CN103429362A - 生物精炼系统、其构件、使用方法以及来源于其的产品 - Google Patents

Abstract

本公开内容的实施方案提供了用于在生物精炼系统中从生物质产生能量和输出产品的系统、构件、方法。所述系统、构件和方法可单独使用或作为集成生物精炼系统的部分组合地使用。

Description

生物精炼系统、其构件、使用方法以及来源于其的产品

相关申请的交叉参考

本申请要求2011年1月19日提交的临时申请No.61/434353的利益，将所述临时申请的公开内容通过引用明确地以其整体并入本文。背景

世界各地日益扩大的工业化和日益增加的人口持续产生不断增加的对能源、食物和饮用水的需要，然而同时增加废物和潜在地改变气候的温室气体的产生。在本领域有充分证据表明，对化石燃料的历史依赖性变得越来越不可靠和/或处理其废弃副产品的成本变得越来越高。类似地，常规大规模农业实践和日益增加的工业废物流出的存在已降低了土壤营养物水平，并且不利地影响了天然和人工水供应，所有这一切削弱了我们为我们的社会产生可持续的营养食物供给。

因此，鉴定和产生用于产生可再生能源的替代来源的方法以及用于捕获温室气体，增加土壤活力和修复水供应的方法的需要和努力在本领域有详尽记录。

概述

提供了本概述以便以简化形式介绍在下面“详述”部分中进一步说明的概念的选择。本概述无意鉴定要求保护的主题的关键特征，也无意用于帮助确定要求保护的主题的范围。

根据本公开内容的一个实施方案，提供了生物精炼系统。该系统通常包括光生物反应器系统、厌氧生物反应器系统和用于包含光生物反应器系统的至少一部分和厌氧生物反应器系统的至少一部分的外壳，其中所述外壳具有用于生长植物生命的环境。

根据本公开内容的另一个实施方案，提供了在温室系统中生长植物生命的方法。该方法通常包括：形成外壳，其中外壳的至少一部分被构造来用于接受太阳能；将光生物反应器系统的至少一部分置于外壳中；和将厌氧生物反应器系统的至少一部分置于外壳中。

根据本公开内容的另一个实施方案，提供了用于生长藻类集落的光生物反应器系统。该系统通常包括废气来源；管道系统，其包括多个被构造来消耗废气以生长藻类集落的管道；和用于从管道的至少一个排出藻类集落的阀门系统，其中多个管道的每一个位于阀门系统附近。

根据本公开内容的另一个实施方案,提供了生长藻类集落的方法。该方法通常包括提供具有管道系统(包括多个管道)的光生物反应器系统；将废气递送至藻类集落；和在藻类集落达到预定集落密度后，使用阀门系统排出藻类集落，其中多个管道的每一个位于阀门系统附近。

根据本公开内容的另一个实施方案，提供了用于捕获废气以产生能量的生物精炼系统。系统通常包括被构造来消耗纤维质生物质以产生能量的生物质热解装置；和被构造来消耗来自生物质热解装置的废气以生长藻类集落的光生物反应器系统。

根据本公开内容的另一个实施方案，提供了捕获二氧化碳的方法。该方法通常包括从生物质热解系统获得二氧化碳；和将二氧化碳导向藻类集落以进行消耗。

根据本公开内容的另一个实施方案,提供了土壤再生产品。该产品通常包括约2:1至约40:1的碳氮比以及约0.5至约7.0%的钾含量。

根据本公开内容的另一个实施方案,提供了土壤再生产品。该产品通常包括在约2:1于约40:1的范围内的碳氮比；和第二构件，其选自约0.5至约7.0%的范围内的钾含量、约0.15至约1.3%的范围内的硫含量、约0.5至约6.8%的范围内的钙含量、约100至约350mg/L的范围内的锰含量、约0.4至约2.0%的范围内的氮含量、约0.4至约1.5%的范围内的磷含量、约0.5至约18%的范围内的钠含量、约84至约233.1mg/L的范围内的锌含量、约600至约2500mg/L的范围内的铁含量、约5至约150mg/L的范围内的硼含量及其组合。

根据本公开内容的另一个实施方案，提供了修复水的方法。该方法通常包括使用生物质热解装置产生有机碳产物；和使用该有机碳产物过滤含有第一水平杂质的水，以产生含有第二水平杂质的水，其中第二水平的杂质低于第一水平的杂质。

根据本公开内容的另一个实施方案，提供了生物精炼系统的控制系统。该控制系统通常包括生物过程；和多个用于控制生物精炼系统的多个构件的自主体(autonomous agent)，其中多个自主体之一为管理体(governing agent)。

附图概述

当与附图相结合时，通过参考下列详细描述，本公开内容的前述方面和许多伴随的有利方面将变得更容易理解，同样地变得更好理解，其中

图1是根据本公开内容的一个实施方案的生物精炼系统的示意图，包括光生物反应器系统、厌氧反应器系统、生物质热解系统和能量转换系统；

图2-4是根据本公开内容的实施方案的光生物反应器系统的管道的各种实施方案的视图；

图5是根据本公开内容的一个实施方案的多管道光生物反应器系统的顶视图；

图6A和6B是用于图5的多管道光生物反应器系统的选择器阀的透视图；

图7是图5的多管道光生物反应器系统的侧横断面视图；

图8A和8B是用于例如图5的多管道光生物反应器系统的选择器阀和回水系统(water return system)的替代性实施方案的各自的顶视图和侧视图；

图9是在根据本公开内容的一个实施方案的厌氧生物反应器系统中进行的生物质转化工艺的工艺流程图；

图10是根据本公开内容的一个实施方案的厌氧生物反应器系统的示意图；

图11A是根据本公开内容的一个实施方案的温室系统的示意图；

图11B是根据本公开内容的一个实施方案的示例性温室系统的透视图;

图12是根据本公开内容的一个实施方案的生物质热解系统的侧横断面视图；

图13是多生物质热解系统的生物质上样系统的侧视图；

图14是根据本公开内容的另一个实施方案的生物精炼系统的示意图，包括光生物反应器系统、厌氧反应器系统、热能源和能量转换系统；和

图15-19是根据本公开内容的实施方案的生物精炼系统的各种控制系统的示意图。

详述

本公开内容的实施方案提供了用于在大体上的闭环系统中从生物质产生能量和输出产品的系统、构件和方法。所述系统、构件和方法可单独使用或作为集成生物精炼系统的部分组合使用。

参阅图1，显示了根据本公开内容的生物精炼系统100中的构件相互关系的一个实施方案。生物精炼系统100通常包括生物质热解系统102、光生物反应器系统104和厌氧生物反应器系统106。生物精炼系统100还可包括能量转换系统108，例如，用于将甲烷转化成电。

任选的温室110可被构造来包含系统100中的一个或多个构件并且提供生长植物生命的环境。例如，在举例说明的实施方案中，温室110经设计为包括光生物反应器系统104和厌氧生物反应器系统106。虽然在图1中显示为完整的系统100，但应当理解，本公开内容的实施方案可涉及系统100中显示的一个或多个单独的构件。

本公开内容的生物精炼系统(例如图1中看到的)及其构件可用于许多工业和应用，例如期望处理天然或人造生物质或生物质废物包括木质生物质废物的任何地方。就此而言，输入系统的物质是生物质，特别地木质生物质，包括废弃木材和薪材、澳洲坚果壳、杂草、秸杆等。产生此类生物质的适当的工业和应用的非限定性实例可包括大牧场、农场和其它农业应用包括例如澳洲坚果农场；产生庭院废弃物和/或食物废弃物的地方社区；锯木厂、造纸厂以及其它木材加工厂；其中天然存在的生物质的处理成问题的热带气候的工业和社区等。

系统的输出物可包括土壤再生产品例如肥料、土壤调理剂(soilamendment)和土壤再生产品。因此，根据本公开内容的实施方案，有用的工业和应用包括期望获得高等级、高营养密度的有机土壤再生产品的社区和工业。因此，本公开内容的实施方案的特征还在于用于产生对于有机植物培养和其它农业应用有用的土壤再生产品的组合物、方法和工具。

本文中描述的生物精炼系统有能力用作仿生系统，模仿自然界中的生物系统间的，特别地生态群落中物种间的持续的适应性通讯。在生态群落中，成员物种响应环境的变化随时间连续地调整和修正行为以维持群落内输入物和输出物的总体平衡。在生物精炼系统中，光生物反应器、厌氧生物反应器、热解装置和温室空间包括作为生物精炼系统的生态群落内的构件或“物种”。生物精炼系统包括自主控制系统，其能够(1)连续感知和交流系统中每一个构件以及整个系统的当前行为，和(2)根据需要连续修正和调整构件行为和系统行为，以推进系统的输入物和输出物的变化。控制系统能够发现用于平衡输入物和输出物的新的方法和组合，其从系统构件的行为学习，正如生态群落随时间进化一样。下面详细描述的生物精炼结构将特定生态群落的成员紧密地拉近，并且下面详细描述的控制系统加速了在生态群落中天然发生的通讯。除了提供产生产品而无不想要的废物的系统外，该系统还加速了天然产物的产生。在自然界中，树要花费约400年来降解和再碳化土壤，天然过程要花费约1,000年来产生1英寸土壤。如下文中详细地描述的，生物精炼系统可在30-50天内产生天然的有机的碳化的土壤和土壤产品。

定义

在更详细地描述图1的生物精炼系统100之前，提供针对生物精炼系统100的各种构件、过程、输入物和输出物的定义。

如本文中所使用，术语"生物精炼"或"生物处理器(bioprocessor)"描述了集成一个或多个生物质转化过程和设备以从生物质产生燃料、功率、热和其它较高附加值化学品或副产品的设施。

如本文中所使用，术语"生物质"描述了来自活的或最近活的生物体的生物材料，包括但不限于由植物或其它光合生物体产生的所有物质，包括植物物质；木材；木材废弃物；林业废弃物，包括死亡的树、树枝和树桩；庭院剪取物；木屑；食品废弃物；藻类或藻类消化污泥；光合微生物及其消化污泥。生物质还可包括木质纤维质生物质。

如本文中所使用，术语"木质纤维素生物质"包括任何植物生物质，所述植物生物质包括纤维素、半纤维素和木质素，包括但不限于农业废物例如玉米秸杆或收获后留在田中的其它植物材料残渣；专用生物质能源作物；木材残渣例如锯木厂和造纸厂废弃物以及森林凋落物；和废纸。

如本文中所使用，术语"光合生物反应器"或"光生物反应器"或“PBR"描述用于培养藻类(包括微藻)和/或其它光能自养生物或光合微生物以固定二氧化碳和/或产生富含碳的生物质的系统。有用的生物包括但不限于硅藻类和蓝藻细菌(也称为蓝绿藻)、小球藻属(Chlorella)、螺旋藻属(Spirulina)、布朗葡萄藻(Botryococcus braunii)、盐生杜氏藻(Dunaliella tertiolecta)、江蓠属(Graciaria)、颗石藻(Pleurochrysiscarterae)和马尾藻属(Sargassum)，在数以万计的目前已知存在的种类中仅举几例。在优选实施方案中，藻类或其它光合微生物可以是固氮种类。

本领域技术人员应理解，有用的光合微生物，包括微藻，可包括生长在当地天然或人造池塘中以及从其收集的已命名的或未命名的种类。在一个实施方案中，在生物质例如木质纤维素生物质存在的情况下将有用的光合微生物培养在PBR中。在另一个实施方案中，在用过的啤酒糟或啤酒花固体或类似的发芽的谷类组合物存在的情况下培养微生物。在另一个实施方案中，在生物碳或有机碳存在的情况下培养微生物。在另一个实施方案中，在岩石或晶体(无论是完整的还是粉碎为岩石粉末或岩盐)存在的情况下培养微生物以提供微量营养物例如矿物质和痕量元素。

如本文中所使用，术语"厌氧生物反应器"或"ABR"描述了生物质消化污泥处理或系统。示例性ABR生物质原料可包括下列的一种或多种：PBR的输出物；食品废弃物；和水处理厂污泥和/或泥浆。根据本公开内容的实施方案设计的ABR可包括用于生物质原料的厌氧消化以产生有价值的液体和固体生物能产品的一个或多个阶段。

在一个实施方案中，ABR生物质原料是藻类原料，ABR输出物可包括如下产品的一种或多种：甲烷、氢、二氧化碳、富氮液体消化污泥，在本文中称为消化污泥液(digestate liquor)，包含适合于使用农业土壤调理剂或肥料的高等级有机含氮土壤再生产品；和富含营养物的藻类消化污泥固体。如果原料包括不适合用于农业的材料例如来自处理厂的污泥或泥浆，则消化污泥液和消化污泥固体可用作非农业土壤调理剂，例如以重建森林土壤或用于市政种植或其它园艺应用。ABR甲烷和氢输出物可作能量转换系统的原料，所述能量转换系统可用于将甲烷和/或氢转换成以电的形式存在的能量。二氧化碳可用作光生物反应器系统104的营养物原料。

如本文中所使用，术语"温室"描述了包含PBR和ABR系统的至少部分的环境或系统。可最优化温室中的条件以用于生长分离的植物生命，与PBR和ABR系统的功能分开。

如本文中所使用，术语"生物质气化器"或"生物质热解系统"描述了用于在氧不存在的情况下在升高的温度热化学分解有机材料或生物质的系统。输出物为在本文中称为“生物碳”、“有机碳”(因为其已被分解为基本上元素碳)、"炭"和"活性炭"的多孔稳定的富含碳的产品。生物碳或有机碳是富含碳含量的用于将碳捕获并锁在土壤中的稳定的多孔固体，在本领域也称为大气碳捕捉和贮存。

如本文中所使用，术语"有机碳热解系统"描述了本公开内容的生物质热解装置或生物质气化器的一个实施方案。有机碳热解装置中的热解的温度可变化。例如，在一个实施方案中，生物碳或有机碳成分通过在至少800°F的温度热解产生。在另一个实施方案中，有机碳成分通过在低于1,000°F的温度热解产生。在另一个实施方案中，用于本公开内容的有机碳成分通过在800-900°F的温度范围热解产生。

如可在图1中看到的，收集根据来自本公开内容的实施方案的有机碳热解系统102的输出物，将其用于闭环过程。在具体的实施方案中，合成气(syngas)和生物燃油输出物，包括氢和甲烷，用于(1)给气化过程本身提供动力，和/或(2)包含用于能量转换系统的原料；以及将CO₂和NO_x输出物提供给PBR作为用于藻类集落生长的营养源。在另一个实施方案中，通过闭环过程将由有机碳热解装置产生的热的一部分作为热源提供给PBR。在另一个实施方案中，凝结水蒸汽输出物，将其用作用于如下的至少一个的回收水源：(1)PBR系统106；(2)PBR系统106和/或温室系统110的水加热系统/冷却系统；和(3)植物培养的灌溉源。有机碳热解装置的有用原料包括但不限于任何木质生物质，包括木材废弃物和薪材、澳洲坚果壳、杂草、秸杆等。

下面提供了单个装置、生物精炼系统和产生的高附加值生物能输出物的描述，以及示例性非限定性实例，所述描述(1)显示了本文中描述的构件和系统在本公开内容的方法中的适合性，和(2)提供了如何产生和使用所述构件和系统的描述。

生物精炼系统概述

参阅图1，显示了示例性捕获碳生物精炼系统100中的成员装置的相互关系。生物精炼系统的功能的关键是在整个闭环过程中高效地利用其各种构件输出物的能力，从而使得系统基本上负排碳的(carbon-negative)。

图1中描述的生物精炼系统100消耗例如通过生物质热解系统102中的生物质的热解产生的废热和二氧化碳。废热和二氧化碳支持富含能量的生物质例如藻类的培养以及其至有用形式的转化。此类系统理想地适合于可用作运输、农场设备的燃料或转化成电能的甲烷和氢的产生。图1中显示的系统100被设计为不产生废物；相反地，其副产品是有价值的高等级、高营养密度的有机土壤再生产品，例如肥料、土壤调理剂和土壤再生产品。

图1中显示的生物精炼系统的单个构件将单独地描述。在已描述构件后，将更详细地描述示例性生物精炼系统中的单个构件之间的相互关系。

光生物反应器

参阅图2，显示了光生物反应器系统200的示例性实施方案。光生物反应器本质上是光合微生物的生长装置。图2的示例性实施方案中的光生物反应器200包括管道202和混合系统，其包括混合装置204和分割器(divider)206。管道202盛水，从而提供其中可培养和收获光合微生物的含水环境。混合装置204被构造来循环微生物以增强环境混合和微生物生长。

光合微生物将阳光和二氧化碳转化成富含碳的聚合物例如糖、淀粉和油，使它们成为理想的天然的碳捕获剂。在生长期后，富含碳的聚合物随后可被消化和修正，以产生许多高附加值生物燃料，包括生物柴油和其它有用的燃料。作为非限定性实例，微生物是藻类或微藻的一个或多个种类。作为另一个非限定性实例，微生物可包括其它非藻类光合微生物例如光合细菌，例如蓝藻细菌(也称为蓝绿藻类)。在一个实施方案中，用于本文中描述的方法的微生物可包括固氮种类。

在本文公开内容中为简化起见，光合微生物通常在本文中称为“藻类”，即使适当的光合微生物可包括行为如藻类的细菌。藻类的功用以及如何生长藻类和将产物转化成生物燃料的一般描述在本领域被详尽记录。如上所述，本发明人已发现用于示例性工作系统的适当的光合微生物种类包括硅藻类和蓝藻细菌、小球藻属、螺旋藻属、布朗葡萄藻、盐生杜氏藻、江蓠属、颗石藻和马尾藻属等。

不同的藻种类具有不同的生长要求，给定的种类可具有不同的生长要求，取决于白天(或夜晚)的时间和/或一年中的时间、存在于生长环境中的营养物、矿物质和其它构件的数量和质量、水温、日光水平和/或藻类集落的密度。根据本公开内容的实施方案的PBR可提供管理和调节生长条件的工具，提供藻类的连续或定期原料输入、阳光、二氧化碳和/或其它期望的生长增强剂。

PBR通常具有用于调节水供应温度的工具，因为大多数藻类具有优选生长温度。如果PBR变得太冷，则藻类的生长变缓；如果其变得太热，则藻类死亡。PBR，特别是其中藻类生长的管道，可利用任何工具、包括使用从生物精炼系统的一个或多个成员装置(参见，例如，图1)提供的废热来加热，这将在下文中更详细地描述。示例性光合微生物例如蓝藻细菌的适当温度范围在约50F至约120F的范围内，或者在约50F至约85F的范围内，以及或者在约65F至约80F的范围内。

或者，温度调节可由用热加热的或冷却的空气或水来提供。在非限定性实例中，可通过生物精炼系统例如，通过使用生物质热解元件的热输出物(例如通过水地板辐射系统(hydronic radiant floor system)提供给PBR的)收集和加热井水或地下水。在另一个实施方案中，液体循环加热系统(hydronic system)中使用的水包括从生物质热解系统102收集的冷凝水蒸汽。在另一个非限定性实例中，通过地热加热或冷却的空气通过地穴管(earth tube)来提供，所述地穴管利用地球自己的地热能按要求升高或降低环境温度。示例性地穴管550，如下文中更详细地描述的，示于图5的举例说明性实施方案中。

返回图2，举例说明性实施方案中的管道202大体上是用于生长藻类的矩形水平容器，然而，应当理解管道可被设计为垂直的、水平的、管状构型或任何其它适当的构型。作为非限定性实例，图3和4举例说明了替代性管道设计，例如分别地具有圆形末端的矩形管道302和梯形管道402。应当理解，图3和4中显示的管道302和402与图2的管道202基本上相似，除了它们的形状和流体流动动力学上具有差异外。除了在300和400系列中外，在图3和4中使用与图2中使用的相同的部件编号。

在图2的举例说明性实施方案中，管道202具有中央分割器206，混合装置204(显示为电动浆轮(motorized paddle wheel))位于分割器206的一侧。该构型允许管道202中的流体通道围绕分割器206(无论是顺时针还是反时针，这取决于混合装置204的旋转方向)。(参见，例如，通过箭头308和408的各自组描述的图3和4的举例说明性实施方案中显示的流体流动通道)。

管道202可向一端倾斜以在藻类收获过程中帮助将管道202中的水排至放泄孔(未显示)。如下文中更详细描述的，可将藻类收获物排入浓缩罐510(参见图5和6)。如图2中所看到的，管道202可包括盖子214，例如透明的聚碳酸酯盖子；然而，这样的盖子不是必需的，并且开放或部分开放的管道202也在本公开内容的范围内。

具有最小化的死点(dead spot)的管道中的恒定流体流动是理想的，以便产生健康的藻类生长环境。参阅图3，管道302已针对流体流动308进行了最优化，具有消除死点的圆形末端。参阅图4，在大体上梯形的管道402中，本发明人发现具有单个分割器的构型在管道402中产生流体流动死点。因此，梯形管道402的流体动力学通过包括2个分割器406a和406b(在两个分割器406a和406b之间放置混合装置404(显示为电动浆轮))被改善。在图4的举例说明性实施方案中，分割器406a和406b的取向大体上与管道402的侧壁410平行。结果为在两个流体通道中流动的混合模式，所述流动始于分割器406a和406b内，向外流向管道402的侧壁，如箭头408所指示的。

PBR中的混合促进了健康藻类生长环境，并且也可用于收获PBR中的藻类。在举例说明性实施方案中，混合通过混合装置来实现，所述混合装置可以是浆轮或其它适当的混合装置。应当理解，可构造和控制混合装置以便以不同的速度(例如稳定状态和收获条件)操纵。此外，如果控制系统感知到对混合装置的摩擦力，则控制系统可控制混合装置以加速和/或逆转方向一段时间，来打碎PBR中的可堵塞混合装置的任何材料。在本公开内容的一个实施方案中，混合在藻类生长状态期间以稳定的状态进行；但在收获过程中，增加混合以从管道的底部升起藻类沉淀物。

参阅图2，管道202还包括用于将二氧化碳、空气、氮气和/或其它气体鼓入管道202的水中的气体起泡器210。二氧化碳，通常被认为是污染物，被用作藻类的营养物。除二氧化碳以外，还可将氮气和其它气体鼓入管道202的水中作为藻类的营养物。可从一个或多个其它系统例如生物质热解系统、能量转换系统、厌氧生物反应器系统接收二氧化碳，或从工业炉子例如木材厂炉子或煤炉接收烟气。作为一个非限定性实例，营养气体的一个来源可以是燃烧来自生物质热解系统102(参见图1)的合成气输出物以利用来自这样的燃烧的能量，随后将燃烧过的气体鼓入管道202的水中。除了气体以外，还可将来自厌氧生物反应器的一部分氮肥用作藻类的营养物。

气体(例如二氧化碳)和其它营养物经起泡器210至管道202的流速的反馈可以是例如管道202中的水的pH并且，如果温室110(参见图1)包含PBR，则可以是二氧化碳水平。这两个参数之一或两者可指示过量或不足的二氧化碳(和其它营养物)被鼓入PBR200。

根据本公开内容的实施方案设计的水平管道PBR可以是依赖于太阳能和维持藻类生长的环境的环境温度的大池塘。根据本公开内容的实施方案，热交换器212可用于调控管道202的温度以增强藻类培养。如下文中更详细描述的，热交换器212可被构造来利用来自生物精炼系统100的其它构件和过程(例如，生物质热解系统102)的不想要的热输出物。在一个实施方案中，热交换器是水辐射加热系统/冷却系统的部分。

控制系统可用于连续监控和调整多个环境参数以使藻类生长速度最大化。例如，可控制热交换器212以模拟藻类的天然昼夜节律。通常地，当温度在白昼80°F与夜晚65°F之间变化时，生长速度增加。因为更高的温度减小气体在水中的溶解度，所以生长周期可与藻类的天然呼吸周期相关。

现参阅图5，显示了多重PBR系统104，其包括多个梯形管道402，如可在图4中看到的。在显示的多重PBR系统104中，当在具有中央藻类收集和浓缩罐520的并行系统中连接多个PBR时，梯形管道设计被选择来最优化表面积，从而最优化PBR系统的容积。然而，应当理解，矩形管道202和302例如图2和3中显示的那些管道还可用于多重PBR系统中。在举例说明的实施方案中，系统500包括8个管道402；然而，应当理解适当的系统可利用任意数目的管道来设计。

在举例说明性实施方案中，以多边形构型构造管道402，每一边具有与阀门系统530相邻的侧面，如在下文中更详细地描述的。

多重PBR系统的一个有利方面是在生长周期中，在一段时间内可收集和浓缩总的系统中的一部分藻类。例如，如果生长周期为约8天，则可这样设计系统以便每天可将一个PBR排入收集罐，以提供批式连续系统。此外，多重PBR系统还允许在系统中进行实验，因为不同的藻类可在单个PBR中生长，和/或可在单个PBR中设置不同的操作条件以利用藻类不同的生长条件进行实验和最优化所述条件。应当理解，图5中管道402的构型可为温室110提供基础，如下文中更详细描述的。

图5的举例说明性实施方案中的管道402的取向优选倾斜朝向多边形的中央，以在藻类收获过程中帮助管道202的排水。在举例说明性实施方案中，可将管道402排入位于多个管道402的中央的藻类浓缩罐520中。在这一点上，每一个管道402具有从管道导向浓缩罐520的管道排水管522。

选择器阀门系统530被构造来在任意给定的时间选择管道排水管之一。参阅图6A和6B，阀门系统530通常包括外轴532和相对于外轴532旋转的内轴534。内轴534具有与位于各自的管道排水管522上的外轴532中的孔542对齐的孔540。因此，内轴534旋转以将其孔540与管道排水管522对齐来选择将被收获的管道402。当对齐时，收获阀544可被活化以允许管道402集落流入浓缩罐520。

在图5的举例说明性实施方案中，6点钟方向的管道402被选择，并且通过管道排水管522和阀门530被排入浓缩罐520。如果每一个管道被构造来用于在约24小时后收获，则系统可被构造来每8天循环一次。

应当理解，阀门系统530可包括马达(未显示)来相对于外轴532旋转内轴534。在本公开内容的一个实施方案中，使用霍尔效应装置来索引单个管道排水管522，该装置可感知到何时内轴534中的孔542与管道排水管522中的孔540对齐。或者，马达(未显示)可以是步进马达，该马达经编程运行精确的步数以用随后的管道排水管522中的孔540索引内轴534中的孔542。

参阅图7，显示了PBR系统104的横断面视图。系统104包括接收从每一个管道402排出的藻类的藻类浓缩罐520，如可在图5中看到的。箭头560指示排出物从单个管道402的流动。如上所论述的，举例说明的PBR系统104被设计来一次处理一个管道402的排出物。然而，在其它实施方案中，PBR系统104可被构造来一次处理超过一个管道402的排出物。当放置管道选择器阀530(参见图5、6A和6B)以选择特定管道402时，收获阀544被打开，从而管道402内容物被排出至浓缩罐520中。

当藻类排出物被接收在浓缩罐520中时，不进行混合，使收获物倾析。在这一点上，藻类污泥分离并且沉淀至罐底，同时水升高至罐的顶部，如由浓缩罐520中的各自的线562和564所标示的。在举例说明性实施方案中，泵566通过管570将藻类污泥抽运至收集罐568，随后通过管572抽运至厌氧生物反应器系统106(参见图8)以进一步加工，这将在下文中进一步描述。根据本公开内容的一个实施方案，将收集的藻类收获物倾析约24小时的时间段。

在图7中显示的系统构型中，收集罐568与PBR垂直偏移，从而需要泵来将藻类污泥向上移至收集罐568。然而，应当理解，在其它系统中，厌氧生物反应器位于管道下方，从而不需要泵，重力帮助藻类污泥运行至ABR收集罐。

倾析后，可将倾析的水再循环和再用于空管道402中。在这一点上，将倾析泵574位于浮体(float)576上以漂浮在倾析水位的顶部。在那里，泵574将水通过管580抽运至补水箱(makeup water tank)578，其通过管道选择器阀530再充满管道402的至少一个。除了倾析水以外，外部水来源也可将水通过管580添加至补水箱578。

在举例说明性实施方案中，补水箱578置于管道选择器阀530附近。因此，当阀门被打开时，重力将把水从箱578递送至选择的管道402。在本公开内容的另一个实施方案中，补水箱578可经管道选择器阀530旁边的另一个管(例如，使用泵和旋转回水管，如图8中的替代性实施方案中显示的)用水重新注满管道402。

根据本公开内容的实施方案，控制系统可用于控制PBR的功能。例如，控制系统可用于：

1.调节混合装置(或浆轮)的速度和方向，所述混合装置使藻类在管道中循环并且将气体和营养物混合进入管道水。在收获之前，使浆轮速度增加以在打开排水管之前将已沉积至管道底部的藻类带入悬浮液；

2.通过起泡器调节二氧化碳和氮气(空气)的流动和混合；

3.打开和关闭排水管，所述排水管将藻类运送至浓缩罐，随后运送至ABR以进行消化；和/或

4.调节热水通过热交换器的流动以控制管道温度。

图5中显示的多重管道PBR系统102的方法将使用多个小的PBR和频繁地收获少量(例如，1/8)的总的藻类集落。然而，应当理解，更大的未调节的PBR也可在本公开内容的范围内。多个更小的PBR的有利方面是对一系列PBR内的生长速度而非单个管道中积累的藻类总量的更大控制，从而提供更大的对系统的需要的敏感性，更大的对系统内能量消耗的控制以及更广泛的对选择支持集成生物精炼系统的最佳输出物的方案的选择。

返回至图5，除了液体循环加热系统热交换器外，还可将地穴管550置于管道下方以便也用作PBR的热交换器。将地穴管管埋在前沿(front line)下面，一个末端在生物精炼外壳(或温室110)外部，另一个在内部。在图5中，地穴管终止于管道阵列中央的空气交换区(未显示)。在较冷的天气中，冷空气通过被动对流被从外部拉入地穴管550，当其贯穿地穴管550时，冷空气被加温，也使其上方的PBR管道加温。当暖空气进入阵列中央的交换区时，其上升，加温温室110中的环境空气(参见图1和2)，这反过来支持维持最佳PBR生长温度。温室110还可具有天花板隔板，其可被激活以有效地降低温室天花板，从而支持温室110中环境空气的更快速再循环。温室110还可具有风扇或通风系统以便同样也支持温室110中环境空气的更快速再循环。

在较暖和的天气中，地穴管550中的空气被地热冷却，并且该过程可被逆转。冷却的空气终止于交换区，推动更暖和的空气向上并增加循环和环境空气冷却。本领域技术人员应理解，内部地穴管末端可位于地面上，或可垂直地延伸一定距离。

因此，温室110下的地用作热电池或贮热器。在液体循环加热交换系统的情况下，地是由本文中描述的系统中的成员装置产生的热输出物的热电池。需要时，该热是可获得的，用于PBR和温室本身。

如上所述，可将另外的试剂添加至管道集落以增强藻类生长。作为非限定实例，适当的试剂包括木质纤维素生物质、热解碳(如下文中更详细描述的)、来自啤酒生产的废醪液、发芽的稻、其它谷物糖化醪液等。将试剂置于管道的转角中的穿孔容器中，例如，就足够了，因为浆活动将随时间将材料导入管道。取决于藻类种类、管道容积和试剂组成，试剂的优选数量可变化。作为非限定性实例，对于70平方英尺水深4英寸的管道，本发明人发现添加2-4杯试剂对微藻生长具有积极影响，特别地当藻类集落包括小球藻属和/或螺旋藻属的种类时。

当木质纤维素生物质例如木屑或有机碳用作PBR中的试剂时，优选改变材料的大小以便其成为以后脱水系统的部分。在这一点上，藻类具有将它们本身附着至纤维质或碳材料的倾向性。这样的附着的有利方面是藻类保持悬浮在管道402中并且具有较小的成簇的倾向。连续悬浮帮助藻类接收光，从而提高其生长速度。作为对浓缩罐520的另一选择(图5中显示用于分离藻类和水的)，来自管道402的藻类排出物可在控制系统打开排水管522后通过具有孔的大过滤器。在这一点上，可改过滤器的孔的大小以便当将水(和一些藻类集落)泵回进入PBR以开始新的批次时，大多数藻类和试剂被保留。将水立即循环回PBR保持热并且冲洗更多的来自罐的藻类和纤维素，因为排水管保持开放更长的时间段。

木材中的木质素和半纤维素花费长时间来进行厌氧消化，但藻类的高氮含量可用于在消化之前分解木质素和半纤维素。将纤维素材料与藻类混合增加了来自ABR的甲烷产率，如在下文中更详细描述的。本发明人发现，与未热解的纤维质材料相比较，藻类也良好附着至热解碳。此外，将热解碳作为添加剂在PBR中混合在于ABR中帮助消化中起着重要作用。在这一点上，纤维质材料倾向于减缓藻类的消化过程，因为纤维质材料也需要被消化，然而，热解碳因其基本形式而通常不需要消化。

现将更详细地描述PBR系统104的操作，如图5和7中所看到的。为了起动系统，可用水和藻类充满管道402，并且可添加其它可选的试剂。水可以例如从藻类浓缩器通过系统再循环，或通过另一个水源添加至系统。此外，可将纤维质生物质或木质纤维素生物质添加至系统作为藻类的营养物。还可添加其它营养物。通过管道起泡器(图5中未显示，但看到图2的举例说明性实施方案中的起泡器)使二氧化碳起泡。此外，还可使其它气体例如合成气、氮气或空气起泡。

接种后，使PBR管道402培养指定的时间段。在该时期中，混合装置404(参见图4)缓慢地且恒定地以约小于10rpm的速率的非限定性实例混合管道402。如果混合装置404被阻塞，则用户或控制系统可检测阻塞并且提供反向混合或加速混合以破碎阻塞物。

当检测到藻类生长的明显下降时，通过控制或在指定的培养时间后，起始收获顺序，将生物质移至处理的下一阶段。在本公开内容的一个实施方案中，管道402被构造来准备在约24小时后进行收获。在本公开内容的另一个实施方案中，管道被构造来准备在约1至约8天，更优选约3至约8天，更优选约5至约8天的范围内进行收获。

作为非限定性实例，PBR控制系统可被构造来感知藻类的密度。当密度达到其中光至管道内的穿透减少、导致更慢的生长速度的特定点时，控制系统可打开PBR底部的排水管，增加混合装置的速度以将藻类从管道402移至浓缩罐520。作为非限定性实例，当收获时，混合装置可以达到约30rpm的速度移动。

脱水后，将大部分分离的液体泵回至PBR中以维持热度和残留营养物来开始下一批藻类生长。藻类纤维质原料被泵入收集罐568(参见图7)以起始ABR的水解阶段(有机聚合物—蛋白质、碳水化合物和脂质—至有机单体—氨基酸、糖和脂肪酸的分解)和开始向甲烷、氢和含氮土壤再生产品和肥料产品的转化。水解是厌氧消化的准备阶段，在厌氧生物反应器中进行(参见图1)。

作为另一个非限定性实例，当达到一定的藻类密度时，PBR控制系统可使混合装置404停止，停止二氧化碳和氮气在起泡器中的流动，以及使管道温度升高至85°F以上。剥夺营养物并且暴露于过热，藻类开始产生更多脂质，此后不久它们开始死亡。

如果在该状态停留1或2天，藻类底物在管道402中开始经历水解。在系统例如图5中举例说明的系统中，当存在以八边形阵列排列的多重管道时，不同的管道可具有处于不同生长阶段的藻类。因此，通过暂时地使用PBR作为消化过程的一部分，可增加消化速率而不阻碍藻类产生的速度。

在1或2天后，控制系统将混合装置404倒转并且以高速运行以将沉积的藻类和纤维素抬升进入悬浮液。控制系统随后打开PBR底部的排水管以将藻类移入收集罐520中以进行脱水。将多数分离的液体抽运回PBR以保留热和残留营养物来开始下一批藻类生长。在浓缩罐520中脱水后，可将藻类纤维质原料直接泵入ABR的产乙酸阶段632(参见图10)，以完成其向能量产品以及肥料产品和土壤再生产品的转化。

厌氧生物反应器

返回至图1，厌氧生物反应器或"ABR"系统106显示为生物精炼系统100中的构件。一般而言，ABR系统被构造来使用一个或多个微生物物种来在厌氧环境中消化有机材料。有机原料的选择和期望的生物能产品输出物将为使用的厌氧微生物和用于ABR的阶段数目的选择提供信息。给定的ABR中的阶段数目反映对支持最佳微生物消化的不同局部环境的需要。

在图1的举例说明性实施方案中，ABR106被构造来主要消化藻类原料，所述原料是来自PBR104的输出物。参阅图9，提供了藻类原料消化的流程图，其中甲烷和氢是期望的生物能输出产品。消化过程始于水解，其为碳水化合物、脂肪和蛋白质(由块602、604和606指示)至糖、脂肪酸和氨基酸(由块608、610和612指示)的转化。水解过程可以例如在管道402(参见图5)或收集罐568(参见图7)中进行。

水解后，通常将来自水解的材料(即，糖、脂肪酸和氨基酸，由块608、610和612指示)经历酸生成过程以形成碳酸和醇、氢、二氧化碳和氨，由块614和616指示。或者，水解和酸生成可同时例如在单个罐中进行。

酸生成后，将来自酸生成的材料(碳酸和醇、氢、二氧化碳和氨，由块614和616指示)经历产乙酸以形成氢、乙酸和二氧化碳(由块618指示的)。氢气可被收集来作为用于能量转换系统的能量产品。二氧化碳可被收集来作为用于PBR系统的原料。

在产乙酸后，将来自产乙酸的材料(藻类消化污泥和乙酸，由块618指示)轻历产甲烷作用以形成甲烷和二氧化碳，由块620指示。可将甲烷气体收集为用于能量转换系统的能量产物。可将二氧化碳收集为用于PBR系统的原料。

用于消化的有用的良性的和环境安全的微生物种类是可容易获得的。具体的微生物产品可包括在输入原料的消化中进行不同步骤的许多细菌种类。

产乙酸通常通过3组细菌进行：产乙酸菌(homoacetogen)；syntrophes和sulphoreductors。示例性种类包括醋酸梭菌(Clostridiumaceticum)；伍氏醋酸杆菌(Acetobacter woodii)和热解糖梭菌(Clostridium termoautotrophicum)。

示例性产甲烷细菌包括嗜热自养甲烷杆菌(Methanobacteriumbryantii)、Methanobacterium formicum、嗜树甲烷短杆菌(Methanobrevibacter arboriphilicus)、Methanobrevibactergottschalkii、Methanobrevibacter ruminantium、Methanobrevibactersmithii、耐盐甲烷菌(Methanocalculus chunghsingensis）、Methanococcoides burtonii、产甲烷球菌(Methanococcus aeolicus）、Methanococcus deltae、詹氏甲烷球菌(Methanococcus jannaschii）、海沼甲烷球菌(Methanococcus maripaludis）、万氏甲烷球菌(Methanococcus vannielii）、拉布雷亚甲烷粒菌(Methanocorpusculumlabreanum）、Methanoculleus bourgensis(Methanogenium olentangyi&布尔日产甲烷菌(Methanogenium bourgense))；黑海甲烷袋状菌(Methanoculleus marisnigri）、Methanofollis liminatans；卡里亚萨产甲烷菌(Methanogenium cariaci）、Methanogenium frigidum、Methanogenium organophilum、Methanogenium wolfei、运动甲烷微菌(Methanomicrobium mobile）、甲烷嗜热菌(Methanopyruskandleri）、嗜酸产甲烷菌(Methanoregula boonei）、甲烷毛状菌(Methanosaeta concilii）、嗜热鬃毛甲烷菌(Methanosaetathermophila）、嗜乙酸甲烷八叠球菌(Methanosarcina acetivorans）、巴氏甲烷八叠球菌(Methanosarcina barkeri）、氏甲烷八叠球菌(Methanosarcina mazei）、Methanosphaera stadtmanae、亨氏甲烷螺菌(Methanospirillium hungatei）、Methanothermobacter defluvii(Methanobacterium defluvii)、热自养甲烷杆菌(Methanothermobacterthermautotrophicus)(嗜热自养甲烷杆菌(Methanobacteriumthermoautotrophicum))、嗜热弯曲甲烷热杆菌(Methanothermobacterthermoflexus)、Methanobacterium thermoflexum、Methanothermobacter wolfei(沃氏甲烷杆菌(Methanobacteriumwolfei))、Methanothrix sochngenii。

本文中描述的ABR可用于生物精炼系统例如图1中显示的生物精炼系统100，或可用作独立的装置或用于消化其它原料的其它系统。可使用的其它示例性原料包括污泥或泥浆形式水处理厂和/或废弃物处理厂。或者，原料可来自包含能够被厌氧消化的有机废弃材料的任何工厂、制造厂或工业。本文中描述的示例性藻类原料可产生适合用于农业应用的产品。然而，当原料的来源是工业或市政废弃物来源时，来自这类原料的产品通常用于非农业应用，例如森林补救或非食品园艺应用。

在一些应用中，ABR使用具有分布式处理和负载平衡的较小的罐来减少保留时间和增加通量。在这一点上，ABR系统是可按比例扩展的，这样可按能量和土壤产品需要增长或按有机原料流体积的增加容易地添加更多的反应器阶段。

参阅图10，显示了示例性厌氧生物反应器系统106。反应器使用两阶段消化，产乙酸阶段(由罐632指示)和产甲烷阶段(由并联罐634和636指示)。产乙酸阶段中的细菌将藻类原料分解成被产甲烷阶段细菌用于产生甲烷的前体(图10中显示)。应当理解，添加至厌氧生物反应器系统106的原料可以是藻类原料，或可将其与已被添加至PBR中的藻类的添加剂例如纤维质材料、热解碳或醪液混合，如上所论述的。

返回至图7，将藻类污泥从藻类浓缩罐520抽运至藻类污泥收集罐568，该收集罐还可用作水解罐以完成消化的第一阶段，碳水化合物、脂肪和蛋白质(由块602、604和606指示)至糖、脂肪酸和氨基酸(由块608、610和612指示)的转化，如图9中显示的。然而，应当理解，分开的收集罐和水解罐也在本公开内容的范围内。

在举例说明性实施方案中，大量的水仍然保留在于离开浓缩罐520的浓缩的原料中，以便可将其从浓缩罐520抽运至收集罐568。

在原料已被抽运至收集罐568后，生物质通过ABR系统104的流动主要由重力驱动。因为产甲烷阶段花费的时间约为产乙酸阶段的2倍，因此将两个产甲烷罐634和636并联使用(每一个产乙酸罐632)，以保持该过程连续运行。产乙酸罐632中的pH传感器指示将内容物从产乙酸罐移至较低的产甲烷罐634或636之一的时间选择。从上方加载的产甲烷罐634或636也经管644将其内容物(包含液体和固体肥料)释放进入ABR下方的收集区(未显示)。

温度控制在ABR系统106中对于藻类或与来自PBR的原料混合物中的纤维素混合的另一种微生物的快速消化是非常重要的。原料至少处于环境温度，优选，当其从PBR移至ABR时变暖。达到温暖温度的环境是优选的，因为产乙酸细菌倾向于在约70°F工作最佳。脱水过程中存在一定的热损失，但原料到达温暖至足以快速升高温度的收集罐中。从第一阶段的罐产生的热将原料带至最佳温度。每一个罐使用单独的计算机控制的热交换器以按需要维持和改变温度。

参阅图10，原料的路径由箭头640、642和644指示。箭头640显示原料从收集罐568(其也可以是水解罐)移入产乙酸阶段罐632。箭头642显示移入右手边产甲烷阶段罐636的产乙酸阶段罐632的内容物。箭头644显示移出进入肥料加工区域的右手边产甲烷阶段罐636的内容物，在所述肥料加工区域，液体和固体被分开。来自产乙酸阶段罐632的下一个输出物将移入现在空的右手边产甲烷阶段罐636，同时满的左手边产甲烷阶段罐634准备用于卸载其内容物。

多个阀门560、562、564、566和568被用于控制液体原料通过ABR系统106的路径。阀门优选通过智能控制系统受计算机控制。此外，可净化甲烷废气，从产甲烷阶段罐634和636收集其。阀门570和572控制废气经管676至压力计(manometer)或空气压缩罐674的流动，所述空气压缩罐因而被构造来经管678将甲烷气供应给生物精炼系统100中的其它构件。二氧化碳也可以是废气，如在举例说明性实施方案中显示的，热交换器680和682可用于控制各种罐632、634和636的温度。

ABR的每一个罐的优选保留时间如下。

·水解罐：可将原料在约环境温度(约70°F至约75°F)至约95°F的范围内的温度保持达到约5天。

·产乙酸阶段罐：可将原料在约70°F至约95°F的范围内或约75°F至约90°F的范围内的温度保持约4-14天，更优选约5-10天，更优选约5至8天；随后将其滴入第二阶段罐之一，这取决于哪一个罐被最后加载。

·左手边产甲烷阶段罐—可将原料在125°F至135°F的温度，或在约127°F至约133°F的范围内的温度保持约8-21天，更优选约9-18天，更优选约10-14天。在约2天的时间内将温度从产乙酸阶段的温度缓慢地上升至更高的范围。更高的温度杀死产乙酸细菌，同时产生对于产甲烷细菌增殖理想的环境。

·右手边产甲烷阶段罐—也可将原料在与左手边第二阶段罐相同的温度保持相同的时间。

因此，对于单个批次，从水解罐至产甲烷罐的ABR中总的保留时间为约18-40天，优选约20天。经历产乙酸和产甲烷阶段(无水解)的保留时间为约13-35天，优选约15天。根据一个方法，产乙酸阶段罐具有约5天的保留时间，每一个产甲烷罐的保留时间可错开约5天，以便当一个罐处于高峰甲烷产量时，另一个正在加速产生。当产甲烷阶段罐之一的生产速率开始减小时，产乙酸阶段罐正准备好再装满产甲烷阶段罐。

虽然显示为分开的水解步骤，但应当理解，水解步骤可在收获和脱水功能之前始于PBR中，或可在分开的水解罐中进行，如上文中更详细描述的。组合和重叠PBR与ABR功能提供了独特且有用的对已知系统的改善，并且突显了集成的智能协同生物精炼系统的价值。

控制系统被用于调节ABR的功能。例如，可利用数字控制系统(DCS)调节温度、pH、输入和输出数据以加速藻类纤维质原料的消化。控制系统被构造来打开和关闭适当的阀门以在适当的时间将消化物移动通过系统。控制系统还可控制和监控来自ABR的产甲烷阶段的甲烷气体至压力计或用于贮存的气体压缩罐中的流动。可保持和压缩收集的甲烷以用于例如递送至可将其转化成电能的燃料电池(或微型燃气轮机)。控制系统可类似地控制和监控来自产乙酸阶段的氢的流动。

温室系统

在本公开内容的一个实施方案中，生物精炼系统是温室系统。返回图1，可将PBR和ABR系统104和106包含在大体上密闭的环境中，以产生可用于生长植物生命的温室生物精炼系统110。在这一点上，由系统产生的废热“驱动”或加热温室本身、为管道提供日光的窗户和支持藻类在PBR阵列中生长的管道构型可被协同地用作用于生长用于农业和/或园艺应用的植物的空间。热源可包括外部热源、液体循环加热系统或地热源。

此外，在该生物精炼中产生的高等级氮肥和高营养密度的土壤再生材料提供了理想的生长底物来产生高质量健康的植物。此外，植物生命灌溉水可接收自生物质热解系统102中的回收水，在下文中进行了详细描述。

作为实例，可将生物精炼(例如图1中举例说明的，在木材或木材加工厂利用工厂和砍伐废弃物)例如并入闭环系统，所述系统回收废热和二氧化碳以及系统中的其它输出物以(1)捕获碳和废热；(2)产生至少约1200kW/日或充足的能量来管理约50-100、优选75个家庭的能量需要；和(3)产生提供额外收入流的高附加值副产品，包括富含有机氮的肥料、有机高营养密度上层土壤材料、有机种植的植物和来源于这些植物的食品。

实施例–温室系统

参阅图11A，显示了在锯木厂场所操作的生产规模的温室的输入和输出的示例性流程图。5000平方英尺的温室生物精炼每天可产生的藻类的量为每5天约500加仑的消化污泥。生物质热解系统可每天处理约2至约12吨的生物质，这产生每5天约3.5至约20吨的有机碳。对于平衡的系统，温室生物精炼将产生每5天约2吨的有机碳和约500加仑的消化污泥。

可将甲烷和氢转化成电能，并且可将大部分消化污泥与工厂场所的其它废弃材料混合以产生高附加值有机土壤再生产品和/或调理剂。每5天产生2净吨有机碳和500加仑消化污泥的单个GPH的组合能量输出为约连续产生的250千瓦(约0.9MBTU/hr)。

兆瓦的连续电能可通过增加每天产生的有机碳的量来获得。输入物与输出物的平衡可通过提供额外的热解输出物作为其它过程的原料来维持。例如，可将额外的有机碳用于生物过滤池反应器，可将额外的二氧化碳提供给垃圾填埋场或肥堆以加速消化。或者，可将多个生物精炼的系统建在一起以容纳额外的热解输入物。生物精炼的多边形结构使得能够容易地产生例如6个单元的模块群。

温室系统110可使用低温(<120°F)热和地热系统来驱动过程。在这一点上，热交换器和液体循环加热系统(包含地热井水和/或回收的工艺用水)可用于使PBR中的藻类保温以及保持ABR中的厌氧消化在最佳温度。

参阅图11B，显示了示例性温室的建造。温室经设计具有八边形基底和具有一个或多个配置有窗户以接收太阳能的侧面。

生物质热解系统

参阅图12，显示了示例性生物质热解系统102的示意图。热解产生大量的热并且馏出可用作驱动热解过程的燃料的烃类(例如，以合成气的形式存在)。或者，或此外，由生物精炼系统100(例如，ABR系统106)中的其它构件产生的一些甲烷可用于起始热解。一旦烃类开始流动，它们就可用于驱动过程。

如可在图12中看到的，热解系统102包括用于接收生物质的入口710(显示为原料储料漏斗)。在举例说明性实施方案中，热解系统102是具有内部热解室720和围绕内部热解室720的外部排气室722的同心圆筒式系统。在室720与722之间，热解系统102可包括金属隔壁来分隔小室。

当接收时，例如使用旋转螺旋(rotating auger)726将生物质原料从原料储料漏斗710移至热解室720。在热解室720中，将生物质加热以馏出烃类，有时在本领域称为"合成气"。合成气是包括产生合成天然气的过程中的中间类型的气体混合物(从而，其昵称“合成气”)。样品合成气组分通常包括甲烷、CO(一氧化碳)、二氧化碳、氢以及有时氮气和No_x气(其可以是名义上的)，并且可包括痕量的杂质元素如硫。

热解室720可被分成2个区域：预热区730和焦化区(charzone)732。可将预热区730维持在约180°F至约700°F的温度范围内，优选约200F至约600F的范围内。预热区730中的温度可通过焦化区732中的加热装置734(如下文中更详细描述的)，或通过单独的加热装置(未显示)来维持。

预热区730的主要目的是加热除去可被截留在原料生物质中的，在212F蒸掉的任何水份。水和其它蒸发的组分在出口736处被收集，并且经管738输送至系统740以凝缩、洗涤和压缩水和来自热解室720的其它排气(例如，但不限于合成气、生物燃油和醇，如下文中描述的)。水可被回收并且用于生物精炼系统100的其它系统，例如，如PBR系统104的管道402中的水或如在温室系统110中用于植物生命的灌溉水。

因此，将原料在预热区730中干燥，以准备进入焦化区732。在焦化区732中，预热的生物质原料被加热至在约600F至约1200F，更优选约700F至约850F的范围内的温度。在非限定性实例中，焦化区732被构造来加热至约800F，进行约15至约20分钟。在另一个实施方案中，微生物。加热可通过位于焦化区732的加热装置734(显示为一系列燃烧炉)来实现。添加至加热装置734的原料气可包括例如来自生物精炼系统100中的其它构件的甲烷或氢、从热解室720收集的生物燃油和醇，或其它可燃气体来源。将来自加热装置734的排气收集在围绕内部热解室720的外部排气室722中。排气可包括二氧化碳和其它废气，并且流可被定向递送至PBR系统104作为用于藻类集落的原料。

在焦化区732中，将生物质转化成生物焦碳或有机碳。合成气在出口742处被收集并且经管744输送至冷凝器、洗涤器和压缩机系统740。在那里，生物燃油、醇和水可被浓缩、洗涤和分离。可用于为系统加热装置734供以燃料的任何构件可经管746被送至与输入甲烷在管748和甲烷支持阀752处组合为原料气，随后经管750至加热装置734。进气还可经与管750组合的管752和进气阀754导向加热装置734。在另一选择中，未被送至加热装置734的过量气体可经流量控制阀756转向至发电机或锅炉或经管754转向至生物精炼系统100的另一个系统。

在螺旋钻726将生物质移动通过热解室720中的预热和焦化区730和732后，螺旋钻726将有机碳移至冷却区760，其中一个或多个热交换器762收集来自生物质的热。通过热交换器762收集的热可被导至ABR系统106(参见图1)或总的生物精炼系统100中的另一个系统。随后将冷却的有机碳从热解系统102取出，作为输出物。

取决于热解系统102的尺寸，可收集充足的热来为生物精炼系统100和锯木厂提供能量，例如包括操作工厂的窑炉。每日加工6-30吨生物质完全在本文中描述的系统的范围内。系统100是负排碳的并且当碳立法通过时，还可使利用提炼厂的工业场地取得进一步退税和碳抵减交易鼓励的资格。

现将更详细地描述生物质热解系统102的操作。开始时，系统102可使用递送至加热装置734的丙烷或甲烷来起始过程。作为非限定性实例，甲烷可以是来自ABR系统106的输出产物。或者，可使用外部来源例如丙烷。

当生物质热解系统102产生足够体积的合成气来支持热解过程时，系统可由合成气或通过合成气的组合来提供能量。来自气体燃烧的废气可被排出、冷却和抽运通过PBR气体起泡器系统，作为用于藻类的原料。

通过打开加热装置734，焦化区732温度上升并且加热围绕热解室720的排气室722。这继而加热预热区730，从而升高生物质原料的温度，驱除以水蒸汽形式存在的水份，如上所述。来自预热区730的蒸汽可被收集、凝缩和分配至总的生物精炼系统100中的其它构件，例如作为至PBR系统104中的水原料。

来自热解室720的过量的热可按需要被收集和分配至总的生物精炼系统100的其它构件，例如分配至PBR和/或ABR系统104或106。合成气生产需要在焦化区732中实现的高温。合成气输出可被收集，随后例如通过分级分馏进行分离，随后分配至例如加热装置734以进一步为热解系统102提供能量。同样地，起泡器或洗涤器可用于将不溶于水的甲烷与溶于水的CO₂分离。随后可将富含碳的水传送至PBR系统104以用作营养输入物。未被PBR系统104使用的过量的二氧化碳可以替代性方式使用，例如分流以供给堆肥或垃圾填埋堆。

当有机碳输出物移出焦化区732时，有机碳进入包括热交换器762例如水套的热解系统102的部分。热交换器过程(1)冷却有机碳，以便在其移至输出储料漏斗时其达到环境温度，和(2)收集过量的热，随后按需提供给其它成员设备例如ABR和/或PBR系统104和/或106。

图13举例说明了用于共享共同的原料储料漏斗的多重生物质热解系统102的一个可能的构型。本领域技术人员应理解，其它不同的构型也是可能的。当使用一系列生物质热解系统102时，由一个生物质热解系统102产生的合成气的一些可用于起始另一个生物质热解系统102。控制系统还可将输出气体例如以循环(round-robin)的方式导向其它生物质热解系统102，以按需满足加工需要。

优选有机碳成分在800-1000°F的范围内、更优选800-900°F的范围内的温度产生。其移动原料通过生物质热解系统102花费的时间将取决于一系列变量，包括例如原料的水份含量、原料种类和除去所有合成气所必需的时间，其全都将影响螺旋钻的旋转速度。这些变量可通过适当的控制系统来管理和控制。

此外，热解室720的长度对直径的优选比率可产生最佳输出产量。在一个实施方案中，优选长度对直径比率为12:1，其中从图12中预热区730的起始至焦化区732的末端测量热解室720长度。在另一个实施方案中，预热区730的长度对焦化区732的长度的优选比率为2:1。

控制系统可在生物质热解系统102中用于感知和调节热能和二氧化碳通过整个系统的流动以最优地产生生物燃料和电。过量的热可局部用于其它工业过程或转换进入地热贮存系统以待以后使用，例如通过地穴管550或其它地热交换器。可将通过生物质热解系统102产生的有机碳与由ABR系统产生的高氮调理剂混合以提高其农业和/或土壤再生价值。此外，有机碳输出物可用作捕获污染物、污染物质和来自供应者(如来自水处理厂的)的杂质或来自工业场所的废水的基质，从而修复水和为不想要的杂质提供即时收集装置。

实施例-生物质热解系统

锯木厂通常使用它们的称为“薪材”的废料木材(例如，粉碎的树皮、刨花、锯屑、低等级木材和废木材(lumber reject))来给干燥它们的木材的窑炉提供燃料。利用标准锅炉系统加热其窑炉的中等大小的工厂将每天消耗约150吨的薪材来给其窑炉系统提供燃料，这继而使用8,000-25,000磅的蒸汽/小时来将其窑炉在180°F的温度保持一天。如本文中所描述的生物质热解系统102通过使用薪材作为其原料可产生约两百万BTU/hr。该量的BTU能够产生30,000磅的蒸汽/小时，并且可产生约18吨的优质生物碳或有机碳。

此外，将热解系统102改造以适合这样的工厂操作允许工厂利用热解系统的热交换系统来支持窑炉系统的水保持温度。经计算，使用热解系统可将窑炉系统的水温波动降至2度。该下降可单独地使工厂的碳印迹(carbon footprint)减少60%。假定生物质室的长度对直径的比率为12:1以及预热区的长度对焦化区的长度比率为2:1，由总的系统构型中的一系列3-5个热解系统可维持中等大小的锯木厂的日能量需要，以及系统能量需要。

产品

本公开内容的实施方案表征了用于产生适合于有机植物栽培和其它农业应用的高营养密度有机土壤调理剂或上层土壤替代物或土壤再生产品的系统、构件和方法。在一个实施方案中，有机土壤调理剂和/或再生产品通过将消化污泥固体与有机碳以特定的比率组合以达到给定的期望的稠度和营养密度来形成。在另一个实施方案中，土壤调理剂通过以特定的比率组合消化污泥固体、有机碳和消化污泥液以达到给定的期望的稠度和营养密度来形成。在另一个实施方案中，土壤调理剂通过以特定的比率组合消化污泥固体、有机碳、消化污泥液和其它材料以达到给定的期望的稠度和营养密度来形成。所述其它材料可包括但不限于土壤；渣土或成土母质(soil parent material)，包括粉末状的砂砾或沙子；或干净的非可腐烂的填埋废物、锯屑、薪材或其它木材残留生物质。

下面是一系列适当的土壤再生产品中的构件的组成。

在本公开内容的一个实施方案中，土壤再生产品包括在约2:1至约40:1，更优选4:1至约36:1的范围内的碳氮比。

在本公开内容的另一个实施方案中，土壤再生产品包括前述或下列构件的任一种和在约0.5%至约6.8%，更优选约1.11至约6.6%的范围内的钙含量。

在本公开内容的另一个实施方案中，土壤再生产品包括前述或下列构件的任一种和在约0.25至约1.6%，更优选约0.33至约1.5%的范围内的镁含量。

在本公开内容的另一个实施方案中，土壤再生产品包括前述或下列构件的任一种和在约0.73至约13mg/L，更优选1.53至约12.03mg/L的范围内的铜含量。

在本公开内容的另一个实施方案中，土壤再生产品包括前述或下列构件的任一种和在约100至约350mg/L，更优选约140.2至约324.5mg/L的范围内的锰含量。

在本公开内容的另一个实施方案中，土壤再生产品包括前述或下列构件的任一种和在约0.2至约2%，更优选约1.1至约1.7%的范围内的氮含量。

在本公开内容的另一个实施方案中，土壤再生产品包括前述或下列构件的任一种和在约0.4至约1.5%，更优选约0.9至约1.2%的范围内的磷含量。

在本公开内容的另一个实施方案中，土壤再生产品包括前述或下列构件的任一种和在约0.5至约7%，更优选约0.75至约6.5%的范围内的钾含量。

在本公开内容的另一个实施方案中，土壤再生产品包括前述或下列构件的任一种和在约0.15至约1.4%，更优选约0.28至约1.26%的范围内的硫含量。

在本公开内容的另一个实施方案中，土壤再生产品包括前述或下列构件的任一种和在约0.5至约18%，更优选约0.14至约17.94%的范围内的钠含量。

在本公开内容的另一个实施方案中，土壤再生产品包括前述或下列构件的任一种和在约55至约255mg/L，更优选约84至约233.1mg/L的范围内的锌含量。

在本公开内容的另一个实施方案中，土壤再生产品包括前述或下列构件的任一种和在约600至约2500mg/L，更优选约695.84至约2385.92mg/L的范围内的铁含量。

在本公开内容的另一个实施方案中，土壤再生产品包括前述或下列构件的任一种和在约5至约150mg/L，更优选约6.42至约115.7mg/L的范围内的硼含量。

在本公开内容的另一个实施方案中，土壤再生产品包括前述或下列构件的任一种并且具有在约5.4至约9.6的范围内的pH。

本公开内容的实施方案还可包括用于通过将水暴露于通过本文中描述的系统产生的有机碳产品，将水污染物和杂质捕获在有机碳中来修复水的方法。此处有机碳单独地或与其它适当的材料例如木屑、粉末或堆肥材料组合地形成生物滤器反应器，通过该反应器可使废水能够以足以允许水的营养负荷被捕获在有机碳的多孔小室中的速度流动。在优选实施方案中，有机碳包含至少10%的滤器，更优选至少20%。在另一个优选实施方案中，有机碳在反应器中包含至少50%、70%或100%的过滤材料。在一个实施方案中，有机碳生物滤器反应器使废水营养负荷减少50%。在另一个实施方案中，其减少负荷60%。在另一个实施方案中，其减少负荷70%或更多。另一个生物滤器反应器应用，有机碳或有机碳/木片组合可过滤来自工业锅炉烟囱的排放物。

系统的智能控制

如上所述，已发现可构建智能的自我管理的碳捕获装置，其可消除不想要的生物质，同时产生高附加值的生物能输出物或产品。这类装置可单独使用或作为可按比例扩大的、可扩展的、集成的、交互式的和协同的智能生物精炼系统的成员使用，所述生物精炼系统模拟天然系统的行为。

生物精炼系统100及其构件的管理，如本文中所描述的，需要能够递送系统的每一个构件或成员装置需要的量的热，以及控制生物质、气体、热和其它产物通过系统的运动的复杂控制系统。因此，每一个成员装置受自主体(在本文中称为生物处理器自主体(或"BPAA"))控制。自主体被构造来与管理体(在本文中称为生物精炼智能体(或"BRA"))通讯，所述管理体被构造来监视整体生产过程。将自主体构件添加至系统的成员装置使得整个系统能够基本上"即插即用"。当将更多的构件添加至生物精炼系统时，自主控制系统适应添加的负荷，重新分配能量和生物质通过系统的流动。因此，系统在本文中称为智能生物精炼系统，并且每一个成员设备本身是智能构件。

智能生物精炼系统的智能成员装置被设计来彼此协同地和独立地工作。每一个构件具有其自己的BPAA控制系统，所述系统使得其适合于改变的环境条件和工作负荷量。多个智能成员装置可通过它们的BPAA相互连接以形成独特的智能生物精炼系统。在这一点上，智能生物精炼系统可被订制或改造来用于许多工业或农业应用，以使这些工业和应用更干净、更高效和最终更能产生效益。

例如，当期望修复污染的水时，可将成员装置包含在能够接收污染的水和来自生物质热解系统的有机碳输出物(作为滤器基质)的智能生物精炼系统中。成员装置的BPAA从而可控制将水以能够将污染物捕获在有机碳中的速率移动通过有机碳的过程。纯化的水和载满污染物的有机碳可以是装置的输出物并且必要时通过系统对于其它成员装置是易于接近的。可特异性地设计和构建系统的该成员装置，或可仅通过改进装置以便其能够接收新的构件来改造现有装置以将其插入智能生物精炼系统。在一个实施方案中，装置利用使装置与BPAA发生通讯的适配器来进行改造。

定制用于给定的工业的智能生物精炼系统以改善其功能的另一个实例是在废弃物管理或水处理工业中。这类工业的一个问题是有机淤泥或泥浆的标准厌氧消化不分解可在废污泥中积累的任何药物或激素。这需要将材料加热至至少600°F。因此，定制的智能生物精炼系统可接收淤泥或泥浆，必要时将其脱水，随后将其作为原料添加至ABR来消化或分解有机材料。可根据需要干燥ABR消化污泥输出物，和将其作为原料提供给具有足以分解残留在消化污泥中的激素和药物的加热能力的生物质热解装置。随后可将生物质热解输出物送回土地以用于例如园艺应用或森林修复。或者，如果处理厂提供其自己的工具用于消化其废物，则可除去ABR步骤。

本文中描述的智能生物精炼系统被设计来与产生废热和二氧化碳的现有工业整合，从而提供用于捕获碳、回收废热和产生具有价值的生物能产品的系统。参阅图14，显示了示例性智能生物精炼系统。与图1类似，该示意图举例说明了组成智能生物精炼系统800的4个基本构件—热能源802、光生物反应器804、厌氧生物反应器806和能量转换器808。该示意图还举例说明了以支持总系统的最佳生产的方式在成员装置间协同地共享输入物和输出物的可能。BPAA被设计来控制成员装置以支持总系统的最佳生产。

BPAA给每一个成员装置提供了用于解决可能产生的复杂的非线性问题，同时试图在改变的条件下维持稳定的生物环境的手段。控制系统还帮助收获和加工藻类生物质以产生生物燃料、电以及氮肥和土壤再生产品。

根据本公开内容的实施方案的智能生物精炼系统的每一个成员装置使用基于简单生物学原理的方法产生生物能产品。智能生物精炼系统通过使用模拟天然生物学过程的适应性行为控制将该概念带至下一水平。

现在将描述构件自主体或BPAA。如上所述，智能生物精炼系统的每一个构件或成员装置的功能性受自主体(在本文中称为BPAA)例如软件体控制。如图15中的流程图中举例说明的，所述自主体包括4个基本亚构件：

·功能性描述构件的当前状态的当前状态向量(Current StateVector)。

·描述构件的期望状态的目标状态向量(Target State Vector)。

·构件可进行以改变其当前状态的一组行为(Action)。

·决定什么行为是构件需要执行以实现或维持目标状态的行为模块。

图15举例说明了信息是如何在自主体的亚构件之间流动以及物理传感器与修正构件的物理状态的控制机械装置(效应器)之间的数据流动。

当前状态向量和目标状态向量由称为流（Fluents）的软件对象组成。流（Fluents）是这样的变量：其可以是单值的，代表一系列值；或可连接至传感器以代表测量的物理参数。例如，BPAA的当前状态可具有被称为"管道温度"的流(fluent)，具有为80°F的感知到的值，而目标状态可具有被称为"管道温度"的流，其具有78与82°F之间的区间值，书写为[78-82]。BPAA行为模块识别到80°在范围[78-82]内，因而不需要进行任何行为来改变光生物反应器管道的温度。流还可包括区间取值的流(Interval Valued Fluent)。实例是目标状态温度流，其为间隔范围[75,90]程度设置，和在80°F被“感知”的当前状态温度流。在该情况下，状态向量的温度分量可以是匹配的。

构件行为可以是反应性的、预测性的或适应性的或这些行为的组合。反应性行为不断地执行调整当前状以匹配目标状态的行为，例如打开或关闭热交换器阀门以调整构件中的温度，以便其匹配目标状态温度。预测性行为可能使用信息例如从互联网收集的天气预报来开始调整温度以期待突如其来的寒流。适应性行为可组合预测性和反应性行为来产生基于最佳结果的新行为。

整个智能生物精炼系统还可具有其自己的BPAA，所述BPAA具有与系统的成员装置BPAA相似的结构，但被设计来监视系统和每一个构件体。如上所述，这样的构件体在本文中称为管理体或生物精炼体(BRA)。在该情况下，每一个构件体被当作BRA的流。

图16显示智能生物精炼系统的控制策略，所述智能生物精炼系统具有多个光生物反应器和厌氧生物反应器和控制系统的地热源的自主体。每一个自主体负责维持单个构件的“状态”和控制材料在这些母线(生物质、CO₂、热等)上的流动。每一个构件BPAA和BRA的行为模块可被视为使用行为来修正构件或成员装置的状态的非线性系统解算器(non-linear systems solver)。BPAA比较成员装置的当前状态与针对其需要采取什么行为的目标状态(目的)。

图1和14是根据本公开内容的实施方案的智能生物精炼系统的示意图。这些图举例说明了每一个成员装置的输入物和输出物以及可如何将各种输出物作为系统间的输入物进行共享。例如，图14描述了使用一般的热热源作为成员装置的智能生物精炼系统，图1描述了其中热源成员装置是生物质热解系统的智能生物精炼系统。图17可以是图14中描述的智能生物精炼系统的流程图，其描述了允许输入物和输出物在图14描述的系统间被共享的成员装置间的通讯途径。类似地，图16可以是图1中描述的智能生物精炼系统的流程图，其描述了允许输入物和输出物被图1中描述的系统间共享的成员装置间的通讯途径。

图18是另一个流程图，其描述了图1和13中描述的智能生物精炼系统的输入物和输出物，以及图16和17中描述的用于共享信息的通讯工具。在图18中，所有成员装置的行为信息通过附图中的数据总“线”传送至BRA BPAA并且从BRA BPAA接收。这在附图中通过成员装置与数据总线之间的双向箭头来指示。成员装置输入物和输出物以及它们如何在系统间被共享通过导向和来自附图中代表例如甲烷、藻类生物质或有机碳的参考线(reference line)的适当标记的箭头来指示。

将图12的生物质热解系统102示意图看作示例性膜装置，譬如说系统想在上午起动生物质热解系统。该信息通过图18中的数据总线传达至BRA的生物质热解系统(图16)。生物质热解系统102的BPAA通过当前状态向量中的流评价其当前状态，并且开始起始适当的行为，给定从BRA传送的期望的目标状态(参见图16)。

目标状态向量信息可能包括进行一定量的时间，产生期望量的有机碳，使用优选原料和/或产生期望量的热、合成气或甲烷(参见图1和14)。基于感知为生物质热解系统的当前状态的数据，生物质热解系统的BPAA行为模块将起始一系列行为，通过流传达至效应器(图15)。

示例性行为可包括打开甲烷支持阀门752以接收来自智能生物精炼系统的甲烷(参见图12和图18)。该行为通过总线传送至BRA和成员装置智能生物精炼系统，所述系统的BPAA管理行为模块现已知其行为已改变并且甲烷支持为另一个成员装置需要。智能生物精炼系统的BPAA随后起始一系列行为(例如，释放甲烷、收集甲烷或增加消化污泥产量，这取于通过其管理行为模块(参见图16)感知的ABR装置的目前状态，最终通过图18中的代表性甲烷管748将甲烷提供给生物质热解装置102。如本领域技术人员将理解的和本文中上面所描述的，系统被设计来用于连续装置分析，以及预测性、反应性和/或适应性行为，从而允许系统以连接改造的方式最佳地、协同地以及和谐地发挥功能。

智能生物精炼系统设计还允许给定的智能生物精炼系统通过其管理行为模块与其它智能生物精炼系统通讯，所述其它智能生物精炼系统可以是当地的或在远处，以及与其成员装置BPAA共享信息。例如，位于蒙大拿的智能生物精炼系统可能正在经历通常在夏威夷经历的气候条件，并且其可能特别地影响藻类在蒙大拿智能生物精炼系统中的生长。通过使用本文中描述的系统，蒙大拿智能生物精炼系统可访问夏威夷智能生物精炼系统的行为信息，并且蒙大拿智能生物精炼系统BPAA可将该解决信息用作其解决路径的部分，以起始意在将智能生物精炼系统行为改变成其期望的目标状态的行为。很明显，如由本领域技术人员所理解的，蒙大拿智能生物精炼系统还能与夏威夷智能生物精炼系统或其它智能生物精炼系统共享其行为信息。

该系统间通讯的能力在实施方案中具有特殊的应用，其中多个智能生物精炼系统在当地工业应用中一起工作。例如，本公开内容的一个实施方案是一系列两个或更多个智能生物精炼系统，其中BRA是智能温室。在另一个实施方案中，温室形状为八边形，并且多个温室可以以蜂房模式排列，从而允许它们全都共享资源，包括在它们共同的边上热贮存的热。

本文中描述的BPAA智能过程控制允许使用一组标准的构件，利用最低限度的编程定制针对目标工业的智能生物精炼系统的设计。其还允许改进现有非智能装置，以便其能成为智能生物精炼系统成员装置。在该情况下，需要的额外步骤可以是必要时改造物理传感器和效应机械装置，以便它们能够接收来自装置的信息并且对装置施以变化。

适应性可通过使用与BPAA和待改进的装置接口的适配工具来实现。因此，适配工具可按需要进行改造以与广泛的当前存在的装置一起工作，允许它们参与智能生物精炼系统，而无需明显地改变智能生物精炼系统本身或再次重新设计或构建整个装置。因此，"即插即用"智能碳捕获智能生物精炼系统现在是可获得的，用于多个不同的工业。在上述锯木厂实例中，如果想要包括工厂的锅炉作为智能生物精炼系统的一部分，则这样的适配工具可能包括用于测量水温的传感器，和用于调节提供给锅炉的热的量的效应器。

根据本公开内容的方面，本文中描述的系统可以是智能生物精炼系统。智能生物精炼系统是交互系统，包括集成的协同作用的成员装置，并且可使用人工智能来(1)自主地管理每一个成员装置的行为，和(2)将该行为通过用作管理体的自主体传达至一个或多个其它成员装置。在这一方面，设计成员装置和系统自身的行为使得成员装置协同作用，基于系统的需要调整它们的个体输入物和输出物。

根据本公开内容的方面，每一个成员装置本身是自主体，所述智能体能够(1)使用传感器和效应器感知成员装置的当前状态，分别地感知和作用于其环境；(2)基于来自其当地环境和其它来源、包括但不限于数据库、其它地方的其它系统或装置和/或管理体的输入来鉴定目标状态；(3)起始意在针对期望的目标状态修正成员装置的行为的行为；和(4)评价起始的行为在实现目标状态中的成功或失败，以及相应地产生改变。

根据本公开内容的方面，自主体在其解决过程中包括寻求的先前解决路径的结果，有效地连续“学习”。在另一个方面，自主体模拟自然界自己的连续进化和适应环境的变化，动态平衡输入物与输出物，同时发现实现期望的结果的“是佳”过程的过程。在其它方面，自主体使用目标导向的行为模型作为其解决过程的部分。在另一个方面，自主体使用启发算法或函数作为其解决路径的部分。在另一个方面，自主体利用流作为理解其当前和目标状态的过程的部分，和/或作为用于(1)将计算机化的行为传送至外部环境中的效应器，和(2)将外部环境的状态传送至通过一个或多个传感器感知的自主体的工具。

根据本公开内容的方面，智能生物精炼系统成员装置的自主体可具有共同的结构和构造，从而允许成员装置根据需要容易地插入或取出系统，增强智能生物精炼系统的携带性和可扩展性，以及其变型以用于多个不同的工业或应用。

根据本公开内容的方面，PBR自主体用作系统的管理体。在另一个方面，安装有成员装置的设施或结构(例如，温室系统)可用作管理体。在另一个方面，温室系统具有作为功能性温室的价值。

在另一个方面，本公开内容的实施方案表征了智能构件，其每一个包括本文中描述的自主体。

本公开内容的实施方案可体现在其它具体的形式中而不背离其精神或其基本特征。本实施方案因而在所有方面被当作举例说明性的，而非限制性的，本公开的范围由所附权利要求而非通过上述描来指定，在权利要求的等同的含义和范围内的所有改变因而期望包括在其中。虽然举例说明性实施方案已被举例说明和描述，但应理解，可在其中进行各种变化而不背离本公开内容的精神和范围。

Claims (62)

1.一种生物精炼系统，其包括：

(a)光生物反应器系统；

(b)厌氧生物反应器系统；和

(c)包含所述光生物反应器系统的至少一部分和所述厌氧生物反应器系统的至少一部分的外壳，其中所述外壳具有用于生长植物生命的环境。

2.权利要求1的生物精炼系统，其中所述光生物反应器系统被构造为生长藻类集落和产生藻类收获物。

3.权利要求2的生物精炼系统，其中所述厌氧生物反应器系统被构造为消耗所述藻类收获物以产生选自甲烷、二氧化碳、氢和肥料的一种或多种产品。

4.权利要求1的生物精炼系统，其中提供给所述光生物反应器系统的原料是来自外部系统的废气。

5.权利要求4的生物精炼系统，其中所述外部系统选自生物质热解系统、能量转换系统、厌氧生物反应器和烟囱。

6.权利要求1的生物精炼系统，其中提供给所述光生物反应器系统的原料是来自厌氧生物反应器系统的肥料输出物的至少一部分。

7.权利要求1的生物精炼系统，其中植物生命灌溉水接收自来自生物质热解系统的回收水。

8.权利要求1的生物精炼系统，其中所述光生物反应器接收来自生物质热解系统的回收水。

9.权利要求1的生物精炼系统，其中所述外壳被设计来接收太阳能。

10.权利要求1的生物精炼系统，其中所述外壳被设计来接收来自外部系统、液体循环加热系统和地热的至少一种的热。

11.权利要求1的生物精炼系统，其中所述系统具有管理的输入物和输出物。

12.权利要求1的生物精炼系统，进一步包括控制系统，所述控制系统包括用于控制系统中的多个构件的多个自主体，其中多个自主体之一是管理体。

13.权利要求12的生物精炼系统，其中控制系统可以是反应性的、预测性的、适应性的或其组合。

14.权利要求12的生物精炼系统，其中所述控制系统可通过使用选自目标导向的行为模型、启发算法和流的解决过程来适应。

15.权利要求14的生物精炼系统，其中所述解决过程能够适应其环境的变化。

16.权利要求12的生物精炼系统，其中所述控制系统可接收来自另一个生物精炼系统的信息。

17.一种用于在温室系统中生长植物生命的方法，所述方法包括：

(a)形成外壳，其中至少一部分外壳被构造来用以接收太阳能；

(b)将至少一部分光生物反应器系统置于所述外壳中；和

(c)将至少一部分厌氧生物反应器系统置于所述外壳中。

18.权利要求17的方法，其还包括在所述光生物反应器系统中生长藻类集落以产生藻类收获物。

19.权利要求18的方法，其还包括在所述厌氧生物反应器系统中消耗藻类收获物以产生一种或多种选自甲烷、氢和肥料的产品。

20.权利要求17的方法，其还包括将废气从外部系统提供给所述光生物反应器系统。

21.权利要求20的方法，其中所述外部系统选自生物质热解系统、能量转换系统、厌氧生物反应器和烟囱。

22.权利要求17的方法，其还包括将至少一部分来自所述厌氧生物反应器系统的肥料输出物提供给所述光生物反应器系统。

23.权利要求17的方法，其还包括利用从外部系统、液体循环加热系统和地热的至少一个接收的热加热所述外壳。

24.权利要求17的方法，其还包括控制温室系统中的构件的行为。

25.一种生长藻类集落的光生物反应器系统，所述系统包括：

(a)废气源；

(b)包括多个被构造来消耗所述废气以生长藻类集落的管道的管道系统；和

(c)用于将所述藻类集落从所述管道的至少一个排出的阀门系统，其中所述多个管道的每一个位于所述阀门系统附近。

26.权利要求25的光生物反应器系统，其中所述光生物反应器系统还接收热、营养物和太阳能的至少一种以生长所述藻类集落。

27.权利要求25的光生物反应器系统，其中定期收获所述藻类集落以产生藻类收获物。

28.权利要求27的光生物反应器系统，其中所述藻类收获物可被厌氧生物反应器或能量转换系统的至少一个消耗，被厌氧生物反应器消耗产生氮肥。

29.权利要求25的光生物反应器系统，其中所述废气源选自生物质热解系统、能量转换系统、厌氧生物反应器和烟囱。

30.权利要求25的光生物反应器系统，其中所述管道系统包括混合系统，所述混合系统在每一个管道中包括混合装置和至少1个分割器。

31.权利要求25的光生物反应器系统，其中所述管道系统包括混合系统，所述混合系统在每一个管道中包括混合装置和至少2个分割器。

32.权利要求25的光生物反应器系统，其还包括用于使所述藻类集落脱水的脱水系统。

33.权利要求32的光生物反应器系统，其中来自所述脱水的藻类集落的水被送回至所述管道以进行接种。

34.权利要求32的光生物反应器系统，其中所述脱水的藻类集落被递送至厌氧生物反应器系统以进行消化。

35.一种生长藻类集落的方法，所述方法包括：

(a)提供具有包括多个管道的管道系统的光生物反应器系统；

(b)将废气递送至所述藻类集落；和

(c)在所述藻类集落达到预定集落密度后，使用阀门系统排出所述藻类集落，其中所述多个管道的每一个位于所述阀门系统附近。

36.一种用于捕获废气以产生能量的生物精炼系统，所述系统包括：

(a)被构造来消耗纤维质生物质以产生废气的生物质热解装置；和

(b)被构造来消耗来自所述生物质热解装置的废气以生长藻类集落的光生物反应器系统。

37.权利要求36的系统，其中所述生物质热解装置还产生有机碳。

38.权利要求36的生物精炼系统，其还包括被构造来消耗所述藻类收获物以产生氢和甲烷的至少一种的厌氧生物反应器系统。

39.权利要求38的系统，其中所述厌氧生物反应器系统还产生氮肥。

40.一种捕获二氧化碳的方法，所述方法包括：

(a)从生物质热解系统获得二氧化碳；和

(b)将所述二氧化碳导向藻类集落用以消耗。

41.一种土壤再生产品，其包含：

(a)在约2:1至约40:1的范围内的碳氮比率；和

(b)在约0.5至约7.0%的范围内的钾含量。

42.权利要求40的产品，其还包含在约0.15%至约1.3%的范围内的硫含量。

43.权利要求40的产品，其还包含在约0.5%至约6.8%的范围内的钙含量。

44.权利要求40的产品，其还包含在约0.25%至约1.6%的范围内的镁含量。

45.权利要求40的产品，其还包含在约0.75至约13mg/L的范围内的铜含量。

46.权利要求40的产品，其还包含在约100至约350mg/L的范围内的锰含量。

47.权利要求40的产品，其还包含在约0.4至约2.0%的范围内的氮含量。

48.权利要求40的产品，其还包含在约0.4至约1.5%的范围内的磷含量。

49.权利要求40的产品，其还包含在约0.5至约18%的范围内的钠含量。

50.权利要求40的产品，其还包含在约84至约233.1mg/L的范围内的锌含量。

51.权利要求40的产品，其还包含在约600至约2500mg/L的范围内的铁含量。

52.权利要求40的产品，其还包含在约5至约150mg/L的范围内的硼含量。

53.权利要求40的产品，其中所述产品具有约5.4至约9.6的范围内的pH。

54.一种土壤再生产品，其包括：

(a)在约2:1至约40:1的范围内的碳氮比；和

(b)选自如下物质的第二构件：

在约0.5至约7.0%的范围内的钾含量,

在约0.15%至约1.3%的范围内的硫含量，

在约0.5%至约6.8%的范围内的钙含量，

在约100至约350mg/L的范围内的锰含量，

在约0.4至约2.0%的范围内的氮含量，

在约0.4至约1.5%的范围内的磷含量，

在约0.5至约18%的范围内的钠含量，

在约84至约233.1mg/L的范围内的锌含量，

在约600至约2500mg/L范围内的铁含量，

在约5至约150mg/L的范围内的硼含量及其组合。

55.一种修复水的方法，其包括：

(a)使用生物质热解装置产生有机碳产品；和

(b)使用所述有机碳产品过滤含有第一水平杂质的水以产生含有第二水平的杂质的水，其中所述第二水平的杂质少于所述第一水平的杂质。

56.一种用于生物精炼系统的控制系统，其包括：

(a)生物过程；和

(b)用于控制所述生物精炼系统中的多个构件的多个自主体，其中所述多个自主体之一是管理体。

57.权利要求56的控制系统，其中所述控制系统可以是反应性的、预测性的、适应性的或其组合。

58.权利要求56的控制系统，其中所述控制系统可通过使用选自目标导向的行为模型、启发算法和流的解决过程来适应。

59.权利要求56的控制系统，其中所述控制系统可接收来自另一个生物精炼系统的信息。

60.权利要求56的控制系统，其中所述自主体的至少一个模拟生物系统的进化和适应其环境的变化的能力。

61.权利要求56的控制系统，其中所述管理体模拟生物系统的进化和适应其环境的变化的能力。

62.权利要求56的控制系统，其中所述自主体能够不断地发现用于实现所述变化的新方法。

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