专利名称：使用垂直薄膜用于增强藻类生长的混合系统的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及气-液转移领域，更具体地涉及藻类生长方法，所述方法采用垂直薄膜用于将富含CO2和其他可溶性气体的水引入到下面的水池或水道中。
背景技术：
对于燃烧化石燃料的发电厂而言增强的天然吸收槽(natural sink)是经济上有竞争力的且环境上安全的碳固定(carbon sequestration)选择，因为它们既不要求纯CO2,也不产生CO2气体分离、捕获、以及压缩的成本(以及危险)。在增强的天然吸收槽的选项中，在工程化系统中优化现有光合作用生物体的生长是低风险、低成本、且环境友好的。此夕卜，工程化光合作用系统具有在排放源处允许测量和验证系统效果的优点(而不是远离排放源，基于森林和基于海洋的天然吸收槽就是这种情况)。本发明适用于现有和未来的化石单元，以及适合包含其他可溶性污染物气体(如，氨、SOx、NOx、和/或其他物质)的气流。即使CO2是相当稳定的分子，在绿色植物、藻类、以及蓝细菌中它也是通过光合作用用于形成复糖(食品)的基础。已经证明烟道气中相对高含量的CO2 (约14%，与环境空气中400ppm相比较)显著地提高某些种类蓝细菌的生长速率。因此，对于工程化以使用特别选择的蓝细菌菌株从而将CO2最大程度地转化为生物质并将较少的温室气体排放到大气中的容纳系统，这种光合作用过程是理想的。作为缓解二氧化碳排放和生物燃料生产的原料的微藻类的生产要求连续地并且受控地将无机碳(主要为CO2)供应给微藻类(或蓝细菌)培养物。CO2必须以不会突然地和显著地降低生长介质PH值的方式(当CO2被水吸收并与水反应时这倾向于以碳酸形式发生)弓I入微藻类生长介质(典型地为水)。对于采用藻类生产的大多数水池和水道系统，CO2经鼓泡(bubbling)(也称为，“鼓泡”(sparging))加入生长介质。该过程需要非常昂贵的几乎纯的食品级C02。而且，虽然鼓泡通常是将CO2输送到水中的有效方法，它也快速地并显著地改变气泡附近水的pH值。这对于对快速酸化做出负面响应的藻类菌株可能是有害的。相反地，不采用鼓泡作为引入CO2方法的水池或水道依赖于将CO2从周围大气中输送到下面水池或水道的水中。这是相对慢的过程，因为空气中CO2的浓度相对低(400ppm)且水池或水道的表面积相对较小。另外，为了光养生物体成功地生长，需要其他化合物，如可溶性氮和磷物质。加入这些物质作为肥料成本非常高，但是可通过从气流中输送这些物质来补充或取代，其中这些物质被认为是污染物。考虑到上面的描述，提供以不突然地和显著地增加水酸度的方式将大量CO2和/或其他气体物质引入到藻类生长系统的水池或水道中的装置是有利的。
发明内容
根据本发明的目的，提供了混合藻类生长方法，所述方法以悬浮(suspended)和附着(added)模式以促进微藻类和光养细菌生长的方式，优化可溶性气体物质进入介质(如具有或不具有添加盐的水)的质量转移速率。本发明方法采用多个垂直的或接近垂直的薄膜，其具有与包含在薄膜下面水池或其他容器中的水接触或接近接触的下边缘。这些薄膜暴露于包含可溶性元素或化合物(如CO2)的气流，同时包含水和可溶性盐的生长溶液被泵送到位于上方并与薄膜流体连通的集管中。重力辅助的毛细管作用均匀润湿薄膜并以约为1.3加仑生长溶液/纵英尺薄膜/分钟的优选速率建立溶液进入水池的渐变流(gradual flow)。已经发现相对于美国专利号6，667，171中描述的垂直薄膜系统，在编织薄膜的特定结构上溶液的流速显著地增加CO2流过薄膜从气流到水溶液的质量转移速率。此外，系统 的构型和生长溶液的流速将CO2和其他可溶性气体以比常规鼓泡方法更高的渐变速率引入水池中，同时消除了对气体压缩的需要。得到的水池PH值渐变的改变减小了某些藻类培养物所经受的“冲击”和相关的“滞后”，因此提高水池中总藻类生产率。本发明方法使得pH控制简单得多，为蓝细菌提供更稳固性的生长环境，并消除了对昂贵的缓冲溶液的需要，同时增加可用于藻类的无机碳的量。而且，系统的垂直薄膜为以附着模式(即当生长时贴附在基底上的那些)生长的光养生物提供优异的生长表面。这为将CO2光养地转化成生物质提供了额外表面积，允许系统更加生物(且因此经济)多样，并允许以悬浮模式最佳生长的生物体“占据”水池，而以附着模式最佳生长的生物体“占据”薄膜。另外，在可溶性物质为氮、磷和硫的情况下，将这些物质转移到生长介质中可以用于增强藻类生长，或可消除对另外地以高生产率生长藻类所需要的昂贵肥料或补充剂(supplement)的需要，或两者。
图1是说明碳固定过程的示图。图2是说明在容纳室(containment chamber)中本发明的薄膜布置的优选实施方式的示图。图3是说明在水溶液递送系统中薄膜布置的截面侧视图。图4是说明流过薄膜的烟道气的示图。图5是说明薄膜辅助的和无薄膜辅助的碳固定系统的碳转移测试结果的图表。在说明附图中示出的本发明优选实施方式时，为了清晰起见采用专用术语。然而，并不旨在将本发明限于所选的专用术语，且应该理解的是每个专用术语包括以类似方式操作用来实现类似目的的所有技术等价物。
具体实施例方式图1示出公知的光合作用过程的示图。光合作用通过将碳转化为生物质而减少碳。如图1所不，如果典型的蓝细菌成分(相对于碳归一化)为CH1^Na 170a56,则生长一摩尔蓝细菌需要一摩尔的C02。基于相对摩尔重量，来自Ikg CO2的碳可产生25/44kg增加的蓝细菌质量，在该过程中释放32/44kg的O2，假定O2以相对于CO21:1的摩尔比释放。保守估计表明通过收集太阳能驱动的2，000, OOOm2的设备可处理由200MW燃煤发电厂的25%排放物CO2,每年生产超过140，000吨的干燥生物质。干燥的生物质可用于生产肥料，发酵或气化从而生产乙醇和轻质碳氢化合物，或直接作为燃料用来满足待监管立法中的生物质要求。因此，光合系统提供重要的氧再生并将碳回收到潜在有益的生物质中。本发明中该过程的优化是基于设计有效地利用光合微生物的机械系统(下面更详细地描述)。光合微生物是微生物体，如藻类和蓝细菌，其利用光子将含碳气体固定到碳基生物质中。参考图2，使用类似于授权给Bayless等人的美国专利号6，667，171 (结合在此以供参考)中所描述的机械系统以有助于本发明的方法。该系统包括容纳室16，其装有悬挂在水池11上面的多个薄膜10。薄膜10优选地以与同水池11中的水接触(或接近与水接触)的每个薄膜10的边缘总体上垂直或接近垂直的取向由歧管水递送系统(下面更详细地描述)的集管25悬挂。蓝细菌分布在薄膜10的表面上以及在水池11内。每个薄膜10优选为矩形且尺寸约为约10英尺高乘以约20英尺宽，但是在每个方向上尺寸可以从约2到至少30英尺变化。应当考虑的是薄膜10可具有任何尺寸，所述尺寸为可实行的给定的特定的植物栽植(plant setting)、流速、和本领域技术人员已知的其他限制。图3示出在容纳室16内歧管水递送系统的优选布置。集管25由供应线路36接收富含营养物的、微生物生长溶液。溶液通过集管25中的开口 27流入薄膜10。薄膜10的顶部边缘保持与集管25内侧接触，而薄膜10的剩余部分通过开口 27悬挂。因为薄膜10具有毛细管通道(下面描述)，溶液可通过该毛细管通道流动，如果希望避免喷雾，则溶液绝不会喷雾。再参考图2，优化薄膜10以便以渐变的受控的速率将CO2输送到位于薄膜10下面的水中，由此以所谓的“悬挂模式”促进光合蓝细菌在水池11表面上生长，以及以所谓的“附着模式”在薄膜10表面上生长。为此，薄膜10优选由编织的聚丙烯纤维形成。选择聚丙烯是因为除了无毒以及支持本发明系统中采用的微生物的粘附性，它是可润湿的并通过毛细管作用促进应用到其上的水溶液铺展。即，当由聚丙烯显微形成的薄膜10在其顶部边缘被水性微生物生长溶液润湿时(下面描述)，在重力作用下溶液不仅沿薄膜10表面垂直流下，而且通过编织纤维之间的空间通过毛细管作用水平地铺展横过薄膜10。因此通过中断溶液向下流以及通过促进溶液侧向铺展，薄膜10的可润湿性阻碍水溶液通过薄膜10向下迁移。以这种方式阻碍溶液流动对于促进将CO2和其他可溶性气体物质流过薄膜从气流中最佳地转移到溶液中，以及促进将溶液、和CO2、氨和其中包含的其他化学物质逐渐地引入到下面水池11中是重要的。具体地，已经通过实验发现，为了针对该目的优化润湿性，薄膜10的纤维可以具有约等于流过纤维的生长溶液的边界层、或“薄膜”厚度的直径。例如，图2中示出的本发明优选实施方式的纤维具有基本上等于以下述流速流过纤维的生长溶液的薄膜厚度的约0.3毫米厚度。应当考虑的是系统的薄膜10可由除了聚丙烯之外的多种材料形成，包括但不限于天然和合成(人造)材料，例如棉花、氧化硅、或其他聚合物。优选地，薄膜材料是无机的，以便缓解真菌的生长。根据设计标准，材料也应适合所用的特定微生物，对微生物是无毒的并支持或阻止微生物粘附以便以附着模式生长。此外，虽然优选的薄膜是编织的，纤维的无纺薄膜也可考虑。在系统操作过程中，薄膜10的表面暴露于含碳气体21的气流(如图4所示)。气流21中的CO2和其他可溶性物质转移到生长溶液中通过表面接触流过薄膜10。相对于采用缺乏薄膜的水池或水道的常规藻类生长系统，薄膜10显著地增加可用表面接触面积的量，以及因此CO2至水相的质量转移速率。已经通过实验发现，为了促进将CO2从气流21最佳地转移到薄膜10到水池11中，生长溶液通过薄膜10的流速应该是约1.3加仑/分钟/纵英尺薄膜10。S卩，每分钟约1.3加仑生长溶液将流过每个薄膜10的I英尺长的水平部分。这是通过测量每分钟流入集管25中的加仑数，然后除以薄膜10的水平长度而测量的。已经发现该流速结合上述薄膜纤维尺寸和薄膜厚度对于将最大量的CO2从气流转移到水池11中是最佳的，同时缓解能够“冲击”其中蓝细菌的水池的快速酸化。然而，应当考虑的是生长溶液流速可与该速率不同，具有减少的优点。如果较大的纤维用于薄膜10中，可使用较大的纤维层，并且因此流速较大。为了比较的目的，替代上述水道，在具有和不具有薄膜10的试验设备中，测试上述系统的气-液质量转移能力。淡水取代了微生物生长溶液，且CO2是从环境的、温室大气中获得。图5的图表中示出的测试数据表示三次试验运行的平均值，所有数据都在每个采样点的平均值的10%以内。两个曲线表示在适当位置对于具有和不具有薄膜10的试验运行在水道的水中测量的无机碳水平。结果表明与无薄膜构型相比较，薄膜质量转移速率在初始质量转移速率方面有显著增加(50%)，且该速率几乎恒定直到饱和，这与无薄膜构型明显不同。当对于两种构型无机碳水平达到饱和时，在薄膜辅助构型中质量转移速率要高出大于250%。还考虑的是该速率对于其他可溶性气相物质也类似的。图5中示出的测试结果表明薄膜10实际上消除对碳转移的水侧质量转移阻力(water-side mass transfer resistance to carbon transfer) 勾M的 近直线的质量转移特征。因此，可以猜测在支持光合作用的水体中使用薄膜10将碳从气相中转移到液相中将显著地增加。返回参考图2中示出的示例性工厂布局图，光源20，如太阳或光纤阵列，将光子供应给系统的微生物用于驱动光合作用。光源20可设置在室16上方(如图2所示)，或在相对于薄膜10的位置，从而优化蓝细菌生长和二氧化碳吸收。应当考虑的是可以使薄膜10成角度从而在清晨或黄 昏数小时期间将太阳光反射到水池11中。虽然在强太阳光时这样的反射相对微弱，当太阳在天空中较低时，如在日出或日落时(这时太阳光可以另外地具有相对于水池表面较低的入射角)，作用是显著的。在低入射角度时，与被吸收相比较，光更有可能由水池表面反射，使得通过自养生物体捕获光子困难得多。通过利用薄膜10作为反射表面，在清晨和日落数小时内可用光子的数目可显著增加，由此提高水池11中藻类生长速率。在图2中，每个薄膜10在容纳室16中都是类似取向的。薄膜10能够以相对于室16顶部九十度的角度取向，但该角度可根据特定单元的需要而改变。薄膜10可固定在室16内适当位置，可增量地移动，或可连续移动，从而优化暴露于烟道气和/或光源。当在容纳室16中时由于流动障碍，薄膜10的取向提供最小功率损耗。并未考虑可以由本发明的薄膜10中收获以附着模式生长的光养生物体，但是这类收获可以通过下面说明的过程来实现。收获是从薄膜和水池中移去成熟的光合微生物。收获是有利的，因为二氧化碳消耗速率随着蓝细菌生长速率减慢而降低。因此，收获蓝细菌为进一步生长腾出空间使二氧化碳吸收达到最大值。收获方法涉及用大量液体以周期性间隔冲洗薄膜10。来自大量冲洗液体的动量足够克服将微生物保持在薄膜上的粘附力，使得许多微生物从薄膜10中移去。通过差压供水系统在容纳室16中发生收获，所述差压供水系统在低递送压力下作为营养物递送滴加系统，以及在高递送压力下作为藻类收获系统起作用。在正常条件下，薄膜10通过毛细管作用水合。在收获条件下，流体递送作用增加，产生高流动剥离(sheeting)作用，其从薄膜10上移去显著百分比的微生物。导致薄膜10部分清洁的收获是优选的。部分清洁是指在清洁后，足够的蓝细菌保持粘附从而重新聚集于(r印opulate)薄膜10。避免生长滞后是理想的，由此使系统中二氧化碳的吸收达到最大值。收获的细胞累积在容纳室16底部的淤浆中。除去收获的细胞，将新鲜的生长溶液应用于保持在薄膜10上的年轻细胞上。结合附图的详细描述主要旨在作为本发明当前优选实施方式的说明，而并非旨在表示可构建或利用本发明的唯一形式。该描述结合所示实施方式给出实施本发明的设计、功能、装置、以及方法。然而，应该理解的是，可通过不同实施方式实现相同或等效的功能和特征，所述不同实施方式也旨在包括在本发明的精神和范围内，且在不偏离本发明或随附权利要求的范围下可以做出多种修改。
权利要求
1.一种使用系统增强将至少一种可溶性气体物质从气相中质量转移到水相的方法，所述系统具有由安装在气流中的纤维形成的至少一个薄膜，在所述薄膜下面并与其接触的流体储存器，设置在所述薄膜上以及所述流体储存器中的多个光合微生物，包括液体传送导管的水和营养物递送装置，所述液体传送导管在所述薄膜顶部边缘附近具有至少一个开口用于将水溶液递送到所述薄膜顶部边缘附近的导管中，其中所述薄膜允许所述水溶液通过毛细管作用流过所述薄膜，所述方法包括以足以形成水溶液膜的流速通过所述薄膜将所述水溶液递送到所述流体储存器中，流过厚度基本上等于至少一些薄膜纤维厚度的薄膜。
2.根据权利要求1所述的方法，其中递送所述水溶液的步骤进一步包括以在约0.5加仑至约2.5加仑/分钟/水平英尺薄膜范围内的流速通过所述薄膜将所述水溶液递送到所述流体储存器中。
3.根据权利要求2所述的方法，其中递送所述水溶液的步骤进一步包括以在约0.75加仑至约2.25加仑/分钟/水平英尺薄膜范围内的流速通过所述薄膜将所述水溶液递送到所述流体储存器中。
4.根据权利要求3所述的方法，其中递送所述水溶液的步骤进一步包括以在约I加仑至约2加仑/分钟/水平英尺薄膜范围内的流速通过所述薄膜将所述水溶液递送到所述流体储存器中。
5.根据权利要求4所述的方法，其中递送所述水溶液的步骤进一步包括以在约1.25加仑至约1.5加仑/分钟/水平 英尺薄膜范围内的流速通过所述薄膜将所述水溶液递送到所述流体储存器中。
6.根据权利要求5所述的方法，其中递送所述水溶液的步骤进一步包括以约1.3加仑/分钟/水平英尺薄膜的流速通过所述薄膜将所述水溶液递送到所述流体储存器中。
7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将所述薄膜取向从而将最佳量的光反射到所述流体储存器中。
8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括使所述水溶液流过具有在约0.1毫米至约0.5毫米范围内的边界层厚度的所述薄膜纤维。
9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括使所述水溶液流过具有在约0.2毫米至约0.4毫米范围内的边界层厚度的所述薄膜纤维。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括使所述水溶液流过具有约0.3毫米的边界层厚度的所述薄膜纤维。
11.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述气流中至少包括CO2的步骤。
12.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述气流中至少包括NOx的步骤。
13.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述气流中至少包括SOx的步骤。
14.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述气流中至少包括NH3的步骤。
15.一种使用系统用于增强将至少一种可溶性气体物质从气相中质量转移到液相中的改进设备，所述系统具有安装在气流中的至少一个薄膜，在所述薄膜下面并与其接触的流体储存器，设置在所述薄膜上和所述流体储存器中的多个光合微生物，以及包括液体传送导管的水溶液递送装置，所述液体传送导管在所述至少一个薄膜顶部边缘附近具有至少一个开口用于将水溶液递送到所述薄膜顶部边缘附近的导管中，其中所述薄膜允许所述水溶液通过毛细管作用流过所述薄膜，所述改进包括所述薄膜由纤维形成，其中至少一些纤维具有基本上等于流过所述纤维的水溶液边界层厚度的厚度。
16.根据权利要求15所述的改进设备，进一步包括以在约0.5加仑至约2.5加仑/分钟/水平英尺薄膜范围内的流速通过所述薄膜将所述水溶液递送到所述流体储存器中的装置。
17.根据权利要求16所述的改进设备，进一步包括以在约0.75加仑至约2.25加仑/分钟/水平英尺薄膜范围内的流速通过所述薄膜将所述水溶液递送到所述流体储存器中的装置。
18.根据权利要求17所述的改进设备，进一步包括以在约I加仑至约2加仑/分钟/水平英尺薄膜范围内的流速通过所述薄膜将所述水溶液递送到所述流体储存器中的装置。
19.根据权利要求18所述的改进设备，进一步包括以在约1.25加仑至约1.5加仑/分钟/水平英尺薄膜范围内的流速通过所述薄膜将所述水溶液递送到所述流体储存器中的装置。
20.根据权利要求19所述的改进设备，进一步包括以约1.3加仑/分钟/水平英尺薄膜的流速通过所述薄膜将所述水溶液递送到所述流体储存器中的装置。
21.根据权利要求15所述的改进设备，其中至少一些纤维具有在约0.1毫米至约0.5毫米范围内的厚度。
22.根据权利要求21所述的改进设备，其中至少一些纤维具有在约0.2毫米至约0.4毫米范围内的厚度。
23.根据权利要求22所述的改进设备，其中至少一些纤维具有约为0.3毫米的厚度。
24.根据权利要求15所述的改进设备，其中所述至少一种可溶性气体物质包括C02。
25.根据权利要求15所述的改进设备，其中所述至少一种可溶性气体物质包括NOx。
26.根据权利要求15所述的改进设备，其中所述至少一种可溶性气体物质包括SOx。
27.根据权利要求15所述的改进设备，其中所述至少一种可溶性气体物质包括NH3。
全文摘要
本发明公开了使用悬挂在水池上方的垂直薄膜增强气液转移速率和藻类生长的方法，其中所述薄膜由纤维形成。水溶液通过一系列集管施加于薄膜的顶部边缘。通过重力辅助的毛细管作用随着水溶液通过薄膜向下迁移，所述薄膜暴露于包含可溶性气体物质的气流。所述水溶液从所述气流收集所述可溶性气体，因此促进光合生物体在所述薄膜上和所述水池中生长。所述薄膜有助于以约1.3加仑/分钟/纵英尺薄膜的优选速率将水溶液逐步引入水池中，以便优化将可溶性物质从气相转移到液相中，而不会快速地酸化水池并损害所述光养生物体。
文档编号C12M1/04GK103153432SQ201180045970
公开日2013年6月12日 申请日期2011年9月26日 优先权日2010年9月24日
发明者戴维·J·贝利斯, 本·斯图尔特 申请人:俄亥俄大学