使用用于藻類培養(yǎng)的脈沖流循環(huán)的系統(tǒng)和方法
【專利說明】使用用于藻類培養(yǎng)的脈沖流循環(huán)的系統(tǒng)和方法
[0001]本申請是2013年8月22日提交的申請系列號13/973,638的部分延續(xù)(CIP)申請，后者目前待審，并且是2011年7月25日提交的申請系列號13/189，737的分案，后者在2013年9月24日被公布為美國專利號8，541，225。申請系列號13/973，638和專利號8，541，225的內(nèi)容通過參考并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]總的來說，本發(fā)明涉及用于生長藻類的系統(tǒng)和方法。更具體來說，本發(fā)明涉及可以通過最小化由生物淤積引起的并發(fā)問題，以更高效的方式連續(xù)生長藻類的系統(tǒng)的使用。本發(fā)明具體但不排他地可用作通過使用脈沖流周期性地?cái)嚢璨_洗藻類培養(yǎng)裝置并增加培養(yǎng)物的可用表面積來提高藻類生長系統(tǒng)的生產(chǎn)率的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0003]隨著世界范圍石油儲量的降低，對石油短缺和與碳基燃料源的生產(chǎn)相關(guān)的成本的擔(dān)憂不斷上升。結(jié)果，對目前從石油加工的產(chǎn)品的可替代品，正在進(jìn)行研究。在這方面，生物燃料已被認(rèn)為是石油基燃料的一種可能的替代品?？偟膩碚f，生物柴油是包括源自于植物油或動物脂肪的長鏈脂肪酸的單烷基酯的燃料。在工業(yè)實(shí)踐中，當(dāng)將植物油或動物脂肪與醇類例如甲醇反應(yīng)時(shí)，產(chǎn)生生物柴油。
[0004]近年來，除了使用動物脂肪之外，從植物油產(chǎn)生生物燃料已獲得廣泛關(guān)注。當(dāng)然，從植物油產(chǎn)生生物燃料的程序，必需通過生長和收獲植物例如藻類細(xì)胞來開始。特別是，已知藻類是將太陽能轉(zhuǎn)變成細(xì)胞生長的最高效的植物之一，因此它作為生物燃料源是特別令人感興趣的。
[0005]在藻類培養(yǎng)系統(tǒng)中，藻類細(xì)胞通常在培養(yǎng)裝置中，作為暴露于太陽光以促進(jìn)光合生長的液體培養(yǎng)基的一部分生長。此外，藻類細(xì)胞生長過程一般要求液體培養(yǎng)基通過系統(tǒng)連續(xù)循環(huán)，以允許藻類細(xì)胞攝取營養(yǎng)物。目前使用的滿足這些要求的三種最流行的藻類培養(yǎng)裝置是:(I)光生物反應(yīng)器，(2)具有循環(huán)裝置的培養(yǎng)塘，和(3)不具有循環(huán)裝置的培養(yǎng)塘。盡管在生長藻類時(shí)具有大量優(yōu)點(diǎn)，但這些裝置具有顯著缺點(diǎn)，許多缺點(diǎn)涉及生物淤積。隨著生物淤積，藻類細(xì)胞傾向于附著或積累在各種不同表面上。具體來說，藻類細(xì)胞附著于透光頂蓋和裝置的底部和壁。重要的是，生物淤積可以顯著降低藻類培養(yǎng)系統(tǒng)的生產(chǎn)率。詳細(xì)來說，如果由于藻類細(xì)胞附著于透光頂蓋而發(fā)生生物淤積，則由于更少的光到達(dá)藻類細(xì)胞而使光合作用受到破壞。此外，當(dāng)藻類細(xì)胞在表面上保持靜止時(shí)，出現(xiàn)幾個(gè)問題:(I)藻類細(xì)胞可能死亡并為污染物例如原生動物提供食物源；(2)在水表面下沉積過深的藻類細(xì)胞將無法接收足夠的光；并且(3)藻類細(xì)胞將無法充分移動以攝取漂浮在藻類培養(yǎng)物中的營養(yǎng)物。所有這些問題均引起對有效藻類培養(yǎng)系統(tǒng)的顯著破壞。
[0006]為了連續(xù)循環(huán)藻類培養(yǎng)物，已進(jìn)行了各種努力。然而，生物淤積仍對藻類培養(yǎng)系統(tǒng)造成顯著問題。一個(gè)問題是，由于藻類培養(yǎng)系統(tǒng)必須被經(jīng)常排干并清潔以除去已附著于各種表面的藻類細(xì)胞，因此妨礙了系統(tǒng)效率。通過使用從表面強(qiáng)有力地去除藻類細(xì)胞并且也作為動力用于循環(huán)系統(tǒng)中的藻類細(xì)胞的裝置或方法，可以將這些中斷降至最低。
[0007]正如在本文中進(jìn)一步描述的，可以產(chǎn)生脈沖流并使用它在循環(huán)藻類培養(yǎng)物中提供高的局部和周期性流體速度，這可以有助于將灰塵和其他塘沉積物沿著塘的長度向中央收集地點(diǎn)(例如集水坑)移動，在那里它們可以被容易地移除。這種行動可以產(chǎn)生更清潔的塘系統(tǒng)。除了清潔之外，由脈沖流產(chǎn)生的波可以增加塘的等效表面積，對于給定的塘面積來說產(chǎn)生更高的生長。結(jié)合由脈沖產(chǎn)生的更粗糙的流體表面，更少的光被反射，并且更多的光能被吸收。脈沖流系統(tǒng)的波狀表面還可以為入射光產(chǎn)生更好的角度。在某些情況下，通過由脈沖流產(chǎn)生的波，可以產(chǎn)生多出多達(dá)40%的表面積，導(dǎo)致藻類總生長速率提高20%或更多。此外，對于管狀反應(yīng)器來說，由脈沖流產(chǎn)生的流速的突然增加，可以幫助將靜態(tài)氣泡運(yùn)輸?shù)介_放空間進(jìn)行釋放。由于氣泡常常具有可以抑制光合作用的高氧濃度，因此氣泡的移除可能是有益的。
[0008]有鑒于上述情況，本發(fā)明的目的是提供將生物淤積的影響降至最低的用于生長藻類以生產(chǎn)生物燃料的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供使用脈沖流來提高系統(tǒng)效率的用于生長藻類的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供用于在通道和導(dǎo)管中循環(huán)的藻類培養(yǎng)物中產(chǎn)生脈沖流的裝置。本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供使用執(zhí)行簡單、易于使用并且成本效益相對高的脈沖流循環(huán)的用于生長藻類的系統(tǒng)和方法。
[0009]發(fā)明概述
[0010]按照本發(fā)明，提供了使用脈沖流來循環(huán)藻類培養(yǎng)系統(tǒng)中的藻類的系統(tǒng)和方法。在一種實(shí)施方式中，使用高架沖洗罐來產(chǎn)生所述脈沖流。當(dāng)所述脈沖流產(chǎn)生時(shí)，它循環(huán)藻類細(xì)胞，并去除粘附于所述藻類培養(yǎng)系統(tǒng)的各個(gè)部件的任何藻類細(xì)胞。
[0011]在結(jié)構(gòu)上，本發(fā)明的系統(tǒng)可以被改造以適應(yīng)于與目前使用的任何類型的藻類培養(yǎng)裝置一起使用，或者所述系統(tǒng)可以用作單獨(dú)的藻類培養(yǎng)系統(tǒng)。目前使用的用于培養(yǎng)藻類的兩種最常用裝置是光生物反應(yīng)器或塘(具有或不具有循環(huán)裝置)。本發(fā)明可以被改造以適應(yīng)于與任一類型的裝置一起使用。出于比較目的，光生物反應(yīng)器是最通常具有豎直構(gòu)造的封閉系統(tǒng)，而塘是開放系統(tǒng)，并以水平構(gòu)造建造在表面上。在任一種情形中，提供有沖洗罐以儲存固定量的從所述藻類培養(yǎng)裝置抽出的藻類培養(yǎng)流出物。正如為本發(fā)明所設(shè)想的，所述沖洗罐的位置比所述培養(yǎng)裝置更高，并通過導(dǎo)管連接到所述培養(yǎng)裝置。為了補(bǔ)償這種高度差，提供了循環(huán)栗以將所述流出物從所述培養(yǎng)裝置移動到所述沖洗罐中。該栗通常位于所述藻類培養(yǎng)裝置的接入點(diǎn)或排液點(diǎn)處。更具體來說，由于光生物反應(yīng)器通常被構(gòu)建成具有豎直取向，因此接入或排液點(diǎn)最通常位于所述光生物反應(yīng)器的底部處。并且，培養(yǎng)塘具有指定的排液或接入點(diǎn)，用于從所述塘移除液體。在任一種情形中，都在所述循環(huán)栗與所述沖洗罐之間連接導(dǎo)管。此外，在所述系統(tǒng)中還可能包括氣體交換罐，以向一部分抽出的流出物添加二氧化碳(CO2)并在同時(shí)移除氧氣(O2)。在所述系統(tǒng)中包括所述氣體交換罐是為了通過提供被藻類細(xì)胞用作營養(yǎng)源的CO2來促進(jìn)藻類生長。正如為本發(fā)明所設(shè)想的，所述氣體交換罐接收從所述藻類培養(yǎng)裝置抽出的藻類流出物，為所述流出物富集CO2，并將所述富含0)2的流出物通過返回管線重新導(dǎo)回到所述培養(yǎng)裝置中。此外，氣體交換罐和沖洗罐可以是同一個(gè)罐。
[0012]為了控制所述流出物從所述沖洗罐的釋放，可以提供幾個(gè)部件。作為其中的一個(gè)，可以將定時(shí)器連接到所述沖洗罐，以在預(yù)定時(shí)間釋放所述流出物。在另一種實(shí)施方式中，將液位開關(guān)連接到所述沖洗罐，以在所述沖洗罐達(dá)到預(yù)先計(jì)劃的容量水平后釋放所述流出物。正如為本發(fā)明所設(shè)想的，包括了所述定時(shí)器和所述液位開關(guān)兩者以與所述系統(tǒng)一起使用?；蛘?，也可以使用激活開關(guān)手動地激活所述沖洗罐。使用任何激活方法，將閘門閥從關(guān)閉位置移動到打開位置，以將流體從所述沖洗罐釋放到與所述藻類培養(yǎng)裝置相連的轉(zhuǎn)移管線中。在激活后，脈沖從所述沖洗罐快速流動到所述藻類培養(yǎng)裝置中。
[0013]在運(yùn)行中，本發(fā)明的系統(tǒng)通過從所述藻類培養(yǎng)裝置抽出一部分藻類培養(yǎng)物以產(chǎn)生流出物來啟動。然后使用所述循環(huán)栗將所述流出物經(jīng)所述導(dǎo)管栗入到所述沖洗罐中。所述流出物保留在所述沖洗罐中，直至以下列方式之一將其釋放:(I)手動打開沖洗閥；(2)所述定時(shí)器啟動所述起動器以打開所述沖洗閥；或(3)在所述流出物在所述沖洗罐中達(dá)到預(yù)定液位后，液位開關(guān)啟動所述沖洗閥以釋放所述流出物。應(yīng)該指出，所述系統(tǒng)可以使用前述方法的任何組合以從所述沖洗罐釋放流出物。在釋放后，并且主要是由于所述培養(yǎng)裝置與所述沖洗罐之間的高度差，所述流出物將快速流出所述沖洗罐并通過轉(zhuǎn)移管線流入所述培養(yǎng)裝置，以產(chǎn)生流出物的脈沖流。由于流體流速的突然增加，所述脈沖流將去除附著于所述培養(yǎng)裝置的任何表面的任何藻類細(xì)胞。另外，所述脈沖流將在所述藻類培養(yǎng)裝置中引起湍流。該湍流將使沉積在所述培養(yǎng)裝置底部上的大多數(shù)(如果不是所有的話)藻類細(xì)胞變得再一次懸浮在所述藻類培養(yǎng)物中。藻類細(xì)胞的這種移動將促進(jìn)光合作用并提高漂浮在所述培養(yǎng)物中的營養(yǎng)物的可接近性。在大多數(shù)情形中，所述脈沖流的流動方向?qū)⑴c所述培養(yǎng)裝置中的流動方向相同。此外，所述系統(tǒng)也可以逆轉(zhuǎn)所述脈沖流的流動方向，以與所述培養(yǎng)裝置中藻類培養(yǎng)物的流動相反的方向前進(jìn)。
[0014]在所述流出物被釋放后，所述沖洗罐被排空，并且可以開始新的脈沖流循環(huán)或沖洗循環(huán)。當(dāng)所述沖洗閥被關(guān)閉并且所述栗抽出流出物以裝填