KR20090114352A - 광합성 세포를 성장시키기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

광합성 세포를 성장시키기 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20090114352A
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윌렘 에프. 제이. 버마스
브루스 이. 리트만
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아리조나 보드 오브 리젠츠 퍼 앤 온 비하프 오브 아리조나 스테이트 유니버시티
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Abstract

본 발명은 관에서 광합성 세포를 성장시키기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 상기 시스템 및 방법은 빛, CO2 및 영양물을 세포에 공급한다. 상기 시스템 및 방법은 또한 상기 관에 열 변화를 완화시킨다.

Description

광합성 세포를 성장시키기 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR GROWING PHOTOSYNTHETIC CELLS}
관련된 출원에 대한 교차 참조
이 출원은 "System and Method for Growing Cells"의 이름으로 2006년 10월 20일에 출원된, 미국 가특허 출원 제 60/862,366호의 우선권을 청구하며, 이 출원의 전체 내용은 본원에 참조로서 특이적으로 통합되어 있다.
배경 기술
A. 기술 분야
본 발명의 구체예는 일반적으로 제어된 조건 하에서 광합성 세포를 성장시키는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명의 구체예는 바이오연료(biofuel)와 같은 제품을 생산하기 위한 광합성 미생물의 용도에 관한 것이다.
B. 종래기술 분야
오늘날 세계적으로 직면하고 있는 두 가지 어려움은 지구 온난화의 주범인 이산화탄소와 함께 진행 중에 있는 환경 오염 및 화석 연료와 같은 지구의 천연 에너지 자원의 증가하고 있는 소비를 포함한다. 화석 연료 소비의 증가는 이산화탄소 공기 오염의 증가와 관련되어 있기 때문에 악순환은 계속된다.
예를 들어, 미국은 화석 연료의 소비로부터 매년 17억 톤의 이산화탄소를 생산하는 것으로 추정되고 있다(참조, 미국특허공개 제 2002/0072109호). 화석 연료 소비로부터의 이산화탄소의 전지구적 생산은 훨씬 더 클 것이고 매년 70-80억 톤일 것으로 추정된다(Marland et al. 2006). 이산화탄소 공기 오염의 증가는 지구 온난화의 증가를 이끌 수 있고, 이는 차례로 홍수, 가뭄, 열파, 허리케인 및 태풍과 같은, 잦은 그리고 강한 극단적인 날씨의 발생을 증가시킬 수 있다. 지구 온난화의 다른 결과는 농업 생산량의 변화, 멸종 및 질병 벡터의 범위의 증가를 포함할 수 있다.
이산화탄소 개선을 위한 방법들은 제안되고 있다. 예를 들어, 미국 특허공개 제 2002/0072109호는 화석 생산 유닛의 방출물에 있는 탄소함유 화합물의 농도를 줄일 수 있는 현장의(on-site) 생물학적 제거 시스템을 개시한다. 이 시스템은 조류 및 남조류(cyanobacteria)와 같은 광합성 미생물을 사용하며, 이들은 빛에 의해 조명을 받는 봉쇄된 챔버 내에 배열되어 있는 생장물(growth) 표면에 부착되어 있다. 이 남조류 또는 조류는 화석 생산 유닛에 의해 생산되는 이산화탄소를 섭취한다.
두 번째 어려움으로서는, 증가하는 지구 에너지 수요가 재생될 수 없는 화석 연료 에너지 공급을 더 많이 요구하게 한다는 것이다. 에너지의 대안적 공급원은 개발되고 있다. 예를 들어, 콘, 콩, 아마씨(flaxseed), 포도씨, 사탕수수 및 팜 오일과 같은 농업 제품은 현재 바이오연료 생산을 위한 용도로서 성장하고 있다. 농업, 가내공업 및 임업과 같은 산업으로부터의 생분해성 부산물은 바이오에너지를 생산하기 위해 또한 사용될 수 있다. 예를 들어, 스트로우(straw), 팀버(timber), 매뉴어(manure), 라이스(rice), 허스크(husks), 오물(sewage), 생분해성 폐기물 및 남은 음식물은 혐기성 소화를 통해 바이오가스로 전환될 수 있다.
에탄올을 생산하기 위해 생물체를 사용하기 위한 방법은 또한 시도되고 있다. 예를 들어, 미국 특허 제 4,242,455호(Muller et al.)는 탄수화물 폴리머 입자, 예를 들어 전부 그레뉼 및/또는 셀룰로즈 칩 및 파이버의 수성 슬러리가 강한 무기산으로 산성화되어 발효가능한 당을 형성하는, 연속 공정을 기재하고 있다. 이 발효가능한 당은 그 다음에 사카로미스(Saccharomyce)의 둘 이상의 종으로 에탄올로 발효된다. 미국 특허 제 4,350,765호(Chibata et al.)는 고정된(immobilized) 사카로미스 또는 지모모나스(Zymomonas) 및 발효성 당을 함유하는 영양 배지 배양액(nutrient culture broth)을 사용하여 높은 농도에서 에탄올을 생산하는 방법을 기재하고 있다. 미국 특허 제 4,413,058호(Arcuri et al.)는 지모모나스 모빌리스(Zymomonas mobilis)의 종에 대해 기재하고 있으며, 이는 연속 반응기 칼럼에 미생물을 두고 상기 칼럼을 통해 당 수용액의 흐름을 통과시킴에 의해 에탄올을 생산하기 위해 사용된다.
PCT 출원 WO/88/09379(Hartley et al.)는 다른 환경에서도 살 수 있는(facultative) 혐기성 호열성의 박테리아 종의 사용에 대해 기재하고 있으며, 이는 셀로바이오스(cellobiose) 및 펜토즈(pentose)를 포함하는, 넒은 범위의 당을 발효함에 의해 에탄올을 생산한다. 이 박테리아 종은 락테이트 디하이드로제나제(lactate dehydrogenase)의 변종을 포함한다. 결과적으로, 혐기성 조건 하에서 일반적으로 락테이트를 생성하는, 이 종은 대신에 에탄올을 생산한다.
미국 공개공보 2002/0042111호는 에탄올을 생산하기 위해 사용될 수 있는 유전적으로 변경된 시아노박테리움을 기재하고 있다. 이 시아노박테리움은 지모모나스 모빌리스 플라스미드 pLOI295로부터 얻어진, 피루베이트 디카르복실라제(pyruvate decarboxylase: pdc) 및 알코올 디하이드로제나제(alcohol dehydrogenase: adh) 효소를 암호화하는 DNA 단편을 포함하는 구조를 포함한다.
발명의 요약
본 공개문헌의 구체예는 광합성 세포를 성장시키는 다용도 및 제어가능한 시스템 및 방법을 제공함에 의해 종래 기술의 단점을 극복한다. 이 시스템 및 방법은 광합성 생물체의 생리학적 특성 및 가치 생성물의 이의 생산을 결정하는 인자의 독립적 제어를 가능하게 한다. 또한, 구체예는 시스템의 작동 중에 에너지 및 물의 소비를 최소화한다.
특정 구체예에서, 상기 시스템은 외부 표면, 내부 표면, 내부 공간 및 일정한 길이를 지니는 관을 포함하며, 상기 관의 일부 또는 전부가 상기 내부 공간으로 사용 중에 태양광이 통과될 수 있다. 상기 관의 일부 또는 전부가 낮 중에 태양광에 노출될 수 있고, 열 완화 시스템이 상기 관에 작동가능하게 연결되어 있다. 비제한적 예에서, CO2 공급 시스템이 사용 중에 상기 내부 공간으로 CO2를 공급하도록 구성되어 있고; 영양-공급 시스템은 사용 중에 상기 내부 공간으로 하나 또는 그 초과의 영양물(예를 들어, 질소 및 인)을 제공하도록 구성되며; 분리 시스템은 사용 중에 상기 관으로부터 세포를 제거하고 제어된 방식으로 상기 내부 공간으로 세포 및 여과된 물을 다시 되돌리도록 구성되어 있다. 특정 구체예에서, 상기 영양물은 질소화물 또는 또 다른 고정된 질소 화합물을 포함할 수 있다.
비제한적 예에서, 상기 열 완화 시스템은 약 2피트 깊이 및 10피트 깊이 사이, 바람직하게는 4피트 내지 6피트 깊이, 및 가장 바람직하게는 약 5피트 깊이의 폰드를 포함할 수 있다. 상기 폰드는 50평방미터 내지 200평방미터, 바람직하게는 100평방미터 및 150평방미터 및 가장 바람직하게는 약 130평방미터일 수 있다. 상기 폰드는 땅 영역 수준 근처의 질그릇 둑(earthen embankments)에 의해 형성될 수 있다. 이 관은 폰드의 표면 아래의 3피트보다 많거나 적게 잠길 수 있고, 상기 폰드는 부분적으로 또는 전체적으로 그늘 지워질 수 있다. 관의 일부는 또한 일부 다른 방식으로 외부 빛으로부터 보호되거나 땅 아래에 있을 수 있다. 그늘 지우는(shading) 시스템은 케이블 또는 사슬 드라이브에 의해 당겨지는 신축될 수 있는 방수천(retractable tarp) 또는 신축성 수영장 커버를 포함할 수 있다. 폰드는 또한 부분들로 나누어질 수 있어서, 상이한 작업 조건이 상이한 부분에서 유지될 수 있다. 더구나, 관을 포함하는 둘 또는 그 초과의 폰드는 광합성 세포의 더 큰 생산율로 증가시키도록 평행하게 작동될 수 있다. 상기 열 완화 시스템은 또한 폰드 또는 다른 유체 저장소 위에 좁은 통로를 포함할 수 있다. 상기 좁은 통로는 약 6 내지 8피트 중심의 관을 따라 및 관을 가로지르는 가로방향일 수 있고, 상기 저장소의 바닥으로부터 지지될 수 있다. 상기 좁은 통로는 관의 유지보수 및 세척을 위해 사용될 수 있다. 비제한적 예에서, 상기 시스템은 관의 내부를 세척하는 관을 통해 드래그된(dragged) 소프트 볼과 같은, 관을 세척하기 위한 세척 장치를 포함할 수 있다. 특정 구체예에서, 브러시, 진공 또는 히드로블래스터(hydroblaster)가 관의 외부를 세척하기 위해 사용될 수 있다.
특정 구체예는 유체 제어 시스템을 포함할 수 있으며, 이 시스템은: 관으로부터 실질적으로 고체가 없는 투과물을 제거하고; 상기 관으로 상기 실질적으로 고체가 없는 투과물의 일부를 재순환시키며; 상기 시스템으로부터 농축된-고체 잔여물을 제거하고; 상기 관으로 상기 실질적으로 고체가 없는 투과물의 일부를 재순환시키도록 구성되어 있다.
광합성 세포는 2006년 10월 20일쯤에 출원된, "Modified Cyanobacteria"의 명칭으로, 미국가특허 출원 제 60/853,285호 및 Willem F.J. Vermaas에 의한 2007년 10월 20일쯤에 출원된, "Modified Cyanobacteria"의 명칭으로 PCT 출원 제 ______에 따른 시아노박테리아일 수 있으며, 이 문헌들은 참조로서 본원에 통합되어 있다. 비제한적 예에서, 상기 시아노박테리아는 시네초시스티스 종(Synechocystis sp. PCC 6803) 또는 터모시네초코커스 엘론가터스 종(Thermosynechococcus elongatus sp. BP-1)일 수 있다.
시네초시스티스 종(Synechocystis sp. PCC 6803)은 단세포 유기체로서, 이 유기체는 매우 바람직한 분자 유전적, 생리학적 및 형태학적(morphological) 특성의 독특한 조합을 보여준다. 예를 들어, 이 종은 자발적으로 형질변환될 수 있고, 외래 DNA를 이중-상동 재조합에 의해 이의 유전자에 통합하고, 많은 상이한 생리학적 조건(예를 들어, 광합성 독립(photoauto)/믹소(mixo)/헤테로트로피칼(heterotrophically)) 아래에서 증가되고, 상대적으로 작다(직경이 ~1.5μm)(Van de Meene et al. 2006). 이의 전체 게놈은 서열화되어 있다(Kaneko et al. 1996), 그리고, 다른 박테리아 군에서 동족체 없는 높은 비율의 열린 리딩(reading) 프레임은 발견되고 있다(Fraser et al. 2000). 시네초시스티스 종(Synechocystis sp. PCC6803)은 수납 번호(accession number) ATCC 27184인 American Type Culture Collection으로부터 구입가능하다(Rippka et al., 1979. J. Gen. Micro., 111:1-61).
서모시네초코커스 엘롱가터스(Thermosynechococcus elongatus sp. BP-1)는 단세포 호열성 시아노박테리움으로서, 이는 뜨거운 스프링에서 서식하고, 약 55℃의 최적 성장 온도를 가진다(Nakamura et al. 2002). 이 박테리움의 전체 게놈은 서열화되어 있다. 이 게놈은 2,593,857 염기 쌍의 순환 염색체를 포함한다. 총 2475 잠재적 단백질-엔코딩 유전자, rRNA 유전자의 한 세트, 42 tRNA 종을 나타내는 42 tRNA 유전자 및 작은 구조의 RNA를 위한 4개의 유전자를 예측하였다.
태양광을 사용 중 내부 공간으로 통과하도록 하는 관의 일부는 투명할 수 있다. 특정 구체예에서, 상기 투명한 부분은 투명하거나 반투명한 유리, 폴리비닐 클로라이드, 폴리카르보네이트 또는 폴리에틸렌을 포함할 수 있고, 관은 원형 단면을 가진 튜브를 포함할 수 있다.
다른 구체예에서, 세포를 성장시키는 방법은 하나 또는 초과의 관의 내부 공간에서 세포를 배양하고; 상기 내부 공간에 CO2 및 고정된 질소를 공급하며; 상기 CO2 및 고정된 질소를 자연광에 노출시키고; 상기 관 내 열 변동을 완화시키며; 상기 내부 공간으로부터 세포를 제거하는 것을 포함하는, 광합성 세포를 성장시키는 방법이다. 특정 구체예에서, 세포는 시아노박테리아이고, 열 변동을 완화시키는 것은 유체로 관의 외부 표면을 접촉시키는 것을 포함한다. 비제한적 예에서, 유체의 온도는 제어되고, 관을 통한 흐름 속도는 2 내지 20cm/초, 더욱 바람직하게는 4 내지 10cm/초, 및 가장 바람직하게는 5-10cm/초이다. CO2는 플루 가스 또는 연소 방출가스로 공급될 수 있고, 영양물은 지하수, 암모니아, 질소화물 또는 또 다른 고정된 질소 화합물에 의해 공급될 수 있다. 비제한적 예에서, 세포는 맴브래인에 의해 제거되고 상기 관은 유체 저장소에 잠겨있다.
특정 구체예에서, 내부 공간의 CO2, 고정된 질소 및 온도는 시아노박테리아 또는 다른 광합성 미생물을 성장시키기에 적합한 양으로 유지된다. 예를 들어, CO2는 관의 내부 공간에서 약 0.01% 내지 10%, 더욱 바람직하게는 0.02% 내지 7%, 및 가장 바람직하게는 0.03% 내지 5%로 유지될 수 있다. 질소는 약 0.1 내지 15mM(밀리몰), 바람직하겐 0.3 내지 12mM로 유지될 수 있다. 이 온도는 내부 공간에서 약 3-80℃, 바람직하게는 10-60℃로 유지될 수 있다.
비제한적 예에서, 관은 약 1 내지 18인치, 더욱 바람직하게는 4 내지 8인치, 및 가장 바람직하게는 약 5-7인치의 직경일 수 있다. 관은 10 내지 200미터, 바람직하게 50 내지 150미터 길이 및 가장 바람직하게 약 100미터 길이일 수 있다.
열 완화 시스템은 사용 중 관과 접촉하여 유체를 순화시키도록 구성될 수 있고 합성 라이너를 가진 유체 저장소를 포함할 수 있으며, 여기서 관의 일부 또는 전부가 유체 저장소에 잠겨 있다. 다른 구체예에서, 이 시스템은 관을 지지하도록 구성되어 있는 지지부를 포함할 수 있다. 이 지지부는 파이프 스탠드 및 주름 잡힌 시트를 포함하고 약 2 내지 50피트, 더욱 바람직하게 약 4 내지 10피트, 및 가장 바람직하게 약 6피트 떨어져 있을 수 있다. 비제한적 예에서, 여러 열의 관이 있으며 이 관은 각 관의 열의 하나 또는 두 말단에 분배 헤더에 연결되어 있다. 특정 구체예에서, 관 열의 약 반에서의 흐름은 한 방향이고 남은 관 열에서의 흐름은 반대 방향이다.
특정 구체예에서, CO2 공급 시스템은 펌프를 포함하고, 연소 방출 또는 플루 가스를 사용 중 관의 내부로 주입하도록 구성될 수 있다.
비제한적 예에서, 관 내에 유체를 순환시키기 위해 사용되는 펌프는 공기리프트 펌프, 축 흐름 펌프, 원심분리 펌프, 스크루 펌프, 또는 포지티브 이동(positive displacement) 펌프일 수 있다. 이는 약 500 내지 5,000L/분, 더욱 바람직하게 약 1,000 내지 3,000L/분 및 가장 바람직하게 약 2,500L/분의 흐름 속도를 제공할 수 있다. 비제한적 예에서, 펌프는 약 0.25 내지 10미터, 더욱 바람직하게 0.5 내지 5미터 및 가장 바람직하게 약 1.0미터의 전체 동적 헤드에서의 흐름을 제공할 수 있다.
다른 예에서, 이 시스템은 관에 작동가능하게 연결되어 있는 분배 통 또는 헤더를 포함하고, 이 분배 통 또는 헤더는 사용 중 CO2 주입물을 수용하도록 구성되어 있다. CO2는 많은 상이한 공급원으로부터 공급될 수 있으며, 이 공급원은 연소 방출가스를 제공하는 것을 포함한다. 이 CO2 공급 시스템은 또한 공기 송풍기를 포함할 수 있으며, 이 송풍기는 CO2 함유 가스를 제공한다. 이 공기 송풍기는 시간당 약 100 내지 5,000m3, 더욱 바람직하게는 500 내지 2,500m3 및 가장 바람직하게는 약 1,500m3의 흐름 속도를 가질 수 있다. 특정 구체예에서, CO2 시스템은 오염물(예를 들어, SO2)을 제거하기 위해, 스크러버(scrubber) (예를 들어, 알칼리 스크러버)를 가질 수 있다. 비제한적 예에서, UV 빛 또는 화학적 필터는 공기 송풍기로부터의 공기를 살균하기 위해 사용될 수 있다. CO2 공급 시스템은 분배 헤더 또는 통으로 직접 CO2를 주입하도록 구성될 수 있다.
특정 구체예에서, 영양-공급 시스템은 사용 중에 관의 내부 공간에 지하수를 공급하도록 구성될 수 있다. 이 실시예에서, 시너지 효과는 질소를 시스템에 제공하는 지하수 및 상기 지하수로부터 질소를 제거하는 시스템으로 달성된다. 영양물 공급 시스템은 또한 저장 탱크 및 암모니아 또는 암모늄 설페이트를 가진 미터링 펌프를 포함할 수 있다. 다른 영양물, 예컨데 인은 영양-공급 시스템에 의해 첨가될 수 있다.
특정 구체예에서, 영양 공급 시스템은 산업 폐수 처리 플랜트에서 전형적으로 사용되는 일체형 공급 시스템을 통해 질소, 인 및/또는 다른 미네랄을 첨가한다. 영양물 공급 시스템은 혼합 탱크, 일(day) 탱크, 및 자동화된 미터링 펌프를 포함할 수 있다. 영양물 공급 시스템은 암모니아, 암모늄 설페이트 및 인산과 같은 영양물 또는 미네랄을 첨가하기 위해 사용될 수 있다.
다른 비제한적 실시예에서, 분리 시스템은 맴브래인을 포함한다. 특정 구체예에서, 맴브래인은 속이 빈 섬유(hollow-fiber), 울트라-여과 맴브래인 시스템 예컨데 Zenon® 시스템, 또는 평평한 시트 잠긴(flat-sheet submerged) 맴브래인 시스템, 예컨데 Kubota® 시스템일 수 있다. 특정 구체예에서, 분리 (또는 탈수) 시스템은 20-10,000mg/L 내지 1,000-50,000mg/L, 더욱 바람직하게는 100-300mg/L 내지 5,000-25,000 mg/L, 및 가장 바람직하게 200mg/L 내지 10,000mg/L로 고체를 농축할 것이다. 이 분리 시스템은 여과된 물 및 농축된 고체를 다시 반응 시스템으로 순환시킬 수 있고, 이는 한-단계 또는 다중 단계 시스템일 수 있다.
특정 구체예에서, 분리기는 관으로부터 유체를 수용할 것이고, 이는 별도로 관으로 농축된 고체를 다시 회수할 것이고, 추가 공정을 위해 시스템으로부터 농축된 고체를 제거하고, 시스템으로부터 여과된(고체가 없는) 여과 물을 제거하며, 관으로 여과된 여과 물을 회수할 것이다. 분리기로부터 및 분리기로의 흐름의 이 설정은 관 내의 고체(다시 말해, 광합성 미생물체) 농도, 추가 공정을 위해 분리기로부터 제거되고 관으로 회수되는 고체 농도 및 관 내의 광합성 미생물체의 특이적 성장 속도를 독립적으로 제어하는 것을 가능하게 한다.
특정 구체예에서, 시스템으로부터 제거되는 농축된 고체는 추가 탈수를 위한 저장 탱크로 보내질 수 있다. 제 2 탈수 단계는 1% 고체 내지 5-50% 고체, 더욱 바람직하게는 10-25%, 및 가장 바람직하게는 15-20%로 생성물을 농축할 수 있다. 이는 원심분리기를 사용하여 달성될 수 있다. 예를 들어, 디캔터 원심분리기(스크롤 또는 고체 보울 원심분리기로 알려짐)을 사용하여 달성될 수 있다. 특정 비제한적 구체예는 추가 필터를 또한 포함할 수 있다. 특정 구체예에서, 엉김(flocculation) 시스템(예컨데, 폴리머 시스템)은 원심분리기에 고체를 포획하기 위해 사용될 수 있고, 원심분리기는 크기가 조절되어서 고체의 공정이 단일 작업 시프트 중 달성될 수 있다.
특정 비제한적 구체예는 회수된 고체를, 연소 연료일 수 있거나 다른 가능한 용도를 가지는 반건조 또는 건조 "파쇄된(fractured)" 세포 잔여물을 포함하여, 바이오연료(예를 들어, 바이오디젤) 또는 다른 가치있는 제품으로 전환하기 위한 공정 시스템을 포함한다. 특정 구체예에서, 생성물 공정은 세포 용해(lysis) 또는 세포를 파쇄(fracturing)하는 것을 포함한다. 파쇄의 여러 방법이 사용될 수 있으며, 제한 없이, 열 처리; 초음파 처리; 기계적 마찰(예를 들어, 포지티브 이동(displacement) 펌프); 가압과 갑작스런 탈압; 불활성 매체의 첨가에 의해 보조되는 마찰 및 파쇄; 펄스된 전기장; 알칼리 또는 산 처리를 포함한다. 특정 구체예에서, 추가 공정 방법은 파쇄 후에 수행될 수 있다. 예를 들어, 고체로부터 오일 또는 다른 생성물의 직접 용매 또는 초임계 CO2 추출은 수행될 수 있다. 이에 오일로부터의 바이오디젤 생산이 후속될 수 있고, 남은 세포 단편(fragment)을 약 10-80% 고체, 더욱 바람직하게는 30-60% 및 가장 바람직하게는 약 50% 고체로 탈수할 수 있다. 다른 비제한적 예에서, 세포는 80% 또는 그 초과, 더욱 바람직하게는 90% 또는 그 초과, 및 가장 바람직하게는 약 100% 고체로 건조될 수 있고, 다음에 바이오디젤 생산을 위해 오일의 용매 또는 초임계 CO2 추출이 후속될 수 있다. 다른 구체예에서, 약 20% 고체를 함유하는 생성물은 열, 알칼리 및 에탄올로 처리되어 바이오디젤 생성물을 생산할 수 있다. 여러 건조 방법은 여러 구체예에서 사용될 수 있으며, 예를 들어 태양 건조 또는 기계적 건조는 생성물을 건조하기 위해 사용될 수 있다.
이 명세서에서 논의되는 임의의 구체예는 본 발명의 임의의 방법 또는 시스템을 참조하여 실행될 수 있고, 그 역일 수도 있다. 추가로, 본 발명의 시스템은 본 발명의 방법을 달성하기 위해 사용될 수 있다.
청구범위 및/또는 명세서에서 사용되는 경우에, 용어 "관" 또는 이의 임의의 변경은 임의의 구조로서, 이 구조를 통해 유체가 전달될 수 있는 구조를 포함한다. 관의 비제한적 예는 파이프, 튜브, 채널 또는 다른 닫힌 구조를 포함한다.
용어 "저장소" 또는 이의 임의의 변경은, 명세서 및/또는 청구범위에서 사용되는 경우에, 유체를 보유할 수 있는 임의의 바디 구조를 포함한다. 저장소의 비제한적 예는 폰드, 탱크, 레이크(lake), 터브(tub), 또는 다른 유사한 구조를 포함한다.
용어 "약"은 당업자에 의해 이해되는 것에 가까운 것으로 정의되고, 하나의 비제한적 구체예에서, 이 용어는 10% 내, 바람직하게는 5% 내, 더욱 바람직하게는 1% 내 및 가장 바람직하게는 0.5% 내로 정의된다.
용어 "억제" 또는 "감소" 또는 이의 용어의 임의의 변경은, 명세서 또는 청구범위에서 사용되는 경우에, 요구되는 결과를 달성하는, 임의의 측정가능한 감소 또는 완전한 억제를 포함한다.
용어 "효과적인"은 명세서 또는 청구범위에서 사용되는 경우에, 요구거나, 기대되거나 또는 의도된 결과를 달성하기에 적당함을 의미한다.
단수로서의 단어 "하나의"의 사용은 청구범위 및 명세서에서 "포함하는"의 용어와 함께 사용되는 경우에, "하나"를 의미하지만, "하나 또는 그 초과", "하나 이상" 및 "하나 또는 하나 초과"의 의미를 가진다.
본 기재가 "및/또는" 및 단지 택일기재만을 지칭하는 정의를 지지할지라도, 택일기재 만을 지칭하기 위해 명백히 지시되지 않는다면, 또는 이 택일기재가 상호 배타적이지 않다면, 청구범위에 용어 "또는"의 사용은 "및/또는"을 의미하기 위해 사용된다.
이 명세서 및 청구범위에서 사용되는 바와 같이, 단어 "포함하는"("포함하다"와 같은 '포함하는'의 임의의 형태), "가지는"("가지다"와 같은 임의의 형태), "함유하는"("함유하다"와 같은 임의의 형태), 또는 "담고 있는"(및 "담고있다"와 같은 임의의 형태)는 포괄적이거나 제한 없고 추가적, 일방적인 요소 또는 방법 단계를 배제하지 않는다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점은 하기 상세한 설명으로부터 명백할 것이다. 그러나 상세한 설명 및 예는, 본 발명의 특정 예를 가리키지만, 단지 예시적인 목적을 위해 제공된다. 추가로, 본 발명의 취지 및 범위 내 변화 및 변경은 이 상세한 설명으로부터 당업자에 명백하게 될 것임은 고려되어야 한다.
도면의 간단한 설명
예시적 구체예의 기재
도 1을 우선적으로 참조하여, 광합성 세포를 성장시키기 위한 시스템(100)은 열 완화(thermal dampening) 시스템(120), CO2 공급 시스템(140), 영양-공급 시스템(160) 및 분리 시스템(180)을 포함한다. 추가로 도 2를 참조하면, 시스템(100)의 부분적 단면도이며, 이는 유체 저장소(121) 내 외부 완충 유체(external dampening 유체)(129), 관(122), 관 지지부(123), 분배 헤더(124), 라이너(125), 및 좁은 통로(catwalk)(126)를 포함한다. 명확하게 하기 위해, 단지 하나의 관(122)이 도 2에 도시되어 있다. 도시된 구체예에서, 내부 유체(139)는 세포(127)를 포함하며, 이 세포는 관(122)의 내부 공간(128) 내에서 성장하고, 이 관은 내부 공간(128) 내에 빛(131)을 내부 유체(139)로 통과시키는 물질을 포함한다. 이 구체예에 도시된 바와 같이, 유체-제거 파이프(137)는 내부 유체(139) 및 광합성 세포(127)가 내부 공간(128)으로부터 배수되거나 제거되도록 한다. 또한, 도 2에 도시된 바와 같이, CO2 파이프(132) 및 영양-공급 파이프(133)는 분배 헤더(124)에 커플링되어 있다. 도 2에 도시되어 있는 이 구체예는 외부 유체(129)를 저장소(121)에 공급하는 유체 입구 파이프(134) 및 외부 유체(129)를 저장소(121)로부터 나오게 하는 유체 출구 파이프(135)를 포함한다.
도시되어 있는 구체예에서, 펌프(136)는 입구 파이프(134) 및 출구 파이프(135)를 경유해 저장소(121)를 통해 외부 유체(129)를 순환시킨다. 특정 구체예에서, 열 완화 시스템(120)은 유체 저장소(121) 및 외부 유체(129)를 포함한다. 다른 구체예에서, 열 완화 시스템(120)은 또한 펌프(136), 입구 파이프(134) 및 출구 파이프(135) 및 다른 관련된 제어 장치, 예를 들어 온도 및 흐름 제어 장치를 포함한다.
저장소(121)는 흐름 부분(151, 152, 및 153)으로 나뉠 수 있다. 각 흐름 부분(151-153)은 추가로 대항하는 흐름 부분(154-159) 및 말단 부분(161-163)으로 나뉠 수 있다. 예를 들어, 내부 유체(139)는 분배 헤더(124)로부터 흐름 부분(155), 말단 부분(161)을 통과하고, 흐름 부분(154)을 통해 분배 헤더(124)로 되돌아 올 수 있다. 한 구체예에서, 분배 헤더(124)에 근접해 있는(또는 일체로 있는) 공기 리프트 펌프(도시되어 있지 않음)가 구동력을 주어 내부 유체(139)를 순환시킨다. 펌프는 각 흐름 섹션(154-159)의 입구 말단에 제공될 수 있거나, 각 부분(151-153)은 단일 펌프를 사용하여 이 부분 내에서 내부 유체(139)의 흐름을 순환시킬 수 있다. 특정 구체예에서, CO2를 함유하는 가스는 공기 흐름 펌프를 구동하는 공기에 주입될 수 있다. 다른 구체예에서, CO2를 포함하는 가스는 분배 헤더(124) 또는 영양-공급 파이프(133)로 직접 주입될 수 있다.
특정 구체예에서, CO2 공급 시스템(140)은 CO2를 함유하는 가스를 관(122)의 내부 공간(128)으로 공급하는 파이프(132)를 포함할 수 있다. 비제한적 예에서, 파이프(132)는 연소 방출 가스에 커플링 될 수 있다. 특이적 비제한적 구체예에서, 파이프(132)는 파워 플랜트로부터 플루 가스(flue gas) 벤트(vent)에 커플링될 수 있다. CO2 공급 시스템(140)은 또한 파이프(132)와 관련된 장치를 포함할 수 있다; 예를 들어, CO2 공급 시스템(140)은 CO2의 흐름을 제어하고/거나 CO2 공급 흐름으로부터 원치 않는 물질을 제거하기 위해 사용되는 장치를 포함할 수 있다.
특정 구체예에서, 영양-공급 시스템(160)은 영양-공급 파이프(133)를 포함할 수 있으며, 이 파이프는 영양 및 미네랄을 관(122)의 내부 공간(128)에 공급한다. 비제한적 예에서, 파이프(133)는 질소 가스 또는 질소화물을 포함하는 지하수를 내부 공간(128)에 전달한다. 영양-공급 시스템(160)은 또한 파이프(133)와 관련된 장치를 포함한다; 예를 들어, 질소 공급 시스템(160)은 영양물의 흐름을 제어하고/거나 질소 공급 흐름으로부터 원하지 않는 물질을 제거하기 위해 사용되는 장치를 포함할 수 있다.
분리 시스템(180)은 내부 유체(139)로부터의 광합성 세포(127)를 분리하기 위해 사용되는 장치를 포함한다. 도 1 및 2에 도시된 특정 구체예에서, 분리 시스템(180)은 액체-제거 파이프(137), 맴브래인 분리기(181), 및 재순환 펌프(183)를 포함한다. 분리 시스템(180)을 공급 펌프(182), 폴리머 주입기(184), 원심분리기(185), 및 건조기(186)가 뒤따를 수 있다.
시스템(100)의 작업 중, 세포(127)는 광합성을 통해 내부 공간(128)에서 성장된다. CO2 파이프(132)는 CO2를 분배 헤더(124) 또는 분배 헤더의 상류에 공급한다. 영양-공급 파이프(133)는 영양분 및 미네랄을 분배 헤더(124)에 공급하고, 이는 관(122)의 내부 공간(128)에 커플링되어 있다. 관(122)의 일부 또는 전부는 외부 유체(129)에 침지되어 있고, 이 유체는 내부 공간(128)의 열적 변동 또는 변화를 완화시킨다. 외부 유체(129)의 온도는 온도 제어 기계 장치 예를 들어 열 교환기(도 1 또는 2에 도시되어 있지 않음) 또는 연소 파워 플랜트를 위한 냉각 시스템에 의해 유지될 수 있다. 특정 구체예에서, 외부 유체(129)는 바람직한 온도에서 유지되고/거나 대기 공기보다 더 높은 비열을 가진다. 외부 유체(129)는 자연 날씨 패턴 또는 일교차에 기인한 외부 온도의 변화와 같은 요소에 의해 기인되는, 내부 공간(128)의 열적 변동을 줄일 수 있다. 특정 구체예에서, 열적 변동을 줄이는 것은 세포(127)의 성장을 증진시킬 수 있으며, 이는 파이프(132 및 133)로부터 각각 공급되는 CO2 및 질소 및 빛(131)의 반응을 통해 달성된다.
도 1의 구체예에 도시된 바와 같이, 내부 유체(139)(세포(127)를 포함)는 맴브래인 분리기(181)에 커플링되어 있는 액체-제거 파이프(137)를 통해 내부 공간(128)으로부터 제거될 수 있다. 특정 구체예에서, 분리기(181)는 제논-타입 맴브래인이며, 이는 외부 유체(139)로부터 세포(127)를 제거한다. 도 1에 도시되어 있는 구체예에서, 유체(139)의 일부(187)는 재순환 펌프(183)를 통해 분배 헤더(124)로 다시 돌아가고, 고체-함유 부분(188)은 공급 펌프(182)를 통해 원심분리기(185)에 공급된다.
도시된 구체예에서, 폴리머 주입기(184)는 고체 함유 부분(188)으로 폴리머를 주입하고, 그 다음에 이는 원심 분리기(185)에 도달된다. 특정 구체예에서, 원심분리기(185)를 나오는 생성물 스트림(189)은 15-20% 고체를 포함한다. 도 1에 도시된 구체예에서, 생성물 스트림(189)의 일부는 건조기(186)에 공급될 수 있다. 생성물 스트림(189)은 바이오매스(biomass)(190)로 전환될 수 있고, 그 다음에 바이오연료 또는 바이오디젤로 세포용해(lysis) 또는 헥산 추출과 같은 기술을 통해 전환될 수 있다.
도 3을 참조하여, 파워 플랜트(300)와 일체를 이루는 세포 성장 시스템(200)을 포함하는 구체예가 도시되어 있다. 시스템(200)은 유체 저장소(221) 및 일련의 관(222)을 포함하고, 이는 도 1 및 2에 도시된 시스템(100)의 그것과 유사하다. 도 3의 구체예에서, CO2 및 열적 완화 유체에 파워 플랜트에서 일반적으로 발견되는 방출 시스템이 제공된다. 파워 플랜트(300)는 터빈(320)을 포함하며, 이는 보일러(310)에 의해 제공되는 스팀 공급(321)에 의해 전력이 공급된다. 특정 구체예에서, 터빈(320)으로부터의 배출 스팀(329)은 응축기(330)에 의해 응축되고 재순환 펌프(322)를 통해 보일러(310)로 다시 돌아간다. 도시된 특정 구체예에서, 보일러(310)는 연소 방출 또는 플루 가스(311)(CO2 함유)를 생산하며, 이는 시스템(200)에 보내지고, 세포의 생산에 사용된다. 도 3의 구체예에서, 스트러버(scrubber)(315)는 플루 가스(311)로부터의 SO2를 포함하는, 특정 가스를 제거하기 위해 사용될 수 있다.
도 3에 도시된 구체예에서, 파워 플랜트(300)는 냉각 타워(340)를 포함하며 이 타워는 냉각수(345)를 응축기(330)에 공급한다. 냉각수(345)는 특정 온도(도시된 구체예에서 약 80℉) 냉각타워(340)를 나오고, 응축기(330)를 통과하며, 여기서 온도는 냉각 타워(340)로 돌아가기 전에 더 높은 온도(도시된 구체예에서 약 110℉)로 올라간다. 냉각타워(340)는 그 다음에 더 낮은 온도로 냉각수(345)를 냉각시키고, 냉각 타워 펌프(349)는 응축기(330)를 통해 냉각수(345)를 순환시킨다.
특정 구체예에서, 제 1 제어 밸브(341)는 냉각 수 출구(여기서 냉각수(345)는 더 낮은 온도에 있다)에 커플링되고, 제 2 제어 밸브(342)는 냉각수 회수구(여기서 냉각수(345)는 더 높은 온도에 있다)에 커플링되어 있다. 제어 밸브(341 및 342)는 또한 외부 유체(229)(이 예에서, 응축기 공급 및 회수 라인으로부터의 냉각수(345)의 혼합물)를 시스템(200)에 공급하는 공급 라인(344)에 커플링될 수 있다. 제어 시스템(도시되지 않음)은 제어 밸브(341 및 342)를 열거나 닫음에 의해 외부 유체(229)의 온도를 제어하기 위해 사용될 수 있다. 외부 유체(229)의 온도는 냉각수 출구 온도(도시된 예에서, 80℉)와 냉각수 회수 온도(도시된 예에서의 110℉) 사이의 임의의 온도로 제어될 수 있다. 예를 들어, 밸브(342)가 열리고 밸브가(343) 완전히 닫힌다면, 외부 유체(229)의 온도는 냉각수 출구의 온도일 것이다. 밸브(343)가 열기고 밸브(342)가 완전히 닫힌다면, 외부 유체(229)의 온도는 냉각수 회수의 온도일 것이다. 두 밸브(342 및 343)가 부분적으로 열린다면, 외부 유체(229)의 온도는 냉각수 출구와 회수 온도 사이 정도일 것이다. 도 3에 도시된 구체예에서, 외부 유체(229)는 유체 저장소(221)를 통해 순환될 수 있어서 관(222)에 접촉하고 관(222)의 열 변화를 줄일 수 있다. 펌프(236)는 외부 유체(229)를 냉각 타워(340)로 펌핑한다.
파워 플랜트(300)에서 존재하는 장치 및 시스템과 시스템(200)을 통합하는 것은 시스템(200)의 더 높은 효율을 가능하게 한다. 예를 들어, 플루 가스 또는 연소 방출 가스(311)는 최소 투자 설비 및 회수 에너지를 요구하는 CO2의 존재하는 공급원을 제공할 수 있다. 추가로, 파워 플랜트(300)는 냉각수(345)를 위한 공급원을 제공할 수 있으며, 이 냉각수는 관(222)에 열 변화를 완화하기 위한 유체로서 사용될 수 있다. 다시, 이 시스템은 최소 지출로 통합될 수 있다. 파워 플랜트와의 통합이 작업의 효능을 증가시킬 수 있지만, 다른 구체예는 이러한 통합을 이용하지 않음은 이해돼야 한다.
도 4를 참조하여, 광합성 세포를 성장시키기 위한 시스템(400)의 대안적 구체예는 방법 및 장치에 대해 약간의(certain) 변경하면서, 이전에 기재된 구체예와 유사한 특징부를 포함한다. 이전에 기재된 구체예에 것들과 동등한 구성부는 동등한 도면 부호로 주어졌다.
시스템(100)의 구성부와 동등한 시스템(400)의 구성부들은 동등한 도면 부호가 주어진다. 그러나 도시된 구체예에서, 시스템(400)은 시스템(100)과 비교하여 상이한 파이프 및 펌프 배열을 포함한다. 예를 들어, 시스템(400)은 영양-공급 시스템(160) 내에 흐름을 제공하기 위해 사용될 수 있는 영양 공급 펌프(489)를 포함할 수 있다. 시스템(400)은 맴브래인 분리기(181)와 유체가 소통하도록 추가 펌프를 또한 포함할 수 있다. 예를 들어, 시스템(400)은 분리 공급 펌프(482)를 포함할 수 있으며, 이 펌프는 내부 유체(139)를 관의 내부 공간(예를 들어 관(122)의 내부 공간(128)으로부터 분리 시스템(180)으로 펌핑한다.
도시된 구체예에서, 시스템(400)은 고체 공급 펌프(483)를 또한 포함할 수 있고, 이는 맴브래인 분리기(481)로부터 원심 분리기(185)(또는 관련된 공정 장치)로 분리된 고체를 공급하기 위해 사용될 수 있다. 시스템(400)은 또한 고체 회귀(return) 펌프(484)를 포함할 수 있고, 이 펌프는 고체를 영양-공급 라인(133)으로 맴브래인 분리기(481)를 다시 재순환하기 위해 사용될 수 있다. 추가로, 도시된 구체예는 여과된 투과물 재순환 펌프(485)를 포함하며, 이 펌프는 여과된 유체를 다시 관의 내부 공간(예를 들어 관(122)의 내부 공간(128))으로 펌핑할 수 있다. 시스템(400)은 또한 여과물 또는 액체 배수부(486)를 포함할 수 있다.
도시된 바와 같이 시스템(400)은 시스템(100)과 유사한, (대항하는 흐름 부분(154-159) 및 말단 섹션(161-163)과 함께), 흐름 부분(151, 152, 및 153)을 포함할 수 있다. 다른 구체예는 더 적은 또는 더 많은 흐름 부분을 가질 수 있음은 이해되어야 한다. 특정 구체예에서, 시스템(400)은 단지 하나의 흐름 부분을 가질 수 있다. 또한, 시스템(400)이 관의 내부 공간 또는 광합성의 다른 위치와 유체가 소통하는 임의의 CO2 주입 위치를 포함할 수 있음은 이해되어야 한다.
도 5를 참조하여, 개략도는 이전에 기재된 구체예와 유사한 광합성 세포를 성장시키는 시스템(500)의 한 구체예를 예시하고 있다. 달리 언급하지 않는다면, 시스템(500)의 구성부는 이전에 기재된 구체예의 유사하게 명명되고 유사하게 번호가 매겨진 구성부에 해당한다. 이 개략도에서, 시스템(500)은 대항하는 흐름 섹션(551 및 552) 및 커플링 부분(524 및 561)을 포함한다(여기서 커플링 부분은 흐름 섹션(551)이 흐름 섹션(552)과 유체가 소통되도록 할 수 있다). 흐름 섹션(551 및 552)은 봉합물 또는 관(552)을 포함하며, 여기서 이전에 기재된 광합성이 발생된다. 본원에서 사용되는 용어 "관"은 넓게 해석되어야 하며 유체를 보유할 수 있는 임의의 용기를 포함하는 것으로 이해돼야 한다. 이 예시적인 구체예에서, 시스템(500)은 열 완화 시스템(520), CO2 공급 시스템(540), 영양 공급 시스템(560), 및 온도 제어 시스템(565)을 포함한다. 시스템(500)은 또한 정화기 또는 맴브래인 분리기(581)를 포함하는 분리 시스템(580)을 포함하며, 이는 농축된 고체 잔류물 또는 수확된 바이오매스(590)를 유출물(591)로부터 분리한다.
도시된 예시된 구체예에서, 시스템(500)은 영양-공급 시스템(560) 내에 흐름을 제공하기 위해 사용될 수 있는 영양 공급 펌프(589) 및 분리 시스템(580)에 바이오매스 물질을 공급하는 분리 공급 펌프(582)를 포함한다. 시스템(500)은 또한 흐름 섹션(551 및 552)에 유체를 순환시키기 위해 사용되는 내부 재순환 펌프(588) 및 관(522)에 들어가기 전에 영양물을 살균하기 위해 사용될 수 있는 살균 시스템(587)을 포함한다. 추가로, 시스템(500)은 관(522)으로 맴브래인 분리기(581)로부터 고체를 재순환 시키기 위해 사용될 수 있는 고체 회수 펌프(584)를 포함할 수 있다. 도시된 구체예에서, 시스템(500)은 관(522)의 내부 공간으로 여과된 유체를 다시 돌리도록 펌핑할 수 있는 여과된 투과물 재순환 펌프(585)를 포함할 수 있다. 시스템(500)은 또한 여과물 또는 액체 배수부(586)를 포함할 수 있다.
실시예
특정 비-제한적 실시예에서, 세포를 성장시키기 위한 시스템은 폰드(pond)를 포함하며, 이 폰드는 130평방미터 및 5피트 깊이를 가지고 열 완화 시스템으로서 사용된다. 이 폰드는 일반적 수준의 넓이의 질그릇 둑(earthen embankments)으로 형성되고 합성 맴브래인 라이너를 가진다. 약 540 평행한 100미터 길이의 투명한 6인치 직경의 PVC 파이프가 폰드를 가로질러 연장되어 있다. 이 파이프는 약 3 내지 4피트 정도 표면 아래로 잠겨있다. 이 파이프는 파이프 가닥에 의해 폰드의 바닥으로부터 지지되어 있고, 이 파이프의 각 말단은 헤더와 유체가 소통되도록 되어 있다.
이 폰드는 세 개의 부분으로 나뉘어 있고, 각 부분은 두 개의 역-흐름 섹션으로 나뉘어 있다. 파이프 내 유체의 내부 흐름은 하나의 분배 헤더로부터 파이프의 한 섹션을 통해 폰드를 가로질러 흐른다. 그 다음에 유체는 제 2 헤더로 유입되고, 여기서 파이프의 제 1 섹션에 역방향으로 흐르는, 파이프의 제 2 섹션으로 향하도록 안내된다. 파이프의 제 2 섹션을 나온 후, 유체는 제 1 헤더로 다시 들어가고 순환을 계속한다. 각 부분이 다른 부분과 독립되어 있기 때문에, 상이한 작업 조건은 (필요하다면) 폰드의 각 부분 내에서 유지될 수 있다. 예를 들어, 폰드의 한 부분은 그늘이 지어질 수 있고, 다른 부분은 그렇지 않을 수 있다. 추가로, 상이한 흐름 속도 및 영양 수준은 최적 작업 조건을 결정하기 위해 상이한 부분에서 유지될 수 있다.
내부 유체 흐름을 위한 구동력은 제 1 헤더에 통합되어 있는 일련의 공기 올림 펌프에 의해 제공된다. 이 예에서, 12개의 펌프(각 부분에 4개)가 있고, 이들은 동적 헤드의 1미터에서 2,500L/분의 흐름을 제공한다. 이 펌프는 공기 송풍기에 연결되어 있고, 이 송풍기는 약 1,500m3/시간의 공기 흐름을 제공한다. 상기 공기 송풍기로부터의 공기에 인접한 플랜트 또는 다른 생산 설비에서 플루 가스로부터 얻어진 CO2 가스가 주입된다.
추가로, 영양 및 미네랄 공급 시스템이 헤더 중 하나를 통해 파이프의 내부 유체에 영양물을 첨가하기 위해 사용된다. 이 시스템은 일괄(package) 시스템으로서, 이는 전형적으로 산업 폐수 처리 플랜트에서 찾을 수 있다. 이 시스템은 혼합 탱크, 저장 탱크 및 자동화된 미터링 펌프를 포함하여 영양물 예컨데 암모니아, 암모니아 설페이트 및 포스포르산을 내부 유체에 첨가한다. 영양물의 수준은 독립적으로 각 부분을 위해 제어될 수 있다.
파이프의 외부에 있는 유체의 외부 흐름은 폰드 순환 시스템에 의해 제공된다. 이 시스템은 폰드를 위한 제어된 온도의 유체를 제공하기 위해 존재하는 플랜트의 냉각수 공급 시스템에 통합될 수 있다. 이 플랜트 냉각수는 대기 조건의 변화로부터 야기되는 임의의 온도 변동을 완화하는 작용을 한다. 플랜트로부터의 냉각수를 폰드로 펌핑하고 열을 이루고 있는 튜브에 가로질러 가로로 흐른다. 이 냉각수는 그 다음에 폰드로부터 다시 플랜트로 펌핑되고 그래서 온도는 냉각수에 의해 감소될 수 있다. 폰드 물의 온도는 플랜트 냉각 타워를 나오는 냉각수의 온도(전형적으로 약 80℉)와 다른 플랜트 장치로부터 플랜트 낸가 타워로 돌아오는 냉각수의 온도(전형적으로 약 110℉) 사이의 임의의 온도에서 유지될 수 있다.
좁은 통로는 폰드 수준 위에 배치되어 있고, 이는 개인이 시스템의 다양한 영역에 접근하도록 한다. 이 좁은 통로는 파이프를 가로질러 수직으로 그리고 가로로 진행하며, 유지보수 활동, 예를 들어 파이프의 세척을 수행하도록 한다.
작업 중, 시아노박테리아 세포(미국 가특허 출원 제 60/853,285호, "Modified Cyanobacteria"의 명칭을 가지고, Willem F.J. Vermaas에 의해 2006년 10월 20일쯤에 출원됨)를 파이프 내 내부 유체에서 배양하였다. 투명한 PVC 파이프는 자연 빛이 파이프의 벽을 통과하도록 하고 내부 유체가 자연 빛에 노출된다. 추가로, 폰드 내 냉각수의 투명도는 또한 유지되어서 자연 빛이 폰드를 통과하도록 한다. 파이프의 내부 유체 내에서 나오는 다른 영양물, 자연 빛, CO2, 및 고정된 질소는 광합성이 발생되기에 필요한 요소이며, 이는 Vermaas에 의해 "Modified Cyanobacteria"의 명칭으로 2006년 10월 20일쯤에 출원된 미국 가특허출원에 더욱 완전히 설명되어 있다. 추가로, 상기 외부 유체는 열 변동을 줄이고 시아노박테리아의 성장을 위한 최적 온도 범위를 유지하기 위해 사용될 수 있다. 결과적으로, 시아노박테리아 세포는 효과적으로 파이프 내에서 배양된다.
각 부분 내에, 액체 제거 파이프가 있으며 이 파이프는 내부 유체가 파이프 및/또는 헤더로부터 배수되도록 한다. 이 내부 유체는 초기에 Zenon® 또는 Kubota® 맴브래인을 통과하며, 이는 약 200mg/L로부터 약 1% 고체로 고체 농도를 증가시킨다. 펌프 및 파이프는 여과된 투과물을 시스템으로부터 제거하고, 광바이오반응기로 여과된 투과물을 되돌리고, 추가 탈수 및 생성물 회수를 위한 농축된 고체를 제거하고, 광바이오반응기로 농축된 고체를 다시 재순환시키기 위해 제공된다.
응집(flocculation) 시스템은 폴리머를 수확된 고체 흐름으로 주입하기 위해 사용되며, 그 다음에 이는 저장 탱크(필요하다면) 또는 고체 보울 원심분리기에 보내질 수 있고, 여기서 이 고체 농도는 약 15-20% 고체로 증가된다.
고체는 그 다음에 건조기(필요하다면)로 보내질 수 있고 바이오 매스로 전환될 수 있다. 탈수된 바이오매스는 그 다음에 세포 용해(lysis) 또는 세포를 열 및 음파 처리를 통한 파쇄; 기계적 마찰; 가압 및 탈압; 불활성 매체의 첨가에 의한 마찰 및 파쇄; 펄스된 전기장; 또는 알칼리 또는 산 처리를 통해 가공될 수 있다.
파쇄 후, 추가 공정은 고체로부터 오일의 직접 용매 또는 초임계의 CO2 추출, 후속하여 오일로부터 바이오디젤의 생산을 포함할 수 있다. 추가로, 남은 세포 분획물을 약 50% 고체로 탈수처리할 수 있다. 바람직한 생성물, 예를 들어 바이오연료를 위한 오일은 그 다음에 추출될 수 있다. 대안적으로서, 세포는 약 100% 고체로 건조될 수 있고, 후속하여 바이오디젤 생성을 위한 오일의 용매 또는 초임계 CO2 추출이 진행될 수 있다. 또 다른 공정 방법은 열, 알칼리 및 에탄올로 20% 고체 생성물을 처리하여 바이오디젤 생성물을 직접 생산하는 것을 포함한다. 생성물을 건조하는 것은 태양 건조의 기계적 장치를 통해 달성될 수 있다.
보충수(makeup water)의 공급원은 파이프 내 시아노박테리아의 생산 중에 유실된 내부 공정 유체를 대체하기 위해 필요할 수 있다. 시스템으로부터 제거된 여과된 물은 수용수, 폐수 처리 설비, 또는 또 다른 이로운 용도로 버려질 수 있다. 파이프가 초기에 채워진 후에, 요구되는 보충 유체의 양은 최소일 것이며, 왜냐하면 물의 대부분은 회수되고 시스템 내에서 재순환되기 때문이다. 이 시스템은 공정수에서 만들어진 무기 또는 유기 불순물을 제어하기 위해 블로윙다운된(blowdown) 작은 양의 폐수를 포함한다. 폐수는 떨어져 있는 처리 플랜트에 보내질 수 있다.
시스템에 유지를 수행하기 위해 파이프로부터 내부 공정 유체를 주기적으로 완전히 배수할 필요가 있을 수 있다. 라이닝되어고 제 1 폰드보다 더 낮은 높이에 있는 제 2, 더 작은 폰드는 처리를 위해 보내지기 전에 내부 공정 유체를 수용하기 위해 사용될 수 있다.
시스템의 작동 파라미터는 시스템이 정해진 기간 동안 자동화되어 작동되도록 하는, Programmable Logic Controllers(PLC)에 의해 제어될 수 있다. PLC는 데이터를 로그(log)하기 위해 뿐만 아니라 오프사이트 개인에 작동 조건을 전달하기 위해 사용될 수 있다. 온-사이트 개인이 낮시간 동안 있어야하고 이 시스템은 밤새 자동으로 작동되어야 하는 것이 추천된다.
기재되고 이 명세서에서 청구되는 모든 시스템 및/또는 방법은 본 발명의 견지에서 과도한 실험 없이 만들어질 수 있고 실행될 수 있다. 본 발명의 시스템 및 방법이 바람직한 실험으로 기재되어 있지만, 당업자는 본 발명의 개념, 취지 및 범위를 벗어남 없이 본원에 기재된 방법의 단계의 순서에서의 또는 단계에서의 그리고 시스템 및/또는 방법에 변화를 적용할 수 있음은 명백할 것이다. 동일하거나 유사한 결과는 달성되면서, 더욱 특이적으로 다른 타입의 장치는 본원에 기재되어 있는 특이적 장치의 타입을 위해 치환될 수 있다. 당업자에 명백한 모든 이런 유사한 치환 및 변경은 첨부된 청구범위에 의해 정의된, 본 발명의 취지, 범위 및 개념 내에 있다.
참조
하기 참조는 예시적인 방법 및 다른 상세한 보충설명을 본원에 기재되어 있는 것들에 제공하고, 이 참조들은 특이적으로 본원에 참조로서 통합되어 있다.
미국 공개공보 2002/0072109호
미국 특허 제 4,242,455호
미국 특허 제 4,350,765호
미국 특허 제 4,413,058호
PCT 출원 제 WO/88/09379호
미국 공개공보 제 2002/0042111호
Willem F.J. Vermaas에 의해, 2006년 10월 20일쯤 출원된, "Modified Cyanobacteria"의 명칭의 미국 가특허출원 제 60/853,285호
Willem F.J. Vermaas에 의해 2007년 10월 20일쯤에 출원된, "Modified Cyanobacteria" 명칭의 PCT 출원 No. __________호.

Claims (46)

  1. 광합성 세포를 성장시키는 시스템으로서, 상기 시스템이:
    외부 표면, 내부 표면, 내부 공간 및 길이를 포함하는 하나 이상의 관으로서, 상기 관의 일부 또는 전부가 상기 내부 공간으로 사용 중에 태양광이 통과될 수 있고, 상기 하나 이상의 관의 일부 또는 전부가 낮 동안 태양광에 노출되어 있는, 관;
    상기 하나 이상의 관에 작동가능하게 연결되어 있는 열 완화 시스템;
    사용 중 상기 내부 공간으로 CO2를 공급하도록 구성된 CO2 공급 시스템;
    사용 중 상기 내부 공간으로 영양물을 제공하도록 구성된 영양-공급 시스템; 및
    사용 중 상기 하나 이상의 관으로부터 상기 광합성 세포를 제거하도록 구성된 분리 시스템을 포함하는, 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 관으로부터 실질적으로 고체가 없는 투과물을 제거하고;
    상기 관으로 상기 실질적으로 고체가 없는 투과물의 일부를 재순환시키며;
    상기 시스템으로부터 농축된-고체 잔여물을 제거하고;
    상기 관으로 상기 실질적으로 고체가 없는 투과물의 일부를 재순환시키도록 구성된 유체 제어 시스템을 추가로 포함함을 특징으로 하는 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 영양물이 질소화물 또는 또 다른 고정된 질소 화합물임을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 광합성 세포가 시아노박테리아로 정의됨을 특징으로 하는 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 사용 중 내부 공간에 미네랄을 공급하도록 구성되는 미네랄 공급 시스템을 추가로 포함함을 특징으로 하는 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 사용 중 내부 공간으로 태양광을 통과시키도록 하는 부분이 투명함을 특징으로 하는 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 투명 부분이 유리, 투명 폴리비닐 클로라이드 또는 또 다른 폴리머를 포함함을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 관이 원형 단면을 가지는 튜브를 포함함을 특징으로 하는 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 튜브가 약 4 내지 10인치의 직경을 가짐을 특징으로 하는 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 관이 약 100피트 이상의 길이를 가짐을 특징으로 하는 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 열 완화 시스템이 사용 중 상기 하나 이상의 관과 접촉하여 유체를 순환시키도록 구성됨을 특징으로 하는 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 열 완화 시스템이 유체 저장소를 포함하여, 여기서 상기 하나 이상의 관의 일부 또는 전부가 상기 유체 저장소에 잠겨있음을 특징으로 하는 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 유체 저장소가 합성 라이너로 라이닝 됨을 특징으로 하는 시스템.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 하나 이상의 관을 지지하도록 구성되어 있는 지지부를 추가로 포함함을 특징으로 하는 시스템.
  15. 제 12 항에 있어서, 상기 유체 저장소 위에 좁은 통로를 추가로 포함함을 특 징으로 하는 시스템.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 CO2 공급 시스템이 사용 중 상기 내부 공간과 유체가 소통되는 상태로 액체에 플루(flue) 가스를 주입하도록 구성됨을 특징으로 하는 시스템.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 CO2 공급 시스템이 가스 압축기를 포함함을 특징으로 하는 시스템.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 관 내에 유체를 순환시키도록 구성되어 있는 펌프를 추가로 포함함을 특징으로 하는 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 펌프가 공기리프트 펌프임을 특징으로 하는 시스템.
  20. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 관과 작동가능하게 연결되어 있는 분배 통(trough)을 추가로 포함함을 특징으로 하는 시스템.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 분배 통이 사용 중에 CO2 주입물을 수용하도록 구 성됨을 특징으로 하는 시스템.
  22. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 관과 작동가능하게 연결되어 있는 분배 헤더를 추가로 포함함을 특징으로 하는 시스템.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 분배 헤더가 사용 중에 CO2 주입물을 수용하도록 구성됨을 특징으로 하는 시스템.
  24. 제 1 항에 있어서, 상기 CO2 공급 시스템이 공기 압축기를 포함함을 특징으로 하는 시스템.
  25. 제 1 항에 있어서, 상기 영양-공급 시스템이 사용 중에 상기 내부 공간으로 지하수를 공급하도록 구성됨을 특징으로 하는 시스템.
  26. 제 1 항에 있어서, 영양-공급 시스템이 저장 탱크 및 미터링 펌프를 포함함을 특징으로 하는 시스템.
  27. 제 1 항에 있어서, 상기 영양-공급 시스템이 암모니아 또는 암모늄 설페이트를 포함함을 특징으로 하는 시스템.
  28. 제 1 항에 있어서, 상기 분리 시스템이 맴브래인 분리기를 포함함을 특징으로 하는 시스템.
  29. 제 28 항에 있어서, 상기 맴브래인 분리기가 상시 시스템으로부터 농축된 고체 잔여물을 제거하도록 구성된 제 1 출구, 상기 시스템으로부터 실질적으로 고체가 없는 투과물을 제거하도록 구성된 제 2 출구, 상기 관으로 농축된 고체 잔여물을 재순환시키도록 구성된 제 3 출구 및 상기 관으로 실질적으로 고체가 없는 투과물을 재순환시키도록 구성된 제 4 출구를 포함함을 특징으로 하는 시스템.
  30. 하나 또는 그 초과의 관의 내부 공간에서 광합성 세포를 배양하고;
    상기 내부 공간에 CO2 및 영양물을 공급하며;
    상기 CO2 및 영양물을 자연광에 노출시키고;
    상기 관 내 열 변동을 완화시키며;
    상기 내부 공간으로부터 세포를 제거하는, 광합성 세포를 성장시키는 방법.
  31. 제 30 항에 있어서, 상기 세포가 시아노박테리아로 추가로 정의됨을 특징으로 하는 방법.
  32. 제 30 항에 있어서, 상기 영양물이 고정된 질소를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  33. 제 30 항에 있어서, 열 변동을 완화시키는 것은 유체로 관의 외부 표면을 접촉시키는 것을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  34. 제 33 항에 있어서, 상기 유체의 온도가 제어됨을 특징으로 하는 방법.
  35. 제 30 항에 있어서, 상기 CO2가 플루 가스에 의해 공급됨을 특징으로 하는 방법.
  36. 제 30 항에 있어서, 상기 영양물이 지하수에 의해 공급되는 고정된 질소를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  37. 제 30 항에 있어서, 상기 영양물이 암모니아에 의해 공급되는 고정된 질소를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  38. 제 30 항에 있어서, 상기 영양물이 암모니아 니트레이트에 의해 공급되는 고정된 질소를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  39. 제 30 항에 있어서, 상기 광합성 세포가 맴브래인에 의해 제거됨을 특징으로 하는 방법.
  40. 제 30 항에 있어서, 상기 관이 유체 저장소에 잠김을 특징으로 하는 방법.
  41. 제 30 항에 있어서, 상기 내부 공간에 CO2가 시아노박테리아를 성장시키기에 적합한 양으로 유지됨을 특징으로 하는 방법.
  42. 제 30 항에 있어서, 상기 내부 공간에 CO2가 약 0.03% 내지 5%에서 유지됨을 특징으로 하는 방법.
  43. 제 30 항에 있어서, 상기 내부 공간에 영양물이 시아노박테리아를 성장시키기에 적합한 양으로 유지됨을 특징으로 하는 방법.
  44. 제 30 항에 있어서, 상기 내부 공간에 영양물이 약 0.5 내지 10mM로 유지된 고정된 질소를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  45. 제 30 항에 있어서, 상기 내부 공간에 온도가 시아노박테리아를 성장시키기 에 적합한 수준에서 유지됨을 특징으로 하는 방법.
  46. 제 30 항에 있어서, 상기 내부 공간에 온도가 약 10-60℃에서 유지됨을 특징으로 하는 방법.
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