[发明专利]使用两阶段过程来采收且脱水藻类

说明书

背景技术

在若干工业中存在将材料从液体悬浮液分离的历史，包括废水处理工业和藻类养殖工业。在实现分离中所涉及的过程可随期望的最终结果而变化。例如，在废水处理工业中，期望结果通常是可释放到环境中的处理水。相比之下，在藻类养殖工业中，主要的期望结果可能是采收用于发电的可用生物质。

在废水处理工业中存在电絮凝的长的历史。已发现电絮凝在治理的第二阶段中是从流体分离固体的有效方法。此废水流含有所有类型的有机材料，且藻类被认为是由于通常在废水流中的高氮浓度而生成的营养物。因此，在移除藻类中的努力通常不包括保存物质的完整性以用于例如制药或其它高值饲料的进一步使用。

在通常使用在废水处理中的电絮凝中，添加金属离子或阳离子，以通过造成基质的导电性来改进絮凝。如下的阳离子具有比H+更低的电极电势，且因此被考虑为适合于用作这些过程中的电解质阳离子：Li+，Rb+，K+，Cs+，Ba2+，Sr2+，Ca2+，Na+和Mg2+(经常使用钠和锂，因为它们形成了不昂贵的盐)。其它金属与电絮凝组合使用，以辅助从废水沉淀固体，例如离子氧化物和其它氧化剂。这些金属在将从溶液中沉淀固体方面极为有效；然而，它们使产品和水自身因无机化合物而污染，该无机化合物必须在第三废水处理阶段被移除或另外地处理。

实际上，废水系统使用的用于电絮凝的电流非常低，通常在1安培以下，因为过程在大池中执行和/或与对于废水处理厂典型的大的流体流量相结合地进行，所述流体流量可为每天数百万加仑。由于车间的横向尺寸和欧姆定律(I＝V/R)、过程的电流要求和尺度，所以长时间利用高能电絮凝系统是不实际的。此外，在高电流下，长时间运行的电解质板的恶化和结垢使得在高电流下无法有效地使用此技术。废水流动的导电性因此必须通过以上所述的金属离子增强，以降低能量要求并使得该过程可实行。

在藻类产品养殖和采收中，考虑因素是相反的，因为在悬浮液中的生物质被认为是其质量必须保持的有用物，且使用金属使产品不可逆地被污染。用于对悬浮液内的藻类进行脱水的大多数方法因此包括离心、膜过滤、空气干燥，而带有可能的化学处理和除污。

用于将藻类脱水的一个方法已知为溶气气浮(Dissolved Air Flotation)(DAF)。通常，此絮凝方法涉及在带有从泵或涡旋器生成的空气帘的串联装置(tandem)中的使用凝结剂、乳化剂或其它化学品。虽然该方法一般从能量的观点比离心方法更有效，但其固有缺点是要求化学品和独立的箱。此外，DAF系统作为连续系统的有效性由于在反应器内作为湍流源的气泡的产生而被削减。对此问题的解决方法是增加漂浮的尺寸，这导致越来越大的占地位置。

另外，在脱水中使用化学品通常防止或限制了生长水的再利用。所涉及的在2011年10月14日提交的且名为用于对藻类细胞进行脱水、絮凝和采收的系统、方法和设备(Systems,Methods and Apparatuese for Dewatering,Flocculating,and Harvesting Algae Cells)的有关现有申请No.13/274,094在此通过引用合并，该申请公开了电磁絮凝系统的一些形式。此申请关注于细胞裂解为最终产品。

例如藻类的微生物和微生物的细胞内产品的采收显示了作为对于化石燃料衍生物的部分或完全替代物的可能性，或作为在制造例如药品、化妆品、工业产品、生物燃料、合成油料、动物饲料和化肥等产品中所使用的化学品的可能性。然而，为使得这些替代物变得可行，用于采收细胞的方法，包括回收和处理细胞内产品的步骤必须是有效的且成本有效的，以与和化石燃料衍生物相关的精炼费用可竞争。当前用于采收例如藻类的微生物的提取方法是费力的且产生低的能量收益，从而使其对于目前的替代的能量需求是不可行的。这样的现有方法也可能产生大量的碳足迹，从而加剧全球变暖和其它环境问题。这些现有方法当进一步规模加大时产生了甚至更大的效率损失，这是由于细胞内成分的降级，且比目前从微生物采收经济上可行的情况要求更大的能量或化学输入。例如，每加仑微生物生物燃料的成本目前大致为化石燃料成本的九倍。

所有活细胞、原核生物和真核生物具有封闭了其内部成分且用作相对于外侧环境的半多孔屏障的细胞质跨膜。跨膜作为边界起作用，从而将细胞成分保持在一起，且保持外部物质不进入。根据已知为流体马赛克模型的所接受的当前原理(S.J.Singer and G.Nicolson,1972，在此通过引用合并)，细胞质膜包括两层(双层)脂质，在所有细胞内发现的油性的或蜡质的物质。在双层内的脂质的大部分可更精确地描述为磷脂，即，其特征是在每个分子的一端处的硫酸盐基。