使用兩階段過程來采收且脫水藻類的制作方法
【專利說明】
【背景技術】
[0001]在若干工業(yè)中存在將材料從液體懸浮液分離的歷史，包括廢水處理工業(yè)和藻類養(yǎng)殖工業(yè)。在實現(xiàn)分離中所涉及的過程可隨期望的最終結果而變化。例如，在廢水處理工業(yè)中，期望結果通常是可釋放到環(huán)境中的處理水。相比之下，在藻類養(yǎng)殖工業(yè)中，主要的期望結果可能是采收用于發(fā)電的可用生物質(zhì)。
[0002]在廢水處理工業(yè)中存在電絮凝的長的歷史。已發(fā)現(xiàn)電絮凝在治理的第二階段中是從流體分離固體的有效方法。此廢水流含有所有類型的有機材料，且藻類被認為是由于通常在廢水流中的高氮濃度而生成的營養(yǎng)物。因此，在移除藻類中的努力通常不包括保存物質(zhì)的完整性以用于例如制藥或其它高值飼料的進一步使用。
[0003]在通常使用在廢水處理中的電絮凝中，添加金屬離子或陽離子，以通過造成基質(zhì)的導電性來改進絮凝。如下的陽離子具有比H+更低的電極電勢，且因此被考慮為適合于用作這些過程中的電解質(zhì)陽離子:Li+，Rb+，K+，Cs+，Ba2+，Sr2+，Ca2+，Na+和Mg2+(經(jīng)常使用鈉和鋰，因為它們形成了不昂貴的鹽)。其它金屬與電絮凝組合使用，以輔助從廢水沉淀固體，例如離子氧化物和其它氧化劑。這些金屬在將從溶液中沉淀固體方面極為有效；然而，它們使產(chǎn)品和水自身因無機化合物而污染，該無機化合物必須在第三廢水處理階段被移除或另外地處理。
[0004]實際上，廢水系統(tǒng)使用的用于電絮凝的電流非常低，通常在I安培以下，因為過程在大池中執(zhí)行和/或與對于廢水處理廠典型的大的流體流量相結合地進行，所述流體流量可為每天數(shù)百萬加侖。由于車間的橫向尺寸和歐姆定律(I = ν/R)、過程的電流要求和尺度，所以長時間利用高能電絮凝系統(tǒng)是不實際的。此外，在高電流下，長時間運行的電解質(zhì)板的惡化和結垢使得在高電流下無法有效地使用此技術。廢水流動的導電性因此必須通過以上所述的金屬離子增強，以降低能量要求并使得該過程可實行。
[0005]在藻類產(chǎn)品養(yǎng)殖和采收中，考慮因素是相反的，因為在懸浮液中的生物質(zhì)被認為是其質(zhì)量必須保持的有用物，且使用金屬使產(chǎn)品不可逆地被污染。用于對懸浮液內(nèi)的藻類進行脫水的大多數(shù)方法因此包括離心、膜過濾、空氣干燥，而帶有可能的化學處理和除污。
[0006]用于將藻類脫水的一個方法已知為溶氣氣浮(Dissolved Air Flotat1n) (DAF)。通常，此絮凝方法涉及在帶有從泵或渦旋器生成的空氣簾的串聯(lián)裝置(tandem)中的使用凝結劑、乳化劑或其它化學品。雖然該方法一般從能量的觀點比離心方法更有效，但其固有缺點是要求化學品和獨立的箱。此外，DAF系統(tǒng)作為連續(xù)系統(tǒng)的有效性由于在反應器內(nèi)作為湍流源的氣泡的產(chǎn)生而被削減。對此問題的解決方法是增加漂浮的尺寸，這導致越來越大的占地位置。
[0007]另外，在脫水中使用化學品通常防止或限制了生長水的再利用。所涉及的在2011年10月14日提交的且名為用于對藻類細胞進行脫水、絮凝和采收的系統(tǒng)、方法和設備(Systems, Methods and Apparatuese for Dewatering, Flocculating, and HarvestingAlgae Cells)的有關現(xiàn)有申請N0.13/274，094在此通過引用合并，該申請公開了電磁絮凝系統(tǒng)的一些形式。此申請關注于細胞裂解為最終產(chǎn)品。
[0008]例如藻類的微生物和微生物的細胞內(nèi)產(chǎn)品的采收顯示了作為對于化石燃料衍生物的部分或完全替代物的可能性，或作為在制造例如藥品、化妝品、工業(yè)產(chǎn)品、生物燃料、合成油料、動物飼料和化肥等產(chǎn)品中所使用的化學品的可能性。然而，為使得這些替代物變得可行，用于采收細胞的方法，包括回收和處理細胞內(nèi)產(chǎn)品的步驟必須是有效的且成本有效的，以與和化石燃料衍生物相關的精煉費用可競爭。當前用于采收例如藻類的微生物的提取方法是費力的且產(chǎn)生低的能量收益，從而使其對于目前的替代的能量需求是不可行的。這樣的現(xiàn)有方法也可能產(chǎn)生大量的碳足跡，從而加劇全球變暖和其它環(huán)境問題。這些現(xiàn)有方法當進一步規(guī)模加大時產(chǎn)生了甚至更大的效率損失，這是由于細胞內(nèi)成分的降級，且比目前從微生物采收經(jīng)濟上可行的情況要求更大的能量或化學輸入。例如，每加侖微生物生物燃料的成本目前大致為化石燃料成本的九倍。
[0009]所有活細胞、原核生物和真核生物具有封閉了其內(nèi)部成分且用作相對于外側環(huán)境的半多孔屏障的細胞質(zhì)跨膜?？缒ぷ鳛檫吔缙鹱饔茫瑥亩鴮⒓毎煞直３衷谝黄?，且保持外部物質(zhì)不進入。根據(jù)已知為流體馬賽克模型的所接受的當前原理(S.J.Singer andG.Nicolson, 1972，在此通過引用合并)，細胞質(zhì)膜包括兩層(雙層)脂質(zhì)，在所有細胞內(nèi)發(fā)現(xiàn)的油性的或蠟質(zhì)的物質(zhì)。在雙層內(nèi)的脂質(zhì)的大部分可更精確地描述為磷脂，即，其特征是在每個分子的一端處的硫酸鹽基。
[0010]在細胞質(zhì)膜的磷脂雙層中潛入了許多不同的有用的蛋白質(zhì)，而其它類型的礦物蛋白質(zhì)簡單地附著到雙層的表面。這些蛋白質(zhì)的一些，主要是至少部分地在膜的外側上暴露的那些蛋白質(zhì)，附接有碳水化合物，且因此稱為糖蛋白。蛋白質(zhì)沿內(nèi)部細胞質(zhì)膜的定位部分地涉及有助于將其鉚釘?shù)轿坏陌毎羌艿慕z的阻止。此蛋白質(zhì)的布置也涉及細胞的親水性和疏水性區(qū)域。
[0011]細胞外提取方法可取決于所涉及的有機體的類型、其希望的內(nèi)部組分(多個內(nèi)部組分)及其純度水平而變化很大。然而，一旦細胞已破裂，則這些有用的組分被釋放且典型地懸浮在用于容納活微生物生物質(zhì)的液體介質(zhì)中，從而使得這些有用物質(zhì)的采收困難或高耗能。
[0012]在大多數(shù)當前的從藻類采收細胞內(nèi)產(chǎn)品的方法中，必須執(zhí)行脫水過程以從液體介質(zhì)或從生物質(zhì)廢物(細胞物質(zhì)和碎肩)分開和采收有用的組分。當前的過程由于要求使液體蒸發(fā)的時間段或要求用于干燥液體介質(zhì)的能量輸入或由于需要化學輸入以用于物質(zhì)分離而是低效的。另外，這樣的過程通常限制于分批處理且難以適于連續(xù)處理系統(tǒng)。
[0013]因此，存在對于對例如藻類的微生物進行脫水，使得所述微生物可被采收且其細胞內(nèi)產(chǎn)品可被回收且用作制造工業(yè)產(chǎn)品所要求的化石燃料衍生物的價格上有競爭力的替代物的簡單且有效的過程的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明總體涉及使用兩階段方法來采收藻類的設備。該兩階段方法包括絮凝階段和脫水階段。絮凝階段在第一階段絮凝箱內(nèi)執(zhí)行，在第一階段絮凝箱中，使懸浮在生長介質(zhì)內(nèi)的藻類絮凝。絮凝的藻類然后被饋送到第二階段浮箱，在第二階段氣浮箱中，電極用于生產(chǎn)氫氣泡和氧氣泡，所述氫氣泡和氧氣泡附接到絮凝的藻類上，從而導致絮凝的藻類浮起到表面。然后能夠從生長介質(zhì)的表面撇去浮起的藻類的覆層(mat)。
[0015]在一個實施例中，本發(fā)明實施為使用兩階段過程來采收藻類的設備。該設備包括絮凝箱，兩階段過程的第一階段在絮凝箱中發(fā)生。絮凝箱包括用于在含有懸浮藻類的生長介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生電場的反應器管，所述電場導致藻類絮凝。該設備還包括氣浮箱，兩階段過程的第二階段在氣浮箱中發(fā)生。氣浮箱包括含有多個電極的箱，所述多個電極導致氣泡的形成，所述氣泡附接到絮凝的藻類并將絮凝的藻類提升到生長介質(zhì)的表面。氣浮箱被連接到絮凝箱以允許絮凝的藻類從絮凝箱流動到氣浮箱中。
[0016]在另一個實施例中，本發(fā)明實施為使用兩階段過程來采收藻類的方法。含有懸浮藻類的生長介質(zhì)被供應到絮凝箱中。絮凝箱包括用于在生長介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生電場的反應器管，所述電場導致藻類絮凝。含有絮凝的藻類的生長介質(zhì)被轉(zhuǎn)移到氣浮箱中。氣浮箱包括含有多個電極的箱，所述多個電極導致氣泡的形成，所述氣泡附接到絮凝的藻類并將絮凝的藻類提升到生長介質(zhì)的表面。浮起的藻類然后被從生長介質(zhì)的表面移