CN102186966A - 光合培养物的连续培养、收获和油提取 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于连续培养、收获、和油提取藻类培养物以生产藻油的系统。

Description

光合培养物的连续培养、收获和油提取
相关申请
本申请要求享有美国临时申请号61/086,106的优先权，并将其全部内容纳入本文作为参考。
技术领域
本发明涉及光合微生物的连续培养、收获和油提取。
背景技术
对化石燃料替代品来说具有目前和日益增长的需求。主要的兴趣和投资已集中在生物燃料领域上，其为适合于在来源于生物源的标准内部燃烧引擎燃烧的燃料。特别有吸引力的生物燃料生物源是藻类，部分原因是当与其它原料(300-700加仑/英亩/年)相比时，其具有更好的产量(5000-10,000加仑/英亩/年)。某些藻株由于其理想的脂质性质(如脂质组分，质量百分比脂质浓度)特别适合用作燃料产品。
目前可用的藻类生物燃料生产系统是昂贵的且不可扩大化的，导致每加仑生物燃料的生产成本为$30至$60。这些现有的藻类生产系统面临两个重大挑战-(1)使用成本高昂的封闭培养系统，和(2)后培养过程能源密集，高度复杂。
培养系统必须为光合过程的发生提供接触阳光的机会以及必须让占有优势的微藻种群无障碍地生长而不受“入侵”菌株的威胁。今天，要实现这两个目标，很多封闭系统使用清洁塑料袋或清洁玻璃管材。
这些封闭系统通常旨在为防止“入侵”物种的威胁而提供受保护环境，所述物种允许具有理想性状的藻株单一培养的培养方式。但是，封闭系统由于暴露于自然环境下而无法长时间维持菌株稳定。尽管系统旨在排除入侵的、野生型菌株，但入口点确实存在(例如阀门、连接器以及其他机械部件)。在给定的时间内，单一培养最终被一种或多种地方性野生型藻株入侵，该藻株对生物燃料产品来说不具备有利的性状。一旦发生这种情况，封闭系统不再是理想菌株的单一培养，基本上使得培养过程“崩溃”。崩溃的系统需要昂贵和耗时的灭菌，造成生产成本增加和产量下降。
此外，对于单一培养来说，玻璃管系统必须定期停止运转(taken off line)，以去除发生在培养过程中的生物膜堵塞。未清理的管材逐渐变得不透明，限制了太阳辐射，并变得不适合于光合微生物的生长。袋系统通常不清洗，而是被处理掉并被新袋取代。由于塑料的基材为石油，虽然袋系统消除管系统清理的要求，但它既昂贵而且环保效果较差。
另一个在封闭系统中发现的问题是昂贵的冷却要求来维持最佳的培养基温度。在培养周期过程中，光合过程产生大量的热量然后由于温室效应将其保留。如果发生在开放系统中没有自然通风(即热量自然地通过暴露于空气中而消散)，封闭生产系统陷入困境并保留热量，这将大大破坏培养并降低生长率。因此，冷却系统对需要额外的成本和负面影响能源效率的封闭系统来说是需要的。
与封闭培养系统相关的这些挑战的整体影响造成了与高资本成本及高经营成本。因此，在封闭系统中为生物燃料培养的微藻并不是经济上可行的。
现今的后培养系统是能源密集的、高度复杂的和成本高昂的。此外，该过程是批量化和非连续的，给大规模商业化造成了障碍。应当指出，目前实行的过程中，各种添加剂，经营成本和资本成本推高了过程的成本。另外处理时间的成本非常高。
现在的后培养系统中的第一个步骤是收获过程。收获通常需要絮凝来集中微藻，以便它可以随后从培养基中去除。诱导絮凝是最常用的方法，其要求加入表面活性剂通常为硫酸铝和氯化铁或商业产品壳聚糖。絮凝可以采用密度低至0.02-0.07％的藻类(～1gm藻类/5000gm水)进行培养，取得高达1％藻类悬浮体和98％藻类回收。第二收获步骤是进一步要求实现高达3-4％藻类的浆料浓度。经常使用溶气气浮，其是通过去除悬浮微藻来清理培养基的过程。通过在压力下溶解培养基中的空气，然后大气压下在浮选槽或盆中释放空气来实现去除。被释放的空气形成微小气泡，其粘附于微藻上引起悬浮物浮到水的表面，然后在那里可被除渣设备去除。
后培养的第二个重要步骤是初次和再次脱水。大规模商业化的一个重要瓶颈是，提取之前需要脱水获得糊状物如粘稠物。初次脱水发生时使用一些微滤和离心的组合来将微藻密度提高到至少6-8％培养基体积。更多的离心和带式过滤挤压可以实现额外增加(高达20％藻类)，但要增加的能源输入和成本。干燥须达到较高的提取所需的干质量浓度。由于干燥通常需要热量，已使用沼气滚筒式干燥机和其他炉式的干燥机。不过，随着增量温度和/或时间增加，成本急剧攀升。空气干燥在低湿度的气候是可能的，但将需要额外的空间和大量的时间。干燥后，剩余的脱水生物质为提取做准备。
后培养过程的第三步是提取。提取是破裂或破碎细胞膜或结构来释放出细胞中的油，随后可以进行分离和处理的过程。最常用的提取方法是添加己烷溶剂到生物质中。然而，使用己烷遭遇到重大挑战。它是一种易挥发、易燃、易爆物质，EPA将其分类为HAP(有害空气污染物)并在TRI(有毒物质排放清单)项目下对其控制。通过固有的设计，即使是最新的油加工设备也会将己烷泄露到环境中。据估计，平均规模的大豆设备通过大气泄漏每天泄露6000磅的己烷到环境中。油压/压榨方法通常与己烷溶剂联用，该方法在高压下使用机械压力基本上将油挤压出来。随后高成本回收己烷是必需的。
后培养的最后一步是分离，其中将油、剩余生长培养基和有机物分离。使用重力流装置和离心的组合来达到所需的油纯度。
全球对化石燃料的需求是惊人的。根据NREL的研究，美国的汽油消费量为每天3.9亿加仑或约每年1420亿加仑。因此，未来商业上可行的生物燃料生产系统需要实现大幅度降低成本结构和大量大规模的生产量。
现在的后培养过程的复杂性，运营效率低下和能源强度导致了估计的产品成本为每加仑藻类生物燃料$30至$60，以及现在使用封闭系统和复杂的后培养过程不太可能提供商业上可行的化石燃料替代品。
除此之外，大量的后培养过程是离散的批处理过程-需要许多昂贵的、劳动密集的和耗费时间的过渡步骤，从一个过程到另一个，从而造成不能提供自身到连续高效的生产过程中。
发明内容
目前所描述的发明涉及一种连续收获、培养、和油提取光合微生物的方法，以及用于实施该方法的设备。在优选的实施方式中，该方法包括的步骤有：提供培养容器和培养基；引入光合微生物到培养基中；相对于其他生物来说，优化培养基以有利于光合微生物生长；在促进光合微生物繁殖到所需密度的条件下，培养培养基和其中的光合微生物；将提取技术直接应用到澄清的培养基中从而消除初次和再次收获以及初次和再次脱水，将分离技术直接应用到提取后培养基中，将该方法应用到处理、富集和回收分离后的培养基中，和持续返还回收的生长培养基(growth medium)到培养容器；以及重复该方法的各步骤。
在优选的实施方式中，提取方法包括将水动力(流体动力)空化运用到生长培养基中的微藻连续流来破坏细胞壁并提取微藻油的步骤。
在优选的实施方式中，分离方法包括将重力流结合到静水浮选挡板中来分离油、生长培养基和有机物质的步骤。
在优选的实施方式中，处理、富集和回收方法包括以下步骤：将紫外光结合水动力空化应用到分离后的培养基连续流中来消除细菌、入侵光合生物和其他有害有机物，从而灭菌培养基并再利用、为提高的培养生长特性改善培养基。
本发明的另一优选实施方式包括使用分馏法收获培养光合微生物和使用水动力空化提取收获的生物质。
本发明进一步涉及到由所描述的方法从收获的生物质中生产生物燃料。
具体实施方式
目前所描述的发明涉及一种连续培养、收获和油提取藻类培养物来商业化生产藻油的系统。该方法通常包括培养、提取、分离和回收的步骤，每个步骤讨论如下。优选地，本文描述的方法不需要加入添加剂来有效地生产产品。进一步地，目前描述的方法具有更佳的成本有效性和要求处理时间更短的优势。
连续流体系统结合了成本有效的培养过程和非常有效(基本上为流线型，substantially streamlined)的后培养过程，该后培养过程消除了初次和再次收获以及初次和再次脱水的昂贵和能源密集的批处理步骤。这些批处理步骤的消除具有延长时期的另外优势，光合生物在切换脂质获取模式前仍可为生长模式。例如，与在现在复杂的批处理系统中的每天3倍翻倍相比，角毛藻种(Chaetoceros sp.)硅藻在连续流体体系将达到每天4倍翻倍。因此产量将从每英亩每年3500加仑提高到超过每英亩每年5500加仑。
连续流体系统由以下完全完整和连续直通流步骤组成-(1)培养过程，维持光合生物优选的菌株优势，(2)提取系统，直接处理连续移动流中清理的培养基来破裂细胞膜和释放藻油，(3)分离系统，直接处理来自步骤2中的移动流来分离油、培养基和有机物质，以及油的纯度达到99.9％，和(4)处理、富集和回收系统，直接处理步骤3中的培养基，以消除细菌和不需要的光合生物，通过注入所需的养分富集剩余的培养基以及然后回收富集的培养基回到培养系统中。
在优选的实施方式中，选取一种或多种的光合生物菌株进行培养。生长菌株或菌株们放置在合适培养体系中，将培养物扩大到合适的密度进行收获。一旦达到所需的密度，培养基流到澄清器中，在那具有80％藻类生长物的20％培养基不断流动直到进行提取。剩余培养基仍然在培养体系中进行自接种。通过使用让藻油和其他组成成分释放的水动力空化，提取步骤破裂或粉碎细胞膜。一旦95％的油已被释放，培养基流动直接进行分离。利用重力流经静水浮选挡板，油、培养基和有机物质进行分离。剩余的培养基流动直接进行处理、富集和回收过程。使用紫外光结合水动力空化来消毒培养基和注入所需的养分。然后回收流体并返回用于随后的培养循环(rounds)中。
光合微生物
本文使用的术语“光合微生物”，包括具有光合生长物以及光合细菌能力的所有藻类和微藻类。优选利用公开方法使用真核藻株。例子包括葡萄烃藻(Botryococcene sp.)、小球藻、龙须菜藻、马尾藻、蓝绿藻(Spirolina sp.)、杜氏盐藻(例如杜氏藻(Dunaliella tertiolecta))、紫球藻(Porphyridum sp.)、以及颗石藻(Plurochrysis sp.)(例如颗石藻(Plurochrysis carterae))。硅藻例如角毛藻，是用于目前所描述的本发明的特别优选的藻株。这些术语也可包括人工修改或基因窜改的生物体。例如，美国专利申请号12/208,300，题为“工程捕光生物”，公开了适合用于公开的方法的生物体的例子，并其全部内容纳入本文作为参考。
角毛藻特别适合用于目前所描述的发明中。全世界知名的有超过400个种和亚种。这种生物的生长速度快，每天3至4倍翻倍，允许培养物快速生长。这些生物已知对包括温度、盐度和太阳辐射在内的环境条件具有广泛的耐受性。角毛藻也已知有具有良好的脂质含量(高达40％)，有吸引力的脂肪酸性质(profile)，与它的高成长率相结合，能自然生产产量高的高质量藻油。
很多微生物可作为种子原料，其中多种光合微生物可作为种子原料。或者，光合微生物可与有益的非光合微生物共同培养。
培养
选做培养物的微生物可通过相关技术领域的普通技术人员所熟悉的任何传统方法进行培育。使用对每个生物体来说都是优选的最佳条件。最佳条件是允许光合微生物的种子原料(seed stock)的生长，并且在能降低生产效率的污染物和其他有害生物中胜出(outcompete)的那些条件。优选地，在水介质中达到最佳条件，通过最初调整某些或全部的下列成分的浓度：氮、磷、维生素B12、氯化铁、硫酸铜、硅酸盐及EDTA钠盐。连续监测培养基的pH，通过进行调整例如二氧化碳处理将pH维持在期望的水平。
例如生物的培养可发生在开放或封闭的系统中或其结合中。优选开放系统，因为相比于封闭系统，资本投资、能源投入、经营维修成本能大大地降低，并且开放系统通常比封闭系统更稳定。例如，包括自然或人为设计的浅水池(pond)的水道池对培养藻类是很有用的。在美国专利号6,673,592中描述了在使用开放系统的培养中为维持菌株优势而优选的培养方法，将其纳入本文作为参考。包括管、袋、池等的封闭系统也可用于本发明的方法。
简要总结地说，培养系统包括用于容纳培养基的容器。培养基包括初始水溶液和一种或多种生物的种子原料，通常至少一种生物是光合微生物。制备初始水溶液使得培养有益光合微生物的最佳条件成立。一旦最佳条件成立，水溶液使用包含至少一种光合微生物的种子原料进行接种。由此产生的培养基控制在设定的pH范围内。pH范围将根据一种或多种光合微生物的需要变化。光源，优选太阳光，传递光和热到培养基中，促进光合微生物培养物的生长。一定比例的光合微生物培养基定期地流经澄清器进行提取。去除的培养基被替换为回收的培养基或未经消毒的培养基如海水。该方法不断地重复，从而提供不间断的生产。
用于培养选择出来的光合微生物的最佳条件通常建立在水溶液中。最佳条件是使光合微生物种子原料生长，并胜出捕食者、污染物及其他潜在清除者(scavenger)的那些条件。创造这样的培养基允许光合微生物在户外和在非无菌条件下大规模生产。优选地，通过最初调整某些或全部的下列成分的浓度：氮、磷、维生素B12、氯化铁、硫酸铜、硅酸盐及Na2EDTA，在水培养基中达到最佳条件。连续监测培养基的pH，通过进行调整例如二氧化碳处理将pH维持在期望的水平。
在优选的实施方式中，现行系统用于培养作为光合微生物的角毛藻。容器容纳有具有如下初始特点的水培养基：pH控制在约8.2的二氧化碳，初始氮浓度至少3.0mg N/升，初始磷浓度至少2.75mg P/升，初始维生素B12浓度至少5微克/升，初始氯化铁浓度至少0.3mg/升，初始硫酸铜浓度至少0.01mg/升，初始硅酸盐浓度至少10mg SiO2/升，以及Na2EDTA浓度5mg/升。该培养基与光合微生物角毛藻的种子原料进行接种并直接暴露在阳光下。光合微生物生长在开放环境中，并定期不断流向提取过程。这个量(volume)替换为回收培养基或非无菌的培养基如海水。然后培养不断重复。收获量替换为新的光合微生物角毛藻的种子原料并且重复培养。
虽然任何光源可用于本系统中，但全强度阳光下培养光合微生物是最经济的选择。
定期收获一定百分比的培养物。优选地，大约20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、95％或99％的培养物量在每个时期结束时进行收获。优选地，具有大约80％藻类培养物的大约20％培养物量在每个时期结束时流向提取步骤。在本系统和方法的优选实施方式中，培养物流向提取步骤或以其他方式每日收获一次，或约每二十四小时一次。由于并不需要无菌条件，收获量很容易替换为回收的培养基或光合微生物的非无菌的种子原料，如海水。该容量优选是人工收获的或使用任何可接受的收获机器或装置收获的。
容器，可有任何可接受的尺寸和使用任何可接受的材料建造，并优选有开放的顶部。优选地，开放的池子，如水道型大池或水池用来作为容器。容器或池子可放置于地面以上以允许阳光通过容器的边缘。或者，容器或池子可放置于地面内(within the ground)。透明的、透过光线的盖子可放置于开放顶部的上方。在一个实施方式中，盖子可移动地放置于开放顶部的上方。
通过培养最佳条件下的光合微生物，能够以低成本的方式进行光合微生物大批量的生产。将单独一个容器置于户外环境中，使该容器内的物质直接暴露在自然光下。不需要人工光源或其他转移池。可以避免污染物和捕食者，这是由于建立的介质条件使得光合微生物胜出，并克服不必要的或有害的物种。
通过建立角毛藻光合微生物的最佳培养条件，本系统提供角毛藻光合微生物胜于培养物中的其他光合微生物物种的环境。这就使得角毛藻光合微生物能够连续地在使用自然光的大型户外容器中培养。这消除了对旨在从培养物中排除其他物种的劳动力密集和昂贵的系统的需求。开放容器和自然光的使用大大降低了冷却的成本和与封闭系统相关的维修问题。
收获
多种方法可用于收获根据目前所描述的方法培养的光合微生物。在一个优选的实施方式中，使用泡沫分馏从培养基中收获光合微生物。这种方法利用气泡收获生物体。合适的泡沫分馏塔在培养基内产生小气泡流。可以使用提供气泡的共向流或逆向流系统。优选地，培养基被从培养容器中抽出到分馏柱中，该分馏柱垂直排列以使得收获过程最大化。随着培养基填充并流经塔室，它被带入来接触小气泡柱。气泡与光合微生物(生物质)、蛋白质、细菌污染物和其他物质交互作用并携带它们到气泡形成泡沫的柱顶部。分馏培养基可在柱中循环以用于进一步分离或被抽出，优选回到培养容器中。收集泡沫体，然后压缩成液体作进一步处理。压缩物含有收获的生物质。多种絮凝剂可用于提高该过程。典型的絮凝剂包括壳聚糖、氯化铁和明矾。可引入某些生物体来产生它们自己的絮凝剂。
合适的分馏塔能够提取培养基中的光合微生物和其他有机化合物。这个行为旨在收获培养产品以及通过去除有害污染物来提高培养基的质量。在优选的实施方式中，使用泡沫分馏也可以提高培养基中的溶解氧。
泡沫分馏过程的组成部分是引入表面活性剂。通常外源性表面活性剂可被添加到分馏过程前的培养基中。或者内源性表面活性剂可通过光合微生物生产。例如，角毛藻已知能够生产和排出可用于泡沫分馏过程的表面活性剂，特别是当系统置于应力下时，特别是养分应力时。优选地，通常在收获前约一小时，将应力施加到收获前的生长培养物中。当需要时，使用外源性表面活性剂添加到用于培育排出表面活性剂的光合微生物的培养基中，这是可预期的。
优选地，泡沫分馏过程至少为80％、90％、95％、98％或99％有效地从培养基中去除培养的光合微生物。过程中的重要控制变量包括气泡的大小、空气流速、细胞密度、溢出高度和运行时间。在优选的实施方式中，无法实现彻底清除或灭菌培养基，以至于返回到培养容器中的分馏培养基包含足够量的光合微生物来补充培养物进行下一轮的生产。如有需要，外源量的光合培养基可添加到分馏的培养基中。有必要让优选的菌株占优势地生长的另外营养物质和其它组分，也可在分馏培养基返回培养容器之前或之后加入。在返回培养容器之前，分馏的培养基可经受空化。
在另一个实施方式中，培养基直接分流(shunted)到提取步骤中而没有泡沫分馏。
提取
在目前所描述的发明中，可使用允许想要的组分能够从馏份中有效分离的任何提取方案。优选地，应用到移动液体流以使其能够进行连续生产过程的提取方法是优于静态间歇过程的，因为连续化生产方法大大降低了生产成品生物燃料或其他产品的成本。
提取技术的选择将在很大程度上取决于培养物中光合微生物的性质。有机壁的微藻适合己烷溶剂和酶提取。然而，硅质壁的微藻(硅藻)令其自己的细胞壁非常不易溶。此外硅质创造了物理上强韧和化学惰性的保护层，因为细胞壁无法被酶攻击。硅藻如角毛藻的硅质细胞结构使很多细胞破碎技术得以使用，该技术从分馏过程中收获的培养生物中释放油和脂质，允许高质量的硅质(硅藻土)分离。优选的细胞破碎技术是水动力空化，其可有效地适用于有机壁和硅质壁的光合生物。
空化是通过迅速移动的固体如螺旋桨或高强度声波在液体中形成部分真空而形成的。部分真空用于破裂光合微生物。许多不同的水动力空化技术在现有技术中是已知的。例如，美国专利申请号12/144,539，题为“APPARATUS AND METHOD FOR GENERATING CAVITATIONALFEATURES IN A FLUID MEDIUM(用于在流体介质中产生空化特征的装置和方法)”；美国专利申请号，题为“ELECTROHYDRAULIC AND SHEARCAVITATION RADIAL COUNTERFLOW LIQUID PROCESSOR(电动液压和剪力空化辐射逆流液体处理器)”；美国专利申请号12/167,516，题为“APPARATUS AND METHOD FOR PRODUCING BIODIESEL FROMFATTY ACID FEEDSTOCK(脂肪酸原料生产生物柴油的装置和方法)”和美国专利5,810,052、5,931,771、5,937,906、5,971,601、6,012,492、6,502,979、6,802,639、6,857,774和7,207,712都教导了各种水动力空化设备，并且所有这些的全部内容都纳入本文作为参考。
在优选的实施方式中，使用了用于创造流体中水动力空化的装置。通常，该装置包括在室下游部分之一内具有各个部分和多个挡板的流通室。设置该一个或多个挡板，使其可移动地进入室的上游部分，以便从每个移动进入到室上游部分的挡板产生水动力空化区域下游。
在另一优选实施方式中，使用了用于建立流体中的动力空化的磁脉冲装置。
空化(液体中气体或蒸气填充气泡的形成、生长和内爆塌陷)可有重大的化学和物理效应。虽然声空化(即声化学和声致发光)的化学效应近年来得到了广泛的研究，但有关液体的旋涡流中创造的水动力空化的化学后果知之甚少。
水动力空化是由液体流中的局部压力下降导致的在液体流内或在流线体(streamlined body)的边界形成空化气泡和空腔。在液体运动的过程中，如果在某些点的压力降低到这样的数量级，在这个数量级下液体达到这个压力下的沸点(“冷沸腾”)，然后形成大量的蒸气填充腔和气泡。蒸气填充腔和气泡被称为空化腔和空化气泡。只要蒸气填充气泡和腔与流体一起移动，它们然后就进入加压区。然后，几乎瞬间，在腔和气泡内发生蒸气冷凝，它们塌陷，造成非常大的压力冲量(impulse)。塌陷空化气泡内压力冲量的规模可能达到150,000psi。这些高压内爆的结果就是形成从每个塌陷空化气泡点散发的冲击波。这种高冲击负荷导致塌陷空化气泡附近发现的任何介质的解体。悬浮体中固液颗粒相分离边界附近的空化气泡塌陷导致悬浮体颗粒的解体：扩散过程发生。液-液型相分离边界附近的空化气泡塌陷导致分散相液滴的解体：空化过程发生。因此，来自塌陷的空化气泡和腔中的动能的使用在我们的空化过程中用来从微藻中提取脂质和消毒培养基以再次使用。
空化搅拌器-匀浆机反应器运行原理
在其最简单的形式中，基本空化由流经室和位于入口的空化发生器组成。空化发生器的形状显著影响了空化流的特性，并相应地影响分散的质量。最佳的空化发生器设计在多级空化器中选择。一般情况下，空化发生器以下面的方式工作。在压力Pl下，待处理的组分流利用流经室入口的辅助泵进料。此外，液流在空化发生器周围流动，之后，由于局部压力收缩，形成了空化腔。腔与它的尾部包括许多气泡。空化气泡流与流经室的出口的液流进入加压区P2。在这个区域，空化气泡塌陷，导致对悬浮体中的乳液液滴、颗粒或总颗粒产生动态影响。
然而，在我们的方法中使用精确计算的工程设计来最大化多级水动力学空化运行的物理原理。
多级空化的优势
独立于其运行的物理原理，得到的粒径取决于分散过程中一个主要参数-空化反应器和空化泵中能量耗散水平。反应器空化室中能源耗散水平越高，任何给定培养基中能够达到的粒径越小。
优选的多级水动力空化反应器能达到最小的粒径。空化反应器能源耗散水平主要取决于空化气泡领域中三个重要参数：空化气泡的大小、分散介质中它们的体积浓度和塌陷区的压力。基于这些参数，控制反应器中的空化规律并实现要求的分散质量是有可能的。
在上面的例子中，空化气泡的体积浓度为10％的等级，这通常可以在空化反应器中浓度水平低端取得。通过改变反应器中空化的类型，将领域中气泡体积浓度由10％改变至60％，并将它们的大小从10改变至1000微米是有可能的。在大量空化气泡塌陷的过程中，形成的水平非常高的能量耗散允许空化混合泵和多级水动力学反应器产生非常小的粒径和非常均匀的粒径分布。其结果是在500psi的操作压力下产生，使得每天运行操作的设备是安全的。
对生物柴油的转化应用来说，水动力两级空化过程是分子水平上的反应器组件组合。反应器内的所有组件都受到高压脉冲和先进的控制水动力空化的影响。当水动力反应器中所需的组件用来加工植物油时，随着微型爆炸，脂肪酸分子破裂成碎片；它导致粘度下降，十六烷值增加，以及生产的燃料的能量参数提高。酯化反应的速度和质量也显著增加。
水动力空化技术可被用于将多种有机油转化为生物柴油。通常植物油如花生油、棕榈油、大豆油等经历酯交换反应生产生物柴油。以上讨论的空化技术可用于利用这些植物油生产成生物柴油。生物柴油可单独使用(BIOO)，与石油生产的柴油混合使用(如B99)，和/或与其他添加剂混合使用，以提高生物燃料的质量。
优选地，这里所描述的空化技术用于提取由培养的光合微生物生产的油，并将它转化成生物柴油和其它组合物如甘油。这项技术的优点是它消除了对其它提取过程所需的收获和脱水步骤的需求。在一个实施方式中，培养基的很大一部分是直接经历空化，该空化破坏微藻细胞结构并从微藻细胞中提取油和其它组分。包括微藻油、微藻细胞生物质与收获的培养基的所得的培养基流经到用于分离的分离过程。
水动力提取使得能够由微藻油生产低成本生物燃料，因为它很容易集成到经济的和持续的过程中。使用10加仑/分钟反应器的水动力提取成本约为每加仑处理流体$0.002，这比收获、脱水和现有的提取技术结合的替代方案的成本低几个数量级。新的更高的流速反应器设计将大大降低成本。此外，水动力提取不需要加入并随后去除昂贵的添加剂或化学品。水动力提取也为微藻油生产加强了硅藻的采用。
分离
应用到连续移动流中的使连续生产过程得以实现的分离方法优于静态间歇过程，因为连续生产方法大大降低了生产生物燃料成品或其他产品的成本。
分离是一种包括油、水和悬浮有机固体的流出物的各个组分被分离进入不同分流进行额外处理或处置的过程。在提取后的光合生物处理中，所产生的培养基由海藻油、包括水和养分的培养基、以及来自细胞和细胞膜的有机物质组成。对于每个组成都需要分离，理由如下-在这种硅藻二氧化硅的情况下，藻类油进行额外处理并转化成生物燃料产品、用于消毒和回收的生长培养基、以及用于处置或进行潜在的转售的有机物质。
分离过程使用斯托克斯定律(Stokes Law)，以便基于它们的密度和规模来定义油滴上升速度来进行设计。分离器的设计是基于油和污水之间的比重差异，因为这种差异大大小于悬浮固体和水之间的比重差异。基于设计标准，大部分的悬浮固体会沉淀在分离器的底部作为沉积层，油将上升到分离器顶部，污水将在顶部的油和底部固体之间的中间层。
在优选的实施方式中，分离过程应用于连续移动流中，并消除了对耗时解决方案的需求。
在另一优选实施方式中，分离单元由静水加压浮选挡板(HPFB)组成。混合物进入HPFB单元，在那里建立起薄层(laminar)和正弦流并且油冲击在浮选挡板表面上。随着油积累，它们凝聚成较大的液滴，上升通过浮选挡板直到它们达到顶部，在那里它们分离并上升到水表面。同时，固体遇到浮选挡板并向下滑入到收集盆(或滤污器，catch basin)中。
处理、富集和回收
分离后，组分之一将成为保留的生长培养基。该生长培养基包括水、养分、细菌和有害的光合生物。在典型的生产系统中，生长培养基由于添加的养分而被视为未消毒的和潜在有害的，其将被处置。然而，这是昂贵的和潜在环境不友好的。
在本发明中，生长培养基在连续移动流中进行处理、富集和回收，并使得来自第一轮空化产生的脂质和生物质经历随后的几轮的空化，并产生生物柴油和甘油产品。例如，参见美国申请号12/167,516，其披露了从脂肪酸生产生物柴油。分馏的培养基可分流回到培养容器中。此外，如上所述，培养基可直接经受空化而跳过泡沫分离步骤。空化和去除产品组分(例如脂质)后，培养基返回到培养体系中。该培养基经过处理和消毒以消除细菌和不需要的光合生物，加入更多的养分并注入生长培养基中，并将富集的生长培养基流回入培养体系中。
在优选的实施方式中，使用紫外光结合水动力空化用于处理、富集和回收培养基。通过校准空化气泡、流量和内爆力的大小，使用结合于独特的水动力空化性能的紫外光来杀死细菌和其他有害光合生物。进行同样的校准用于将补充养分分解成纳米大小的颗粒，使它们注入到生长培养基中以获得更均匀的分布。这种均匀分布有增加培养产量的潜在优势。
处理、富集和回收过程消除了与典型系统相关的高昂处理成本，并通过回收水和仍在生长培养基中未用的养分来提供附加的成本节约。
生物燃料的制备
生物燃料是任何燃料，其来源于生物源--最近活着的生物或它们的生物代谢产物如光合生物的脂肪酸。生物燃料可进一步定义为来源于生物体代谢产物的燃料。优选的生物燃料包括但不限于生物柴油、生物质原油、乙醇、丁醇和丙烷。
典型的脂肪酸包括饱和脂肪酸以及不饱和脂肪酸。饱和脂肪酸不含有任何双键或其他官能团。不饱和脂肪酸含有具有碳-碳双键的两个或多个碳原子。饱和酸包括硬脂酸(C18；18:0)、棕榈酸(palmitic acid)(C16；16:0)、肉豆蔻酸(C14；14:0)和月桂酸(C12；12:0))。不饱和酸包括如亚麻酸(顺，顺，顺C18；18:3)、亚油酸(顺，顺C18；18:2)、油酸(顺C18；18:1)、棕榈酸(hexadecanoic acid)(顺，顺C16；16:2)、棕榈油酸(顺C16；16:1)和肉豆蔻油酸(顺C14；14:1)的那些酸。
据了解，中链(C10-C14)和/或长链(大于C16)脂肪酸(天然合成羧酸)的热和催化裂解，结合于分离和纯化技术，可以生产适合用于作为燃料或混合燃料的化学品混合物，尤其作为如柴油、煤油、航空涡轮燃油和车用汽油燃料的组分。从生物质获得燃料的方法的例子描述在美国专利申请号11/824,644中(METHOD FOR COLD STABLE BIOJET FUEL(冷稳定生物喷射燃料的方法))，将其纳入本文作为参考。美国专利申请号11/824,644描述了在浊点低于-10℃下由生物质生产燃料的方法。本发明描述了可产生短链羧酸和羧酸酯的方法同时还生产适用于燃料或混合燃料的物质。短链羧酸和羧酸酯生产与燃料或燃料产品相结合提供了采用裂解参数的一个设置时不仅生产一种而是两种有益产品的能力。
在裂解过程中，使用能源来断裂碳-碳键。一旦断裂，每个碳原子终止于单个电子和自由基。自由基反应可以产生各种产品。可通过利用高压和/或高温有催化剂(催化裂解)或无催化剂(热裂解)来实现有机大分子断裂成更小、更有用的分子。此前有研究表明，利用热或催化裂解，中链(C10-C14)和长链(大于C16)脂肪酸(天然合成羧酸)对裂解过程来说是相容的。这些技术已用于以前的发明和研究中来改变生物柴油的化学组成。然而，它们并没有被用于生产商业质量的短链羧酸和/或酯。
生物质(包括脂质和脂肪酸的原料)通过披露的连续培养方法进行生产。生物质可使用多种方法“断裂”，优选空化。断裂过程的产品取决于呈现在裂解反应器中的裂解条件、生物质的原始组成和气体环境。基于详细的化学分析，改变裂解条件以便生产短链羧酸和燃料组分的最佳混合物。
由于较低的压力、温度或停留时间的要求，催化剂可用于提高想要的产品的产量，减少不需要产品的形成，或提高裂解反应效率。催化剂包括但不限于分子筛，碳，稀有金属如钯、铌、钼、铂、钛、铝、钴、金及其混合物。
裂解输出经历多种依赖于产生的物质的处理和纯化步骤。来自裂解反应器的输出取决于采用的具体反应器设计。
在本发明的一个实施方式中，从光合生物产生的脂质、或其酯交换衍生物被加热到300℃至500℃温度范围内，在裂解反应器中，压力在真空条件至3000psia的范围内，在可以包含惰性气体例如氮气、水蒸气、氢气、气相有机化学品混合物或任何其他气态物质的气态环境存在下，停留时间从1至180分钟的范围内来影响裂解反应，该反应能够改变裂解反应器的化学组分含量。留在裂解反应器(裂解产物)中的蒸气进行下游加工(downstream processing)，其可包括冷却和部分冷凝、汽/液分离、副产物化学品提取通过溶剂萃取或其他化学/物理性质操作、原位反应、蒸馏或闪蒸分离来产生可接受的运输燃料如航空涡轮燃料或柴油燃料。留在反应器中的液体和固体(残留物)进行下游加工，其可包括冷却或加热、液/固分离、汽/液分离、汽/固分离和副产物化学品通过溶剂萃取或其他化学/物理性质操作来产生可以接受的燃料副产物或副产品。由裂解产物或残留物分离出来的未反应和部分反应物质可回收到裂解反应器中，发送到其他裂解反应器或用于其他过程。
提供下面的例子来说明但不限制本发明。
实施例1
角毛藻的培养和收获
角毛藻来源
将下述的肥料混合料添加到在夏威夷近海泻湖或潮池环境中收集的未过滤海水中。将空气通入海水中鼓泡。两到三天内，微藻的混种花将在水中成长。在微藻花建立至少1.0×105细胞/ml之后，开始实施下述的经营方法。三至五天后，得到的藻类培养物至少为99％的角毛藻。
培养物经营方法
每天，日落一小时后去除约20％的培养物体积并替换为天然海水。在添加新海水后，将下述的肥料混合料添加到培养物中。培养物使未过滤的空气鼓泡上升通过水体底部的培养物。pH控制器会打开一个电磁阀，这时pH上升到高于8.2，以允许二氧化碳鼓泡通过培养物，直至pH低于8.1，这时将二氧化碳流体关闭。用于培养物中的光路最小6英寸、最大3英尺。不用控制培养物的温度，每天将达到35℃或以上。
可以使用任何培养器
使用各种各样的培养容器，从6″深的方池到5英尺深直径为18″的圆筒。在各类的培养容器中角毛藻微藻可以保持作为主导物种。光路越短，达到的细胞密度越高。在6″深的一升玻璃缸中达到8-9×106细胞/ml的最高细胞密度，其中玻璃缸置于室外在夏威夷热带的阳光下而没有温度控制。这些培养物中的温度将达到35℃以上。
由于培养技术是不依赖于任何类型的培养容器，该技术可以很容易地扩展到较大规模的池中。
肥料混合料
一种改进的Guillard′s f/2混合料加入到培养物中。这包括做出如下改变的下表中的标准配方。初始氮浓度至少3.0mg N/升，初始磷浓度至少2.75mg P/升，初始维生素B12浓度至少5微克/升，初始氯化铁浓度至少0.3mg/升，初始硫酸铜浓度至少0.01mg/升，初始硅酸盐浓度至少10mgSiO2/升，以及Na2EDTA浓度5mg/升。
标准Guillard′s f/2配料表。为了培养硅藻，另外的Na2SiO3是必要的。
 养分(或营养物)   浓度(mg/L)
 NaNO3   75
 NaH2PO4·H2O   5
 Na2SiO3·9H2O   30
 Na2C10H14O8N2·H2O(Na2EDTA)   4.36
 CoCl2·6H2O   0.01
 CuSO4·5H2O   0.01
 FeCl3·6H2O   3.15
 MnCl2·4H2O   0.18
 Na2MoO4·2H2O   0.006
 ZnSO4·7H2O   0.022
 维生素B1盐酸盐   0.1
 生物素   0.0005
 B12   0.0005
收获方法
将去除的部分培养物储存在收获池中。收获池中的培养物从晚上到早晨循环通过泡沫分馏柱。柱子至少五英尺高，有水流在柱中向下移动。空气向上鼓泡，从在含有浓缩光合微生物的水表面建立泡沫的底部通过柱子。从水表面收集泡沫体。冷凝成液体的泡沫中含有约3％干物质含量。
浓缩所产生的泡沫体，然后在10000rpm下，通过一个直径为20″的连续离心机操作。浓缩的藻糊大约有30％干物质含量。
产量
上述的培养技术为夏威夷大学研究项目提供了超过四年的连续生产的浓缩角毛藻微藻糊。最终的系统包括十六个直径为18″的5英尺深的聚碳酸酯管，系统总容量3200升(18英寸光路)。该系统每日提供平均300克30％干物质(70％的水)角毛藻糊。这相当于为34.7kg/英亩/天的干物质或12,669kg/英亩/年的干物质(假设12英寸深的池)。
提取和分离
上述培养过程的培养基流入商业澄清器，然后使得包括10％总培养基体积和3％干物质含量的水介质直接流入水动力空化反应器，该水动力空化反应器在500psi操作压力下每分钟能够处理10加仑用于水动力提取。在9分钟内处理三百二十(320)升。总处理成本为$0.17。
水动力提取超过98％的角毛藻，估算无灰干重油含量，分离后，使用台式重力静水挡板分离器生产超过2.9升99％的纯微藻油，成本为每升油$0.06(每加仑油$0.22)。这比得上使用现有技术提取的$2.91/升，不包括所需要的脱水步骤的成本。

Claims (17)

1.一种用于连续培养、收获、和提取光合微生物的方法，包括：
a)在促进光合微生物繁殖到所需密度的条件下，在生长培养基中培养所述光合微生物以及其中的光合微生物；
b)将水相中的部分所述培养基流进油提取过程，同时留下部分所述培养基在培养容器中进行自接种；
c)从所述培养基过程的连续水流中，通过破裂细胞膜并释放油来提取所述光合微生物中的油；
d)从提取的所述培养基的连续水流中分离藻油、可回收培养基、和来自提取的所述培养基中的生物质；
e)将水相中的所述可回收培养基流入处理和富集过程；
f)从所述可回收培养基的连续水流中，处理和富集所述可回收培养基，作为新培养基进行再利用；
g)将水相中的新生长培养基流入所述培养容器；以及
h)重复步骤a)至g)。
2.根据权利要求1的方法，其中，所述培养容器相对于外界环境是封闭或开放的。
3.根据权利要求1的方法，其中，所述光合微生物是海洋硅藻。
4.根据权利要求3的方法，其中，所述海洋硅藻为角毛藻种。
5.根据权利要求1的方法，其中，所述培养基通过添加选自由a-g组成的组中的一种物质或其组合进行优化，其中
a.形成氮浓度至少为3.0mg N/升的氮；
b.形成磷浓度至少为2.75mg P/升的磷；
c.形成维生素B12浓度至少为5毫克/升的维生素B12；
d.形成氯化铁浓度至少为0.3mg/升的氯化铁；
e.形成硫酸铜浓度至少为0.01mg/升的硫酸铁；
f.形成硅酸盐浓度至少为10mg SiO2/升的硅酸盐；以及
g.形成Na2EDTA浓度为5mg/升的Na2EDTA。
6.根据权利要求1的方法，其中，所述培养容器经受阳光。
7.根据权利要求1的方法，其中，所述培养容器经受人工光源。
8.根据权利要求1的方法，其中，在达到大约24小时的生长时，将所述培养基流入提取步骤。
9.根据权利要求1的方法，其中，在流入提取步骤前，使在连续流中的所述培养基澄清。
10.根据权利要求1的方法，其中，使用水动力空化提取所述微藻油。
11.根据权利要求10的方法，其中，所述水动力空化通过使用多级空化室实现。
12.根据权利要求10的方法，其中，所述水动力学空化通过使用磁脉冲空化实现。
13.根据权利要求11的方法，其中，所述脂质经受一轮额外的空化来进行酯交换生成生物柴油。
14.根据权利要求1的方法，其中，通过添加养分和CO2处理和富集所述可回收培养基，然后通过水动力空化处理，再然后通过紫外光处理。
15.根据权利要求1的方法，其中，通过添加养分和CO2处理和富集所述可回收培养基，然后通过水动力空化处理，再然后通过紫外光处理。
16.一种用于生产生物燃料的方法，包括：
a)收获根据权利要求1的方法的原料，其中所述原料是一种或多种脂肪酸；
b)使用水动力空化分馏所述原料来生产脂质；以及
c)将所述脂质转化为生物燃料。
17.根据权利要求14的方法，其中，所述脂质经历一轮额外的空化来进行酯交换生成生物柴油。
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