CN102597249A - 一种生产用于生物气生产的原料的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于生产生物气的方法，包括厌氧消化来自海鞘纲的群的水生生物。本发明还涉及在厌氧消化前培养和收获海鞘。进一步包括在厌氧消化前整合培养海鞘和巨藻。本发明还包括利用来自厌氧消化的固体和流体消化物用于生产肥料。本发明还包括一种在幼虫阶段人工接种海鞘的方法，以及通过厌氧消化海鞘获得的厌氧消化的生物质。

Description

一种生产用于生物气生产的原料的系统
技术领域
本发明涉及用于生物气生产的过程，它包括属于海鞘群的水生生物的厌氧消化。
本发明还涉及用于生产肥料的方法，包括厌氧消化属于海鞘群的水生生物，并且此后利用固体和流体消化物用于肥料生产。
本发明的另一方面涉及包括与红藻门、绿藻门和褐藻门等群的巨藻一起培养海鞘的一种方法。由于海鞘新陈代谢排泄的溶解营养物，结合培养导致巨藻的更高生长率。
本方法还进一步涉及厌氧消化巨藻与所述海鞘。
本发明还涉及用于生产肥料的方法，包括在一起培养和厌氧消化海鞘和巨藻，并且利用固体消化物来生产肥料。
本发明还涉及在培养表面上，将海鞘紧固到幼虫台上的一种方法，通过与成年个体海鞘一起储存没入水箱中的所述培养表面，调节水箱中的水温，使成年个体海鞘开始产卵，并且通过配子融合产生的幼虫在表面上定居，此后幼虫被放置在培养位点上。
背景技术
在生物气的工业生产中，原料的可获得性是有限的。在文献中，生物气被定义为主要由甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)组成的一种气体混合物，它主要由生物基质的细菌分解产生。生物气工厂需要从农民那里购买生物质，例如牧草地和小麦，用来生产生物气。这意味着，生物气产品的生产会是不经济的。由于在用于食品和用于能源生产的作物之间存在竞争的情况，可耕地面积也是有限的。生产中的损失也强烈依赖于气候，因为恶劣气候会使作物减产。这些因素导致产品生物气的生产可能变得不经济。
关于用于厌氧消化的可替代的海产的生物质，更早的想法涉及了微藻、巨藻或紫贻贝。作为用于生产生物气的原料，所有这些都具有缺点；考虑到在灭菌条件下，必须添加特殊的营养素，并且因为日光不足，需要额外的照明，微藻具有高培养成本。巨藻已经示出是用于厌氧消化的好的原料，但是如果它们收获自海滩，那么会含有高浓度的重金属，例如镉。通过离岸培养巨藻，有可能通过给水施肥改进经济前提，因此提高生长率。紫贻贝具有大的缺点，在于它们具有非有机的壳，生物气厂并不想把壳包括在该工艺中，因为壳阻塞工艺管道并且增加不可消化的物质的沉淀。
生物气的生产者总是努力增加气体的生产(给定某一量的生物质)来最大化产量。要解决的问题是，生产者如何可以增加气体生产。生物质生产的最有益解决方案是能源效率，增加甲烷气体的产量并且同时给出其他的环境正面效果。
针对从海洋收获生物质的现有技术只讨论了巨藻，通过培养或收获来收集(Boudewijn(博杜安)等人，1983；Schramm(施拉姆)和Lehnberg(伦贝格)，1984；Gao(高)和McKinley(麦金莱)，1994；Yokoyam(横山)等人，2007；The Crown Estate(皇家财产局)，2009)，连同已经被驱赶上岸的巨藻(Detox AB(Detox公司)，2009)。甚至已经提出取自波罗的海中的藻华的微藻的厌氧消化(格伦达尔，2009)，连同培养在波罗的海中的紫贻贝的厌氧消化(Hansson(汉森)，2008；Radio Kalmar(卡马尔广播电台)，2009)。还已经提出一个想法，基于在来自污水厂的富营养废水中培养微藻(纽伯格，2008；Clear Water Energy Nordic AB(清水能源北欧公司)，2009)。在提交的专利申请中，会提到若干要求对使用基于微藻或巨藻连同它们的提取物的生物质的排他权(US2008/0050800、CN101418316、US2009081744、EP2014759、CN101285075、CN101255075、UA24106、DE102007007131、WO2007014717、WO9851814、PT100012、DE3607864、CN101418315)。
发明内容
海产的生物质-海鞘
海鞘，学名Ascidiacea，是一类在全世界具有约2300个物种的被囊动物，在瑞典西海岸具有约50种。它们是形成固着的、单体的或群体的滤食性动物。身体是囊状的并且完全被被囊动物围绕。玻璃海鞘属由以下种构成：艾氏海鞘、Ciona fascicularis、Ciona gelatinosa、Ciona imperfecta、玻璃海鞘、Ciona mollis和萨氏海鞘。作为一个实例，提到的海鞘中的玻璃海鞘，它以非常高的丰度出现，并且已经报道，按密度计超过5000个体每m2(Millar(米勒)1971)。生物质的重量已经估计为约7kg DW/m2(Gulliksen(格利克森)，1972)和在加拿大的水中达到200kg湿重/m2(Ramsay(拉姆塞)，Davidson(戴维森)等人，2009)。如果我们使用4％的干物质构成(彼得森等人，1997)，这一值对应8kg DW/m2。它们靠过滤来自水的浮游生物而生活，并且与很多其他动物相比，生长非常快。它们的每日长度生长可以达到2％-3％，并且体重的加倍时间在10天内(Petersen(彼得森)等人，1995)。在北方的水中，玻璃海鞘每年繁殖两次，并且在更温暖的水中每年繁殖三次，可能到四次(Dybern(戴伯恩)，1965)。
定义
DW：Dry Weight(干重)的缩写，它是已经在干燥(约80℃，1天)以后，生物的不含水的重量。
湿重：在收获以后1小时内，在生物质至少一半时间在滤器中时，所称取的在湿条件下的生物质重量。
海产/海洋环境：定义为并不是纯的湖水或由淡水构成的水环境，即具有超过0.5‰NaCl的盐度的所有水环境。
海洋：与海洋环境定义相同。
生物：定义为所有真核生物、古细菌和原核生物群的活生物。
动物：一群属于动物界群的生物。
海鞘/海鞘：属于海鞘群的动物。
人工接种：一种由人控制的生物的卵子和精液的产生，它们的合子(受精卵)在它们长成成体动物以前，发育为定居在水中的硬表面上的幼虫。
水：由H2O构成的所有环境，它包括海洋环境和湖泊，这两种环境都包括天然以及人工环境，例如池塘和其他水构造。
浮游生物：如我们在本文中使用的那样，所有悬浮在水中生活的生物是在它科学正确的定义。浮游生物可以分为，并且包括浮游动物、浮游植物和浮游细菌，取决于它所指的生物。
Settla：是英语术语定居的一种瑞典语翻译，它被翻译为瑞典语bli fast，
Figure BDA0000153060210000041
sig。瑞典海产生物学家使用术语settla(不定式-att settla)。
海鞘：在瑞典语中命名为
Figure BDA0000153060210000042
的生物群。Ascidia(海鞘)与Ascidiacea(海鞘)同义，并且由生命树(http://tolweb.org/tree)和那里的参考文献所定义。
珊瑚虫：在瑞典语中命名为“koraller”的生物群。由生命树和那里的参考文献所定义。
海绵动物：在瑞典语中命名为“svampdjur”的生物群。由生命树和那里的参考文献所定义。
巨藻：可见的藻类。用于生物群红藻(红藻门)、绿藻(绿藻门)、褐藻(褐藻门)的一个统一术语。
微藻：肉眼不可见并且悬浮在海中生活的单细胞生物。与巨藻无关，但是属于若干不同生物群，例如甲藻、硅藻等。
附图说明
图1：在海中大规模培养海鞘用于生物质生产。海鞘在没入水中的培养线(a)上生长。一根紧固到浮件(c)上的水平绳索(b)支持这些培养线。用系泊用具和锚(d)支持的绳索(d)向外切入水平线。
图2：用于在没入水中的培养线上人工接种海鞘幼虫的一种方法的说明。海鞘(a)的成熟个体被紧固在水箱(c)内的网(b)上。水通过管(d)进入并且通过管(e)排出，培养线(f)悬挂在可以从该水箱移除的杆(g)上。
具体实施方式
概述
本发明由一个过程组成，该过程包括将用作生物气生产原料的水生生物的厌氧消化。所述过程还可以包括在厌氧消化前培养和收获这些生物。为此在瑞典的水中的一种非常适合的生物是海鞘生物，玻璃海鞘，基于1.非常快的生长，这允许每年收获若干次，甚至在冬天；2.没有硬的内部结构，例如防止生物质被泵送的壳或骨骼；3.在与多种生物质一起厌氧消化期间，该生物质已经示出增加生物气生产；4.在现存用于紫贻贝的培养系统中培养的可能性；5.生产保障，其中可能避免在陆基农业中，由于恶劣气候造成的生物质损失；6.连续培养和收获季，通过在本专利中，一个说明的过程，该过程允许海鞘定居在受控条件下的培养绳索上，这些条件允许连续收获；7.没有与农业竞争的培养；8.与农业相比，在海中培养和收获给出了远远更多的单位面积生物质，并且对于培养和收获要求更少的能量。
在其他国家和水中，借助可培养性、快速生长和结合用来通过厌氧消化生产生物气的系统使用工业泵的可能性，其他种的海鞘(或珊瑚或海绵)可以最适合培养和收获以达到益处。这样的生物的实例是悉尼海鞘、樽海鞘、尾海鞘纲动物和寻常海绵纲动物。通过使用来自工业培养贻贝的经验和技术，本发明保证了海鞘的工业生产。此外，也已经合并新技术解决方案来保证在全年，而不只在海鞘普通的繁殖期间，海鞘的工业生产。
用于生物气生产的过程包括在厌氧消化期间，厌氧消化和应用生产的燃气。沼气(也称为原气体)由甲烷和二氧化碳组成，纯化该混合物的甲烷用于生产生物气。
在一个实施方案中，该过程包括在海鞘被厌氧消化前，培养并收获海鞘。
可以使用没入水中的多个表面进行海鞘的培养，在所述表面上，海鞘可以被培养到收获前。
根据一个优选的实施方案，该过程包括在培养表面上，将海鞘紧固到幼虫台上，通过与成年个体海鞘一起储存没入水箱中的所述培养表面，调节水箱中的水温，使成年个体开始产卵，并且通过配子融合产生的幼虫在表面上定居，此后幼虫被放置在培养位点上。
此外，还可以根据Aypa(艾帕)(1990)说明的方法达到培养；架培养、悬挂法、硫氯酚培养、黑金属培养、桩培养、托盘培养、棚屋培养、绳索-网培养、bouchout(保朝)培养、筏培养和长线培养。
根据另一个方面，该方法包括利用固体和流体消化物。该方法可以进一步包括利用固体和流体消化物来生产肥料。
在实践所述方法的一个形式中，是饲养珊瑚虫和海绵动物的生物滤池。
本发明的另一方面包括厌氧消化的生物质，来自海鞘群的水生动物的厌氧消化。
在一个实施方案中，本发明涉及来自由任何以上提到的方法衍生的海鞘的厌氧消化的生物质。
详细说明
以下将参考本发明的具体实施方案详细说明本发明。提供这些说明是为了增加对所述具体实施方案的理解，而并不旨在限制本发明的范围。本发明的范围由所附的权利要求所定义。
作为用于厌氧消化的原料的效率
本发明的背景使用海鞘作为厌氧消化中的生物质，在于以下事实：瑞典的生物气生产者使用来自海产品业的废物，以盐水和剩余产品的形式，并且在生产的生物气体积连同燃气中更高百分比甲烷这两方面，以此增加生物气生产。在与废污泥结合的厌氧消化中，来自海产品业的废物被认为是非常好的生物质补足物，对此，一种可能的解释是，如果结合的生物质具有更高的碳构成，那么所述废物富含促进整体厌氧消化的氮。在厌氧消化中，一个通则是，碳和氮之间的摩尔配额应当在30∶1和20∶1之间(C∶N)。海鞘具有4∶1的碳-氮配额，这对于单独使用海鞘的最优厌氧消化而言太低了。但是结合更富含碳的生物质，例如来自污水处理厂的废污泥或来自农业的作物，海鞘生物质非常适合厌氧消化。来自海产品业的废物具有5∶1的碳-氮配额，这是一个论据，在工业化厌氧消化工艺中，低碳-氮配额的海鞘不是问题。
来自新收获的海鞘的生物质的盐度或多或少与周围的水是一样的。这是由以下事实引起，海鞘关闭它们的身体开口并且包围一定体积的水。我们已经将在来自瑞典，Lysekil(吕瑟希尔)外的海洋的海鞘用于厌氧消化测试，它们的盐度范围是在20‰和30‰之间，但是在这些水中可以在10‰和35‰之间变化。来自海产品业的废物具有60‰-70‰的盐度，并且如果对于一定量的含盐生物质，给定时间来调整消化器，则至今未示出该盐度降低厌氧消化的效率。事实是，已知厌氧消化工艺接受相当多的量的含盐生物质(Schramm(施拉姆)和Lehnberg(伦贝格)；The Crown Estate(皇家财产局)，2009)。还已知小程度的盐度增强生物气的生产。一个通则是，给定时间来调整，细菌群落可以处理广大范围的不同生物质。产甲烷细菌变为进化的，来自海洋但是也出现在动物的胃中，连同出现在海洋的和含盐的水中。
海产生物质-其他种的海鞘和珊瑚以及海绵
连同培养我们已经选择作为实例的种，玻璃海鞘，它适合在瑞典的水中培养，在如此需求的、或如果玻璃海鞘并不天然发生的的环境条件下，可以培养其他种的玻璃海鞘属海鞘或其他海鞘。对于海鞘纲的系统发生概述，参见表1。
如以上提到的那样，在玻璃海鞘属中，包括以下种：Ciona edwardsi、Ciona fascicularis、Ciona gelatinosa、Ciona imperfecta、玻璃海鞘、Ciona mollis和萨氏海鞘，它们都适合与玻璃海鞘类似的用途。
表1海鞘纲(海鞘纲)的系统发生综述，其中所有海鞘都可能用作用于厌氧消化的生物质。
  界：   动物界
  门：   脊索动物门
  亚门：   被囊动物亚门
  纲：   海鞘纲
  目：   内性海鞘目
  无管亚目   棒海鞘科
  二段海鞘科
  多囊海鞘科
  Polyclinidae科
  扃鳃亚目   Agnesiidae科
  长纹海鞘科
  玻璃海鞘科
  巢海鞘科
  Diazonidae科
  Hypobythiidae科
  Perophoridae科
  二段海鞘属
  目   侧性目
  褶鳃亚目
  腕海鞘科
  柄海鞘科
  Eusynstyela属
  柄海鞘属
  菊海鞘科
  拟菊海鞘属
  菊海鞘属
还可以在海中或在湖泊中，使用与在此说明的相同的方法，培养珊瑚和海绵这二者中其他快速生长的种，目标是生产用于厌氧消化或生产生物乙醇的生物气。这些动物中的一些会适合在更大深度的离岸培养。在扩展这里给出的实例中，我们指向围绕所谓的“热出口”(热的水下火山)的高丰度和生产率的动物，在“热出口”的很多生物形式使用化能菌作为初级生产者。在本专利申请中，我们已经选择使用海鞘作为实例。借此本发明并不局限于使用海鞘，而是包括可以被工业培养来生产生物质的任一珊瑚和海绵动物。
在水中培养生物
用于在海中培养固着生物(海生的或含盐的)的一种通用系统是这样的：它包括没入水中的一个表面，通过操作亲代，来自周围水的生物作为幼虫定居在那里，或者幼虫或孢子定居在陆地上的水箱中的表面上。一般地，在收获时，这些表面(如绳索、线、杆、网等)从水中移出，这样可以收获这些生物到船上或陆地上。另一发生的方法是，在也给出用于生产生物质的可能性的天然基质或底部上培养生物。
为了培养海鞘、珊瑚或海绵，如果对于生物定居和生长，并且不从该表面脱落而言，淹没的表面具有正确的特性，那么用于培养上述生物的通用系统是足够的。关于用来确保这些动物的良好生长的水温、盐度或其他物理参数，用于浸没这些表面的适合的时间是重要的。由于它们的生存周期，关于在水中幼虫的存在，用于浸没的时间也是重要的。以下是多种培养方法，给出这些方法作为适合海鞘培养的方法的实例，这些方法也适合培养珊瑚和海绵。在水培养文献中给出了若干这些方法(参见例如Aypa(艾帕)，1990)。
对于在瑞典的贻贝，长线法是最常用的，并且如我们发现的那样，该方法在瑞典的水中是最适合的。这是基于按工业规模使用的方法，用于每年培养并收获约3000吨紫贻贝，并且这些方法因此是可靠的。所有设备都是可商购的，并且可能租到收获船连同有经验的人员。长线法包括一个聚丙烯带，宽度5cm，以一条长无破损链的形式将其没入水中。在具有20*200米的尺寸的瑞典长线培养中，培养线的总长度是24km。以规则间隔将这些线紧固到载体绳索上，该载体绳索转而由浮件支持，参见图1。锚定这些载体绳索的两端来保持该培养伸开。在中国，该方法也称为“一条龙法”。通过将培养线置于被悬挂在底部以上，底生动物有效地被阻碍而出现在线上并被饲养，对于玻璃海鞘而言，这是有效的，例如红海盘车，它以所述种为食。
可以被用于有效培养和收获的其他方法可以包括(根据Aypa(艾帕)，1990)：架培养、悬挂法、硫氯酚培养、黑金属培养、桩培养、托盘培养、棚屋培养、绳索-网培养、bouchout(保朝)培养、筏培养、长线培养。
整合培养
用来在海中培养海鞘(目的在于生产用于厌氧消化的生物质)的方法的一个具体实施方案是整合培养海鞘和巨藻。用于培养巨藻的不同技术是熟知的，并且在专业文献中很好地作了说明(Lucas(卢卡斯)和Southgate(索思盖特)，2003；Pillay(皮雷)和Kutty(凯蒂)，2005)。还已知在水中存在更高浓度的营养素(主要是氮和磷化合物)时，巨藻具有更高的生长率。还已知，动物以例如尿液、脲或具有类似目的的物质的形式排泄营养素，作为它们代谢的副产物，来从生物体除去过量的代谢物。对照例如使用粪肥作为农业中的肥料，这些排泄物富含易于获得的含氮物质。在该背景知识下，我们说明在海鞘，或者选择用于生产用于厌氧消化的生物，与巨藻一起的整合培养中存在增强的效果。海鞘排泄营养素使巨藻生长更快，这对于工业生产者而言是优选的。在一个环境的观点中，如果基于从海中除去的氮或磷的事实上的量销售排放信用，那么所述整合培养增加了从海中除去营养素的能力，对于整个培养，这是积极的。之前没有人使用海鞘与巨藻的整合培养作为用于厌氧消化的生物质以达到所述效果。
通过以下说明获得整合培养：1.在相同培养单元内，在不同绳索/带上培养海鞘和巨藻，这样巨藻变得接近来自海鞘的营养素释放，并且海鞘并不为浮游的食物而竞争2.在分开但是接近定位的单元上培养海鞘和巨藻。在分开培养时，由培养单元的大小连同该区域的水流和水文学确定培养单元之间的最大距离，这样巨藻可以利用海鞘排泄的营养素。
人工接种
玻璃海鞘在8℃和23℃之间的温度下繁殖(Dybern(戴伯恩)，1965)。并且在五月和九月间在瑞典和挪威的水中释放幼虫，其中最大幼虫生产在六月(Dybern(戴伯恩)，1965；Gulliksen(格利克森)，1972)。
人工接种的方法在今天用于培养巨藻，例如Porhyra属的种，其中一种是用于寿司的流行的日本紫菜原藻(Nori-algae)(Kelly(凯利)和Dworjanyn(多雅恩)，2008)。人工接种是指通过进行某种技术过程，例如操作光的量、质量和温度，可以调整巨藻的生活周期来生产繁殖体(孢子)。对于本领域的技术人员而言，可能进行这样的一种方法。
然而，尚未有人使用上述方法来确保为海鞘而定居在海中的培养表面上。对于在实验室中海鞘释放它们的卵和精液需要水的物理特性的知识是熟知的。已经使用该知识来培养新的海鞘各地用于研究目的。但是至今尚无人有在海中大规模培养海鞘的想法，无人有通过人工接种，改进这样的方法的想法。
通过在水箱中储存成年海鞘个体来进行该方法，水箱中的水温保持低于8℃，如果温度超过该温度，那么在该温度下海鞘变得性成熟。在那些水箱中，浸没海鞘应当作为新一代幼虫而定居其上的培养带、培养绳索或其他培养表面。其后升温超过8℃，并且海鞘的成年个体在一个时段后释放卵和精液，它们结合为幼虫。幼虫将从那以后定居在浸没的培养带、培养绳索或其他培养表面上。
海鞘可以包含在相同水箱中，如培养带，或包含在具有交流水联系的水箱中。
在将幼虫定居在浸没的带上以后，幼虫生长适合的限定时间，直至它们具有足够的生长能承受运输到新的水环境，在那里它们应在收获前生长至成年。
结果
本申请人已经测量了玻璃海鞘的生长率，并且发现在93天中为8.5cm(n＝350，s.d.＝3.2cm)，并且在同一时段，作为每m2的湿重，测量的生物质增加为33kg(地点：瑞典，Lysekil(吕瑟希尔)，时间：2009年五月至2009年八月，在垂直混凝土构造上深度为1-2米，大致盐度20-34psu，大致温度10-20℃)。
本发明人进一步进行了厌氧消化测试，其中相对于与30％(重量)富含碳的生物质混合的来自海鞘的生物质，在10天以后，生产的生物气为600ml CH4/g。
在2010年4月间，本发明人还进行了对收获的海鞘(玻璃海鞘)的测试，对于在瑞典西海岸的Ljungskile(隆斯基尔)的海鞘培养。该培养使用长线法。在收获测试期间，一艘普通用于紫贻贝收获的船确实每小时收获10m3的海鞘。
在2010年四月间，本发明人进行了对10m3的海鞘的厌氧消化的测试。结合来自废水厂的废污泥，消化海鞘生物质。结果确实示出在与5％玻璃海鞘混合以后，生物气生产保持在如添加以前的之前的水平。甲烷的浓度没有改变，并且在58％和64％之间变化。
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Claims (16)

1.一种用于生产生物气的方法，包括海鞘纲的群的水生生物的厌氧消化。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在厌氧消化前培养并收获海鞘。
3.根据权利要求2所述的方法，包括通过使用多个没入水中的表面的培养，在收获前，在这些表面上培养生物。
4.根据权利要求2或3所述的方法，包括在培养表面上紧固幼虫阶段的海鞘，通过与成年的海鞘一起储存没入水箱中的所述表面，来控制水箱中的水温，使成年个体开始产卵，并且允许通过融合配子产生的幼虫定居在浸没的表面上，然后将其运输到培养位点。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的方法，其中使用任意以下方法进行培养；架培养、悬挂法、硫氯酚培养、黑金属培养、桩培养、托盘培养、棚屋培养、绳索-网培养、bouchout(保朝)培养、筏培养和长线培养。
6.根据任何以上权利要求所述的方法，包括利用固体和流体消化物。
7.根据权利要求6所述的方法，包括利用固体和流体消化物用于生产肥料。
8.一种用于生产肥料的方法，包括厌氧消化海鞘纲的群的水生动物，并且利用固体和流体消化物用于生产肥料。
9.根据权利要求2-5中任一项所述的方法，包括整合培养海鞘纲以及来自红藻门、绿藻门和褐藻门的群的巨藻。
10.根据权利要求9所述的方法，包括与海鞘一起厌氧消化巨藻。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括利用固体和流体消化物。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括利用固体和流体消化物来生产肥料。
13.一种用于生产肥料的方法，包括与巨藻一起培养并厌氧消化海鞘，并且利用固体和流体消化物用于生产肥料。
14.根据以上权利要求中的任一项所述的方法，其中这些生物属于珊瑚虫和海绵动物的群。
15.一种用于将幼虫阶段的海鞘紧固在多个表面上的方法，包括与海鞘的成年个体一起储存没入水箱中的所述培养表面，来控制水箱中的水温，使成年个体开始产卵，并且在融合配子以后产生的幼虫定居在浸没的表面上，然后将其运输到培养位点。
16.通过厌氧消化来自海鞘纲的群的水生生物获得的厌氧消化的生物质。
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