TW201538465A

TW201538465A - 使用水生植物之乙醇生產、用途及廢料回收技術

Info

Publication number: TW201538465A
Application number: TW104105824A
Authority: TW
Inventors: Tony A Hagen; Cecil Massie; Nicolas Hagen
Original assignee: Aquatech Bioenergy LLC
Priority date: 2014-02-24
Filing date: 2015-02-24
Publication date: 2015-10-16

Abstract

本揭露內容之實施例有關於使用水生植物用於乙醇生產、用途及廢料回收的系統及方法。在某些實施例中，系統與方法係揭露的，用於再利用及進一步加工廢棄醇類、糖類、有機酸及/或由轉換玉米、其它穀物，或其它在生質燃料生產方法中有用的生物料材料所產生之副產物。

Description

使用水生植物之乙醇生產、用途及廢料回收技術

PRIORITY

本國際申請案根據35 USC § 119(e)主張2014年2月24日提申之美國專利臨時申請案第61/943,943號之利益。

發明領域

本揭露內容之實施例有關於使用水生植物用於乙醇生產、用途及廢料回收之系統與方法。在某些實施例中，系統與方法係揭露的，用於再利用及進一步加工廢棄醇類、糖類、有機酸及/或由轉換玉米、其它穀物，或其它在生質燃料生產方法中有用的生物料材料所產生之副產物。

發明背景

現今的乙醇生產製程主要依賴直接轉換生物料來源成乙醇。在基於穀類的乙醇生產中，舉例而言，穀物諸如玉米係機械、熱及/或化學加工，且從該加工過之穀物萃取的一分餾物係放置在含有微生物的發酵槽中。該經發酵的萃取物然後係蒸餾，以為了產生生質燃料及/或用於其它用途的經加工生物料。

這些常規乙醇或酒精生產方法的某些缺點可以包括高的原料(例如，穀物)消耗、大的副產物產生、及過量的水與能源消耗。相應地，常規乙醇或酒精生產方法之替代係已尋求的。

發明概要

本揭露內容提供使用水生植物，用於生產乙醇，使用包括乙醇之有機化合物，並從這些製程之廢料中回收有用產物的系統及方法。在某些實施例中，於此揭露之方法係使用以產生在各式各樣應用中有用的高等級或純等級之乙醇。在其它實施例中，由作物，舉例而言，纖維素生物料作物諸如玉米作物產生生物料，生成乙醇所產生的廢料或廢棄醇(諸如乙醇)係收穫且進一步用於進料及/或進一步處理，以降低此種作物的廢料產生。

已知產生乙醇的其它作物包括，但不限於，各式各樣原料，諸如甘蔗、甘蔗渣、芒、甜菜、高粱、穀物、柳枝稷、大麥、麻、洋麻、馬鈴薯、地瓜、樹薯、向日葵、水果、糖蜜、玉米、蒿桿、穀物、小麥、稻草、棉花、其它生物料、以及多種類型的纖維素廢料及收成。

根據本揭露內容之一示範性實施例，用於生產乙醇之一系統係提供。該系統包括一容器；在該容器中之一基體；至少一入水口到該容器，以遞送水至該容器；至少一二氧化碳入口到該容器，該至少一二氧化碳入口與一相鄰設施(例如，工業工廠或燃燒設施)連通，以從該設施接收二氧化碳；至少一水生植物其具有固著至該基體的根部，該至少一水生植物執行代謝光合作用過程以轉換來自該設施之二氧化碳為葡萄糖，及一代謝發酵作用過程以轉換該葡萄糖為乙醇；及從該容器之至少一出口，以從該容器移除水及乙醇。

根據本揭露內容之另一示範性實施例，用於生產乙醇之另一系統係提供。該系統包括一容器；在該容器中之一基體；至少一入水口到該容器，以遞送水至該容器；至少一碳入口到該容器，該至少一碳入口與一相鄰設施連通，以從該相鄰設施接收一廢棄碳物料；至少一水生植物其具有固著至該基體的根部，該至少一水生植物轉換該廢棄碳物料為葡萄糖，並轉換該葡萄糖為乙醇；及從該容器之至少一出口，以從該容器移除水及乙醇。

根據本揭露內容之又一示範性實施例，用於生產乙醇之一額外系統係提供。該系統包括一容器；在該容器中之一基體，該基體包含至少一細長塑膠材料，其在該容器中不規則地排列以界定數個空間；至少一水生植物其固著至該基體中之數個空間內；至少一入水口到該容器，以遞送水至該容器；從該容器之至少一出水口，以從該容器移除水及乙醇。

在其它實施例中，在上文提及系統中有用的廢棄二氧化碳可以衍自於垃圾填埋場、廢水設施、水泥設施、或來自煤生產的合成氣或天然產生的二氧化碳。

100‧‧‧系統

102、102A、102B‧‧‧容器

104‧‧‧水或水組成物

106‧‧‧水生植物

108、108A、108B‧‧‧基體

109A、109B‧‧‧孔洞

110‧‧‧蓋子

112‧‧‧絕緣材料

120‧‧‧第一區域

122‧‧‧第二區域

124‧‧‧第三區域

126‧‧‧邊界

130、160‧‧‧二氧化碳氣體入口

132‧‧‧氧氣出口

140、150‧‧‧入水口

142‧‧‧出水口

144‧‧‧好氧水源

146、154‧‧‧厭氧水源

152‧‧‧乙醇-水出口

158‧‧‧乙醇分離器械

162‧‧‧水性二氧化碳入口

164‧‧‧碳酸入口

166‧‧‧碳酸氫鹽或碳酸鹽入口

168‧‧‧有機或無機碳物質入口

200‧‧‧燃燒設施

202‧‧‧煙道

204‧‧‧分離器

206‧‧‧反應器

300‧‧‧乙醇設施

本揭露內容之上述及其它特徵與優勢，及成就它們的方式，將變得更為明顯，且本發明本身藉由參照至，但不受限於，結合該等附圖之本發明實施例的下列說明將變成更好理解地，其中：圖1係為用於培養並從水生植物生產乙醇之系統的示意圖；圖2係為圖1系統與相鄰燃燒設施連通之一示意圖；圖3係為圖1系統與相鄰第一代乙醇設施連通之一示意圖；以及圖4A及4B顯示在於此揭露之某些實施例中以及在圖1系統中使用的示範性基體。

相應的參考符號貫穿該數個視圖表示相應的部件。於此陳述之該等範例例示本發明之示範性實施例，且此種範例不被解釋為以任何方式限制本發明之發明範圍。

較佳實施例之詳細說明系統概覽

圖1提供了一系統100，用於培養並從水生植物106生產乙醇。系統100包括一或多個容器102。每一容器102持有水或水組成物104、一或多個水生植物106、及配置以固著並支持水生植物106根生長的基體108。

每一容器102之形狀、尺寸及配置可能取決於系統100中所使用的水生植物106之數量與類型(等)及周圍環境而變化。舉例而言，容器102之深度可能經選擇以促進系統100中所使用之該(等)特定類型水生植物106之生長。其應理解的是，容器102可能被縮放，以適應可用的材料、設備及空間。在一些事例中，每一容器102之深度可以範圍從約10cm至約20m(例如，10cm至100cm、50cm至1m、100cm至1m、500cm至3m、1m至5m、4m至10m、5m至7m、5m至10m、或10m至20m)。

容器102可能以任何適合的水密材料構建或內襯的，以防止流體及氣體從容器102滲漏。適合的材料包括但不限於，混凝土、塑料、橡膠、金屬、玻璃、玻璃纖維、土填充護堤(earth-filled berm)、或之類。

在容器102中使用的水104類型可能變化的。舉例而言，水或水組成物104可能包括淡水、鹹水、廢水與半鹹水。在某些實施例中，水104可能為從另一設施獲得之廢水，諸如一食品加工設施。水104可能包括溶解的氣體及營養物。

容器102中所使用之該水生植物106可能為選自於任何數量的水生植物，其中該等水生植物容易生活在一水生環境中或上，諸如直接在水中或在永久性飽和土壤中，且其在於此描述之該等條件下分泌乙醇。示範性水生植物106包括來自眼子菜(Potamogeton)科(例如，龍鬚草(Potamogeton pectinatus)、亦知悉為篦齒眼子菜(Stuckenia pectinata)或西米眼子菜(Sago pondweed))、水蕹科、或之類的沉水草本。舉例而言，能夠使用來自生質燃料生產設施廢料，諸如生物料廢料或乙醇氣體，供進一步使用及/或加工的任何沉水植物係於此考量的。

取決於各種因素，包括(但不限於)環境類型及/或系統100使用的水類型，其它適合的水生植物可能包括，舉例而言，藻類、沉水草本諸如但不限於，鞘葉眼子菜(Stuckenia vaginata)、細葉眼子菜(Stuckenia filiformis)、馬藻(Potamogeton crispus)、異匙葉藻(Potamogeton distintcus)、節藻(Potamogeton nodosus)、川蔓藻(Ruppia maitima)、聚藻(Myriophyllum spicatum)、水王孫(Hydrilla verticillata)、水蘊草(Elodea densa)、杉葉藻(Hippuris vulgaris)、小囊泡浪草(Aponogeton boivinianus)、縐邊硬葉浪草(Aponogeton rigidifolius)、長皺邊草(Aponogeton longiplumulosus)、牛頓草(Didiplis diandra)、新加坡莫絲(Vesicularia dubyana)、小柳(Hygrophilia augustifolia)、大珍珠草(Micranthemum umbrosum)、長艾克草(Eichhornia azurea)、蜥尾草(Saururus cernuus)、舌頭椒草(Cryptocoryne lingua)、北極杉(Hydrotriche hottoniiflora)、新百葉草(Eustralis stellata)、紅水蘭(Vallisneria rubra)、長葉細柳(Hygrophila salicifolia)、泰國水劍(Cyperus helferi)、培茜椒草(Cryptocoryne petchii)、美國水蘭(Vallisneria americana)、透塔水蘭(Vallisneria torta)、北極杉(Hydrotriche hottoniiflora)、肉葉草(Crassula helmsii)、寶塔(Limnophila sessiliflora)、穿葉眼子菜(Potamogeton perfoliatus)、紅松尾(Rotala wallichii)、貝克椒草(Cryptocoryne becketii)、中簀藻(Blyxa aubertii)、及水羅蘭(Hygrophila difformmis)、浮萍諸如，但不限於，紫萍(Spirodela polyrrhiza)、無根萍(Wolffia globosa)、品萍(Lemna trisulca)、膨脹青萍(Lemna gibba)、青萍(Lemna minor)及斑萍(Lemna punctata)、水芙蓉，諸如但不限於大萍(Pistia stratiotes)，毛茛，諸如但不限於毛茛屬(Ranunculus)，水花生，諸如但不限於鬼菱(Trapa natans)與紅菱(Trapa bicornis)，睡蓮，諸如齒葉夜睡蓮(Nymphaea lotus)、睡蓮科(Nymphaeaceae)與蓮科(Nelumbonaceae)，鳳眼蓮，諸如但不限於布袋蓮(Eichhornia crassipes)、黑木厥(Bolbitis heudelotii)及穗蓴屬(Cabomba)，及海草，諸如但不限於小竹葉(Heterantheta zosterifolia)、波喜盪草科(Posidoniaceae)、甘藻科(Zosteraceae)、水鱉科(Hydrocharitaceae)及絲粉藻科(Cymodoceaceae)，及此等植物之雜交種。再者，在各種實施例之一者中，一寄主藻類可能選自由綠藻、紅藻、褐藻、矽藻、海生藻類、淡水藻類、單細胞藻類、多細胞藻類、海草、耐寒藻株、耐熱藻株、耐乙醇藻株及其組合所組成之該群組。

該水生植物106可能以任何常規方式獲得並放置在容器102中。舉例而言，該水生植物106可能從湖泊或池塘採集，在持有槽中生長，或直接在容器102中生長。在一些實施例中，該水生植物106係為非基因修飾植物。在其它實施例中，該水生植物106係為基因修飾植物。基因修飾可能包括但不限於，納入一轉基因或上調或下調一標靶基因其賦予對害蟲之抗性、對農藥或除草劑之抗性、熱耐受性、冷耐受性、改良的生質燃料加工(例如乙醇生產)、改良的生質燃料生產、及/或對高濃度植物副產物(例如，乙醇或其它生質燃料)之耐受性。

容器102可能包括一蓋子110，如圖1中所顯示。蓋子110可能用作為一光屏障，其控制光合作用誘導光通行至容器102中之該水生植物106。在某些實施例中，蓋子110可能為選擇性地施加到容器102，以阻斷光合作用誘導光通行至容器102內，且從容器102移除，以允許光合作用誘導光通行至容器102內。在其它實施例中，蓋子110可能為永久性施加至容器102，以阻斷天然光合作用誘導光(例如，太陽光)通行至容器102內。在此實施例中，人造光源(未顯示的)可能於蓋子110下方提供，以選擇性地提供光合作用誘導光至容器102。基於本揭露內容，其應理解的是，蓋子110可以，但不要求，抑制所有的光到達該系統之一植物。更確切地說，蓋子110可能僅於將誘導該系統之植物中之光合作用的一波長或強度抑制光。舉例而言，蓋子110可以為一過濾器，其僅允許不誘導光合作用的波長通過。誘導光合作用的波長例子包括從約380nm至約710nm之波長。取決於該所使用的植物，誘導光合作用的波長範圍可以更寬或更窄的，但可以使用已知的方法確定。在一實施例中，一密封屏障與該蓋子110可以構成可能或可能不能分離的一單一結構。

蓋子110亦可能充當一空氣屏障，其控制空氣從周圍大氣至容器102中該水生植物106的通行，特別是氧氣與二氧化碳。在其它實施例中，一分別的空氣屏障(未顯示)可能提供的。

光合作用誘導光至容器102中該水生植物106的通行亦可能藉由加入一光還原染料至水104而控制。該染料可能允許表面光行進通過水104之上部或淺部(例如，距表面約2-6英吋)，但可能防止光行進通過水104之下部或深部(例如，距表面超過約6英吋)。此種染料可能防止或降低容器102中藻類生長及其它非所欲物料之生長。

容器102中水104之溫度可能經控制的。舉例而言，容器102中之水104可能維持在約50℉至約85℉之一溫度。在圖1中，容器102係至少部分由一絕緣材料112所環繞。在容器102係部分或全部埋在地下的實施例中，該絕緣材料112可能包括周圍的土壤。其它適合的絕緣材料112包括泡體、玻璃纖維、抗穿刺地工織物纖維或墊襯、水、超吸收性聚合物珠粒、充滿空氣的管子、及之類。在某些實施例中，容器102可能為不均勻絕緣的。舉例而言，該絕緣材料112之下部部分可能具有一不同的熱阻(R值)，較諸於該絕緣材料112的上部部分而言。

容器102可能包括數個區帶或區域。在圖1之例示實施例中，容器102包括一第一區域120其包括水104上方之一主要為氣態的頂部空間，一第二區域122其包括在好氧(意即，充氧的)條件與厭氧(意即貧氧的)條件間交替的水104之上部部分，及一第三區域124其包括一般維持一厭氧條件的水104之下部部分。水生植物106之根部(例如，塊莖，根莖)與基體108可能主要或完全位於容器102之第三區域124。水生植物106之莖部與葉部可能向上延伸到容器102之第二區域122。基體108可以經壓印、雕刻、或切開，用於提高表面積。

容器102可能包括各種形式的細菌與真菌，以推動水生植物106的代謝過程。該細菌與真菌可能為好氧或厭氧的，取決於周圍水104之條件。舉例而言，因為基體108係位於圖1中容器102之該厭氧第三區域124中，基體108可能接種厭氧細菌及真菌。

容器102之第一區域120、第二區域122及第三區域124的物理與化學特性可能獨立地且清楚地控制。舉例而言，容器102之第一區域120、第二區域122及第三區域124每一者之組成物、溫度、pH、氧化/還原電位(ORP)、離子濃度、導電性、細菌含量、溶解的礦物料含量、及/或溶解的氣體含量可能獨立地且清楚地控制，舉例而言，以最佳化對該植物的條件。

一邊界126可能設置於該第二區域122與該第三區域124間，以防止水104之混合，並維持第二區域122與第三區域124間不同的條件。在某些實施例中，邊界126可能藉由在該二區域122中提供較諸第三區域126中之水104一較低密度的水104而實現，諸如藉由變化水104的溶解礦物料含量、鹽度、及/或溫度。舉例而言，在第二區域122與第三區域124中之水104之間一約4-6華氏度的溫度差可能足以維持該兩區域間的邊界126。在另一實施例中，邊界126可能藉由在該第二區域122與第三區域124間提供一物理屏障而實現。該屏障可能為多孔的，以允許水生植物106能穿過其中生長，或可能為一能夠移除的固體材料。適合的屏障可能包括黏性液體(例如，明膠、蠟、碳水化合物溶液)、機織布或不織布、紙、塑料或尼龍篩、塑料基質、及之類。

如下文進一步討論，系統100可能包括與容器102之區域120、122、124連通的各種入口與出口，以控制物料到容器102或從容器102的流動。除了圖1中所顯示的入口與出口外，系統100可能還包括泵、流動控制閥、熱交換器、過濾器、儲存單元及其它設備，以推動物料到容器102或從容器102的流動，及/或允許容易收集。

容器102之第一區域120例示性地包括一二氧化碳氣體入口130與一氧氣出口132。從該氧氣出口132移除的富含氧氣體可能被純化、儲存及/或針對使用分佈的，諸如至一燃燒系統及/或漁業系統。根據本揭露內容之一示範性實施例，且進一步參照圖2於下文討論，來自氧氣出口132的富含氧氣體可能供應至一燃燒設施200，而來自該燃燒設施200的二氧化碳煙道氣可能返回至系統100。

容器102之第二區域122例示性地包括一入水口140與一出水口142，以循環水通過容器102。該入水口140係選擇性地與一好氧水源144及一厭氧水源146連通，以如所欲的供應好氧水或厭氧水至容器102的第二區域122。該出水口142亦與該好氧水源144及厭氧水源146選擇性地連通，以從容器102之第二區域122移除水並將水返回至適當的好氧水源144或厭氧水源146。在重新引入任何水回容器102之前，該水可能使用紫外線、抗生素及/或除藻劑處理，舉例而言。還有，該水可能經加工以添加或移除氧，如所欲的。舉例而言，氧氣可能注入至返回到好氧水源144的水內，而氧氣可能從返回到厭氧水源146的水中移除。進一步，該水可能通過一過濾裝置預過濾。

容器102之第三區域124例示性地包括一入水口150及一乙醇-水出口152。該入水口150係與一厭氧水源154連通，以供應厭氧水至容器102的第三區域124。在某些實施例中，至第三區域124之該厭氧水源154可能相同於至該第二區域122的厭氧水源146。亦在本揭露內容之發明範圍內的是，至第三區域124之該入水口150可能在一交替方式中與一好氧水源連通的(未顯示)，像至第二區域122的入水口140。該乙醇-水出口152係與一乙醇分離器械158(圖1)連通，以使用蒸餾、冷凝、過濾、吸收、或其它分離技術從水中分離乙醇。該經分離的水可能引導至厭氧水源154並返回到容器102之第三區域124。該經分離的乙醇可能被純化、儲存、及/或針對使用分佈。

容器102之第二區域122及/或第三區域124可能還包括一或多個下列的碳入口，以供應所欲的碳量及碳形式至水104，用於讓水生植物106使用：一二氧化碳氣體入口160、一水性二氧化碳入口162、一碳酸入口164、一碳酸氫鹽或碳酸鹽入口166、及一有機或無機碳物質入口168(圖 1)。其亦理解的是，二氧化碳氣體可能從容器102之氣體頂部空間或第一區域120進入水104。

該等碳入口160、162、164、166、168可能配置以引入碳到容器102，適當的以氣體、液體溶液或固體粉末。該二氧化碳氣體入口160，舉例而言，可能配置以氣泡注入二氧化碳氣體至容器102中之水104內。

二氧化碳在水中104具有有限的溶解度，因此，使用其它碳入口(諸如碳酸入口164、碳酸氫鹽或碳酸鹽入口166、及/或有機或無機碳物質入口168)可能使在水104中更多可利用的碳由水生植物106所使用。根據本揭露內容之一示範性實施例，水104中的碳酸鹽濃度可能維持於每升約5毫莫耳(mmol/L)、約10mmol/L、或約15mmol/L或之上。

關於系統100的額外資訊係揭露於Hagen之美國專利申請公開案第2013/0071902號，該者之揭露內容係以其整體明確地併入於此以作為參考。

代謝過程

一旦在容器102中建立，水生植物106進行各種代謝過程，包括光合作用、呼吸作用與發酵作用。這些代謝過程每一者係於下文進一步討論。

在光合作用期間，水生植物106消耗二氧化碳(CO₂)並產生氧氣(O₂)與碳水化合物，具體地葡萄糖(C₆H₁₂O₆)，如下方反應(1)所顯示。光合作用一般發生在光與氧的存在下，且係為一種好氧代謝過程。光合作用對水生植物106係為一能量收集與儲存過程。

6CO₂+6H₂O → 6O₂+C₆H₁₂O₆ (1)

光合作用在系統100中可能藉由允許光合作用誘導光到達該水生植物106及/或藉由提供好氧(意即，充氧的)水104到水生植物106而推動的。在圖1中，舉例而言，蓋子110可能從容器102移除，以曝露水生植物106至天然或人造光，且好氧水可能自該好氧水源144引導到至少容器102的第二區域122。關於推動光合作用之方法與系統的額外資訊係揭露於Hagen之美國專利申請公開案第2011/0086400號中，該者之揭露內容係以其整體明確地併入於此以作為參考。

在呼吸作用期間，水生植物106消耗來自光合作用的氧(O₂)與葡萄糖(C₆H₁₂O₆)，並產生二氧化碳(CO₂)，如下方反應(2)所顯示。

6O₂+C₆H₁₂O₆ → 6CO₂+6H₂O (2)

呼吸作用係為光合作用的相反。在自然界中，光合作用一般發生在白晝時間，藉由水生植物106衍自太陽光或其它光源的能量，而呼吸作用一般在夜晚時間發生，藉由水生植物106衍自儲存碳水化合物的能量。取決於進行呼吸作用所花費的時間、系統100中所使用的水生植物106之特定類型(等)、及其它因素，水生植物106在一天的過程中於呼吸作用期間可能消耗從光合作用產生之葡萄糖的約40%、50%、或60%。在一些事例中，光可以在其強度等於或高於該光補償點(LCP)上加入，該者可能防止光合作用速率中之任何顯著提高。

在發酵作用期間，水生植物106代謝所儲存的葡萄糖(C₆H₁₂O₆)成乙醇(C₂H₅OH)，如下方反應(3)所顯示。在一些事例中，減小pH值可以造成從乙酸-乙醇發酵至乳酸-乙醇發酵的偏移。該水生植物106亦可能在發酵作用期間伸長，以形成細胞室，用於儲存後續光合作用期間生成的額外碳水化合物。發酵作用一般發生在一黑暗及厭氧環境，且係為一種厭氧代謝過程。

C₆H₁₂O₆ → 2CO₂+2C₂H₅OH (3)

如於此所使用，一“厭氧”環境具有誘導該水生植物106進入或維持厭氧代謝發酵作用過程之一氧氣耗盡水平。因此，一“厭氧”環境可能為在水生植物106中足以降低或維持一胞內氧氣水平，以推動一厭氧代謝發酵作用過程。其應理解的是，術語“厭氧”不一定表示在水104中完全不存在氧，因為一非常小量的氧可能會溶解在水104中。

在系統100中，發酵作用可能藉由抑制光合作用誘導光到達水生植物106，及/或藉由提供厭氧(意即貧氧)水104至該水生植物106而推動。在圖1中，舉例而言，蓋子110可能施加至容器102以阻斷或抑制不想要的光合作用誘導光到達該水生植物106，且厭氧水可能從該厭氧水源146引導到容器102之第二區域122。厭氧水亦可能從該厭氧水源154引導到容器102之第三區域124。除了抑制光合作用誘導光進入容器102之外，蓋子110亦可能抑制不想要的氧氣從周圍的空氣進入容器102中的水104。剝奪容器102之光可能壓制或防止光合作用，而剝奪容器102之氧氣可能壓制或防止呼吸作用。

可選地或額外地，消耗氧氣與糖類且同時產生二氧化碳的氧還原添加劑諸如玉米、酵母、細菌(例如，基因改變的細菌及/或能夠發酵的細菌)、或酵素，可能加至小室(cell)以耗盡該氧水平。為了促進氧氣水平的耗盡，一二級碳水化合物源，譬如玉米、糖蜜、小麥或其它的糖來源，可能加入到水由該等氧還原添加劑所使用。該二級碳水化合物源可能隨著酵母加入，以造成足夠強的反應，以從該系統移除顯著量的氧。氧還原之一好處可能為由該氧還原添加劑的額外乙醇生產。

水中缺乏充足的氧氣推動在該水生植物中的厭氧過程，造成它們代謝碳水化合物並產生乙醇。乙醇的生產可能藉由引入化學催化劑與CO₂進一步鼓勵的。適合的化學催化劑包括乙酸及2,4-二氯苯氧乙酸(一般稱為2,4-D)。CO2可能為從廢料來源獲得，諸如電力設施與石油精煉廠。額外營養物與鹽類，諸如鉀、氮與磷鹽可能進一步添加，以促進水生植物的生長。進一步，取決於所利用的水生植物物種，有機基體，包括但不限於諸如蔗糖、葡萄糖與乙酸鹽那些者，亦可能加入到小室。關於推動發酵作用之方法與系統的額外資訊係揭露於上文併入的美國專利申請公開案第2011/0086400號。

根據本揭露內容之一實施例，系統100可能鼓勵在容器102中的水生植物106隨著時間推移在光合作用與發酵作用間反復交替的，如上文併入之美國專利申請公開案第2011/0086400號所揭露般。舉例而言，經過數天或數週在容器102中的推動發酵作用，系統100的條件可能交替至開始推動容器102中的光合作用。然後，經過數天或數週在容器102中的推動光合作用，系統100的條件可能再次交替返回到推動在容器102中的發酵作用。如上文所討論，推動光合作用可能涉及從容器102移除蓋子110及/或引導好氧水至容器102的第二區域122內，而推動發酵作用可能涉及從容器移除蓋子110及/或引導厭氧水進入容器102的第二區域122。這個交替過程創造了一自維持循環，由於植物生長補充植物衰老這兩種植物物質的損失，且這些植物不再滿足乙醇建立的乙醇生產耐受性。

用於調控光合作用誘導光到達該水生植物之各種手段(例如選擇性阻斷/允許)可能被利用。此種手段包括，譬如，屏障、蓋子、圓頂或其它包體結構，其至少在厭氧過程期間充當一光屏障。前述這些屏障、蓋子……等等，可能為可移除的，當其係不再希望維持該水生植物在厭氧條件中時。在一實施例中，該小室係藉由人類可見光照射，但其推動該植物之“暗”條件。其它適合的調控手段包括漫射光合作用誘導光的光過濾器。人工照明源可能使用以保存該暗條件及/或以選擇性地允許光合作用，當該厭氧條件係不希望時。在一些實施例中，從“光”條件逐步過渡到“暗”條件及/或反之亦然係為希望的，以降低植物衝擊的風險。

任選地，與暗階段結合，小室中的氧含量可以降低的，藉由將透過使用有機、化學或機械手段之氧氣嚴重耗盡(意即呈現缺氧)的水引入至小室內。此亦可能藉由從含在該小室中的水移除氧而完成。其應理解的是，術語“缺氧”不一定表示在水中完全不存在氧，因為一非常小量的氧將可能溶解在水中。

在其它實施例中，上述該厭氧過程係由一好氧過程在前、繼之或交替。在該水生植物中，好氧過程係藉由在小室中創造一充氧條件而引發及/或推動，其藉由該水生植物推動碳水化合物之生產與儲存。此充氧條件可能藉由各式各樣途徑創造，該等途徑可能獨立或組合使用。在一實施例中，充氧水係加入到該小室或氧係直接引入至含在該小室的水內。在另一實施例中，氣體屏障係移除，以允許水的氧濃度自然地提高。相應地，充氧條件可能完成的，藉由引入充氧水至該小室內、藉由移除缺氧水及/或允許該水藉由植物氧氣釋放及曝露至一充氧大氣自然地充氧。

本發明之實施例可以伴隨多重小室實踐，其中缺氧水與充氧水係在該等小室間轉動，當需要在一缺氧條件與充氧條件間交替時。舉例而言，利用多重小室的過程可能包括一第一小室其具有含2%乙醇的缺氧水，其係移動至先前已充氧的一第二小室內。該缺氧水代替在該第二小室中移除的充氧水，以在該第二小室中創造一缺氧條件。在該第二小室內，植物生長及乙醇生產然後係刺激的。基於本揭露內容，其係注意的是，在該第二小室中最初具有乙醇(因為該缺氧水含有源自該第一小室之厭氧過程的乙醇)可能進一步帶動乙醇生產，當該水生植物偵測到在水中的乙醇時。該乙醇濃度在第二小室中可能允許提高，舉例而言，高達4%。每一次該缺氧水移動至一新的小室時，那些植物之伸長及乙醇生產係刺激的。一旦缺氧水的乙醇濃度達到一預定水平，諸如舉例而言，10%體積，該缺氧水係從該小室移除，而該乙醇係使用常規手段從該水萃取。

用於光合作用之碳源

在光合作用期間，水生植物106消耗二氧化碳，如上文討論參照至反應(1)。如圖2中所顯示，供應至容器102用於光合作用之該二氧化碳可能從一相鄰的燃燒設施200獲得的，諸如電力設施與石油精煉廠。更具體地，該二氧化碳可能從燃燒設施200之一排氣管或煙道202獲得。在某些實施例中，該燃燒設施200亦可能藉由源自容器102之氧氣出口132的富含氧氣體加燃料，引致物料係從該燃燒設施200轉移入與轉移出兩者。

如圖1中所顯示，一分離器204可能於煙道202下游提供的，以從該煙道氣移除水蒸氣與其它組份。該分離器204可能為一冷凝器，舉例而言，其冷卻並冷凝該水蒸氣，以提供一脫水的二氧化碳產物。

源自煙道202之二氧化碳可能在不同形式中引入到容器102。在一實施例中，該二氧化碳可能在氣體形式中引入到容器102。在此實施例中，該二氧化碳可能經由該二氧化碳氣體入口130引入至容器102之第一區域120，或經由該二氧化碳氣體入口160至容器102之第二區域122及/或第三區域124。在另一實施例中，該二氧化碳可能轉換至容器 102上游之一碳酸氫鹽或碳酸鹽物料，諸如藉由引導該二氧化碳通過含有氫氧化鉀、氫氧化鈉、或適合酵素之一反應器206。在此實施例中，該碳酸氫鹽或碳酸鹽物料，該等可能在一液體溶液或固體粉末形式中，舉例而言，可能經由碳酸氫鹽或碳酸鹽入口166引入至容器102之第二區域122及/或第三區域124。

有利地，該燃燒設施200可能供應煙道氣到容器102而無需純化煙道氣或釋放煙道氣進入大氣內。還有，該燃燒設施200可能供應該煙道氣至容器102，而不必充分地加熱煙道氣以從煙道202上升，其可能在能量節省中節省該燃燒設施200高達5%、10%、或更多。

用於發酵作用之碳源

在發酵作用期間，該水生植物106代謝葡萄糖成乙醇，如上文討論參照於反應(3)。該水生植物106可能為異營生物，其能夠攝取並轉換其它含碳物料成葡萄糖，且然後最終乙醇。此種含碳物料可能經由圖1之該有機或無機碳物質入口168供應至水生植物106。該水生植物106之根部可能特別適合攝取這些其它含碳物料，所以該有機或無機碳物質入口168可能引導該物料進入容器102之第三區域124，以與該水生植物106之根部交互作用，特別的。壓力荷爾蒙(例如，IAA、ABA、GA)可能使用以鼓勵含碳物料的異營消耗。

適合的含碳物料包括，舉例而言，碳水化合物(例如澱粉)、糖(例如，葡萄糖、蔗糖及果糖)、醛類、醇類(例如，乙醇、丁醇)、烴類及有機酸(例如，乙酸、乳酸、丁酸)，舉例而言。此種含碳物料可能在植物物質(例如，玉米、甜菜及甘蔗渣)、廢水、糞肥及堆肥中發現，舉例而言，其可能從食品與飲料加工設施(例如，釀酒廠)及農場中獲得，舉例而言。

在含碳物料(例如，無機碳)不可以直接由水生植物106消耗之事件中，適合的細菌及/或真菌可能係提供的，以轉換該物料至適合由該水生植物106異營消耗之一形式(例如，有機碳)。示範性的細菌菌株包括，但不限於，真氧羅氏菌(Ralstonia eutropha)與激烈火球菌(Pyrococcus furiosus)，舉例而言。如上文所討論，基體108可能接種以此類細菌。

根據本揭露內容之一示範性實施例，該含碳物料可能以廢料從一或多個來源獲得，使得該含碳物料廉價且容易獲得。舉例而言，該含碳物料可能以廢料從食品與飲料加工設施(例如，釀酒廠)及農場獲得。在經由該有機或無機碳物質入口168引入該廢棄物料到容器102之前，該廢棄物料可能經預處理。舉例而言，液體廢棄物料可能經過濾、壓制、或其它加工以移除懸浮固體。固體廢棄物料可能經分離以移除大塊以產生用於加工/使用之細屑。

如圖3中所顯示，該含碳物料可能為從相鄰乙醇設施300，諸如第一代乙醇設施，獲得的一廢料流。該廢料流可能為在乙醇設施300從卡車裝載物料獲得之一乙醇蒸氣廢料流。非燃燒或釋放該乙醇蒸氣廢料流至大氣中，該乙醇蒸氣廢料流可能經由該有機或無機碳物質入口168鼓泡至容器102之水104內。該廢料流亦可能包括來自乙醇設施300的稀糟水與壓製品(pressings)，舉例而言。藉由引入廢棄流至容器102，在容器102中之該水生植物106可能攝取並轉換該廢料流成葡萄糖，且然後最終回到乙醇，該者可能作為一先進生質燃料標記並銷售。

基體

如上文所討論參照至圖1，基體108係設置在容器102中，以固著並支持該水生植物106之根生長。基體108可能由一惰性材料構建，諸如塑料，其在水104中隨著時間推移依舊安定的。基體108亦可能足夠重以沒入於水104中，且在容器102中水平與垂直地支持該水生植物106，即使水104流經由容器102。基體108亦可能具有一高的表面積，以在容器102支持該水生植物106之根生長，並支持細菌、真菌及藻類。

一第一示範性基體108A係於圖4A中顯示的。基體108A可以包含由塑膠材料製成之一或多種市售細長條帶，諸如包裝帶(例如，綁箱帶)。該條帶可能為由能夠形成細長結構的各種塑膠材料構建，諸如聚丙烯或其它適合的物料。在一些事例中，基體108A可以排列，使得其形成一向上填塞堆。在其它事例中，基體108A之該細長塑料條帶可以排列以形成一網或網孔。一些材料可能由一阻滯劑物料製成，以降低或防止藻類或其它生物的污染。該條帶之尺寸可能變化的。舉例而言，每一條帶寬可能為約0.25、0.5、1或2 英吋或更大。該等條帶係例示性地不規則排列(例如，環狀、扭曲及堆疊的)在容器102A的底部，以在條帶間提供開放的空間或孔洞109A，以接收水、根生長及其它材料。基體108A之其它配置在此係預期的。

一第二示範性基體108B係於圖4B中顯示的。基體108B包含一或多個市售塑料帶子，其可能藉由刨削一再生塑料組份形成。該帶子係例示性地排列在容器102B的底部，以在帶子間提供開放空間或孔洞109B，以接收水、根生長及其它材料。

一般地，該基體作用以固著該植物之根系統，且可能包含植物副產物(諸如乙醇)釋放到其中的一個區域。在一實施例中，該基體包括充當該主要固著機制的一微粒材料。然而，根部可能嚙合並偶合自身至其中的機械固著裝置(諸如網格或篩網)，同樣可能任選使用的。水深度對基體厚度的比率可能範圍從約2：1至約1：2。在一實施例中，水深度可能小於或等於該基體的厚度，舉例而言，在約1：1或更小的一水深度/基體厚度比率中，更特別地，從約1：1至約1：2。在一進一步實施例中，水深度係小於基體厚度，舉例而言，在小於1：1之一水深度/基體厚度比率中。

在一實施例中，該基體可能使用由一多孔礦物質材料形成的粗顆粒。在其它實施例中，該基體可能包括二或多種可能形成為層的材料。每一基體層之特性可以針對所使用的植物適當地配置，包括在化學組成物(例如，營養含量或pH)、物理組成物(例如，粗糙度或密度)、生物組成物(例如，細菌)及之類中的變異。

其它示範性基體係於Hagen在2011年9月20日提申之美國專利申請公開案第2013/0071902號，及Hagen等人在2014年2月24日提申之美國專利臨時申請案序號61/943,943中描述，該二者之揭露內容係以其整體併入於此以作為參考。

二氧化碳

如上所討論的，於此使用的二氧化碳來源可以包括但不限於源自垃圾填埋場、廢水設施、水泥設施、煤設施(例如，源自合成氣)的二氧化碳，天然發生的二氧化碳或之類。這些二氧化碳來源可能從這些設施收成並遞送至於此描述之一系統或器械中。

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儘管本發明已被描述為具有示範性設計，本發明可以進一步修飾而在本揭露內容之精神與發明範圍之內。所以，本申請案係意欲使用其一般原理涵蓋本發明之任何變異、用途或適應。進一步的，本申請案係意欲涵蓋隨著本發明所屬該技藝中已知或慣常實踐而來且落入所附請求項之限制內的此種本揭露內容之偏離。