JP2015508016A - 藻類を採取および脱水するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

印加される電界により、溶媒と溶質との間の界面電位の増大、ならびにミクロンサイズの水素ガスおよび酸素ガスの気泡の使用を介して、成長培地からの藻類の採取を行う。工程および方法は、戦略的に配置された双極型電極プレートであって、水素ガスおよび酸素ガスを発生させる電極プレートを活用する。ガスの微泡は、バイオマスを溶液から凝集させると同時に、水を藻類成長システム内の再使用のために清澄化させる。次いで、集塊化した藻類を、バイオ燃料、医薬品、または食品に必要とされるような、化学物質を含有しない脱水された生成物を必要とする適用における使用のために処理することができる。

Description

懸濁液からの物質の分離には、廃水処理産業および藻類栽培産業を含む、いくつかの産業において歴史的な経緯が存在する。分離を達成するために関与する工程は、所望される最終結果により変化しうる。例えば、廃水処理産業では、所望の成果物は、典型的には環境に放出してもよい処理水である。これに対し、藻類栽培産業では、所望される主要な成果物は、エネルギー生産に使用可能なバイオマスの収穫物であろう。

廃水産業には、電気凝集の長い歴史的な経緯が存在する。浄化の第２段階において、流体から固体を分離することが有効な方法であることが見出されている。この廃棄物流には、全ての種類の有機物が含有されており、藻類は、廃水流中で一般的な高硝酸値（count）により発生する不要物であると考えられる。したがって、藻類を根絶する取組みには、通例では医薬または他の高価値な原料などに、さらに使用するために集塊の完全性を維持することは含まれていない。

廃水処理において一般に用いられる電気凝集では、金属イオンまたはカチオンを添加して、マトリックスの導電性を増大させることにより、凝集を改善する。以下のカチオン：Ｌｉ＋、Ｒｂ＋、Ｋ＋、Ｃｓ＋、Ｂａ２＋、Ｓｒ２＋、Ｃａ２＋、Ｎａ＋、およびＭｇ２＋（ナトリウムおよびリチウムは、廉価な塩を形成するので、用いられることが多い）は、Ｈ＋より電極電位が低く、したがって、これらの工程における電解質カチオンとしての使用に適すると考えられる。酸化鉄および他の酸化剤など、他の金属も、電気凝集と共に用いられて、廃水から固体を沈殿させる一助となる。これらの金属は、固体を溶液から沈殿させるのに極めて有効であるが、生成物および水自体を無機化学物質で汚染するため、廃棄物処理の第３相において、これを除去するかまたは他の形で処理しなければならない。

工程は、大きな池において実行され、かつ／または廃棄物処理プラントに典型的な、１日当たり数百万ガロンにもなりうる大量の流体の流れと共に実行されるので、実際に、廃水システムにより用いられる、電気凝集のための電流は、一般に少量であり、１ａｍｐ未満のことが典型的である。純然たるプラントの規模、および電流の要件であるオームの法則（Ｉ＝Ｖ／Ｒ）、および工程のスケールのために、高エネルギーの電気凝集システムを長時間にわたり利用することは実際的でない。さらに、大電流で長時間にわたり作動させる電解プレートの劣化およびスケール付着は、この技術を高いアンペア数で有効に用いる可能性を閉ざす。したがって、エネルギー要件を軽くし、工程を実際的なものとするために、上記で論じた通り、金属イオンにより、廃棄物流の導電性を増強しなければならない。

藻類生成物の栽培および採取では、懸濁液中のバイオマスは、品質を温存しなければならない資源であると考えられ、金属の使用は生成物を不可逆的に汚染するので、これらの考慮は覆される。したがって、懸濁液中の藻類を脱水させるのに用いられる大半の方法は、可能な化学処理および汚染除去を伴う遠心分離、膜濾過、通気乾燥からなる。脱水における化学物質の使用は一般に、成長用水の再使用を防止または制限する。参照により組み込まれる、２０１１年１０月１４日に出願され、Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｍｅｔｈｏｄｓ，ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓｅｓ ｆｏｒ Ｄｅｗａｔｅｒｉｎｇ， Ｆｌｏｃｃｕｌａｔｉｎｇ， ａｎｄ Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ Ａｌｇａｅ Ｃｅｌｌｓと題する、関連する先行の出願である第１３／２７４，０９４号は、電磁気的凝集システムのいくつかの形態について開示している。この出願は、最終生成物としての細胞の溶解物に焦点を絞っている。

藻類などの微生物および微生物の細胞内生成物の採取は、医薬品、化粧品、工業製品、バイオ燃料、合成油、動物飼料、および肥料などの製品の製造において用いられる化石油派生物または他の化学物質に対する部分的または完全な代替物としての将来性を示す。しかし、これらの代替物が実用可能となるためには、化石油派生物に関連する精製費用に関して競争力を備える目的で、細胞を採取するための方法であって、細胞内生成物を回収および処理するステップを包含する方法を、効率的で費用効果の高いものとしなければならない。藻類などの微生物を採取して、化石油代替物として用いられる生成物を最終的にもたらすために用いられる現行の抽出法は、労力がかかり、得られる正味のエネルギー利得は小さく、今日の代替的なエネルギー需要のためには実用不可能となっている。このようなかつての方法はまた、著明な二酸化炭素排出量をもたらし、地球温暖化および他の環境問題を増悪させる可能性もある。これらの先行の方法は、さらにスケールアップされると、有価値の細胞内成分の分解に起因して、なおより大幅な効率の低下をもたらし、現在微生物の採取にとって費用的に実現可能な投入より大きな、エネルギーまたは化学物質の投入を必要とする。例えば、微生物バイオ燃料１ガロン当たりの費用は、現在化石燃料の費用の約９倍である。

原核細胞および真核細胞の全ての生細胞は、内容物を封入し、外部環境に対して半多孔性の障壁として用いられる、細胞膜を有する。細胞膜は、細胞の構成要素を併せて保持して境界として作用し、外来物質を侵入させない。流体モザイクモデル（参照により本明細書に組み込まれる、Ｓ．Ｊ．ＳｉｎｇｅｒおよびＧ．Ｎｉｃｏｌｓｏｎ、１９７２）として知られる、現在容認されている理論によれば、細胞膜は、全ての細胞で見出される油性物質または蝋状物質の脂質二重層（ｄｏｕｂｌｅ ｌａｙｅｒ（ｂｉ−ｌａｙｅｒ））からなる。二重層内の脂質の大半は、より正確には、リン脂質、すなわち、各分子の一方の端部におけるリン酸基を特色とする脂質として記載することができる。

多くの多様で有用なタンパク質が、細胞膜のリン脂質二重層内に埋め込まれているのに対し、他の種類のミネラルタンパク質は、二重層の表面に付着しているだけである。これらのタンパク質のうちのいくつか、主に、細胞膜の外側で少なくとも部分的に露出しているタンパク質は、炭水化物を付着させていることから、糖タンパク質と称される。細胞膜の内側に沿ったタンパク質の配置は、部分的に、タンパク質を定位置にアンカリングさせる一助となる細胞骨格を含む繊維の組織と関連する。このタンパク質の配置にはまた、細胞の疎水性領域および親水性領域も関与する。

細胞内抽出法は、関与する生物の種類、（１つまたは複数の）所望される内部の成分、およびその純度レベルに応じて大幅に変化しうる。しかし、細胞が破砕したら、これらの有用な成分は放出され、生存微生物のバイオマスを扶養する液体培地中に懸濁されることが典型的であることから、これらの有用な物質の採取を困難またはエネルギー集約的なものとしている。

藻類から細胞内生成物を採取する現行の方法の大半では、液体培地またはバイオマス廃棄物（細胞の集塊および破砕物）から有用な成分を分離および採取するために、脱水する工程を実行しなければならない。現行の工程は、液体の蒸発に必要とされる時間枠、または液体培地を乾燥させるのに必要とされるエネルギーの投入、または物質の分離に必要とされる化学物質の投入のために非効率的である。加えて、このような工程は一般に、バッチ処理に限定され、持続的な処理システムに適合させることが困難である。

このようなことから、藻類などの微生物を採取することができ、その細胞内生成物を回収し、工業製品を製造するために必要とされる化石油および化石油派生物に対して価格競争力を備えた代替物として用いうるように、藻類などの微生物を脱水するための簡単で効率的な手順が必要とされている。

本発明は一般に、簡単で費用のかさまない手法を用いて藻類を採取するためのシステムおよび方法を対象とする。本発明の実施（implementation）により、次いで油分離のために溶解させることが可能なバイオマスを生成させ、一方で、栄養物質に富む清澄化された水を成長システムに戻す。凝集化の費用は、戦略的に配置された箇所における短時間のエネルギーバーストを用いることにより低減することができる。これらのエネルギーバーストは、成長システム内で適用することもでき、単独のバッチ処理機において適用することもできる。

さらなる利点は、成長および／または抽出システム内で極性のプロトン酸を使用することにより実現される。極性のプロトン酸は、藻類の成長を増強し、両性のプレートにより励起されると、水を清澄化させ、これにより、金属イオンを用いる必要性を排する。

一実施形態では、本発明は、藻類を採取および脱水するためのシステムとして実施される。本システムは、藻類溶液を保持することが可能な容器；この容器内に配置されたカソード；カソードから約１インチ〜約１０インチの間の距離で容器内に配置されたアノード；ならびにカソードおよびアノードに電気的に接続された電圧供給源を含む。容器が藻類溶液を保持する場合に、電圧供給源は、カソードとアノードとの間に電圧を供給するように構成されている。カソードとアノードとの間の電圧は、藻類溶液中に水素ガスの気泡を発生させ、この気泡が藻類溶液中の藻類細胞に付着して、藻類細胞を藻類溶液の表面に浮揚させる。

別の実施形態では、本発明は、藻類を採取および脱水するための方法として実施される。本方法は、藻類溶液を藻類脱水装置に供給するステップを包含する。藻類脱水装置は、藻類溶液を保持することが可能な容器；この容器内に配置されたカソード；およびカソードから約１インチ〜約１０インチの間の距離で容器内に配置されたアノードを含む。次いで、電圧を、カソードとアノードとの間に供給して、カソードにおいて水素ガスの気泡を発生させ、藻類溶液を通過させながら、この気泡を藻類細胞に付着させ、藻類細胞を藻類溶液の表面に浮揚させる。次に、浮揚する藻類細胞を、表面から除去する。

別の実施形態では、本発明は、藻類を成長培地から採取および脱水するための方法として実施される。電界を、藻類を含有する成長培地内に浸漬された、少なくとも１つのアノードと少なくとも１つのカソードとの間で発生させる。少なくとも１つのアノードおよび少なくとも１つのカソードは、電界を発生させる場合に、成長培地内に、水素または酸素の気泡を発生させるように構成されている。水素または酸素の気泡は、成長培地内の藻類に付着し、藻類を、成長培地の表面に浮揚させる。次いで、浮揚する藻類を、成長培地の表面から除去する。

この概要は、下記の「発明を実施するための形態」においてさらに記載される、単純化された形で概念の選択を導入するために提示される。この「発明の概要」は、特許請求される対象物の鍵となる特色または不可欠な特色を同定することを意図するものではない。

本発明のさらなる特色および利点は、以下の記載において提示され、部分的には、この記載から明らかとなるか、または本発明を実施することにより知ることができる。本発明の特色および利点は、付属の特許請求の範囲において特に指摘されている器具および組合せにより実現し、得ることができる。これらの本発明の特色および他の本発明の特色は、以下の記載および付属の特許請求の範囲からより完全に明らかとなるか、または本明細書の以下で提示される通りに本発明を実施することにより知ることができる。

本発明の、上記で列挙した利点および特色ならびに他の利点および特色を得ることのできる様式について記載するために、上記で略述した本発明についてのより詳細な記載を、付属の図面において図解される、その具体的な実施形態を参照することにより提示する。これらの図面が、本発明の典型的な実施形態だけを描示するものであり、したがって、その範囲について限定的なものとは考えないものとすることを理解して、付属の図面を用いることにより、さらに具体的かつ詳細に本発明について記載し説明する。

図１Ａは、本発明の実施形態に従い藻類を脱水しうる、例示的なバッチ工程システムについて図解する。 図１Ｂは、本発明の実施形態に従い藻類を脱水しうる、例示的なバッチ工程システムについて図解する。 図２は、水路に組み込まれた採取システムについて図解する。 図３Ａは、別の例示的な藻類採取システムについて図解する。 図３Ｂは、別の例示的な藻類採取システムについて図解する。 図３Ｃは、別の例示的な藻類採取システムについて図解する。 図３Ｄは、別の例示的な藻類採取システムについて図解する。 図４は、本発明のいくつかの実施形態で用いうる、多様な電極構成について図解する。

本発明は一般に、簡単で費用のかさまない手法を用いて藻類を採取するためのシステムおよび方法を対象とする。本発明の実施により、次いで油分離のために溶解させることが可能なバイオマスを生成させ、一方で、栄養物質に富む清澄化された水を成長システムに戻す。凝集化の費用は、戦略的に配置された箇所において短時間のエネルギーバーストを用いることにより低減することができる。これらのエネルギーバーストは、成長システム内で適用することもでき、単独のバッチ処理機において適用することもできる。

さらなる利点は、成長および／または抽出システム内で極性のプロトン酸を使用することにより実現される。極性のプロトン酸は、藻類の成長を増強し、両性のプレートにより励起されると、水を清澄化させ、これにより金属イオンを用いる必要性を排する。

一実施形態では、本発明は、藻類を採取および脱水するためのシステムとして実施される。本システムは、藻類溶液を保持することが可能な容器；この容器内に配置されたカソード；カソードから約１インチ〜約１０インチの間の距離で容器内に配置されたアノード；ならびにカソードおよびアノードに電気的に接続された電圧供給源を含む。容器が藻類溶液を保持する場合に、電圧供給源は、カソードとアノードとの間に電圧を供給するように構成されている。カソードとアノードとの間の電圧は、藻類溶液中に水素ガスの気泡を発生させ、この気泡が藻類溶液中の藻類細胞に付着して、藻類細胞を藻類溶液の表面に浮揚させる。

別の実施形態では、本発明は、藻類を採取および脱水するための方法として実施される。本方法は、藻類溶液を藻類脱水装置に供給するステップを包含する。藻類脱水装置は、藻類溶液を保持することが可能な容器；この容器内に配置されたカソード；およびカソードから約１インチ〜約１０インチの間の距離で容器内に配置されたアノードを含む。次いで、電圧を、カソードとアノードとの間に供給して、カソードにおいて水素ガスの気泡を発生させ、藻類溶液を通過させながら、この気泡を藻類細胞に付着させ、藻類細胞を藻類溶液の表面に浮揚させる。次に、浮揚する藻類細胞を、表面から除去する。

別の実施形態では、本発明は、藻類を成長培地から採取および脱水するための方法として実施される。電界を、藻類を含有する成長培地内に浸漬された、少なくとも１つのアノードと少なくとも１つのカソードとの間で発生させる。少なくとも１つのアノードおよび少なくとも１つのカソードは、電界を発生させる場合に、成長培地内に水素または酸素の気泡を発生させるように構成されている。水素または酸素の気泡は、成長培地内の藻類に付着し、藻類を、成長培地の表面に浮揚させる。次いで、浮揚する藻類を、成長培地の表面から除去する。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。本発明は、他の多くの形態および形状をとりうることが予測され、よって以下の開示は、例示的であることを意図するものであり、限定的であることを意図するものではなく、本発明の範囲は、付属の特許請求の範囲を参照することにより決定されるものとする。

別段に規定されない限り、本明細書で用いられる全ての技術用語は、本発明の実施形態が属する技術分野の当業者により一般に理解される意味と同じ意味を有する。

本発明の実施形態によれば、藻類細胞をそれが容易に抽出されうる（例えば、レーキ（rake）を用いて）表面に浮揚させる形で、藻類の成長培地を凝集させる。電界は、電極を用いて、成長培地に印加することができる。電界は、溶媒と溶質との間の界面電位を増大させ、ミクロンサイズの水素ガスおよび酸素ガスの気泡を創出し、この気泡が集塊化した藻類を表面に浮揚させる。

工程および方法は、水素ガスおよび酸素ガスを発生させる戦略的に配置された双極型電極プレートを活用する。ガスの微泡は、バイオマスを溶液から凝集させると同時に、水を藻類成長システム内の再使用のために清澄化させる。次いで、集塊化した藻類は、バイオ燃料、医薬品、または食品に必要とされるような、化学物質を含有しない脱水された生成物を必要とする適用における使用のために処理することができる。

本発明のある種の実施形態では、藻類の成長システム全体に無害であると考えられる、ギ酸、ｎ−ブタノール、イソプロパノール、ｎ−プロパノール、エタノール、メタノール、および酢酸などのプロトン性溶媒の導入を利用する。加えて、これもまた藻類の成長システムに無害な、電解プレートおよび／または電解ロッドなどの電極も用いることができる。

一実施形態では、例えば、図１Ａおよび１Ｂにおいて示される通り、バッチ工程システムであって、成熟するまで成長させた藻類ストックを、電気凝集工程を施して生成物の凝集を実質的に完結させる筺体により処理するシステムを利用する。図１Ａが、タンク１の側面図について図解するのに対し、図１Ｂは、タンク１の上面図について図解する。

成長培地をタンク１内に封入し、ここで成長培地を最下部の電極プレート４および２本の最上部の双極型電極チューブ２と接触させる。バッテリー５は、電極プレート４と電極チューブ２との間に電圧差（これは、図に示されるものと反転させることができる）を印加し、これにより成長培地中を流れる電流がもたらされる。この電流は、成長培地を凝集させる。

他の凝集法では、凝集させた藻類細胞を成長培地から分離するのが困難であることが多く、藻類細胞を多くの使用に不適切にする化学物質または技法の使用が一般に必要とされる。しかし、本発明では、水素および酸素の微細な気泡を用いて、藻類細胞の塊に付着させ、この塊を成長培地の表面に浮揚させる。表面に達したら、凝集させた生成物は、次いで、さらなる処理のために、プレート６を通して排出される（discharged）。単一のプレート４および２本のチューブ２を示すが、異なる数のプレート４および／またはチューブ２も用いることができる。

加えて、いくつかの実施形態では、約０．０５容量％などの、ギ酸、ｎ−ブタノール、イソプロパノール、ｎ−プロパノール、エタノール、メタノール、および酢酸などのプロトン性溶媒の希釈溶液と共に成長培地を注入することもできる。この溶液は、電気凝集工程の電界を発生させるとき、またはバッチ工程を施す直前に、マトリックスに混合することができる。今日までの試験において用いられる電圧は、約１２ボルトで実質的に一定であるが、アンペア数は、原料の密度およびオームの法則におけるその効果に応じて約５ａｍｐ〜約１０ａｍｐで変化させることができる。

（１枚または複数の）プレート４、（１本または複数の）電極チューブ２、または他の電極は、最終生成物または成長用水に汚染を付与しない、比較的不活性で無害な金属からなるものであるべきであり、これにより成長用水の再使用を可能とする。しかし、成長用水の再使用および／または回収された生成物の汚染が考慮対象とならない場合は、無害でない金属も用いることができる。成長用水の再使用を可能とするためには、銅などの金属は殺藻剤であるので、用いることができない。ステンレス鋼は、時間が経過すれば、劣化して、成長用水にクロムを付与するであろう。したがって、炭素、アルミニウム、および白金群の金属が、一般に安全であると認識されており、この工程には好ましい。

試験によって、装置が、直流１２Ｖおよび９．５ａｍｐの一定の電流により１．５０分間で、３５０ｍｇ／ｌの藻類ストックを凝集させて、表面で藻類が繁茂形態にある水を完全に清澄化しうることが示されている。実験では、唯１本のアルミニウムロッドを、タンクの最上部で全長にわたるアノードとして用いた。

下方のプレート４と（１本または複数の）上方のチューブ２との間の距離は、発生させた酸素および水素の気泡が、上方に自由に流れることを可能とするように、約１インチ〜約１０インチの間で変化させることができる。アノードチューブ２における酸素の微泡の発生およびカソードプレート４における水素の微泡の発生は、凝集に必要な気泡を創出する。

上記で論じた通り、図１は、藻類を成長培地からバッチ凝集させるために適合させた実施形態を示す。図１のバッチ工程装置を、藻類の成長システムと作動的に連結することができ、また成長培地のバッチを、藻類の十分な成長が生じたら、時折、藻類の成長システムから、図１のバッチ工程装置に移すことができる。上記で論じた通り、電気凝集の後で残留する成長培地（これは、栄養物質が稠密でありうる）は、再使用のために、藻類の成長システムに戻すことができる。

代替的に、本発明の実施形態は、電気凝集工程が成長システム内で必要に応じて間欠的にまたは持続的に生じるように、藻類の成長システムに直接組み込まれ得る。図２は、このような構成について図解する。図２のシステムは、予定されたやり方で藻類を成長させ、藻類に栄養を与える、水路（raceway）２０を含む。この実施形態では、成長培地は、時計回りに流れ、電気凝集装置を含有するレースウェイ２０の部分を通して進むにつれ、直流発電機（図示しない）、最下部の電極プレート４、および（１本または複数の）双極型電極チューブ２により電気集塊化される。バイオマスは、堰１６により回収される。

このように、持続的な成長システムであるバイオマス抽出システムにおいて本発明の特徴を実施する場合は、装置を、池、レースウェイ、または他の成長システムの流体の流れの中に置き、そして手動または自動で（例えば、とりわけ、ｐＨ、ＯＲＰ、密度、熱量計の読取り、または細胞カウントなどの計量により判定する分散制御システムにより）作動させ、これにより一定の時間間隔を置いた電流の適正な分配を達成して、成熟細胞を抽出する一方で、マトリックス全体の完全性を保持する。

本発明の実施形態が、図１で図解されるバッチ工程による実施形態であるのか、図２で図解される間欠的〜持続的な工程による実施形態であるのかにかかわらず、成長相において、成長培地に、無害なプロトン性溶媒を、軽微な比率で播種することは、成長サイクルを増強するのに利益をもたらすことが見出されている。加えて、電気凝集時に、成長培地中にプロトン性溶媒を存在させることも、成長培地からの藻類の分離を容易とする清澄化剤として機能する。これは、プロトン性溶媒が存在すると、カソードにおける水素ガスの微泡の形成が改善されることに起因しうる。

これらのシステムの使用では、多量の水素ガスおよび酸素ガスを、加水分解過程の帰結として発生させる。ガスは、藻類細胞に付着し、藻類細胞を成長培地の最上部に同伴させ、そうでなければ偏りがない藻類細胞の密度を効果的に減少させる。この形態では、ガスおよび藻類は、集塊の不可欠の部分となるマットを形成する。集塊中に存在する水素（および／または酸素）ガスを伴うこの組成で集塊を利用しうるが、この高価値ガスの回収システムをデザインし、エネルギーの低減または他の用途に利用し、これにより加水分解において用いられる投入エネルギーの一部を回収することができる。

図３Ａ〜３Ｄは、本発明の藻類採取技術を実施しうる、例示的な容器３１０について図解する。容器３１０は、カソードプレート３１１と、スタッキングされた一連のアノード３１２ロッドおよびカソード３１３ロッドとを含む。しかし、図１および２に示される通り、カソードロッド３１３は必要とされない。図４に示される通り、容器３１０内ではまた、他の電極の構成も用いることができる。下記でさらに記載される通り、容器３１０はまた、コンベヤー３１５（レーキ３１５ａおよび３１５ｂを有する）および藻類細胞を容器３１０から、かつ、回収器３１４に除去するのに用いられるコンベヤー３１６も含む。当技術分野で公知の通り、藻類を成長培地の表面から除去するための他の手段もまた用いられる。

図３Ａは、既に凝集させた藻類細胞が成長培地中に存在する、容器３１０の状態について図解する。いくつかの実施形態では、凝集させた藻類細胞を既に含有する成長培地を、容器３１０に導入することができる。他の実施形態では、多様な濃度の藻類細胞を有する成長培地を、容器３１０に導入することができる。例えば、図１の通りに、凝集の準備ができた藻類を含有する成長培地を導入することもでき、図２の通りに、凝集の前にさらなる藻類の成長を必要とする成長培地を導入することもできる。

上記で言明した通り、藻類を成長培地から分離するための先行の手法は、困難で、高価であり、藻類にとって有害なことが多く、それらを、ある種の目的のために意図される藻類の回収に不適切にしている。これに対し、本発明は、藻類細胞を回収するための簡単で安全な工程を提供する。この工程は、電極３１１、３１２と、場合によっては、電極３１３とを用いて、電界を成長培地に印加するステップを包含する。場合によって、この電界は、図３Ａに示される通り、成長培地中の藻類細胞を、塊に凝集させうる（例えば、成長培地を容器３１０に導入する前に塊がいまだ形成されていない場合、または塊のサイズを成長させることにより）。いくつかの実施形態では、塊は、１〜４ｍｍの間でありうる。

図３Ｂに示される通り、塊の形成に加えて、電極が、塊に付着し、塊を表面に浮揚させる、水素ガスおよび酸素ガスの気泡を発生させるように構成することもできる。いくつかの実施形態ではまた、プロトン性溶媒も成長培地に添加して、藻類細胞の凝集を増強し、凝集させた藻類の成長培地からの分離を増強することができる。

図３Ｃは、藻類細胞の塊が表面に浮揚した後の容器３１０の状態について図解する。図３Ｃはまた、浮揚する塊の下方に残留する成長培地は、実質的に清澄であることも例示して、この工程が、藻類を成長培地から分離するのに高度に有効であることを指し示す。次いで、栄養物質が濃厚な成長培地を再使用することができる。

最後に、図３Ｄは、浮揚する藻類細胞を、どのようにして除去しうるのかについての例を図解する。示される通り、この除去は、成長培地の表面上を回転して、藻類細胞をコンベヤー３１６にかき集める、レーキ３１５ａ、３１５ｂを用いて実施することができる。コンベヤー３１６は回転して、かき集められた藻類細胞を回収器３１４に転送し、ここで、さらなる処理のためにそれらを回収しうる。したがって、この工程は、容易に輸送して用いうる高度に脱水されたバイオマスをもたらす。

図３Ａ〜３Ｄは一般に、バッチで実施される（すなわち、任意の新たな藻類細胞を添加する前に、成長培地の全体を完全に凝集させる）工程を表す。しかし、いくつかの実施形態では、この工程を、藻類（ある程度凝集させている場合であれ、そうでない場合であれ）を含有する新たな成長培地を定期的に添加することによるなど、持続ベースで実施することもできる。

図４は、本発明のいくつかの実施形態で用いられうる、代替的な電極の配置について図解する。示される通り、電極は、三層構成で配置することができる。また、他の構成も用いることができる。また、層の間の異なる間隔（spacing）も用いることができる。

実験結果
以下の試験を実行して、上記で論じた本発明の実施形態において提示される原理を評価した。試験結果は、本明細書で論じられる原理について説明するために組み入れられるものであり、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。加えて、試験のうちのいくつかでは、銅（Ｃｕ）電極を用いたが、成長培地を再使用する場合、銅の殺藻剤特性に起因して、銅電極は通常用いないということを上記の議論に照らして理解されたい。

試験１
試験は、凝集、細胞クラッキング、および存在する場合の他の付随的利益におけるＭＸ（参照により本明細書に組み込まれる、米国特許第６，２７９，６１１号において開示されている、過渡的キャビテーション型発電機およびミキサー）の価値を決定するためのものであった。

数回試行錯誤して実施した後、試験を以下の通りに構成した：１）ＭＸによるＫａｌｋｗａｓｓｅｒ（濾過された水酸化カルシウム水のブレンド）の注入、２）藻類をクラッキングさせるための電流の印加、３）生成物（集塊）の回収、および４）細胞溶解の証拠についての３つの異なる段階における分析。

以下のプロトコールに従ったところ、最も興味深い結果が得られた。１）高ｐＨ（１１．４）のＫａｌｋｗａｓｓｅｒ １リットルによるスラリーを、塩水中に適度な密度（約５００ｍｇ／ｌ）のナンノクロロプシス（Nannocholoropsis）藻類５リットル中に、ＭＸにより注入し、Ｍｉｃｒｏｎ Ｓｔａｇｅで１分間にわたり循環させた。２）結果として得られる生成物は、＜１分間以内にほぼ１ｐＨポイント（８．４〜９．２）増大した。３）２本のロッド：アルミニウムおよび銅をタンクの両側に配置し、タンクの全長に沿って配置して電圧発生機につないだ。４）±６．０ボルトおよび３．２５ａｍｐで２分間にわたり電荷を印加した。

目視可能な結果は、細胞の完全な溶解およびスライドガラス上の疎水性液滴と見えるものの形成であった。この液滴は、油のように見え、油のように反応したが、任意の種類の脂質であると結論付ければ、拡大解釈となろう。しかし、３枚の顕微鏡写真上で記録された通り、細胞は、まず間違いなく破壊された。

観察：水中で２つのロッド（アノードおよびカソード）を介する電気の印加は、ロッドがタンクの全幅で隔てられている限りにおいて有効であった。ギャップを狭めると、アンペア数および電圧が低下し、結果は得られず、または溶解までの時間は大幅に延長された。試験のうちのいくつかでは、生成物を溶解させるときに、ｍＳ（マイクロシーメンス）の増大との相関が認められると考えられ、これは、まだ完全に確認されたわけではないが、溶解を決定するための可能な計量であるとわかる可能性があろう。

帯電前における高ｐＨの使用は、溶解工程の一助となると考えられた。溶解前における高ｐＨの使用は、短時間で劇的な集塊を発生させると考えられた。微泡による混合の使用は、全マトリックスに対してほぼ瞬時の調整を施すことにより、ｐＨ管理工程を増強した。これは、大スケールでの作業において価値を有するであろう。

電気凝集および細胞の溶解のために、タンク内でロッドを使用することは、短時間（約２分間）にわたる低電圧（６ボルトおよび３．２５ａｍｐ）を伴う場合に価値を有した。この電気段階の間に、ＭＸを持続的に作動させて、マトリックスを広範にわたり分散させた。マトリックスは、カソードから放出される極めて大量の水素を含有した。この撹拌を伴う他の試験およびこの撹拌を伴わない他の試験を行って、電気凝集／溶解における微粒子化ステップの価値を決定することになる。Ｃｕ２Ｏの生成を緩和するように、カソードは、銅ロッドに対してアルミニウムロッド上とした（この場合に用いられるカソードは、生物学的物質を分解するためのものであり、電圧発生機の負の側に接続され、正の側はＣｕに接続された）ことに注意されたい。Ａｌ２Ｏ（アルミナ）は、この電気レベルでははるかに生成しにくく、感知されるカソードの分解は、銅カソードにより生じるよりはるかにわずかであった。

試験２
プロトコール：タンクの最下部にアノードプレート配置して、タンクを準備した。カソードストリップ（Ａｌ）を、アノード（Ｃｕ）から約４インチおいて準備した。アノードおよびカソードのいずれも、タンクの全長に沿って配置した。低密度の藻類溶液（約２００ｍｇ／ｌ）を、タンク内のカソードプレートのちょうど上方に投入し、生成物を、ＭＸによる循環にかけた。ポンプにより駆動される、生成物への微泡発生と同時に、低電圧：４ボルトおよび３．２５ａｍｐを印加した。２分間にわたり全体を混合したところで、全ての工程を停止させた。

目視による結果：バイオマスの全体が最上部に急速に浮揚し、約１分間以内に凝集した。集塊は、目視可能な変色を伴わずに、緑色に見えた。この時点で、集塊を容易に掬い取ることができた。顕微鏡写真を引き伸ばしたところ、大スケールでの細胞の膨張およびクラッキングの証拠が示された。集塊のバルクは、２４時間にわたりタンクの最上部に滞留したことから、水より軽い高濃度の生成物の可能性が示される。

結論：２枚のプレートを、タンクの全長に沿って配置し、何インチも隔てさせるという概念は、妥当性を有する。大スケールの「クラッキングタンク」という概念は、わずかな設備費用および作業にかかる廉価なエネルギー費用で可能である。水素、酸素、およびバイオマスを強度の混合にかけるとき、微泡は、バイオマスを凝集させる一助となると考えられた。微泡ポンプを停止させても、気泡は最上部に上昇し、これにより工程が増強された。

この方法により、大スケールで高速の集塊化クラッキングタンクをデザインすることが可能である。凝集を誘導するための化学物質は用いなかったことに注意されたい。こうして、残留水は、さらなる操作または洗浄を伴わずに循環に戻すことができる。また、タンクの最上部で、採取しうる大量の水素を発生させたことにも注意されたい。この工程は、プレートを近接させる現行の方法に反するものであり、またマトリックスの最上部に直接配置される「浮揚カソード」も提供し、これにより凝集させたバイオマスに正の電流が持続的にもたらされる。

試験３
プロトコール：集塊化／クラッキングシステムにおけるＭＸの使用とＭＸの不使用との間の差違について研究する。２つの同一量の生成物を処理した。良好な生成物の密度は、約４００ｍｇ／ｌであると考えられた。

第１のロットを２枚のプレートで電解処理した。初期電圧は、３．０Ｖおよび３．２５ａｍｐであった。１１分後、集塊は、集塊化を開始し、電圧は４．５ボルトに急上昇した。電圧の印加を停止し、凝集させたばかりの集塊についての顕微鏡検査を実施した。その検査により、クラッキングおよび細胞からの目視可能な滲出物質が示された。

第２のロットを、ＭＸにより、２分間にわたり、電気で処理した。初期電圧は、３．０Ｖおよび３．２５ａｍｐであった。ＭＸを停止させ、電解工程を３分間にわたり継続したところ、同じ４．５Ｖへの電圧の急上昇が達せられた。バイオマスを検討したところ、広範にわたるクラッキングが示され、集塊は、最上部に完全に集塊化した。

結論：１）細胞のクラッキングと集塊とは、電圧の増大と相関し、細胞がいつクラッキングするのかを決定するための計量の可能性を許容すると考えられる。２）ＭＸにより、生成のための時間が半分に短縮されると考えられる。これが利点であるのかどうかは、費用の分析およびバイオマスの品質により決定する必要がある。３）この藻類をクラッキングさせる方法は、極めて高速かつ、効率的であり、溶解および集塊化の方法として大きな将来性を示す。４）この場合のバイオマスは、はるかに高密度：約４００ｍｇ／ｌであり、工程は、良好かつ効率的に働いた。

本発明は、その精神または不可欠の特徴から逸脱しない限りにおいて、他の特殊な形態でも実施することができる。記載した実施形態は、全ての点において、例示的なものだけとして考えられ、制限的なものとしては考えられない。したがって、本発明の範囲は、前出の記載によってではなく、付属の特許請求の範囲により示される。特許請求の範囲の同等性の意味および範囲内に収まる全ての変化は、特許請求の範囲内に包含されるものとする。

Claims (20)

1. 藻類を採取および脱水するためのシステムであって、
   藻類溶液を保持することが可能な容器と；
   容器内に配置されたカソードと；
   カソードから約１インチ〜約１０インチの間の距離で容器内に配置されたアノードと；
   カソードおよびアノードに電気的に接続され、容器が藻類溶液を保持する場合に、カソードとアノードとの間に電圧を供給するように構成された電圧供給源であって、カソードとアノードとの間の電圧が、藻類溶液中に水素ガスの気泡を発生させ、この気泡が藻類溶液中の藻類細胞に付着して、藻類細胞を藻類溶液の表面に浮揚させる電圧供給源と
   を含むシステム。
2. カソードがプレートであり、アノードが、各々がカソードプレートの上方約１インチ〜約１０インチの間の距離で配置される、複数のアノードロッドのうちの１つである、請求項１に記載のシステム。
3. 各々がアノードロッドの上方１インチ〜１０インチの間の距離で配置される、複数のカソードロッド
   をさらに含む、請求項２に記載のシステム。
4. アノードロッドの上方１インチ〜１０インチの間に位置する、第２のカソードプレート
   をさらに含む、請求項２に記載のシステム。
5. カソードおよびアノードがプレートである、請求項１に記載のシステム。
6. 各々がアノードプレートの上方１インチ〜１０インチの間の距離で配置される、複数のカソードロッド
   をさらに含む、請求項５に記載のシステム。
7. カソードが複数のカソードロッドを含み、アノードが、各々が対応するカソードロッドの上方約１インチ〜約１０インチの間の距離で配置される、複数のアノードロッドを含み、
   各々が対応するアノードロッドの上方１インチ〜１０インチの間の距離で配置される、第２の複数のカソードロッド
   をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
8. 水路（raceway）に組み込まれている、請求項１に記載のシステム。
9. アノードまたはカソードのうちの１つまたは複数が、酸化イリジウムでコーティングされたチタンを含む、請求項１に記載のシステム。
10. 容器が溝（trench）である、請求項１に記載のシステム。
11. 藻類を採取および脱水するための方法であって、
    藻類溶液を、
    藻類溶液を保持することが可能な容器；
    容器内に配置されたカソード；および
    カソードから約１インチ〜約１０インチの間の距離で容器内に配置されたアノード
    を含む藻類脱水装置に供給するステップと、
    電圧を、カソードとアノードとの間に供給して、カソードにおいて水素ガスの気泡を発生させ、藻類溶液を通過させながら、この気泡を藻類細胞に付着させ、藻類細胞を藻類溶液の表面に浮揚させるステップと、
    浮揚する藻類細胞を表面から除去するステップと
    を含む方法。
12. プロトン性溶媒を藻類溶液に添加するステップ
    をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
13. プロトン性溶媒が、藻類溶液に対しギ酸、ｎ−ブタノール、イソプロパノール、ｎ−プロパノール、エタノール、メタノール、または酢酸のうちの１つを含む、請求項１２に記載の方法。
14. ギ酸、ｎ−ブタノール、イソプロパノール、ｎ−プロパノール、エタノール、メタノール、および酢酸のうちの１つが、約０．０５容量％の濃度で添加される、請求項１３に記載の方法。
15. 藻類を成長培地から採取および脱水するための方法であって、
    電界を、藻類を含有する成長培地内に浸漬された、少なくとも１つのアノードと少なくとも１つのカソードとの間で発生させるステップであって、少なくとも１つのアノードおよび少なくとも１つのカソードが、電界を発生させる場合に、成長培地内に、水素または酸素の気泡を発生させるように構成されており、水素または酸素の気泡が、成長培地内の藻類に付着し、藻類を成長培地の表面に浮揚させるステップと、
    浮揚している藻類を成長培地の表面から除去するステップと
    を含む方法。
16. 少なくとも１つのアノードおよび少なくとも１つのカソードが、１本または複数のアノードロッドの下方に位置するカソードプレートを含む、請求項１５に記載の方法。
17. 少なくとも１つのアノードおよび少なくとも１つのカソードが、最下部のカソード層、中間部のアノード層、および最上部のカソード層を含む三層式スタックを含む、請求項１６に記載の方法。
18. 最下部のカソード層がプレートを含み、中間部のアノード層が複数のアノードロッドを含む、請求項１７に記載の方法。
19. 成長培地が、成長培地からの藻類の分離を増強するために酢酸を含有する、請求項１８に記載の方法。
20. 電界が藻類を塊に凝集させ、この塊に水素または酸素の気泡が付着し、それにより塊を表面に浮揚させる、請求項１５に記載の方法。

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