TW201414832A - 微藻類調理及濃縮的方法 - Google Patents

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Abstract

微藻類之調理及濃縮係藉由在研磨介質存在下研磨微藻類之稀水性分散液且繼以應用吸附氣泡分離的方法步驟來實現。此方法可適於諸如在產生用於生物燃料應用之藻類生物質中所遭遇到的稀進料微藻類分散液之使用。

Description

微藻類調理及濃縮的方法 相關申請案之參照
本申請案根據35 U.S.C.§119(e)主張在2007年6月19日申請之美國臨時專利申請案60/944,813的優先權，該案之全部內容以引用的方式併入本文中。
本發明大體上係關於藻類利用領域(諸如，生物燃料中)，且更特定言之，係關於一種微藻類調理及/或濃縮之方法。
背景
微藻類為藉由光合作用產生氧及有機物質之簡單水生生物。微藻類具有在食物、營養補充劑、藥品、天然色素、生化製品及用於生產燃料之生物質的製造中的用途。其亦在廢水中氮、磷及重金屬之移除中具有效用。微藻類為尤其適用的，此係因為其生長速率高且耐受各種環境條件。
由於微藻類及基於微藻類之產品的廣泛用途，所以用於培養及收穫微藻類之有效方法為重要的。「調理」為藉由細胞破裂、化學處理及/或絮凝來處理水性微藻類分散液以利於在後續步驟中分離微藻類或細胞組份。
存在兩種用於培養微藻類之基本方法：封閉式生物反應器系統及開放式池塘系統。資本最密集之系統為利用透明管道之封閉式生物反應器，其 中微藻類藉由曝露於光及引入二氧化碳及養分而在水中生長。選擇生物反應器設計之主要原因為控制培養物及/或希望將二氧化碳自廢氣排放中移除。使用經遺傳改造之微藻類物種，分離有助於防止受到其他物種之污染及洩漏至環境中。
所收穫之微藻類生物質可轉變為動物飼料、固體燃料、甲烷、氫、合成氣或液體運輸燃料，諸如生物柴油及生物乙醇。依續操作可允許自微藻類脂質(甘油三酸酯)、澱粉及殘餘物產生兩種或兩種以上此等產品。本文中特別關注脂肪酸酯(生物柴油)自微藻類脂質之產生。參見例如研究回顧論文：「Biodiesel from microalgae」,Yusuf Chisti,Biotechnology Advances,第25卷，第294-306頁(2007)，其內容以引用的方式併入本文中。所收穫之微藻類生物質亦可經氫化處理以產生液體烴。
對微藻類培養而言最佳之族群密度為光達到生長培養基之全部深度(full depth)而上層實質上不遮蔽下層的族群密度。在此技術領域中通常使用每毫升200,000至500,000個細胞之範圍作為單細胞微藻類生長之有效族群密度。在攪動之池塘及生物反應器中，可維持較多群體，而在靜態池塘中，較低密度表現最佳。此等族群密度導致在培養基中產生低濃度(約0.02wt%)之微藻類產品。
在收穫之前預濃縮微藻類為減低所處理之微藻類培養物體積的合乎需要之步驟。然而，預濃縮對於在大規模水產養殖系統(諸如，微藻類生物燃料生產所需之系統)中實施而言為困難且昂貴的。除極高價值之微藻類產品之生產外，目前之微藻類收穫技術對於處理大體積生長培養基而言為不經濟的。為使微藻類成為低價高量產品(諸如，生物燃料)之經濟可再生來源，需要培養、收穫及濃縮微藻類之改良方法。
已嘗試多種技術自液體流移除微藻類。過濾為用於自液體分散液分離固體之最常見方法且在微藻類之情況下已使用或嘗試多種過濾器配置。然 而，許多有用的微藻類物種不適於過濾，此係因為其尺寸極小及/或其軟的可變形結構，此導致過濾器堵塞。美國專利5,490,924(其內容以引用的方式併入本文中)描述一種過濾器系統，其具有適於同時垂直往復運動及旋轉以自過濾器選擇性去除微藻類及其他微粒的反洗及過濾器清潔系統。此系統適於水純化，但不適於大規模微藻類生物質分離。
美國專利3,875,052(其內容以引用的方式併入本文中)詳述一種多步驟方法，其包含預濃縮步驟，其中將微藻類懸浮液沿過濾表面以高接觸速度饋入，繼以過濾、洗滌且擠壓。然而，此方法僅適於絲狀微藻類且不適於較小的、單細胞微藻類。
美國專利6,328,165(其內容以引用的方式併入本文中)描述一種用於海洋水產養殖之收穫裝置，其使用複雜移動帶過濾器且併有洗滌循環。
美國專利3,951,805(其內容以引用的方式併入本文中)為一種用於收穫微藻類之複雜且昂貴的帶式過濾器裝置。存在更多可利用之過濾技術，但在所有該等技術中，須特別關注過濾器之清除或清潔以確保有效操作。若微藻類可變形，則其可快速堵塞或閉塞過濾器。
離心為另一常用之固體分離技術，有時引用其以用於微藻類分離。舉例而言，美國專利4,115,949(其內容以引用的方式併入本文中)描述用於生產具有營養價值之甘油及蛋白質物質的微藻類之培養及離心。離心、過濾及沈降為「A Look Back at the U.S.Department of Energy’s Aquatic Species Program：Biodiesel from Algae」,NREL/TP-580-24190(1998)(其內容以引用的方式併入本文中)中所討論之收穫微藻類之方法。令人遺憾地，離心設備對於用於廉價高量產品之大規模微藻類收穫的初始步驟而言過於昂貴。
美國專利6,332,980(其內容以引用的方式併入本文中)描述使用溶解空氣浮選法及流體旋風分離器自水中移除揮發性氣體、農藥及諸如微藻類之顆粒。此系統適於水純化，但不適於大規模微藻類生物質分離。
亦已使用聲能自載體液體分離包括微藻類之顆粒。美國專利4,055,491及5,626,767(每一者之內容以引用的方式併入本文中)描述使用超音共振波使包括微藻類之顆粒以不同速率移動，從而使其分離。然而，此技術依賴於固體與液體之間的聲學性質差異，且因為微藻類有時係具中和浮力，所以分離將需要大量能量。
在具有疏水性表面之吸附劑上收穫微藻類由Curtain等人在美國專利4,554,390(其內容以引用的方式併入本文中)中揭示。此方法在高價值產品之製造中為可行的，但其對於生物燃料應用而言過於昂貴。
吸附氣泡分離為一組用於處理包含載體液體及性質上為分子、膠體及/或微粒之疏水性物質之進料分散液的方法。此疏水性物質選擇性收集(亦即，吸附或附著)至氣泡表面，以使得其可升高穿過載體液體，從而濃縮疏水性物質或將疏水性物質與載體液體分離。所得具有所收集之顆粒的泡沫可以若干方式中之一者處理以使泡沫破裂且分離該等顆粒。此重要之方法在商業上用於廣泛應用中，該等應用包括自礦石分離礦物及金屬、使微藻類脫水、自水性流移除油滴、自煤移除灰分微粒、移除廢水處理流中之顆粒、純化飲用水及在紙再循環過程中移除油墨及黏著劑。參見例如「Harvesting of Algae by Froth Flotation」,G.V.Levin等人，Applied and Environmental Microbiology，第10卷，第169-175頁(1962)，其內容以引用的方式併入本文中。吸附氣泡方法之其他應用描述於Adsorptive Bubble Separation Techniques,Robert Lemlich編，Academic Press,New York,New York(1972)(其以引用的方式併入本文中)中。在所有此等應用中，需要使水性分散液中之顆粒或液滴與氣體有效接觸且繼以使疏水性物質附著至氣泡。此方法適於極大之進料流且因而在採礦工業中廣泛實施。
對於分離物質之吸附氣泡方法而言，疏水性物質包含待分離之組份。使物質具有疏水性通常稱為「調理」，其中將顆粒表面用化學物質或選擇性 改質待分離組份的其他技術處理。在大部分狀況下，顆粒最初不具有疏水性，且使待分離或待脫水之顆粒具有疏水性，因此使其可使用吸附氣泡方法收集且分離。在其他狀況下，顆粒均具有疏水性，且將一種組份改質以使其具有親水性以將其保持在水性流中。
微藻類為親水性的，因此吸附氣泡分離對完整的活微藻類細胞功效最低。為使用吸附氣泡分離，須調理微藻類細胞以使其具有疏水性。
使用絮凝調理繼以吸附氣泡分離來收穫微藻類之一實例揭示於美國專利4,680,314(其內容以引用的方式併入本文中)中。美國專利6,524,486(其內容以引用的方式併入本文中)亦利用絮凝劑以使得微藻類積聚，繼以使用吸附氣泡方法使微藻類浮出。此方法需要添加絮凝劑，該等絮凝劑昂貴，可能會引起環境問題，且會污染產物或生長培養基。
另一種使微藻類細胞具有疏水性以便使用吸附氣泡分離之方法係藉由「細胞破裂」(亦稱為「細胞碎裂」或「細胞溶解作用」)實現。藉由使細胞壁及/或細胞膜破裂，使脂質及其他天然疏水性組份自細胞釋放。因此，此等組份及細胞碎片可用吸附氣泡分離方法回收。
細胞破裂可藉由數種方法實現，其可分類為化學、物理或機械方法。化學方法包括酶消化、清潔劑溶解化作用、用溶劑溶解脂質及鹼處理(脂質皂化)。物理方法包括滲透壓衝擊、減壓、音波處理、熱處理及冷凍-解凍。機械方法包括研磨、高剪切力均質化及壓力擠壓。細胞之高速葉輪均質化(例如，廚房攪切器)在機械上為簡單過程，但需要高能量及除熱。每體積微藻類培養基需要大的能量，致使此技術對於大規模水產養殖系統而言不經濟。參見例如美國專利4,931,291(其內容以引用的方式併入本文中)，其使用各種微藻類細胞破裂方法來製造甲殼動物及貝類幼蟲之飼料。
先前技術中常見之細胞碎裂方法使用泵迫使進料混合物在高壓下穿過限流孔閥。細胞碎裂藉由三種不同機制實現：閥上之衝擊、孔中之高液體 剪切力及排出時之突然壓降，最終使細胞爆裂。作為此之一實例，Microfluidics,Newton,MA,US之MICROFLUIDIZERTM細胞碎裂設備利用約5,000至40,000psig(345-2760巴)之壓力。美國專利6,405,948(其內容以引用的方式併入本文中)描述一種使用共振崩解研磨機釋放細胞內物質之方法，在該共振粉崩解磨機中，高速轉子產生一系列加壓及減壓。
美國專利5,776,349及6,000,551(其內容以引用的方式併入本文中)揭示當使微藻類進料分散液經受藉由經過孔抽汲而產生的壓降時微藻類細胞破裂。主張50至200psig(3.4-14巴)之壓降以使可接受百分比之細胞可用吸附氣泡分離回收。然而，在此等壓力下抽汲其中生長培養基可佔質量之99%以上之全部進料分散液以獲得高百分比之細胞破裂為昂貴的。
精細研磨技術已應用於實驗室規模之微生物細胞碎裂。在球磨機或珠磨機中，將細胞在懸浮液中與研磨介質一起攪動，該研磨介質為小的研磨顆粒，諸如玻璃或瓷珠。細胞因剪切力、珠粒之間的研磨及與珠粒之碰撞而破裂。美國專利5,330,913(其內容以引用的方式併入本文中)主張藉由在小的柱狀密封容器內旋轉葉輪產生之快速壓力變化碎裂細球藻屬細胞之水性懸浮液，其中鋼性球體具有500至800微米之恆定直徑。
水平或垂直高能量盤磨機採用容納高速轉子上之圓盤及研磨介質之腔室。該研磨方法可分批或連續進行。此設計用於研磨顏料、染料、藥品、食品、礦物及少量生物細胞。
美國專利6,589,785(其內容以引用的方式併入本文中)描述一種藉由將細胞冷凍成固體且在變性物質存在下用振動式球磨機使其破碎來碎裂細胞的方法。在所引用之實例中，使用稱為DISMEMBRATOR U之裝置來使少量細胞破碎。需要冷凍進料之任何方法將會是過度昂貴的。
美國專利5,374,522(其內容以引用的方式併入本文中)主張一種藉由在小珠粒存在下使用超音波能使微生物破裂之方法。美國專利申請案 2006/0084165(其內容以引用的方式併入本文中)描述一種使細胞或病毒碎裂之方法。該方法包含：將磁性珠粒添加至含有細胞或病毒之溶液中，振動磁性珠粒，且將雷射照射在磁性珠粒上以使該等細胞碎裂。再次，此等技術對於在大規模水產養殖系統(諸如，生產藻類生物燃料所需之系統)中實施而言為困難且昂貴的。
發明摘要
描述藉由研磨使微藻類細胞之水性分散液碎裂，繼以吸附氣泡分離來濃縮微藻類生物質之方法。微藻類細胞碎裂可藉由使微藻類與研磨介質在研磨裝置中親密接觸來實現。研磨裝置可為(例如)振動式研磨機、攪動式珠磨機(攪拌式介質磨碾機(stirred media mill))或含有研磨介質之音波腔室。經碎裂(「調理」)之微藻類懸浮液在饋入吸附氣泡分離裝置時產生濃縮之微藻類生物質流及耗乏微藻類生物質之流(「尾流」)。微藻類生物質流藉由離心、擠壓、萃取及/或乾燥經充分濃縮以供進一步加工。藉由本文所揭示之方法，可使來自生物反應器或開放式池塘生產之稀微藻類懸浮液經濟地濃縮以用於製造生物燃料或其他有用之產品。該方法亦可用於水純化或補救受到微藻類群體污染之天然水道。
1‧‧‧進料點
2‧‧‧驅動馬達
3‧‧‧偏心錘
4‧‧‧研磨/磨碾機排放口
5‧‧‧水平振動式研磨機或水平振動式磨碾機
6‧‧‧支撐框架
7‧‧‧彈簧
9‧‧‧研磨介質饋料
10‧‧‧進料點
11‧‧‧垂直振動式研磨機
12‧‧‧驅動馬達
13‧‧‧偏心錘
14‧‧‧彈簧
15‧‧‧研磨介質饋料
16‧‧‧排放點
17‧‧‧高速珠磨機
18‧‧‧進料點
19‧‧‧驅動馬達
20‧‧‧圓盤
21‧‧‧研磨介質
22‧‧‧排放點
圖1為本發明之方塊圖，其繪示用於調理微藻類進料分散液，繼以吸附氣泡分離之步驟。
圖2為水平振動式研磨機之一可能配置的正視圖。微藻類進料分散液進入水平振動式研磨機5之進料點1。該研磨機藉由具有安裝於馬達軸上之偏心錘3的驅動馬達2振動。將水平振動式研磨機5附接於安裝在彈簧7上之支撐框架6。偏心錘3之旋轉動作引起水平振動式研磨機5及支撐框架6振盪，因此使研磨介質饋料9振動，且衝擊微藻類且使其破裂。經調理之 微藻類分散液自研磨機排放口4離開。
圖3為水平振動式研磨機之一可能配置的側視圖。驅動馬達2及偏心錘3之安裝清楚地展示於此圖中。
圖4為垂直振動式研磨機之一可能配置的側視圖。藻類進料分散液進入垂直振動式研磨機11之進料點10。此垂直振動式研磨機藉由具有安裝於軸上之偏心錘13的驅動馬達12啟動。垂直振動式研磨機11安裝於彈簧14上。偏心錘13之旋轉動作引起垂直振動式研磨機11振盪，因此使研磨介質饋料15振動，且衝擊微藻類且使其破裂。經調理之水性微藻類分散液自排放點16離開研磨機。
圖5為高速珠磨機17之側視圖。微藻類進料分散液進入進料點18。驅動馬達19使圓盤20旋轉，其攪動研磨介質21且使進料分散液中所含之微藻類細胞破裂。該水性經調理之微藻類分散液自排放點22離開研磨機。
本發明之詳述
描述藉由研磨使微藻類細胞碎裂，繼以吸附氣泡分離來濃縮微藻類生物質之方法。在該等方法中，首先使水性微藻類進料分散液通過研磨機。微藻類進料分散液由載運液體及微藻類細胞組成。載運液體可為水、鹽水、海水、水溶液、微藻類之生長培養基或試劑或其任何組合。載運液體可含有此技術領域中所使用之氮、磷、鐵及其他肥料。微藻類進料分散液可直接自生長區域或自在其之前的方法供應。此生長區域可為天然或培養區域。微藻類可在開放式池塘或生物反應器中生長。天然存在或其他微藻類之水華可用作進料分散液之來源。一些方法可在生長區域內預先濃縮微藻類，因此減少待調理之體積，且因此減少成本。
微藻類可為希望自載運液體中分離之任何微藻類物種。此等物種包括(但不限於)項圈藻屬(Anabaena)、鐮形纖維藻(Ankistrodesmus falcatus)、 布朗葡萄藻(Botryococcus braunii)、纖細角毛藻(Chaetoceros gracilis)、萊茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)、普通細球藻(Chlorella vulgaris)、粉核細球藻(Chlorella pyrenoidosa)、海濱綠球藻(Chlorococcum littorale)、隱蔽小環藻(Cyclotella cryptica)、鹽生杜氏藻(Dunaliella salina)、第三杜氏藻(Dunaliella tertiolecta)、綠色杜氏藻(Dunaliella viridis)、纖細眼蟲(Euglena gracilis)、球等鞭金藻(Isochrysis galbana)、微綠球藻屬(Nannochloris)、鹽生微綠球藻(Nannochloropsis salina)、腐生舟形藻(Navicula saprophila)、Neochloris oleoabundans、光滑菱形藻(Nitzschia laevis)、奧巴菱形藻(Nitzschia alba)、普通菱形藻(Nitzschia communis)、穀皮菱形藻(Nitzschia paleacea)、小新月菱形藻(Nitzschia closterium)、顆石藻(Pleurochrysis carterae)、紫球藻(Porphyridium cruentum)、定鞭金藻屬(Prymnesium)、橢圓假絨毛囊藻(Pseudochoricystis ellipsoidea)、斜生柵藻(Scenedesmus obliquus)、四尾柵藻(Scenedesmus quadricauda)、急尖形柵藻(Scenedesmus acutus)、二形柵藻(Scenedesmus dimorphus)、肋骨條藻(Skeletonema costatum)、水綿屬(Spirogyra)、螺旋藻屬(Spirulina)、聚球藻屬(Synechoccus)、雙眉藻屬(Amphora)、脆桿藻屬(Fragilaria)、裂壺藻屬(Schizochytrium)、紅胞藻屬(Rhodomonas)及此等及其他微藻類物種之遺傳工程化變種。應瞭解，分離微藻類之一原因可為淨化載運液體而非生產微藻類生物質或除生產微藻類生物質之外亦可為淨化載運液體。
該方法中之初始步驟為藉由以機械方式使細胞破裂來調理微藻類。不希望束縛於理論，咸信細胞破裂暴露疏水性顆粒或表面，致使其適於藉由吸附氣泡分離方法收集及脫水。該方法之機械破裂方法不使用或引入化學物質至調理及收集過程中，其亦不需要加熱、冷卻或冷凍微藻類分散液。藉由此處之方法使微藻類破裂利用在磨蝕性研磨介質存在下之研磨技術。由於研磨之本質，存在許多允許精確研磨之控制參數。
研磨機通常用以減小固體物質之粒徑。此等類型之物質可在礦物至染料中之顏料、至化學固體及粉末的範圍內。微藻類細胞並不如礦物般堅硬，且因此使其破裂所需之能量相比之下較低。不同於粒徑通常廣泛變化之礦物漿料，微藻類細胞之實際尺寸(physical size)亦非常均勻。亦較佳僅使藻類體破裂而非崩解，此係因為較小顆粒不太有效由吸附氣泡分離方法捕獲。
在採礦工業中，礦石經研磨以自載運岩石釋放相關礦物。通常，其為大的轉筒，其中研磨介質在研磨機內提起及滾動。載運液體與礦石顆粒之漿料在圓筒之一端引入且流過以使得其受到翻滾及滾動之研磨介質饋料衝擊。在藉由該衝擊所傳遞的足夠破裂能量下之滯留時間及衝擊機率決定所發生之研磨程度。此等為高能量衝擊之低頻研磨裝置。此等裝置可用於加工大量通常在採礦應用中遇到之物質。在精細研磨之領域內，使用高頻(每分鐘數千次衝擊)低能量衝擊而非使用低頻高能量衝擊來執行研磨。在此研磨方法中，研磨介質之特徵、頻率、振幅及待研磨之物質之滯留時間均受到控制。在此等控制下，有可能避免過度研磨顆粒，過度研磨顆粒可使物質難以回收。
同樣，藉由精確控制，可藉由研磨介質之作用使微藻類細胞破裂而無過度細胞崩解，因此使得微藻類體具有疏水性，但足夠大以有效地由氣泡捕獲。以此方式，其可集中在氣泡上，且用吸附氣泡方法脫水。藉由介質研磨技術提供之精確控制避免過度研磨，過度研磨產生更難以回收之極小細胞內含物顆粒。未破裂之細胞亦可減至最少，此係因為若其在別處未破裂則可能代表損失。
數種研磨技術適於本文所述之調理步驟。其包括(但不限於)振動式研磨機、攪動式珠磨機、含有研磨介質之音波腔室及其組合。
攪動式珠磨機(攪拌式介質磨碾機)採用含有研磨介質之腔室及包括具有附接圓盤、刀片、銷、槳或螺旋葉片之馬達帶動轉軸之攪動器(攪拌 器)。轉軸可視確切研磨機設計而定以低至高速旋轉。研磨機在設計上可為水平或垂直式。此高能量研磨方法可分批或連續執行，但連續操作較佳。合適攪動式珠磨機之實例包括由以下廠商製造之彼等珠磨機：Netzsch,Selb,DE；Eiger Machinery Inc.,Grayslake,IL；Glen Mills Inc.,Clifton,NJ；Xstrada Technology(ISAMILLTM),Brisbane,Australia；及Metso Minerals Oy(VERTIMILLTM，攪拌式介質研磨機(Stirred Media Detritor Mill)),Helsinki,Finland。
本文描述用於微藻類細胞破裂之另一技術為振動式研磨。此研磨方法為節能的(energy efficient)，此係因為其使用諧波頻率使研磨機及其進料與研磨介質之饋料振動。振動式研磨機具有產生比球磨機或其他類似研磨機高得多的衝擊或研磨力的優點，球磨機或其他類似研磨機係基於藉由衝擊待研磨之物質之球或棒下落而產生的重力。振動式研磨機不受重力限制且大得多的衝擊力可由馬達帶動研磨室快速振動產生。更大及更頻繁的對物質之衝擊轉化為更快及更細之研磨。因為細胞破裂功效高，所以加工進料分散液所需之裝備的尺寸遠比利用馬達帶動轉子之系統小。
意外地，欲用於濕式研磨大的不規則固體微粒物質(諸如，礦物及金屬礦石)之大型振動式研磨系統可經改進以研磨極小微藻類之液體分散液。此外，藉由使用經設計以研磨固體礦石顆粒之裝備，意外地觀測到對藻類使用振動式研磨系統產生僅破裂之藻類而非完全崩解之藻類。因此，破裂微藻類之粒徑分布足夠均勻使得吸附氣泡分離為一種濃縮破裂細胞及細胞內含物之有效方法。此振動式研磨裝備之新穎用途藉由改進該裝備以容納更精細研磨介質及允許連續液體進料及液體產物收集而成為可能。自研磨介質分離經調理之微藻類分散液藉由一或多種方式實現。可使用篩網或過濾器來限制研磨機中之介質(如通常在固體研磨情況下所進行)，同時允許經調理之微藻類液體通過。不同於固體研磨，微藻類顆粒之比重接近 於載運液體之比重，而研磨介質重得多，因此可在振動式研磨機之出口使用垂直或向上傾向之排放管以使介質沈降及液體溢出。研磨機之此排放部分如此設計以使液體向上之流動比浮動或運走密度更高的研磨介質所需之流動慢。以此方式，介質固體沈降回研磨機中，而較低密度之經調理之微藻類產物自研磨機中排出。此等用於介質及液體產物分離之方法中之每一者或兩者可與本文所述之經改進振動式研磨機裝置一起使用。此外，可允許一些或所有介質自研磨機離開以在裝備之一或多個部件中分離且繼以再循環至研磨機之進料側。該分離裝備可為過濾器、沈降槽、流體旋風器、離心機及其類似物。
合適之大型振動式研磨機之實例及其製造商包括來自Sweco,Florence,KY之VIBRO-ENERGYTM研磨機；來自General Kinematics,Crystal Lake,IL之VIBRA-DRUMTM研磨機；來自Carrier Vibrating Equipment,Inc.,Louisville,KY之振動技術；及來自Micro Grinding Systems,Little Rock,Arkansas之振動式動能研磨機。
振動式研磨機可垂直或水平定向。在一典型水平設計中，含有研磨介質之一或多個管狀腔室經彈簧安裝於支撐框架上。具有偏心錘之馬達經附接以使得由旋轉該(等)錘所引起之振動轉移至研磨機及進料與研磨介質之饋料。研磨介質饋料之尺寸或量可改變以改變研磨特徵，但饋料通常可填充研磨機中腔室體積的一半。此外，可改變馬達速度及旋轉錘之質量以改變研磨機之運動。在一適當設計之操作中，研磨介質饋料繞管軸旋轉，爬上管的一側且落回管之底部。
垂直振動式研磨機通常為安裝在彈簧上之垂直圓筒，其由安裝至垂直圓筒之馬達及偏心錘啟動。在一適當設計之研磨機中，研磨介質饋料將以在圓筒中心下沉且在圓筒周邊上升之垂直方式循環。進料分散液可在底部進入，而經調理之分散液可自頂部移除，橫穿研磨機而因此橫穿振動研磨 介質饋料。振動式研磨機亦可經設計具有利用(例如)環形或螺旋形配置之腔室。
振動式研磨非常有效，此係因為其使用諧波頻率使研磨機及其進料與研磨介質之饋料振動。介質在振動式研磨機中之移動非常小，因此，高百分比之能量被轉換為研磨作用力。一旦運動產生器達至操作速度，則旋轉偏心錘之慣性極大地減小維持此速度所需之功率輸入。因此，所產生之每單位研磨產物需要極低能量輸入。因此，加工進料分散液所需之裝備尺寸遠比利用高速旋轉葉輪之系統小。在生產用於生物燃料應用之微藻類生物質中，使用低能量為必要的。
振動式研磨機中之振動可由動量裝置或以電力或聲學方式產生。研磨機之振動頻率可在每分鐘50次循環至每分鐘數千次循環之間變化。或者，可使用超音波來產生振動。
振動式研磨機包含充滿振動之固體研磨介質之腔室。該腔室可為任何形狀且可具有任何可接受之構造材料。合適之構造材料包括聚(氯乙烯)(「PVC」)、高密度聚乙烯(「HDPE」)、鋼、其他金屬、玻璃、陶瓷等。此外，腔室可襯有可替換耐磨材料，諸如(但不限於)HDPE、陶瓷、鋼或橡膠。
振動式研磨機可以分批或連續模式操作，但連續操作較佳。細胞破裂為細胞受研磨介質衝擊之機率的函數，且此為研磨介質之量及尺寸及細胞處於研磨機中之滯留時間的函數。對於連續操作而言，振動式研磨機中之滯留時間可藉由控制進入研磨機中之進料速率及腔室體積來改變。若以分批模式操作，則滯留時間為一批之操作時間的函數。
研磨介質為研磨機之力藉以傳至待研磨受質之物質。當介質移動時儲存在其中之動能在其碰撞受質時轉變為機械能。研磨介質可包含一或多種類型之固體，其包括(但不限於)砂、鹽、石英、金剛石或任何材料之珠 粒、球、棒或圓柱，該材料諸如(但不限於)玻璃、塑膠、陶瓷、石榴石、剛玉、二氧化矽、氧化鋁、氧化鋯(包括熔融氧化鋯、燒結矽酸鋯、高密度氧化鋯、經稀土金屬穩定之氧化鋯及經釔穩定之氧化鋯)、二氧化鈦、碳化鎢、碳化硼、瑪瑙、碳化矽、氮化矽、藍寶石、紅寶石、鋯石、鋼、鐵、磁性顆粒或被發現得以實現所需破裂程度之任何材料。研磨介質之粒徑可非常特定或在尺寸分布上變化。介質尺寸可在極小之140/230目(63-105微米)珠粒至大的30mm球之間變化。尺寸視待破裂之微藻類之特徵及所用研磨機之類型而定。作為一實例，矽藻(diatoms)比無細胞壁之微藻類硬，且因此可能需要不同研磨介質。鹽生杜氏藻具有細胞膜但無細胞壁，因此其容易碎裂。需要研磨介質以足夠使細胞破裂之能量衝擊該等細胞。研磨介質將摩擦其自身，且因此尺寸將減小，因此，除非週期性地替換整個研磨介質饋料，否則在任何給定時間研磨機內將存在一個範圍的尺寸。一旦研磨介質變得足夠小以通過篩網或由載運液體承載，則其將與排出物一起流出。
藉由本文揭示之研磨方法進行之微藻類細胞破裂產生經調理之微藻類分散液，該等分散液尤其適於藉由此技術領域中已知之吸附氣泡分離法濃縮。因為此等研磨方法及吸附氣泡分離方法可在高流動速率下執行，所以本發明適用於微藻類生物質之經濟生產。本發明利用用於吸附氣泡分離之裝置，一般稱為浮選池。
美國專利4,938,865及5,332,100(其每一者之全部內容以引用的方式併入本文中)揭示一種吸附氣泡分離方法及裝置(通常稱為「詹姆森池(Jameson cell)」)，其中水性-顆粒分散液進料進入垂直導管(下導管)之頂部且通過孔板以形成高速液體射流。當液體射流在下導管內衝擊泡沫管柱時，氣體(通常為引入至下導管頂部空間之空氣)分散至混合物中。下導管內之體積稱為收集區，其中大部分顆粒吸附至氣泡表面。所得氣-液-顆粒分散液經 由下導管之底部離開，進入分離區(豎板)，在分離區中氣泡與尾液(水及未吸附之物質)分離。在分離區中，氣-液-顆粒分散液具有足夠滯留時間以允許具有所收集之顆粒之微小氣泡合併(組合及擴大)且上升至液體表面，從而在泡沫區中形成富含顆粒之浮動泡沫。藉由使泡沫向外浮動至裝置之周邊來收集泡沫且泡沫溢至開放式流槽(收集槽)中。在此等專利中規定藉由將液體自上方引入泡沫上，因此產生淨向下液體流且將夾帶之脈石(無需之固體物質)及未吸附之顆粒自泡沫洗掉，將泡沫洗滌液併入泡沫區中。此洗滌液產生純的泡沫，而因此更具選擇性地分離。用於微藻類濃縮之詹姆森浮選池之效用揭示於美國專利5,776,349及5,951,875(其全部內容以引用的方式併入本文中)中。在此先前技術中，微藻類分散液藉由使用高壓泵來破裂。
在管柱浮選池，諸如MICROCELTM，美國專利4,981,582及5,167,798；德斯特管柱池(Deister Column Cell)，美國專利5,078,921；及多級環-流浮選(MSTLFLO)管柱，美國專利5,897,772(每一者之全部內容以引用的方式併入本文中)中，收集區、分離區及泡沫區及泡沫洗滌液在高圓筒形貯槽中組合，該貯槽不夠有效且建構更昂貴。在此等管柱浮選池中，管柱頂部之泡沫溢入環繞管柱之外部流槽中。
機械浮選池通常採用轉子及定子機構來誘發氣體、產生氣泡及使液體循環，因此使氣泡及顆粒碰撞。容器高度與直徑之比率(稱為「縱橫比」)通常在約0.7至2之間變化。通常，四個或四個以上各自具有在中心安裝之轉子及定子機構的池串聯排列。將液體-顆粒分散液饋入池中且經由空心軸攪動器將空氣吸入池中。藉由旋轉葉輪將氣流打破，以便小氣泡自葉輪葉片之末端放出。輔助鼓風機亦可用以提供足夠氣流至池中。升高氣泡以及附著之顆粒在液體表面之頂部上形成泡沫層。泡沫層自頂部溢出或以機械方式自頂部撇去。未漂浮之組份自池之底部收回。機械浮選池常用於礦物 加工系統中，然而，其具有大空間要求及高功率消耗之缺點。
舉例而言，美國專利4,425,232及4,800,017(其全部內容以引用的方式併入本文中)描述利用浮選池之機械浮選分離，該浮選池裝備有浸入漿料中之轉子-定子總成且在該浮選池中轉子葉片攪動漿料，從而充分混合固體及液體，且將空氣引入混合物中以便充氣且在液體表面上產生泡沫。礦物顆粒附著於天然漂浮且形成泡沫之載體氣泡，此為礦物回收之有效機制。將漂浮泡沫與附著之礦物顆粒一起自漿料之頂部移除，當泡沫塌縮及脫水時回收礦物顆粒。
本發明揭示之方法可應用於微藻類水產養殖以及可能出現在海洋、湖泊或其他水道上之天然存在之藻類水華。出現在海洋上之藻類水華之實例包括(但不限於)產生紅潮之微藻類。
藉助於以下例示性實施例，進一步描述微藻類調理及濃縮之方法。
實施例
實施例1：使用振動式研磨機之連續微藻類破裂。
使用水平及垂直振動式研磨機兩者執行一系列測試。該等研磨機由0.5吋、0.75吋及1吋管之PVC管建構。長度在12吋至18吋之間變化以改變滯留時間。使用變速齒輪泵來將水性微藻類分散液饋入研磨機。進料速率在每分鐘100mL至每分鐘300mL之間變化，以便亦改變滯留時間。所使用之微藻類物種為鹽生杜氏藻，且進料群體數目在每毫升110,000至240,000個細胞之間變化。水平配置類似於圖2及圖3。驅動偏心錘之1/40馬力馬達之速度可在200RPM至5,000RPM之間變化。偏心錘在20公克至70公克之間變化。使用30粗砂之矽砂作為研磨介質。
進料分散液進入管之一末端，且當其行進管之長度時，經受振動饋料及落下運動之混合。經加工之進料分散液自管之另一末端離開。作為功效之一實例，30秒之滯留時間以及每分鐘5,000次循環之振動頻率產生對研磨 機內所含之研磨介質之每一顆粒2,500次衝擊。
使用血球計及顯微鏡在進料進入管及自管排出時獲得微藻類細胞數。在此系列測試中，在單程(single pass)中細胞破裂在11%至43%之間變化。在管內之滯留時間在7.5秒至54秒之間變化。雖然可能存在大量變數，但進料速率及研磨機直徑在改變微藻類破裂率中最具影響。此等結果(表1)表明在最佳之滯留時間下執行之振動式珠磨機可實現所需細胞破裂功效。破裂之微藻類分散液在泡沫浮選池中藉由吸附氣泡分離有效濃縮。
實施例2：使用攪動式珠磨機之連續微藻類破裂。
利用圖5之轉子-定子設計的研磨機係使用14個直徑為7.25吋(18cm)、厚3/8吋(0.95cm)的聚丙烯圓盤建構。圓盤在轉子上以1.5吋(3.8cm)之間隔隔開。研磨機室係由內徑為8吋(20cm)以及完工長度為40吋(102cm)的Schedule-40 PVC管建構。向研磨室中饋入4.5kg研磨介質(#6玻璃珠，50/70目，210-297微米)，從而給予其9.2公升之有效液體體積。藉由 電動馬達在200RPM下旋轉圓盤。所使用之微藻類物種為鹽生杜氏藻，且進料群體數目在每毫升460,000至650,000個細胞之間變化。結果(表2)表明在最佳之滯留時間下執行之攪動式珠磨機可實現吸附氣泡分離需要之所需細胞破裂程度。
實施例3：使用振動式珠磨機之分批微藻類研磨。
此實施例展示珠粒尺寸在振動式珠磨機研磨微藻類中之作用。向15mL塑膠測試管中添加3mL玻璃珠以及6mL水性鹽水鹽生杜氏藻微藻類培養物。培養物之初始細胞數為每毫升1,540,000個細胞。將管蓋上且在旋渦混合器上在高設置下振動一段時間，繼以計數細胞以評估細胞破裂。細胞數對時間之結果概述於表3中。在珠粒不存在之情況下未發生細胞破裂。關於珠粒尺寸之資料在表4中給出。此實施例展示在此等條件下為微藻類之更快研磨使用較小珠粒之優勢。
實施例4：使用振動式研磨機之分批微藻類研磨。
此實施例展示使用¼ HP運動產生器及30°導程角的SWECO M18/5多室低振幅Vibro-Energy研磨機之效用。向一品脫(pint)(473ml)腔室中添加910公克乾燥玻璃珠粒及指定量之水性鹽水鹽生杜氏藻微藻類培養物。細胞數對時間之結果概述於表5中。
實施例5：經調理之微藻類分散液之泡沫浮選。
如實施例2中所述，在攪動式珠磨機中加工含有0.02%鹽生杜氏藻分散液之鹽水以使細胞破裂，繼以在詹姆森浮選池中處理。詹姆森池之下導管直徑與孔直徑之比率為8.6且總池直徑與下導管直徑之比率為5。池Jg為0.44cm/sec。射流速度為21.5m/sec。下導管表面速度為0.20m/sec，且下導管滯留時間為15.1sec。空氣與進料之比率為0.52。在不含氣體之基礎上，泡沫中藻類細胞產物之分數為0.4%。
收集在操作期間產生之泡沫且在同一詹姆森池中對其再加工以進一步濃縮疏水性物質。池Jg為0.29cm/sec。射流速度為11.9m/sec。下導管表面速度為0.14m/sec，且下導管滯留時間為21.7sec。空氣與進料之比率為0.49。在不含氣體之基礎上，泡沫中藻類細胞產物之分數為8.3%。

Claims (5)

  1. 一種連續方法，其包含：a.提供包含載運液體和杜氏藻屬(Dunaliella)微藻類細胞之微藻類進料分散液，b.在固體顆粒存在下攪動該分散液以瓦解該杜氏藻屬微藻類細胞的細胞膜並形成包含疏水性微藻類體之經調理之微藻類漿料，c.用吸附氣泡分離方法處理該經調理之微藻類漿料以形成富含藻類生物質之流及耗乏藻類生物質之流。
  2. 如申請專利範圍第1項之連續方法，其中杜氏藻屬微藻類細胞包含鹽生杜氏藻(Dunaliella salina)。
  3. 如申請專利範圍第1項之連續方法，其中攪動步驟係在攪動的珠磨機中進行。
  4. 如申請專利範圍第1項之連續方法，其中該吸附氣泡分離方法包含泡沫浮選。
  5. 如申請專利範圍第4項之連續方法，其中該泡沫浮選係在詹姆森池(Jameson cell)中執行。
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