專利名稱：用于從水生植物收集乙醇的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開(kāi)涉及生產(chǎn)和收集乙醇的系統(tǒng)和方法，并且更具體地屬于用于促進(jìn)植物的植物生長(zhǎng)和乙醇生產(chǎn)的新型乙醇生產(chǎn)方法，該植物在無(wú)氧代謝過(guò)程中產(chǎn)生游離乙醇以形成植物生長(zhǎng)的自供養(yǎng)循環(huán)(self-sustaining cycle)。本公開(kāi)也涉及收集、純化和/或提取水生植物在無(wú)氧代謝過(guò)程中產(chǎn)生的乙醇的系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本文中提供的是收集、純化和/或提取由水生植物在無(wú)氧代謝過(guò)程中產(chǎn)生的乙醇的方法和系統(tǒng)。在本文中提供的系統(tǒng)得益于由水生植物生產(chǎn)乙醇的方法，包括在植物體中誘導(dǎo)有氧和無(wú)氧代謝的交替步驟。
實(shí)施例I是乙醇產(chǎn)生和收集系統(tǒng)，包括含水小室(隔間，cell)和至少一種水生植物，和與水流體連通的乙醇去除組件，以及設(shè)置成抑制水生植物光合作用的光合作用的光調(diào)節(jié)系統(tǒng)。實(shí)施例2是乙醇產(chǎn)生和收集系統(tǒng),包括含水小室和至少一種水生植物，和與水流體連通的乙醇去除組件，以及用于調(diào)節(jié)光合作用誘導(dǎo)光以允許其到達(dá)至少一種水生植物的裝置。在本文中揭露了示例性裝置(方法)。實(shí)施例3是誘導(dǎo)乙醇形成的方法，該方法包括以下的步驟把水生植物置于含水小室中；在小室內(nèi)創(chuàng)造缺氧條件，以便引發(fā)水生植物的厭氧過(guò)程；在細(xì)胞內(nèi)創(chuàng)造充氧條件以便引發(fā)需氧過(guò)程；并且重復(fù)創(chuàng)造缺氧和充氧條件的步驟。水生植物尺寸增加并且通過(guò)在厭氧過(guò)程中代謝儲(chǔ)存的碳水化合物釋放乙醇。水生植物在需氧過(guò)程中產(chǎn)生并儲(chǔ)存碳水化合物。創(chuàng)造缺氧和充氧條件的重復(fù)步驟促進(jìn)水生植物尺寸增大并提高乙醇的釋放。在實(shí)施例4中，實(shí)施例3的方法進(jìn)一步包括從小室中去除乙醇的步驟。在實(shí)施例5中，實(shí)施例3或4的方法進(jìn)一步包括引入催化劑，如2，4-二氯苯氧乙酸(2，4-dichlorophynoxyacetic acid),以提高無(wú)氧代謝的步驟。在實(shí)施例6中,任何實(shí)施例3-5的方法進(jìn)一步包括加入CO2以提高有氧代謝和碳水化合物的形成的步驟。在實(shí)施例7中，創(chuàng)造任何實(shí)施例3-6中的缺氧條件的步驟包括在小室中具有缺氧水,和包括在小室中具有充氧水的創(chuàng)造充氧條件的步驟。在實(shí)施例8中,保持和重復(fù)使用實(shí)施例7的缺氧水至少一次以引發(fā)另一次缺氧條件。在實(shí)施例9中，任何實(shí)施例3-8的方法中的植物能夠放置在大量小室中，并且缺氧水能夠在小室之間轉(zhuǎn)移以增加缺氧水中乙醇的濃度。在實(shí)施例10中，任何實(shí)施例3-9的方法進(jìn)一步包括在需氧過(guò)程中向小室引入植物營(yíng)養(yǎng)物以增加碳水化合物的產(chǎn)生的步驟。在實(shí)施例11中，任何實(shí)施例3-10的方法進(jìn)一步包括去除過(guò)量或者開(kāi)始衰老的植物材料的步驟，其可用于在生物化學(xué)工業(yè)中作為水生植物供給材料或在新的小室中播種(seed)。在實(shí)施例12中，任何實(shí)施例3_11的方法能夠使用眼子菜科(family Potamogetonaceae)中的水生植物實(shí)施。實(shí)施例13是誘導(dǎo)乙醇形成的方法，包括以下步驟把水生植物置于含水小室中；在小室內(nèi)創(chuàng)造充氧條件以引發(fā)植物的需氧過(guò)程；用密封屏障覆蓋小室以防止氧氣進(jìn)入水中；在小室內(nèi)創(chuàng)造缺氧條件以引發(fā)厭氧過(guò)程；并從水中分離乙醇。水生植物在需氧過(guò)程中產(chǎn)生并儲(chǔ)存碳水化合物。水生植物尺寸增加并且在厭氧過(guò)程中通過(guò)代謝儲(chǔ)存的碳水化合物釋放乙醇。在實(shí)施例14中，實(shí)施例13的方法進(jìn)一步包括重復(fù)創(chuàng)造缺氧和充氧條件的步驟以促進(jìn)水生植物的尺寸增加并促進(jìn)乙醇的釋放。在實(shí)施例15中，實(shí)施例13或14的方法進(jìn)一步包括在缺氧條件下用阻光的覆蓋物覆蓋在小室上以防止光進(jìn)入小室的步驟。在實(shí)施例16中，將實(shí)施例15中用阻光的覆蓋物覆蓋在小室上的步驟定義為黑暗階段(dark ph ase)。在實(shí)施例17中，在充氧條件過(guò)程中去除實(shí)施例15或16中的阻光覆蓋物,將小室暴露在光下,定義為光照階段(light phase)ο在實(shí)施例18中，實(shí)施例16或17的黑暗階段持續(xù)至少2天并且光照階段相對(duì)于黑暗階段具有小于1:2的比率的持續(xù)時(shí)間。在實(shí)施例19中，任何實(shí)施例13-18的方法進(jìn)一步包括引入催化劑，如2，4-二氯苯氧乙酸，以提高無(wú)氧代謝的步驟。在實(shí)施例20中，任何實(shí)施例13-18的方法能夠使用眼子菜科中的水生植物實(shí)施。在實(shí)施例21中，任何實(shí)施例3-20的方法，進(jìn)一步包括將酵母加入小室中的步驟。在實(shí)施例22中，任何實(shí)施例3-21的方法進(jìn)一步包括在小室內(nèi)產(chǎn)生水?dāng)噭?dòng)的步驟，以防止在缺氧條件下毗鄰水生植物的植物廢料的累積。實(shí)施例23是誘導(dǎo)乙醇形成的方法，包括以下步驟把水生植物置于含水小室中；在細(xì)胞內(nèi)創(chuàng)造充氧條件以使植物引發(fā)需氧過(guò)程；用阻光屏障覆蓋小室以防止光進(jìn)入小室；在小室內(nèi)創(chuàng)造缺氧條件以引發(fā)厭氧過(guò)程；和從水中分離乙醇。水生植物在需氧過(guò)程中產(chǎn)生和儲(chǔ)存碳水化合物。水生植物尺寸增加并且在厭氧過(guò)程中通過(guò)代謝儲(chǔ)存的碳水化合物釋放乙醇。在實(shí)施例24中，實(shí)施例23的方法進(jìn)一步包括重復(fù)創(chuàng)造缺氧和充氧條件的步驟以便促進(jìn)水生植物的尺寸增加和促進(jìn)乙醇的釋放。在實(shí)施例25中，將實(shí)施例23或24的用阻光覆蓋物覆蓋小室的步驟定義為黑暗階段。在實(shí)施例26中，在充氧條件下去除任何實(shí)施例23-25的阻光覆蓋物，以使小室暴露在光下，定義為光照階段。在實(shí)施例27中，實(shí)施例25或26的黑暗階段持續(xù)至少2天并且光照階段相對(duì)于黑暗階段具有小于1:2的比率的持續(xù)時(shí)間。在實(shí)施例28中，任何實(shí)施例23-27的方法進(jìn)一步包括將酵母加入小室中的步驟。在實(shí)施例29中，任何實(shí)施例23-28的方法進(jìn)一步包括引入催化劑，如2，4_ 二氯苯氧乙酸，以提高無(wú)氧代謝的步驟。在實(shí)施例30中，任何實(shí)施例23-39的方法進(jìn)一步包括在小室內(nèi)產(chǎn)生水?dāng)噭?dòng)的步驟，以防止在厭氧條件下毗鄰水生植物的植物廢料的累積。在實(shí)施例31中，任何實(shí)施例23-30的方法能夠使用眼子菜科中的水生植物實(shí)施。在實(shí)施例32中，任何實(shí)施例23-31的方法進(jìn)一步包括用密封屏障覆蓋小室以防止氧氣進(jìn)入水中的步驟。實(shí)施例33是誘導(dǎo)乙醇形成的方法，該方法包括以下步驟把水生植物置于含水小室中；引發(fā)補(bǔ)給階段(recharge phase，再補(bǔ)給階段)，在該階段將水充氧以創(chuàng)造充氧條件并且將植物暴露在光下定義為光照階段；促進(jìn)轉(zhuǎn)移階段，在該階段使水缺氧以定義為厭氧條件，并且使小室缺乏光合作用誘導(dǎo)光定義為黑暗階段；通過(guò)在缺氧條件下和黑暗階段中保留該植物促進(jìn)缺氧階段；并且捕獲由植物釋放到水中的乙醇。光照階段促進(jìn)植物通過(guò)有氧代謝形成碳水化合物。黑暗階段促進(jìn)植物無(wú)氧代謝，以便植物將乙醇釋放到水里。在實(shí)施例34中，促進(jìn)實(shí)施例33的轉(zhuǎn)移階段的步驟進(jìn)一步包括將酵母加入水中的步驟。在實(shí)施例35中，實(shí)施例33或34的補(bǔ)給階段維持在O. 5天到12天之間。在實(shí)施例36中，任何實(shí)施例33-35的轉(zhuǎn)移階段維持在O. 5天到6天之間。在實(shí)施例37中，任何實(shí)施例33-36的缺氧階段維持至少3天。在實(shí)施例38中，任何實(shí)施例33-37的方法進(jìn)一步包括重復(fù)發(fā)起補(bǔ)給階段、促進(jìn)轉(zhuǎn)移階段和促進(jìn)缺氧階段的步驟，以促進(jìn)乙醇釋放。在實(shí)施例39中，任何實(shí)施例33-38的方法，進(jìn)一步包括在缺氧條件下用阻光覆蓋物覆蓋小室以防止光進(jìn)入小室中的步驟，定義為黑暗階段。在實(shí)施例40中，任何實(shí)施例33-39的黑暗階段持續(xù)至少2天并且光照階段相對(duì)于黑暗階段具有小于1:2的比率的持續(xù)時(shí)間。在實(shí)施例41中，任何實(shí)施例33-40的方法進(jìn)一步包括引入催化劑，如2，4- 二氯苯氧乙酸，以提高無(wú)氧代謝的步驟。在實(shí)施例42中，任 何實(shí)施例33-41的方法進(jìn)一步包括在小室內(nèi)產(chǎn)生水?dāng)噭?dòng)的步驟，以防止在缺氧條件下毗鄰水生植物的植物廢料的累積。在實(shí)施例43中，任何實(shí)施例33-42的方法能夠使用眼子菜科的水生植物實(shí)施。在實(shí)施例44中，任何實(shí)施例33-43的黑暗階段持續(xù)至少2天并且光照階段具有必須代替在黑暗階段失去的碳水化合物含量的持續(xù)時(shí)間。在實(shí)施例45中，維持任何實(shí)施例33-44的補(bǔ)給階段以重建在缺氧階段失去的碳水化合物。在實(shí)施例46中，任何實(shí)施例33-45的轉(zhuǎn)移階段維持在2天到6天之間。在實(shí)施例47中，任何實(shí)施例33-46的缺氧階段維持至少6天。在實(shí)施例48中，促進(jìn)任何實(shí)施例33-47的轉(zhuǎn)移階段的步驟進(jìn)一步包括將減少氧氣的酵母、細(xì)菌或酶加入水中的步驟。在實(shí)施例49中，實(shí)施例48的方法進(jìn)一步包括在轉(zhuǎn)移階段加入碳水化合物源以促進(jìn)缺氧條件的步驟。因而已經(jīng)相當(dāng)寬泛地描述了本公開(kāi)更重要的特點(diǎn)，以便可以更好地理解其接下來(lái)的詳細(xì)描述，并且以便更好地評(píng)價(jià)本公開(kāi)對(duì)本領(lǐng)域的貢獻(xiàn)。將在下文描述本公開(kāi)另外的特征，并且，將形成本公開(kāi)所附的權(quán)利要求的主題。本公開(kāi)的目的與構(gòu)成本公開(kāi)的特征的各種新穎性特征一起，在所附的權(quán)利要求中被特別地指出并形成了此公開(kāi)的一部分。


當(dāng)考慮隨后的詳細(xì)說(shuō)明，將更好地理解本發(fā)明，并且除了上面列出的那些目的之夕卜，其他目的會(huì)變得明顯。這樣的描述參考附圖圖I是根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例促進(jìn)乙醇生產(chǎn)和水生植物生長(zhǎng)的方法的示意圖。圖2是根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例用于從水生植物中分離乙醇的系統(tǒng)的示意圖。圖3根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例促進(jìn)乙醇生產(chǎn)和水生植物生長(zhǎng)的方法的示意圖。圖4是根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例用于從水生植物分離乙醇的系統(tǒng)的示意圖。圖5是根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例用于從水生植物分離乙醇的系統(tǒng)的示意圖。圖6是根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例從水生植物生產(chǎn)的糖類獲得乙醇的方法的示意圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在參考附圖，并且尤其是圖I和3，將描述體現(xiàn)本公開(kāi)的實(shí)施方式的原理和概念的新型乙醇生產(chǎn)方法并通常指定為參考附圖數(shù)字20。圖3是圖I更詳細(xì)的示意圖。圖2、4和5說(shuō)明了基于方法20的各種系統(tǒng)30、40、50。如圖I和3所示，促進(jìn)乙醇生產(chǎn)和水生植物生長(zhǎng)的方法20通常包括在一個(gè)或多個(gè)小室中培育水生植物。基于下面描述的方法，在本文中提供了從水生植物中分離乙醇的系統(tǒng)。可以獲得水生植物，并且以任何常用的方式放入小室中，如從湖泊或池塘收集植物、在容器中培育他們或直接在小室中培育他們。當(dāng)實(shí)施方法20時(shí)，因?yàn)樗麄冃枰糜谖磥?lái)的小室或用于更換的目的，因此它可能用于培育和提供水生植物。用于小室的水的類型將基于植物類型變化，但是淡水、鹽水和淡鹽水(brackish water)都適合于各種實(shí)施方式。每個(gè)小室被設(shè)置成能存放水，并且可能或可能不排成防止流體和氣體轉(zhuǎn)移到支撐小室的地表面上。小室的規(guī)格為存放一個(gè)或多個(gè)水生植物。小室的規(guī)格將取決于使用的水生植物的尺寸和類型，和選中的水生植物所需要的深度，以便在沒(méi)有限制的情況下適當(dāng)?shù)厣L(zhǎng)。每個(gè)小室的深度能夠在約IOcm到約20m的范圍內(nèi)(例如IOcm到100cm、50cm到lm、IOOcm 到 lm、500cm 到 3m、Im 到 5m、4m 到 10m、5m 到 7m、5m 到 IOm 或 IOm 到 20m)。已發(fā)現(xiàn)，一些植物可以在提供其他環(huán)境因素的情況下，如存在深處的非典型的高水溫，在顯著更深 的深度中生長(zhǎng)。例如，已經(jīng)顯示龍須草(Stuckenia pectinata)生長(zhǎng)在大于20m的水深處，在該深度處熱通孔(thermal vents)提供至少比在此深度的北美湖中所發(fā)現(xiàn)的典型的更熱的水。小室的寬度和長(zhǎng)度對(duì)系統(tǒng)是無(wú)關(guān)緊要的。應(yīng)理解小室的寬度和長(zhǎng)度不必是相等的，并且能夠調(diào)節(jié)以適應(yīng)在系統(tǒng)中使用的植物的數(shù)量和類型，并且能夠進(jìn)一步取決于小室的外形、可用的土地面積、原材料的取得和成本控制。當(dāng)小室的規(guī)格為存放一個(gè)植物時(shí)，這比包含多個(gè)小室的系統(tǒng)是有優(yōu)勢(shì)的。小室也可以是溫控的，并且尤其是小室應(yīng)當(dāng)防止可能殺死水生植物的凍結(jié)。用于小室的熱可以與毗鄰的處理乙醇的植物釋放的廢熱或其他任何方便的廢熱來(lái)源隔離。也可以在方便的情況下利用額外的熱源，如地?zé)岷吞?yáng)熱。在一個(gè)實(shí)施方式中，可以利用廢水處理廠或電力設(shè)施排放的水，以調(diào)節(jié)溫度并向水生植物提供額外的營(yíng)養(yǎng)物。另外，在特別熱的氣候中，可能需要冷卻小室以防止溫度將另外損傷植物。取決于利用的各種水生植物，可以選擇溫度范圍，其優(yōu)化植物生長(zhǎng)和乙醇生產(chǎn)。例如，雖然應(yīng)當(dāng)理解，生長(zhǎng)和乙醇的生產(chǎn)的總溫度范圍落入寬得多的范圍內(nèi)，但為了最佳生長(zhǎng)可以將一些選擇的植物(如龍須草)維持在85°華氏度和73°華氏度之間。控制溫度的一種方式是將小室沉入地面中，在該處土壤圍繞在小室周圍將調(diào)節(jié)小室的溫度。可以將基質(zhì)(substrate )，例如細(xì)的顆粒置于小室中，并且將水生植物引入小室中，在該處其可以在顆粒中自我固定(錨定)下來(lái)?？梢允褂眉?xì)的顆粒，因?yàn)槠淇梢源龠M(jìn)水生植物在顆粒中生根的部分的低能量支出，并且在顆粒的表面上保留更高百分?jǐn)?shù)的植物物質(zhì)。然而，方法20利用的許多植物主要依靠其根系統(tǒng)作為固定手段，并且因此可以使用可以根部長(zhǎng)入的任何類型的固定機(jī)制或者基質(zhì)。另外，更密集的顆?？赡苁怯杏玫?，在小室中的水流動(dòng)需要堅(jiān)固的固定基底。因此，在本文中提供的系統(tǒng)的小室可能包括機(jī)械固定裝置，如柵格或篩網(wǎng)，根部可以長(zhǎng)入和自我連接。水生植物可以選自任意數(shù)量的水生植物，其很容易在水生環(huán)境中或其上生存，如直接在水或在永久飽和的土壤中。更一般地說(shuō)，術(shù)語(yǔ)“水生植物”可以包括任何藻類、水生植物或半水生植物，其對(duì)一直沉沒(méi)在水中或在淹沒(méi)階段間歇性沉沒(méi)都具有高耐受性。而且，可以在一個(gè)小室內(nèi)使用多種類型的水生植物。水生植物可包括，例如，藻類，水下生長(zhǎng)的水草，如，但不局限于，龍須草(Stuckenia pectinata)(以前被稱為龍須眼子菜(Potamogeton pectinatus))，范草(Potamogeton crispus),目艮子菜(Potamogeton distintcus)，小節(jié)目艮子菜(Potamogeton nodosus)，川蔓藻(Ruppia maitima)，狐尾藻(Myriophyllum spicatum)，黑藻(Hydrilla certicillata),伊樂(lè)藻(Elodea densa)，杉葉藻(Hippuris vulgaris),大皺邊草(Aponogeton boivinianus),硬葉浪草(Aponogeton rigidifolius)，長(zhǎng)葉皺邊浪草(Aponogeton Iongiplumulosus),牛頓草(Didiplis diandra)，爪卩圭莫絲(Vesicularia dubyana)，小柳(Hygrophilia augustifolia)，珍珠金錢(qián)草(Micranthemumumbrosum)，大艾克草(Eichhornia azurea)，蘇奴草(Saururus cernuus)，舌頭椒草(Cryptocoryne lingua)，北極杉(Hydrotriche hottoniifIora),百葉草(Eustralisstellata)， Vallisneria rubra,柳葉水養(yǎng)衣(Hygrophila salicifolia )，泰國(guó)水劍(Cyperus helferi )，培菌椒草(Cryptocoryne petchii )，苦草(Vallisneria americana)，Vallisneria torta，北極杉(Hydrotriche hottoniiflora)，肉葉草(Crassula helmsii)，石龍尾(Limnophila sessiliflora)，穿葉眼子菜(Potamogeton perfoliatus)，紅松尾(Rotala wallichii)，貝克椒(Cryptocoryne becketii)，中簀藻(Blyxa aubertii)和水羅蘭(Hygrophila difformmis)，浮萍如，但不局限于，紫萍(Spirodela polyrrhiza),無(wú)根萍(Wolffia globosa)，品萍(Lemna trisulca)，膨脹青萍(Lemna gibba)，青萍(Lemnaminor)，斑萍(Lemna punctata)，水甘蘭，如，但不局限于大萍(Pistia stratiotes)，毛茛如，但不局限于毛茛科(Ranunculus)，水生瘈藜如，但不局限于菱角(Trapa natans)和菱角(Trapa bicornis)，水生百合，如青斑睡蓮(Nymphaea lotus)，睡蓮科(Nymphaeaceae)和蓮科(Nelumbonaceae)，水生風(fēng)信子如，但不局限于布袋蓮(Eichhornia crassipes)，黑木厥(Bolbitis heudelotii)，和穗藥屬(Cabomba)，以及海草如，但不局限于小竹葉(Heterantheta zosterifolia),波喜蕩草科(Posidoniaceae)，大葉藻科(Zosteraceae)，水鱉科(Hydrocharitaceae)，和絲粉藻科(Cymodoceaceae)。此外，在各種實(shí)施方式的一個(gè)中，寄主藻類可以選自由綠藻、紅藻、褐色藻類、硅藻、海生藻類、淡水藻類、單細(xì)胞藻類、多細(xì)胞藻類、海草、耐寒藻株、耐熱藻株、耐乙醇藻株及其組合所組成的組。水生植物通常也可以選自包括眼子菜(如Stuckenia).金魚(yú)藻科(CeratophyIIaceae)Λ 小二仙草科(Haloragaceae)和川蔓藻科(Ruppiaceae)的植物科中的一種。更尤其是，選擇的水生植物應(yīng)當(dāng)具有較大的巴斯德效應(yīng)，其增加厭氧的CO2產(chǎn)量和有氧的CO2產(chǎn)量的比率。典型地，這個(gè)比率約為1:3，但是水生植物如例如龍須草(以前并且也有時(shí)被稱為龍須眼子菜)且通常被稱為Sago Pondweed，可能將這個(gè)比率增加到2:1，正如“Anoxia tolerance in the aquatic monocot Potamogetonpectinatus:absence of oxygen stimulates elongation in association with anusually large Pasteur effect，，，，Journal of Experimental Botany, Volume 51，Number349, ppl413-1422, August 2000中解釋的一樣。在黑暗的和缺氧的環(huán)境中發(fā)生的伸長(zhǎng)過(guò)程中，植物的細(xì)胞狀腔體伸長(zhǎng)以儲(chǔ)存在水生植物需氧過(guò)程中有氧代謝形成的碳水化合物。然后可以使用這些碳水化合物以在水生植物的厭氧過(guò)程中的無(wú)氧代謝過(guò)程中形成乙醇。通常，方程式如下所示植物有氧代謝6C02+6H20— 602+C6H1206植物無(wú)氧代謝=C6H12O6— 2C02+2C2H50H一旦水生植物在小室中固定，在水生植物中引發(fā)厭氧過(guò)程，其促進(jìn)儲(chǔ)存的碳水化合物的代謝成乙醇。在一個(gè)實(shí)施方式中，通過(guò)在小室中創(chuàng)造缺氧條件(在這里也稱為厭氧條件)引發(fā)或促進(jìn)厭氧過(guò)程。在這里將術(shù)語(yǔ)“缺氧”定義為氧氣消耗的程度，在該程度下其誘導(dǎo)植物進(jìn)入或維持無(wú)氧代謝條件。因此，缺氧條件能夠足以減少或維持植物細(xì)胞內(nèi)氧氣的水平，以便促進(jìn)植物厭氧過(guò)程或代謝。有多種在小室中產(chǎn)生缺氧條件的方法，并且每種方法可以獨(dú)立地或與一種或多種其他方法組合起來(lái)使用。在一個(gè)實(shí)施方式中，通過(guò)耗盡或減少包含在小室中的水中的氧氣濃度創(chuàng)造缺氧條件。這可以將水引入到通過(guò)使用有機(jī)的、化學(xué)的或機(jī)械的手段嚴(yán)格耗盡(例如提出厭氧的)氧氣的小室中實(shí)施。這也可以通過(guò)從包含在小室內(nèi)的水中去除氧氣實(shí)施。應(yīng)當(dāng)理解，術(shù)語(yǔ)“缺氧”不一定表明水中完全沒(méi)有氧氣，因?yàn)樯倭康难鯕鈱⒖赡苋芙庠谒小１景l(fā)明的這個(gè)實(shí)施方式和其他實(shí)施方式可以用多個(gè)小室實(shí)施,其中缺氧水和充氧水按需要在小室之間循環(huán)，以在缺氧條件和充氧條件之間交替。例如，利用多個(gè)小室的過(guò)程可能包括含達(dá)到 2% 乙醇(例如 O. 1%、0· 2%、0· 3%、0· 4%、0· 5%、0· 75%、I. 0%、1· 25%、I. 5%，或
I.75%)的缺氧水的第一個(gè)小室，將其轉(zhuǎn)移到之前已被充氧的第二個(gè)小室中。缺氧水替換在第二個(gè)小室中去除的充氧水，以便在第二個(gè)小室中創(chuàng)造缺氧條件。然后在第二個(gè)小室內(nèi)促進(jìn)植物生長(zhǎng)和乙醇生產(chǎn)。需要指出的是，最初在第二個(gè)小室中具有乙醇(因?yàn)槿毖跛▉?lái)自第一個(gè)小室的厭氧過(guò)程的乙醇)，當(dāng)水生植物檢測(cè)到水中的乙醇時(shí)，可能進(jìn)一步刺激乙醇生產(chǎn)。例如，在第二個(gè)小室中可以允許增加乙醇濃度達(dá)到4%(例如O. 5%、0. 75%、I. 0%、1. 5%、
I.75%,2. 0%、2. 5%、3. 0%，或3. 5%)。每當(dāng)將缺氧水移動(dòng)到新的小室中時(shí)，便促進(jìn)那些植物的伸長(zhǎng)和乙醇生產(chǎn)。一旦缺氧水中的乙醇濃度達(dá)到預(yù)定的水平,如例如達(dá)到體積的10%(例如1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%，或9%)，就將缺氧水移出小室并使用慣用的手段從水中提取乙醇?？商鎿Q地或另外，可以向小室中加入減少氧氣的添加劑如谷類、酵母、細(xì)菌(例如通常為遺傳改變的細(xì)菌和/或能夠發(fā)酵的細(xì)菌)，或酶(其消耗氧氣和糖類，同時(shí)產(chǎn)生二氧化碳)以耗盡氧氣的水平。為了促進(jìn)耗盡氧氣的水平，可以向水中加入次要的碳水化合物來(lái)源例如谷類、糖蜜、小麥或其他糖類來(lái)源以供減少氧氣的添加劑使用。次要的碳水化合物來(lái)源可以與酵母一起加入以弓I起足夠強(qiáng)烈的反應(yīng)從而從系統(tǒng)去除大量氧氣。通過(guò)減少氧氣的添 加劑降低氧氣的一個(gè)益處可以是額外生產(chǎn)的乙醇。水中缺乏足夠的氧氣促進(jìn)水生植物的厭氧過(guò)程，引起其代謝碳水化合物并且生產(chǎn)乙醇?？梢赃M(jìn)一步地通過(guò)引入化學(xué)催化劑和CO2促進(jìn)乙醇的生產(chǎn)。適宜的化學(xué)催化劑包括乙酸和2，4_ 二氯苯氧基乙酸(通常被稱為2，4-d)。例如，可以從諸如電力設(shè)施和石油精煉廠等的廢料來(lái)源獲得C02?？梢赃M(jìn)一步加入額外的營(yíng)養(yǎng)物和鹽，如鉀、氮和磷的鹽，以促進(jìn)水生植物的生長(zhǎng)。此外，取決于利用的水生植物的種類、有機(jī)基質(zhì)，可以向小室中加入包含但不限于諸如蔗糖、葡萄糖和乙酸鹽的那些。在厭氧過(guò)程中，水生植物尺寸能夠增加并且可以達(dá)到其初始長(zhǎng)度的10倍或更多的長(zhǎng)度。在這里術(shù)語(yǔ)“尺寸”理解為包括植物體積的增長(zhǎng)，其允許存儲(chǔ)更大量的碳水化合物。伸長(zhǎng)提供額外的細(xì)胞室體積以存儲(chǔ)稍后由水生植物形成的碳水化合物。另外在厭氧過(guò)程中，水生植物在細(xì)胞內(nèi)生產(chǎn)乙醇并將其釋放到細(xì)胞外。然后這些乙醇存放在小室的水中直至通過(guò)下面進(jìn)一步揭露的方法去除。這個(gè)厭氧過(guò)程可以發(fā)生一天到幾天。在龍須眼子菜(或龍須草)的情況下，雖然更長(zhǎng)的周期，如多達(dá)14天可能對(duì)最大限度地提高輸出效率有利，但是總共六天可能足夠。所需的時(shí)間將取決于許多因素，如光擴(kuò)散、營(yíng)養(yǎng)物利用率、小室的尺寸，植物的尺寸、植物品種、水溫和植物的碳含量?？梢栽试S植物在缺氧條件下保留多達(dá)幾星期。時(shí)間長(zhǎng)度的確定主要取決于乙醇的最大產(chǎn)量。當(dāng)植物的乙醇產(chǎn)量減少到超出有效參數(shù)時(shí)，可以不需要將其保存在缺氧條件下。此外，必須監(jiān)控小室的PH值以防止水變得太酸或太堿。這可以用含鈣緩沖化合物(如碳酸鈣和氯化鈣或通過(guò)引入CO2 (到堿性水中))中和，但是將最終取決于小室中特殊水生植物物種的耐受性。在另外的實(shí)施方式中，可以通過(guò)調(diào)節(jié)允許到達(dá)植物的光合作用誘導(dǎo)光的量引發(fā)和 /或促進(jìn)厭氧過(guò)程。尤其是，在厭氧期間，可以將小室與促進(jìn)光合作用的光源隔離。缺乏光照促進(jìn)厭氧過(guò)程和乙醇的釋放，并且防止通過(guò)光合作用形成氧氣?？梢酝ㄟ^(guò)任何慣用的方法調(diào)節(jié)光照以在小室內(nèi)創(chuàng)造黑暗條件。應(yīng)當(dāng)理解，應(yīng)當(dāng)阻擋的術(shù)語(yǔ)“光照”僅僅適用于輻射或光波長(zhǎng)的形式，其充當(dāng)光合作用的催化劑并且取決于每種植物使用的化學(xué)受體的類型。因此，本文中使用的術(shù)語(yǔ)“黑暗”，意味著表示大量缺乏促進(jìn)光合作用的光的頻率?？梢岳酶鞣N用于調(diào)節(jié)(例如選擇性阻止/允許)到達(dá)水生植物的光合作用誘導(dǎo)光的方法。這樣的方法包括，例如，屏障、覆蓋物、圓頂或其他外殼結(jié)構(gòu)，其在厭氧過(guò)程中至少充當(dāng)光屏障。當(dāng)不再期望將水生植物維持在厭氧條件中時(shí)，這些上述的屏障、覆蓋物等是可以移走的。在一個(gè)實(shí)施方式中，通過(guò)人可見(jiàn)光照亮小室，然而其促進(jìn)植物“黑暗”條件。其他適宜的調(diào)整方法包括散射光合作用誘導(dǎo)光的濾光器?？梢允褂萌斯す庠幢３趾诎禇l件和/或當(dāng)不期望厭氧條件時(shí)選擇性地允許光合作用。在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，可以通過(guò)用一種或多種密封屏障覆蓋小室以調(diào)節(jié)氣體(例如空氣、氧氣、CO2、氮?dú)?、蒸發(fā)的乙醇等)進(jìn)出小室的運(yùn)動(dòng)促進(jìn)厭氧過(guò)程。例如，密封屏障可以防止不需要的氧氣引入到小室里。密封屏障(或額外的密封屏障)也可以用于保持小室內(nèi)的CO2，尤其是如果將CO2加入小室中。另外，也可以維持高N2水平，以進(jìn)一步稀釋水中或截留在密封和小室之間的任何O2。密封屏障將密封小室以便防止小室和毗鄰氣體之間的流體連通。這將抑制氧氣進(jìn)入小室并且將促進(jìn)厭氧過(guò)程。密封屏障可以是半透明的屏障，以便促進(jìn)來(lái)自用于向水生植物提供光源(自然地和/或人工地)的輻射熱的捕獲。密封屏障可以或也可以不構(gòu)成如上所述的阻光屏障，其位于小室上以便防止光在厭氧過(guò)程中進(jìn)入小室。密封和阻光屏障可以由慣用材料制成。然而，應(yīng)當(dāng)理解，設(shè)置在小室周圍的空間、容器、圓頂或其他結(jié)構(gòu)，如果其用于這樣的容器，也可定義為密封和阻光屏障。在一個(gè)實(shí)施方式中，上面提描述的厭氧過(guò)程先于、緊隨或替換為需氧過(guò)程。通過(guò)在小室中創(chuàng)造充氧條件，引發(fā)和/或促進(jìn)水生植物中的需氧過(guò)程，其通過(guò)水生植物推動(dòng)碳水化合物的生產(chǎn)和存儲(chǔ)?？梢酝ㄟ^(guò)各種方法創(chuàng)造充氧條件，其可以獨(dú)立地或組合起來(lái)使用。在一個(gè)實(shí)施方式中，將充氧水加入小室中，或?qū)⒀鯕庵苯右氚谛∈覂?nèi)的水中。在另外的實(shí)施方式中，移走氣體屏障以允許水中的氧氣濃度自然地增加。從而，可以通過(guò)將充氧水引入小室中、通過(guò)去除缺氧水和/或允許水通過(guò)植物釋放的氧氣和暴露在有氧的氣體中自然充氧實(shí)現(xiàn)充氧條件。在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，可以獨(dú)立地或與其他實(shí)施方式組合起來(lái)使用，水生植物暴露在光照中以便誘導(dǎo)光合作用，并通過(guò)允許在小室內(nèi)的充氧條件(其引發(fā)和/或推動(dòng)需氧過(guò)程)停止厭氧過(guò)程。“光照條件”可以通過(guò)操控光調(diào)節(jié)手段和在這里討論的系統(tǒng)完成。例如，可以移除光屏障、覆蓋物或過(guò)濾器等，以便允許自然的或人工的光合作用誘導(dǎo)光到達(dá)水生植物?？商鎿Q地或另外，可以保留光屏障在原地并且調(diào)節(jié)人工光源以允許光合作用誘導(dǎo)光到達(dá)水生植物。在需氧過(guò)程中，可以將廢料，如來(lái)自方法10的生物料、工業(yè)廢棄物、城市廢物等，加入到小室中以向水生植物提供營(yíng)養(yǎng)物。另外，隨溫度調(diào)節(jié)促進(jìn)過(guò)濾最大日光/人工光以推動(dòng)水生植物的生長(zhǎng)?？梢酝ㄟ^(guò)加入人工光強(qiáng)化光照本身。雖然可以按照植物的特定要求調(diào)整這個(gè)時(shí)間框架，但是通常，光照階段持續(xù)在1/2天和15天之間，并且更一般地說(shuō)至少3到6天，以允許水生植物形成糖類。此外，可以調(diào)整光照階段的光以提供適合于使用的植物物種的光周期，以便維持植物健康和碳水化合物的生產(chǎn)。在需氧過(guò)程中，如上面所指出的那樣，水生植物通過(guò)代謝過(guò)程產(chǎn)生碳水化合物，然后將碳水化合物保持在其伸長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)內(nèi)。需氧過(guò)程的持續(xù)時(shí)間依賴于大量因素，但是當(dāng)碳水化合物生產(chǎn)開(kāi)始減緩或達(dá)到預(yù)定的水平時(shí)，將代表性地終止。使用龍須眼子菜(龍須草)，取決于小室內(nèi)的環(huán)境條件，可以是2天和14天之間。尤其是已發(fā)現(xiàn)，操控光照條件和黑暗條件可以影響水生植物生產(chǎn)乙醇和糖類的方式。例如，可以使一些水生植物經(jīng)受持續(xù)若干天的光照，定義為光照階段，緊隨著限制光照持續(xù)若干天定義為黑暗階段以促進(jìn)厭氧的、生產(chǎn)乙醇的過(guò)程。在一個(gè)實(shí)施方式中，使黑暗條件與厭氧條件的引發(fā)同時(shí)或在其前或后不久發(fā)生，優(yōu)選彼此在3天之內(nèi)。已經(jīng)顯示一種植物龍須草，具有多達(dá)約6天的光照階段，在這之后，其糖類穩(wěn)定生產(chǎn)或達(dá)到預(yù)定的最佳水平。術(shù)語(yǔ)“天”定義為24個(gè)小時(shí)。這種植物具有大約在2天和30天之間的黑暗階段，在此期間，其可能進(jìn)入?yún)捬踹^(guò)程并且生產(chǎn)乙醇。通常，光照階段與黑暗階段的比率將不超過(guò)1:2并且小到1:10，更普通的比例為在1:2到1:7之間。應(yīng)當(dāng)理解，在光照和黑暗階段，可以向水中加入CO2以便促進(jìn)糖類和乙醇的形成。最終，控制上述光照和黑暗階段的能力和本文中所描述的比率不適用于所有水生植物，因?yàn)槟承┲参镌谛∮?小時(shí)的黑暗階段之后就可能經(jīng)歷乙醇生產(chǎn)。對(duì)于水生植物的這些類型，光照階段與黑暗階段的比率可以大于2:1，雖然對(duì)于乙醇生產(chǎn)，相比于諸如龍須草的植物的實(shí)施，這樣的水生植物可能具有不同的限制?！┙咏妓衔镄纬勺畲笾?，或這樣的預(yù)定水平，就將再次引發(fā)厭氧過(guò)程，以開(kāi)始碳水化合物代謝和乙醇形成的過(guò)程。雖然上面闡明的過(guò)程以厭氧階段開(kāi)始，之后緊接著有氧階段，將理解在小室中將水生植物確定后能夠首先引發(fā)任一階段?？梢灾貜?fù)創(chuàng)造缺氧條件和充氧條件的步驟，以不斷地促進(jìn)伸長(zhǎng)和乙醇生產(chǎn)，緊接著碳水化合物生產(chǎn)。在植物生長(zhǎng)補(bǔ)充植物衰老所失去的植物物質(zhì)和那些不再滿足建立的乙醇生產(chǎn)的耐受性時(shí)，就形成了自供養(yǎng)循環(huán)?？梢匀コ荒苡糜谘a(bǔ)充目的或用于為另一個(gè)小室供給植物體的額外的植物生長(zhǎng)，并且利用傳統(tǒng)方法發(fā)酵也可以用于生產(chǎn)乙醇?？梢圆东@在發(fā)酵過(guò)程中釋放的二氧化 碳，并回收到小室中以促進(jìn)碳水化合物生產(chǎn)。在發(fā)酵過(guò)程前或后的植物廢料，可以進(jìn)一步作為供給物用于向小室補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)物和/或可以處理以用于生物化學(xué)工業(yè)應(yīng)用，如在乙醇和柴油機(jī)生物燃料、醫(yī)藥品、化妝品、著色劑、油漆等中。當(dāng)光照階段結(jié)束時(shí)，在充氧階段和缺氧階段之間可以有過(guò)渡期，期間氧氣的量被消耗。在過(guò)渡期期間，將酵母加入到小室中，其將促進(jìn)氧氣的降低并且將允許酵母產(chǎn)生乙醇，這可以是有益的。由酵母形成的乙醇可以充當(dāng)植物厭氧活性的催化劑，并且將提供額外的乙醇產(chǎn)量輸出。與酵母一起加入的糖類或其他碳水化合物可以進(jìn)一步提高厭氧活性。更寬廣地定義這三部分循環(huán)包括1)補(bǔ)給階段，其中充氧于水中和/或?qū)⒅参锉┞队诠庵幸员阈纬商妓衔铮?)轉(zhuǎn)移階段，其中使水缺氧，使小室缺乏光合作用誘導(dǎo)光和/或加入酵母以形成乙醇并且耗盡氧氣，和3)缺氧階段，其中植物進(jìn)入釋放乙醇的厭氧過(guò)程?？梢詫⒌谒碾A段定義為第二個(gè)轉(zhuǎn)移階段，其中再次允許水變?yōu)槌溲醯??？梢愿倪M(jìn)在本文中所教導(dǎo)的所有階段以使植物生長(zhǎng)和乙醇產(chǎn)量最大化。在一種方法中，補(bǔ)給階段可能發(fā)生超過(guò)O. 5-12天，緊接著是O. 5-6天的轉(zhuǎn)移階段，然后其緊接著是至少6天的缺氧階段，取決于利用的植物種類其可增加至超過(guò)20天。在另外的方法中，補(bǔ)給階段可能發(fā)生超過(guò)3-6天，緊接著是2-6天的轉(zhuǎn)移階段，然后其緊接著是至少6天的缺氧階段，取決于利用的植物種類其可以增加至超過(guò)20天。可以采取其他步驟以增加植物生長(zhǎng)并且進(jìn)一步促進(jìn)乙醇生產(chǎn)。例如，為了增加乙醇形成，以及防止水滯留并最終殺死水生植物，可以使用水?dāng)嚢柘到y(tǒng)不斷地?cái)噭?dòng)水以促進(jìn)通過(guò)水生植物和在其附近的水的運(yùn)動(dòng)。這防止乙醇和毗鄰植物的其他廢料的累積并向植物提供營(yíng)養(yǎng)物。已經(jīng)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，水的攪動(dòng)促進(jìn)水添加劑如酵母的懸浮。攪動(dòng)系統(tǒng)可以包括通過(guò)植物的任何形式的波運(yùn)動(dòng)或通過(guò)植物的水的持續(xù)流動(dòng)。這樣的水分移動(dòng)系統(tǒng)可以流體連接到循環(huán)回路中，其在將水裝于管路中后并且在水回到小室之前從水中或否則直接從小室中去除乙醇。在一些實(shí)施方式中，在這樣的系統(tǒng)中，當(dāng)水在小室外時(shí),可以向水中加入營(yíng)養(yǎng)物、抗生素、02、CO2、酵母，或任何其它需要或期望的添加劑。另外，循環(huán)回路也可以用于從水中去除O2，以便在其回到小室以創(chuàng)造缺氧條件之前使水缺氧。也發(fā)現(xiàn)，控制水生植物的生命周期，在延長(zhǎng)水生植物的壽命方面可以有利的。尤其是，一些水生植物的壽命在那些植物成熟(開(kāi)花，flower)之后終止。這可以在其可能成熟之前通過(guò)切斷水生植物的上部阻止。這樣的切斷將阻止一些水生植物到達(dá)水表面以及成熟。也可以整個(gè)切掉和部分收獲植物，以去除死的植物體并且使小室變窄以允許適當(dāng)?shù)墓鈹U(kuò)散到小室里?？梢栽试S削減材料保留在小室中以向小室補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)物。實(shí)施方法20的同時(shí)，可能產(chǎn)生細(xì)菌和藻花，其能夠通過(guò)抗生素、硫酸氫鹽、高氧壓、除藻劑、氯化劑、紫外線暴露和其他常用方法來(lái)控制。然而，已發(fā)現(xiàn)，方法20產(chǎn)生大量的碳水化合物，并且尤其是單糖，其促進(jìn)小室中細(xì)菌的滋生。鑒于此原因，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)為了降低碳水化合物的濃度和防止細(xì)菌滋生的目的，向小室中引入產(chǎn)生乙醇的酵母是有利的?？商鎿Q地，或與酵母、酶或細(xì)菌聯(lián)合也可以用于減少碳水化合物的濃度。加入酵母的有利效果是乙醇產(chǎn)量的增長(zhǎng)。如同厭氧過(guò)程一樣，這個(gè)過(guò)程一般的方程式是C6H12O6 — 2C02+2C2H50H并且在本領(lǐng)域是眾所周知的。可能需要置換酵母，尤其是在缺氧條件已經(jīng)建立并且維持超過(guò)大約三天之后，雖然這取決于使用的酵母的菌株。也可以向系統(tǒng)中加入次要的碳水化合物 來(lái)源以引起酵母更強(qiáng)烈地反應(yīng)。圖6描繪了用于從酵母收集乙醇的方法100。方法100總體上是基于方法20的并且可以使用在本文中所描述的系統(tǒng)30、40和50實(shí)施。方法100通常包括在小室中定植水生植物、把酵母引入小室中、引發(fā)厭氧條件以便促進(jìn)植物生產(chǎn)游離碳水化合物(例如單糖)、允許酵母將游離碳水化合物轉(zhuǎn)換為乙醇，并收集乙醇的步驟。這種方法100可用作生產(chǎn)和收集乙醇的唯一手段，或它可以與本文中所描述的用于生產(chǎn)和收集乙醇的其他方法聯(lián)合使用。可以用在本文中討論的任何方法引發(fā)方法100中的厭氧條件，包括阻止光合作用誘導(dǎo)光到達(dá)植物或防止氧氣進(jìn)入水中。在一些實(shí)施方式中，通過(guò)阻止光合作用誘導(dǎo)光到達(dá)植物和阻止氧氣進(jìn)入水中引發(fā)厭氧條件。在方法100中可以在一個(gè)或多個(gè)時(shí)間點(diǎn)向小室中引入酵母。在方法100的實(shí)施方式中，該方法主要或全部依賴于酵母將碳水化合物轉(zhuǎn)換為乙醇，可以切割或破壞植物以進(jìn)一步地促進(jìn)植物的碳水化合物的釋放。在一些實(shí)施方式中，能夠沿著主莖或葉子切割或破壞植物。在其他實(shí)施方式中，可以在根部切割植物。可以使用任何適當(dāng)?shù)姆椒▉?lái)切割或破壞植物。例如，能夠使用類似于用于管理水下植物的那些水下 切割機(jī)切割水生植物。在一些實(shí)施方式中，在沒(méi)有切割的情況下，可以破壞或損壞植物，以促進(jìn)碳水化合物的釋放。例如，能夠使用耙子，破壞或損壞水生植物。在一些實(shí)施方式中，方法100包括引發(fā)需氧條件，以便促進(jìn)植物的碳水化合物的存儲(chǔ)?？梢允褂帽疚闹兴枋龅姆椒ê拖到y(tǒng)在任何適當(dāng)時(shí)間點(diǎn)引發(fā)方法100中的需氧條件。例如，能夠在游離碳水化合物已耗盡時(shí)、在酵母生產(chǎn)乙醇變得效率低時(shí)，或在乙醇濃度達(dá)到預(yù)定水平時(shí)引發(fā)需氧條件。引發(fā)需氧條件的時(shí)間點(diǎn)可以取決于各種條件，如酵母菌株(例如乙醇耐受性或發(fā)酵效率)、植物種類(例如乙醇耐受性、碳水化合物存儲(chǔ)效率)、用于乙醇收集等的設(shè)備。在需氧時(shí)期之后，能夠通過(guò)，例如把小室暴露在自然或人工光中，再次引發(fā)厭氧條件。在一些實(shí)施方式中，在需氧時(shí)期之后可能必須替換水生植物和/或酵母。在一些實(shí)施方式中，能夠用發(fā)酵細(xì)菌替換方法100中的酵母。圖2、4和5分別描繪了用于實(shí)施描述的方法的系統(tǒng)30、40和50。應(yīng)理解，在適當(dāng)實(shí)施描述的方法20的情況下，能夠結(jié)合、添加、去除或重排所描繪的系統(tǒng)30、40、50的任一組分和方面。圖2描繪了特別好地適合于單一的小室使用的一個(gè)系統(tǒng)30，雖然應(yīng)當(dāng)理解，這個(gè)系統(tǒng)也可以與多個(gè)小室一起使用。這個(gè)系統(tǒng)30通常包括含水小室60和至少一個(gè)水生植物61，以及與小室60流體連通的乙醇去除組件66。小室60可以沉沒(méi)到表面內(nèi)部或在空間內(nèi)部、部分沉沒(méi)的容器結(jié)構(gòu)或完全在地面以上的容器結(jié)構(gòu)中。雖然循環(huán)或回路類型的小室對(duì)促進(jìn)小室60中的水運(yùn)動(dòng)是有利的，但是小室60可以具有任何特殊的外形。雖然由于低功率的需求，可能證明利用重力提升系統(tǒng)是有利的，但可以以常規(guī)的方式移動(dòng)水。系統(tǒng)30進(jìn)一步包括一個(gè)或多個(gè)密封屏障65，其抑制氣體，如進(jìn)出小室的氧和/或CO2,的運(yùn)動(dòng)。利用光合作用的光調(diào)節(jié)系統(tǒng)62，以選擇性地允許/阻止光合作用誘導(dǎo)光進(jìn)入到小室里。討論了多個(gè)關(guān)于方法20的光調(diào)節(jié)手段，任何這些手段可能構(gòu)成所有或一部分的光調(diào)節(jié)系統(tǒng)62。例如，光調(diào)節(jié)系統(tǒng)62可以包括在一個(gè)或多個(gè)小室60上的阻光覆蓋物或屏障?？商鎿Q地或另外，光調(diào)節(jié)系統(tǒng)62包括容納或包含小室60的結(jié)構(gòu)。應(yīng)理解光調(diào)節(jié)系統(tǒng)62可以但是不需要，阻止所有光到達(dá)到系統(tǒng)的植物。確切地說(shuō)，光調(diào)節(jié)系統(tǒng)62可以僅僅阻止一定波長(zhǎng)或強(qiáng)度的將誘導(dǎo)系統(tǒng)的植物的光合作用的光。例如，光調(diào)節(jié)系統(tǒng)62可以是過(guò)濾器，其僅僅允許不誘導(dǎo)光合作用的波長(zhǎng)通過(guò)。誘導(dǎo)光合作用的波長(zhǎng)的實(shí)例包括從大約380nm到大約710nm的波長(zhǎng)。取決于系統(tǒng)30使用的植物，誘導(dǎo)光合作用的波長(zhǎng)范圍可以更廣或更窄，但是能夠確定使用已知的方法。在一個(gè)實(shí)施方式中，密封屏障65和光調(diào)節(jié)系統(tǒng)62構(gòu)成可能或不可能分開(kāi)的單個(gè)結(jié)構(gòu)。光調(diào)節(jié)系統(tǒng)62可以配置為可調(diào)節(jié)的以在某些時(shí)間點(diǎn)允許光合作用誘導(dǎo)光，如在有氧代謝或誘導(dǎo)有氧代謝期間，而在其他時(shí)間點(diǎn)阻止光合作用誘導(dǎo)光，如在無(wú)氧代謝或誘導(dǎo)無(wú)氧代謝期間。例如，光調(diào)節(jié)系統(tǒng)62是可移除的。在另外的實(shí)施例中，光調(diào)節(jié)系統(tǒng)62可以是電鍍鉻的，以便能夠通過(guò)施加電流控制裝置的不透明度或顏色。在一些實(shí)施方式中，光調(diào)節(jié)系統(tǒng)62可能包括如在圖5中顯示的人工光源86以提供光合作用誘導(dǎo)光和/或不誘導(dǎo)光合作用的光。能夠配置這樣的人工光源86以發(fā)射適合于期望條件的一定強(qiáng)度或頻譜的光。例如，在無(wú)氧代謝或誘導(dǎo)無(wú)氧代謝期間，人工光源86能夠發(fā)射低強(qiáng)度的光或具有系統(tǒng)的植物光合作用誘導(dǎo)光的波長(zhǎng)范圍之外的光。同樣地，在系統(tǒng)的植物有氧代謝或者誘導(dǎo)有氧代謝期間，人工光照能夠發(fā)射誘導(dǎo)光合作用的強(qiáng)度和波長(zhǎng)的光。可以使用熱源(如熱交換器68)以獲得特別的水生植物61或使用的植物的最適溫 度。其他適宜的熱源包括來(lái)自常規(guī)電力和石油設(shè)施的常規(guī)熱水器、地?zé)崮茉?、太?yáng)能源和廢熱。可以用泵63通過(guò)封閉的回路系統(tǒng)67從小室中抽出水并再引回到小室中，以在小室60和乙醇去除組件之間提供流體連通。封閉回路系統(tǒng)67可以包括水的接入口，以便在沒(méi)有將水過(guò)度暴露在氣體中的情況下，允許向水提供上面討論的所有添加劑?？商鎿Q地，小室60可能包括接入口。乙醇去除組件66可以包括能夠從水提取和收集乙醇的多種系統(tǒng)和系統(tǒng)組件。在說(shuō)明的實(shí)施方式中，組件66包括一種或多種功能為將乙醇與水分開(kāi)的空氣吹提器(也稱為氣體剝離器)64。氣體剝離器64 (例如基于氣體剝離器的大氣-、Ν2-,或CO2)與一種或多種冷凝器72流體連通以捕獲乙醇蒸氣，分子篩70用于純化蒸氣，和/或容器74以儲(chǔ)存乙醇。如果期望也能夠使用全蒸發(fā)器(未顯示)。在沒(méi)有中斷小室中實(shí)施的厭氧和需氧過(guò)程的情況下，組件66允許連續(xù)去除乙醇。可以進(jìn)一步利用氣體剝離器64，以允許CO2、氮?dú)夂蜖I(yíng)養(yǎng)物也引入到水里。在把水引回到小室60之前，可以將其暴露在紫外線和/或抗生素中，并且可以加入除藻劑以維持健康的小室60中沒(méi)有不需要細(xì)菌和藻類的滋生。在一些實(shí)施方式中，將乙醇儲(chǔ)存容器74替換成用于分配乙醇以用于使用或運(yùn)輸?shù)慕M件(未顯示)。圖4描繪了整體結(jié)構(gòu)和功能與系統(tǒng)30類似的系統(tǒng)40，但是包括兩個(gè)或更多小室60Α，60Β，某些或全部的小室在與彼此的流體連通中直接或間接相連接。小室60Α，60Β能夠通過(guò)任何適當(dāng)?shù)氖侄芜B接。在一些實(shí)施方式中，通過(guò)普通的滲透壁連接兩個(gè)或更多小室。在另外的實(shí)施方式中，兩個(gè)或更多小室通過(guò)流體導(dǎo)管連接。連接可以是可分離的。例如，兩個(gè)或更多小室能夠通過(guò)包括可關(guān)閉的閥82的導(dǎo)管連接，以便中斷兩個(gè)或更多小室60Α，60Β之間的流體連通。在一些實(shí)施方式中，一個(gè)小室60Α或60Β經(jīng)由流體導(dǎo)管充當(dāng)其他小室60Α或60Β的充氧水或缺氧水的來(lái)源。在一些實(shí)施方式中，能夠?qū)嵤╊愃朴谙到y(tǒng)30中使用的封閉回路系統(tǒng)67，以在乙醇去除組件66和小室60Α，60Β之間提供流體連通。正如顯示的，小室60Α，60Β和乙醇去除組件66是連接的，以便來(lái)自小室60Β中的水傳送到乙醇去除組件66，提取乙醇之后剩余的水流回到小室60Α中。在替換的實(shí)施方式中，每一個(gè)小室60Α和60Β可以獨(dú)立地與乙醇去除組件66流體連通。圖4中顯示的可以用于系統(tǒng)30、40或50的另外的組件，包括充氣器78，氧氣脫除裝置76 (例如真空泵)，和/或一個(gè)或多個(gè)用于去除顆粒物,如植物體、基質(zhì)和微生物(例如酵母或細(xì)菌)的過(guò)濾器80。在圖4中顯示的乙醇去除組件66，功能可以類似于關(guān)于圖2中描述的組件。圖5描繪了系統(tǒng)50，該系統(tǒng)包括在小室60和類似于在圖2中說(shuō)明的封閉回路系統(tǒng)67的乙醇去除組件66之間的封閉回路系統(tǒng)67。該系統(tǒng)進(jìn)一步包括具有充氣器78和/或氧氣脫除裝置76的循環(huán)回路90，以便用泵63處理水使其在循環(huán)回路90中移動(dòng)。在一些實(shí)施方式中，用缺氧水的來(lái)源(未顯示)代替氧脫除裝置76，和/或用充氧水的來(lái)源代替充氣器78。能夠配置循環(huán)回路90用于引入添加劑或包括用于從水中 脫除氧氣的組件。在一些實(shí)施方式中，閥82包含在循環(huán)回路90中，以便調(diào)整循環(huán)回路90中水的流速和方向。循環(huán)回路90的功能也可以是攪動(dòng)小室中的水，或可以在小室中包含水分離攪拌器。正如先前關(guān)于系統(tǒng)30的描述，系統(tǒng)50包括單獨(dú)或與光屏障等相結(jié)合地充當(dāng)光調(diào)節(jié)系統(tǒng)62的人工光源86。尤其是，人工光源86在光周期內(nèi)可以提供光合作用誘導(dǎo)光，和/或在暗周期內(nèi)提供非光合作用誘導(dǎo)光。系統(tǒng)50的乙醇去除組件不同于在圖2和4中說(shuō)明的那些，因?yàn)槔谜麴s器84(例如蒸餾色譜柱)代替了氣體剝離器。在任何說(shuō)明的系統(tǒng)中能夠利用蒸餾器和/或氣體剝離器。例如，在乙醇濃度相對(duì)低的地方，系統(tǒng)中能夠包含氣體剝離器64，而在乙醇濃度更高的地方，系統(tǒng)中能夠包含蒸餾器84。乙醇去除組件能夠包含在系統(tǒng)的任何位置并且任意組合以適用于從系統(tǒng)的水中脫除乙醇。在一些實(shí)施方式中，乙醇去除組件包含在系統(tǒng)中的多個(gè)位置。在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，任何說(shuō)明的系統(tǒng)的乙醇去除組件能夠單獨(dú)或與任何在本文中揭露的其他組件結(jié)合使用一種或多種乙醇吸收性收集系統(tǒng)。一般地說(shuō)，乙醇吸收性收集系統(tǒng)利用薄膜或其他吸收技術(shù)把乙醇與水和其他外來(lái)雜質(zhì)分開(kāi)。這樣的薄膜的實(shí)例是“Siftek” 薄膜，由 Vaperma Gas Separation Solutions 制造。系統(tǒng)30、40、50可以是完整的或與各種其他系統(tǒng)聯(lián)合的。例如，能夠配置系統(tǒng)30、40,50以分離毗鄰處理乙醇的植物或任何其它便利的廢熱來(lái)源散發(fā)的廢熱。在另外的實(shí)施例中，系統(tǒng)30、40、50與廢水處理設(shè)備連接，其典型地具有在約50華氏度至約85華氏度的穩(wěn)定溫度的水的恒定來(lái)源。也可以利用來(lái)自電力設(shè)施的廢水。當(dāng)與廢水來(lái)源連接，能夠控制小室60中的水與廢水熱交換，或在最初的廢水處理前后能夠?qū)U水直接用于小室60。除向水源提供高溫之外，廢水來(lái)源也可以具有有利于植物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)物濃度。明顯的是，本文中所描述的系統(tǒng)30、40、50的各種組件能夠以各種組合實(shí)施方法20。另外，可以包括用于控制水流動(dòng)、去除顆粒、監(jiān)控和/或維持水參數(shù)(例如pH值)、監(jiān)控乙醇濃度、監(jiān)控和/或維持植物參數(shù)、切割、破壞或去除植物等的常用部件。例如，本文中提供的系統(tǒng)30可以包括諸如閥82、過(guò)濾器80、光探測(cè)器和/或測(cè)量?jī)x(例如光合作用活性輻射傳感器)、pH計(jì)、撇沫器等的組件。實(shí)施例實(shí)施例I :水生植物的乙醇生產(chǎn)將附著塊莖的兩個(gè)龍須草植株移出儲(chǔ)存生長(zhǎng)容器，并單獨(dú)地放置到具有35mL煮沸的蒸餾水的 試管里。水中包含Resazurin指示器以顯示缺氧條件。將這些缺氧樣品放置在箔包裝(foil wraps)內(nèi)，通過(guò)阻止光合作用誘導(dǎo)光到達(dá)植物以產(chǎn)生暗條件，其將允許植物小室中的水再次充氧。然后將樣品放置在有正壓氮?dú)鈿夥盏氖抑幸苑乐箻悠沸∈彝鈽悠匪俅纬溲酢Ｈ缓笤试S樣品在76華氏度的這個(gè)室中培育3天。在第四天的早晨，從每個(gè)樣品中取出2mL的水樣品，并在南達(dá)科他州立大學(xué)(South Dakota State University)通過(guò)高壓液相色譜(HPLC)分析以檢測(cè)乙醇的存在。每個(gè)樣品的HPLC峰值表明乙醇存在。實(shí)施例2 :光和抗生素對(duì)水生植物的乙醇生產(chǎn)的影響龍須草植物樣品取自從南達(dá)科塔湖采集的湖泊材料，并置于具有煮沸的蒸餾水的小瓶中，以便僅向覆蓋植物提供缺氧條件。將八個(gè)樣品(D5-8、Dll和D14-16)置于培養(yǎng)箱中密封的不銹鋼罐中，以便向樣品提供黑暗條件。將剩余的樣品D1-4、D9-10和D12-D13置于具有氣塞的潔凈的塑料夸脫容器中。將抗生素加入到樣品D9-D16中，以便防止細(xì)菌將乙醇轉(zhuǎn)化成乙酸。將樣品置于大約69華氏度的培養(yǎng)箱并且允許培育7天。將每個(gè)樣品的水抽出并在南達(dá)科他州立大學(xué)通過(guò)高壓液相色譜(HPLC)分析以確定乙醇和乙酸濃度。在沒(méi)有抗生素的黑暗條件下，培育包含乙醇濃度分別為10.825g/L、6.817g/L、7. 733g/L和10. 595g/L的四個(gè)樣品D5、D6、D7和D8。在有抗生素的黑暗條件下，培育乙醇濃度分別為6. 573g/L和4. 237g/L的樣品Dll和D14。此外，樣品Dll不含乙酸，而樣品D14含有濃度為2. 192g/L的乙酸，暗示了樣品14中抗生素的量不足以阻止細(xì)菌將乙醇轉(zhuǎn)化為乙酸。在潔凈容器中培育的樣品不含可探測(cè)的乙醇，暗示了光合作用干擾植物樣品生產(chǎn)乙醇。其結(jié)果在表I中示出。表I
樣品黑暗條件抗生素乙酸(g/L)乙醇(g/L)~
~Dl~~I. 332O
D2~~1.616O
D3~~O.503O
D4~~I. 142O
D5+~2.20410.825
D6+~2.8656.817
樣品黑暗條件抗生素乙酸(g/L)乙醇(g/L)~
D7+~1.4207. 733
D8+~5.09110. 59權(quán)利要求
1.一種收集こ醇的方法，所述方法包括 在含水小室中定植至少ー個(gè)水生植物； 交替進(jìn)行阻止光合作用誘導(dǎo)光到達(dá)所述至少ー個(gè)水生植物的步驟和允許光合作用誘導(dǎo)光到達(dá)所述至少ー個(gè)水生植物的步驟；以及從包含在所述小室內(nèi)的水中收集乙醇。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，阻止光合作用誘導(dǎo)光的步驟定義為黑暗階段。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，進(jìn)ー步包括在所述黑暗階段阻止氧氣的步驟。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，阻止光合作用的光的裝置位于光源和至少ー個(gè)水生植物之間，防止光合作用誘導(dǎo)光到達(dá)所述至少ー個(gè)水生植物。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，密封屏障位于氧氣源和所述至少一個(gè)水生植物之間，防止氧氣進(jìn)入所述水中。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，人工光源位于所述小室和光合作用的光調(diào)節(jié)系統(tǒng)之間。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，進(jìn)ー步包括減少所述水中的氧氣濃度的步驟。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，進(jìn)ー步包括將缺氧水引入所述小室的步驟。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，進(jìn)ー步包括將CO2加入所述小室中包含的水中的步驟。
10.ー種在含水和至少ー個(gè)水生植物的小室中收集こ醇的方法，所述方法包括以下步驟 在所述至少ー個(gè)水生植物中引發(fā)厭氧過(guò)程； 引發(fā)所述至少ー個(gè)水生植物的需氧過(guò)程；以及 從包含在所述小室中的所述水中收集こ醇。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述引發(fā)厭氧過(guò)程的步驟包括阻止光合作用誘導(dǎo)光到達(dá)所述至少ー個(gè)水生植物的步驟。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的方法，其中，所述引發(fā)厭氧過(guò)程的步驟包括阻止氧氣進(jìn)入所述水中的步驟。
13.根據(jù)權(quán)利要求10-12中任一項(xiàng)所述的方法，其中，至少一部分所述收集こ醇的步驟發(fā)生在所述厭氧過(guò)程期間。
14.根據(jù)權(quán)利要求10-13中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述引發(fā)厭氧過(guò)程的步驟包括在所述水中創(chuàng)造缺氧條件。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，創(chuàng)造所述缺氧條件包括向所述小室中引入缺氧水。
16.根據(jù)權(quán)利要求10-15中任一項(xiàng)所述的方法，其中，引發(fā)厭氧過(guò)程的步驟包括限制在所述厭氧過(guò)程中光散射進(jìn)入所述小室中的步驟。
17.一種收集こ醇的方法，包括以下步驟 在含水小室中培養(yǎng)至少ー個(gè)水生植物； 引發(fā)所述至少ー個(gè)水生植物儲(chǔ)存碳水化合物；引發(fā)所述至少ー個(gè) 水生植物將儲(chǔ)存的碳水化合物代謝為こ醇；以及從所述水中收集こ醇。
全文摘要
提供了用于收集、純化和/或提取由水生植物在無(wú)氧代謝期間產(chǎn)生的乙醇的方法和系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括含水小室和水生植物、與小室流體連通的用于從水中去除乙醇的乙醇提取組件。通過(guò)在植物中引發(fā)厭氧過(guò)程，如通過(guò)調(diào)節(jié)到達(dá)該水生植物的光合作用誘導(dǎo)光，使水生植物釋放乙醇。
文檔編號(hào)C12M1/107GK102712938SQ201080061904
公開(kāi)日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2010年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月1日
發(fā)明者托尼·A·哈根 申請(qǐng)人:泰克生物能源有限公司