CN103380203A - 用于分离包含微生物物质和液体的混合物的方法 - Google Patents

用于分离包含微生物物质和液体的混合物的方法 Download PDF

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W·M·邦德
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Abstract

一种用于分离包含微生物物质和液体的混合物的方法，其中该微生物物质包括储存和/或分泌乙醇的一种或多种微生物，或者该微生物物质包括一种或多种完整含油微生物和/或该微生物物质在一种或多种含油微生物溶解之后获得，该方法包括：a)将混合物与可变形过滤器接触；b)通过可变形过滤器过滤混合物以形成贫含微生物物质的滤液和富含微生物物质的滤渣；c)当混合物与过滤器接触时，通过过滤器的变形来破碎滤渣；d)将贫含微生物物质的滤液与富含微生物物质的滤渣分离。

Description

用于分离包含微生物物质和液体的混合物的方法
技术领域
本发明涉及用于分离包含微生物物质和液体的混合物的方法。
背景技术
随着矿物原油供应的减少，对于化学品和燃料产品的生产来说，可再生能源的应用正在变得日益重要。这些来自可再生能源的燃料和化学产品通常分别称作生物燃料和生物化学品。使用可再生能源的好处之一是与传统能源相比，CO2平衡更有利。
优选由不可食用的可再生能源获得的生物燃料和/或生物化学品，这是因为这样不会与食品生产竞争。
例如，可以通过由微生物分泌油或者通过微生物细胞的细胞壁破坏后提取油的方式由微生物获取油。
例如，可以从产乙醇酵母获取用于燃料组合物的乙醇。
US2010/0184197描述了获得生物材料的方法，该方法包括使用膜过滤器用于获得用来生产生物柴油以及食物或营养补剂的微藻细胞的方法。据描述，膜过滤器为任选涂覆有至少一个膜层的多孔整体或整块载体。整块载体的例子包括陶瓷材料和碳基材料。这些类型的材料不具柔韧性(就是说它们不可变形)。例如借助真空泵或其它类似机构(作为驱动力迫使生物材料通过膜过滤器)使生物材料通过膜过滤器。例如，在US2010/0184197的图2的过程中，通过过滤器一侧的蠕动泵和另一侧的真空泵迫使生物悬浮体通过膜过滤器。真空泵和蠕动泵都需要能量来操作。因此US2010/0184197的方法的不足之处是实现过滤需要高能耗。为了使可能沿膜壁形成的生物材料饼破碎，在回收之前可以在较高流量下进行循环，或者可以使泵反向运转以收集浓缩的生物材料。该方法的不足之处是它不能连续进行，而且它还需要额外的能量。
US2007/0056902描述了用于处理污水的方法，例如可以通过压滤机过滤污水。这种压滤机具有腔板，该腔板质地刚性且不具柔韧性(就是说它们不可变形)。
US2004/0067574描述了用于从微生物细胞获得油的方法。据它描述，发酵之后，必要时，可在将发酵培养液送至细胞壁破坏装置(例如均化器)之前首先从发酵培养液中脱除液体(通常为水)。该脱水可以通过离心和/或过滤进行。然后可将微生物细胞的细胞壁破坏以获取油。
US7351558也描述了用于从微生物获得脂类的方法。据它描述，通常的微生物脂类生产过程包括在发酵器中培养微生物，分离微生物，和用有机溶剂如己烷提取细胞内的脂类。US7351558提到，分离微生物包括用水稀释发酵培养液和离心混合物以分离微生物。
在这些现有技术的方法中，通过离心、强力过滤或干燥来将经过培养和/或经过发酵的微生物与它们周围的液体分离。
通过离心来将微生物与周围液体分离的不足之处是分离过程中的能量消耗高，以及离心机的旋转部分易磨损且需要定期维护。该旋转部分很可能受到存在于微生物残渣中的外来物质(例如沙子)的损害。此外，即使在不需要时，大规模的离心也可能破坏微生物的细胞壁。
通过传统的过滤来将微生物与周围液体分离的不足之处是过滤器会堵塞和需要定期维护。例如，过滤器会被可能粘稠的和可能含泥浆(沙子)的残渣堵塞。
替代地，可通过将微生物暴露于热进行干燥来将微生物与周围液体分离，但如果操作不当，这会损害(即降低)脂类及随后的油的品质，US7351558中对此有更为详细的解释。
提供一种用于将微生物(例如产油或乙醇的微生物)与它们周围的液体分离的方法，该方法需要能量和/或保养少和/或对微生物损害小，这将是本领域中的一个进步。
EP0714318描述了用于从泥浆(特别是来自工业过程的泥浆)分离固体和液体的方法。为了分离泥浆中的固体和液体，使用包括滤袋和可变形膜的容器，该可变形膜可与消防软管相比，置于该容器内。在该容器中，通过增大由该可变形膜(即消防软管)限定的体积尺寸来挤压该滤袋。该滤袋配有弹性装置，以保证当挤压阶段完成时实现弹性膨胀。
EP1426089描述了用于过滤生物泥浆(特别是来自猪的液体粪肥)的方法。该方法包括将泥浆协作连接至过滤器，在过滤器上产生压力差以使流体介质通过过滤器和在过滤器朝向浆液的一侧形成包含固体颗粒的残渣，和当泥浆与所述过滤器协作连接时破碎残渣。在产生压力差之前，泥浆发生絮凝，以及使用具有防粘表面且该防粘表面朝向泥浆的过滤器作为过滤器。
发明内容
已经令人惊奇地发现，例如EP1426089中所述的过滤方法可以有利地用于分离包含微生物物质和液体的混合物以形成贫含微生物物质的滤液和富含微生物物质的滤渣。微生物物质例如可以包括储存和/或分泌乙醇的一种或多种微生物，或者一种或多种完整含油微生物和/或该微生物物质可以在一种或多种含油微生物溶解之后获得。
还令人惊奇地发现，尽管这里所述的包含微生物物质和液体的混合物特征不同，并且比来自猪的液体粪肥更难处理，但是利用本申请所要求保护的过滤方法，还是能够获得好的收率。
此外，已经发现该过滤方法不仅允许分离微生物物质和水，如这里所述，还有利地允许将微生物油或乙醇与微生物物质分离。
因此，本发明提供了一种用于分离包含微生物物质和液体的混合物的方法，其中该微生物物质包括储存和/或分泌乙醇的一种或多种微生物，或者该微生物物质包括一种或多种完整含油微生物和/或该微生物物质在一种或多种含油微生物溶解之后获得，
该方法包括：
a)将混合物与可变形过滤器接触；
b)通过可变形过滤器过滤混合物以形成贫含微生物物质的滤液和富含微生物物质的滤渣；
c)当混合物与过滤器接触时，通过过滤器的变形来破碎滤渣；
d)将贫含微生物物质的滤液与富含微生物物质的滤渣分离。
与现有技术的方法相比，本发明的方法能耗降低，并且需要较少保养。
此外，使用本发明的用于分离微生物物质和液体的方法能够以连续方式操作。特别有利的是，本发明的方法通过使过滤器连续变形而使过滤器连续无堵塞。
而且，当用来分离微生物与液体且希望避免破坏该微生物的细胞壁时，本发明的方法特别有利，这是因为对该微生物细胞壁的破坏可以保持在最小程度。
本发明的方法中，可以获得分离出的微生物物质或液体，并且随后将它们用于生产化学品和/或燃料。
附图说明
通过如下非限制性附图对本发明进行说明：
图1描述了本发明方法的第一实施例。
图2描述了本发明方法的第二实施例。
图3描述了如何进一步利用由本发明方法获得的滤液的实施例。
具体实施方式
本发明的方法分离包含微生物物质和液体的混合物。该混合物可以为本领域已知的包含微生物物质和液体的任何混合物。优选该混合物基本上由微生物物质和液体以及任选的沙子组成，更优选该混合物基本上由微生物物质和液体组成。
以混合物的总重量为基准，优选混合物的微生物物质含量为0.01-20wt%，更优选为0.1-10wt%，最优选为0.5-5wt%，其余为液体和任选的沙子。
在这里，微生物物质是指来自微生物源的物质的组合物。在这里，微生物源是指包含一种或多种微生物或由一种或多种微生物制成。优选微生物物质包括：一种或多种完整微生物；在一种或多种微生物溶解之后获得的微生物残渣；和/或它们的混合物。更优选混合物中的微生物物质包含等于或大于50wt%、仍更优选为等于或大于70wt%和最优选为等于或大于90wt%的选自如下的微生物物质：一种或多种完整微生物；在一种或多种微生物溶解之后获得的微生物残渣；和/或它们的混合物。最优选的是，混合物中存在的几乎全部微生物为选自如下的微生物物质：一种或多种完整微生物；在一种或多种微生物溶解之后获得的微生物残渣；和/或它们的混合物。
混合物优选为发酵培养液、溶胞产物或它们的组合。
在优选的实施方案中，包含微生物物质和液体的混合物为通过一种或多种完整微生物发酵而产生的发酵培养液。在这里，发酵是指微生物在受控环境中生长。以微生物物质的总重量为基准，发酵培养液中的微生物物质优选包含等于或大于50wt%的一种或多种完整微生物，更优选为等于或大于70wt%。此外，以微生物物质的总重量为基准，发酵培养液可以包含小于50wt%的包含一种或多种微生物细胞被破坏的细胞壁的微生物残渣，更优选为小于30wt%。出于实践的目的，上述百分比可以以在干燥发酵培养液之后剩下的干物质的总重量为基准计算。在最优选的实施方案中，发酵培养液基本上只包含完整微生物和基本上不含微生物残渣。
在另一个优选的实施方案中，包含微生物物质和液体的混合物为通过溶解一种或多种微生物产生的溶胞产物混合物。在这里，溶解是指破坏一种或多种微生物的一个或多个细胞的细胞壁。可以通过本领域技术人员已知的适于该目的的任何方式实现溶解。例如，可以借助酶、物理、化学、渗透或机械方法或者它们的组合实现溶解。在优选的实施方案中，溶胞产物混合物包含微生物油、水和微生物残渣，其中微生物残渣包含一种或多种微生物细胞被破坏的细胞壁。
微生物优选为直径小于1mm的生物体，更优选直径小于0.6mm和仍更优选直径小于0.4mm。在它的最长端测量直径。最优选微生物的直径为0.5-200μm，甚至更优选为1-100μm。
多种微生物可用于微生物物质。
一种或多种微生物例如可以包括自养和/或异养微生物。在这里，自养微生物是指通过固定二氧化碳来获得碳的微生物。在这里，异养微生物是指从有机碳源例如碳水化合物获得碳的微生物。微生物的能量代谢例如可以基于光合营养(即微生物利用光作为它的能源)或者它可以基于化学营养(即微生物利用有机物质作为它的能源)。一种或多种微生物可以包括需氧和/或厌氧微生物。
微生物优选为单细胞的。微生物可以作为单独的单细胞微生物或作为单细胞微生物的菌落存在。一种或多种微生物可以包括所谓的野生微生物和/或基因改性微生物。
一种或多种微生物可以包括仅储存微生物油的微生物和/或分泌微生物油的微生物。
储存和/或分泌微生物油的微生物有时也称为含油微生物。微生物物质优选包括一种或多种完整含油微生物和/或在一种或多种含油微生物溶解之后获得的微生物残渣，和更优选由它们组成。该含油微生物优选能够在它的内部储存含量为等于或大于它的干生物质10wt%的油，更优选为等于或大于15wt%，仍更优选为等于或大于20wt%，和最优选为等于或大于30wt%。在优选的实施方案中，微生物物质为来自含油微生物源的物质的组合物。在这里，含油微生物源是指包含一种或多种含油微生物或者由一种或多种含油微生物制成。
因此，在优选的实施方案中，混合物中存在的几乎全部微生物物质为选自如下的微生物物质：一种或多种完整含油微生物；在一种或多种含油微生物溶解之后获得的微生物残渣；和/或它们的混合物。
替代地，一种或多种微生物可以包括储存和/或分泌乙醇的微生物。例子包括分泌乙醇的酵母和细菌。
微生物物质优选包含选自如下的一种或多种微生物：细菌、真菌、酵母、藻类和它们的混合物。
细菌的例子包括红球菌属(Rhodococcus)、分枝杆菌(Mycobacteria)、弧菌属(Vibrio)、大肠杆菌(Escherichia coli)、芽孢杆菌属(Bacillus)、短杆菌属(Brevibacterium)、棒状杆菌属(Corynebacterium)、产黄菌属(Flavobacterium)、克雷伯杆菌属(Klebsiella)、微球菌(Micrococcus)、枝动杆菌属(Mycoplana)、副球菌属(Paracoccus)、假单胞菌属(Pseudomonas)、醋酸杆菌属(Acetobacter)和/或其它细菌和/或它们的基因改性种和/或它们的混合物。
在优选的实施方案中，一种或多种微生物包括真菌。这种真菌的例子包括水霉属(Saprolegnia)、疫霉属(Phytophthora)、毛霉属(Mucor)、根霉菌属(Rhizopus)、犁头霉属(Absidia)、被孢霉属(Mortierella)、小克银汉霉属(Cunninghamella)、外囊菌属(Taphrina)、红曲霉属(Monascus)、丛赤壳属(Nectria)、赤霉菌属(Gibberella)、毛壳菌属(Chaetomium)、链孢霉属(Neurospora)、地丝菌属(Geotrichum)、念珠菌属(Monilia)、木霉属(Trichoderma)、曲霉属(Aspergillus)、青霉属(Penicillium)、拟青霉属(Paecilomyces)、胶枝霉属(Gliocladium)、孢子丝菌属(Sporotrichum)、小孢子菌属(Microsporum)、毛癣菌属(Trichophyton)、分子孢子菌属(Cladosporium)、共头霉属(Syncephalastrum)、须霉属(Phycomyces)和正青霉属(Eupenicillium)的真菌和/或它们的基因改性种和/或它们的混合物。
在另一个优选的实施方案中，一种或多种微生物包括酵母。酵母是分类在真菌界的真核微生物。
可以使用宽范围的酵母，包括例如如下属的酵母：内孢霉属(Endomyces)、裂殖酵母菌属(Shizosaccharomyces)、毕赤酵母属(Pichia)、汉逊酵母属(Hansenula)、德巴利氏酵母属(Debaryomyces)、酵母属(Saccharomyces)、复膜孢酵母属(Saccharomycopsis)、红酵母属(Rhodotorula)、掷孢酵母属(Sporobolomyces)、隐球菌属(Cryptococcus)、假丝酵母属(Candida)和酒香酵母属(Brettanomyces)、油脂酵母属(Lipomyces)、拟内孢霉属(Endomycopsis)、红冬孢酵母属(Rhodosporidium)、亚罗酵母属(Yarrowia)的酵母和/或它们的基因改性种和/或它们的混合物。
例如，储存和/或分泌乙醇的微生物可以选自如下：酵母属类(Saccharomyces spp.)、酵母属麦酒(Saccharomyces cerevisiae)、埃希氏杆菌属(Escherichia)、酵单胞菌属(Zymomonas)、假丝酵母属(Candida)、毕赤酵母属(Pichia)、链霉菌属(Streptomyces)、芽孢杆菌属(Bacillus)、乳杆菌属(Lactobacillus)、梭状芽胞杆菌(Clostridium)、毁丝霉属(Myceliophthora)和它们的混合物。
在另一个优选的实施方案中，一种或多种微生物包括藻类，最优选为微藻类。在这里，微藻类是指能进行光合作用的单细胞微生物。这类微藻类包括例如绿藻和蓝藻，但不包括海草。更优选地，微生物是真核微藻类。
藻类可以是甜水藻类或盐水藻类。优选用于本发明的方法的微藻类是海生藻类。
适合的海生藻类可以包括多门藻类，包括例如硅藻(diatoms)、甲藻(pyrrophyta)、菱形藻属(nitszchia)、紫球藻属(porphyridia)、褐藻(ochrophyta)、绿藻(chlorophyta)、裸藻(euglenophyta)、腰鞭毛类(dinoflagellata)、金藻(chrysophyta)、隐甲藻(crypthecodinia)、褐藻类(phaeophyta)、红藻(rhodophyta)和蓝藻(cyanobacteria)。优选地，海生微藻类是硅藻(diatoms)或褐藻(ochrophyta)门的成员，更优选为凹形(raphid)、凸形(araphid)和环纹硅藻科的成员。
适合的藻类的例子包括布朗尼丛粒藻属(Botryococcus braunii)、小球藻属(Chlorella)、杜氏盐藻(Dunaliella tertiolecta)、江蓠属(Gracilaria)、颗石藻(Pleurochrysis carterae)和/或它们的基因改性种和/或它们的混合物。
一种或多种微生物可以以本领域技术人员已知适于该目的的任何方式通过培养和/或发酵生产。例如，一种或多种微生物的培养和/或发酵可在开放的培养条件下或封闭的培养条件下进行。
如果微生物物质包括含油酵母，优选在封闭的培养条件下、优选在封闭的生物反应器中发酵该含油酵母。可在宽范围的发酵条件下发酵酵母。优选在pH值为2.5-7、更优选为3-5的条件下发酵酵母。发酵过程的温度优选为20-40℃，更优选为25-35℃。在发酵过程中，优选用水饱和度水平为1-50%、更优选10-30%完全饱和度的空气充填生物反应器。含油酵母可在本领域技术人员已知适于该目的的任何培养介质中发酵。优选培养介质包括碳源。优选的碳源为糖。这些糖可包括单糖、二糖、三糖和多糖。可包含在培养介质中的糖的例子包括例如果糖、半乳糖、葡萄糖、蔗糖(sucrose)、木糖、麦芽糖、蔗糖(saccharose)、乳糖、右旋糖和玉米糖浆。在特别优选的实施方案中，用甘蔗、更优选为巴西甘蔗作为碳源。碳源的存在浓度优选为2-35wt%，更优选为5-25wt%。含油酵母的存在浓度优选为1-20wt%，更优选为5-15wt%。
含油酵母可以多种方式生长，包括连续模式、酵母细胞循环的连续模式、间歇式或间歇进料模式(其中通过将受控量的营养基质进料至培养介质来控制含油酵母的生长)。
微生物可以在开放的或封闭的培养条件下进行培养。封闭的培养条件可以包括例如封闭的光-生物反应器(即允许例如微藻类接触光线的封闭的生物反应器)。开放的培养条件可以包括例如开放的海洋或池塘。例如可在淡水、甜水、盐水或湿土中培养微藻类。
包含微生物物质和液体的混合物可以包含本领域技术人员已知的存在于发酵培养液或微生物物质和液体的其它混合物中的任何液体。该混合物可以包含例如微生物油、微生物乙醇和/或水。
在优选的实施方案中，液体包含水。更优选液体包含等于或大于30wt%的水，仍更优选为等于或大于50wt%的水，和最优选为等于或大于70wt%的水。尽管没有上限，但是出于实践的目的，液体可以优选包含等于或小于100wt%的水，更优选为等于或小于99wt%的水，和最优选为等于或小于95wt%的水。
在另一个优选的实施方案中，液体包含水和/或乙醇。
在另一个优选的实施方案中，液体包含水和/或微生物油。
在这里，微生物油是指微生物来源的油。例如可以通过一种或多种泌油微生物分泌和/或通过从一种或多种储油微生物提取来获得微生物油。
微生物油优选包括一种或多种脂类。优选脂类包括天然存在的化合物，该化合物性质上基本疏水和含有长链脂肪烃。一种或多种脂类优选包括甘油单酯、甘油二酯和/或甘油三酯(甘油与脂肪酸的单、二和三酯)；磷脂(甘油与磷酸根基团取代的脂肪酸的酯)；和糖脂(脂肪酸与糖的酯)。
一种或多种脂类中的脂肪酸部分可包括饱和脂肪酸和/或含一个、两个、三个或更多个双键的不饱和脂肪酸。
微生物油可进一步包含宽范围的附加化合物。例如微生物油可进一步包含(饱和或不饱和)游离脂肪酸和/或它们的酯；脂肪醇和/或脂肪胺；类胡萝卜素；萜烯；苯乙烯；生育酚；和/或蛋白质。
如果液体包含微生物油，则该液体优选包含等于或大于0.5wt%的微生物油，仍更优选为等于或大于10wt%的微生物油和最优选为等于或大于50wt%的微生物油。出于实践的目的，液体可以优选包含等于或小于99wt%的微生物油，更优选为等于或小于70wt%的微生物油和最优选为等于或小于50wt%的微生物油。
如果液体包含乙醇，则该液体优选包含等于或大于0.5wt%的乙醇，仍更优选为等于或大于10wt%的乙醇和最优选为等于或大于50wt%的乙醇。出于实践的目的，液体可以优选包含等于或小于99wt%的乙醇，更优选为等于或小于70wt%的乙醇和最优选为等于或小于50wt%的乙醇。
除微生物物质和液体外，本发明方法中待分离的混合物可以任选包含一种或多种其它组分。例子包括沙子和几种气体。
在一个优选的实施方案中，本发明方法中待分离的混合物基本上由微生物物质和水组成。
在另一个优选的实施方案中，本发明方法中待分离的混合物基本上由微生物油、微生物物质和水组成。例如，待分离的混合物可以由微生物油和微生物物质的水性悬浮体组成。
在进一步优选的实施方案中，本发明方法中待分离的混合物基本上由微生物物质、乙醇和水组成。
在优选的实施方案中，在用于本发明方法的步骤a)之前，包含微生物物质和液体的混合物要经过浓缩步骤。该浓缩步骤方便地提供了浓缩的包含微生物物质和液体的混合物。浓缩步骤的好处在于减小了在步骤a)中待处理的材料的体积，和在步骤a)中或之后处理大量溶剂(例如水)所需的能量更少。例如可借助凝聚、絮凝和/或浮选或沉降和/或通过使用旋风型、PARC型或Lakos型分离装置来浓缩混合物。
在步骤a)中与过滤器接触之前，优选至少通过凝聚和/或絮凝浓缩包含微生物物质和液体的混合物。
可以通过向微生物物质和液体的混合物中加入促凝剂来实现凝聚。促凝剂是指一种物质或物质的混合物，它能够使特别是胶体颗粒(即最大直径约为1mm的颗粒)凝聚(粘在一起)。因为它们尺寸小，这些颗粒会与液体一起通过过滤器和污染滤液。可以有利地加入促凝剂使这些小颗粒聚集为更大的颗粒，如下所述，这些更大的颗粒能够絮凝为薄片。通过这种方式，可以获得清洁的滤液。
优选通过如下方式进行任何凝聚步骤：将促凝剂与微生物物质和液体的混合物在至少1分钟和优选至少3分钟内迅速混合。可以使用本领域技术人员已知的适于使微生物物质凝聚的任何促凝剂。优选的促凝剂包括铝和铁的盐。适合的促凝剂的例子包括水合硫酸铝钾、水合氯化铝、硫酸铝、三氯化铁、硫酸亚铁、硫酸铁和/或铝酸钠。最优选铝和铁的氯化物盐。
絮凝是指处理混合物以在混合物中提供聚集固体颗粒的薄片。可以通过向微生物物质和液体的混合物中加入絮凝剂来实现絮凝。絮凝剂是指一种物质或物质的混合物，它能够提供聚集固体颗粒的薄片。可以使用本领域技术人员已知的适于使微生物物质絮凝的任何絮凝剂。适合的絮凝剂包括铝和铁的盐，如水合硫酸铝钾、水合氯化铝、硫酸铝、三氯化铁、硫酸亚铁、硫酸铁和/或铝酸钠。其它适合的絮凝剂包括阴离子(带负电)聚合物和阳离子(带正电)聚合物。阴离子聚合物优选与含金属的促凝剂组合使用。阳离子聚合物可以单独使用或与上面所列的铝和铁型促凝剂组合使用。
优选的絮凝剂为高分子量阳离子聚合物，更优选为分子量等于或大于10,000道尔顿的阳离子聚合物。这种絮凝剂可以单独使用或与促凝剂组合使用。最优选的絮凝剂包括可获自Breustedt Chemie的SYNTHOFLOQ5010HL或Nalco71303、Nalco ShellCore71301、Nalco ShellCore71325、Nalcolyte8100、Nalco C-6287。
如果要将滤渣用作动物饲料用途，则进一步优选使用GRAS(通常视为安全)认证的促凝剂和/或絮凝剂。
优选在混合装置中将促凝剂和/或絮凝剂与包含微生物物质和液体的混合物混合。该混合装置可以例如包括搅拌混合器或静态混合器。向包含微生物物质和液体的混合物中加入的任何促凝剂和/或絮凝剂的浓度优选为等于或大于0.1ppmw至等于或小于1wt%，更优选为等于或大于1ppmw至等于或小于0.5wt%。絮凝步骤优选进行等于或大于10分钟、更优选为等于或大于15分钟至等于或小于2小时、更优选为等于或小于1小时。
如果使用促凝剂，该促凝剂优选以促凝剂与絮凝剂的重量比为1000比1(1000:1)至1比1000(1:1000)使用。
通过絮凝得到的薄片优选应当至少在过滤步骤的持续时间内存在。通过絮凝得到的薄片的粒度优选为直径(在它的最长端测量)等于或大于10μm、更优选为等于或大于0.1μm至等于或小于15mm、更优选至等于或小于10mm、最优选至等于或小于5mm。
包含微生物物质和液体的混合物优选至少通过沉降或浮选进行浓缩。包含微生物物质和液体的混合物的浓缩最优选包括上述的凝聚和/或絮凝，然后进行沉降或浮选以将浓缩的微生物物质和液体的混合物与剩余液体分离。优选的浮选方法为溶气浮选(DAF)，其中借助空气将混合物中的微生物物质浮选至顶层。可以随后撇取该顶层以获得更浓缩的混合物。
当通过沉积浓缩混合物时，形成的底层可从容器底部放出。沉降优选在所谓的环形浓缩器中进行，该环形浓缩器适合地包括环形沉降容器和圆锥形底部，可以从这里获取沉降物。
替代地或附加地，可以通过PARC和/或Lakos分离器浓缩包含微生物物质和液体的混合物。
当一种或多种微生物包括真菌和/或酵母时，凝聚和/或絮凝可能进行但并不必须，和可以例如仅通过浮选和/或沉降获得有利于进料至步骤a)的浓缩的混合物。
当一种或多种微生物包括藻类或细菌时，有利的是，首先使混合物经过凝聚和/或絮凝，随后使混合物经过浮选和/或沉降，和之后再将混合物进料至步骤a)。
包含微生物物质和液体的混合物可以任选还通过预过滤装置进行浓缩。该预过滤装置优选包括粗过滤器，例如由聚合材料或金属如不锈钢制成，它允许混合物从一处移至另一处，同时允许混合物释放它的部分液体。预过滤装置优选包括由聚合材料制成的粗过滤器。预过滤装置的筛孔尺寸应当优选为使混合物中的至少部分液体可以仅借助重力通过预过滤装置的孔。出于实践的目的，筛孔尺寸优选为等于或大于100μm至等于或小于1000μm、更优选至等于或小于500μm。
预过滤装置可以任选在任何凝聚、絮凝、浮选和/或沉降发生之前使用，因此有利地减小需要通过所述下游装置处理的液体量。
预过滤装置还可以任选在任何凝聚、絮凝、浮选和/或沉降之后和在本发明方法的真正过滤之前使用，因此有利地允许通过凝聚、絮凝、浮选和/或沉降制备的浓缩混合物在过滤之前释放它的部分液体。
在本发明方法的步骤a)中，将混合物与过滤器接触。
在这里，将混合物与过滤器接触是指混合物与过滤器接触的方式使得液体可以过滤通过过滤器。这种接触有时也称为协作连接。
进料至步骤a)的混合物的干物质含量优选为0.01-10wt%，更优选为0.1-8wt%，最优选为0.5-4wt%。
过滤器优选为可变形过滤器。可变形过滤器是指过滤器可以承受如下详述的变形。在这里，过滤器的变形优选是指过滤器的形状发生改变。过滤器优选为当有力(优选为机械力)施加其上时形状可以改变的过滤器。这种可变形过滤器有时也称为柔性过滤器。
过滤器可由多种材料制成。优选的材料为织造材料。适合材料的例子包括聚酰胺(例如尼龙)、聚芳酰胺(例如Kevlar)、聚丙烯、聚乙烯、聚酯、PET、特氟隆型聚合物(例如PTFE和/或聚四氟乙烯)、棉和/或它们的混合物。
过滤器优选为具有防粘表面的过滤器，该防粘表面朝向混合物，例如EP1426089中所述和该专利在此通过参考引入。在这里，防粘表面是指所述表面能够阻止或减小对其表面的粘附，即通过撞击即可使粘附在过滤器上的残渣基本上脱落。
可以使用本领域技术人员已知的具有这种防粘表面的任何过滤材料。过滤器优选包含防粘过滤材料，例如由已知减小粘附的材料(如氟含量高的聚合物)制成的材料。
进一步优选过滤器具有经压延的表面。通过压延过滤器的表面，基本上去除了该表面的锐边、凸起、不规则等。过滤器的表面或多或少变得更平坦，由此残渣几乎无处可机械粘附。因此，通过压延过滤器的表面，可使该表面更加防粘。
在优选的实施方案中，过滤器包括经压延的第一过滤材料和用于支撑该第一过滤材料的第二支撑材料。通过提供第一过滤材料和第二支撑材料，可以通过第一过滤材料(优选由细纤维制成和筛孔尺寸小)提供良好的过滤性能和可以通过第二支撑材料(优选由粗金属丝制成和筛孔尺寸大，从而坚固但不阻塞过滤器)提供良好的机械强度。
过滤器(或者如何有两种过滤材料，则为第一过滤材料)的筛孔尺寸优选为等于或大于5μm、更优选为等于或大于10μm至等于或小于1000μm、更优选至等于或小于200μm和最优选至等于或小于100μm。
例如，筛孔尺寸可以使直径小于5μm的颗粒、更优选为直径小于10μm的颗粒仍能通过过滤器，而直径等于或大于1000μm的颗粒、更优选为直径等于或大于200μm的颗粒、最优选为直径等于或大于100μm的颗粒将被过滤器截留。
过滤器可以具有本领域技术人员已知的适于该目的的任何形状。例如，过滤器可以成型为基本上垂直放置的管。但是过滤器优选成型为基本上水平放置的带或基本上水平放置的管。
如果过滤器成型为基本上水平放置的带，该带应当足够宽以避免过滤过程中混合物沿该带的侧面泄漏。该带的宽度优选为等于或大于1m、更优选为等于或大于2m至等于或小于8m、更优选至等于或小于5m。
替代地，该带可以在每个侧面上具有脊，以避免混合物的泄漏。该脊的高度优选为等于或大于0.5cm、更优选为等于或大于1cm至等于或小于10cm、更优选至等于或小于2cm。
在本发明方法的步骤b)中，通过过滤器过滤混合物以形成贫含微生物物质的滤液和富含微生物物质的滤渣。
该方法的步骤b)可以以间歇、半间歇或连续模式进行。在优选的实施方案中，该方法的步骤b)以连续方式进行。
优选以滤液沿基本上垂直的方向流动的方式过滤混合物。也就是说过滤器优选基本上水平设置，借助重力促进过滤和获得滤液。
优选放置过滤器使其连续移动经过传送带，由此允许对混合物连续过滤。如果放置过滤器使其连续移动经过传送带，则它的移动速度优选为等于或大于0.001m/s、更优选为等于或大于0.01m/s至等于或小于0.5m/s、更优选至等于或小于0.1m/s。
在优选的实施方案中，通过预过滤装置将微生物物质和液体的混合物供应至传送带，允许混合物移动到传送带上且同时允许混合物释放它的部分液体，如前面所述。
替代地，步骤b)可以通过多个水平和/或垂直放置的过滤器系统以连续方式进行，其中以交替方式使用所述过滤器。在该系统中，一个或多个过滤器可以有利地用来过滤混合物，而一个或多个其它过滤器可以填满、排空或进行清理。
上述连续操作模式的好处是该方法易于放大，这对于微生物在生产生物燃料和/或生物化学品中的商业应用来说是非常重要的要求。
尽管可以应用宽范围的温度，但是该方法优选在环境温度(约20℃)下进行。
在步骤b)中，优选向过滤器施加压力差。该压力差可以有助于使流体流过过滤器和在过滤器朝向混合物的一侧形成滤渣。可以应用宽范围的压力。施加的压力差优选为等于或大于0.1巴、更优选为等于或大于1巴至等于或小于15巴、更优选至等于或小于10巴。可以方便地用柱塞泵向混合物施压，柱塞泵能够向混合物施压而不会对混合物施加太多机械力。
在步骤b)中，将混合物分离为贫含微生物物质的滤液和富含微生物物质的滤渣。
滤液优选包含等于或小于0.05wt%的微生物物质，更优选为小于100ppmw和最优选为小于10ppmw。
滤渣优选包含等于或大于10wt%的微生物物质，更优选为等于或大于20wt%的微生物物质，仍更优选为等于或大于30wt%的微生物物质和最优选为等于或大于40wt%的微生物物质，其中可以通过确定干物质来确定微生物物质。
根据本发明方法的步骤c)，当混合物与过滤器接触时破碎滤渣。这有利地强化了固液分离。混合物与过滤器的接触有时也称为协作连接。
破碎滤渣可以通过过滤器的变形(优选为机械变形)来实现。因此，破碎滤渣可以通过改变过滤器的形状(例如通过向其施加机械力)来实现。破碎滤渣优选通过过滤器的连续变形(即连续改变形状)来实现。在优选的实施方案中，步骤b)中的过滤和步骤c)中的破碎滤渣均可以连续方式进行。这种连续破碎滤渣有利地允许同时过滤混合物和疏通过滤器。因此，在优选的实施方案中，步骤b)和c)同时进行。
可以通过本领域技术人员已知的用于该目的的任何方式使过滤器变形。变形可以连续或间歇进行。变形可以包括蠕动、揉捏、振动和/或它们的组合。变形优选包括蠕动。过滤器的蠕动优选是指过滤器基本上对称的紧缩和松弛。作为过滤器这种基本上对称的紧缩和松弛的结果，滤渣被破碎和传送过过滤器。可以通过使用空气填充的消防软管和/或机械辊方便地产生变形(优选为蠕动)。EP0714318和EP1426089中描述了变形的优选方式，这些专利在此通过参考引入。
过滤器的变形幅度优选为滤渣厚度的0.5-2倍。当过滤器为基本上水平放置的带时，滤渣的厚度可以为5mm-2cm。当过滤器为基本上垂直放置的管时，管的直径可以为10-50cm。
可以有利地操作步骤c)以使基本上不发生一种或多种完整微生物的细胞壁的溶解。
但是，如果需要，步骤c)可以设计为使细胞壁弱或弱化的一种或多种完整微生物受到破坏，以允许在分离过程中原位进行一种或多种完整微生物的溶解。
在步骤d)中，将贫含微生物物质的滤液和富含微生物物质的滤渣分离。
如果滤液包含乙醇，则可以有利地将该乙醇与滤液中还可能存在的任何水分离。因此，在优选的实施方案中，本发明提供了一种用于分离包含微生物物质、水和/或乙醇的混合物的方法，该方法包括：
i)将混合物与可变形过滤器接触；
ii)通过可变形过滤器过滤混合物以形成含水和/或乙醇的滤液以及包含微生物物质的滤渣；
iii)当混合物与过滤器接触时，通过过滤器的变形来破碎滤渣；
iv)将滤液与滤渣分离；和
v)任选将乙醇与滤液分离。
步骤ii)和iii)优选连续和/或同时进行。
该方法中获得的乙醇可以有利地用作燃料组分。
如果滤渣包含一种或多种完整含油微生物，则可以干燥滤渣和/或使它经过溶解步骤和/或经过提取步骤以获得微生物油。
可以任选在任何随后的溶解或提取步骤之前干燥滤渣。干燥优选包括一个或多个日晒干燥步骤和/或一个或多个强制空气流动的干燥步骤。日晒干燥可以方便地包括在玻璃构造中利用太阳能加热滤渣。
包含一种或多种完整含油微生物的滤渣经过随后的溶解步骤以获得包含微生物残渣、微生物油和任选的水的溶胞产物混合物。可以通过本领域技术人员已知的适于该目的的任何方式实现溶解。例如，可以借助酶、物理、化学、渗透或机械方法或者它们的组合来实现溶解。
物理方法的一个实例是在适于破坏微生物一个或多个细胞的细胞壁的高温下加热和/或干燥微生物。在这种情况下，优选将微生物加热至等于或大于50℃的温度，更优选为等于或大于75℃，仍更优选为等于或大于120℃。实现溶解的优选物理方法例如包括使包含一种或多种微生物的原料沸腾或进行蒸汽处理。
渗透方法的一个实例是在低渗环境中处理一种或多种微生物，在该低渗环境中周围流体的盐浓度低于一种或多种微生物的细胞内部。
化学方法的实例包括用碱或酸或表面活性剂或清洁剂处理包含一种或多种微生物的原料。碱是指pKa值大于水的任何化合物。在优选的实施方案中，使用的碱选自锂、钠、钾、钙和镁的氢氧化物、碳酸盐和碳酸氢盐。酸是指pKa值小于水的任何化合物。在优选的实施方案中，使用的酸选自硫酸、磷酸、盐酸、甲酸、乙酸、柠檬酸。
酶方法的实例包括用细胞壁降解酶处理包含一种或多种微生物的原料。细胞壁降解酶的实例包括蛋白酶、纤维素酶、半纤维素酶、壳质酶和/或果胶酶。
机械方法的一个实例是用超声处理包含一种或多种微生物的原料。在这种情况下，优选应用20-50KHz的频率。机械方法的另一个实例是用高剪切装置(有时也称为均化)例如转子-定子破坏器或阀型处理器来处理包含一种或多种微生物的原料。均化的其它例子包括用球磨机或珠磨机(例如包含沙子和/或玻璃珠)处理。
机械溶解方法的最优选实例是挤出。
溶解之后，可以通过本领域技术人员已知的适于该目的的任何方式将微生物油与溶胞产物混合物分离。例如，可以借助离心、(膜)过滤、凝聚和/或絮凝、浮选或沉降和/或通过旋风分离器来将微生物油与溶胞产物混合物分离。
获得的微生物油可以有利地用于生产化学品和燃料产物，这将在下面更详细介绍。
在优选的实施方案中，滤渣可以包含含有一种或多种微生物细胞的被破坏细胞壁的微生物残渣。优选从滤渣回收至少部分这种微生物残渣并用作动物饲料(包括鱼饲料)或者用作生产甲烷的原料。甲烷可以有利地用作燃烧燃料。在一些情况下，可能更有利的是燃烧回收的滤渣或微生物残渣本身。在使用滤渣的任何部分作为动物饲料或者直接或间接作为燃烧燃料之前，可以用水或提取溶剂洗涤滤渣一次或多次以回收任何残留的微生物油，如下所述。然后优选干燥微生物残渣。
在一些情况下，例如如果该混合物为溶胞产物混合物，则用于步骤a)中的包含微生物物质和液体的混合物可能已经包含微生物油。在其它情况下，在步骤b)和c)中对步骤a)中的混合物进行处理以产生微生物油。在这些情况下，滤液可能含有微生物油。
当滤液含有微生物油时，优选使该滤液经过后续的回收步骤以从该滤液回收微生物油。
可以以本领域技术人员已知的适于该目的的任何方式从滤液回收微生物油。用于从滤液回收微生物油的适合方法可以包括例如相分离、溶剂蒸馏、萃取、离心和通过旋风型分离装置分离。当使用萃取时，适合的萃取溶剂包括C1-C10烷基酯，如乙酸乙酯或乙酸丁酯；甲苯；C4-C10醇，例如戊醇、己醇、乙基己醇；C3-C8烷烃，例如己烷或庚烷。
在优选的实施方案中，本发明提供了一种用于分离包含微生物物质、水和微生物油的混合物的方法，该方法包括：
i)将混合物与过滤器接触；
ii)通过该过滤器过滤该混合物以形成包含水和微生物油的滤液以及包含微生物物质的滤渣；
iii)当混合物与过滤器接触时，通过该过滤器的变形破碎该滤渣；
iv)将该滤液与该滤渣分离。
包含微生物物质、水和微生物油的混合物优选包括溶胞产物混合物，更优选为在通过一种或多种完整微生物的机械溶解而分离的过程中原位产生的溶胞产物。
以溶胞产物混合物中存在的液体的总量为基准，该溶胞产物微生物优选包含等于或大于0.01wt%(更优选为等于或大于0.1wt%和最优选为等于或大于1wt%)至等于或小于100wt%(优选等于或小于80wt%，最优选等于或小于60wt%)的微生物油。
在上述方法的优选实施方案中，步骤ii)还包括在过滤过程中加入另外的液体来洗涤滤渣。另外加入的液体可以包括水和/或一种或多种上述的萃取溶剂。
在进一步优选的实施方案中，在收集器中回收滤液中的微生物油和剩余液体并通过相分离进行分离。
回收的微生物油可以有利地用于生产化学品和/或燃料产品。
在优选的实施方案中，在进一步的步骤中对回收的微生物油加氢处理以产生烃产物。该加氢处理可以例如包括氢化和/或加氢脱氧和/或加氢异构化。
在另一个优选的实施方案中，在进一步的步骤中对回收的微生物油进行酶促转化以产生烃产物。
在另一个优选的实施方案中，将生产的烃产物与一种或多种其它组分共混以产生燃料组合物。
本发明的方法可以以间歇、半间歇或连续方式进行。本发明的方法优选以连续方式进行。使用本发明的方法有利地允许过滤器的这种连续操作。
本发明的方法的实例通过非限制性的图1、2和3进行图示说明。
在图1中，从开放的池(102)中获得包含藻类和水的混合物(104)。向该混合物(104)加入促凝剂和/或絮凝剂的组合物(106)，使该混合物在混合装置(108)中凝聚和絮凝。可将混合装置(108)的内容物送至沉降装置(110a)；或浮选装置(110b)；或停止搅拌后，在混合装置(108)中原位进行浮选或沉降。通过如下方式得到藻类和水的浓缩混合物(111)：从沉降装置(110a)的底部放出；从浮选装置(110b)的顶部撇取；或停止搅拌后，分别从混合装置(108)的底部放出或从顶部撇取。将藻类和水的浓缩混合物(111)送至不锈钢的粗过滤器(112)，在这里使混合物释放部分水(114)。随后将甚至更浓缩的混合物(116)送至孔径为约100μm的过滤器(118)，以产生滤液(120)和滤渣(122)。在容器(124)中收集滤渣。在分离容器(126)中收集滤液(120)和任选的水(114)以相分离为油相(128)和水相(130)。
在图2中，从开放的池(202)中获得包含藻类和水的混合物(204)。将该藻类和水的混合物(204)送至不锈钢的第一粗过滤器(205)，在这里使该混合物释放部分水(213)。向更浓缩的混合物(207)加入促凝剂和/或絮凝剂的组合物(206)，使该混合物在混合装置(208)中凝聚和絮凝。可将混合装置(208)的内容物送至沉降装置(210a)；或浮选装置(210b)；或停止搅拌后，在混合装置(208)中原位进行浮选或沉降。通过如下方式得到藻类和水的浓缩混合物(211)：从沉降装置(210a)的底部放出；从浮选装置(210b)的顶部撇取；或停止搅拌后，分别从混合装置(208)的底部放出或从顶部撇取。将藻类和水的浓缩混合物(211)送至不锈钢的第二粗过滤器(212)，在这里使混合物释放部分水(214)。随后将甚至更浓缩的混合物(216)送至孔径约100μm的过滤器(218)，以产生滤液(220)和滤渣(222)。在储存容器(224)中收集滤渣。在分离容器(226)中收集滤液(220)和任选的水(214)以相分离为油相(228)和水相(230)。
在图3中，在干燥装置(304)中干燥从储存容器(324)中获得的包含藻类的滤渣(302)。将干燥的滤渣(306)送至挤出机(308)，在这里藻类细胞的细胞壁被破坏以产生溶胞产物混合物(310)。将该溶胞产物混合物(310)送至萃取装置(312)，在这里利用萃取溶剂(314)从溶胞产物混合物中萃取藻类油。从萃取装置(312)的第一出口获得萃取溶剂和微生物油的混合物(316)，而从萃取装置(312)的第二出口获得包含藻类细胞被破坏细胞壁的藻类残渣(318)。
通过如下非限制性实施例进一步说明本发明。
实施例1
利用10ppmw的絮凝剂(Nalco71303)使约760kg的包含硅藻和干物质含量为约1wt%(以混合物的总重量为基准)的水性混合物进行凝聚和絮凝，以产生经凝聚和絮凝的水和藻类的浆液。通过蠕动泵将该浆液送至溶气浮选(DAF)装置，在这里空气在4巴的压力下以5l/min的流量(=20NL/min)吹入浆液。在DAF装置中从混合物的顶部撇取浓缩的水性浆液。以浆液的总重量为基准，该浓缩的水性浆液的干物质含量为约4wt%。随后将约25kg的该浓缩的水性浆液送至预过滤装置，该预过滤装置包括孔径为约170μm的聚合物过滤器。随后将该浆液送至位于所谓动态带式压滤机中的可变形过滤器。该可变形过滤器包括筛孔尺寸为约100μm(即截留直径等于或大于约100μm的颗粒)的聚丙烯过滤器。该可变形过滤器通过蠕动以间歇方式发生机械变形，并且通过传送带进一步前进。该传送带以约10cm/s的速度前进。施加约6巴的压力以通过可变形过滤器将液体压出浆液。从动态压滤机获得干物质含量为约31wt%(以混合物的总重量为基准)的滤饼。
在表1中，对上述过程和混合物通过离心机进行浓缩的过程估计了脱除每立方米水的能量消耗。基于Alfa-Laval的FEUX420离心机和Dewa H-PD袋式压滤机的可得数据做出估计。
表1：能量消耗
参数 离心机 动态压滤机
入口区域 wt%固体 5 1-5
出口区域 wt%固体 30 24-30+
能量/脱除m3水 kWh/m3 1-1.65 0.45

Claims (15)

1.一种用于分离包含微生物物质和液体的混合物的方法，其中所述微生物物质包括储存和/或分泌乙醇的一种或多种微生物，或者所述微生物物质包括一种或多种完整含油微生物和/或所述微生物物质在一种或多种含油微生物溶解之后获得，
该方法包括：
a)将混合物与可变形过滤器接触；
b)通过可变形过滤器过滤混合物以形成贫含微生物物质的滤液和富含微生物物质的滤渣；
c)当混合物与过滤器接触时，通过过滤器的变形来破碎滤渣；
d)将贫含微生物物质的滤液与富含微生物物质的滤渣分离。
2.权利要求1的方法，其中所述混合物基本上由微生物物质和液体组成。
3.权利要求1或2的方法，其中所述混合物为发酵培养液、溶胞产物混合物或它们的组合。
4.前述权利要求任一项的方法，其中所述混合物基本上由液体及储存和/或分泌乙醇的一种或多种微生物组成。
5.权利要求4的方法，其中所述一种或多种微生物包括分泌乙醇的酵母或分泌乙醇的细菌。
6.前述权利要求任一项的方法，其中所述液体包括水和/或乙醇。
7.前述权利要求任一项的方法，其中在用于步骤a)之前，所述混合物经过浓缩步骤。
8.前述权利要求任一项的方法，其中在步骤a)中与所述过滤器接触之前，通过凝聚和/或絮凝浓缩所述混合物。
9.前述权利要求任一项的方法，其中所述过滤器成型为基本上水平放置的带或基本上水平放置的管。
10.前述权利要求任一项的方法，其中通过所述过滤器的机械变形来破碎所述滤渣。
11.权利要求10的方法，其中所述过滤器的变形包括所述过滤器的蠕动。
12.前述权利要求任一项的方法，其中放置所述过滤器使其连续移动经过传送带。
13.一种用于分离包含微生物物质、水和/或乙醇的混合物的方法，该方法包括：
i)将混合物与可变形过滤器接触；
ii)通过可变形过滤器过滤混合物以形成含水和/或乙醇的滤液以及包含微生物物质的滤渣；
iii)当混合物与过滤器接触时，通过过滤器的变形来破碎滤渣；
iv)将所述滤液与所述滤渣分离。
14.权利要求13的方法，其中步骤ii)和iii)连续和/或同时进行。
15.在前述权利要求任一项的方法中获得的乙醇作为燃料组分的用途。
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