CN117551363A - 生物墨水和涂料及相关方法 - Google Patents

Abstract

所公开的方法和相关系统和装置涉及由微生物生物质生产颜料。该颜料可为工程化黑色颜料。该方法可包括其中微生物生物质被炭化的热处理步骤。处于炭化和预炭化状态的生物质可经化学和/或机械洗涤。在另一步骤中，将生物质通过研磨或碾磨工艺来研磨。研磨/碾磨可在过程中的任何不同点进行。在一些实施方案中，生物质的颗粒大小在0.01微米与100微米之间。

Description

生物墨水和涂料及相关方法

本申请是2019年11月7日递交的国际申请号为PCT/US2019/060366，中国国家申请号为201980087880.1，名称为“生物墨水和涂料及相关方法”的申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请依据35U.S.C.§119(e)要求于2018年11月7日提交的名称为“BIOLOGICALINKS AND COATINGS AND ASSOCIATED METHODS,SYSTEMS AND DEVICES”的美国临时申请号62/756/968的优先权，其通过引用整体并入本文。

技术领域

所公开的技术总体上涉及由微生物生物质(microbial biomass)生产颜料和着色剂(colorants)。

背景技术

颜料和着色剂代表每年超过300亿美元的产业。然而这些组合物的生产与可能损害人类健康和环境的有毒生物制品的生产有关。先前由无毒生物质生产颜料的尝试在其产生足够小的颗粒大小以适用于大多数工业应用的能力方面受到限制。因此，本领域需要一种由适合于工业需要的可持续来源生产颜料/着色剂的方法。

发明内容

公开了一种由微生物生物质生产工程化碳黑颜料的方法，其通过以下进行：对微生物生物质进行热处理以形成炭化生物质(charred biomass)；洗涤该炭化生物质；以及将该炭化生物质研磨至颗粒大小在约0.01微米与约100微米之间以形成磨碎的微生物炭(microbechar)。在某些方面，微生物生物质包含多个原核细胞。在示例性方面，该多个原核细胞的平均大小低于20μm。根据某些实施方式，微生物生物质包含脱色的原核细胞。在示例性实施方案中，该脱色的原核细胞为节旋藻属(Arthrospira)。

在某些实施方案中，该方法还包括在热处理步骤之前洗涤微生物生物质的步骤。在实施方式中，洗涤步骤是在水中。在进一步的实施方式中，洗涤为酸洗，例如，将微生物生物质在酸性pH(诸如1.5)的溶液中温育。在示例性实施方式中，酸洗之后可进行一次或多次水洗。在进一步的实施方式中，酸洗之后可用碱性溶液洗涤或替换。

根据进一步的方面，炭化生物质的洗涤为酸洗。在示例性实施方案中，酸洗包含将炭化生物质浸入pH稳定在约2以下的溶液中。在这些实施方式的示例性实施方案中，炭化生物质在降低的pH保持约1分钟至约1小时的时间间隔。在进一步的实施方式中，酸洗之后为在酸洗之后在水中洗涤炭化生物质的步骤。在这些实施方式的示例性方面，酸洗和随后的水洗产生多孔微生物炭。

根据某些方面，研磨步骤通过选自以下的设备进行：球磨机/介质研磨机(mediamill)、长间隙研磨机(long gap mill)、空气分级研磨机(air classification)、喷射研磨机、三辊研磨机、篮式研磨机、低温研磨机和旋风研磨机。在某些实施方式中，研磨步骤的进行不使用颚式破碎机、锤磨机、锯磨机、冲击干燥磨机、造粒机、截断机(guillotine)、冲击干燥磨机、碎块机、刀磨机、针磨机、辊式破碎机、旋转磨机、振动滚筒(vibratory tumbler)或磁性滚筒，从而降低工艺的成本和复杂性。在某些替代实施方案中，研磨步骤通过选自以下的方法进行：氨冷冻爆炸、蒸汽水解和湿氧化。

在示例性实施方案中，进行研磨步骤直至研磨后的微生物炭的平均颗粒大小直径小于约10微米。

本文还公开了一种工程化碳黑颜料，其包含源自微生物生物质的炭化生物质，其颗粒大小为约0.01微米至约100微米。

虽然公开了多个实施方案，但是根据以下具体实施方式，本公开的其他实施方案对本领域技术人员而言将变得显而易见，具体实施方式示出并描述了所公开的设备、系统和方法的说明性实施方案。如将认识到的，所公开的设备、系统和方法能够在各种明显的方面进行修改，所有这些都不脱离本公开的精神和范围。因此，附图和具体实施方式应被视为本质上是说明性的而非限制性的。

附图说明

图1为描绘根据一个实施方案的方法的流程图。

图2为描绘根据一个实施方案的方法的流程图。

图3为描绘根据一个实施方案的方法的流程图。

图4为描绘根据一个实施方案的方法的流程图。

图5为描绘根据一个实施方案的方法的流程图。

图6为描绘根据一个实施方案的方法的流程图。

图7描绘了在不同温度进行热处理的脱色螺旋藻基线TGA的颜料以及在制备颜料分散体前进行酸洗的在不同温度进行热处理的脱色螺旋藻基线TGA的颜料。

图8显示了脱色螺旋藻的放大图像，该脱色螺旋藻包括未筛分的Earthrise螺旋藻；未筛分的，预炭(prechar)，未洗涤的LinaX；经筛分的，预炭，未洗涤的LinaX；未洗涤的200℃TGA LinaX；未洗涤的300℃TGA LinaX；以及未洗涤的400℃LinaX。

图9描绘了在不同温度进行热处理的脱脂微拟球藻颜料以及在制备颜料分散体前进行酸洗的在不同温度进行热处理的脱脂微拟球藻颜料。

图10显示了脱脂微拟球藻的放大图像，该脱脂微拟球藻包括：经筛分的，预炭，脱脂Qualitas；脱脂，200℃TGA Qualitas，脱脂，300℃TGA Qualitas；脱脂，400℃TGAQualitas；脱脂，500℃TGA Qualitas；脱脂，600℃TGA Qualitas；以及脱脂，700℃TGAQualitas。

图11显示了来自Bamboo char、Wakefield biochar、Cool planet、Biochar Now和LinaX的未洗涤的、酸洗的以及碱洗的颜料的图像。

图12显示了来自Biochar Now、bamboo、Cool planet、Wakefield、LinaX的未洗涤的市售生物炭和酸洗的市售生物炭的颜料的图像。

图13显示了以下的放大图像：用草药粉碎机研磨5分钟的未洗涤的Cool Plant；用草药粉碎机研磨4分钟的未洗涤的SEEK Bamboo；用研杵研磨2分钟的未洗涤的WakefieldBiochar；酸洗的Wakefield Biochar；未洗涤的Biochar Now；以及酸洗的Biochar Now。

图14显示了200℃和500℃处理后的来自大肠杆菌、酵母、螺旋藻、微拟球藻和小球藻的颜料。

图15显示了200℃和500℃处理后的来自松木锯末(pine saw dust)的颜料。

图16显示了大肠杆菌预炭在200℃处理后和500℃处理后的放大图像，以及酵母预炭在200℃处理后和在500℃处理后的放大图像。

图17显示了微拟球藻预炭在200℃处理后和在500℃处理后的放大图像，以及小球藻预炭在200℃处理后和在500℃处理后的放大图像。

图18显示了螺旋藻预炭在200℃处理后和在500℃处理后的放大图像，以及松树锯末预炭在200℃处理后和在500℃处理后的放大图像。

图19显示了对于WC微拟球藻、脱脂Qualitas和脱脂Qualitas deprot，在200℃处理的微拟球藻的残留生物质的颜料；对于WC微拟球藻、脱脂Qualitas和脱脂Qualitasdeprot，在500℃处理的微拟球藻的残留生物质；对于WC螺旋藻，用水预洗涤、用酸预洗涤以及用酸和水预洗涤，在200℃处理的螺旋藻的残留生物质；对于WC螺旋藻，用水预洗涤、用酸预洗涤以及用酸和水预洗涤，在500℃处理的螺旋藻的残留生物质。

图20显示了以下的放大图像：预炭，脱脂Qualitas；200℃，脱脂Qualitas；500℃，脱脂Qualitas；预炭，脱蛋白Qualitas；200℃，脱蛋白Qualitas；以及500℃，脱蛋白Qualitas。

图21显示了来自以下的颜料的图像：用水预洗涤并在200℃、300℃和500℃处理的脱色螺旋藻；用酸预洗涤并在200℃、300℃和500℃处理的脱色螺旋藻；以及用酸和水预洗涤并在200℃、300℃和500℃处理的脱色螺旋藻。

图22显示了来自脱色螺旋藻的颜料的图像，该脱色螺旋藻用酸预洗涤并在500℃处理；用酸和水预洗涤并在500℃处理；用酸预洗涤，在500℃处理并用酸后洗涤；用水预洗涤并在500℃处理；以及用水预洗涤，在500℃处理并用酸后洗涤。

图23显示了来自以下的颜料的图像：WC螺旋藻、用水预洗涤的螺旋藻、用酸预洗涤的螺旋藻和用酸和水预洗涤并在200℃处理的螺旋藻，以及来自以下的颜料的图像：WC螺旋藻、用水预洗涤的螺旋藻、用酸预洗涤的螺旋藻和用酸和水预洗涤并在500℃处理的螺旋藻。

图24显示了脱色螺旋藻的放大图像：LinaX预炭，用水预洗涤；LinaX用水预洗涤，200℃TGA；LinaX，用水预洗涤，300℃TGA；以及LinaX，用水预洗涤，500℃TGA。

图25显示了脱色螺旋藻的放大图像：LinaX预炭，用酸预洗涤；LinaX，用酸预洗涤，200℃TGA；LinaX，用酸预洗涤，300℃TGA；以及LinaX，用酸预洗涤，研磨，500℃TGA。

图26显示了脱色螺旋藻的放大图像：LinaX预炭，用水和酸预洗涤；LinaX，用水和酸预洗涤，200℃TGA；LinaX，用水和酸预洗涤，300℃TGA；以及LinaX，用水和酸预洗涤，研磨，500℃TGA。

图27显示了来自Printex 300碳黑、酸洗的ETIA和未洗涤的ETIA的颜料。

图28显示了来自脱脂Q.在500℃处理后的未洗涤的颜料(12μm)、酸洗的颜料(10μm)和酸洗的颜料(7.5-5μm)。

具体实施方式

范围在本文中可表示为从“约”一个特定值和/或至“约”另一特定值。当表达这样的范围时，进一步的方面包括从一个特定值和/或至另一特定值。类似地，当通过使用先行词“约”将值表示为近似值时，将理解的是，该特定值形成另一方面。将进一步理解的是，每个范围的端点相对于另一端点以及独立于另一端点都是重要的。还应当理解，本文公开了多个值，并且除了该值本身之外，每个值在本文中还公开为“约”该特定值。例如，如果公开值“10”，则也公开“约10”。还应当理解，还公开了两个特定单元之间的每个单元。例如，如果公开了10和15，则也公开了11、12、13和14。

在说明书和最后的权利要求中提及的组合物中的特定元素或组分的重量份表示组合物或制品中的元素或组分与任何其它元素或组分之间的重量关系，其中重量份表示。因此，在含有2重量份的组分X和5重量份的组分Y的混合物(compound)中，X和Y以2：5的重量比存在，并且不管该混合物中是否含有另外的组分均以这样的比例存在。

除非有明确的相反说明，否则组分的重量百分比(wt.％)是基于其中包含该组分的制品或组合物的总重量。

如本文所用，术语“任选的”或“任选地”是指随后描述的事件或情况可以发生或可以不发生，并且该描述包括其中所述事件或情况发生的情况以及其中所述事件或情况不发生的情况。

本发明公开了一种由微生物生物质生产工程化碳黑颜料的方法，其通过以下进行：对微生物生物质进行热处理以形成炭化生物质；洗涤该炭化生物质；以及将该炭化生物质研磨至颗粒大小在约0.01微米与约100微米之间以形成磨碎的微生物炭。在某些方面，微生物生物质包含多个原核细胞。在示例性方面，该多个原核细胞的平均大小低于20μm。根据某些实施方式，微生物生物质包含脱色的原核细胞。在示例性实施方案中，该脱色的原核细胞为节旋藻属。

在某些实施方案中，该方法进一步包括在热处理步骤之前洗涤微生物生物质的步骤。在实施方式中，洗涤步骤是在水中。在进一步的实施方式中，洗涤为酸洗，例如，将微生物生物质在酸性pH(诸如1.5)的溶液中温育。在示例性实施方式中，酸洗之后可进行一次或多次水洗。在进一步的实施方式中，酸洗之后可用碱性溶液洗涤或酸洗可用碱性溶液洗涤替换。

在某些方面，在热处理步骤之前，将微生物生物质干燥。在示例性实施方式中，在热处理步骤之前，将微生物生物质在约环境温度至约300℃的温度干燥。在某些实施方案中，热处理步骤以约1秒至约24小时的时间间隔进行。在示例性实施方式中，该时间间隔为约5分钟至约40分钟。在进一步的实施方式中，该时间间隔为约10分钟。

在某些实施方式中，进行热处理步骤直至达到预定的终点。在示例性实施方案中，进行热处理步骤直至炭化生物质由约20％至约75％的固定碳组成。在进一步的实施方案中，进行热处理步骤直至炭化生物质中的近似挥发物(proximate volatiles)的水平低于约25％。在更进一步的实施方案中，进行热处理步骤直至炭化生物质中的氧浓度低于约20％。在更进一步的实施方案中，进行热处理步骤直至氧浓度低于约10％。在更进一步的实施方案中，进行热处理步骤直至炭化生物质中灰分浓度低于约20％。根据进一步的实施方式，当炭化生物质具有固定碳与氧的预定比时，达到热处理步骤的终点。在这些实施方案的示例性实施方式中，当炭化生物质的最终氧与最终碳比率低于约0.30的氧：碳(例如，3份最终氧：10份最终碳)时，达到热处理终点。

根据进一步的方面，炭化生物质的洗涤为酸洗。在示例性实施方案中，酸洗包含将炭化生物质浸入pH稳定在约2以下的溶液中。在这些实施方式的示例性实施方案中，炭化生物质在降低的pH保持约1分钟至约1小时的时间间隔。在进一步的实施方式中，酸洗之后为在酸洗之后在水中洗涤炭化生物质的步骤。在这些实施方式的示例性方面，酸洗和随后的水洗产生多孔微生物炭。

根据某些方面，研磨步骤通过选自以下的设备进行：球磨机/介质研磨机、长间隙研磨机(long gap mill)、空气分级研磨机(air classification)、喷射研磨机、三辊研磨机、篮式研磨机、低温研磨机和旋风研磨机。在某些实施方式中，研磨步骤在不使用以下的情况下进行：颚式破碎机、锤磨机、锯磨机、冲击干燥磨机、造粒机、截断机(guillotine)、冲击干燥磨机、碎块机、刀磨机、针磨机、辊式破碎机、旋转磨机、振动滚筒或磁性滚筒，从而降低工艺的成本和复杂性。在某些替代实施方案中，研磨步骤通过选自以下的方法进行：氨冷冻爆炸(ammonia freeze explosion)、蒸汽水解和湿氧化。

在示例性实施方案中，进行研磨步骤直至研磨后的微生物炭的平均颗粒大小直径小于约10微米。

根据本文所公开的方法，可以对研磨后的微生物炭进行进一步处理或修饰以用于各种下游应用。

微生物生物质

本文公开或考虑的各种实施方案涉及自养和/或异养生物质(包括植物细胞、细菌和光合微生物)作为墨水、涂料和/或着色剂的用途。天然来源的、工程化的和/或处理的细胞可用于获得某些着色(pigmented)/有色(colored)的细胞/培养物。某些实施方式涉及在墨水和其它制剂中用作着色剂替代物的部分或全部细胞的使用，使得不需要从细胞中提取有色分子。

在某些实施方式中，微生物生物质包含多个原核细胞。在示例性方面，该多个原核细胞的平均单细胞大小低于20μm。根据某些实施方式，微生物生物质包含脱色的原核细胞。在示例性实施方案中，该脱色的原核细胞为节旋藻属。

各种实施方式利用细菌、藻类和蓝细菌的集落形成类型。在各种实施方式中，墨水制剂的聚集体直径(aggregate diameter)小于100微米。本公开的一个方面涉及颜料部分为约0.01-100微米的实施方式。应理解的是，这种大小允许增加颜料颗粒的量以分散至可接受的密度，从而可以获得深色。在各种实施方式中，可以以若干方式实现0.01-100微米的大小。在某些实施方式中，大小可以通过生长适当大小的生物细胞来实现。在替代实施方式中，大小可以通过将细胞或细胞聚集体研磨至适当大小(0.01-100微米)来实现。在又一个实施方式中，可以使用直径为0.01-100微米的细胞以及研磨聚集体。

根据某些具体实施，微生物生物质由多个微生物细胞组成。适用于所公开的微生物方法的微生物细胞包括异养微生物、自养微生物、混合营养微生物或嗜极端(extremophillic)微生物，包括微藻类、藻类、大型藻类、蓝细菌、真菌和细菌。在某些实施方案中，多个细胞为前述的混合。根据某些实施方案，包含多个微生物细胞的微生物为选自以下的一种或多种：集胞藻(Synechocystis)PCC 6803，聚球藻(Synechococcus)PCC 6717，聚球藻PCC 6301，聚球藻IU 625，聚球藻PCC 6312，细长聚球藻(Synechococcuselongatus)PCC 7942，念珠藻属(Nostoc sp.)，聚球藻6911，聚球藻(Synechococcusleopoliensis)，plankthorax rubescens，聚球藻PCC 7002，Arthospira platensis PCC7345，雨生红球藻(Haematococcus pluvailis)，Navicula pelliculosa，啮蚀隐藻(Cryptomonas erosa)，Rhodomonas minuta，淡色紫球藻(Porphyridium purpureum)，三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)，微拟球藻属(Nannochloropsis sp.)，集胞藻属(Synechocystis sp.)，聚球藻属(Synechococcus sp.)，念珠藻属(Nostoc sp.)，plankthorax sp.，Arthospira sp.，红球藻属(Haematococcus sp.)，舟形藻属(Naviculasp.)，隐藻属(Cryptomonas sp.)，红胞藻属(Rhodomonas sp.)，紫球藻属(Porphyridiumsp.)，三角褐指藻属(Phaeodactylum sp.)，微拟球藻属(Nannochloropsissp.)，团藻属(Volvox sp.)，太湖念珠藻属(Anabena sp.)，小球藻属(Chlorella sp.)，裸藻属(Euglena sp.)，硅藻属(Achnantes sp.)，葡萄藻属(Botryococcus sp.)，角毛藻属(Chaetoceros sp.)，色球藻属(Chroococcus sp.)，鼓藻属(Cosmariumsp.)，微胞藻属(Microcystis sp.)，微孢子门(Microspora sp.)，盘星藻属(Pediastrum sp.)，栅列藻属(Scenedesmus sp.)，水绵属(Spirogyra sp.)，螺旋藻属(Spirulina sp.)，双星藻属(Zygnema sp.)，绿菌属(Chlorobium sp.)，埃希氏杆菌属(Escherichia sp.)，螺菌属(Spirillum sp.)，色杆菌属(Chromobacterium sp.)，紫色杆菌属(Janthinobacteriumsp.)，链霉菌属(Streptomyces sp.)，黄杆菌属(Xanthomonas sp.)，八联球菌属(Sarcinasp.)，沙雷氏菌属(Serratia sp.)，根瘤菌属(Rhizobium sp.)，Prevotela sp.，放线菌属(Actinomyces sp.)，葡萄球菌属(Staphylococcus sp.)，变形菌属(Proteussp.)，微球菌属(Micrococus sp.)，皱纹单胞菌属(Rugamonas sp.)，假单胞菌属(Pseudomonas sp.)，螺杆菌属(Helicobacter sp.)，酵母属(Saccharomycessp.)，假丝酵母属(Candida sp.)，白冬孢酵母属(Leucosporidium sp.)，红酵母属(Rhodotorula sp.)，裂殖酵母属(Schizosaccharomyces sp.)，Dekkersp.，酒香酵母属(Brettanomyces sp.)，集胞藻属(Synechocystis sp.)，聚球藻属(Synechococcus sp.)，念珠藻属(Nostoc sp.)，plankthorax sp.，Arthospirasp.，红球藻属(Haematococcus sp.)，舟形藻属(Naviculasp.)，隐藻属(Cryptomonas sp.)，红胞藻属(Rhodomonas sp.)，紫球藻属(Porphyridiumsp.)，三角褐指藻属(Phaeodactylum sp.)，微拟球藻属(Nannochloropsissp.)，团藻属(Volvox sp.)，太湖念珠藻属(Anabena sp.)，小球藻属(Chlorella sp.)，裸藻属(Euglena sp.)，硅藻属(Achnantes sp.)，葡萄藻属(Botryococcus sp.)，角毛藻属(Chaetoceros sp.)，色球藻属(Chroococcus sp.)，鼓藻属(Cosmariumsp.)，微胞藻属(Microcystis sp.)，微孢子门(Microspora sp.)，盘星藻属(Pediastrum sp.)，栅列藻属(Scenedesmus sp.)，水绵属(Spirogyra sp.)，螺旋藻属(Spirulina sp.)，双星藻属(Zygnema sp.)，绿菌属(Chlorobium sp.)，埃希氏杆菌属(Escherichia sp.)，螺菌属(Spirillum sp.)，色杆菌属(Chromobacterium sp.)，紫色杆菌属(Janthinobacteriumsp.)，链霉菌属(Streptomyces sp.)，黄杆菌属(Xanthomonas sp.)，八联球菌属(Sarcinasp.)，沙雷氏菌属(Serratia sp.)，根瘤菌属(Rhizobium sp.)，Prevotela sp.，放线菌属(Actinomyces sp.)，葡萄球菌属(Staphylococcus sp.)，变形菌属(Proteussp.)，微球菌属(Micrococus sp.)，皱纹单胞菌属(Rugamonas sp.)，假单胞菌属(Pseudomonas sp.)，螺杆菌属(Helicobacter sp.)，酵母属(Saccharomycessp.)，假丝酵母属(Candida sp.)，白冬孢酵母属(Leucosporidium sp.)，红酵母属(Rhodotorula sp.)，裂殖酵母属(Schizosaccharomyces sp.)，Dekkersp.，以及酒香酵母属(Brettanomyces sp.)。本领域技术人员将理解，其它微生物也是可能的。

根据某些实施方案，每个完整微生物细胞的直径小于约100微米。根据这些实施方案的某些实施方式，微生物为红球藻属、裸藻属和/或Odontellasp.。

根据进一步的实施方式，每个完整微生物细胞的直径小于约10微米。根据这些实施方案的某些实施方式，微生物可为以下中的一种或多种：Plankthorax sp.，Arthospirasp.，集胞藻属(Synechocystis sp.)，聚球藻属(Synechococcus sp.)，念珠藻属(Nostocsp.)，Plankthorax sp.，Arthospira sp.，红球藻属(Haematococcus sp.)，舟形藻属(Navicula sp.)，隐藻属(Cryptomonas sp.)，红胞藻属(Rhodomonas sp.)，紫球藻属(Porphyridiumsp.)，三角褐指藻属(Phaeodactylum sp.)，微拟球藻属(Nannochloropsissp.)，硅藻属(Achnantes sp.)，葡萄藻属(Botryococcus sp.)，角毛藻属(Chaetocerossp.)，色球藻属(Chroococcus sp.)，鼓藻属(Cosmarium sp.)，微胞藻属(Microcystis sp.)，微孢子门(Microspora sp.)，盘星藻属(Pediastrum sp.)，栅列藻属(Scenedesmus sp.)，水绵属(Spirogyra sp.)，螺旋藻属(Spirulinasp.)，双星藻属(Zygnema sp.)，绿菌属(Chlorobium sp.)，埃希氏杆菌属(Escherichia sp.)，螺菌属(Spirillum sp.)，色杆菌属(Chromobacterium sp.)，紫色杆菌属(Janthinobacteriumsp.)，链霉菌属(Streptomyces sp.)，黄杆菌属(Xanthomonas sp.)，八联球菌属(Sarcinasp.)，沙雷氏菌属(Serratia sp.)，根瘤菌属(Rhizobium sp.)，Prevotela sp.，放线菌属(Actinomyces sp.)，葡萄球菌属(Staphylococcus sp.)，变形菌属(Proteus sp.)，微球菌属(Micrococussp.)，皱纹单胞菌属(Rugamonas sp.)，假单胞菌属(Pseudomonas sp.)，螺杆菌属(Helicobacter sp.)，酵母属(Saccharomyces sp.)，假丝酵母属(Candidasp.)，白冬孢酵母属(Leucosporidium sp.)，红酵母属(Rhodotorula sp.)，裂殖酵母属(Schizosaccharomyces sp.)，Dekker sp.，酒香酵母属(Brettanomycessp.)，乳杆菌属(Lactobacillus sp.)，火球菌属(Pyrococcus sp.)，棒状杆菌属(Corynebacterium sp.)，曲霉属(Aspergillus sp.)，芽孢杆菌属(Bacillussp.)，链球菌属(Streptococcus sp.)，醋菌属(Acetobacter sp.)，梭菌属(Clostridium sp.)，木霉属(Trichoderma sp.)，青霉菌属(Penicillium sp.)，原绿球藻属(Prochlorococcus sp.)，太湖念珠藻属(Anabenasp.)，小球藻属(Chlorella sp.)，蓝细菌属(Thermosynechococcus sp.)，衣藻属(Chlamydomonas sp.)，粘球藻属(Gloeocapsa sp.)，项圈藻属(Anabaenopsissp.)，眉藻属(Calothrix sp.)，颤藻属(Oscillatoria sp.)，粘杆菌属(Gloebactersp.)，Cyanidioschyzon sp.，隐甲藻属(Crypthecodinium sp.)，和/或Galdieriasp.。

在某些实施方案中，包含微生物生物质的多个微生物细胞包含完整的全细胞微生物。在替代实施方案中，微生物生物质包含破裂的微生物细胞(例如，细胞壁和/或细胞膜的完整性已被破坏)。在这些实施方案的某些方面中，微生物生物质包含破裂的微生物细胞组分。根据这些实施方案的某些实施方式，从微生物生物质中除去一种或多种微生物组分。在示例性实施方案中，从微生物生物质中除去脂质、氨基酸、矿物质和/或着色剂分子。

在某些实施方案中，多个微生物细胞已经除去着色剂，但是细胞在其他方面保持完整。

微生物生物质的纯化

在一个方面，对微生物生物质进行纯化步骤。在某些实施方式中，纯化步骤从微生物生物质除去生长培养基。根据进一步的实施方式，纯化步骤进一步包含除去内部细胞组分。根据某些实施方案，内部细胞组分是以下组分中的一种或多种：脂质、氨基酸、矿物质和着色剂分子。在某些实施方案中，除去的细胞组分为前述的组合。

根据某些方面，通过单独的机械洗涤或结合化学洗涤过程的方式除去内部细胞组分。在某些替代实施方案中，可以在没有机械洗涤的情况下进行化学洗涤。在某些方面，纯化步骤除去生长培养基和/或由本文公开的任何处理步骤产生的溶液的盐和其它组分。在示例性实施方案中，通过纯化步骤除去在细胞生长环境、细胞浓缩物、细胞溶液和/或细胞粉末中发现的污染物或不需要的物质。

在某些方面，化学洗涤步骤包括用酸溶液(例如，盐酸、甲酸、乙酸、磷酸)、水和/或磷酸盐缓冲盐水溶液洗涤微生物生物质。

在某些方面，纯化步骤还包含用液体冲洗生物质并将生物质温育约1分钟至约24小时的时间。在某些实施方式中，洗涤液为水性、有机或离子基液体。

在这些实施方案的示例性方面，将生物质在约-30℃与约300℃之间的温度温育。

在这些实施方案的某些示例性方面，，将微生物生物质用磷酸洗涤处理(然后分散在1M磷酸中，并在70℃在搅拌下消化(溶解)1小时。此后，除去加热并将悬浮液在环境室温下混合另外的时间间隔。在示例性实施方案中，该时间间隔为约24小时。根据这些实施方案，长期室温消化溶解矿物杂质，然后过滤矿物杂质并使用去离子(DI)水洗涤矿物杂质。

根据更进一步的实施方案，纯化方法进一步包含用洗涤剂溶液冲洗生物质。

根据更进一步的实施方案，纯化步骤进一步包含微生物生物质的超声处理。

预热处理洗涤

在某些实施方式中，在热处理之前将微生物生物质洗涤。该洗涤步骤可以为纯化步骤的补充，或在某些实施方式中替代前述纯化步骤。在某些实施方式中，不进行预热洗涤步骤。根据某些实施方案，洗涤为酸洗(例如，用HCl，pH 1.5)。在进一步的实施方案中，酸洗之后可进行一次或多次水洗。在某些实施方式中，酸可根据以下程序进行：可将炭化生物质与酸(例如，1％盐酸(15.9mL在500mL DI水中)一起温育，随后在DI水中洗涤两次或更多次。根据这些示例性实施方案，每次洗涤在环境温度在振荡培养箱中进行约15分钟。洗涤后，可以将炭化生物质离心，然后再悬浮用于后续洗涤或进一步处理。

在某些实施方案中，纯化步骤和/或洗涤步骤使单个细胞的结构特征的实质性改变。在某些替代实施方案中，纯化步骤和/或洗涤步骤对单个细胞的结构特征具有最小影响或没有影响。

干燥

在某些方面，将微生物生物质干燥以降低水分含量并浓缩细胞。在某些实施方式中，将微生物生物质干燥至水分含量在约10％至20％之间。在进一步的实施方案中，将微生物生物质干燥至水分含量达到约5％或更低。干燥步骤可根据本领域已知的多种技术进行。在示例性实施方案中，将细胞通过以下方式干燥：滚筒过滤(drum filtration)，过滤/干燥，终端过滤，微滤，超滤，加压过滤，真空过滤，切向流过滤，硅藻土过滤，膜过滤，磁分离，正向渗透，电浮选，辊压机，带式收割机，毛细管提取，简单加热/蒸发，水力旋流器，错流，辅助分离(磁、电、介电、声)，颗粒床过滤器，预涂过滤器，盘堆离心(disc stackcentrifugation)，错流过滤，倾析器离心(decanter centrifugation)，喷雾干燥或有机絮凝。干燥可通过Advancement and Challenges in Harvesting Techniques for Recoveryof Microalgae Biomass,Difusa et.al中描述的技术来完成，其以引用的方式整体并入本文。

在某些示例性实施方案中，微生物生物质通过絮凝的方式干燥。根据这些实施方案，可使用多价金属盐。在某些实施方案中，其中使用自动絮凝，例如在8-13的pH，并通过添加聚电解质、聚合物、壳聚糖、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氢氧化镁和/或碳酸钠来触发。

热处理

根据某些实施方案，在干燥微生物生物质之后，对微生物生物质进行热处理以产生微生物炭。在某些方面，热处理在反应容器中进行。在示例性实施方式中，该反应容器能够产生气密密封，从而排除任何另外的气体被引入生产过程中。在一个实施方案中，可以向容器中加入惰性气体，以驱除任何不需要的气体如二氧化碳、氧气和任何其它反应性气体物质。在某些替代实施方案中，将空气和其它反应性气体添加到燃烧室中，以提高总燃烧温度并促进该室内的化学反应。在另一个实施方案中，可以在连续的步骤中将不同类型的惰性和反应性气体引入反应室，以在加热过程中的不同点获得不同类型的反应。合适的反应容器包含本领域已知的各种反应容器。示例性反应容器包括但不限于：间歇式反应器，回转窑(立式或卧式)，竖炉，流化床，萌芽床(sprouted bed)，气流床(entrained bed)，螺旋反应器，赫里绍夫多膛烘干炉(herreshoff over)/多膛烘干炉，torbed反应器，微波反应器，紧凑型移动床，带式干燥机/反应器和固定床反应器。

在某些方面，细胞的热处理通过选自以下的方法进行：热解、气化、燃烧、热氧化分解、烘干(torrefaction)和水热碳化。在某些实施方案中，热处理步骤涉及使用前述的组合。

根据某些实施方式，热处理步骤是在约100℃至约2000℃的温度范围。在某些进一步的实施方式中，该温度范围为约100℃至约1000℃。在进一步的方面中，热处理温度范围为200℃至约800℃。在进一步的方面中，热处理温度范围为250℃至约750℃。在进一步的方面中，热处理温度范围为300℃至约700℃。在进一步的方面中，热处理温度范围为350℃至约750℃。在更进一步的方面中，热处理温度范围为400℃至约700℃。在又进一步的实施方式中，热处理步骤为约400℃。在某些示例性实施方式中，温度以逐步的间隔升高。在某些替代实施方式中，温度在预定间隔内以恒定速率升高。

在某些方面，热处理步骤以约1秒至约24小时的时间间隔进行。在进一步的方面中，该时间间隔为在约600℃进行热处理步骤且以约5-7分钟的时间间隔。

根据某些实施方式，进行热处理步骤直至达到预定的终点。根据示例性实施方式，当炭化生物质包含约20％至约75％的固定碳时达到终点。根据进一步的实施方案，当炭化生物质包含约20％至约50％的固定碳时达到终点。在更进一步的实施方案中，当炭化生物质包含约20％至约30％的固定碳时达到终点。

在进一步的实施方案中，进行热处理步骤直至炭化生物质中的近似挥发物的水平低于约25％。在进一步的实施方案中，进行热处理步骤直至炭化生物质中的近似挥发物的水平低于约20％。在又进一步的实施方案中，进行热处理步骤直至炭化生物质中近似挥发物的水平为约15％至约25％。

在更进一步的实施方案中，进行热处理步骤直至炭化生物质中的氧浓度低于约20％。在更进一步的实施方案中，进行热处理步骤直至氧浓度为约10至15％。

根据更进一步的实施方案，进行热处理步骤直至炭化生物质中灰分浓度低于约20％。根据某些进一步的实施方案，进行热处理步骤直至炭化生物质中灰分浓度为约10％至20％。在更进一步的实施方案中，进行热处理步骤直至炭化生物质中灰分浓度低于约10％。

在某些方面，热处理步骤终点由氧与固定碳的预定比例所限定。在这些实施方案的示例性实施方式中，当炭化生物质的最终氧与最终碳之比低于约0.30的氧：碳(例如，3份最终氧：10份最终碳)时，达到热处理终点。

在某些实施方案中，当达到前述参数中的两个或更多个时达到终点。

研磨

在某些实施方式中，需要研磨细胞培养组分以获得颗粒直径大小在0.01微米与100微米之间的值的可接受的颜料颗粒大小或细胞聚集体直径。在某些实施方案中，研磨步骤通过选自以下的设备进行：研钵/研杵，旋转滚筒，振动滚筒，磁性滚筒，辊磨机，珠磨机搅拌器，盘磨机，篮式研磨机，喷射研磨机机，球磨机，颚式破碎机，转子磨，切割磨机，刀磨机，低温研磨机机，锤式磨机，针磨机，旋风研磨机和分级磨。

根据进一步的实施方案，研磨步骤通过选自以下的方法进行：氨冷冻爆炸、蒸汽水解和湿氧化。

根据更进一步的实施方案，研磨步骤通过超声破碎进行。

根据某些实施方案，进行研磨步骤直至研磨后的微生物炭的平均颗粒大小直径小于约10微米。

在某些实施方式中，研磨步骤包含在研磨期间向炭化生物质添加一种或多种机械研磨添加剂。根据进一步的实施方案，该一种或多种机械研磨添加剂选自钢，铬，不锈钢，陶瓷，橡胶，石器，铝，镁，氧化锆，瓷器，二氧化硅和玻璃。根据某些进一步的实施方案，机械研磨添加剂具有直径为约1/32英寸至约5英寸的颗粒大小。

在某些方面，研磨步骤包含在研磨期间向炭化生物质添加一种或多种化学研磨添加剂。在这些实施方案的某些实施方式中，该一种或多种化学研磨添加剂选自分散剂、表面活性剂、润湿剂、抛光化合物、皂洗涤剂、超分散剂、非离子高HLB聚烷氧基化表面活性剂、非离子聚合物、消泡剂、水、树脂、表面张力改性剂、疏水性阴离子聚合物、炔二醇(acetylenicdiol)和乙炔二醇(acetylenediol)。

磨碎的微生物炭的研磨后改性

根据某些实施方案，所公开的方法还包含在研磨步骤之后对磨碎的微生物炭进行改性。在某些方面，这些研磨后改性步骤旨在减小单个颗粒大小。在进一步的方面中，进行这些步骤以实现所需的颗粒表面特性，从而使微生物炭适用于特定应用。根据某些实施方案，研磨后的改性旨在降低微生物炭的重金属含量。在进一步的实施方案中，研磨后处理旨在除去可溶性无机盐和/或降低灰分含量。在更进一步的实施方案中，研磨后改性会降低总溶解固体的浓度。在进一步的实施方式中，研磨后改性包含调节pH和/或提高颗粒的表面积。在进一步的方面中，研磨后处理旨在进一步降低微生物炭的水分含量。

在某些方面，微生物炭的改性是通过向微生物炭中添加化学添加剂来进行的。根据这些实施方案的某些实施方式，该化学添加剂可为：芳香族化合物，醇，盐(例如，过硫酸铵)，表面活性剂(例如，Avenel)，油/脂肪/脂肪酸/脂质，水(例如，蒸汽)，离子液体，氢化，化学水解，酶促水解，碱性溶剂(例如，氢氧化钠、氨、二氧化碳)，二氧化碳，氯气，硫气，氮气和氧气。

在某些实施方式中，磨碎的微生物炭表面改性是通过过氧化氢处理进行的。在示例性实施方案中，在研磨之后，将微生物炭通过冷冻干燥分离并分析纯度。在分离之后，将微生物炭用30％(w/w)过氧化氢溶液进一步官能化并回流。在某些实施方案中，回流在约60℃进行约24小时。回流后，除去过量的过氧化氢。在示例性实施方案中，通过对管中的DI水进行透析除去过氧化氢，直至检测不到残余的过氧化物。然后可以将最终官能化的粉末再次冷冻干燥，并通过SEM EDS分析以帮助测量表面改性的程度。

根据进一步的方面，磨碎的微生物炭的改性包含将微生物炭干燥。根据这些实施方案，该干燥步骤通过选自以下的方法进行：滚筒过滤，终端过滤，微滤，超滤，加压过滤，真空过滤，切向流过滤，硅藻土过滤，膜过滤，磁分离，正向渗透，电浮选，辊压机，带式收割机，毛细管提取，简单加热/蒸发，水力旋流器，错流，辅助分离(磁、电、介电、声)，颗粒床过滤器，预涂层过滤器，盘堆离心，错流过滤，倾析器离心和有机絮凝。在某些实施方案中，干燥步骤通过前述的组合进行。

在某些方面，进行磨碎后干燥步骤直至达到预定的水分减少阈值。在某些示例性实施方案中，进行干燥步骤直至微生物炭的水分含量降低至约低于8％。

转向附图，在一些实施方案中，如图1所示，方法100包括可以以任何顺序执行的各种可选步骤和子步骤。在各种实施方案中，如将会被理解的，该方法可以在任何步骤处开始并相应地进行。

在一个实施方案中，方法100包括选择或提供旨在用于炭化的细胞(方框102)。在另一步骤中，通过化学和/或机械过程除去细胞的各种组分(方框104)。在另一步骤中，将细胞干燥(方框106)。

在各种这些实施方案中，在另一步骤中对干燥的细胞进行热处理(方框108)。在进一步的步骤中，通过化学和/或机械洗涤来洗涤经热处理的细胞(方框110)。然后可在后续步骤中经洗涤的细胞干燥(方框112)。在另一步骤中，经洗涤和干燥的细胞然后被研磨(grind)和/或碾磨(mill)(方框114)。在后续步骤中，形成分散体(dispersiondevelopment)(方框116)。在最后步骤中，为特定市场生产最终制剂(方框118)。

在替代实施方案中，方法100从对细胞进行热处理开始(108)。在这些和其他实施方案中，热处理(108)之后为化学和/或机械洗涤(方框110)和干燥(112)。进一步的步骤包括研磨和/或碾磨(方框114)。另一个步骤包括分散体形成。更进一步的步骤包括用于特定市场或最终产品的最终制剂(方框118)。

在各种替代实施方案中，如图2所示，方法100具有获得旨在用于炭化的细胞的第一步骤(方框102)。在第二步骤中，对所获得的细胞进行化学和/或机械洗涤(方框132)。在另一步骤中，将经洗涤的细胞干燥(方框134)。在进一步的步骤中，将干燥的细胞研磨和/或碾磨(方框136)。在更进一步的步骤中，将细胞干燥和热处理(方框138)。在下一步骤中，将经热处理的细胞研磨和/或碾磨(方框140)。接下来，形成分散体(方框142)。在后续步骤中，根据特定市场的最终制剂来生产最终产品(方框144)。

图3描绘了方法100的另一个实施方案。在第一步骤中，选择和/或获得旨在用于炭化的细胞(方框150)。在进一步的步骤中，通过化学和/或物理处理将各种细胞组分从细胞中除去(方框152)。在进一步的步骤中，将细胞通过物理和/或机械洗涤(方框154)。在一些实施方式中，除去和洗涤步骤可以以循环方式重复。在一些实施方案中，下一步骤为干燥(方框156)，以产生干燥产物。在进一步的实施方案中，将干燥产物通过研磨和/或碾磨过程进行研磨和/或碾磨(方框158)。在另一步骤中，对细胞进行热处理(方框160)。在各种实施方案中，热处理(方框160)为干法热处理。在进一步的步骤中，将经热处理的产物通过研磨和/或碾磨过程进行研磨和/或碾磨(方框162)。在另一步骤中，形成分散体(方框164)。在最终步骤中，为所需市场生产最终制剂(方框166)。

图4示出了方法100的另一种可选实施方式。在该实施方案中，方法100从旨在用于炭化的细胞开始(方框170)。接下来，对细胞进行化学和/或机械处理以除去细胞的组分(方框172)。接下来，对细胞进行化学和/或机械洗涤(方框174)。在一些实施方案中，除去和洗涤的步骤可以重复地和/或以循环方式进行，直到制得所需中间产物。在另一步骤中，将细胞干燥(方框176)。在下一步骤中，对细胞进行干法热处理(方框178)。在另一步骤中，将细胞进行研磨和/或碾磨(方框180)。在另一步骤中，形成分散体(方框182)。在下一步骤中，将细胞置于最终制剂中(方框184)。

图5示出了方法100的另一种示例性实施方案。首先，提供要在该过程中使用的细胞(方框200)。第二，对细胞进行化学和/或机械处理以除去细胞的各种组分(方框202)。接下来，对细胞进行化学和/或机械洗涤(方框204)。在第四步骤中，对细胞进行湿热处理(方框206)。在另一步骤中，将经热处理的细胞通过研磨和/或碾磨过程进行研磨和/或碾磨(方框208)。在下一步骤中，用细胞形成分散体(方框210)。在最后步骤中，将细胞置于最终制剂中(方框212)。

图6示出了另一替代实施方案。在一个步骤中，提供用于方法100的细胞(方框220)。在另一步骤中，将细胞进行化学和/或机械处理以除去细胞的组分(方框222)。在另一步骤中，对细胞进行湿热处理(方框224)。另一步骤包括细胞的研磨和/或碾磨(方框226)。在另一步骤中，形成分散体(方框228)。在最后步骤中，根据最终制剂生产墨水或最终产品(方框230)。

本领域技术人员将理解，根据所使用的微生物生物质的性质和所需最终产物的特性，可以包括或省略本文公开的各个步骤。作为非限制性实例，在某些实施方案中，该方法为热处理步骤，接着是洗涤步骤，接着是研磨步骤。在进一步的实施方案中，该方法为热处理步骤，接着是研磨步骤。在更进一步的实施方案中，该方法为洗涤步骤，接着是热处理步骤，接着是研磨步骤。在甚至进一步的实施方案中，该方法为洗涤步骤，接着是热处理步骤，接着是研磨步骤，接着是洗涤步骤。在更进一步的实施方案中，该方法为洗涤步骤，接着是热处理步骤，接着是洗涤步骤，接着是研磨步骤。

墨水制剂

经处理的微生物生物质的浓度可以为墨水和/或着色剂制剂的总组合物的0.1-100％(w/w)。除了替代已知制剂的颜料部分之外，微生物细胞还可部分或完全替代添加其他制剂组分(树脂、油/载体、添加剂)，这些组分通常存在于为特定行业开发的制剂中，其可利用这种着色剂技术。这是因为特定细胞类型内的总细胞组分(脂肪酸、蛋白质、碳水化合物、矿物质等的浓度和/或类型)的变化可改变对传统上需要添加到墨水和/或着色剂制剂中的特定制剂组分的需要。这些颜料可用于有机溶剂基着色剂制剂以及水基的或辐射固化的着色剂制剂中。

或者，可以应用某些方法以提高生物细胞的完整性，因为它们在各行业中被用作着色剂。策略可包括但不限于在着色剂配制之前向细胞培养物中添加防腐剂。当应用各种处理以配制用于着色剂应用的细胞时，这些防腐剂的作用是提高单个细胞的完整性。这些防腐剂可以包括但不限于以下未稀释的或任何浓度的：单糖和多糖，单糖醇和多糖醇，葡糖基甘油，甘油(glycerol)，葡萄糖(dextrose)，蔗糖，海藻糖，聚乙二醇，丙二醇，丙三醇(glycerine)，聚乙烯吡咯烷酮，山梨糖醇，右旋糖酐，甲醇，糊精，二甲基亚砜(DMSO)，苯甲酸钠，偏硫酸氢钾，柠檬酸钠，氯化钠，硫酸纤维素，洛克氏溶液(lock’s solution)，依克多因(ectoine)，林格氏溶液(Ringer’ssolution)，明胶，血浆，氨基酸，肽或蛋白质或其组合如胚胎发生晚期丰富(Late Embryogenesis Abundant,LEA)蛋白。

提高用于墨水和/或着色剂制剂中的细胞的完整性的另外的策略包括生物细胞的包封。包封介质可以包括但不限于未稀释的或任何浓度的以下基质：海藻酸盐-聚赖氨酸-海藻酸盐(APA)微胶囊，海藻酸钠，硫酸纤维素，海藻酸钙，牛血清蛋白，胶原，壳聚糖，明胶，琼脂糖和福尔马林。

在某些实施方式中，包括上述技术的墨水和/或着色剂的组合物可以不与特定目标行业中通常使用的分子组分或与通常使用的分子组分的任何混合物组合。这些包括但不限于以下：颜料，树脂，油/载体，添加剂，粘合剂和/或树脂，丙烯酸树脂，低聚物，共聚物，uv/eb树脂，苯乙烯树脂，二甲苯，甲苯和聚氨酯树脂，耐磨添加剂，粘合促进剂，排气添加剂(air-release additive)，抗结块添加剂，抗缩孔添加剂，抗漂浮添加剂，抗絮凝添加剂，抗浮色(anti flooding)添加剂，消泡添加剂，脱气添加剂(anti-gassing agent)，抗流挂添加剂，抗凝结添加剂，抗静电添加剂，杀真菌剂，阻隔添加剂，载体基质，催化剂，螯合添加剂，耐化学品添加剂，聚结助剂，锁色添加剂，导电添加剂，防腐添加剂，偶联剂，交联剂/扩链剂，固化剂，脱气剂(deaerator)/脱气剂(anti-gassing agent)，干燥剂(dessicant)/干燥剂(drier)，分散添加剂，乳化添加剂，成膜添加剂，阻燃剂，增韧剂，流动和流平添加剂，荧光增白剂，自由流动添加剂，光泽增强剂，硬化剂，耐热添加剂，抗冲改性剂，引发剂，润滑剂，耐擦伤/划伤性添加剂，消光平光添加剂，除湿剂，遮光剂，pH控制剂，增塑剂，增强添加剂，脱模助剂，耐擦洗添加剂，防滑/防滑添加剂(skid/slip resistant)，滑爽添加剂，耐溶剂添加剂，特效添加剂，和润湿添加剂。

根据所公开的方法制备的颜料和着色剂适用于各行业应用。这些应用包括但不限于以下：油漆生产行业，墨水生产行业，颜料生产行业，涂料行业，着色剂行业，喷墨行业，印刷行业，纺织品行业，食品着色剂行业，营养品行业，农业行业，肥皂和美容(grooming)行业，化妆品行业以及包含在其中的任何行业。

可用于本发明的印刷类型包括但不限于以下：丝网和圆网涂布，丝网印刷，平版胶印，柔性版印刷，正辊涂布，逆转辊涂布，喷涂，气刀涂布，网纹涂布，柔性版涂布，浸涂涂布，计量棒涂布，辊涂，吻合涂布，挤出涂布，幕涂，浸涂，旋涂，数字印刷：喷墨和静电复印，凹版印刷，3-D打印，染料升华，移印，凸版印刷，凹版印刷，辐射固化，热染料升华以及其中描述的印刷类型的任何子集。

可利用本技术的墨水类型包括但不限于以下：水基墨水，溶剂墨水，植物墨水，胶乳基墨水，辐射固化墨水，相变墨水以及其中描述的印刷类型的任何子集。

在某些实施方式中，墨水和/或着色剂制剂的生产包含多个步骤。在一个步骤中，将25ml的微生物的高密度培养物(如通过～15OD730的培养物的光密度测量的)在合适的离心装置中以3000-10000X g的任意速率(anywhere)离心。在进一步的步骤中，倾析上清液，在管中只留下细胞和少量生长培养基。剩余细胞的浓度应占总体积的5％-25％。向该溶液中加入200mg纤维素(组成40g/l浓度)以及200μL阿拉伯树胶，以使阿拉伯树胶的浓度为总溶液体积的4％。这产生了5ml最终墨水溶液，其适用于丝网印刷机上。

在某些实施方式中，需要研磨细胞培养组分以获得颗粒大小在0.01微米和100微米之间的值的可接受的颜料颗粒大小或细胞聚集体直径。可以使用的颗粒大小减小方法可以包括但不限于以下：研钵/研杵，旋转滚筒，振动滚筒，磁性滚筒，辊磨机，珠磨机搅拌器，盘磨机，篮式研磨机，喷射研磨机机，球磨机，颚式破碎机，转子磨，切割磨机和刀磨机。除了研磨方法之外，可以将各种物理研磨介质以及化学添加剂引入任何上述研磨方法中，以进一步提高研磨效率。物理添加剂诸如研磨介质可包括但不限于以下：钢，铬，不锈钢，陶瓷，橡胶，石器，铝，镁，氧化锆，瓷器，二氧化硅和玻璃。这种研磨介质可具有直径在1/32英寸至5英寸范围内的各种大小。化学添加剂可包括分散剂，表面活性剂，润湿剂，抛光化合物，皂洗涤剂，超分散剂，非离子高HLB聚烷氧基化表面活性剂，非离子聚合物，消泡剂，水，树脂，表面张力改性剂，疏水性阴离子聚合物，炔二醇和乙炔二醇。

通过热处理生产生物细胞衍生的黑色着色剂

在各种制剂和各行业中用作着色剂的生物衍生的黑色生物炭颜料：在某些实施方式中，黑色生物衍生的颜料可用于各种可能的墨水和/或着色剂实施方案中。可以利用各种生物来源作为用于生产黑色生物衍生颜料的“起始”材料，如本文前面所述。可以使用几种机制来获得黑色生物衍生颜料。生产机制的一个实施方案包括在生物质的生长、分离和脱水之后进行的处理步骤。该处理步骤利用可以应用于微生物培养物的热处理方法，该微生物培养物包含本文前面描述的一种或多种生物质源。热解、气化、燃烧和/或这些方法的组合可用于产生最终的微生物衍生的黑色颜料。在该方法中，从细胞培养物中除去生长培养基，使得微生物培养物的水分含量为0％至75％v/v。这种预干燥可包括但不限于以下方法：环境空气干燥，鼓风干燥，蒸汽干燥，离心，喷雾干燥和气流粉碎。然后将这种干燥的藻类培养物置于能够产生气密密封的适当容器中，以排除任何另外的气体被引入到生产过程中。在一个实施方案中，可以向容器中加入惰性气体，以驱除任何不需要的气体如二氧化碳、氧气和任何其它反应性气体物质。在单独的实施方案中，将空气和其它反应性气体添加到燃烧室中，以提高总燃烧温度并促进燃烧室内的化学反应。在另一个实施方案中，可以在连续的步骤中将不同类型的惰性和反应性气体引入反应室，以在加热过程中的不同点获得不同类型的反应。一旦将微生物生物质添加到合适的室中，则将该室加热至可在100℃至1000℃范围内或其间的任何温度的恒定温度。在替代实施方案中，可在特定时间段内将多个温度阶段应用于生物质室。一旦达到适当的温度设置，将温度保持特定的时间长度，该时间长度可以在1分钟至24小时的范围内。对整个加热过程中可能需要的任何温度设置重复该过程。达到稳定的保持温度所需的时间长度可快速匀变(在两个处理温度之间持续数秒)，或者可相当缓慢地匀变，如在6小时内，或者在这些提供的匀变速率之间的任何时间。一旦完成所需加热方案，微生物生物质的冷却可遵循加热过程中描述的逐步过程或分阶段过程。可能需要或可能不需要藻类生物质的进一步加工。在一个实施方案中，对生物质进行冲洗。该冲洗过程包括向生物质添加液体并将生物质加热至30摄氏度与300摄氏度之间的温度持续一段设定的时间量，该时间量可落入5分钟至12小时的范围内。这些方法可在同一批微生物生物质上进行一次或可能多次。在该方法中可包括或可不包括另外的干燥步骤。可使用和/或实施特定的设备和/或方法，以减少在颜料处理过程中可能发生的颗粒结块的总量。在最终干燥过程完成之后，可实施或可不实施研磨过程。另外，较大的表面积和较小颗粒大小的表面处理可通过气体处理、化学处理或颜料制造部分的技术人员已知的其它表面处理来实现。

实验实施例

提出以下实施例以向本领域普通技术人员提供如何制造和评估本文要求保护的制品、装置和/或方法的完整公开和描述，并且旨在纯粹是本发明的示例，而不旨在限制发明人认为的其发明的范围。然而，根据本公开，本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对所公开的具体实施方案进行许多改变，并且仍然获得类似或相似的结果。

程序

除非另有说明，否则所有数据均按照以下程序收集：

TGA程序(炭化过程)：

热重分析或热解重量分析(TGA)是一种热分析方法，其中随着温度变化随时间测量样品的质量。将最大量的粉末状材料(筛分至<50μm)装入5mL TGA杯中(通常为2-3g)。在运行开始之前以及在运行期间，将仪器用氮气吹扫15min，以在杯子周围形成惰性气氛。运行是通过以30℃/min升温至150℃，然后以50℃/min升温至设定温度进行的。测试持续时间(保持在设定温度)为15分钟，随后在测试完成时被动冷却。产率测量是通过测量每个样品之前和之后的质量进行的。除非个别表中另有说明，否则所有样品在设定温度500℃炭化。

PSD程序(中值大小和平均大小测量)：

使用Horiba颗粒大小分布分析仪LA-950V2测量样品的颗粒大小分布。对于含有较大颗粒(＞100μm)的样品，使用不同大小的筛的手动干筛法与Horbia结合使用。

SEM程序(SEM图像)：

在TGA之前和之后获得所有样品的扫描电子显微图像。使用Jeol/EQInTouchscope获取图像。将5-10mg样品撒在固定至SEM stub上的双面碳上。样品在成像过程中用金和钯溅射涂覆以减少任何充电。在150x、500x和1500x放大倍率下获取图像。

用于颜色分析的颜料分散体的制备：(Ave.L、Ave.A和Ave.B测量和刮样(Drawdown)图像)

制备分散母料混合(master mix)：

DI水	0.26g
		中和的Joncryl 296	0.689g
分散剂CT171	0.078g
		消泡剂DF58	0.013g

将2g锆珠与1.1ml分散母料混合。向该分散体混合物中加入0.2g TGA样品。使用Biospec 3110Bx Mini beadbeater，以42R速度珠打3分钟(间隔30秒，停止1分钟)制备颜料分散体。将管在室温下温育15分钟以冷却。150L用于使用研磨量具测定颗粒大小。250uL用于在Leneta墨水测试片上刮涂。将刮样干燥24小时，然后使用YD 5050分光密度计通过3nH进行L、a、b测量。

酸洗用于颜色分析：(Ave L、Ave.A、Ave.B-炭化后洗涤数据)

对基线、基线再运行和预洗涤的样品进行TGA后酸洗。1g TGA后样品用25ml 1％盐酸(生物质比为1：25)洗涤。通过15分钟振荡温育实现洗涤。以5000g离心5分钟以收集经酸洗的炭。用25ml DI水进行水洗以除去溶于水中的残余酸和盐。将经洗涤的炭在55℃干燥过夜。由如上所述制备的酸洗的炭形成分散体。记录未洗和酸洗后的颜色差异。

分散体刮涂：

将250μl的颜料分散体使用#7棒在vellam不透明Leneta墨水测试片上以一致的速度刮涂。使墨水干燥24h，然后使用分光密度计进行L、a、b测量。三个L、a、b值取自刮样上3个不同区域并取平均值。

实施例1

以下数据表(表1和2)以及图7和8突出显示了以几种不同形式在原核生物螺旋藻(Spirulina)上收集的数据。实验名称：基线试验。

在炭化之前，通过手工筛分将所有起始生物质材料筛分至低于50μm。

关键：

·近似-按照ASTMD 3172测定水分、灰分、挥发物和固定碳的测定法。

·最终-在煤和焦炭的情况下，测定材料中的碳和氢，如在其完全燃烧的气态产物中发现的，将材料中的硫、氮和灰分作为一个整体测定，并通过差值计算氧。该数据根据ASTM D3176测定。

·WC＝全细胞

·NO CHAR＝在预炭样品上收集数据

·未洗涤＝在任何炭化后洗涤之前收集数据

·炭化后洗涤＝对炭化的材料进行酸洗后收集数据

·脱色螺旋藻＝在取样前通过除去溶剂而除去有色分子

·温度表示样品在指定时间炭化的温度

·生物质来源/替代命名结构：

·螺旋藻：Earthrise Nutraceuticals

表1：

表2：

实施例2

下面的数据表(表3和4)以及图9和10突出显示了以几种不同形式在真核生物微拟球藻(Nannochloropsis)上收集的数据。实验名称：基线再运行。

关键：

·近似-按照ASTMD 3172测定水分、灰分、挥发物和固定碳的测定法。

·最终-在煤和焦炭的情况下，测定材料中的碳和氢，如在其完全燃烧的气态产物中发现的，将材料中的硫、氮和灰分作为一个整体测定，并通过差值计算氧。该数据根据ASTM D3176测定。WC＝

全细胞

·NO CHAR＝在预炭样品上收集数据

·未洗涤＝在任何炭化后洗涤之前收集数据

·炭化后洗涤＝对炭化的材料进行酸洗后收集数据

·脱脂微拟球藻＝在取样前通过除去溶剂而除去脂质分子

·温度表示样品在指定时间炭化的温度

·生物质来源/替代命名结构：

·脱脂微拟球藻：Qualitas Health

表3：

表4：

实施例3：

下面的数据表(表5和6)和图10-20突出显示了以几种不同形式在多种原核生物和真核生物物种上收集的数据。实验名称：物种差异/残留生物质。

关键：

·近似-按照ASTMD 3172测定水分、灰分、挥发物和固定碳的测定法。

·最终-在煤和焦炭的情况下，测定材料中的碳和氢，如在其完全燃烧的气态产物中发现的，将材料中的硫、氮和灰分作为一个整体测定，并通过差值计算氧。该数据根据ASTM D3176测定。

·WC＝全细胞

·NO CHAR＝在预炭样品上收集数据

·未洗涤＝在任何炭化后洗涤之前收集数据

·脱脂微拟球藻＝在取样前通过除去溶剂而除去脂质分子

·脱脂/脱蛋白微拟球藻＝通过单独的方法除去脂质和蛋白质

·温度表示样品在指定时间炭化的温度

·生物质来源/替代命名结构：

·大肠杆菌(E.coli)-Internal菌株

·酵母(Yeast)-Internal菌株废弃生物质

·全细胞螺旋藻-Earthrise品牌-购自零售店

·全细胞微拟球藻-Qualitas Health

·全细胞小球藻(Chlorella)-Manna品牌，购自零售店

·松木锯末-市售

·脱脂微拟球藻-Qualitas Health

·脱脂/脱蛋白微拟球藻-Qualitas Health

表5：

表6：

实施例4：

下面的数据表(表7和8)和图21-26突出显示了以几种不同形式在螺旋藻物种上收集的数据。实验名称：预洗涤。

生物质洗涤详情：

·在1L锥形瓶中，1：25生物质比(20g LinaX，在500mL洗涤体积中)

·洗涤：

·酸：1％盐酸(15.9mL，在500mL DI水中)

·水：DI水(2x水洗涤，以确保尽可能多地除去酸和盐等)

·每次洗涤振荡温育15min，在培养箱中，RT下@150rpm

·将每个烧瓶在10x 50mL falcon管中以5000xg离心，倒出S/N并使其干燥，或将沉淀物再悬浮于等体积的水中并返回至烧瓶用于洗涤温育

·在培养箱中在55℃O/N的falcon管中的沉淀作为干燥的经洗涤的样品

关键：

·近似-按照ASTMD 3172测定水分、灰分、挥发物和固定碳的测定法。

·最终-在煤和焦炭的情况下，测定材料中的碳和氢，如在其完全燃烧的气态产物中发现的，将材料中的硫、氮和灰分作为一个整体测定，并通过差值计算氧。该数据根据ASTM D3176测定。

·WC＝全细胞

·NO CHAR＝在预炭样品上收集数据

·未洗涤＝在任何炭化后洗涤之前收集数据

·炭化后洗涤＝对炭化的材料进行酸洗后收集数据

·酸.水＝样品在炭化前用酸性溶液洗涤并用水溶液洗涤

·酸＝样品在炭化前用酸溶液洗涤

·水＝样品在炭化前用水溶液洗涤

·温度表示样品在指定时间炭化的温度

·生物质来源/替代命名结构：

·螺旋藻：Earthrise Nutraceuticals

表7：

表8：

实施例5：

下面的数据表(表9和10)和图中突出显示了以几种不同形式在螺旋藻物种上收集的数据。实验名称：灰分试验。

生物质洗涤详情：

·在1L锥形瓶中，1：25生物质比(20g LinaX，在500mL洗涤体积中)

·洗涤：

·酸：1％盐酸(15.9mL，在500mL DI水中)

·水：DI水(2x水洗涤，以确保尽可能多地除去酸和盐等)

·每次洗涤振荡温育15min，在培养箱中，RT下@150rpm

·将每个烧瓶在10x 50mL falcon管中以5000xg离心，倒出S/N并使其干燥，或将沉淀物再悬浮于等体积的水中并返回至烧瓶用于洗涤温育

·在培养箱中在55℃O/N的falcon管中的沉淀作为干燥的经洗涤的样品

关键：

·近似-按照ASTMD 3172测定水分、灰分、挥发物和固定碳的测定法。

·最终-在煤和焦炭的情况下，测定材料中的碳和氢，如在其完全燃烧的气态产物中发现的，将材料中的硫、氮和灰分作为一个整体测定，并通过差值计算氧。该数据根据ASTM D3176测定。

·未炭化/未洗涤＝材料未以任何形式预洗涤，也未炭化

·炭化/未洗涤＝材料在500℃炭化，但在炭化过程之前或之后未进行产物洗涤

·炭化/洗涤＝材料被炭化，然后在炭化过程后用水冲洗酸洗

·未洗涤＝在任何炭化后洗涤之前收集数据

·温度表示样品在指定时间炭化的温度

·生物质来源/替代命名结构：

·螺旋藻：Earthrise Nutraceuticals

表9：

表10：实验分析

实施例6：

以下数据表(表11和12)突出显示了在任何测试或数据收集之前由除了LivingInk之外的其他实体预炭的市售生物质样品上收集的数据。实验名称：市售生物质。

洗涤详情：

·酸洗-1：25生物质比，在5加仑桶中，使用1％盐酸(200g，在5L 1％酸中)进行。洗涤20分钟。在过滤板中收集经洗涤的炭。然后用5L水洗。从过滤板收集滤饼并在室温下干燥。

·碱洗-1：25生物质比，2％氢氧化钠(2g，在50ml 2％ NaOH溶液中)。洗涤20分钟。使用离心机收集经洗涤的炭。然后用50ml水进行水洗。将经洗涤的炭在55℃干燥过夜。

关键：

·近似-按照ASTMD 3172测定水分、灰分、挥发物和固定碳的测定法。

·最终-在煤和焦炭的情况下，测定材料中的碳和氢，如在其完全燃烧的气态产物中发现的，将材料中的硫、氮和灰分作为一个整体测定，并通过差值计算氧。该数据根据ASTM D3176测定。

·未洗涤＝材料在炭化后未以任何形式洗涤

·酸/水＝炭化样品在炭化后用酸溶液洗涤并用水溶液洗涤

·碱/水＝炭化样品在炭化后用碱溶液洗涤并用水溶液洗涤

·未洗涤＝在任何炭化后洗涤之前收集数据

·炭化后洗涤＝对炭化材料进行酸洗后收集数据

·生物质来源/替代命名结构：

o木基生物炭：购自Wakefield Biochar

o椰子炭：购自Cool Planet

o竹炭：购自SEEK

o混合生物质：购自Biochar Now

表11：

表12：

尽管已经参考优选实施方案描述了本公开，但是本领域技术人员将认识到，在不脱离所公开的设备、系统和方法的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行改变。

Claims (37)

1.一种由微生物生物质生产工程化碳黑颜料的方法，其包含：

a.将微生物生物质进行热处理以形成炭化生物质；

b.洗涤所述炭化生物质；以及

c.将所述炭化生物质研磨至颗粒大小在约0.01微米与约100微米之间以形成磨碎的微生物炭。

2.权利要求1所述的方法，其中所述微生物生物质包含多个原核细胞。

3.权利要求2所述的方法，其中所述微生物生物质包含脱色的原核细胞。

4.权利要求3所述的方法，其中所述脱色的原核细胞为节旋藻属。

5.权利要求2所述的方法，其中所述原核细胞的平均细胞大小低于20μm。

6.权利要求1所述的方法，其还包含在所述热处理步骤之前洗涤所述微生物生物质。

7.权利要求6所述的方法，其中所述洗涤为酸洗。

8.权利要求1所述的方法，其中在所述热处理步骤之前，将所述微生物生物质在约30℃至约300℃的温度干燥。

9.权利要求6所述的方法，其中干燥所述微生物生物质直至水分含量降低至低于约10％。

10.权利要求1所述的方法，其中所述细胞的热处理通过选自以下的方法进行：热解、气化、燃烧、热氧化分解、烘干、水热液化和水热碳化。

11.权利要求1所述的方法，其中所述热处理步骤在约300℃至约700℃的温度范围内进行。

12.权利要求1所述的方法，其中所述热处理步骤以约1秒至约24小时的时间间隔进行。

13.权利要求12所述的方法，其中所述时间间隔为约5分钟至约40分钟。

14.权利要求13所述的方法，其中所述时间间隔为约10分钟。

15.权利要求12所述的方法，其中进行所述热处理步骤直至所述炭化生物质包含约20％至约30％的固定碳。

16.权利要求12所述的方法，其中进行所述热处理步骤直至所述炭化生物质中近似挥发物的水平低于约20％。

17.权利要求12所述的方法，其中进行所述热处理步骤直至所述炭化生物质中氧浓度低于约20％。

18.权利要求12所述的方法，其中进行所述热处理步骤直至氧浓度为约10％至15％。

19.权利要求18所述的方法，其中进行所述热处理步骤直至所述炭化生物质中灰分浓度低于约20％。

20.权利要求1所述的方法，其中所述炭化生物质的洗涤为酸洗，其中所述酸洗包含将所述炭化生物质的pH降低至低于约2。

21.权利要求20所述的方法，其包含以约1分钟至约1小时的时间间隔在降低的pH洗涤所述炭化生物质。

22.权利要求21所述的方法，其还包含在所述酸洗之后在水中洗涤所述炭化生物质。

23.权利要求22所述的方法，其中所述酸洗和随后的水洗产生多孔微生物炭。

24.权利要求1所述的方法，其中研磨步骤通过选自以下的设备进行：球磨机/介质研磨机、长间隙研磨机、空气分级研磨机、喷射研磨机、三辊研磨机、篮式研磨机、低温研磨机和旋风研磨机。

25.权利要求1所述的方法，其中所述研磨步骤的进行不使用颚式破碎机、锤磨机、锯磨机、冲击干燥磨机、造粒机、截断机、冲击干燥磨机、碎块机、刀磨机、针磨机、辊式破碎机、旋转磨机、振动滚筒或磁性滚筒。

26.权利要求1所述的方法，其中进行所述研磨步骤直至所述磨碎的微生物炭的平均颗粒大小直径小于约10微米。

27.权利要求1所述的方法，其中所述研磨步骤包含在研磨期间向所述炭化生物质添加一种或多种机械研磨添加剂，其中所述机械研磨添加剂具有直径在约1/32英寸至约5英寸的范围内的颗粒大小。

28.权利要求1所述的方法，其中所述研磨步骤包含在研磨期间向所述炭化生物质添加一种或多种化学研磨添加剂。

29.权利要求28所述的方法，其中所述一种或多种化学研磨添加剂选自分散剂、表面活性剂、润湿剂、抛光化合物、皂洗涤剂、超分散剂、非离子高HLB聚烷氧基化表面活性剂、非离子聚合物、消泡剂、水、树脂、表面张力改性剂、疏水性阴离子聚合物、炔二醇和乙炔二醇。

30.权利要求1所述的方法，其还包含在所述研磨步骤之后对所述磨碎的微生物炭进行改性。

31.权利要求30所述的方法，其中通过向所述炭化生物质添加化学处理的方式对所述炭化生物质进行改性。

32.权利要求31所述的方法，其中所述化学添加剂选自芳香族化合物、醇、表面活性剂、油/脂肪/脂肪酸/脂质、水、离子液体、氢化、化学水解、酶水解、碱性溶剂、二氧化碳、氯气、硫气、氮气和氧气。

33.权利要求30所述的方法，其中所述磨碎的微生物炭的改性包含干燥所述微生物炭。

34.权利要求33所述的方法，其中所述干燥步骤是通过絮凝的方式。

35.权利要求1所述的方法，其中进行所述干燥步骤直至所述微生物炭的水分含量降低至约低于8％。

36.一种由微生物生物质生产工程化碳黑颜料的方法，其包含

a.对所述微生物生物质进行热处理以形成炭化生物质，其中所述微生物生物质包含多个脱色的节旋藻属细胞；以及

b.将所述炭化生物质研磨至颗粒大小在约0.01微米和约100微米之间以形成磨碎的微生物炭。

37.一种工程化碳黑颜料，其包含：颗粒大小在约0.01微米和约100微米之间的衍生自微生物生物质的炭化生物质。