CN102224235B - 用于将水生生物质有效、低成本地转化为燃料和电能的装置 - Google Patents

Abstract

一个使藻类生长、加工并将其转化为电能、燃料和动物饲料的连续系统。该系统使用一藻类生物反应器，其将收获的藻类提供给一生物质提取系统，接着该生物质提取系统引导收获的藻类的一部分进入一微生物发生器。该微生物发生器将藻类转化为电能、水和养分。生物质提取系统包括一脱水装置和一生物质干燥机。该微生物发生器在一优选的实施方式中是一微生物燃料电池。用于动物饲料、燃料等等的干燥的藻类产物从生物质干燥机的输出端获得。

Description

用于将水生生物质有效、低成本地转化为燃料和电能的装置

发明内容

藻类是生长最快的植物并通过光合作用有效地将太阳能转换为化学能。实质上，该化学能为食物网提供燃料并被看作是最有前途的通过生物燃料生产的可再生能源之一。这里所描述的多组分装置有效地、低成本地使藻类和以藻类为主的人工生态系统生长，然后将有机物转化为电能和能被用于可再生燃料和食物的生物质。

附图说明

图1是描述一光生物反应器、一生物质提取系统和一微生物发生器的相互连接的方框图。

图2是利用层叠的水管连接到泵、一微生物发生器、一脱水系统和一除气系统的藻类生物反应器的示意图。

图3是一微生物发生器的第一实施方式的示意图。

图4是一微生物发生器的第二实施方式的示意图。

具体实施方式

装置10包括三个相互连接的系统，一光生物反应器12，一生物质提取系统13（脱水装置14系统和生物质干燥器16）和一微生物发生器18，如图1所示。

生物反应器12在其内部环境中容纳有水和藻类，其增加了藻类的生长速率。还必须给生物反应器供应用于藻类生长的可置换的二氧化碳、主要养分、痕量金属和所需要的有机物。在一理想的装置中，二氧化碳和养分来源于工业或城市废物的使用（例如发电厂的废气，畜牧场，渔场，城市废物处理厂）。主要的目的是以最合理的价格生产尽可能多的有机生物质。因此，废物营养源是优选的。可是，实际上，任何替代那些被快速使用并变的稀有的物质的通常的营养源将是最佳的。

光生物反应器

藻类生物反应器12是这样一个装置，其能够使藻类或以藻类为主的多种类生态系统与自然界相比以很快的速率生长，并处于使用者可根据他们的需要和对于产物的要求而停止的条件下。这可从简单的池塘扩展到非常复杂的三位装置。简单的池塘和水管是便宜的，但是其趋向于具有较慢的生长速率，除非他们使用特别的生物系统，更频繁地具有生物入侵和病害损失。复杂的、封闭的生物反应器是相当昂贵的，但是它们更容易地保持单一藻类的养殖，最大化了藻类的生长速率，并使其它有机体的影响最小化。在其最常见的形式中，该装置是一“水管”，一组在连续的、循环的路径彼此连接的长通道。这些水管具有在同一个方向的一个或更多个保持水流动的装置，例如一浆轮系统、一泵系统或一定向的通风系统。水管也可被构建在一斜坡上以利用重力保持流动，在底部具有一泵系统把水和藻类返回到水管的顶部。

通过在开放的生物反应器或水管表面上产生的纹波和裂波，以及通过水的搅动用次表面水替换表面层来加强气体交换。这其中的一些能用电动机、通风机、浆轮和泵来完成。在一使用重力提供流动的长的倾斜的水管中，小台阶、水瀑和其它水管设计的不匀整的元素能干扰表面并加强气体交换。

二氧化碳代表了一种特例，因为它以低浓度存在于大气中。生物反应器用空气通风能提供少量的CO₂。具有高浓度二氧化碳气体的通风使得这更有效。这能够从工业气体源提供，或者可能被连接到发电厂或其它工业排气系统。正如下面所讨论的，通过通风增加的CO₂也能在用于微生物发生器之前用于除氧，从而在同一步骤中增加CO₂并除去氧。CO₂基本上在溶液中停留足够长的时间，当那些水被重新导入生物反应器中，来源于通风和微生物发生器中的呼吸作用的增强的CO₂都可用于光合作用。

用于生物质和电能的工业生产的生物反应器或生物反应器系统的优选的尺寸为1-100英亩，但是其它的大小也是可能的。这些生物反应器被排列成组以产生规模上的节约，因为它们提供给脱水和发电系统。在本发明中对于有效的运行所期望的恰当的规模可能大约是1000-2000英亩，但是更小或更大的版本也可证实是低成本的，因为该组分可在这样的规模下运行。可能通过共置小单元重复的份数来获得更大的运行。

图2。在图2中描述了本发明的全部系统的一个实施例。藻类在一生物反应器中生长，许多种装置中的一个提供了恰当的条件使藻类或以藻类为主的水生态系统生长。这些有效地捕获太阳能、无机养分和CO₂，并通过光合作用将太阳能存储在有机物的化学键中。这些化学能中的一些通过食物网动力学转换为细菌、原生生物和其它有机体，一些流入水中作为溶解的有机材料。在图2中，一个生物反应器被示为一个层叠的水管20（藻类生物反应器），其中，藻类被泵送到水管的顶部并通过重力保持恒定运动。水管20也能被任何一种其它的装置所代替，包括池塘、卵形水管、循环水管和完全封闭的生物反应器。水通过一脱水系统22从水管中排出。这个装置包括任何一种能有效地从水中分离一些或所有藻类的组件。这些可能包括过滤器、螺旋压榨机、离心机、真空筛网、凝絮和沉淀机、溶解空气凝絮机以及许多其它的装置。被分离出的藻类被去除并加工为目标能量或者食品产物。去除了藻类的排出物被移动到除气系统24。这个排出物包含任何的没有被去除的藻类或其它的颗粒，以及任何在脱水期间没有被去除或增加的溶解材料。在该系统的一些实施例中，可以没有脱水系统22，水管生物反应器的水能被直接转移给除气系统24。除气系统24去除过量的氧气，然后通过呼吸作用用于氧气的剩余部分的生物学脱氧。它可像一个管道一样简单，具有足够的水驻留时间以确保所有的氧气被细菌或一些更复杂的能完成同样的功能的东西所消耗。无氧排出物然后传给微生物发生器26。微生物发生器是任何一种使用微生物燃料电池原理产生电流的装置。这些装置有效地在生物呼吸作用的电子传输系统中插入一根线，通常地是利用细菌，其能使用一根线作为终端的电子受体。在该过程中，细菌从排出物中的溶解的颗粒有机物产生电能，将有机物转化为二氧化碳和无机养分。无机养分然后传回给生物反应器以给新的藻类和生物质的生长供给燃料。在图2的例子中，排出物从微生物反发生器26转移到水管生物反应器20，使用泵28将其提升回层叠水管的顶部。在其它一些实施例中，泵28能将水转移到在水循环的任何一个其他部分的一个高度，并利用重力或水压进行其它的流动。

生物质收获和脱水作用

一旦在生物反应器中的生物质达到一定的产量水平（每天每平方米的克数或每升的克数的目标产量），收获开始后将是一个规则和不断进行的活动，除非系统崩溃或维修。在生物反应器中的有机体具有一生物加倍速率，一个被直接测量的参数（并且能随着季节和环境而变化）。这决定了收获的速率。连续提取使得生物反应器就像一个恒化器，但是在这种情况下，为了收获速率（每小时水的比例）和在那种加倍速率下的现存量，必须优化系统。可选地，生物反应器能在离散的时间收获（即，为了一个系统每天加倍，一半系统每天能被收获一次）。

为了收获，充满藻类的水通过泵或重力流动从生物反应器中去除。其通常包含具有0.01-2.0％的悬浮固体的生物质。一些版本的装置可使得一个非常大的生物质积累到一个点，此处光的限制放缓了新材料的净生长速率。高生物质将简化收获和脱水并降低其成本。在高生物质时，凝絮物也易于被刺激，从而以总产量为代价降低了脱水成本。可选地，生物反应器能被维持在最高的可能收获速率，在这种情况下，一个生物质水平将相当低并不发光或有养分的限制。这将产生更高的总产量，但是在所有尺寸范围的生物质的去除的成本将更高。在选择制造电能与生物质之间的平衡中，这里所描述的本发明要求在收获的选择中灵活的选择一个作为主要的变量。

为了去除一些颗粒物质，来自生物反应器的水的一部分流过脱水系统。这些系统被设计去除一些生物质，系统的选择和任何系统内的努力水平是工程或本发明动态平衡的一部分。在最简单的情况下，脱水系统是一个筛网（例如一个100微米的筛网）以去除相对大的藻类。大的网孔尺寸消耗较少的材料（仅仅是最大的颗粒和聚集体），并在电能、泵、驻留时间和对材料的损坏方面花费较低。小的网孔消耗更多的材料，需要更高的成本和功率。凝絮和其它预处理也能将更小的单元聚集为更大的聚集体，其被保留在一个大网孔的筛网上。在被清洗之前，根据载荷，筛网也将聚集较小的藻类，增加了功率的需求以促使水穿过填满的筛网。在一些方案中，脱水使用一更复杂的技术，例如过滤挤压机、带式过滤机、螺旋挤压机或工业离心机。这些中的每一个从水中以更大的能量和资金花费去除更多和更小的颗粒。如用最初的筛网，越多的提取物被推动以去除越来越精细的颗粒，将要消耗的功率更多。像这些的商业装置可以从许多制造商购得，比如西门子。脱水的产物是高浓度藻类的浆或饼。根据终产物，这些可被进一步干燥和压缩用于运输。

本发明的生物质产物将被用于能源、农业、医药或食物应用。藻类包含有价值的油，其能被提取并转化为燃料。饼状藻类能加工成鱼食和动物食物添加剂。生物质能被供给工业能源系统，作为煤的补充或者甚至作为替代品。藻类被气化并变成合成气，其然后通过像费托合成的工艺被转化成生物柴油、喷气燃料和各种其它液体能量燃料。根据藻类源和工业目的，许多其它的应用也是可能的。

来自脱水系统的排出物包含比脱水系统能够处理的更小的藻类、细菌、原生生物、微粒和溶解的有机物。在生物反应器中，当藻类生长并且它们中的一些被异养生物吃掉时，它们将溶解的有机物渗入水中。这种材料具有非常不均匀的成分，但是包括一些东西，如糖、脂质、蛋白质、复合的碳水化合物、核酸和许多其它的化合物。所有的这些包含藻类通过光合作用原始产生的一些太阳能。在一常规的应用中，溶解的有机物可包括通过光合作用产生的三分之一化学能。这种排出物进一步在微生物发生器中进行加工。

微生物发生器

来自脱水系统的排出物被“微生物发生器”处理。该装置是一种也被称为微生物燃料电池的一类装置的一个应用。这些装置在有机材料被加工成电能中是非常通用的。它们也是“自恢复的”，因为电能产物通过一生物学生物薄膜进行传导，如果被干扰或损坏，该生物学生物薄膜可再生长。

这些装置具有两个通过允许质子通过的选择性渗透膜分开的腔室。在腔室的阳极，具有有机物的缺氧流体穿过阳极。阳极可是任何一种具有大表面积并能够从微生物中接受电子的材料，例如各种金属、碳或某些气凝材料。特别地选择或修复的细菌作为一个生物膜能够通过阳极表面而生长。特别的细菌在呼吸作用中使用阳极作为它们的终端电子接受体。它们将电子传输到阳极，且电子穿过一个线到发生器的阴极侧。燃料电池的阴极侧包括一终端电子受体，如氧气。它使用空气中的氧气接受穿过线之后的电子，并且它们与流过膜的质子结合，最终产生水（参见图3）。阴极可能是特殊金属，如铂，或者它们可是被特殊的细菌涂覆的简单材料，特殊的细菌从阴极接受电子并依靠电子流给氧呼吸作用。阴极也能从空气或水中得到它们需要的氧。如果它们从水中接受氧，微生物发生器的这侧也可用于帮助在水中的氧减少到其在进入阳极之前的水平。因此，当它们呼吸排出物中的有机物（颗粒和溶解物都有）时，在阳极上的细菌产生电流到阴极。通过恰当设计和正确的微生物组合，微生物燃料电池在低电压具有高的库伦效率。这种低电压稍后转化成用于电机和电网的较高的电压。

图3。在图3中示出微生物燃料电池的基本原理。包括藻类、其它颗粒和溶解有机物并且不含氧的水通过输入端30进入微生物发生器28的阳极侧32。在图2中，这种水来自除气装置24。水溶液与阳极33接触，阳极33涂覆有使用阳极作为它们的终端电子受体的微生物。这些微生物呼吸有机物并将它转化为保留在水中的CO₂和无机养分，它们通过输出口34离开微生物发生器28的阳极侧。微生物传输它们的电子到阳极33，然后能够流动穿过线36。腔室的另一半是阴极侧38，其通过质子渗透膜40与阳极侧32分离。该膜将使质子通过，但是水或任何和有机物不能通过。在阴极腔室38，空气或纯水进入输入端42。这些空气或水包含氧气。在腔室38的阴极侧是既可涂覆有细菌也可包括一个无机材料或金属（如铂）的阴极42，其更有利于来自线36的电子和穿过膜40的质子进行结合。两个电子，两个质子和一个氧结合产生水，其通过输出端44离开。

进入微生物发生器阳极的水必须具有少量的电子受体，如氧或硫酸盐。在淡水中，可以通过去除氧获得（在淡水中有很少量的其它的自然电子受体）。在装置的海水的方案中，必须使用特殊的细菌来补偿电子受体如硫酸盐或硝酸盐的存在。这些装置在碱性的水中特别有效。

在本发明的大多数方案中，来自脱水装置的排出物必须首先穿过一腔室，其中细菌、藻类和异养生物的自然生物活动消耗所有可用的氧。这种呼吸是一种能量的损失，应该被最小化，可能的作为被呼吸所消耗的每一点化学能都是不能被转化为电能（在作为本发明优点的花费和工作最佳化的范围内）的能量。如上所述，通过空气或低氧通风的除氧，高CO₂的水有利于这个过程并将二氧化碳返回系统。一些水可传输通过微生物发生器的阴极端，作为一种没有减少悬浮的有机物（其在阳极腔室中进行处理）中能量含量而去除氧的低成本的方法。在淡水中，基于它通常缺少可选择的电子受体（如在盐水中的硫酸盐），该装置也可包括一种蒸煮器，其将一些复杂的有机物转化为乳酸和其它不稳定的有机体。这也降低了氧并使得微生物发生器更有效。

来自微生物发生器的排出物具有大量的无机养分和来自微生物发生器内呼吸的二氧化碳。这种水然后传输回生物反应器为下一个生物生长循环提供养分。

图4。这里示出了图3所描述的微生物燃料电池系统的一个改进的方案。这种改进将除气功能（图2，装置24）和图3所描述的微生物燃料电池组件结合起来。除非另有所述，所有的组件都是一样的。在氧存在下，离开脱水装置（图2，装置14）或生物反应器（图2，装置20）的水进入微生物燃料电池的阴极腔室40。如图3中所述，氧气被去除然后从阴极腔室46排出，并进入阳极腔室50的输入端48。在该实施例中，如果需要附加的氧化能力，也能够增加一个更小的如在图3中描述的传统阴极腔室38。

系统平衡

来自微生物发生器的电能部分用于覆盖整个系统的电能消耗，这个发明的一个重要的新权利要求是这些装置（生物反应器，脱水装置、微生物发生器）的排列，进行构造，以使它们为了最好的、作为这种生物太阳能厂的电能和生物质的净组合能被最优化。在生物反应器中的水泵和鼓风机消耗大量的功率，通过当混合数量和通风增加时而增强的生长速率平衡。脱水和干燥是非常的动力密集，动力的使用是与提取的水平成比例的。脱水装置倾向于使用更多的动力提取更小的微生物。使用粗筛网的装置将使用小动力并提取少量的生物质。去除直径为3-5微米的小颗粒将使用非常大量的动力。

没有被提取的颗粒连同溶解的有机物一起输送进入微生物燃料电池。这些以非常高的效率转化为电能。因此，在产生生物质的装置的电能消耗组件和微生物发生器中的电能产物之间有一个平衡。增加的生物质产物消耗更多动力并留下更少的被转化为电能的生物质。相反地，仅仅最容易的去除生物质的提取使用少量的电能并留下大量的用于电能产物的生物质。一种极端情况，该装置仅生产电能。但是，能源独立要求美国具有可再生的电能和可再生的液体燃料。这种装置提供了两者的产物。用户用生物质的值，或它的衍生物产物，燃料（例如生物柴油、喷气燃料、乙醇等）或非燃料颗粒产物（例如营养0食物、鱼食等）的值平衡电能产物的值。用户一般运行系统，使得100％的电能花费被系统的微生物发生器部分中的局部产物涵盖。这非常可观地减少了颗粒藻类产物的花费。最终的光合作用平衡可被形成微生物和电能的结合，其最大化了来自系统的总值，总值越大，生物质更多，电能更多。

该装置能通过结合其它形式的电能产物，如太阳能电池板和风车，而进一步的提高。这些插话式的电能产物形式要求周围陆地的使用是兼容的。因为生物反应器将太阳能吸收进入藻类，它们不能被遮蔽。但是，新的太阳能面板技术未来是在线式的，其允许红外和紫外波长之外的可见光穿过并产生电能。这些可被配置在生物反应器上。在开放池塘和水管生物反应器中，这种太阳能电池板也可减少蒸发。水管之间和邻近脱水器的空间和电能产物组件也能作为传统光伏太阳能面板或风车的安置点。这里可能的提高是安排水穿过微生物发生器的路径的时间，以使得在电能产物的间隙充满，其在太阳能和风能是中固有的。这能消除产物点的整个功率通量的流出，以使得它是一个更相容的和可期望的再生电能源。

Claims (21)

1.一种将水生生物质转化为燃料和电能的装置，其包括：一藻类生物反应器；一可操作地连接于该藻类生物反应器的生物质提取系统，其中藻类生物反应器将水、藻类、生物质和溶解的有机物供应给提取系统；以及一可操作地连接于提取系统输出端并用于引导来自微生物发生器的水和养分回到藻类生物反应器的微生物发生器，其中微生物发生器包括用于产生作为终产物的电能的生物膜，并且其中当一部分的水、藻类、生物质和溶解的有机物引导入微生物发生器时，在其被引导入微生物发生器的阳极之前除氧。

2.如权利要求1所述的装置，其中藻类生物反应器是一个容纳水、藻类、养分和二氧化碳的装置，以提供藻类生长所需要的材料，其与足够的光接触以刺激藻类的生长。

3.如权利要求1所述的装置，其中生物质提取系统包括：从藻类生物反应器接收水、藻类和溶解的有机物的脱水装置。

4.如权利要求3所述的装置，其中生物质提取系统包括一与脱水装置的输出端连接的生物质干燥机，以接收来自脱水装置的湿藻类并在输出端产生干燥的藻类产物。

5.如权利要求1所述的装置，其中微生物发生器是一微生物燃料电池。

6.如权利要求1所述的装置，其中微生物发生器的副产物是水、二氧化碳和藻类的养分，并包括将水、二氧化碳和养分输送回藻类生物反应器以补偿藻类生物反应器中藻类、水、养分和二氧化碳的初始进料的装置。

7.如权利要求3所述的装置，包括从微生物发生器传输电能给脱水装置的装置。

8.如权利要求4所述的装置，包括从微生物发生器传输电能给生物质干燥机的装置。

9.如权利要求5所述的装置，其中微生物燃料电池包括两个被选择性渗透膜分开的腔室。

10.如权利要求9所述的装置，其中膜的第一侧是阳极，膜的第二侧是阴极。

11.如权利要求2所述的装置，包括一日光源、藻类二氧化碳源和水源，其为藻类生物反应器提供初始进料材料。

12.如权利要求11所述的装置，其中养分、二氧化碳和水的来源是发电厂的排出物。

13.如权利要求11所述的装置，其中养分、二氧化碳和水的来源是畜牧厂和渔场的排出物。

14.如权利要求11所述的装置，其中养分、二氧化碳和水的来源是废水处理厂的排出物。

15.如权利要求1所述的装置，其中藻类生物反应器通过一个或多个泵可操作地连接到生物质提取系统。

16.如权利要求1所述的装置，其中藻类生物反应器包括一水管。

17.如权利要求1所述的装置，其中藻类生物反应器包括一水的开放体。

18.如权利要求1所述的装置，其中藻类生物反应器通过泵和重力流动的组合可操作地连接到生物质提取系统。

19.如权利要求1所述的装置，其中藻类生物反应器被一太阳能电池板覆盖，其传输可见光通过电池板，并使用非可见光产生电能。

20.如权利要求1所述的装置，其中该装置与一断续的外部电源共同定位，并且其中，通过该装置产生的动力和它的藻类被进一步用于增大总的电能，这通过在低动力产物期间来自断续源的填充提供。

21.一种微藻类连续养殖生产电能和生物质的方法，其包括以下步骤：

在一限制的范围内提供一开放区域形式的藻类生物反应器；

在该开放区域提供一初始藻类进料，以及养分、水和二氧化碳；

将该开放区域暴露于光下；

在一预定的周期后收获微藻类的一部分，并向藻类生物反应器增加一养分的替代进料；

引导收获的部分到一具有脱水装置和生物质干燥机的生物质提取系统；

引导一部分收获的部分从脱水装置到该生物质干燥机；

引导收获的部分的剩余部分到一微生物发生器的生物膜；

处理在微生物发生器中的收获的部分的剩余部分以产生电能；

并引导来自微生物发生器中的水和养分回到藻类生物反应器中，作为藻类生物反应器中没有被收获的藻类的养分源，

其中，在被引导入微生物发生器的阳极之前，藻类的剩余部分除氧。