JP2015515375A - Algae harvesting and dehydration using a two-step process - Google Patents

Algae harvesting and dehydration using a two-step process Download PDF

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ピナ,ホセ サンチェス
ピナ,ホセ サンチェス
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Abstract

本発明は一般に、2段階アプローチを使用して藻類を収穫する装置を対象とする。この2段階アプローチは凝集段階および脱水段階を含む。凝集段階は、第1段階凝集タンク内で実施され、このタンクでは、増殖培地中の懸濁した藻類を凝集させる。次いで、凝集した藻類が、第2段階浮上分離タンクへ供給され、このタンクでは、凝集した藻類に付着し、凝集した藻類を表面まで浮上させる水素気泡および酸素気泡を、電極を使用して発生させる。次いで、浮上した藻類のマットを、増殖培地の表面からすくい取ることができる。The present invention is generally directed to an apparatus for harvesting algae using a two-stage approach. This two-stage approach includes an aggregation stage and a dehydration stage. The flocculation stage is carried out in a first stage flocculation tank in which suspended algae in the growth medium are flocculated. The agglomerated algae are then fed to a second stage flotation separation tank where hydrogen and oxygen bubbles are generated using electrodes that adhere to the agglomerated algae and cause the agglomerated algae to float to the surface. . The floating algal mat can then be scooped from the surface of the growth medium.

Description

廃水処理産業および藻類養殖業を含むいくつかの産業では、懸濁液から物質を分離することが長く実施されている。分離を達成する際に含まれるプロセスおよび所望の最終結果はさまざまである。例えば、廃水処理産業では通常、所望の結果が、環境に放出することができる処理された水である。対照的に、藻類養殖業では、主な所望の結果が、エネルギー生産に使用可能なバイオマスの収穫であることがある。   In some industries, including the wastewater treatment industry and the algae farming industry, separating materials from suspensions has long been practiced. The processes involved in achieving separation and the desired end result vary. For example, in the wastewater treatment industry, the desired result is usually treated water that can be released to the environment. In contrast, in the algae farming industry, the main desired result may be the harvesting of biomass that can be used for energy production.

廃水産業における電気凝集の歴史は長い。電気凝集は、浄化の2次段階において流体から固体を分離する有効な方法であることが分かっている。この廃水流は全てのタイプの有機物を含み、藻類は、廃水流中では一般的な高い硝酸塩勘定によって発生する厄介者と考えられている。したがって、藻類根絶の努力は、通常、例えば製薬供給材料または他の高価値供給材料などの他の用途のためにマスの完全性を保存することを含むものではない。   The history of electrocoagulation in the wastewater industry is long. Electrocoagulation has been found to be an effective method for separating solids from fluids in the secondary stage of purification. This wastewater stream contains all types of organic matter, and algae are considered a nuisance caused by the high nitrate counts common in wastewater streams. Thus, algae eradication efforts usually do not involve preserving mass integrity for other uses such as, for example, pharmaceutical feedstocks or other high value feedstocks.

廃水処理において一般的に使用されている電気凝集では、マトリックスの導電率を増大させることによって凝集を改善するために、金属イオンまたはカチオンが加えられる。以下のカチオン、すなわちLi+、Rb+、K+、Cs+、Ba2+、Sr2+、Ca2+、Na+およびMg2+(安価な塩を形成するのでナトリウムおよびリチウムがしばしば使用される)は、H+よりも低い電極電位を有し、したがって、これらのプロセスにおける電解質カチオンとして適していると考えられる。酸化鉄および他の酸化剤など固体を廃水から沈澱させるのを支援するため、電気凝集とともに他の金属が使用される。これらの金属は、溶液から固体を沈澱させるのに極めて有効である。しかしながら、それらの金属は、生成物および水自体を無機化学物質で汚染する。その無機化学物質は次いで、3次廃水処理段階で除去するか、または他の方法で処理しなければならない。   In electrocoagulation commonly used in wastewater treatment, metal ions or cations are added to improve aggregation by increasing the conductivity of the matrix. The following cations, Li +, Rb +, K +, Cs +, Ba2 +, Sr2 +, Ca2 +, Na + and Mg2 + (sodium and lithium are often used because they form cheap salts) have a lower electrode potential than H +. Therefore, it is considered suitable as an electrolyte cation in these processes. Other metals are used with electrocoagulation to help precipitate solids such as iron oxide and other oxidants from wastewater. These metals are very effective in precipitating solids from solution. However, these metals contaminate the product and water itself with inorganic chemicals. The inorganic chemical must then be removed in the tertiary wastewater treatment stage or otherwise treated.

実際には、これらのプロセスは、大きな池で実施され、および/または1日に数百万ガロンにもなる廃水処理プラントで典型的な大量の流体流れとともに実施されるため、電気凝集用の廃水システムによって使用される電流は一般に小さく、通常1アンペア未満である。プラントの圧倒的なサイズおよびオーム法則(I=V/R)、電流必要量およびプロセスのスケールために、高エネルギー電気凝集システムを長期間利用することは実際的でない。さらに、高電流で長期間動作する電解板の劣化およびスケーリングは、高アンペア数でのこの技術の有効な使用を妨げる。したがって、上で論じたように金属イオンによって廃水流の導電率を高めて、エネルギー必要量を小さくし、このプロセスを実用的にしなければならない。   In practice, these processes are performed in large ponds and / or with large volumes of fluid flow typical of wastewater treatment plants that can be in the millions of gallons per day, so The current used by the system is generally small, usually less than 1 ampere. Due to the overwhelming size of the plant and the Ohm law (I = V / R), current requirements and process scale, it is impractical to use high energy electrocoagulation systems for long periods of time. Furthermore, the degradation and scaling of electrolytic plates that operate at high currents for extended periods of time hinder the effective use of this technology at high amperages. Therefore, as discussed above, metal ions must increase the conductivity of the wastewater stream to reduce energy requirements and make this process practical.

藻類製品の養殖および収穫では、懸濁液中のバイオマスが、品質が維持されなければならない資産と考えられるため、これらの考慮事項が逆になる。金属の使用は製品を不可逆的に汚染する。したがって、懸濁液中の藻類を脱水するために使用される大部分の方法は、遠心分離機、膜分離、空気乾燥からなり、化学的処理および除染を伴うこともある。   In the cultivation and harvesting of algae products, these considerations are reversed because the biomass in suspension is considered an asset whose quality must be maintained. The use of metal irreversibly contaminates the product. Thus, most methods used to dehydrate algae in suspension consist of a centrifuge, membrane separation, air drying and may involve chemical treatment and decontamination.

藻類を脱水するために使用される1つの方法は、溶解空気浮上法(Dissolved Air Flotation)(DAF)として知られている。この凝集法は通常、凝結剤、乳化剤または他の化学物質、ならびポンプまたはサイクロンによって発生させた空気のカーテンの使用を含む。この方法は一般に、エネルギーの観点から遠心分離技法よりも有効だが、化学物質と独立したタンクの両方が必要であるという固有の欠点を有する。さらに、DAFシステムの連続システムとしての有効性は、反応器内の乱流の原因としての気泡の発生によって妨げられる。この課題に対する解決策は、浮上分離のサイズを増大させることであったが、それによって設置面積はますます大きくなる。   One method used to dehydrate algae is known as Dissolved Air Flotation (DAF). This agglomeration method usually involves the use of coagulants, emulsifiers or other chemicals, as well as air curtains generated by pumps or cyclones. This method is generally more efficient than the centrifuge technique from an energy point of view, but has the inherent disadvantage of requiring both chemical and independent tanks. Furthermore, the effectiveness of the DAF system as a continuous system is hampered by the generation of bubbles as a cause of turbulence in the reactor. The solution to this problem has been to increase the size of the flotation separation, which increases the footprint.

加えて、脱水における化学物質の使用は一般的に増殖水の再使用を妨げ、または制限する。2011年10月14日に出願され、参照によって組み込まれる「Systems, Methods, and Apparatuses for Dewatering, Flocculating, and Harvesting Algae Cells」という名称の関連する先行出願第13/274,094号は、電磁式凝集システムのいくつかの形態を開示している。この出願は、最終成果として、細胞の溶解に焦点を合わせている。   In addition, the use of chemicals in dehydration generally prevents or limits the reuse of growth water. A related prior application 13 / 274,094 entitled “Systems, Methods, and Apparatuses for Dewatering, Flocculating, and Harvesting Algae Cells” filed Oct. 14, 2011 and incorporated by reference is a Several forms of the system are disclosed. This application focuses on cell lysis as the final result.

藻類などの微生物および微生物の細胞内生産物の収穫は、医薬品、化粧品、工業製品、生物燃料、合成油、飼料、肥料などの製品を製造する際に使用される化石油派生品または他の化学物質の部分的なまたは完全な代替品として有望である。しかしながら、これらの代替品が実用可能になるためには、化石油派生品に関連した精製費用と競争可能であるために、細胞内生産物を回収するステップおよび処理するステップを含む細胞収穫法が、効率的で費用効果が高いものでなければならない。藻類などの微生物を収穫して、化石油代替品として使用するための製品を最終的に生み出すために使用されている現在の抽出法は手間がかかり、正味のエネルギー利得が小さく、そのため、今日の代替エネルギー需要に対して実用的でない。このような以前の方法はまた、かなりの二酸化炭素排出量を生み出すことがあり、地球温暖化および他の環境問題を悪化させる。これらの先行技術の方法は、さらにスケールアップされたときに、価値のある細胞内成分の劣化によってよりいっそう大きな効率損失を生み出し、微生物収穫から資金調達上現在実現可能なものよりも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、微生物生物燃料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。   Harvesting microorganisms such as algae and intracellular products of microorganisms are chemical petroleum derivatives or other chemicals used in the manufacture of products such as pharmaceuticals, cosmetics, industrial products, biofuels, synthetic oils, feeds, fertilizers, etc. Promising as a partial or complete replacement for substances. However, in order for these alternatives to be feasible, a cell harvesting method that includes the steps of recovering and processing the intracellular product is required in order to be able to compete with the refining costs associated with the chemical derivatives. Must be efficient, cost-effective. The current extraction methods used to harvest microorganisms such as algae and ultimately produce products for use as chemical petroleum substitutes are labor intensive and have a low net energy gain, so today's Not practical for alternative energy demand. Such previous methods can also produce significant carbon dioxide emissions, exacerbating global warming and other environmental issues. These prior art methods, when further scaled up, produce even greater efficiency losses due to the degradation of valuable intracellular components, and provide greater energy or chemistry than is currently feasible for funding from microbial harvests. Requires input of material. For example, the cost per gallon of microbial biofuel is currently about nine times that of fossil fuels.

原核細胞および真核細胞を含む全ての生細胞は、細胞の内容物を取り囲み、外部環境に対する半多孔性バリアの働きをする原形質トランスメンブラン(plasma transmembrane)を有する。このトランスメンブランは、細胞成分を一体として保持し、異物が入ることを防ぐ境界の働きをする。流体モザイクモデルとして知られている受け入れられた現在の理論(S.J.Singer and G.Nicolson(1972年)。参照によって本明細書に組み込まれる)によれば、原形質膜は、脂質の2重の層(2重層)からなる。脂質は、全ての細胞内に見られる油状またはロウ状の物質である。この2重層の脂質の大部分は、より正確にはリン脂質と記述することができる。リン脂質は、それぞれの分子の一端にリン酸基を有する脂質である。   All living cells, including prokaryotic and eukaryotic cells, have a plasma transmembrane that surrounds the cell contents and acts as a semi-porous barrier to the external environment. This transmembrane functions as a boundary that keeps cellular components together and prevents foreign substances from entering. According to the accepted current theory known as the fluid mosaic model (SJ Singer and G. Nicolson (1972), incorporated herein by reference), the plasma membrane is a double layer of lipids. (Double layer). Lipids are oily or waxy substances found in all cells. Most of the bilayer lipids can be described more precisely as phospholipids. A phospholipid is a lipid having a phosphate group at one end of each molecule.

原形質膜のリン脂質2重層中には多くの多様な有用タンパク質が埋め込まれており、他のタイプのミネラルプロテイン(mineral protein)は2重層の表面に単純に付着している。これらのタンパク質の一部、主に膜の外側に少なくとも部分的に露出したタンパク質には炭水化物が付着しており、したがってそれらのタンパク質は糖タンパク質として呼ばれる。内部原形質膜に沿ったタンパク質の配置は、細胞骨格を構成するフィラメントの編成に部分的に関係し、これは、それらを所定の位置に固定するのを助ける。タンパク質のこの配列はさらに、細胞の疎水性領域および親水性領域に関与する。   Many diverse useful proteins are embedded in the phospholipid bilayer of the plasma membrane, and other types of mineral proteins are simply attached to the surface of the bilayer. Some of these proteins, primarily those that are at least partially exposed outside the membrane, have carbohydrates attached and are therefore referred to as glycoproteins. The placement of proteins along the inner plasma membrane is in part related to the organization of the filaments that make up the cytoskeleton, which helps to fix them in place. This sequence of proteins is further involved in the hydrophobic and hydrophilic regions of the cell.

細胞内抽出法は、含まれる生物のタイプ、それらの所望の内部成分、およびそれらの純度レベルに応じて大幅に異なる。しかしながら、細胞が破壊されると、これらの有用成分は放出され、通常は、生きた微生物バイオマスを収容するために使用される液体培地中に懸濁する。このことが、これらの有用物質の収穫を困難にしまたはエネルギー集約的にする。   Intracellular extraction methods vary greatly depending on the type of organisms involved, their desired internal components, and their purity levels. However, when the cells are destroyed, these useful components are released and usually suspended in the liquid medium used to contain live microbial biomass. This makes the harvesting of these useful substances difficult or energy intensive.

細胞内生産物を藻類から収穫する現在の大部分の方法では、液体培地またはバイオマス廃棄物(細胞マスおよび細胞片)から有用な成分を分離および収穫するために、脱水プロセスを実施しなければならない。液体の蒸発に必要な時間枠または液体培地を乾燥させるために必要なエネルギーの投入もしくは物質の分離のために必要な化学物質の投入のため、現在のプロセスは非効率である。加えて、このようなプロセスは一般的にバッチ処理に限定され、連続処理システムに適合させることが難しい。   In most current methods of harvesting intracellular products from algae, a dehydration process must be performed to separate and harvest useful components from liquid media or biomass waste (cell mass and cell debris) . Current processes are inefficient due to the time frame required for liquid evaporation or the input of energy required to dry the liquid medium or the input of chemicals required for material separation. In addition, such processes are generally limited to batch processing and are difficult to adapt to continuous processing systems.

したがって、藻類などの微生物を脱水して、そのような微生物を収穫し、それらの細胞内生産物を回収し、それらを、工業製品の製造に必要な化石油および化石油派生品の価格的に競争可能な代替品として使用することができるようにする、単純で効率的な手順が求められている。   Therefore, microorganisms such as algae can be dehydrated, harvested such microorganisms, their intracellular products can be recovered, and they can be used in the price of chemical and chemical derivatives required for the manufacture of industrial products. There is a need for a simple and efficient procedure that allows it to be used as a competitive alternative.

本発明は一般に、2段階アプローチを使用して藻類を収穫する装置を対象とする。この2段階アプローチは凝集段階および脱水段階を含む。凝集段階は、第1段階凝集タンク内で実施され、このタンクでは、増殖培地中の懸濁した藻類を凝集させる。次いで、凝集した藻類が、第2段階浮上分離タンクへ供給され、このタンクでは、凝集した藻類に付着し、凝集した藻類を表面まで浮上させる水素気泡および酸素気泡を、電極を使用して発生させる。次いで、浮上した藻類のマットを、増殖培地の表面からすくい取ることができる。   The present invention is generally directed to an apparatus for harvesting algae using a two-stage approach. This two-stage approach includes an aggregation stage and a dehydration stage. The flocculation stage is carried out in a first stage flocculation tank in which suspended algae in the growth medium are flocculated. The agglomerated algae is then fed to a second stage flotation separation tank where hydrogen and oxygen bubbles are generated using electrodes that adhere to the agglomerated algae and cause the agglomerated algae to float to the surface. . The floating algal mat can then be scooped from the surface of the growth medium.

一実施形態では、本発明が、2段階プロセスを使用して藻類を収穫する装置として実施される。この装置は、2段階プロセスの第1段階が実施される凝集タンクを含む。この凝集タンクは、懸濁した藻類を含む増殖培地中に電場を発生させる反応管を備え、この電場が藻類を凝集させる。この装置はさらに、2段階プロセスの第2段階が実施される浮上分離タンクを含む。この浮上分離タンクは、凝集した藻類に付着し、凝集した藻類を増殖培地の表面まで上昇させる気泡の形成を引き起こす複数の電極を含むタンクを備える。浮上分離タンクは、凝集した藻類が凝集タンクから浮上分離タンク内へ流入することを可能にするように、凝集タンクに接続される。   In one embodiment, the present invention is implemented as an apparatus for harvesting algae using a two-stage process. The apparatus includes a flocculation tank in which the first stage of the two stage process is performed. The agglomeration tank includes a reaction tube that generates an electric field in a growth medium containing suspended algae, and the electric field causes the algae to aggregate. The apparatus further includes a flotation separation tank in which the second stage of the two-stage process is performed. The floating separation tank includes a tank that includes a plurality of electrodes that adhere to the agglomerated algae and cause formation of bubbles that raise the agglomerated algae to the surface of the growth medium. The flotation separation tank is connected to the agglomeration tank to allow agglomerated algae to flow from the agglomeration tank into the flotation separation tank.

他の実施形態では、本発明が、2段階プロセスを使用して藻類を収穫する方法として実施される。懸濁した藻類を含む増殖培地を凝集タンク内へ供給する。この凝集タンクは、増殖培地中に電場を発生させる反応管を備え、この電場が藻類を凝集させる。凝集した藻類を含む増殖培地を浮上分離タンク内へ移す。この浮上分離タンクは、凝集した藻類に付着し、凝集した藻類を増殖培地の表面まで上昇させる気泡の形成を引き起こす複数の電極を含むタンクを備える。次いで、浮上した藻類を増殖培地の表面から除去する。   In other embodiments, the invention is implemented as a method of harvesting algae using a two-stage process. A growth medium containing suspended algae is fed into the agglomeration tank. The agglomeration tank includes a reaction tube that generates an electric field in the growth medium, and this electric field agglomerates the algae. Transfer growth medium containing agglomerated algae into the flotation tank. The floating separation tank includes a tank that includes a plurality of electrodes that adhere to the agglomerated algae and cause formation of bubbles that raise the agglomerated algae to the surface of the growth medium. The floating algae are then removed from the surface of the growth medium.

他の実施形態では、本発明が、流体からアンモニアを除去する装置として実施される。この装置は、アンモニアを含む流体中に電場を発生させる反応管を備える。この反応管はカソードおよびアノードを含み、このアノードはチタンルテニウム合金を含む。電場が発生しているときに、アノードは、流体中で遊離塩素を発生させ、それによってアンモニアが酸化して亜硝酸塩および硝酸塩に変化する。この装置はさらに、反応管に接続された浮上分離タンクを含む。この浮上分離タンクは、気泡の形成を引き起こす複数の電極を含むタンクを備える。   In other embodiments, the present invention is implemented as an apparatus for removing ammonia from a fluid. This apparatus includes a reaction tube that generates an electric field in a fluid containing ammonia. The reaction tube includes a cathode and an anode, and the anode includes a titanium ruthenium alloy. When an electric field is generated, the anode generates free chlorine in the fluid, which oxidizes ammonia to nitrite and nitrate. The apparatus further includes a flotation separation tank connected to the reaction tube. The floating separation tank includes a tank including a plurality of electrodes that cause formation of bubbles.

この概要は、下記の「発明の詳細な説明」の項でさらに説明する発想の抜粋を、簡略化された形態で導入するために提供されている。この概要は、特許請求された主題の鍵となる特徴または必須の特徴を識別することを意図したものではない。   This summary is provided to introduce a selection of concepts in a simplified form that are further described below in the Detailed Description of the Invention section. This summary is not intended to identify key features or essential features of the claimed subject matter.

本発明の追加の特徴および利点は、一部は以下の説明に記載されており、一部は以下の説明から明らかとなり、または本発明を実施することによって知ることができる。本発明のそれらの特徴および利点は、添付された特許請求の範囲に具体的に記載された機器および組合せよって実現し達成することができる。本発明のこれらの特徴およびその他の特徴は、以下の説明および添付の特許請求の範囲からより完全に明らかになり、または以下に記載された発明を実施することによって知ることができる。   Additional features and advantages of the invention will be set forth in part in the description which follows, and in part will be obvious from the description, or may be learned by practice of the invention. These features and advantages of the invention may be realized and attained by means of the instruments and combinations particularly pointed out in the appended claims. These and other features of the present invention will become more fully apparent from the following description and appended claims, or may be learned by practice of the invention described hereinafter.

本発明の上記の利点および特徴ならびにその他の利点および特徴を得ることができる方法を記述するため、添付図面に示された本発明の特定の実施形態を参照することによって、上で簡単に説明した発明のより具体的な説明が示される。これらの図面は本発明の典型的な実施形態だけを示していること、したがってこれらの図面が本発明の範囲を限定するとはみなされないことが理解されている前提で、添付図面を使用することによって、本発明を、追加の特殊性および詳細とともに記述し、説明する。   To describe the above and other advantages and features of the present invention and the manner in which the other advantages and features can be obtained, a brief description has been given above with reference to specific embodiments of the invention shown in the accompanying drawings. A more specific description of the invention is given. Under the assumption that these drawings depict only typical embodiments of the invention and are therefore not considered to limit the scope of the invention, by using the accompanying drawings, The invention will be described and explained with additional specificity and detail.

第1段階凝集タンクと第2段階浮上分離タンクとを有する2段階藻類収穫装置を示す図である。It is a figure which shows the two-stage algae harvesting apparatus which has a 1st stage aggregation tank and a 2nd stage floating separation tank. 第2段階浮上分離タンク内の電極の可能なさまざまな構成の側面図である。FIG. 4 is a side view of various possible configurations of electrodes in a second stage levitation separation tank. 第1段階凝集タンクの側面図である。It is a side view of a 1st step aggregation tank. 懸濁した藻類を含む増殖培地で満たされたときの第1段階凝集タンクを示す図である。FIG. 5 shows the first stage flocculation tank when filled with a growth medium containing suspended algae. 藻類をバッチモードで凝集させたときの第1段階凝集タンクを示す図である。It is a figure which shows the 1st step flocculation tank when algae are flocculated in batch mode. 藻類を連続流モードで凝集させたときの第1段階凝集タンクを示す図である。It is a figure which shows the 1st step aggregation tank when algae are aggregated by the continuous flow mode. 図3A〜Dは、凝集した藻類を水素気泡を使用して表面まで浮上させることによって凝集した藻類を脱水する、第2段階浮上分離タンク内で実行されるプロセスを示す図である。3A-D are diagrams illustrating a process performed in a second stage flotation separation tank that dehydrates the agglomerated algae by levitating the agglomerated algae to the surface using hydrogen bubbles. 本発明の1つまたは複数の実施形態による2段階藻類収穫装置の実装例を示す図である。FIG. 6 shows an example implementation of a two-stage algae harvesting apparatus according to one or more embodiments of the present invention.

発明の詳細な説明Detailed Description of the Invention

本発明は一般に、2段階アプローチを使用して藻類を収穫する装置を対象とする。この2段階アプローチは凝集段階および脱水段階を含む。凝集段階は、第1段階凝集タンク内で実施され、このタンクでは、増殖培地中の懸濁した藻類を凝集させる。次いで、凝集した藻類が、第2段階浮上分離タンクへ供給され、このタンクでは、凝集した藻類に付着し、凝集した藻類を表面まで浮上させる水素気泡および酸素気泡を、電極を使用して発生させる。次いで、浮上した藻類のマットを、増殖培地の表面からすくい取ることができる。   The present invention is generally directed to an apparatus for harvesting algae using a two-stage approach. This two-stage approach includes an aggregation stage and a dehydration stage. The flocculation stage is carried out in a first stage flocculation tank in which suspended algae in the growth medium are flocculated. The agglomerated algae is then fed to a second stage flotation separation tank where hydrogen and oxygen bubbles are generated using electrodes that adhere to the agglomerated algae and cause the agglomerated algae to float to the surface. . The floating algal mat can then be scooped from the surface of the growth medium.

このようにして収穫された藻類は、他の藻類収穫法ではしばしば避けられない有害物質を含まない。加えて、この2段階プロセスでは有害物質が使用されないため、栄養分に富む増殖培地を、以降の藻類収穫で再使用することができる。   Algae harvested in this way are free of harmful substances that are often unavoidable with other algae harvesting methods. In addition, because no harmful substances are used in this two-step process, the nutrient rich growth medium can be reused in subsequent algal harvests.

本発明の装置はさまざまなサイズで構成することができる。しかしながら、多くの実施形態では、この装置が、事実上あらゆる位置で使用することができる比較的ポータブルなものになるように、装置のサイズを決めることが可能である。このようすると、多くの企業体は、他の収穫アプローチではしばしば必要となる広い土地および/または大量の電気を必要とすることなく、この装置を使用して、藻類バイオマスを生産することができる。   The device of the present invention can be configured in various sizes. However, in many embodiments, the device can be sized so that it is relatively portable that can be used in virtually any location. In this way, many business entities can use this equipment to produce algae biomass without the need for large land and / or large amounts of electricity often required by other harvesting approaches.

図1Aは、2段階アプローチを使用して藻類を収穫する装置100の構成例を示す。装置100は、2つの主要な構成要素、第1段階凝集タンク101および第2段階浮上分離タンク102を含む。   FIG. 1A shows an example configuration of an apparatus 100 for harvesting algae using a two-stage approach. The apparatus 100 includes two main components, a first stage flocculation tank 101 and a second stage levitation separation tank 102.

第1段階凝集タンク101内に、懸濁した藻類を含む増殖培地を投入する。この増殖培地は、実質的に任意の方法で得ることができる。例えば、水中で藻類を増殖させる専用ユニットを第1段階凝集タンク101に接続することができ、または他の方法で得た増殖培地を第1段階凝集タンク101に直接供給することができる。   A growth medium containing suspended algae is introduced into the first stage flocculation tank 101. This growth medium can be obtained by virtually any method. For example, a dedicated unit for growing algae in water can be connected to the first stage flocculation tank 101, or growth media obtained by other methods can be fed directly to the first stage flocculation tank 101.

第1段階凝集タンク101内で、懸濁した藻類を凝集させる(すなわち凝集塊を形成させる)。この凝集は、後にさらに説明するように、電極によって生成される電流を使用して引き起こすことができる。藻類を所望の程度まで凝集させた後、凝集した藻類を含む増殖培地を第2段階浮上分離タンク102内に供給する。   In the first stage flocculation tank 101, suspended algae are flocculated (that is, agglomerates are formed). This agglomeration can be triggered using the current generated by the electrodes, as further described below. After the algae are aggregated to a desired degree, a growth medium containing the aggregated algae is supplied into the second stage floating separation tank 102.

第2段階浮上分離タンク102は、増殖培地の中を上昇する気体(例えば、水素および酸素)の泡を発生させる。上昇する間に、それらの気泡は、凝集した藻類に付着し、凝集した藻類を表面まで上昇させる。この過程の結果、増殖培地の表面に藻類のマットが形成される。最後に、この藻類を、後にさらに説明するコンベヤ115および116を使用して集めることができる。   The second stage flotation separation tank 102 generates bubbles of gases (eg, hydrogen and oxygen) that rise in the growth medium. While rising, these bubbles attach to the agglomerated algae and raise the agglomerated algae to the surface. As a result of this process, an algal mat is formed on the surface of the growth medium. Finally, the algae can be collected using conveyors 115 and 116, described further below.

図4は、本発明の1つまたは複数の実施形態に基づく装置の実装例を示す。   FIG. 4 illustrates an example implementation of an apparatus according to one or more embodiments of the present invention.

第1段階凝集タンク
図1Aに示すように、凝集タンク101は、2つの主要な構成要素、すなわち外筒(例えば、差し込まれたパイプまたはチューブ)によって形成されたカソード105、および外筒の内部に含まれる内筒(例えば、パイプまたは他の差し込まれた筒形)によって形成されたアノード106を含む。したがって、図1Aの矢印によって示されているように、増殖培地はカソード105とアノード106の間を流れる。これら2つの構成要素間に流体経路が形成されるものであれば、筒以外の他の形状を使用することもできる。さらに、いくつかの実施形態では、アノード106に対して多数の内筒を使用することができる。いくつかの実施形態では、増殖培地と接触するカソード105およびアノード106の表面が、それらの表面における蓄積物の発生を減らすことができる溝(例えば、旋条)を含むことができる。
First Stage Agglomeration Tank As shown in FIG. 1A, the agglomeration tank 101 has two main components: a cathode 105 formed by an outer cylinder (eg, an inserted pipe or tube), and an inner part of the outer cylinder. It includes an anode 106 formed by an included inner cylinder (eg, a pipe or other plugged cylinder). Thus, the growth medium flows between the cathode 105 and the anode 106, as indicated by the arrows in FIG. 1A. Other shapes other than the cylinder can be used as long as a fluid path is formed between these two components. Further, in some embodiments, multiple inner cylinders can be used for the anode 106. In some embodiments, the surfaces of the cathode 105 and the anode 106 that are in contact with the growth medium can include grooves (eg, swirls) that can reduce the generation of deposits on those surfaces.

図1Cは、凝集タンク101の側方断面図を示す。示されているように、カソード105とアノード106の間には増殖培地が流れる空間が存在する。いくつかの実施形態では、この空間の幅を0.5mmから200mmの間とすることができる。カソード105およびアノード106にはそれぞれ電圧が印加され、それによって増殖培地中を電流が流れる。この電流によって、増殖培地中の懸濁した藻類が凝集する(すなわち合体して凝集塊を作る)。いくつかの実施形態では、藻類が凝集タンク101内を通過するときに、細胞が、細胞を整列させる磁場と細胞の電流吸収を誘起する電場の両方にさらされる。これらの効果によって細胞を凝集させることができる。   FIG. 1C shows a side cross-sectional view of the agglomeration tank 101. As shown, there is a space between the cathode 105 and anode 106 through which the growth medium flows. In some embodiments, the width of this space can be between 0.5 mm and 200 mm. A voltage is applied to each of the cathode 105 and the anode 106, whereby an electric current flows in the growth medium. This current causes the suspended algae in the growth medium to clump together (ie coalesce to form a clump). In some embodiments, as algae pass through the agglomeration tank 101, the cells are exposed to both a magnetic field that aligns the cells and an electric field that induces the current absorption of the cells. Cells can be aggregated by these effects.

図2A〜2Cは、どのようにすればこの凝集を起こすことができるのかを示す。示されているように、懸濁した藻類を含む増殖培地の供給源210が凝集タンク101に接続される。あるいは、凝集タンク101に増殖培地を手動で供給することもできる。図2Aの陰影は、最初は増殖培地中で藻類が懸濁していることを示す。   Figures 2A-2C show how this aggregation can occur. As shown, a growth medium source 210 containing suspended algae is connected to the agglomeration tank 101. Alternatively, the growth medium can be manually supplied to the aggregation tank 101. The shading in FIG. 2A initially shows that algae are suspended in the growth medium.

図2Bは、増殖培地がバッチモードで処理された場合を示す。バッチモードでは、最初に、凝集タンク101が、懸濁した藻類を含む増殖培地で満たされる。次いで、この増殖培地を、所望のレベルの凝集が生じるまで、カソード105およびアノード106によって発生した電場にさらす。いくつかの実施形態では、凝集した藻類のサイズを1から4mmの間とすることができる。次いで、凝集した藻類を含む増殖培地を第2段階浮上分離タンク102へ移す。したがって、図2Bは、凝集タンク101内の増殖培地が、浮上分離タンク102へ移す準備ができた藻類の凝集塊を含んでいることを示す。   FIG. 2B shows the case where the growth medium is processed in batch mode. In batch mode, the agglomeration tank 101 is first filled with a growth medium containing suspended algae. The growth medium is then exposed to the electric field generated by the cathode 105 and anode 106 until the desired level of aggregation occurs. In some embodiments, the size of the agglomerated algae can be between 1 and 4 mm. Next, the growth medium containing the agglomerated algae is transferred to the second stage floating separation tank 102. Thus, FIG. 2B shows that the growth medium in the flocculation tank 101 contains algae clumps ready to be transferred to the flotation separation tank 102.

図2Cは、対照的に、増殖培地が連続流モードで処理された場合を示す。連続流モードでは、バッチモードの場合と同じ方法で(例えば増殖培地に電流を流すことによって)藻類を凝集させることができる。しかしながら、増殖培地が凝集タンクの反対端に到達する時刻までに藻類が十分に凝集しているような適切な流量で、増殖培地を凝集タンク内へ連続的に流入させることができる。これが図2Cに示されており、この図では、左端の増殖培地が供給源210内の増殖培地と同程度の凝集を有し、右端に向かうにつれて凝集の程度が増大する。   FIG. 2C, in contrast, shows the case where the growth medium is treated in continuous flow mode. In continuous flow mode, algae can be agglomerated in the same way as in batch mode (eg, by passing current through the growth medium). However, the growth medium can be continuously flowed into the flocculation tank at an appropriate flow rate such that the algae are sufficiently flocculated by the time the growth medium reaches the opposite end of the flocculation tank. This is illustrated in FIG. 2C where the leftmost growth medium has as much agglomeration as the growth medium in source 210 and the degree of aggregation increases toward the right end.

藻類を凝集させるために使用するモードが何であれ、凝集タンク101を出る前に藻類が十分に凝集していることを保証する適切な設定を自動的に決定する制御機構を有するように、凝集タンク101を構成することが可能である。例えば、バッチモードでは、増殖培地を処理する適切な継続時間またはカソード105およびアノード106に印加する適切な電圧レベルを、凝集タンク101が自動的に決定することができる。同様に、連続流モードでは、適切な流量ならびにカソード105およびアノード106に印加する適切な電圧レベルを、凝集タンク101が自動的に決定することができる。   Whatever mode is used to agglutinate the algae, the agglomeration tank has a control mechanism that automatically determines the appropriate settings to ensure that the algae are sufficiently agglomerated before leaving the agglomeration tank 101. 101 can be configured. For example, in batch mode, the flocculation tank 101 can automatically determine the appropriate duration of processing the growth medium or the appropriate voltage level to apply to the cathode 105 and anode 106. Similarly, in continuous flow mode, agglomeration tank 101 can automatically determine the proper flow rate and the appropriate voltage level to apply to cathode 105 and anode 106.

少なくとも1つの実施形態では、凝集タンク101内の流量を、容積1ml当たり0.1ml/秒とすることができる。しかしながら、他の実施形態では、この流量が、容積1ml当たり少なくとも0.5ml/秒または容積1ml当たり少なくとも1.0ml/秒である。他の実施形態では、この容積内の流量が、容積1ml当たり少なくとも1.5ml/秒である。他の実施形態では、この容積内の流量が、容積1ml当たり1.5ml/秒よりも大きい。少なくとも1つの追加の実施形態では、ポンプまたは他の適当な機械式流体フローデバイスを使用して圧力を制御することによって、この流量を制御することができる。   In at least one embodiment, the flow rate in the flocculation tank 101 can be 0.1 ml / second per ml of volume. However, in other embodiments, the flow rate is at least 0.5 ml / sec per ml volume or at least 1.0 ml / sec per ml volume. In other embodiments, the flow rate in this volume is at least 1.5 ml / sec per ml of volume. In other embodiments, the flow rate in this volume is greater than 1.5 ml / sec per ml of volume. In at least one additional embodiment, this flow rate can be controlled by controlling the pressure using a pump or other suitable mechanical fluid flow device.

いくつかの実施形態では、オン/オフを繰り返して供給する電圧をパルス化して、藻類細胞の伸張および弛緩を引き起こすことができる。このような実施形態によれば、電圧をより高く、ピークアンペア数をより小さくし、同時に、平均アンペア数を比較的に小さく維持することができる。このような実施形態では、この条件または制御された状況が、装置を動作させるためのエネルギー必要量を低減させ、1つまたは複数のアノード/カソード対の損耗を減らす。少なくとも1つの実施形態では、このパルスの周波数が、少なくとも約500Hz、少なくとも約1kHz、少なくとも約2kHzまたは少なくとも約30kHzである。他の実施形態では、この周波数が、200kHz未満、80kHz未満、50kHz未満、30kHz未満、5kHz未満または2kHz未満である。このパルス周波数の範囲は、さまざまな実施形態に応じた上記の最高周波数と最低周波数の任意の組合せとすることができる。   In some embodiments, a voltage that is repeatedly turned on and off can be pulsed to cause algal cell stretching and relaxation. According to such an embodiment, the voltage can be higher, the peak amperage can be made smaller, and at the same time the average amperage can be kept relatively small. In such embodiments, this condition or controlled situation reduces the energy requirement to operate the device and reduces wear on one or more anode / cathode pairs. In at least one embodiment, the frequency of this pulse is at least about 500 Hz, at least about 1 kHz, at least about 2 kHz, or at least about 30 kHz. In other embodiments, this frequency is less than 200 kHz, less than 80 kHz, less than 50 kHz, less than 30 kHz, less than 5 kHz, or less than 2 kHz. The range of pulse frequencies can be any combination of the above highest and lowest frequencies according to various embodiments.

いくつかの実施形態では、電気パルスを頻繁に繰り返して、電極間に電磁場を発生させ、電極間の電気エネルギー移動を生じさせる。ある種の実施形態によれば、このパルス化された電気移動が起こると電磁場が発生し、その結果、藻類細胞の有極性によって藻類細胞が伸長する。他の実施形態によれば、懸濁した藻類が電気入力を吸収し、それによって内部細胞成分およびそれらの液体マスのサイズが膨張する。このような実施形態では、膨張のために、トランスメンブランに対して内圧が加わるが、ある種の実施形態によれば、この内部膨張は、パルス電気入力のオフ周波数位相中に軽減されるため、瞬間的でしかないと考えられる。前述のとおり、いくつかの実施形態では、オン/オフ電気周波数の急速な繰返しが、成分を再配置し、藻類細胞内に極性領域を生じさせ、かつ/または藻類細胞内の極性領域を増やす。いくつかの実施形態では、連続周波数入力が、拡張された内部成分の膨張によって生じる内圧をさらに生み出し、これによって最終的に磁気/静電引力が生み出され、それによって処理された細胞の凝結(coagulation)/凝集(flocculation)が引き起こされる。   In some embodiments, electrical pulses are frequently repeated to generate an electromagnetic field between the electrodes, resulting in electrical energy transfer between the electrodes. According to certain embodiments, an electromagnetic field is generated when this pulsed electromigration occurs, resulting in the algal cells being elongated due to the polarity of the algal cells. According to other embodiments, suspended algae absorb electrical input, thereby expanding the size of internal cellular components and their liquid mass. In such an embodiment, internal pressure is applied to the transmembrane due to expansion, but according to certain embodiments, this internal expansion is mitigated during the off-frequency phase of the pulsed electrical input, It is considered only momentary. As described above, in some embodiments, rapid repetition of on / off electrical frequencies rearranges components, creates polar regions within the algal cells, and / or increases polar regions within the algal cells. In some embodiments, the continuous frequency input further creates an internal pressure that results from the expansion of the expanded internal component, which ultimately creates a magnetic / electrostatic attraction, thereby coagulating the treated cell. ) / Flocculation.

本明細書は、主として、凝集プロセス中に第1段階が藻類細胞を無傷のまま残すことを記述するが、凝集中に藻類細胞を溶解させることも可能である。例えば、カソード105およびアノード106に印加する電圧レベル/周波数を変更し、かつ/またはカソード105とアノード106の間に形成された電流に藻類細胞をかける時間を変更することによって、藻類細胞を溶解させ、それによって藻類細胞内の内容物を放出させることができる。したがって、いくつかの実施形態では、装置100を使用して、藻類細胞の溶解、凝集および脱水を実施することができる。   Although this specification primarily describes that the first stage leaves the algal cells intact during the aggregation process, it is also possible to lyse the algal cells during aggregation. For example, the algal cells can be lysed by changing the voltage level / frequency applied to the cathode 105 and the anode 106 and / or changing the time the algal cells are applied to the current formed between the cathode 105 and the anode 106. , Thereby releasing the contents in the algal cells. Thus, in some embodiments, the device 100 can be used to perform lysis, aggregation and dehydration of algal cells.

第2段階浮上分離タンク
増殖培地中で藻類を凝集させた後、増殖培地は浮上分離タンク102に移される。電極を使用して、浮上分離タンク102内の増殖培地に電場を作用させることができる。この電場は、溶媒と溶質の間の界面電位を増大させ、水素ガスおよび酸素ガスのミクロンサイズの気泡を発生させ、これらの気泡が、凝集した藻類を表面まで上昇させる。藻類は表面にマットを形成し、このことは、藻類を容易に除去することを可能にする。さらに、藻類のマットは、かなりの量の水素ガスおよび酸素ガスを含む。存在するこのガスと一緒に藻類を使用することができ、または別の下流プロセスを実行してこのガスを回収することができる。例えば、このガスを回収し、それを使用して、装置100に電力を供給し、それによって装置100を使用するためのエネルギー必要量を最小に抑えることができる。
After agglutinating the algae in the second stage floating separation tank growth medium, the growth medium is transferred to the floating separation tank 102. Electrodes can be used to apply an electric field to the growth medium in the flotation separation tank 102. This electric field increases the interfacial potential between the solvent and the solute, generating hydrogen and oxygen gas micron-sized bubbles that raise the agglomerated algae to the surface. Algae form a mat on the surface, which makes it possible to easily remove algae. In addition, the algal mat contains significant amounts of hydrogen and oxygen gases. Algae can be used with this gas present, or another downstream process can be performed to recover this gas. For example, this gas can be recovered and used to power the device 100, thereby minimizing the energy requirements for using the device 100.

図1Aを再び参照すると、浮上分離タンク102は、カソード板111、ならびに積み重ねられた一連のアノード棒112およびカソード棒113を含む。図1Bは、浮上分離タンク102内で使用することができる電極の他の構成の側面図を示す。例えば、図1Bの左上隅には、図1Aに示した構成が示されている。いくつかの実施形態では、棒の代わりに板を使用することができる。   Referring back to FIG. 1A, the flotation separation tank 102 includes a cathode plate 111 and a series of stacked anode and cathode bars 112 and 113. FIG. 1B shows a side view of another configuration of electrodes that can be used in the flotation separation tank 102. For example, the configuration shown in FIG. 1A is shown in the upper left corner of FIG. 1B. In some embodiments, a plate can be used instead of a bar.

電極の他のさまざまな構成を使用することができる。例えば、単一のカソードと単一のアノード、2つのカソードと単一のアノード、単一のカソードと2つのアノード、2つのカソードと2つのアノード、または他の組合せは、1つまたは複数のカソードおよび1つまたは複数のアノードを含む。   Various other configurations of electrodes can be used. For example, a single cathode and a single anode, two cathodes and a single anode, a single cathode and two anodes, two cathodes and two anodes, or other combinations can be one or more cathodes And one or more anodes.

図1Bに示されているように、いくつかの実施形態は、3つの電極からなる垂直列を2つ含む2×3電極配置を提供する。電極の最上段および最下段はカソードとすることができ、中段は2つのアノードを含むことができる。浮上分離タンク102の実施形態では、このような他のさまざまなアノード−カソード構成を使用することができる。一般に、主に浮上分離タンク102のサイズに応じて、1個から20個の間のアノードと1個から20個の間のカソードの組合せを使用することができる。   As shown in FIG. 1B, some embodiments provide a 2 × 3 electrode arrangement that includes two vertical columns of three electrodes. The top and bottom stages of the electrodes can be cathodes, and the middle stage can contain two anodes. Various other such anode-cathode configurations can be used in the embodiment of the flotation separation tank 102. In general, depending on the size of the flotation separation tank 102, a combination of between 1 and 20 anodes and between 1 and 20 cathodes can be used.

浮上分離タンク102は、後にさらに説明するように、さらに、(レーキ115aおよび115bを有する)コンベヤ115およびコンベヤ116を含み、これらのコンベヤは、浮上分離タンク102から藻類細胞を除去し、捕集器114に入れるために使用される。増殖培地の表面から藻類を除去する、当技術分野で知られている他の手段を使用することもできる。   The flotation separation tank 102 further includes a conveyor 115 (with rakes 115a and 115b) and a conveyor 116, which further removes algal cells from the flotation separation tank 102, as further described below, and a collector. Used to enter 114. Other means known in the art that remove algae from the surface of the growth medium can also be used.

どのようにすれば凝集した藻類を表面まで浮上させることができるのかを示す例を提供するため、図3A〜3Dは浮上分離タンク102を示す。図3Aは、凝集した藻類を含む増殖培地が浮上分離タンク102内へ送られたときの浮上分離タンク102の状態を示す。前述のとおり、増殖培地から藻類を分離する先行技術のアプローチは難しく、費用がかかり、しばしば藻類にとって有害であり、このことは、これらのアプローチを、ある目的に使用することが意図された藻類を回収する目的には適さないものにする。対照的に、本発明は、藻類細胞を回収する単純で安全なプロセスを提供する。このプロセスは、電極111、112、場合によってはさらに113を使用して、増殖培地に電場を作用させることを含む。   To provide an example of how agglomerated algae can be levitated to the surface, FIGS. 3A-3D show a flotation separation tank 102. FIG. 3A shows the state of the floating separation tank 102 when the growth medium containing the agglomerated algae is sent into the floating separation tank 102. As mentioned above, prior art approaches to separating algae from growth media are difficult, expensive and often harmful to algae, which means that these approaches can be used for certain purposes. Make it unsuitable for the purpose of recovery. In contrast, the present invention provides a simple and safe process for recovering algal cells. This process involves applying an electric field to the growth medium using electrodes 111, 112, and optionally 113 further.

図3Cは、凝集した藻類細胞が表面まで浮上した後の浮上分離タンク102の状態を示す。増殖培地から藻類を分離するのにこのプロセスが非常に有効であることを示すため、図3Cはさらに、浮上した凝集塊の下の残りの増殖培地が実質的に澄んでいることを示している。次いで、栄養分に富むこの増殖培地を再使用することができる。   FIG. 3C shows the state of the levitation separation tank 102 after the aggregated algal cells have surfaced to the surface. In order to show that this process is very effective in separating algae from the growth medium, FIG. 3C further shows that the remaining growth medium under the floating agglomerates is substantially clear. . This growth medium rich in nutrients can then be reused.

最後に、図3Dは、どのようにすれば浮上した藻類細胞を除去することができるのかを示す例を示す。示されているように、この除去は、レーキ115a、115bを使用して実行することができる。これらのレーキは、増殖培地の表面を横切って回転して、藻類細胞を、コンベヤ116に向かってかき寄せる。コンベヤ116を回転させて、かき寄せた藻類細胞を捕集器114の中へ移し、そこで、藻類細胞を、さらなる処理のために取り出すことができる。したがって、このプロセスは、容易に輸送し使用することができる高度に脱水されたバイオマスを与える。   Finally, FIG. 3D shows an example of how floating algal cells can be removed. As shown, this removal can be performed using rakes 115a, 115b. These rakes rotate across the surface of the growth medium and drive the algal cells toward the conveyor 116. The conveyor 116 is rotated to move the scraped algae cells into the collector 114 where they can be removed for further processing. This process thus provides a highly dehydrated biomass that can be easily transported and used.

図3A〜3Dは一般に、バッチごとに実行されている(すなわち新しい藻類細胞を加える前に増殖培地全体を完全に凝集させる)プロセスを表す。しかしながら、いくつかの実施形態では、凝集した藻類を含む新しい増殖培地を定期的に加えることなどによって、このプロセスを連続的に実行することもできる。   3A-3D generally represent a process that is being performed batch by batch (ie, fully aggregating the entire growth medium before adding new algal cells). However, in some embodiments, this process can also be performed continuously, such as by periodically adding fresh growth medium containing agglomerated algae.

電極を互いの近くに戦略的に配置することによって気泡形成を促進することができる。例えば、いくつかの実施形態では、カソードとアノードが、約0.1インチから約36インチの間、約0.2インチから約24インチの間、約0.5インチから約12インチの間、約0.5インチから約6インチの間、約3から約8インチもしくは約1インチから約3インチの間隔を置いて、またはこれらの範囲もしくはこれらの範囲内の値の変異および組合せを間隔として配置することができる。その分散の割合は、増殖培地の導電率および/または電極に加える電力レベルに応じて変更することができる。例えば、増殖培地の塩分濃度が高いほど、または増殖培地の導電率が大きいほど、水素および/または酸素を発生させるために必要なギャップは小さくなる。いくつかの構成では、単一のアノードの近くに2つ以上のカソードを配置すると、アノードの周囲の乱流を増大させることができ、これによって混合効果を高めることができ、それによって藻類細胞の凝結/凝集および藻類細胞の上昇を支援することができる。   Bubble formation can be facilitated by strategically placing the electrodes close to each other. For example, in some embodiments, the cathode and anode are between about 0.1 inches and about 36 inches, between about 0.2 inches and about 24 inches, between about 0.5 inches and about 12 inches, Spacing between about 0.5 inches to about 6 inches, about 3 to about 8 inches, or about 1 inch to about 3 inches, or variations and combinations of these ranges or values within these ranges Can be arranged. The rate of dispersion can be varied depending on the conductivity of the growth medium and / or the power level applied to the electrodes. For example, the higher the salinity of the growth medium, or the greater the conductivity of the growth medium, the smaller the gap required to generate hydrogen and / or oxygen. In some configurations, placing two or more cathodes near a single anode can increase turbulence around the anode, thereby increasing the mixing effect, thereby increasing the algal cell Can aid in flocculation / aggregation and algal cell elevation.

約1から約30ボルトの間、約1から約24ボルトの間、約2から約18ボルト、約2から約12ボルト、またはこれらの範囲内の組合せおよび中間範囲の動作電圧を印加することができる。例えば、約4ボルト、6ボルト、8ボルト、10ボルト、12ボルト、14ボルト、16ボルト、18ボルト、20ボルト、22ボルト、24ボルト、26ボルト、28ボルト、30ボルト、および/またはこれらの電圧の組合せもしくはこれらの電圧を包含する範囲の電圧を印加することができる。アンペア数を変更することができ、一般に、約1Aから約20Aの間、約2Aから約15Aの間、またはこれらの範囲内の組合せもしくは中間範囲とすることができる。実際の電流は、増殖培地の密度および増殖培地の相対導電率に応じて合理的に変更することができる。   Applying an operating voltage between about 1 to about 30 volts, between about 1 to about 24 volts, between about 2 to about 18 volts, between about 2 to about 12 volts, or combinations within these ranges and intermediate ranges it can. For example, about 4 Volts, 6 Volts, 8 Volts, 10 Volts, 12 Volts, 14 Volts, 16 Volts, 18 Volts, 20 Volts, 22 Volts, 24 Volts, 26 Volts, 28 Volts, 30 Volts, and / or these A combination of voltages or a range of voltages encompassing these voltages can be applied. The amperage can be varied and can generally be between about 1A and about 20A, between about 2A and about 15A, or a combination or intermediate range within these ranges. The actual current can be reasonably varied depending on the density of the growth medium and the relative conductivity of the growth medium.

いくつかの構成では、電極にパルス電力を供給することが望ましいことがある。パルス電力を供給するために、パルシングの周波数を変更することができ、デューティーサイクルを変更することもできる。この文脈において、用語デューティーサイクルは、それぞれの電力サイクルのオン部分とオフ部分の相対的な長さを指し、例えばサイクルのオン部分の継続時間とサイクルの総時間の比、もしくはサイクルのオン部分の継続時間とサイクルのオフ部分の継続時間との比として、またはオンの継続時間とオフの継続時間とを示すことによって、またはオン継続時間もしくはオフ継続時間と総サイクル時間と示すことによって表すことができる。そうではないと明記されていない限り、または文脈から明らかでない場合、本明細書ではデューティーサイクルが、サイクルのオン継続時間とオフ継続時間の比として記載される。   In some configurations, it may be desirable to supply pulsed power to the electrodes. To supply pulsed power, the frequency of pulsing can be changed and the duty cycle can be changed. In this context, the term duty cycle refers to the relative length of the on and off portions of each power cycle, for example, the ratio of the duration of the on portion of the cycle to the total time of the cycle, or the on portion of the cycle. Expressed as the ratio of the duration to the duration of the off part of the cycle, or by indicating the duration of on and off, or by indicating the duration of on or off and the total cycle time it can. Unless stated otherwise, or where it is not apparent from the context, duty cycle is described herein as the ratio of cycle on duration to off duration.

したがって、電磁場のオンとオフを繰り返す実施形態では、デューティーサイクルを、約1:1、約1:1.1、約1:1.2、約1:1.3、約1:1.4、約1:1.5、約1:1.6、約1:1.7、約1:1.8、約1:1.9、約1:2、約1:2.5、約1:3、約1:4、約1:5、約1:6、約1:7、約1:8、約1:9または約1:10とすることができる。加えて、増殖培地の流量、体積および/または特性に基づいてデューティーサイクルの継続時間を変更することができる。   Thus, in embodiments that repeatedly turn the electromagnetic field on and off, the duty cycle is about 1: 1, about 1: 1.1, about 1: 1.2, about 1: 1.3, about 1: 1.4, About 1: 1.5, about 1: 1.6, about 1: 1.7, about 1: 1.8, about 1: 1.9, about 1: 2, about 1: 2.5, about 1: 3, about 1: 4, about 1: 5, about 1: 6, about 1: 7, about 1: 8, about 1: 9, or about 1:10. In addition, the duty cycle duration can be varied based on the flow rate, volume and / or characteristics of the growth medium.

追加の特徴または変形形態
これらの電極は、限定はされないが、銀、銅、金、アルミニウム、亜鉛、ニッケル、真ちゅう、銅、鉄、鉛、白金族金属、鋼、ステンレス鋼、炭素同素体および/またはこれらの組合せなど、導電性を与えることが知られている金属、複合材料または他の材料から製作することができる。導電性炭素同素体の非限定的な例は、グラファイト、グラフェン、合成グラファイト、(鉄で強化された)炭素繊維、ナノカーボン構造体、およびシリコン基板上に付着させた他の形態の炭素などである。いくつかの構成では、アノードおよび/またはカソードが、凝集プロセスおよび/または気泡発生プロセスで使用される犠牲電極の役目を果たすことができる。そのため、電極は、鉄、アルミニウムなどの消耗可能な(consumable)導電性金属を含むことができる。
Additional features or variations These electrodes include, but are not limited to, silver, copper, gold, aluminum, zinc, nickel, brass, copper, iron, lead, platinum group metals, steel, stainless steel, carbon allotropes and / or They can be made from metals, composites or other materials known to provide electrical conductivity, such as combinations thereof. Non-limiting examples of conductive carbon allotropes are graphite, graphene, synthetic graphite, carbon fibers (reinforced with iron), nanocarbon structures, and other forms of carbon deposited on silicon substrates, etc. . In some configurations, the anode and / or cathode can serve as a sacrificial electrode used in agglomeration and / or bubble generation processes. As such, the electrode can include a consumable conductive metal such as iron or aluminum.

いくつかの実施形態では、電極(例えばカソード105、111、113およびアノード106、112)は、酸化イリジウムでコーティングされたチタンなど、触媒でコーティングされた金属から構成することができる。このような金属はプロセスの効率を高めることができる。例えば、酸化イリジウムでコーティングされたチタンをアノード上で使用することによって、気泡の発生を促進することができる。   In some embodiments, the electrodes (eg, cathodes 105, 111, 113 and anodes 106, 112) can be composed of a metal coated with a catalyst, such as titanium coated with iridium oxide. Such metals can increase the efficiency of the process. For example, the use of titanium coated with iridium oxide on the anode can facilitate the generation of bubbles.

また、いくつかの実施形態では、浮上分離タンク102内の電極のうちの1つまた複数の電極が、増殖培地がそこを通過することを許す多数の穿孔または表面テクスチャを含むことができる。このような穿孔およびテクスチャは電極の稜(edge)の数を増やし、この稜の数の増大は気泡形成を促進することができる。例えば、この1つまたは複数のアノードは、メッシュ、格子または他の多孔構造体として形成されることができる。メッシュは、増殖培地中の典型的な藻類の凝集塊または析出物の微粒子よりも大きい、比較的に大きな開口を含むことができる。この構成は、増殖培地とアノードが発生させた水素との間の界面接触をより大きくすることを可能にするため、より大きな流量を有利に可能にすることができる。この構成は、より速いフロースルーが所望であるとき、または増殖培地の導電率が小さいときに有利なことがある。さらに、いくつかの実施形態では、浮上分離タンク102内のアノードの中心に増殖培地を導入することができる。このようにして、増殖培地は、アノードの1つまたは複数の穴から外へ流出し、気泡にさらされる。   Also, in some embodiments, one or more of the electrodes in the flotation tank 102 can include a number of perforations or surface textures that allow the growth medium to pass therethrough. Such perforations and textures increase the number of edges of the electrode, and this increased number of edges can promote bubble formation. For example, the one or more anodes can be formed as a mesh, grid, or other porous structure. The mesh may include relatively large openings that are larger than typical algae clumps or precipitate particulates in the growth medium. This configuration can advantageously allow for higher flow rates because it allows greater interfacial contact between the growth medium and the hydrogen generated by the anode. This configuration may be advantageous when faster flow through is desired or when the growth medium conductivity is low. Further, in some embodiments, a growth medium can be introduced at the center of the anode in the flotation separation tank 102. In this way, the growth medium flows out of one or more holes in the anode and is exposed to bubbles.

上で説明した装置100は、浮上分離タンク102を、より高い位置に置かれた別個のタンクとして示したが、この浮上分離タンクを、(例えば地面に掘った)溝として形成することも可能である。トレンチを使用することによって、より大量の増殖培地の処理を可能にすることができる。   Although the apparatus 100 described above has shown the flotation separation tank 102 as a separate tank placed higher, it is also possible to form the flotation separation tank as a groove (eg dug in the ground). is there. The use of trenches can allow the processing of larger amounts of growth media.

いくつかの実施形態では、増殖培地にプロトン性溶媒を加えることによって、藻類を凝集させかつ/または浮上させる効率を増大させることができる。例えば、蟻酸、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、酢酸などのプロトン性溶媒の約0.05体積%などの希釈溶液を、増殖培地に注入することができる。この溶液は、さまざまな時点で増殖培地に混入することができる。しかしながら、いくつかの場合には、凝集プロセスの電場が発生しているときに、またはバッチプロセスが実施される直前にプロトン性溶媒を加えるのが有益である。   In some embodiments, the efficiency of aggregating and / or floating algae can be increased by adding a protic solvent to the growth medium. For example, a dilute solution such as about 0.05% by volume of a protic solvent such as formic acid, n-butanol, isopropanol, n-propanol, ethanol, methanol, acetic acid can be injected into the growth medium. This solution can be mixed into the growth medium at various times. However, in some cases it is beneficial to add a protic solvent when the electric field of the aggregation process is generated or just before the batch process is performed.

上述の装置を使用して、廃水、または水耕栽培環境中などに存在する他の流体から、アンモニアを除去することもできる。アンモニア除去を達成するために、凝集タンク101の1つまたは複数のアノードをチタンルテニウム合金製とすることができる。チタンルテニウム合金を使用することにより、カソードおよびアノードに電圧が印加されたときに増殖培地中に遊離塩素が生成される。この遊離塩素はアンモニアを酸化させ、その結果、アンモニアは最終的に、硝酸塩、亜硝酸塩およびある窒素ガスに転化する。   The apparatus described above can also be used to remove ammonia from wastewater or other fluids present in hydroponic environments. To achieve ammonia removal, one or more anodes of the agglomeration tank 101 can be made of a titanium ruthenium alloy. By using a titanium ruthenium alloy, free chlorine is produced in the growth medium when voltage is applied to the cathode and anode. This free chlorine oxidizes ammonia, so that ammonia is eventually converted to nitrate, nitrite and some nitrogen gas.

一般に、硝酸塩および亜硝酸塩へのアンモニアの酸化を最大にするためにはアノードの電流密度が30から50mA/cm2の間であることが好ましいことが分かっている。しかしながら、他の電流密度を使用することもでき、理想的な密度は、廃水の温度などさまざまな特性に依存する。 In general, it has been found that the anode current density is preferably between 30 and 50 mA / cm 2 in order to maximize the oxidation of ammonia to nitrate and nitrite. However, other current densities can be used and the ideal density depends on various characteristics such as the temperature of the wastewater.

廃水からのアンモニアの除去は主に凝集タンク101内で実行されるが、このような実施態様では、浮上分離タンク102をさらに使用して、有機化合物などの他の望ましくない物質を廃水から除去することができる。   Although the removal of ammonia from the wastewater is performed primarily in the flocculation tank 101, in such an embodiment, the flotation tank 102 is further used to remove other undesirable materials such as organic compounds from the wastewater. be able to.

本発明は、本発明の趣旨または本発明の必須の特性から逸脱することなく他のさまざまな形態で実施することができる。記載された実施形態は、あらゆる点で単なる例であり、本発明を限定するものではないとみなされる。したがって、本発明の範囲は、以上の説明によってではなく、添付の特許請求の範囲によって示される。特許請求の範囲の等価の趣意および範囲に含まれる全ての変更は、特許請求の範囲に包含される。   The present invention can be embodied in various other forms without departing from the spirit or essential characteristics of the invention. The described embodiments are to be considered in all respects only as illustrative and not restrictive of the invention. The scope of the invention is, therefore, indicated by the appended claims rather than by the foregoing description. All changes that come within the meaning and range of equivalency of the claims are to be embraced within their scope.

Claims (20)

2段階プロセスを使用して藻類を収穫する装置であって、
前記2段階プロセスの第1段階が実施される凝集タンクであり、懸濁した藻類を含む増殖培地中に電場を発生させる反応管を備え、前記電場が前記藻類を凝集させる凝集タンクと、
前記2段階プロセスの第2段階が実施される浮上分離タンクであり、前記凝集した藻類に付着し、前記凝集した藻類を前記増殖培地の表面まで上昇させる気泡の形成を引き起こす複数の電極を含むタンクを備え、前記凝集した藻類が前記凝集タンクから前記浮上分離タンク内へ流入することを可能にするように前記凝集タンクに接続された浮上分離タンクと
を備える装置。
An apparatus for harvesting algae using a two-stage process,
A flocculation tank in which the first stage of the two-stage process is carried out, comprising a reaction tube for generating an electric field in a growth medium containing suspended algae, wherein the electric field flocculates the algae;
A flotation separation tank in which the second stage of the two-stage process is performed, the tank comprising a plurality of electrodes that adhere to the agglomerated algae and cause formation of bubbles that raise the agglomerated algae to the surface of the growth medium And a flotation separation tank connected to the agglomeration tank to allow the agglomerated algae to flow from the agglomeration tank into the flotation separation tank.
前記凝集タンクが、カソードを形成する外筒と、もう片方の筒内に含まれる内筒とを備え、前記内筒がアノードを備える、請求項1に記載の装置。   The apparatus according to claim 1, wherein the agglomeration tank includes an outer cylinder forming a cathode and an inner cylinder included in the other cylinder, and the inner cylinder includes an anode. 前記増殖培地中の藻類細胞を凝集させるために前記カソードおよび前記アノードにパルス電圧が印加される、請求項2に記載の装置。   The apparatus of claim 2, wherein a pulse voltage is applied to the cathode and the anode to agglutinate algal cells in the growth medium. 前記増殖培地が、ポンプで送られて、前記凝集タンクを指定された流量で通過する、請求項2に記載の装置。   The apparatus of claim 2, wherein the growth medium is pumped through the agglomeration tank at a specified flow rate. 前記浮上分離タンクの前記電極が、第1のカソード層、第2のカソード層、および前記第1のカソード層と前記第2のカソード層の間に配置されたアノード層を含む、請求項1に記載の装置。   The electrode of the levitation separation tank includes a first cathode layer, a second cathode layer, and an anode layer disposed between the first cathode layer and the second cathode layer. The device described. 前記アノード層が、それぞれのカソード層から1インチから10インチの間の間隔を置いて配置された、請求項5に記載の装置。   6. The apparatus of claim 5, wherein the anode layer is spaced between 1 inch and 10 inches from each cathode layer. 前記第1のカソード層がカソード板を含む、請求項5に記載の装置。   The apparatus of claim 5, wherein the first cathode layer comprises a cathode plate. 前記アノード層が、間隔を置いて配置された複数の棒を含む、請求項5に記載の装置。   The apparatus of claim 5, wherein the anode layer comprises a plurality of spaced apart bars. 前記第2のカソード層が、間隔を置いて配置された複数の棒を含む、請求項5に記載の装置。   The apparatus of claim 5, wherein the second cathode layer comprises a plurality of spaced apart bars. 前記第1のカソード層が、間隔を置いて配置された複数の棒を含む、請求項5に記載の装置。   The apparatus of claim 5, wherein the first cathode layer comprises a plurality of spaced apart bars. 前記アノード層のそれぞれの棒が、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8に記載の装置。   The apparatus of claim 8, wherein each rod of the anode layer comprises titanium coated with iridium oxide. 前記アノード層のそれぞれの棒が、1つまたは複数の開口を含む、請求項8に記載の装置。   The apparatus of claim 8, wherein each rod of the anode layer includes one or more openings. それぞれの棒がメッシュを含む、請求項8に記載の装置。   The apparatus of claim 8, wherein each bar comprises a mesh. 前記気泡が水素および酸素を含む、請求項1に記載の装置。   The apparatus of claim 1, wherein the bubbles comprise hydrogen and oxygen. 前記浮上分離タンクが、前記増殖培地の表面で前記藻類をかき寄せる1つまたは複数のレーキを有するコンベヤを含む、請求項1に記載の装置。   The apparatus of claim 1, wherein the flotation separation tank includes a conveyor having one or more lakes that scrape the algae on the surface of the growth medium. 前記浮上分離タンクが、前記藻類がそこへかき寄せられる第2のコンベヤを含み、前記第2のコンベヤが、前記藻類を前記浮上分離タンクから捕集器まで運ぶ、請求項15に記載の装置。   The apparatus of claim 15, wherein the flotation tank includes a second conveyor to which the algae are attracted, and the second conveyor carries the algae from the flotation tank to a collector. 2段階プロセスを使用して藻類を収穫する方法であって、
懸濁した藻類を含む増殖培地を凝集タンク内へ供給することと、ここで、前記凝集タンクは、前記増殖培地中に前記藻類を凝集させる電場を発生させる反応管を備え、
凝集した藻類を含む前記増殖培地を浮上分離タンク内へ移すことと、ここで、前記浮上分離タンクは、前記凝集した藻類に付着し、前記凝集した藻類を前記増殖培地の表面まで上昇させる気泡の形成を引き起こす複数の電極を含むタンクを備え、
浮上した前記藻類を前記増殖培地の表面から除去することと
を含む方法。
A method of harvesting algae using a two-stage process,
Supplying a growth medium containing suspended algae into a flocculation tank, wherein the flocculation tank comprises a reaction tube for generating an electric field for aggregating the algae in the growth medium;
Transferring the growth medium containing agglomerated algae into a flotation separation tank, wherein the flotation separation tank attaches to the agglomerated algae and raises bubbles that raise the agglomerated algae to the surface of the growth medium. Comprising a tank containing a plurality of electrodes that cause formation;
Removing the floating algae from the surface of the growth medium.
浮上した前記藻類は、1つまたは複数のレーキを使用して除去される、請求項17に記載の方法。   18. The method of claim 17, wherein the algae that have emerged are removed using one or more lakes. 除去された前記藻類から気体を抽出することをさらに含む、請求項17に記載の方法。   18. The method of claim 17, further comprising extracting gas from the removed algae. 流体からアンモニアを除去する装置であって、
アンモニアを含む流体中に電場を発生させる反応管であり、前記反応管がカソードおよびアノードを含み、前記アノードがチタンルテニウム合金を含み、前記電場が発生しているときに、前記アノードが、前記流体中で遊離塩素を発生させ、それによって前記アンモニアが酸化して亜硝酸塩および硝酸塩に変化する反応管と、
前記反応管に接続された浮上分離タンクであり、気泡の形成を引き起こす複数の電極を含むタンクを備える浮上分離タンクと
を備える装置。
An apparatus for removing ammonia from a fluid,
A reaction tube for generating an electric field in a fluid containing ammonia, wherein the reaction tube includes a cathode and an anode, the anode includes a titanium ruthenium alloy, and when the electric field is generated, the anode is the fluid A reaction tube in which free chlorine is generated, whereby the ammonia is oxidized to nitrite and nitrate;
An levitation separation tank connected to the reaction tube, the levitation separation tank comprising a tank including a plurality of electrodes that cause bubble formation.
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