CN102428188A - 刺激水生植物产生乙醇和水生植物生长的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了刺激水生植物产生乙醇和水生植物生长的方法，包括将水生植物放置在含水池中，以及在该池中创造缺氧条件从而由水生植物启动厌氧过程。经过在厌氧过程中储存的碳水化合物的新陈代谢，水生植物的尺寸增大并释放乙醇。然后在该池中创造加氧条件从而启动需氧过程。水生植物在需氧过程中产生并储存碳水化合物。重复进行创造缺氧条件和加氧条件的步骤从而刺激水生植物尺寸增加并从而使乙醇的释放增加。

Description

刺激水生植物产生乙醇和水生植物生长的方法

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请求美国专利保护的信函

(FOR UNITED STATES LETTERS PATENT)

           ----

       说明书

敬启者：

本人，托尼·A·哈根，是美利坚合众国公民，发明了一种新的和有用的“刺激水生植物产生乙醇和水生植物生长的方法”，其由以下说明书进行说明：

刺激水生植物产生乙醇和水生植物生长的方法

技术领域

本文的公开内容涉及乙醇生产方法，并且更具体地涉及用于通过利用在厌氧代谢过程中产生游离乙醇从而形成植物生长和乙醇生产的自维持循环的植物来促进植物生长的新的乙醇生产方法。

发明内容

本文公开内容的一种实施方式通过通常包括以下步骤而满足上述需要：将水生植物放置在含水的池中，以及在该池内创造缺氧条件从而启动水生植物的厌氧过程。经过所储存碳水化合物在厌氧过程中的新陈代谢，水生植物的尺寸增大并释放出乙醇。然后在该池内创造加氧条件从而启动需氧过程。水生植物在需氧过程中产生并储存碳水化合物。重复创造缺氧条件和加氧条件的步骤从而刺激水生植物尺寸增加并从而增加乙醇的释放。

因而，为了更好地理解下文本公开的详细描述，以及为了可以更好地理解本文公开内容对现有技术的贡献，已相当概括地描述了本文公开内容较重要的特征。下文将描述本文公开内容的另外的特征，这些特征将形成本文公开内容所附权利要求的主题。

本文公开内容的目的，以及为本发明带来新颖性的各个特征在本文所附权利要求中详细指出并形成本文公开内容的一部分。

附图说明

通过对本文公开内容进行下面的详细描述，可以更好地理解本文公开内容而且除上述目的以外的目的也将变得明显。这样的描述是通过参考附图进行的，其中：

图1是根据本文公开内容的刺激水生植物产生乙醇和水生植物生长的方法的示意图。

具体实施方式

现参考附图，尤其是参考图1，描述了实施本文公开内容的一种实施方式的原理和构思的新的乙醇生产方法，该方法一般由标号10表示。

如图1所示，刺激水生植物产生乙醇和水生植物生长的方法10一般包括从湖泊或池塘中获取水生植物，然后将该水生植物引种到池(或槽)中。在执行方法10时，当未来需要池或者出于替换目的而需要水生植物时，可以利用该方法种植和提供该水生植物。构建池用于容纳水，并且可以有衬层或没有衬层，从而阻止流体和气体转移到支持池的地面中。将细微颗粒物放置在池中并将水生植物引种到该池中，该水生植物可以将自身固定在该颗粒物中。使用细微颗粒物是因为它可以促使以较小的能量消耗使水生植物的根生长到该颗粒物中，而且它可在该颗粒物表面上面保留较高百分比的植物材料。

池的数目以及它们的尺寸对于本方法并不是关键性的，数目和尺寸均可由可用的土地面积、原材料获取途径和成本控制来决定，但是应当理解，本方法可以在单个池内实行。池可以具有使所选择的水生植物适当生长所需的任何深度。然而，已发现，池的深度可以在10cm至7m之间从而防止植物生长受到限制。池也可以是温度控制的，并且尤其是，应当防止池结冰，因为结冰会导致水生植物死亡。用于池的热量可以获自(sequester)由相邻的乙醇处理工厂或废热的任何其他方便来源所散发的废热。

该水生植物可以选自容易在水生环境中或水生环境上，如直接在水或永久饱和土壤中生存的许多水生植物。而且，可以在单个池中使用一种以上类型的水生植物。该水生植物可以包括，例如，藻类、沉水水生草本植物(submersed aquatic herbs)，例如，但不限于，篦齿眼子菜(Potamogetonpectinatus)、菹草(Potamogeton crispus)、川蔓藻(Ruppia maritima)、穗状狐尾藻(Myriophyllum spicatum)、黑藻(Hydrilla verticillata)、水蕴草(Elodea densa)、杉叶藻(Hippuris vulgaris)、大皱叶草(Aponogetonboivinianus)、硬叶浪草(Aponogeton rigidifolius)、大卷浪草(Aponogetonlongiplumulosus)、牛顿草(Didiplis diandra)、新加坡莫丝(Vesiculariadubyana)、小柳(Hygrophilia augustifolia)、珍珠金钱(Micranthemumumbrosum)、长艾克草(Eichhornia azurea)、三白草(Saururus cernuus)、舌椒草(Cryptocoryne lingua)、叶绿松尾(Hydrotriche hottoniiflora)、百叶草(Eustralis stellata)、红苦草(Vallisneria rubra)、水蓑衣(Hygrophilasalicifolia)、泰国水剑(Cyperus helferi)、培茜椒草(Cryptocoryne petchii)、美洲苦草(Vallisneria americana)、托塔苦草(Vallisneria torta)、叶绿松尾(Hydrotriche hottoniiflora)、黑乐草(Crassula helmsii)、石龙尾(Limnophila sessiliflora)、穿叶眼子菜(Potamogeton perfoliatus)、瓦氏节节菜(Rotala wallichii)、贝克椒草(Cryptocoryne becketii)、无尾水筛(Blyxaaubertii)和异叶水蓑衣(Hygrophila difformmis)；浮萍，例如但不限于，紫萍(Spirodela polyrrhiza)、无根萍(Wolffia globosa)、品藻(Lemnatrisulca)、卵叶青萍(Lemna gibba)、小青萍(Lemna minor)和斑萍(Landoltiapunctata)；大萍(水芙蓉，water cabbage)，例如但不限于大藻(Pistiastratiotes)；毛茛(buttercups)，例如但不限于毛茛属(Ranunculus)；菱(watercaltrop)，例如但不限于四角矮菱(Trapa natans)和乌菱(Trapa bicornis)；睡莲(water lily)，例如齿叶睡莲(Nymphaea lotus)、睡莲科(Nymphaeaceae)和莲科(Nelumbonaceae)；水葫芦(water hyacinth)，例如但不限于凤眼蓝(Eichhornia crassipes)、黑木蕨(Bolbitis heudelotii)和水盾草(Cabomba)；以及海草(seagrasses)，例如但不限于小竹叶(Heteranthera Zosterifolia)、波喜荡草科(Posidoniaceae)、大叶藻科(Zosteraceae)、水鳖科(Hydrocharitaceae)和丝粉藻科(Cymodoceaceae)。而且，在各种实施方式中的一个中，宿主藻类(host alga)选自由绿藻、红藻、褐藻、硅藻、海洋藻类、淡水藻类、单细胞藻类、多细胞藻类、海藻、耐寒藻株、耐热藻株、耐乙醇藻株、以及它们的组合组成的组。

该水生植物通常还可以选自包括眼子菜科(Potamogetonaceae)、金鱼藻科(Ceratophyllaceae)、小二仙草科(Haloragaceae)和川蔓藻科(Ruppiaceae)的一个植物科的植物。更具体地，所选择的水生植物应当具有较大的巴斯德效应，其增加厌氧CO₂产量与需氧CO₂产量的比率。典型地，这个比率大约为1∶3，但水生植物如通常称为眼子菜(SagoPondweed)的篦齿眼子菜(Potamogeton pectinatus)会将这个比率增大到2∶1，如在Journal of Experimental Botany，第51卷，Number 349，第1413-1422页，2000年8月中解释的：“Anoxia tolerance in the aquaticmonocot Potamogeton pectinatus：absence of oxygen stimulates elongation inassociation with an usually large Pasteur effect，(水生单子叶植物篦齿眼子菜中的厌氧耐受：缺氧刺激与通常较大的巴斯德效应相关的延长，)”，其以引用方式结合于本文。在缺氧环境中发生的延长过程(elongation process)中，植物延长从而形成细胞腔室，该细胞腔室随后将被用来储存在需氧代谢期间通过水生植物需氧过程形成的碳水化合物。然后，这些碳水化合物可以用来释放在厌氧代谢期间通过水生植物的厌氧过程形成的乙醇。一般地，方程式如下：

需氧的植物代谢：6CO₂+6H₂O→6O₂+C₆H₁₂O₆

厌氧的植物代谢：C₆H₁₂O₆→2CO₂+2C₂H₅OH

在水生植物被植入池中后，通过初始或后来在该池中引入缺氧水使池中的水处于缺氧条件下。可替换地，可以将谷物和/或细菌添加到水中以耗尽水中的氧气。水中氧的缺乏启动了水生植物的厌氧过程，该导致水生植物延长并产生乙醇。这个过程可以通过引入化学催化剂和CO₂而得到促进。可包括在内的一种化学催化剂是2，4-二氯苯氧基乙酸。可以进一步地添加另外的营养物和盐例如钾盐、氮盐和磷盐，以促进水生植物的生长。进一步地，根据所使用的水生植物物种，还可以向池中加入有机物质，该有机物质包括但不限于诸如蔗糖、葡萄糖和乙酸盐之类的有机物质。

在厌氧过程中，水生植物的尺寸显著增大并且其长度可达到初始长度的10倍或更多倍。术语“尺寸”应理解为包括使得其能够储存较多量碳水化合物的植物材料体积的增加。这种延长提供了用于容纳水生植物后来形成的碳水化合物的细胞腔室。另外，在厌氧过程中，该水生植物细胞外分泌了乙醇。然后，该乙醇一直保持在池水中直到通过常规方法将其除去。如下文中进一步解释的，在首次使用池时，可以使得它具有最低的乙醇浓度，该乙醇浓度将根据实施的特定方法来确定。这个最低浓度将随着该方法的开展而增加。这个步骤可以进行一天至数天，但是在篦齿眼子菜的情况下总共六天就足够了。所需时间取决于许多因素，如光漫射和营养物的可用性。

下一个步骤是通过在池中创造启动的需氧过程加氧条件来终止厌氧过程。这可以通过向池中引入加氧水和通过除去缺氧水来完成。在需氧过程中，如上文中指出的，水生植物通过代谢过程产生碳水合物，然后将将碳水化合物保留在它们的延长结构中。可以将废料如方法10产生的废弃生物质、工业废物、城市垃圾等添加到池中从而为水生植物提供营养物。另外，最大日光过滤，与温度调节一样能够促进水生植物的生长。而且，必须监测池的pH以防止池的CO₂酸中毒。这可以用钙缓冲化合物如碳酸钙和氯化钙来抵消，但最终取决于池中特定水生植物种类的耐受性。需氧过程的持续时间同样取决于许多因素，但通常在碳水化合物的产生开始减慢时结束。对于篦齿眼子菜，该持续时间可以在2天至14天之间，这取决于池内的环境条件。

也可以通过在池中使用热地层(thermal strata)来结合缺氧和加氧水的使用。特别地，可以使位于池底部上的最冷地层保持缺氧状态从而促进生长，而较暖水的上部地层可以包括加氧水从而促进需氧过程。

一旦达到最大的碳水化合物形成，就立即除去加氧水并再次用缺氧水替换从而再次开始延长和乙醇形成过程。然后可以重复进行添加缺氧水和加氧水的步骤，从而不断地促进延长和乙醇生产，接着生产碳水化合物。这创建了自维持的循环，因为该植物生长补充了因植物衰老而损失的植物材料和不再满足已确定的乙醇生产耐受性的那些植物。可以除去无法用于补充目的或无法用于给另一个池供应植物材料的另外植物生长，并可以利用常规方法发酵从而也产生乙醇。可手机在该发酵过程中释放的二氧化碳并将其回充到池中以促进碳水化合物生产。在发酵过程之前或之后的植物废物都可以进一步地用于给池补充营养物和/或可以经加工用于生物化学工业应用，如用在乙醇和柴油机生物燃料、药品、化妆品、着色剂、涂料等中。

如上所述，缺氧水可以保留并再次使用，至少直到它的乙醇含量达到水生植物的致死浓度为止。这个浓度取决于所使用的水生植物，以及可影响厌氧过程可发生的次数的所用池的个数。典型地，该方法可以用多个池实施，其中根据需要缺氧水和加氧水可以在该多个池之间循环(rotated)从而在缺氧条件和加氧条件之间交替。例如，利用多个池的过程可以包括具有含2％乙醇的缺氧水的第一池，该缺氧水被移动到先前已充氧的第二池中。该缺氧水替换了从第二池中除去的加氧水从而在第二池中创造缺氧条件。然后刺激第二池内中的植物生长和乙醇生产。注意，当水生植物检测到水中的乙醇时，使第二池开始时就具有乙醇(因为该缺氧水含有来自第一池厌氧过程的乙醇)可以进一步刺激乙醇生产。可以允许第二池中的乙醇浓度增加，例如达到4％。每次将缺氧水移入新的池中，就会刺激这些植物的延长和乙醇生产。一旦缺氧水的乙醇浓度到达预定水平，例如10体积％，就从装有该缺氧水的池中除去该缺氧水并利用常规方式从该水中提取乙醇。

多个池的使用使得该循环可以用在闭合回路中，该闭合环路也是自维持的，并将隔离碳水化合物形成过程中的二氧化碳。方法10使新水生植物生长的速度快于它们因衰老而枯竭的速度，从而使新池可以由新生长的水生植物来播种。更重要的是，所有植物废物均可以通过发酵成乙醇而加以利用，并可以经加工而用于生物化学工业或作为进料返回到池中。

关于上面的描述，应了解，本文公开内容实现的实施方式部分的最佳尺寸关系，包括尺寸、材料、形状、形式、功能和操作方式、装配和使用的变化对于本领域技术人员而言是显而易见的，附图中示出和说明书中描述的那些关系的等效关系包括在本文公开内容的实施方式中。

因此，上文应被视为仅说明了本文公开内容的原理。进一步地，由于本领域技术人员容易想到许多修改和变化，因此不期望将本文公开内容限于所示出和描述的确切构造和操作方式，相应地所有适合的修改和可以采取的等效形式都落入本文公开内容的范围内。

Claims (11)

1.一种诱导乙醇形成的方法，所述方法包括以下步骤：

将水生植物放置在含水池中；

在所述池中创造缺氧条件从而启动所述水生植物的厌氧过程，通过在厌氧过程中所储存的碳水化合物的新陈代谢，所述水生植物的尺寸增大并且释放乙醇；

在所述池中创造加氧条件从而启动需氧过程，所述水生植物在所述需氧过程中产生并储存碳水化合物；和

重复进行创造缺氧条件和加氧条件的步骤，以刺激水生植物的尺寸增大并从而使乙醇释放增加。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括从所述池中除去乙醇的步骤。

3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括引入催化剂从而增加厌氧代谢的步骤。

4.根据权利要求3所述的方法，进一步包括添加CO₂从而增加需氧代谢和碳水化合物形成的步骤。

5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述引入催化剂的步骤包括添加2，4-二氯苯氧基乙酸的步骤。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述将水生植物放置在池中的步骤包括从眼子菜科(Potamogetonaceae)植物中选择所述水生植物。

7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：

其中，所述创造所述缺氧条件的步骤包括使所述池中具有缺氧水的步骤；

其中，所述创造所述加氧条件的步骤包括使所述池中具有加氧水的步骤；和

在用所述加氧水替换所述缺氧水之后保留所述缺氧水，并将所述缺氧水再利用至少一次从而启动另一缺氧条件。

8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括以下步骤：

将水生植物放置在多个池中；和

在所述池之间转移所述缺氧水以增加所述缺氧水中的乙醇浓度。

9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将植物营养物引入到所述池中的步骤，从而使所述需氧过程中碳水化合物的产生增加。

10.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：

除去过多的植物材料，其可用于生物化学工业、用作水生植物进料、或用于给新的池播种。

11.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：

除去衰老的植物材料，其可用于生物化学工业或用作水生植物进料。

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