用于从水生植物收集乙醇的方法和系统的制作方法

专利名称：用于从水生植物收集乙醇的方法和系统的制作方法
技术领域：
本公开涉及生产和收集乙醇的系统和方法，并且更具体地属于用于促进植物的植物生长和乙醇生产的新型乙醇生产方法，该植物在无氧代谢过程中产生游离乙醇以形成植物生长的自供养循环(self-sustaining cycle)。本公开也涉及收集、纯化和/或提取水生植物在无氧代谢过程中产生的乙醇的系统。

发明内容
本文中提供的是收集、纯化和/或提取由水生植物在无氧代谢过程中产生的乙醇的方法和系统。在本文中提供的系统得益于由水生植物生产乙醇的方法，包括在植物体中诱导有氧和无氧代谢的交替步骤。
实施例I是乙醇产生和收集系统，包括含水小室(隔间，cell)和至少一种水生植物，和与水流体连通的乙醇去除组件，以及设置成抑制水生植物光合作用的光合作用的光调节系统。实施例2是乙醇产生和收集系统,包括含水小室和至少一种水生植物，和与水流体连通的乙醇去除组件，以及用于调节光合作用诱导光以允许其到达至少一种水生植物的装置。在本文中揭露了示例性装置(方法)。实施例3是诱导乙醇形成的方法，该方法包括以下的步骤把水生植物置于含水小室中；在小室内创造缺氧条件，以便引发水生植物的厌氧过程；在细胞内创造充氧条件以便引发需氧过程；并且重复创造缺氧和充氧条件的步骤。水生植物尺寸增加并且通过在厌氧过程中代谢储存的碳水化合物释放乙醇。水生植物在需氧过程中产生并储存碳水化合物。创造缺氧和充氧条件的重复步骤促进水生植物尺寸增大并提高乙醇的释放。在实施例4中，实施例3的方法进一步包括从小室中去除乙醇的步骤。在实施例5中，实施例3或4的方法进一步包括引入催化剂，如2，4-二氯苯氧乙酸(2，4-dichlorophynoxyacetic acid),以提高无氧代谢的步骤。在实施例6中,任何实施例3-5的方法进一步包括加入CO2以提高有氧代谢和碳水化合物的形成的步骤。在实施例7中，创造任何实施例3-6中的缺氧条件的步骤包括在小室中具有缺氧水,和包括在小室中具有充氧水的创造充氧条件的步骤。在实施例8中,保持和重复使用实施例7的缺氧水至少一次以引发另一次缺氧条件。在实施例9中，任何实施例3-8的方法中的植物能够放置在大量小室中，并且缺氧水能够在小室之间转移以增加缺氧水中乙醇的浓度。在实施例10中，任何实施例3-9的方法进一步包括在需氧过程中向小室引入植物营养物以增加碳水化合物的产生的步骤。在实施例11中，任何实施例3-10的方法进一步包括去除过量或者开始衰老的植物材料的步骤，其可用于在生物化学工业中作为水生植物供给材料或在新的小室中播种(seed)。在实施例12中，任何实施例3_11的方法能够使用眼子菜科(family Potamogetonaceae)中的水生植物实施。实施例13是诱导乙醇形成的方法，包括以下步骤把水生植物置于含水小室中；在小室内创造充氧条件以引发植物的需氧过程；用密封屏障覆盖小室以防止氧气进入水中；在小室内创造缺氧条件以引发厌氧过程；并从水中分离乙醇。水生植物在需氧过程中产生并储存碳水化合物。水生植物尺寸增加并且在厌氧过程中通过代谢储存的碳水化合物释放乙醇。在实施例14中，实施例13的方法进一步包括重复创造缺氧和充氧条件的步骤以促进水生植物的尺寸增加并促进乙醇的释放。在实施例15中，实施例13或14的方法进一步包括在缺氧条件下用阻光的覆盖物覆盖在小室上以防止光进入小室的步骤。在实施例16中，将实施例15中用阻光的覆盖物覆盖在小室上的步骤定义为黑暗阶段(dark ph ase)。在实施例17中，在充氧条件过程中去除实施例15或16中的阻光覆盖物,将小室暴露在光下,定义为光照阶段(light phase)ο在实施例18中，实施例16或17的黑暗阶段持续至少2天并且光照阶段相对于黑暗阶段具有小于1:2的比率的持续时间。在实施例19中，任何实施例13-18的方法进一步包括引入催化剂，如2，4-二氯苯氧乙酸，以提高无氧代谢的步骤。在实施例20中，任何实施例13-18的方法能够使用眼子菜科中的水生植物实施。在实施例21中，任何实施例3-20的方法，进一步包括将酵母加入小室中的步骤。在实施例22中，任何实施例3-21的方法进一步包括在小室内产生水搅动的步骤，以防止在缺氧条件下毗邻水生植物的植物废料的累积。实施例23是诱导乙醇形成的方法，包括以下步骤把水生植物置于含水小室中；在细胞内创造充氧条件以使植物引发需氧过程；用阻光屏障覆盖小室以防止光进入小室；在小室内创造缺氧条件以引发厌氧过程；和从水中分离乙醇。水生植物在需氧过程中产生和储存碳水化合物。水生植物尺寸增加并且在厌氧过程中通过代谢储存的碳水化合物释放乙醇。在实施例24中，实施例23的方法进一步包括重复创造缺氧和充氧条件的步骤以便促进水生植物的尺寸增加和促进乙醇的释放。在实施例25中，将实施例23或24的用阻光覆盖物覆盖小室的步骤定义为黑暗阶段。在实施例26中，在充氧条件下去除任何实施例23-25的阻光覆盖物，以使小室暴露在光下，定义为光照阶段。在实施例27中，实施例25或26的黑暗阶段持续至少2天并且光照阶段相对于黑暗阶段具有小于1:2的比率的持续时间。在实施例28中，任何实施例23-27的方法进一步包括将酵母加入小室中的步骤。在实施例29中，任何实施例23-28的方法进一步包括引入催化剂，如2，4_ 二氯苯氧乙酸，以提高无氧代谢的步骤。在实施例30中，任何实施例23-39的方法进一步包括在小室内产生水搅动的步骤，以防止在厌氧条件下毗邻水生植物的植物废料的累积。在实施例31中，任何实施例23-30的方法能够使用眼子菜科中的水生植物实施。在实施例32中，任何实施例23-31的方法进一步包括用密封屏障覆盖小室以防止氧气进入水中的步骤。实施例33是诱导乙醇形成的方法，该方法包括以下步骤把水生植物置于含水小室中；引发补给阶段(recharge phase，再补给阶段)，在该阶段将水充氧以创造充氧条件并且将植物暴露在光下定义为光照阶段；促进转移阶段，在该阶段使水缺氧以定义为厌氧条件，并且使小室缺乏光合作用诱导光定义为黑暗阶段；通过在缺氧条件下和黑暗阶段中保留该植物促进缺氧阶段；并且捕获由植物释放到水中的乙醇。光照阶段促进植物通过有氧代谢形成碳水化合物。黑暗阶段促进植物无氧代谢，以便植物将乙醇释放到水里。在实施例34中，促进实施例33的转移阶段的步骤进一步包括将酵母加入水中的步骤。在实施例35中，实施例33或34的补给阶段维持在O. 5天到12天之间。在实施例36中，任何实施例33-35的转移阶段维持在O. 5天到6天之间。在实施例37中，任何实施例33-36的缺氧阶段维持至少3天。在实施例38中，任何实施例33-37的方法进一步包括重复发起补给阶段、促进转移阶段和促进缺氧阶段的步骤，以促进乙醇释放。在实施例39中，任何实施例33-38的方法，进一步包括在缺氧条件下用阻光覆盖物覆盖小室以防止光进入小室中的步骤，定义为黑暗阶段。在实施例40中，任何实施例33-39的黑暗阶段持续至少2天并且光照阶段相对于黑暗阶段具有小于1:2的比率的持续时间。在实施例41中，任何实施例33-40的方法进一步包括引入催化剂，如2，4- 二氯苯氧乙酸，以提高无氧代谢的步骤。在实施例42中，任 何实施例33-41的方法进一步包括在小室内产生水搅动的步骤，以防止在缺氧条件下毗邻水生植物的植物废料的累积。在实施例43中，任何实施例33-42的方法能够使用眼子菜科的水生植物实施。在实施例44中，任何实施例33-43的黑暗阶段持续至少2天并且光照阶段具有必须代替在黑暗阶段失去的碳水化合物含量的持续时间。在实施例45中，维持任何实施例33-44的补给阶段以重建在缺氧阶段失去的碳水化合物。在实施例46中，任何实施例33-45的转移阶段维持在2天到6天之间。在实施例47中，任何实施例33-46的缺氧阶段维持至少6天。在实施例48中，促进任何实施例33-47的转移阶段的步骤进一步包括将减少氧气的酵母、细菌或酶加入水中的步骤。在实施例49中，实施例48的方法进一步包括在转移阶段加入碳水化合物源以促进缺氧条件的步骤。因而已经相当宽泛地描述了本公开更重要的特点，以便可以更好地理解其接下来的详细描述，并且以便更好地评价本公开对本领域的贡献。将在下文描述本公开另外的特征，并且，将形成本公开所附的权利要求的主题。本公开的目的与构成本公开的特征的各种新颖性特征一起，在所附的权利要求中被特别地指出并形成了此公开的一部分。


当考虑随后的详细说明，将更好地理解本发明，并且除了上面列出的那些目的之夕卜，其他目的会变得明显。这样的描述参考附图图I是根据本公开的实施例促进乙醇生产和水生植物生长的方法的示意图。图2是根据本公开的实施例用于从水生植物中分离乙醇的系统的示意图。图3根据本公开的实施例促进乙醇生产和水生植物生长的方法的示意图。图4是根据本公开的实施例用于从水生植物分离乙醇的系统的示意图。图5是根据本公开的实施例用于从水生植物分离乙醇的系统的示意图。图6是根据本公开的实施例从水生植物生产的糖类获得乙醇的方法的示意图。
具体实施例方式现在参考附图，并且尤其是图I和3，将描述体现本公开的实施方式的原理和概念的新型乙醇生产方法并通常指定为参考附图数字20。图3是图I更详细的示意图。图2、4和5说明了基于方法20的各种系统30、40、50。如图I和3所示，促进乙醇生产和水生植物生长的方法20通常包括在一个或多个小室中培育水生植物。基于下面描述的方法，在本文中提供了从水生植物中分离乙醇的系统。可以获得水生植物，并且以任何常用的方式放入小室中，如从湖泊或池塘收集植物、在容器中培育他们或直接在小室中培育他们。当实施方法20时，因为他们需要用于未来的小室或用于更换的目的，因此它可能用于培育和提供水生植物。用于小室的水的类型将基于植物类型变化，但是淡水、盐水和淡盐水(brackish water)都适合于各种实施方式。每个小室被设置成能存放水，并且可能或可能不排成防止流体和气体转移到支撑小室的地表面上。小室的规格为存放一个或多个水生植物。小室的规格将取决于使用的水生植物的尺寸和类型，和选中的水生植物所需要的深度，以便在没有限制的情况下适当地生长。每个小室的深度能够在约IOcm到约20m的范围内(例如IOcm到100cm、50cm到lm、IOOcm 到 lm、500cm 到 3m、Im 到 5m、4m 到 10m、5m 到 7m、5m 到 IOm 或 IOm 到 20m)。已发现，一些植物可以在提供其他环境因素的情况下，如存在深处的非典型的高水温，在显著更深 的深度中生长。例如，已经显示龙须草(Stuckenia pectinata)生长在大于20m的水深处，在该深度处热通孔(thermal vents)提供至少比在此深度的北美湖中所发现的典型的更热的水。小室的宽度和长度对系统是无关紧要的。应理解小室的宽度和长度不必是相等的，并且能够调节以适应在系统中使用的植物的数量和类型，并且能够进一步取决于小室的外形、可用的土地面积、原材料的取得和成本控制。当小室的规格为存放一个植物时，这比包含多个小室的系统是有优势的。小室也可以是温控的，并且尤其是小室应当防止可能杀死水生植物的冻结。用于小室的热可以与毗邻的处理乙醇的植物释放的废热或其他任何方便的废热来源隔离。也可以在方便的情况下利用额外的热源，如地热和太阳热。在一个实施方式中，可以利用废水处理厂或电力设施排放的水，以调节温度并向水生植物提供额外的营养物。另外，在特别热的气候中，可能需要冷却小室以防止温度将另外损伤植物。取决于利用的各种水生植物，可以选择温度范围，其优化植物生长和乙醇生产。例如，虽然应当理解，生长和乙醇的生产的总温度范围落入宽得多的范围内，但为了最佳生长可以将一些选择的植物(如龙须草)维持在85°华氏度和73°华氏度之间。控制温度的一种方式是将小室沉入地面中，在该处土壤围绕在小室周围将调节小室的温度。可以将基质(substrate )，例如细的颗粒置于小室中，并且将水生植物引入小室中，在该处其可以在颗粒中自我固定(锚定)下来。可以使用细的颗粒，因为其可以促进水生植物在颗粒中生根的部分的低能量支出，并且在颗粒的表面上保留更高百分数的植物物质。然而，方法20利用的许多植物主要依靠其根系统作为固定手段，并且因此可以使用可以根部长入的任何类型的固定机制或者基质。另外，更密集的颗粒可能是有用的，在小室中的水流动需要坚固的固定基底。因此，在本文中提供的系统的小室可能包括机械固定装置，如栅格或筛网，根部可以长入和自我连接。水生植物可以选自任意数量的水生植物，其很容易在水生环境中或其上生存，如直接在水或在永久饱和的土壤中。更一般地说，术语“水生植物”可以包括任何藻类、水生植物或半水生植物，其对一直沉没在水中或在淹没阶段间歇性沉没都具有高耐受性。而且，可以在一个小室内使用多种类型的水生植物。水生植物可包括，例如，藻类，水下生长的水草，如，但不局限于，龙须草(Stuckenia pectinata)(以前被称为龙须眼子菜(Potamogeton pectinatus))，范草(Potamogeton crispus),目艮子菜(Potamogeton distintcus)，小节目艮子菜(Potamogeton nodosus)，川蔓藻(Ruppia maitima)，狐尾藻(Myriophyllum spicatum)，黑藻(Hydrilla certicillata),伊乐藻(Elodea densa)，杉叶藻(Hippuris vulgaris),大皱边草(Aponogeton boivinianus),硬叶浪草(Aponogeton rigidifolius)，长叶皱边浪草(Aponogeton Iongiplumulosus),牛顿草(Didiplis diandra)，爪卩圭莫丝(Vesicularia dubyana)，小柳(Hygrophilia augustifolia)，珍珠金钱草(Micranthemumumbrosum)，大艾克草(Eichhornia azurea)，苏奴草(Saururus cernuus)，舌头椒草(Cryptocoryne lingua)，北极杉(Hydrotriche hottoniifIora),百叶草(Eustralisstellata)， Vallisneria rubra,柳叶水養衣(Hygrophila salicifolia )，泰国水剑(Cyperus helferi )，培菌椒草(Cryptocoryne petchii )，苦草(Vallisneria americana)，Vallisneria torta，北极杉(Hydrotriche hottoniiflora)，肉叶草(Crassula helmsii)，石龙尾(Limnophila sessiliflora)，穿叶眼子菜(Potamogeton perfoliatus)，红松尾(Rotala wallichii)，贝克椒(Cryptocoryne becketii)，中箦藻(Blyxa aubertii)和水罗兰(Hygrophila difformmis)，浮萍如，但不局限于，紫萍(Spirodela polyrrhiza),无根萍(Wolffia globosa)，品萍(Lemna trisulca)，膨胀青萍(Lemna gibba)，青萍(Lemnaminor)，斑萍(Lemna punctata)，水甘兰，如，但不局限于大萍(Pistia stratiotes)，毛茛如，但不局限于毛茛科(Ranunculus)，水生瘈藜如，但不局限于菱角(Trapa natans)和菱角(Trapa bicornis)，水生百合，如青斑睡莲(Nymphaea lotus)，睡莲科(Nymphaeaceae)和莲科(Nelumbonaceae)，水生风信子如，但不局限于布袋莲(Eichhornia crassipes)，黑木厥(Bolbitis heudelotii)，和穗药属(Cabomba)，以及海草如，但不局限于小竹叶(Heterantheta zosterifolia),波喜荡草科(Posidoniaceae)，大叶藻科(Zosteraceae)，水鳖科(Hydrocharitaceae)，和丝粉藻科(Cymodoceaceae)。此外，在各种实施方式的一个中，寄主藻类可以选自由绿藻、红藻、褐色藻类、硅藻、海生藻类、淡水藻类、单细胞藻类、多细胞藻类、海草、耐寒藻株、耐热藻株、耐乙醇藻株及其组合所组成的组。水生植物通常也可以选自包括眼子菜(如Stuckenia).金鱼藻科(CeratophyIIaceae)Λ 小二仙草科(Haloragaceae)和川蔓藻科(Ruppiaceae)的植物科中的一种。更尤其是，选择的水生植物应当具有较大的巴斯德效应，其增加厌氧的CO2产量和有氧的CO2产量的比率。典型地，这个比率约为1:3，但是水生植物如例如龙须草(以前并且也有时被称为龙须眼子菜)且通常被称为Sago Pondweed，可能将这个比率增加到2:1，正如“Anoxia tolerance in the aquatic monocot Potamogetonpectinatus:absence of oxygen stimulates elongation in association with anusually large Pasteur effect，，，，Journal of Experimental Botany, Volume 51，Number349, ppl413-1422, August 2000中解释的一样。在黑暗的和缺氧的环境中发生的伸长过程中，植物的细胞状腔体伸长以储存在水生植物需氧过程中有氧代谢形成的碳水化合物。然后可以使用这些碳水化合物以在水生植物的厌氧过程中的无氧代谢过程中形成乙醇。通常，方程式如下所示植物有氧代谢6C02+6H20— 602+C6H1206植物无氧代谢=C6H12O6— 2C02+2C2H50H一旦水生植物在小室中固定，在水生植物中引发厌氧过程，其促进储存的碳水化合物的代谢成乙醇。在一个实施方式中，通过在小室中创造缺氧条件(在这里也称为厌氧条件)引发或促进厌氧过程。在这里将术语“缺氧”定义为氧气消耗的程度，在该程度下其诱导植物进入或维持无氧代谢条件。因此，缺氧条件能够足以减少或维持植物细胞内氧气的水平，以便促进植物厌氧过程或代谢。有多种在小室中产生缺氧条件的方法，并且每种方法可以独立地或与一种或多种其他方法组合起来使用。在一个实施方式中，通过耗尽或减少包含在小室中的水中的氧气浓度创造缺氧条件。这可以将水引入到通过使用有机的、化学的或机械的手段严格耗尽(例如提出厌氧的)氧气的小室中实施。这也可以通过从包含在小室内的水中去除氧气实施。应当理解，术语“缺氧”不一定表明水中完全没有氧气，因为少量的氧气将可能溶解在水中。本发明的这个实施方式和其他实施方式可以用多个小室实施,其中缺氧水和充氧水按需要在小室之间循环，以在缺氧条件和充氧条件之间交替。例如，利用多个小室的过程可能包括含达到 2% 乙醇(例如 O. 1%、0· 2%、0· 3%、0· 4%、0· 5%、0· 75%、I. 0%、1· 25%、I. 5%，或
I.75%)的缺氧水的第一个小室，将其转移到之前已被充氧的第二个小室中。缺氧水替换在第二个小室中去除的充氧水，以便在第二个小室中创造缺氧条件。然后在第二个小室内促进植物生长和乙醇生产。需要指出的是，最初在第二个小室中具有乙醇(因为缺氧水包括来自第一个小室的厌氧过程的乙醇)，当水生植物检测到水中的乙醇时，可能进一步刺激乙醇生产。例如，在第二个小室中可以允许增加乙醇浓度达到4%(例如O. 5%、0. 75%、I. 0%、1. 5%、
I.75%,2. 0%、2. 5%、3. 0%，或3. 5%)。每当将缺氧水移动到新的小室中时，便促进那些植物的伸长和乙醇生产。一旦缺氧水中的乙醇浓度达到预定的水平,如例如达到体积的10%(例如1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%，或9%)，就将缺氧水移出小室并使用惯用的手段从水中提取乙醇。可替换地或另外，可以向小室中加入减少氧气的添加剂如谷类、酵母、细菌(例如通常为遗传改变的细菌和/或能够发酵的细菌)，或酶(其消耗氧气和糖类，同时产生二氧化碳)以耗尽氧气的水平。为了促进耗尽氧气的水平，可以向水中加入次要的碳水化合物来源例如谷类、糖蜜、小麦或其他糖类来源以供减少氧气的添加剂使用。次要的碳水化合物来源可以与酵母一起加入以弓I起足够强烈的反应从而从系统去除大量氧气。通过减少氧气的添 加剂降低氧气的一个益处可以是额外生产的乙醇。水中缺乏足够的氧气促进水生植物的厌氧过程，引起其代谢碳水化合物并且生产乙醇。可以进一步地通过引入化学催化剂和CO2促进乙醇的生产。适宜的化学催化剂包括乙酸和2，4_ 二氯苯氧基乙酸(通常被称为2，4-d)。例如，可以从诸如电力设施和石油精炼厂等的废料来源获得C02。可以进一步加入额外的营养物和盐，如钾、氮和磷的盐，以促进水生植物的生长。此外，取决于利用的水生植物的种类、有机基质，可以向小室中加入包含但不限于诸如蔗糖、葡萄糖和乙酸盐的那些。在厌氧过程中，水生植物尺寸能够增加并且可以达到其初始长度的10倍或更多的长度。在这里术语“尺寸”理解为包括植物体积的增长，其允许存储更大量的碳水化合物。伸长提供额外的细胞室体积以存储稍后由水生植物形成的碳水化合物。另外在厌氧过程中，水生植物在细胞内生产乙醇并将其释放到细胞外。然后这些乙醇存放在小室的水中直至通过下面进一步揭露的方法去除。这个厌氧过程可以发生一天到几天。在龙须眼子菜(或龙须草)的情况下，虽然更长的周期，如多达14天可能对最大限度地提高输出效率有利，但是总共六天可能足够。所需的时间将取决于许多因素，如光扩散、营养物利用率、小室的尺寸，植物的尺寸、植物品种、水温和植物的碳含量。可以允许植物在缺氧条件下保留多达几星期。时间长度的确定主要取决于乙醇的最大产量。当植物的乙醇产量减少到超出有效参数时，可以不需要将其保存在缺氧条件下。此外，必须监控小室的PH值以防止水变得太酸或太碱。这可以用含钙缓冲化合物(如碳酸钙和氯化钙或通过引入CO2 (到碱性水中))中和，但是将最终取决于小室中特殊水生植物物种的耐受性。在另外的实施方式中，可以通过调节允许到达植物的光合作用诱导光的量引发和 /或促进厌氧过程。尤其是，在厌氧期间，可以将小室与促进光合作用的光源隔离。缺乏光照促进厌氧过程和乙醇的释放，并且防止通过光合作用形成氧气。可以通过任何惯用的方法调节光照以在小室内创造黑暗条件。应当理解，应当阻挡的术语“光照”仅仅适用于辐射或光波长的形式，其充当光合作用的催化剂并且取决于每种植物使用的化学受体的类型。因此，本文中使用的术语“黑暗”，意味着表示大量缺乏促进光合作用的光的频率。可以利用各种用于调节(例如选择性阻止/允许)到达水生植物的光合作用诱导光的方法。这样的方法包括，例如，屏障、覆盖物、圆顶或其他外壳结构，其在厌氧过程中至少充当光屏障。当不再期望将水生植物维持在厌氧条件中时，这些上述的屏障、覆盖物等是可以移走的。在一个实施方式中，通过人可见光照亮小室，然而其促进植物“黑暗”条件。其他适宜的调整方法包括散射光合作用诱导光的滤光器。可以使用人工光源保持黑暗条件和/或当不期望厌氧条件时选择性地允许光合作用。在进一步的实施方式中，可以通过用一种或多种密封屏障覆盖小室以调节气体(例如空气、氧气、CO2、氮气、蒸发的乙醇等)进出小室的运动促进厌氧过程。例如，密封屏障可以防止不需要的氧气引入到小室里。密封屏障(或额外的密封屏障)也可以用于保持小室内的CO2，尤其是如果将CO2加入小室中。另外，也可以维持高N2水平，以进一步稀释水中或截留在密封和小室之间的任何O2。密封屏障将密封小室以便防止小室和毗邻气体之间的流体连通。这将抑制氧气进入小室并且将促进厌氧过程。密封屏障可以是半透明的屏障，以便促进来自用于向水生植物提供光源(自然地和/或人工地)的辐射热的捕获。密封屏障可以或也可以不构成如上所述的阻光屏障，其位于小室上以便防止光在厌氧过程中进入小室。密封和阻光屏障可以由惯用材料制成。然而，应当理解，设置在小室周围的空间、容器、圆顶或其他结构，如果其用于这样的容器，也可定义为密封和阻光屏障。在一个实施方式中，上面提描述的厌氧过程先于、紧随或替换为需氧过程。通过在小室中创造充氧条件，引发和/或促进水生植物中的需氧过程，其通过水生植物推动碳水化合物的生产和存储。可以通过各种方法创造充氧条件，其可以独立地或组合起来使用。在一个实施方式中，将充氧水加入小室中，或将氧气直接引入包含在小室内的水中。在另外的实施方式中，移走气体屏障以允许水中的氧气浓度自然地增加。从而，可以通过将充氧水引入小室中、通过去除缺氧水和/或允许水通过植物释放的氧气和暴露在有氧的气体中自然充氧实现充氧条件。在进一步的实施方式中，可以独立地或与其他实施方式组合起来使用，水生植物暴露在光照中以便诱导光合作用，并通过允许在小室内的充氧条件(其引发和/或推动需氧过程)停止厌氧过程。“光照条件”可以通过操控光调节手段和在这里讨论的系统完成。例如，可以移除光屏障、覆盖物或过滤器等，以便允许自然的或人工的光合作用诱导光到达水生植物。可替换地或另外，可以保留光屏障在原地并且调节人工光源以允许光合作用诱导光到达水生植物。在需氧过程中，可以将废料，如来自方法10的生物料、工业废弃物、城市废物等，加入到小室中以向水生植物提供营养物。另外，随温度调节促进过滤最大日光/人工光以推动水生植物的生长。可以通过加入人工光强化光照本身。虽然可以按照植物的特定要求调整这个时间框架，但是通常，光照阶段持续在1/2天和15天之间，并且更一般地说至少3到6天，以允许水生植物形成糖类。此外，可以调整光照阶段的光以提供适合于使用的植物物种的光周期，以便维持植物健康和碳水化合物的生产。在需氧过程中，如上面所指出的那样，水生植物通过代谢过程产生碳水化合物，然后将碳水化合物保持在其伸长的结构内。需氧过程的持续时间依赖于大量因素，但是当碳水化合物生产开始减缓或达到预定的水平时，将代表性地终止。使用龙须眼子菜(龙须草)，取决于小室内的环境条件，可以是2天和14天之间。尤其是已发现，操控光照条件和黑暗条件可以影响水生植物生产乙醇和糖类的方式。例如，可以使一些水生植物经受持续若干天的光照，定义为光照阶段，紧随着限制光照持续若干天定义为黑暗阶段以促进厌氧的、生产乙醇的过程。在一个实施方式中，使黑暗条件与厌氧条件的引发同时或在其前或后不久发生，优选彼此在3天之内。已经显示一种植物龙须草，具有多达约6天的光照阶段，在这之后，其糖类稳定生产或达到预定的最佳水平。术语“天”定义为24个小时。这种植物具有大约在2天和30天之间的黑暗阶段，在此期间，其可能进入厌氧过程并且生产乙醇。通常，光照阶段与黑暗阶段的比率将不超过1:2并且小到1:10，更普通的比例为在1:2到1:7之间。应当理解，在光照和黑暗阶段，可以向水中加入CO2以便促进糖类和乙醇的形成。最终，控制上述光照和黑暗阶段的能力和本文中所描述的比率不适用于所有水生植物，因为某些植物在小于4小时的黑暗阶段之后就可能经历乙醇生产。对于水生植物的这些类型，光照阶段与黑暗阶段的比率可以大于2:1，虽然对于乙醇生产，相比于诸如龙须草的植物的实施，这样的水生植物可能具有不同的限制。—旦接近碳水化合物形成最大值，或这样的预定水平，就将再次引发厌氧过程，以开始碳水化合物代谢和乙醇形成的过程。虽然上面阐明的过程以厌氧阶段开始，之后紧接着有氧阶段，将理解在小室中将水生植物确定后能够首先引发任一阶段。可以重复创造缺氧条件和充氧条件的步骤，以不断地促进伸长和乙醇生产，紧接着碳水化合物生产。在植物生长补充植物衰老所失去的植物物质和那些不再满足建立的乙醇生产的耐受性时，就形成了自供养循环。可以去除不能用于补充目的或用于为另一个小室供给植物体的额外的植物生长，并且利用传统方法发酵也可以用于生产乙醇。可以捕获在发酵过程中释放的二氧化 碳，并回收到小室中以促进碳水化合物生产。在发酵过程前或后的植物废料，可以进一步作为供给物用于向小室补充营养物和/或可以处理以用于生物化学工业应用，如在乙醇和柴油机生物燃料、医药品、化妆品、着色剂、油漆等中。当光照阶段结束时，在充氧阶段和缺氧阶段之间可以有过渡期，期间氧气的量被消耗。在过渡期期间，将酵母加入到小室中，其将促进氧气的降低并且将允许酵母产生乙醇，这可以是有益的。由酵母形成的乙醇可以充当植物厌氧活性的催化剂，并且将提供额外的乙醇产量输出。与酵母一起加入的糖类或其他碳水化合物可以进一步提高厌氧活性。更宽广地定义这三部分循环包括1)补给阶段，其中充氧于水中和/或将植物暴露于光中以便形成碳水化合物，2)转移阶段，其中使水缺氧，使小室缺乏光合作用诱导光和/或加入酵母以形成乙醇并且耗尽氧气，和3)缺氧阶段，其中植物进入释放乙醇的厌氧过程。可以将第四阶段定义为第二个转移阶段，其中再次允许水变为充氧的。可以改进在本文中所教导的所有阶段以使植物生长和乙醇产量最大化。在一种方法中，补给阶段可能发生超过O. 5-12天，紧接着是O. 5-6天的转移阶段，然后其紧接着是至少6天的缺氧阶段，取决于利用的植物种类其可增加至超过20天。在另外的方法中，补给阶段可能发生超过3-6天，紧接着是2-6天的转移阶段，然后其紧接着是至少6天的缺氧阶段，取决于利用的植物种类其可以增加至超过20天。可以采取其他步骤以增加植物生长并且进一步促进乙醇生产。例如，为了增加乙醇形成，以及防止水滞留并最终杀死水生植物，可以使用水搅拌系统不断地搅动水以促进通过水生植物和在其附近的水的运动。这防止乙醇和毗邻植物的其他废料的累积并向植物提供营养物。已经进一步发现，水的搅动促进水添加剂如酵母的悬浮。搅动系统可以包括通过植物的任何形式的波运动或通过植物的水的持续流动。这样的水分移动系统可以流体连接到循环回路中，其在将水装于管路中后并且在水回到小室之前从水中或否则直接从小室中去除乙醇。在一些实施方式中，在这样的系统中，当水在小室外时,可以向水中加入营养物、抗生素、02、CO2、酵母，或任何其它需要或期望的添加剂。另外，循环回路也可以用于从水中去除O2，以便在其回到小室以创造缺氧条件之前使水缺氧。也发现，控制水生植物的生命周期，在延长水生植物的寿命方面可以有利的。尤其是，一些水生植物的寿命在那些植物成熟(开花，flower)之后终止。这可以在其可能成熟之前通过切断水生植物的上部阻止。这样的切断将阻止一些水生植物到达水表面以及成熟。也可以整个切掉和部分收获植物，以去除死的植物体并且使小室变窄以允许适当的光扩散到小室里。可以允许削减材料保留在小室中以向小室补充营养物。实施方法20的同时，可能产生细菌和藻花，其能够通过抗生素、硫酸氢盐、高氧压、除藻剂、氯化剂、紫外线暴露和其他常用方法来控制。然而，已发现，方法20产生大量的碳水化合物，并且尤其是单糖，其促进小室中细菌的滋生。鉴于此原因，已经发现为了降低碳水化合物的浓度和防止细菌滋生的目的，向小室中引入产生乙醇的酵母是有利的。可替换地，或与酵母、酶或细菌联合也可以用于减少碳水化合物的浓度。加入酵母的有利效果是乙醇产量的增长。如同厌氧过程一样，这个过程一般的方程式是C6H12O6 — 2C02+2C2H50H并且在本领域是众所周知的。可能需要置换酵母，尤其是在缺氧条件已经建立并且维持超过大约三天之后，虽然这取决于使用的酵母的菌株。也可以向系统中加入次要的碳水化合物 来源以引起酵母更强烈地反应。图6描绘了用于从酵母收集乙醇的方法100。方法100总体上是基于方法20的并且可以使用在本文中所描述的系统30、40和50实施。方法100通常包括在小室中定植水生植物、把酵母引入小室中、引发厌氧条件以便促进植物生产游离碳水化合物(例如单糖)、允许酵母将游离碳水化合物转换为乙醇，并收集乙醇的步骤。这种方法100可用作生产和收集乙醇的唯一手段，或它可以与本文中所描述的用于生产和收集乙醇的其他方法联合使用。可以用在本文中讨论的任何方法引发方法100中的厌氧条件，包括阻止光合作用诱导光到达植物或防止氧气进入水中。在一些实施方式中，通过阻止光合作用诱导光到达植物和阻止氧气进入水中引发厌氧条件。在方法100中可以在一个或多个时间点向小室中引入酵母。在方法100的实施方式中，该方法主要或全部依赖于酵母将碳水化合物转换为乙醇，可以切割或破坏植物以进一步地促进植物的碳水化合物的释放。在一些实施方式中，能够沿着主茎或叶子切割或破坏植物。在其他实施方式中，可以在根部切割植物。可以使用任何适当的方法来切割或破坏植物。例如，能够使用类似于用于管理水下植物的那些水下 切割机切割水生植物。在一些实施方式中，在没有切割的情况下，可以破坏或损坏植物，以促进碳水化合物的释放。例如，能够使用耙子，破坏或损坏水生植物。在一些实施方式中，方法100包括引发需氧条件，以便促进植物的碳水化合物的存储。可以使用本文中所描述的方法和系统在任何适当时间点引发方法100中的需氧条件。例如，能够在游离碳水化合物已耗尽时、在酵母生产乙醇变得效率低时，或在乙醇浓度达到预定水平时引发需氧条件。引发需氧条件的时间点可以取决于各种条件，如酵母菌株(例如乙醇耐受性或发酵效率)、植物种类(例如乙醇耐受性、碳水化合物存储效率)、用于乙醇收集等的设备。在需氧时期之后，能够通过，例如把小室暴露在自然或人工光中，再次引发厌氧条件。在一些实施方式中，在需氧时期之后可能必须替换水生植物和/或酵母。在一些实施方式中，能够用发酵细菌替换方法100中的酵母。图2、4和5分别描绘了用于实施描述的方法的系统30、40和50。应理解，在适当实施描述的方法20的情况下，能够结合、添加、去除或重排所描绘的系统30、40、50的任一组分和方面。图2描绘了特别好地适合于单一的小室使用的一个系统30，虽然应当理解，这个系统也可以与多个小室一起使用。这个系统30通常包括含水小室60和至少一个水生植物61，以及与小室60流体连通的乙醇去除组件66。小室60可以沉没到表面内部或在空间内部、部分沉没的容器结构或完全在地面以上的容器结构中。虽然循环或回路类型的小室对促进小室60中的水运动是有利的，但是小室60可以具有任何特殊的外形。虽然由于低功率的需求，可能证明利用重力提升系统是有利的，但可以以常规的方式移动水。系统30进一步包括一个或多个密封屏障65，其抑制气体，如进出小室的氧和/或CO2,的运动。利用光合作用的光调节系统62，以选择性地允许/阻止光合作用诱导光进入到小室里。讨论了多个关于方法20的光调节手段，任何这些手段可能构成所有或一部分的光调节系统62。例如，光调节系统62可以包括在一个或多个小室60上的阻光覆盖物或屏障。可替换地或另外，光调节系统62包括容纳或包含小室60的结构。应理解光调节系统62可以但是不需要，阻止所有光到达到系统的植物。确切地说，光调节系统62可以仅仅阻止一定波长或强度的将诱导系统的植物的光合作用的光。例如，光调节系统62可以是过滤器，其仅仅允许不诱导光合作用的波长通过。诱导光合作用的波长的实例包括从大约380nm到大约710nm的波长。取决于系统30使用的植物，诱导光合作用的波长范围可以更广或更窄，但是能够确定使用已知的方法。在一个实施方式中，密封屏障65和光调节系统62构成可能或不可能分开的单个结构。光调节系统62可以配置为可调节的以在某些时间点允许光合作用诱导光，如在有氧代谢或诱导有氧代谢期间，而在其他时间点阻止光合作用诱导光，如在无氧代谢或诱导无氧代谢期间。例如，光调节系统62是可移除的。在另外的实施例中，光调节系统62可以是电镀铬的，以便能够通过施加电流控制装置的不透明度或颜色。在一些实施方式中，光调节系统62可能包括如在图5中显示的人工光源86以提供光合作用诱导光和/或不诱导光合作用的光。能够配置这样的人工光源86以发射适合于期望条件的一定强度或频谱的光。例如，在无氧代谢或诱导无氧代谢期间，人工光源86能够发射低强度的光或具有系统的植物光合作用诱导光的波长范围之外的光。同样地，在系统的植物有氧代谢或者诱导有氧代谢期间，人工光照能够发射诱导光合作用的强度和波长的光。可以使用热源(如热交换器68)以获得特别的水生植物61或使用的植物的最适温 度。其他适宜的热源包括来自常规电力和石油设施的常规热水器、地热能源、太阳能源和废热。可以用泵63通过封闭的回路系统67从小室中抽出水并再引回到小室中，以在小室60和乙醇去除组件之间提供流体连通。封闭回路系统67可以包括水的接入口，以便在没有将水过度暴露在气体中的情况下，允许向水提供上面讨论的所有添加剂。可替换地，小室60可能包括接入口。乙醇去除组件66可以包括能够从水提取和收集乙醇的多种系统和系统组件。在说明的实施方式中，组件66包括一种或多种功能为将乙醇与水分开的空气吹提器(也称为气体剥离器)64。气体剥离器64 (例如基于气体剥离器的大气-、Ν2-,或CO2)与一种或多种冷凝器72流体连通以捕获乙醇蒸气，分子筛70用于纯化蒸气，和/或容器74以储存乙醇。如果期望也能够使用全蒸发器(未显示)。在没有中断小室中实施的厌氧和需氧过程的情况下，组件66允许连续去除乙醇。可以进一步利用气体剥离器64，以允许CO2、氮气和营养物也引入到水里。在把水引回到小室60之前，可以将其暴露在紫外线和/或抗生素中，并且可以加入除藻剂以维持健康的小室60中没有不需要细菌和藻类的滋生。在一些实施方式中，将乙醇储存容器74替换成用于分配乙醇以用于使用或运输的组件(未显示)。图4描绘了整体结构和功能与系统30类似的系统40，但是包括两个或更多小室60Α，60Β，某些或全部的小室在与彼此的流体连通中直接或间接相连接。小室60Α，60Β能够通过任何适当的手段连接。在一些实施方式中，通过普通的渗透壁连接两个或更多小室。在另外的实施方式中，两个或更多小室通过流体导管连接。连接可以是可分离的。例如，两个或更多小室能够通过包括可关闭的阀82的导管连接，以便中断两个或更多小室60Α，60Β之间的流体连通。在一些实施方式中，一个小室60Α或60Β经由流体导管充当其他小室60Α或60Β的充氧水或缺氧水的来源。在一些实施方式中，能够实施类似于系统30中使用的封闭回路系统67，以在乙醇去除组件66和小室60Α，60Β之间提供流体连通。正如显示的，小室60Α，60Β和乙醇去除组件66是连接的，以便来自小室60Β中的水传送到乙醇去除组件66，提取乙醇之后剩余的水流回到小室60Α中。在替换的实施方式中，每一个小室60Α和60Β可以独立地与乙醇去除组件66流体连通。图4中显示的可以用于系统30、40或50的另外的组件，包括充气器78，氧气脱除装置76 (例如真空泵)，和/或一个或多个用于去除颗粒物,如植物体、基质和微生物(例如酵母或细菌)的过滤器80。在图4中显示的乙醇去除组件66，功能可以类似于关于图2中描述的组件。图5描绘了系统50，该系统包括在小室60和类似于在图2中说明的封闭回路系统67的乙醇去除组件66之间的封闭回路系统67。该系统进一步包括具有充气器78和/或氧气脱除装置76的循环回路90，以便用泵63处理水使其在循环回路90中移动。在一些实施方式中，用缺氧水的来源(未显示)代替氧脱除装置76，和/或用充氧水的来源代替充气器78。能够配置循环回路90用于引入添加剂或包括用于从水中 脱除氧气的组件。在一些实施方式中，阀82包含在循环回路90中，以便调整循环回路90中水的流速和方向。循环回路90的功能也可以是搅动小室中的水，或可以在小室中包含水分离搅拌器。正如先前关于系统30的描述，系统50包括单独或与光屏障等相结合地充当光调节系统62的人工光源86。尤其是，人工光源86在光周期内可以提供光合作用诱导光，和/或在暗周期内提供非光合作用诱导光。系统50的乙醇去除组件不同于在图2和4中说明的那些，因为利用蒸馏器84(例如蒸馏色谱柱)代替了气体剥离器。在任何说明的系统中能够利用蒸馏器和/或气体剥离器。例如，在乙醇浓度相对低的地方，系统中能够包含气体剥离器64，而在乙醇浓度更高的地方，系统中能够包含蒸馏器84。乙醇去除组件能够包含在系统的任何位置并且任意组合以适用于从系统的水中脱除乙醇。在一些实施方式中，乙醇去除组件包含在系统中的多个位置。在进一步的实施方式中，任何说明的系统的乙醇去除组件能够单独或与任何在本文中揭露的其他组件结合使用一种或多种乙醇吸收性收集系统。一般地说，乙醇吸收性收集系统利用薄膜或其他吸收技术把乙醇与水和其他外来杂质分开。这样的薄膜的实例是“Siftek” 薄膜，由 Vaperma Gas Separation Solutions 制造。系统30、40、50可以是完整的或与各种其他系统联合的。例如，能够配置系统30、40,50以分离毗邻处理乙醇的植物或任何其它便利的废热来源散发的废热。在另外的实施例中，系统30、40、50与废水处理设备连接，其典型地具有在约50华氏度至约85华氏度的稳定温度的水的恒定来源。也可以利用来自电力设施的废水。当与废水来源连接，能够控制小室60中的水与废水热交换，或在最初的废水处理前后能够将废水直接用于小室60。除向水源提供高温之外，废水来源也可以具有有利于植物生长的营养物浓度。明显的是，本文中所描述的系统30、40、50的各种组件能够以各种组合实施方法20。另外，可以包括用于控制水流动、去除颗粒、监控和/或维持水参数(例如pH值)、监控乙醇浓度、监控和/或维持植物参数、切割、破坏或去除植物等的常用部件。例如，本文中提供的系统30可以包括诸如阀82、过滤器80、光探测器和/或测量仪(例如光合作用活性辐射传感器)、pH计、撇沫器等的组件。实施例实施例I :水生植物的乙醇生产将附着块茎的两个龙须草植株移出储存生长容器，并单独地放置到具有35mL煮沸的蒸馏水的 试管里。水中包含Resazurin指示器以显示缺氧条件。将这些缺氧样品放置在箔包装(foil wraps)内，通过阻止光合作用诱导光到达植物以产生暗条件，其将允许植物小室中的水再次充氧。然后将样品放置在有正压氮气气氛的室中以防止样品小室外样品水再次充氧。然后允许样品在76华氏度的这个室中培育3天。在第四天的早晨，从每个样品中取出2mL的水样品，并在南达科他州立大学(South Dakota State University)通过高压液相色谱(HPLC)分析以检测乙醇的存在。每个样品的HPLC峰值表明乙醇存在。实施例2 :光和抗生素对水生植物的乙醇生产的影响龙须草植物样品取自从南达科塔湖采集的湖泊材料，并置于具有煮沸的蒸馏水的小瓶中，以便仅向覆盖植物提供缺氧条件。将八个样品(D5-8、Dll和D14-16)置于培养箱中密封的不锈钢罐中，以便向样品提供黑暗条件。将剩余的样品D1-4、D9-10和D12-D13置于具有气塞的洁净的塑料夸脱容器中。将抗生素加入到样品D9-D16中，以便防止细菌将乙醇转化成乙酸。将样品置于大约69华氏度的培养箱并且允许培育7天。将每个样品的水抽出并在南达科他州立大学通过高压液相色谱(HPLC)分析以确定乙醇和乙酸浓度。在没有抗生素的黑暗条件下，培育包含乙醇浓度分别为10.825g/L、6.817g/L、7. 733g/L和10. 595g/L的四个样品D5、D6、D7和D8。在有抗生素的黑暗条件下，培育乙醇浓度分别为6. 573g/L和4. 237g/L的样品Dll和D14。此外，样品Dll不含乙酸，而样品D14含有浓度为2. 192g/L的乙酸，暗示了样品14中抗生素的量不足以阻止细菌将乙醇转化为乙酸。在洁净容器中培育的样品不含可探测的乙醇，暗示了光合作用干扰植物样品生产乙醇。其结果在表I中示出。表I
样品黑暗条件抗生素乙酸(g/L)乙醇(g/L)~
~Dl~~I. 332O
D2~~1.616O
D3~~O.503O
D4~~I. 142O
D5+~2.20410.825
D6+~2.8656.817
样品黑暗条件抗生素乙酸(g/L)乙醇(g/L)~
D7+~1.4207. 733
D8+~5.09110. 59权利要求
1.一种收集こ醇的方法，所述方法包括 在含水小室中定植至少ー个水生植物； 交替进行阻止光合作用诱导光到达所述至少ー个水生植物的步骤和允许光合作用诱导光到达所述至少ー个水生植物的步骤；以及从包含在所述小室内的水中收集乙醇。
2.根据权利要求I所述的方法，其中，阻止光合作用诱导光的步骤定义为黑暗阶段。
3.根据权利要求2所述的方法，进ー步包括在所述黑暗阶段阻止氧气的步骤。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，阻止光合作用的光的装置位于光源和至少ー个水生植物之间，防止光合作用诱导光到达所述至少ー个水生植物。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，密封屏障位于氧气源和所述至少一个水生植物之间，防止氧气进入所述水中。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，人工光源位于所述小室和光合作用的光调节系统之间。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进ー步包括減少所述水中的氧气浓度的步骤。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进ー步包括将缺氧水引入所述小室的步骤。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进ー步包括将CO2加入所述小室中包含的水中的步骤。
10.ー种在含水和至少ー个水生植物的小室中收集こ醇的方法，所述方法包括以下步骤 在所述至少ー个水生植物中引发厌氧过程； 引发所述至少ー个水生植物的需氧过程；以及 从包含在所述小室中的所述水中收集こ醇。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述引发厌氧过程的步骤包括阻止光合作用诱导光到达所述至少ー个水生植物的步骤。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，所述引发厌氧过程的步骤包括阻止氧气进入所述水中的步骤。
13.根据权利要求10-12中任一项所述的方法，其中，至少一部分所述收集こ醇的步骤发生在所述厌氧过程期间。
14.根据权利要求10-13中任一项所述的方法，其中，所述引发厌氧过程的步骤包括在所述水中创造缺氧条件。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，创造所述缺氧条件包括向所述小室中引入缺氧水。
16.根据权利要求10-15中任一项所述的方法，其中，引发厌氧过程的步骤包括限制在所述厌氧过程中光散射进入所述小室中的步骤。
17.一种收集こ醇的方法，包括以下步骤 在含水小室中培养至少ー个水生植物； 引发所述至少ー个水生植物储存碳水化合物；引发所述至少ー个 水生植物将储存的碳水化合物代谢为こ醇；以及从所述水中收集こ醇。
全文摘要
提供了用于收集、纯化和/或提取由水生植物在无氧代谢期间产生的乙醇的方法和系统。该系统包括含水小室和水生植物、与小室流体连通的用于从水中去除乙醇的乙醇提取组件。通过在植物中引发厌氧过程，如通过调节到达该水生植物的光合作用诱导光，使水生植物释放乙醇。
文档编号C12M1/107GK102712938SQ201080061904
公开日2012年10月3日 申请日期2010年11月29日 优先权日2009年12月1日
发明者托尼·A·哈根 申请人:泰克生物能源有限公司