使用用于藻类培养的脉冲流循环的系统和方法
【专利说明】使用用于藻类培养的脉冲流循环的系统和方法
[0001]本申请是2013年8月22日提交的申请系列号13/973,638的部分延续(CIP)申请，后者目前待审，并且是2011年7月25日提交的申请系列号13/189，737的分案，后者在2013年9月24日被公布为美国专利号8，541，225。申请系列号13/973，638和专利号8，541，225的内容通过参考并入本文。
技术领域
[0002]总的来说，本发明涉及用于生长藻类的系统和方法。更具体来说，本发明涉及可以通过最小化由生物淤积引起的并发问题，以更高效的方式连续生长藻类的系统的使用。本发明具体但不排他地可用作通过使用脉冲流周期性地搅拌并冲洗藻类培养装置并增加培养物的可用表面积来提高藻类生长系统的生产率的系统。
【背景技术】
[0003]随着世界范围石油储量的降低，对石油短缺和与碳基燃料源的生产相关的成本的担忧不断上升。结果，对目前从石油加工的产品的可替代品，正在进行研究。在这方面，生物燃料已被认为是石油基燃料的一种可能的替代品。总的来说，生物柴油是包括源自于植物油或动物脂肪的长链脂肪酸的单烷基酯的燃料。在工业实践中，当将植物油或动物脂肪与醇类例如甲醇反应时，产生生物柴油。
[0004]近年来，除了使用动物脂肪之外，从植物油产生生物燃料已获得广泛关注。当然，从植物油产生生物燃料的程序，必需通过生长和收获植物例如藻类细胞来开始。特别是，已知藻类是将太阳能转变成细胞生长的最高效的植物之一，因此它作为生物燃料源是特别令人感兴趣的。
[0005]在藻类培养系统中，藻类细胞通常在培养装置中，作为暴露于太阳光以促进光合生长的液体培养基的一部分生长。此外，藻类细胞生长过程一般要求液体培养基通过系统连续循环，以允许藻类细胞摄取营养物。目前使用的满足这些要求的三种最流行的藻类培养装置是:(I)光生物反应器，(2)具有循环装置的培养塘，和(3)不具有循环装置的培养塘。尽管在生长藻类时具有大量优点，但这些装置具有显著缺点，许多缺点涉及生物淤积。随着生物淤积，藻类细胞倾向于附着或积累在各种不同表面上。具体来说，藻类细胞附着于透光顶盖和装置的底部和壁。重要的是，生物淤积可以显著降低藻类培养系统的生产率。详细来说，如果由于藻类细胞附着于透光顶盖而发生生物淤积，则由于更少的光到达藻类细胞而使光合作用受到破坏。此外，当藻类细胞在表面上保持静止时，出现几个问题:(I)藻类细胞可能死亡并为污染物例如原生动物提供食物源；(2)在水表面下沉积过深的藻类细胞将无法接收足够的光；并且(3)藻类细胞将无法充分移动以摄取漂浮在藻类培养物中的营养物。所有这些问题均引起对有效藻类培养系统的显著破坏。
[0006]为了连续循环藻类培养物，已进行了各种努力。然而，生物淤积仍对藻类培养系统造成显著问题。一个问题是，由于藻类培养系统必须被经常排干并清洁以除去已附着于各种表面的藻类细胞，因此妨碍了系统效率。通过使用从表面强有力地去除藻类细胞并且也作为动力用于循环系统中的藻类细胞的装置或方法，可以将这些中断降至最低。
[0007]正如在本文中进一步描述的，可以产生脉冲流并使用它在循环藻类培养物中提供高的局部和周期性流体速度，这可以有助于将灰尘和其他塘沉积物沿着塘的长度向中央收集地点(例如集水坑)移动，在那里它们可以被容易地移除。这种行动可以产生更清洁的塘系统。除了清洁之外，由脉冲流产生的波可以增加塘的等效表面积，对于给定的塘面积来说产生更高的生长。结合由脉冲产生的更粗糙的流体表面，更少的光被反射，并且更多的光能被吸收。脉冲流系统的波状表面还可以为入射光产生更好的角度。在某些情况下，通过由脉冲流产生的波，可以产生多出多达40%的表面积，导致藻类总生长速率提高20%或更多。此外，对于管状反应器来说，由脉冲流产生的流速的突然增加，可以帮助将静态气泡运输到开放空间进行释放。由于气泡常常具有可以抑制光合作用的高氧浓度，因此气泡的移除可能是有益的。
[0008]有鉴于上述情况，本发明的目的是提供将生物淤积的影响降至最低的用于生长藻类以生产生物燃料的系统和方法。本发明的另一个目的是提供使用脉冲流来提高系统效率的用于生长藻类的系统和方法。本发明的另一个目的是提供用于在通道和导管中循环的藻类培养物中产生脉冲流的装置。本发明的又一个目的是提供使用执行简单、易于使用并且成本效益相对高的脉冲流循环的用于生长藻类的系统和方法。
[0009]发明概述
[0010]按照本发明，提供了使用脉冲流来循环藻类培养系统中的藻类的系统和方法。在一种实施方式中，使用高架冲洗罐来产生所述脉冲流。当所述脉冲流产生时，它循环藻类细胞，并去除粘附于所述藻类培养系统的各个部件的任何藻类细胞。
[0011]在结构上，本发明的系统可以被改造以适应于与目前使用的任何类型的藻类培养装置一起使用，或者所述系统可以用作单独的藻类培养系统。目前使用的用于培养藻类的两种最常用装置是光生物反应器或塘(具有或不具有循环装置)。本发明可以被改造以适应于与任一类型的装置一起使用。出于比较目的，光生物反应器是最通常具有竖直构造的封闭系统，而塘是开放系统，并以水平构造建造在表面上。在任一种情形中，提供有冲洗罐以储存固定量的从所述藻类培养装置抽出的藻类培养流出物。正如为本发明所设想的，所述冲洗罐的位置比所述培养装置更高，并通过导管连接到所述培养装置。为了补偿这种高度差，提供了循环栗以将所述流出物从所述培养装置移动到所述冲洗罐中。该栗通常位于所述藻类培养装置的接入点或排液点处。更具体来说，由于光生物反应器通常被构建成具有竖直取向，因此接入或排液点最通常位于所述光生物反应器的底部处。并且，培养塘具有指定的排液或接入点，用于从所述塘移除液体。在任一种情形中，都在所述循环栗与所述冲洗罐之间连接导管。此外，在所述系统中还可能包括气体交换罐，以向一部分抽出的流出物添加二氧化碳(CO2)并在同时移除氧气(O2)。在所述系统中包括所述气体交换罐是为了通过提供被藻类细胞用作营养源的CO2来促进藻类生长。正如为本发明所设想的，所述气体交换罐接收从所述藻类培养装置抽出的藻类流出物，为所述流出物富集CO2，并将所述富含0)2的流出物通过返回管线重新导回到所述培养装置中。此外，气体交换罐和冲洗罐可以是同一个罐。
[0012]为了控制所述流出物从所述冲洗罐的释放，可以提供几个部件。作为其中的一个，可以将定时器连接到所述冲洗罐，以在预定时间释放所述流出物。在另一种实施方式中，将液位开关连接到所述冲洗罐，以在所述冲洗罐达到预先计划的容量水平后释放所述流出物。正如为本发明所设想的，包括了所述定时器和所述液位开关两者以与所述系统一起使用。或者，也可以使用激活开关手动地激活所述冲洗罐。使用任何激活方法，将闸门阀从关闭位置移动到打开位置，以将流体从所述冲洗罐释放到与所述藻类培养装置相连的转移管线中。在激活后，脉冲从所述冲洗罐快速流动到所述藻类培养装置中。
[0013]在运行中，本发明的系统通过从所述藻类培养装置抽出一部分藻类培养物以产生流出物来启动。然后使用所述循环栗将所述流出物经所述导管栗入到所述冲洗罐中。所述流出物保留在所述冲洗罐中，直至以下列方式之一将其释放:(I)手动打开冲洗阀；(2)所述定时器启动所述起动器以打开所述冲洗阀；或(3)在所述流出物在所述冲洗罐中达到预定液位后，液位开关启动所述冲洗阀以释放所述流出物。应该指出，所述系统可以使用前述方法的任何组合以从所述冲洗罐释放流出物。在释放后，并且主要是由于所述培养装置与所述冲洗罐之间的高度差，所述流出物将快速流出所述冲洗罐并通过转移管线流入所述培养装置，以产生流出物的脉冲流。由于流体流速的突然增加，所述脉冲流将去除附着于所述培养装置的任何表面的任何藻类细胞。另外，所述脉冲流将在所述藻类培养装置中引起湍流。该湍流将使沉积在所述培养装置底部上的大多数(如果不是所有的话)藻类细胞变得再一次悬浮在所述藻类培养物中。藻类细胞的这种移动将促进光合作用并提高漂浮在所述培养物中的营养物的可接近性。在大多数情形中，所述脉冲流的流动方向将与所述培养装置中的流动方向相同。此外，所述系统也可以逆转所述脉冲流的流动方向，以与所述培养装置中藻类培养物的流动相反的方向前进。
[0014]在所述流出物被释放后，所述冲洗罐被排空，并且可以开始新的脉冲流循环或冲洗循环。当所述冲洗阀被关闭并且所述栗抽出流出物以装填