專利名稱：從光合培養(yǎng)物中水力提取油的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用水力空化技術(shù)從光合培養(yǎng)物(光合生物，photosynthetic culture)中提取油以用于生產(chǎn)生物燃料或其它產(chǎn)品的方法。
背景技術(shù)：
微藻(mircoalgae)和其它光合培養(yǎng)物產(chǎn)生并儲存可以構(gòu)成它們的總無灰分干重量的主要百分比的脂質(zhì)、脂肪酸、甘油單酯和甘油二酯。由微藻和其它光合培養(yǎng)物產(chǎn)生的碳氫化合物經(jīng)常形成油。微藻含有多種油脂，其包括膜結(jié)合極性脂質(zhì)和非極性脂質(zhì)，其也包括游離脂肪酸和脂肪酸。已報道在一些微藻中脂質(zhì)成分高達70-85%。微藻油在海洋動物世界中起重要的營養(yǎng)作用。一只60噸重的藍鯨在其腸道內(nèi)可能有2噸微藻浮游生物提供營養(yǎng)。鯨、魚和鯊魚肝臟油的油容物(oil content)是原來儲存在微藻細胞中的油滴的濃縮物。對于浮游動物，蝦幼苗和牡蠣苗的海洋養(yǎng)殖，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)一直使用微藻作為食物來源，不僅由于它們特性方面的高脂質(zhì)和脂肪酸含量，而且還由于它們豐富的海洋動物飲食所必需的特定多不飽和脂肪酸(PUFA)。除了培養(yǎng)微藻作為用于水產(chǎn)養(yǎng)殖的富油的營養(yǎng)來源外，來自培養(yǎng)的微藻的油也被用于藥物、保健食品和化妝品用途。由微藻油制成的產(chǎn)品獲得非常大的畝產(chǎn)收入(每年每英畝超過600，000美元)。利用這樣的高利潤，無需強烈追求生產(chǎn)成本效率和新技術(shù)。來自培養(yǎng)的微藻的油的另一種潛在應(yīng)用是用于生產(chǎn)生物燃料，其是來自生物來源的適合在標準內(nèi)燃機中燃燒的燃料。事實上大多數(shù)從海洋中(包括以前和現(xiàn)在)提取的化石燃料來自過去年代的微藻合成和儲存的油。隨著化石燃料的日益增加的需求和縮減的供應(yīng)，目前需要替代燃料，并且最近來自微藻油的生物燃料的前景已經(jīng)是主要興趣和投資的來源。與由微藻油生產(chǎn)的藥物、保健品或化妝品相比，來自微藻的生物燃料具有非常低的畝產(chǎn)收入(每年每英畝在30，000美元以下)，從而對運行成本效率高度敏感。目前在微藻油生產(chǎn)的核心過程中使用的技術(shù)效率低并且具有高的運行成本。在微藻生物燃料具有商業(yè)經(jīng)濟性之前，必須開發(fā)新技術(shù)以提供成本效率的生產(chǎn)過程。在收獲微藻油中重要的工序為提取。提取是將油從微藻細胞中除去(移出)的過程。通過多種方法來提取微藻油。目前的提取技術(shù)是昂貴的，并且它們不適于高效且成本有效的生產(chǎn)系統(tǒng)。從微藻中提取油的現(xiàn)行成本的估價不同，但可能在1.80美元/千克或2. 91 美元/升(11. 00美元/加侖)左右。機械壓制是最簡單的提取方法。由于不同的微藻品種的物理屬性差別較大，因此不同的壓力機構(gòu)造(螺桿、螺旋壓榨機、活塞等)對于特定的微藻類型效果更好。利用經(jīng)典方法，收獲微藻，干燥，然后可以用榨油機將其“壓制”出來。壓力機可以從微藻中提取出 70-75%的油。通常，機械壓制與化學溶劑聯(lián)合使用。雖然設(shè)計簡單，但其能源消耗量高，并且提取效率低。 單獨或與其它方法結(jié)合使用的化學溶劑提取是另一種用于提取微藻油的常用方法。在特制玻璃器具中使用有機溶劑在回流條件下通過重復洗滌或滲透，對來自微藻的油進行提取。已經(jīng)使用了苯和醚，但用于溶劑提取的更受歡迎的化學品是己烷，其使用廣泛且不太昂貴。使用溶劑進行油提取的缺點是使用化學品時涉及的固有危險。必須小心以避免暴露于蒸汽及直接接觸皮膚，兩者中的任一種都可以導致嚴重損害。例如，苯被歸類為致癌物。另外，化學溶劑也存在爆炸危險的問題。己烷溶劑提取可以單獨使用或者與機械壓力機方法聯(lián)合使用。利用機械壓力機將油提取后，剩余的漿料可以與環(huán)己烷混合以提取剩余的油容物。油溶解在環(huán)己烷中，并且漿料從溶液中濾出。通過蒸餾來分離油和環(huán)己烷。這兩段(冷壓制和己烷溶劑)會總共能夠獲得存在于微藻中的多于95%的總油。另一種提取方法是酶提取，該方法利用作為溶劑的水，利用酶降解細胞壁，使油的分離更加容易。估計該提取過程的成本比己烷溶劑提取昂貴得多。通過超聲可支持酶提取。 “聲酶處理”的組合可導致更快的提取和更高的油產(chǎn)率。超聲輔助提取，一種聲化學的分支，可以大大加快提取過程。使用超聲反應(yīng)器，利用超聲波在溶劑物質(zhì)中產(chǎn)生空化氣泡，當這些氣泡在細胞壁附近破裂時，產(chǎn)生沖擊波和液體射流，其導致那些細胞壁破碎并將其內(nèi)容物釋放到溶劑中。超聲提取的一種變型是靜電沖擊波提取，其中通過超高電脈沖而不是通過聲脈沖產(chǎn)生空化氣泡。聲化學可在濕或干的條件下進行。如果在濕條件下進行，在用溶劑提取油之前需從糊狀物中將水提取出來。滲透沖擊是用于提取的另外一種方法。滲透沖擊是滲透壓突然降低而可以導致溶液中的細胞破裂。滲透沖擊提取可以通過采取高鹽生長培養(yǎng)基，收獲藻泥，然后將藻泥傾倒入蒸餾水中來進行，其將使幾乎所有的細胞破裂，然后可以從表面將油撇去。另一種提取方法是超臨界流體提取。在超臨界流體/(X)2提取中，在壓力下將(X)2液化然后加熱至其具有液體和氣體特性的某一點，該液化的流體可作為在提取油中的溶劑。 該方法需要專用設(shè)備用于在超臨界流體/(X)2提取中容納和加壓。超臨界流體提取并不需要絕對干燥，因為通過改變壓力和溫度就可以分餾所提取的樣品。電穿孔是又一種提取方法。使用電穿孔，超高電脈沖被引導至微藻，穿孔細胞壁， 從而釋放油含量。所有這些提取方法對于大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用來說太昂貴且復雜。另外，這些提取方法是靜態(tài)批量生產(chǎn)，并且它們不適于成本有效的系統(tǒng)。這些提取方法也取決于之前收獲和脫水的培養(yǎng)后過程的效率，該培養(yǎng)后過程需要將微藻從其培養(yǎng)基中移出并通過去除大部分水分來增加微藻細胞密度，以便制備用于目前油提取方法的微藻；目前用于獲取和脫水過程的技術(shù)具有很高的運行成本。總之，目前的提取方法不適合大規(guī)模由微藻油來低成本生產(chǎn)生物燃料。為了能夠進行低成本的微藻生物燃料生產(chǎn)，提取過程必須具有低資金成本，超低的運行成本，并且自身帶來綜合的、經(jīng)濟的和連續(xù)的商業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)系統(tǒng)
發(fā)明內(nèi)容
目前描述的本發(fā)明涉及一種從光合生物(photosynthetic organism)中連續(xù)提取碳氫化合物的方法，以及用于進行所述方法的設(shè)備。在優(yōu)選的實施方式中，所述方法包括將水力空化施加于培養(yǎng)基中的微藻的連續(xù)流以破裂細胞壁并提取微藻油的步驟。本發(fā)明的另一優(yōu)選實施方式包括將水力空化施加至流體介質(zhì)中的微藻的連續(xù)流以破裂細胞壁并提取微藻油的步驟。作為水力空化過程的一部分，對所使用的生長培養(yǎng)基或流體介質(zhì)進行滅菌用于再利用。本發(fā)明涉及一種破裂微藻細胞壁的方法，包括將含有一種或多種微藻的流體介質(zhì)的連續(xù)流提供至水力空化裝置；施加足夠量的水力空化以破裂一種或多種微藻細胞，由此使微藻油從微藻中釋放到介質(zhì)中；并且從介質(zhì)中提取微藻油。在一個實施方式中，所述方法進一步包括對介質(zhì)進行脫水的步驟。在一個實施方式中，所述光合生物(photosynthetic organism)為硅藻，例如角毛藻物種。在本發(fā)明的另一實施方式中，水力空化利用多級水力空化反應(yīng)器施加，并且在另一個中，水力空化利用磁脈沖空化反應(yīng)器施加。在本發(fā)明的另一個方面中，將水力空化之后的處理的介質(zhì)分離成包含微藻油、微藻細胞壁和已處理的流體介質(zhì)的成分。分離的成分可以被進一步處理成生物燃料，如生物柴油，并且這樣的進一步處理可包括另外的一輪或更多輪的水力空化以產(chǎn)生酯交換。也可回收已處理的介質(zhì)以用作微藻培養(yǎng)介質(zhì)，并且已處理的介質(zhì)經(jīng)受另外的一輪或更多輪的水力空化。本發(fā)明的另一個實施方式涉及一種由所公開的方法生產(chǎn)的生物燃料，其中可制備的特定生物燃料是生物柴油。
具體實施例方式目前描述的本發(fā)明涉及從微藻和其它光合培養(yǎng)物(生物)中收獲碳氫化合物的連續(xù)生產(chǎn)和提取方法。與靜態(tài)批量生產(chǎn)相比，優(yōu)選能夠進行連續(xù)生產(chǎn)過程的提取方法，這是因為連續(xù)生產(chǎn)方法顯著降低生產(chǎn)商品生物燃料或其它產(chǎn)品的成本。水力空化是從微藻和其它光合培養(yǎng)物(生物)中提取感興趣的碳氫化合物的優(yōu)選方法。提取技術(shù)的選擇很大程度上將取決于所培養(yǎng)光合培養(yǎng)物(生物)的性質(zhì)。有機壁微藻非常適合己烷溶劑和酶提取。然而，活的硅石壁微藻(硅藻)使其自身細胞壁極其不溶。另外，硅石還形成物理堅固的和化學惰性的保護層(protective covering)，這是因為細胞壁不能被酶促地攻擊。與形成相當?shù)挠袡C壁相比，利用硅藻的硅的攝取和沉積涉及較少的代謝能量消耗，導致與它們的有機壁同類相比更快的生長速度，這使硅藻由于高產(chǎn)率培養(yǎng)而具有吸引力。然而目前的提取技術(shù)大大地抑制了用于油生產(chǎn)的硅藻培養(yǎng)并且有利于有機壁微藻的培養(yǎng)。硅藻的硅石細胞結(jié)構(gòu)需要利用從培養(yǎng)的有機生物中釋放油并且允許分離高質(zhì)量硅石(硅藻土)的細胞破裂技術(shù)。優(yōu)選的細胞破裂技術(shù)是水力空化，其可以被有效地應(yīng)用于有機壁和硅石壁的光合生物。在不同體積密度下用于不同微藻物種(microalgae species)的提取結(jié)果表明水力空化達到接近理論最大提取體積(參見表1)。表 1提取體積與理論最大值密度體積
微藻物種
角毛藻
小球藻 iChlorellcd
斜生111 藻(Scenedesmus obliquus )
布朗葡萄藻(Botryococcus braunii)
92% 94% 95%
96% 98% 97%
93% 95% 96%
92% 93% 94%
1.0% 3.0% 5.0%水力空化空化是通過快速移動實心體(solid body)如葉輪或通過高強度聲波在液體中形成部分真空。所述部分真空用于破裂光合生物。在本領(lǐng)域中已知很多水力空化裝置的實例。適宜的裝置實例包括美國專利申請?zhí)?009/0192159，以及美國專利號6，279，611、 6，365，555,6, 846，365,6, 935，770,7, 086，777,7, 207，712、和 7，338，551，將其全部內(nèi)容以引用方式并入本文。在一優(yōu)選的實施方式中，使用了用于在流體中產(chǎn)生水力空化的裝置。通常，所述裝置包括流通室，其具有不同部分，且所述室的下游部分之一內(nèi)具有多個擋板。將一個或多個擋板構(gòu)造成可移動到所述室的上游部分中，以便由移動到室的上游部分的每個擋板產(chǎn)生下游的水力空化場。在另一優(yōu)選的實施方式中，使用了用于產(chǎn)生水力空化的裝置，其中該裝置通過采用磁脈沖產(chǎn)生流體流的水力空化。對于在湍流(紊流)中處理液體，與流通室水力空化相比，磁脈沖水力空化提供更加均一的空化分布。空化(液體中充滿氣體或蒸汽的氣泡的形成、增長和內(nèi)爆破裂)可能具有重要的化學和物理效應(yīng)。雖然聲空化(即，聲化學和聲致發(fā)光)的化學效應(yīng)在近幾年已經(jīng)被廣泛研究，但是關(guān)于在液體的湍流期間產(chǎn)生的水力空化的化學結(jié)果已知甚少。水力空化是在液體流中或在由于液體流中的局部壓力下降而引起的流線型體的邊界形成空化氣泡和空腔。如果在液體的移動過程中，某一點的壓力下降到一定大小，在該條件下，對于該壓力，液體達到沸點(“冷沸騰”)，隨后就形成了大量充滿蒸氣的空腔和氣泡。這些充滿蒸氣的空腔和氣泡稱作空化空腔和空化氣泡。只要充滿蒸氣的氣泡和空腔與流體一起移動，它們就會移動到升高的壓力區(qū)。于是，幾乎瞬間，在空腔和氣泡中會發(fā)生蒸氣冷凝，并使空腔和氣泡破裂，產(chǎn)生非常大的壓力脈沖。破裂的空化氣泡中的壓力脈沖大小可達150，000psi。這些高壓內(nèi)爆的結(jié)果是形成從每個破裂的空化氣泡的點發(fā)出的沖擊波。 這樣的高沖擊負荷量導致在破裂的空化氣泡附近存在的任何介質(zhì)的分裂。懸浮液中液-固微粒的相分離邊界附近的空化氣泡的破裂導致懸浮液微粒的分裂分散過程發(fā)生。液-液型相分離邊界附近的空化氣泡的破裂導致分散相液滴的分裂空化過程發(fā)生。因此，在所述空化過程中利用來自破裂空化氣泡和空腔的動能以從微藻中提取油以及對培養(yǎng)基滅菌以用于再利用。以下是對適宜的空化裝置的一個實施方式的描述。如本領(lǐng)域中所描述的，適宜的空化裝置或設(shè)備能夠產(chǎn)生形成空化效應(yīng)的適當氣泡。設(shè)備內(nèi)的所有部件均受到壓力脈沖和前進的(advanced)水力空化的影響。適宜的裝置促進水力液體的空化至一點，在該點所處理流體的最終結(jié)果符合預期的乳化或分散標準。
一個特別優(yōu)選的實施方式包括納米空化發(fā)生器，其利用流通納米空化技術(shù)來生產(chǎn)生物柴油燃料。所述納米空化發(fā)生器通常包括包圍流通區(qū)域的殼體或外殼。流通區(qū)域通常包括入口、流量計通道、中間連接器、具有入口和出口的反應(yīng)室、反應(yīng)室蓋、以及出口配件。所述入口是一個穿過一部分外殼的配件。入口包括連接器，由此連接外部流體線從而向發(fā)生器提供流體介質(zhì)或其它反應(yīng)成分。入口通過扣環(huán)而固定至外殼，該扣環(huán)使入口固定在適當?shù)奈恢貌⑻峁┟芊庖苑乐剐孤?。入口配件連接至流量計通道，該流量計通道包括測量處理流體流速的流量計。流量計通道通過中間連接器而連接至反應(yīng)室的入口。中間連接器與入口之間的連接通過0形環(huán)或其它類似的結(jié)構(gòu)進行密封。反應(yīng)室包括將入口連接至出口的反應(yīng)室通道。反應(yīng)室蓋連接至反應(yīng)室，并且部分限定了反應(yīng)室通道。發(fā)生器的出口配件與反應(yīng)室蓋一體形成。反應(yīng)室通道限定了一系列具有不同直徑和表面特征的隔室。在第一優(yōu)選的實施方式中，該系列隔室從入口到出口依次如下入口隔室、壓縮隔室、第一反應(yīng)隔室、第二反應(yīng)隔室、最終反應(yīng)隔室和出口隔室。將原生質(zhì)器(plasmator)設(shè)置在通過壓縮隔室和第一反應(yīng)隔室的通道中。下面將描述原生質(zhì)器的構(gòu)造和操作。發(fā)生器中的許多配件和連接器利用扣環(huán)、0形環(huán)或類似結(jié)構(gòu)進行密封。出口配件包括0形環(huán)，其在出口配件或反應(yīng)室蓋和反應(yīng)室之間的連接(接頭，junction)處形成防水密封。另一0形環(huán)在反應(yīng)室與中間連接器之間的連接處形成防水密封。中間連接器和流量計通道之間的連接，以及入口配件和流量計通道之間的連接也應(yīng)通過0形環(huán)或類似結(jié)構(gòu)進行密封。入口配件通過如上所述的扣環(huán)固定并相對于外殼密封。壓力計設(shè)置在與反應(yīng)室相鄰的外殼中。來自壓力計的傳感器通過進入通道 (access passage)進入反應(yīng)室。壓力計和傳感器設(shè)計成測量反應(yīng)室中的整體壓力。如在別處所討論的，反應(yīng)室的整體壓力應(yīng)維持在約大氣壓，以使發(fā)生器如預期運行。納米空化發(fā)生器是靜態(tài)的，即，不包含活動部件，并且被構(gòu)造成以設(shè)定的流體流速和流體介質(zhì)壓力操作。如下所述，發(fā)生器內(nèi)的空腔直徑和表面特征的變化導致空化流體特征的產(chǎn)生，即氣泡，以及溫度和壓力的局部升高。這些溫度和壓力的局部升高以內(nèi)部溫度和壓力升高的渦流形式出現(xiàn)。隨后空化氣泡和渦流的破裂，使得出口液體流被均化成穩(wěn)定、超薄的乳液或分散液。本發(fā)明的裝置在液體入口配件和液體出口配件之間的流通區(qū)域中的流體中產(chǎn)生納米空化。流通納米空化反應(yīng)器是一個多級過程，由此通過局部高溫和壓力脈沖以及高級納米空化原理來操縱反應(yīng)部件。流體介質(zhì)在入口配件處(如由流動箭頭所指示的)進入發(fā)生器。如上簡單描述的， 反應(yīng)室通道包括具有不同直徑和內(nèi)部表面特征的隔室，使得每個變化的截面積與前一個隔室有關(guān)，原生質(zhì)器可以設(shè)置在壓縮隔室和第一反應(yīng)隔室之間的連接處。所述原生質(zhì)器也可以包括壓縮板，其具有頂端有錐形帽的柄。在柄周圍的壓縮板上設(shè)置有一系列孔(orifice)?？梢詫υ|(zhì)器定向，使得錐形帽置于壓縮隔室中心，以迫使流體介質(zhì)進入外周流動通路，即壓縮隔室的壁和錐形帽的邊緣之間的間隙。與入口隔室的開口流動面積相比，周圍流動通路提供了大大減少的流動面積。該大大減少的流動面積被認為導致上述的納米空化過程。在壓縮板46上的孔提供另一點，在該點可用的流動面積大大降低并且納米空化過程增加。最后，反應(yīng)室通道內(nèi)的連續(xù)隔室改變可用的流動面積，進而匹配入口配件的流動面積。已處理的流體介質(zhì)在出口配件處按流動箭頭指示離開發(fā)生器。納米空化過程發(fā)生在反應(yīng)室，尤其是反應(yīng)室通道中。該納米空化發(fā)生器的設(shè)計和發(fā)生流體過程背后的理論僅僅基于裝置的靜態(tài)機械和物理構(gòu)造，即變化的直徑、流動面積和橫截面積。在納米空化發(fā)生器中發(fā)生的所有反應(yīng)都在環(huán)境溫度下發(fā)生。不需攪拌或混合時間。納米空化過程在IOOpsi至IOOOpsi之間的壓力，理想地在約500psi下運行。納米空化發(fā)生器由于油或脂肪中的游離脂肪酸(FFA)與反應(yīng)催化劑的分子水平結(jié)合而產(chǎn)生瞬間反應(yīng)過程。酯交換過程在幾秒鐘內(nèi)完成，并且立即產(chǎn)生最終產(chǎn)品。商品生物柴油和甘油的完全分離可以通過重力過程在8-15分鐘內(nèi)實現(xiàn)和通過離心過程立即實現(xiàn)。在流通納米空化反應(yīng)器中用必要部件加工植物油、黃油、牛油和其它動物脂肪 (FFA含量低于5%)時，F(xiàn)FA的分子在微型爆炸中斷裂分離。這些的微型爆炸導致瞬間的甘油分離，提高的產(chǎn)率，降低的粘度，增加的十六烷值，以及所生產(chǎn)燃料的動力參數(shù)的改善。本發(fā)明的發(fā)生器也增加在反應(yīng)中使用的任何催化劑的效能，以及酯交換反應(yīng)的速度和效率。 因此，本發(fā)明的設(shè)備不僅提高純生物柴油燃料輸出的質(zhì)量和數(shù)量，而且還提高其生產(chǎn)速度。流通納米空化通過壓力變化產(chǎn)生，壓力變化是利用反應(yīng)器中通道的幾何形狀產(chǎn)生速度和壓力的變化而獲得的。例如，基于第一優(yōu)選實施方式的幾何形狀，可實現(xiàn)壓力和動能的互換，導致與在壓縮板(constrictor plate)上的孔的情況一樣的空腔的產(chǎn)生?？栈瘲l件在反應(yīng)室通道中的孔之后即產(chǎn)生，因此空化條件的強度強烈取決于孔的數(shù)量和幾何形狀。當反應(yīng)液通過孔時，由于提供給流體的面積突然減少而使流速增加，導致壓力降低。在本發(fā)明的裝置中，速度增加使得局部壓力降至操作條件下的液體介質(zhì)的蒸氣壓以下并形成空腔。這樣的空腔在反應(yīng)室中的多個位置形成。形成的位置強烈取決于反應(yīng)室通道中隔室的數(shù)量和構(gòu)造。然而，孔的下游由于流動面積的增加，速度下降引起壓力升高及更大的壓力波動。壓力的變化和所得的壓力波動控制不同的空化階段，即形成、增長和破裂 (collapse)0本領(lǐng)域中已知的不同裝置使得可以加速空化反應(yīng)，導致氣泡破裂并在分子水平上聯(lián)合，并允許在無需添加大量能量的情況下生產(chǎn)生物柴油燃料，并且避免了高壓操作。該裝置可利用油或脂肪生產(chǎn)生物柴油燃料。當提供適當?shù)臈l件時，在空化酯交換反應(yīng)過程已經(jīng)完成后，不存在在堿催化的酯交換反應(yīng)中形成的皂。這簡化了產(chǎn)品相的分離，并且在使用水洗程序用于商品燃料時，可防止乳狀液的形成。在生物脂(油或脂肪)中水和FFA的含量是過程中的重要參數(shù)，并且應(yīng)使用本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的方法學進行設(shè)定以避免不必要的副產(chǎn)物?？栈旌掀鱛均質(zhì)反應(yīng)器的操作原則在其最簡單的形式中，基本空化由流通室組成，其中空化發(fā)生器位于入口處?？栈l(fā)生器的形狀顯著影響空化流體的特性，并相應(yīng)地影響分散的質(zhì)量。在多級空化器中選擇最佳的空化發(fā)生器設(shè)計。通常，空化發(fā)生器以下列方式運作。在壓力Pi下待處理的成分流借助流通室入口處的輔助泵來裝載。此外，液流圍繞空化發(fā)生器流動，之后，作為局部壓力收縮的結(jié)果，形成空化空腔。該具有尾部的空腔包括許多氣泡。空化氣泡隨液流流動至流通室出口，進入升高的壓力區(qū)P2。在該區(qū)域中，空化氣泡破裂，導致對乳狀液液滴、顆粒、或懸浮液中的聚集顆粒產(chǎn)生動力學影響。
然而，在目前所述的方法中，使用精確計算的工程設(shè)計，以便使多級水力空化操作的物理原則最大化。多級空化的優(yōu)勢獨立于其操作的物理原理，所獲得的粒度取決于分散過程中的一個主要參數(shù)-空化反應(yīng)器和空化泵中能量耗散的水平。反應(yīng)器的空化器室中能量耗散的水平越高，在任何給定介質(zhì)中可獲得的粒度就越小。優(yōu)選的多級水力空化反應(yīng)器可獲得最小的粒度?？栈磻?yīng)器中能量耗散的水平主要取決于空化氣泡場內(nèi)的三個極其重要的參數(shù)空化氣泡的大小、其在分散介質(zhì)中的濃度體積、和在破裂區(qū)域中的壓力。給定這些參數(shù)，可以控制反應(yīng)器內(nèi)的空化體系(條件， regime)并獲得所需的分散質(zhì)量。這些參數(shù)是專有的(proprietary)信息。在以上實例中，空化氣泡的體積濃度為10%的量級，這處于在空化反應(yīng)器中通常能達到的濃度水平的低端。通過改變反應(yīng)器中的空化類型，可以將場內(nèi)氣泡的體積濃度由 10%改變?yōu)?0%，并且它們的尺寸從10改變?yōu)?000 μ m。在大量空化氣泡破裂過程中產(chǎn)生的非常高水平的能量耗散允許空化混合泵和多級水力反應(yīng)器產(chǎn)生非常小的粒度和非常均勻的粒度分布。結(jié)果在500psi的操作壓力下產(chǎn)生，該壓力使得日常處理操作中的設(shè)備是安全的。磁脈沖水力空化通過采用能夠產(chǎn)生空化氣泡的磁脈沖而在液體湍流中形成空化氣泡。通過磁脈沖水力空化產(chǎn)生的壓力與通過在流通擋板水力空化裝置中產(chǎn)生的空化中獲得的那些壓力相似，但空化的分布更加均勻和可預見。對于本專利的目的來說，水力空化被用來意指在液體的連續(xù)流中產(chǎn)生的水力空化一一不論是否是由流通擋板裝置、由磁脈沖裝置或其它不需任何活動部件就可以在液體的連續(xù)湍流中產(chǎn)生水力空化的類似裝置產(chǎn)生。水力提取優(yōu)選地，此處描述的水力空化技術(shù)用于提取由培養(yǎng)的光合生物所產(chǎn)生的油。該技術(shù)的一個優(yōu)點是，它消除了對在其它提取過程中所需的脫水步驟的需要。在一個實施方式中，在收獲之后，所收獲的介質(zhì)直接經(jīng)受破裂微藻細胞結(jié)構(gòu)并從微藻細胞中提取油的水力空化。所得的介質(zhì)由微藻油、微藻細胞生物質(zhì)組成，并且收獲的介質(zhì)流經(jīng)分離過程從而分離。在分離后，收獲的介質(zhì)可被重復使用。該技術(shù)的另一個優(yōu)點是消除了對收獲步驟的需要。在另一個實施方式中，培養(yǎng)基的大部分直接經(jīng)受破裂微藻細胞結(jié)構(gòu)并從微藻細胞中提取油的水力空化。所得的介質(zhì)由微藻油、微藻細胞生物質(zhì)組成，并且收獲的介質(zhì)流經(jīng)分離過程從而分離。在分離后，收獲的介質(zhì)可被重復使用。由第一輪水力空化產(chǎn)生的油和生物質(zhì)可以經(jīng)受隨后的幾輪水力空化。由于很容易結(jié)合到經(jīng)濟的和連續(xù)的過程中，因此水力提取能夠從微藻油生產(chǎn)低成本的生物燃料。使用10加侖/分鐘的反應(yīng)器進行水力提取的成本大約是每加侖處理的液體0. 002美元，這比備選的結(jié)合了收獲、脫水以及現(xiàn)有提取技術(shù)的成本小幾個數(shù)量級。新型更高流速的反應(yīng)器設(shè)計將顯著降低成本。此外，水力提取不需添加及隨后除去昂貴的添加劑或化學品。水力提取也提高了微藻油生產(chǎn)中硅藻的采用。生物燃料產(chǎn)品
提取和處理之后，從微藻和其它光合生物(photosynthetic organism)中收獲的油、脂肪、脂肪酸、甘油三酯等可加工成為許多不同的有益產(chǎn)品。例如，利用本領(lǐng)域普通技術(shù)人員熟知的標準技術(shù)可以從提取自培養(yǎng)的有機生物的產(chǎn)品生產(chǎn)生物柴油。例如，生物柴油(脂肪酸甲酯)的生產(chǎn)在本領(lǐng)域中是熟知的。這樣的方法的討論在美國專利申請?zhí)?20090071064中提供，將其以引用方式并入本文。根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，收獲微藻脂質(zhì)并利用酯交換轉(zhuǎn)化成生物柴油。此處所述的水力空化裝置可有效地進行該轉(zhuǎn)化。在一個具體實施方式
中，收獲的脂質(zhì)等經(jīng)受更多輪的水力空化以獲得預期的結(jié)果。此外，在已經(jīng)生產(chǎn)生物柴油之后，利用化學工業(yè)中的普通設(shè)備就可容易地、能量有效地、且經(jīng)濟地將其與反應(yīng)器流出物中的其它化學品分離。微藻和其它光合牛物如此處使用的術(shù)語“微藻和其它光合生物”包括所有能夠光合生長的藻類以及光合細菌。優(yōu)選真核藻株用于公開的方法。實例包括葡萄烴藻屬(Botryococcene sp.)、小球藻屬(Chlorella sp.)、、江籬藻屬(Gracilaria sp.)、馬尾藻屬(Sargassum sp.)、電累方 藻屬 (Spirolina sp.)、杜氏藻屬(Dunaliellasp.)(例如 Dunaliella tertiolecta)、紫球藻屬 (Porphyridum sp.)禾口顆石藻屬(Plurochrysis sp.)(例如 Plurochrysis carterae)。娃藻，如角毛藻屬是在本發(fā)明中特別優(yōu)選使用的藻株。這些術(shù)語也可包括人工修飾或由基因操作的生物。角毛藻特別適用于目前描述的發(fā)明中。全世界已知超過400個種和亞種。該有機生物的生長速度很快，其中每天增4倍(4doUbling)，使得培養(yǎng)物迅速生長。已知該有機生物對溫度和鹽度具有很寬的耐受性。也已知角毛藻具有良好的脂質(zhì)含量，因此不需要操作即可產(chǎn)生大量的油。^^針對培養(yǎng)選擇的有機生物可以生長在開放或封閉的系統(tǒng)中。優(yōu)選開放系統(tǒng)，這是因為它們需要較少的維持能量并且通常比封閉系統(tǒng)更穩(wěn)定。在美國專利號6，673，592中描述了在培養(yǎng)條件下利用開放系統(tǒng)維持優(yōu)勢株的優(yōu)選培養(yǎng)方法，將其以引用方式并入本文。簡要概括，培養(yǎng)系統(tǒng)包括用于容納培養(yǎng)基的容器。培養(yǎng)基包括原始水溶液和用于光合生物的種子儲備。制備原始水溶液使得建立用于培養(yǎng)感興趣的光合生物的最佳條件。 一旦建立了最佳條件，就使用光合生物的種子儲備對水溶液接種。得到的培養(yǎng)基的PH控制在設(shè)定范圍內(nèi)。光源，優(yōu)選太陽光，為培養(yǎng)基提供光和熱，促進光合生物培養(yǎng)的生長。定期收獲一定比例的光合生物培養(yǎng)基。用無菌介質(zhì)如海水代替收獲的介質(zhì)?？商鎿Q地，通過利用此處公開的水力法收獲光合生物后的培養(yǎng)基代替收獲的介質(zhì)。不斷重復該方法，從而提供不間斷的收獲。用于培養(yǎng)選定的光合生物的最佳條件通常建立在含水介質(zhì)中。最佳條件為允許光合生物的種子儲備生長并超過捕食者、污染物及其它潛在的破壞者的條件。形成這樣的介質(zhì)允許光合生物在室外和在無菌條件下大規(guī)模生產(chǎn)。優(yōu)選地，最佳條件是在含水介質(zhì)中通過最初調(diào)節(jié)某些或全部以下成分的濃度達到的氮、磷、維生素B12、氯化鐵、硫酸銅、硅酸鹽和Na2EDTA。監(jiān)測培養(yǎng)基的pH，并進行調(diào)整，如二氧化碳處理，以維持pH在期望的水平。在一優(yōu)選的實施方式中，本系統(tǒng)被用于培養(yǎng)作為光合生物的角毛藻屬。容器容納了具有如下初始特征的含水介質(zhì)二氧化碳控制PH為約8. 2，初始氮濃度為至少3. O毫克N/升，初始磷濃度為至少2. 75毫克P/升，初始維生素B12濃度為至少5微克/升，初始氯化鐵濃度為至少0. 3毫克/升，初始硫酸銅濃度為至少0. 01毫克/升，初始硅酸鹽濃度為至少10毫克SiO2/升，以及Na2EDTA濃度為5毫克/升。介質(zhì)接種有角毛藻屬光合生物的種子儲備并直接暴露在太陽光下。光合生物在開放環(huán)境中生長并定期且連續(xù)地收獲。收獲的體積用角毛藻屬光合生物的新的種子儲備代替并重復培養(yǎng)。雖然在本系統(tǒng)中可以使用任意光源，但在全強度太陽光下培養(yǎng)光合生物是最經(jīng)濟的選擇。定期收獲一定比例的培養(yǎng)物。優(yōu)選地，在每個周期結(jié)束時收獲培養(yǎng)體積的約60、 70、80、90、95或99%。在本系統(tǒng)和方法的優(yōu)選實施方式中，培養(yǎng)物每天收獲一次，或約每二十四小時收獲一次。由于不需要無菌條件，因此可用光合生物的非無菌種子儲備，如海水，容易地代替收獲的體積?？商鎿Q地，可以利用經(jīng)受水力空化的介質(zhì)來代替收獲的體積。 用處理的介質(zhì)代替收獲的體積是有利的，尤其是當處理介質(zhì)中存在的一部分有機生物仍然存活時。優(yōu)選人工收獲或使用任何可接受的收獲機器或儀器來收獲該體積。所述容器可以具有任意可接受的尺寸，并且可以由任何可接受的材料構(gòu)成，且優(yōu)選具有一開口頂部。優(yōu)選地，使用大的罐用作容器?？梢詫⒐薅ㄎ辉诘孛嫔?，以允許陽光透過容器的側(cè)面?？商鎿Q地，可以將罐定位在地下。透明的透光蓋可以定位在開口頂部上方。 在一個實施方式中，蓋可移動地定位在開口頂部上方。通過在最佳條件下_光合生物，可以以成本有效的方式生產(chǎn)大量的光合生物。 一個單獨的容器位于室外環(huán)境中使得容器的內(nèi)含物直接暴露于自然光。無需人工光源或額外的轉(zhuǎn)移罐。污染物和捕食者不是問題，因為所建立的介質(zhì)條件允許光合生物超過并擊敗多余的(unwanted)或有害的物質(zhì)。通過建立用于光合生物的最佳培養(yǎng)條件，本系統(tǒng)提供使所述光合生物勝出培養(yǎng)基中其它光合生物物質(zhì)的環(huán)境。這使光合生物能夠在大型室外容器中利用自然光來連續(xù)培養(yǎng)。消除了對勞動力密集的和被設(shè)計成從培養(yǎng)基中排出(exclude)其它物質(zhì)的昂貴的系統(tǒng)的需求。使用自然光大大降低了成本和與人工照明相關(guān)的問題。提供以下的實施例用于說明的目的，但不用于限制本發(fā)明。實施例1從收獲的角毛藻微藻中水力提取油角毛藻屬是一種微藻硅藻物質(zhì)，由于其理想的生長速度、生長條件和油分布(即脂質(zhì)成分，脂質(zhì)濃度(質(zhì)量百分數(shù)))而特別適合于燃料生產(chǎn)。每天移去90 %的培養(yǎng)體積并儲存在收獲罐中。收獲罐中的培養(yǎng)物通過泡沫分餾柱從晚到早地循環(huán)。使空氣從底部通過柱子從下向上鼓泡，在含有濃縮的光合生物的水面產(chǎn)生泡沫。將該泡沫從水面收集起來。該泡沫濃縮成液體后含有大約3%的干物質(zhì)含量。然后使包含具有3%干物質(zhì)含量的10%的培養(yǎng)體積的該收獲的介質(zhì)直接流入到水力空化反應(yīng)器中，該水力空化反應(yīng)器在500psi的水力提取操作壓力下每分鐘處理10加侖。在9分鐘內(nèi)完成處理三百二十(320)升?？偺幚沓杀緸?. 17美元。水力提取提取了估計的角毛藻屬的無灰干重油含量的98%以上，并生產(chǎn)超過2. 9 升的微藻油，成本為每升油0. 06美元(每加侖油0. 22美元)。這與使用目前技術(shù)提取的 2. 91美元/升相當，不包括必需的脫水步驟的成本。
隨后，流出水力提取的介質(zhì)直接流入分離單元，在該處，微藻油、二氧化硅細胞壁 (硅藻土)和剩余的流體介質(zhì)被分離。然后可以處理分離的微藻油以用作生物燃料或其它產(chǎn)品。分離的硅藻土可市售。分離的流體介質(zhì)然后被直接再循環(huán)用于培養(yǎng)。
權(quán)利要求
1.一種破裂微藻細胞壁的方法，包括將包含一種或多種微藻的流體介質(zhì)的連續(xù)流提供至水力空化裝置； 施加足夠量的水力空化以破裂一種或多種微藻細胞，由此使微藻油從所述微藻釋放到所述介質(zhì)中；以及從所述介質(zhì)中提取所述微藻油。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括對所述介質(zhì)進行脫水。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述光合生物為硅藻。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述硅藻為角毛藻物種。
5.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中，水力空化使用多級水力空化反應(yīng)器來施加。
6.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中，水力空化使用磁脈沖空化反應(yīng)器來施加。
7.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中，將水力空化后所處理的介質(zhì)分離成包括微藻油、微藻細胞壁、和所處理的流體介質(zhì)的成分。
8.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中，所述微藻油被用于生物燃料生產(chǎn)。
9.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中，所處理的流體介質(zhì)被回收用于微藻培養(yǎng)。
10.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中，所處理的介質(zhì)經(jīng)受一輪或多輪另外的水力空化。
11.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中，任何已分離的微藻油經(jīng)受一輪或多輪另外的水力空化以產(chǎn)生酯交換作用。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，任何已分離的成分經(jīng)受一輪或多輪另外的水力空化。
13.一種由根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法生產(chǎn)的生物燃料。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的生物燃料，其中，所述生物燃料為生物柴油。
全文摘要
本發(fā)明涉及利用水力空化技術(shù)從光合培養(yǎng)物中提取油以用于生產(chǎn)生物燃料或其它產(chǎn)品的方法。這里所指的方法稱為水力提取。
文檔編號C10L1/02GK102245749SQ200980150217
公開日2011年11月16日 申請日期2009年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月14日
發(fā)明者馬里奧·C·拉赫 申請人:凱生物能公司