适于加工气体流，尤其是烟道气。所述设备最有利的在于加工 气体流（比如烟道气等）以在该流体流被排放到大气中或在另一有利的工艺中被再次使用 之前移除二氧化碳和/或其他物质。这样，诸如烟道气等的气体流可以使其二氧化碳成分 转化为生物质，从而允许具有减少的二氧化碳排放量的处理后的气体排放到大气中或者使 用在其他工艺中，同时还允许生物质被回收和利用，例如作为在制造有价值的初级和次级 代谢产物中的原料，比如生物燃料原料和植物药剂。
[0026] 所述设备包括壳体。所述壳体可以是任意合适的形状或构型。一个特别优选的布 置是壳体为圆筒形，原因在于圆筒形容器的构造和操作是众所周知的。壳体包括在其中的、 由壳体的壁部限定的接触室。接触室可以是任意合适的形状或构型。但是，接触室优选地 为圆筒形、由圆筒形壳体的壁部形成。
[0027] 壳体可以定位在任意合适的方向上。优选地，壳体布置为其纵向轴线水平。该布 置特别地有利，原因在于其允许在细长容器中建立流动状态，在该细长容器中，待加工的流 体流与液体介质中的微生物接触。所述设备可以包括布置有一个或更多个接触室的单个壳 体。在一个优选的布置中，所述设备基于模块化的基础构造，其中多个壳体布置为接收待加 工的流体流。多个壳体可以串联地布置，从而以顺序的方式接收正被加工的流体流。可选 地，多个壳体可以以并联方式布置，以使得正被加工的流体流在两个或更多个壳体之间分 配。在一个优选的实施例中，壳体设置为水平布置的一个或更多个细长圆筒形或管状壳体， 如将在下文中描述的。
[0028] 壳体可以包括单个接触室或多个这种接触室。在一个布置中，壳体包括多个接触 室，并且相邻的接触室由延伸跨过壳体内部的隔板分开。待加工的流体流可以被依次地引 入到每个接触室内。可选地，待加工的流体流可以在壳体内的多个接触室之间分配。
[0029] 当本发明的设备在使用中时，通常为悬浮液的含微生物的液体介质与待加工的流 体流接触。液体介质最通常地为水介质。微生物是光养微生物并且要求足够强度的光源以 用于进行它们正常的代谢过程。因此，为允许微生物加工待处理的流体流，在接触室内要求 有光。为提供所需的光，壳体的至少一部分对光透明，从而允许光进入接触室内。在这方 面，术语"透明的"是对壳体材料的参考，所述材料允许经壳体的壁部的适当波长范围内的 足够的光通过，以确保在接触室内的微生物的有效繁殖。在一个实施例中，整个壳体都对光 透明。在壳体具有仅一部分为透明的情况下，应当理解的是，壳体在被安装和使用时需要被 定向，以确保光可以经该透明部分进入。
[0030] 壳体的一个或更多个部分或者在壳体内的部件可设有反射表面或镜面表面，以在 壳体内反射入射光，从而增大微生物与进入到壳体内的光的接触效率。特别地，如果壳体仅 包括透明且允许进入到壳体内的光通过的一部分，则壳体的与该透明部分相对的内壁可以 是反射的或镜面的。
[0031] 本发明的设备特别适于利用自然光来照射在接触室内的