用于处理流体流的设备和执行流体流的处理的方法 |
|||||||
| 申请号 | CN201510085321.0 | 申请日 | 2010-01-27 | 公开(公告)号 | CN104726326B | 公开(公告)日 | 2019-07-30 |
| 申请人 | 史蒂文·斯基尔; | 发明人 | 史蒂文·斯基尔; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种用于使 流体 流与 微 生物 接触 的设备，所述设备包括：壳体，所述壳体具有在其中的接触室，所述接触室由所述壳体的壁部限定；用于待处理的流体流的第一输入口；用于移除含微生物的液体培养介质流的第一输出口； 转子 组件，所述转子组件包括能够在接触室内运动的 叶轮 ，以增进在接触室内正被处理的流体流与液体培养介质之间的接触；其中，限定接触室的壳体的壁部的至少一部分对光透明。还提供一种利用 微生物处理 流体流的方法，所述方法包括使流体流在接触区与微生物接触，所述微生物保持在液相中，其中，流体流与微生物的接触由活动叶轮的动作增强，接触区位于壳体内，所述壳体的至少一部分透明以通过光。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于使流体流与光合微生物接触的设备，所述设备包括： |
||||||
| 说明书全文 | 用于处理流体流的设备和执行流体流的处理的方法[0001] 本分案申请是基于中国发明专利申请号201080014312.8(国际申请号PCT/GB2010/000113)、发明名称“用于处理流体流的设备和执行流体流的处理的方法”、申请日2010年1月27日的专利申请的分案申请。 技术领域[0002] 本发明涉及一种用于处理流体流的设备。该设备通常应用于移除和/或转化流体流的成分。在一个特别的方面，本发明涉及废料流的处理，例如从诸如烟道气等的废料流分离二氧化碳。本发明还涉及执行流体流的处理的方法。 背景技术[0003] 许多过程产生废液和/或废气流。在过去，这些废液和/或废气流被排放到环境中，可能经过某种加工以减小它们对环境的影响。近年来，对这些废液和/或废气流及它们对环境的长期影响的关注日益增加。一个示例是通过各种各样的过程排放到大气中的二氧化碳的量。二氧化碳已被认定为所谓的“温室”气体并且所观察到的全球大气温度的升高被归咎于大气中的二氧化碳的水平的升高。二氧化碳在许多过程中产生，可能二氧化碳的最显著的产生者是燃烧，例如来自固体、液体和气体含碳燃料的燃烧以产生动力。但是，二氧化碳仅是多种温室气体中的一种，所有的温室气体都被认为具有对大气和环境的有害影响。 [0004] 因此，大量的注意力被放到对废流体流(例如发电站烟道气等)的处理，以移除二氧化碳和其他环境不可接受的成分。用于处理这些废流体流的一个提议是利用微生物来处理废料流并且移除不需要的成分。该处理产生作为微生物的生物过程的正常产物的生物质，该生物质又可以利用非发酵过程来产生有价值的初级和次级代谢产物，包括生物燃料原料。如下文献提供利用该理念的一些方面的总结：Dimitrov,K.“GreenFuel Technologies:A Case Study for Industrial Photosynthetic Energy Capture”,March 2007,Brisbane,Australia(澳大利亚布里斯班，2007年3月，Dimitrov,K.的“绿色燃料技术：工业光合能量捕获的案例研究”)。 [0005] 使用微生物来加工有机材料在本领域是众所周知的、并且以商业规模使用在不断增加的应用中。因此，存在与生物反应器和其他用于使微生物与待处理、待加工或待消耗的材料接触的设备相关的大量现有技术。在处理废流体流以移除有害成分并且收获所产生的生物质以用于加工成有价值的初级和次级代谢产物的情况下，任意设备或系统必须有效地使微生物与待处理的流体流接触并且允许微生物被收集。 [0006] WO 2004/046037中描述利用微生物来净化污水。公开一种设备，该设备包括透明或半透明基底的透水基质及在基底上的包括一种或更多种光合微生物的生物膜。生物膜是形成在基底基质上的一层微生物菌落。生物膜因由微生物分泌的多糖而描述为粘滑的。虽然微生物可以用来处理水，但是这种形式的设备在其应用至气体废料流时受到限制。另外，微生物的收集和收获是困难的，成为在将生物质转化为生物燃料等时的一个问题。US 6,370,815公开一种用于光合微生物的生长的反应器，该微生物在一端具有气体输入口而在另一端具有气体输出口的管中生长。管包括带有翼片的转子，这些翼片从转子延伸以擦拭管的内表面。管以相对于水平向的角度设置在容纳有液体的浴槽中，以使管的带有气体输入口的端部最低。 [0007] WO 98/24879中公开一种光合生物反应器，其具有用于容纳微生物的多个平行通道。这些通道由对光透明的壁形成。微生物保持在以低流动速率经通道泵送的液体悬浮液中。采用具有柔性翼片的泵，以减小微生物经受的剪切力的水平。GB 2 341 896和US 200110002976中公开类似变化的泵。 [0008] US 5,637,219中公开一种用于持续消化有机物质的设备。该设备包括大致圆筒形的容器，在该容器中安装有可转动的转子组件。转子组件包括两个或更多个板构件，所述板构件围绕共用中心轴线延伸并且被设置为将容器的内部分成三个或更多个隔间。多个桶状部在相邻的板构件之间延伸并且与板构件一起转动。这种设备能够从市场上获得以用于大范围的应用并且已知为Graesser ContactorTM。US 5,637,219描述在利用微生物来厌氧消化有机材料中接触器的使用。接触器用于加工废液流或液体-固体流。具有或不具有夹带的固体的液体流被给送至接触器并与保持在液相悬浮液中的微生物接触。板构件和相关联的桶状部的转动确保微生物与正被处理的液体之间的高度接触。 [0009] 用于使待加工的流体流与微生物接触的反应器的一个形式是光生物反应器，在该光生物反应器中采用的微生物是光养的并且依赖或利用来自合适源头的光以有效地执行它们的代谢过程。如下文献提供光生物反应器技术的总体概述：Tredici,M.R.,“Bioreactors,Photo”,in Flickinger,M.C.and Drew,S.W.(ed.),“Encyclopedia of Bioprocess Technology:Fermentation,Biocatalysis and Bioseparation”,vol.1.Wiley,New York(1999),pages 395to 419(纽约Wiley出版社，1999年，Flickinger,M.C.和Drew,S.W.编辑的“生物加工技术百科全书：发酵，生物催化和生物分离”第1卷第395页至491页，Tredici,M.R.的“生物反应器，光”)。 [0010] US 2008 178739公开一种在处理诸如烟道气的气体中使用和用于产生生物质的光生物反应器。所公开的生物反应器用于在处理含高浓度二氧化碳的气体中使用。光生物反应器包括具有对光透明的盖部的细长容器。细长容器可以具有一个或更多个光生物反应器部分。在采用多个光生物反应器部分的情况下，这些部分优选地相互连接，并且每个部分都具有输入口和输出口。可设置单个透明盖部以在多个分开的生物反应器部分之上延伸。 [0011] GB2,423,525涉及一种在用于产生生物脂的溶剂萃取工艺中使用的光生物反应器。该反应器包括塞流反应器和振荡流反应器的组合，其中由微生物产生的生物脂通过利用合适溶剂的萃取移除。生物脂随后从溶剂中回收以在生物柴油的生产中使用。塞流反应器部分包括具有透明壁部的管，光可以经该透明壁部进入到管内。 [0012] WO 2007/098150涉及光生物反应器及其使用。这些光生物反应器包括具有壁部的容器，所述壁部至少部分透明以通过经过它们的光。容器被分成多个部分，其中相邻的部分处于流体连通中。输入口和输出口端口设置在容器中以用于提供和移除流体。生物反应器设有使容器的流体内容物及在它们内的微生物通气的装置。还设有用于控制容器内的流体温度的装置。 [0013] JP 5344879公开一种用于培养微生物的生物反应器。该生物反应器包括水平设置地大致圆筒形的容器，该容器透明以通过光。容器支承在转动的滚筒上，以使容器围绕其纵向轴线转动。搅动叶片设置在容器中。滚筒和旋转容器的使用使得JP 5344879的布置特别复杂并且很难大规模地采用。 [0014] US 2007/0214899涉及特别用于与生物反应器系统一起使用的采样端口以及相关的容器系统。其中公开一种包括由壳体支承的容器的生物反应器系统。保持在壳体内的容器可以是柔性的或刚性的、并且可以是透明的或不透明的。搅拌器设置在容器内以使容器内的流体混合和/或悬浮。 [0015] US 5,614,378、US 4,952,511、US 5,137,828和US 4,676,956中公开光生物反应器的其他示例。在所公开的多种反应器中，利用定位在反应器自身内的一个或更多个发射器或光源将光提供给反应器内的培养介质。生物反应器内的光源或发射器的位置一般被要求，以将光提供到培养介质的所有区域，原因在于从液体介质的表面的光透射受到严重地限制并且延伸至仅非常浅的深度。 [0016] US 6,416,993中公开一种利用光合微生物来处理废料流的方法及设备。 发明内容[0017] 从对用于处理流体流的已知方法及设备的回顾，存在对作为生物反应器的改进设备的需求。特别地，存在对能够有效地处理废气流(特别是由发电厂等通过燃料的燃烧产生的烟道气)的改进设备的需求。存在对用于处理这种烟道气以移除二氧化碳的有效系统的特别需求。最有利地，该系统能够对处于其由发电厂等产生的基本相同的压力下的烟道气进行操作，这将不需要显著的压缩、或者更优选地不需要任何压缩。另一个显著的优点是生物反应器能够采用光养微生物而无需依赖于人造光源和/或用于将太阳光传输到液体培养介质的本体内的复杂布置。 [0018] 根据本发明的第一方面，提供一种用于使流体流与微生物接触的设备，所述设备包括： [0019] 壳体，所述壳体具有在其中的接触室，所述接触室由壳体的壁部限定；用于待处理的流体流的第一输入口； [0020] 用于移除含微生物的液体培养介质流的第一输出口； [0022] 其中，限定接触室的壳体的壁部的至少一部分对光透明。 [0023] 本发明的第一方面的设备提供一种用于使待加工的流体流与含微生物的液体培养介质接触的有效装置。微生物最优选地以悬浮液的形式包含在液体培养介质中。但是，也可以采用其他用于保持微生物为液相(比如将微生物保持在透明的基质中)的装置，例如在WO 2004/046037中所述的。 [0024] 所述设备可以用于通过在液体培养介质中的微生物来执行大范围的流体流中成分的处理或加工。该加工可以包括将来自正被处理的流体流中的一种或更多种成分转变为生物质，用于后续地收获和使用。可选地、或附加地，该加工可以包括通过微生物将正被处理的流体流中的一种或更多种成分转变为其他期望的成分。在这种情况下，以这种方法产生的成分可以由微生物递送或分泌到液体介质中，以用于通过已知的萃取技术(比如溶剂萃取、蒸馏等)的移除。可选地，以这种方法产生的成分可以保持在微生物的细胞内并且一旦微生物已被收获且从设备中移除就以已知的方式从细胞中回收。 [0025] 特别地，所述设备最适于加工气体流，尤其是烟道气。所述设备最有利的在于加工气体流(比如烟道气等)以在该流体流被排放到大气中或在另一有利的工艺中被再次使用之前移除二氧化碳和/或其他物质。这样，诸如烟道气等的气体流可以使其二氧化碳成分转化为生物质，从而允许具有减少的二氧化碳排放量的处理后的气体排放到大气中或者使用在其他工艺中，同时还允许生物质被回收和利用，例如作为在制造有价值的初级和次级代谢产物中的原料，比如生物燃料原料和植物药剂。 [0026] 所述设备包括壳体。所述壳体可以是任意合适的形状或构型。一个特别优选的布置是壳体为圆筒形，原因在于圆筒形容器的构造和操作是众所周知的。壳体包括在其中的、由壳体的壁部限定的接触室。接触室可以是任意合适的形状或构型。但是，接触室优选地为圆筒形、由圆筒形壳体的壁部形成。 [0027] 壳体可以定位在任意合适的方向上。优选地，壳体布置为其纵向轴线水平。该布置特别地有利，原因在于其允许在细长容器中建立流动状态，在该细长容器中，待加工的流体流与液体介质中的微生物接触。所述设备可以包括布置有一个或更多个接触室的单个壳体。在一个优选的布置中，所述设备基于模块化的基础构造，其中多个壳体布置为接收待加工的流体流。多个壳体可以串联地布置，从而以顺序的方式接收正被加工的流体流。可选地，多个壳体可以以并联方式布置，以使得正被加工的流体流在两个或更多个壳体之间分配。在一个优选的实施例中，壳体设置为水平布置的一个或更多个细长圆筒形或管状壳体，如将在下文中描述的。 [0028] 壳体可以包括单个接触室或多个这种接触室。在一个布置中，壳体包括多个接触室，并且相邻的接触室由延伸跨过壳体内部的隔板分开。待加工的流体流可以被依次地引入到每个接触室内。可选地，待加工的流体流可以在壳体内的多个接触室之间分配。 [0029] 当本发明的设备在使用中时，通常为悬浮液的含微生物的液体介质与待加工的流体流接触。液体介质最通常地为水介质。微生物是光养微生物并且要求足够强度的光源以用于进行它们正常的代谢过程。因此，为允许微生物加工待处理的流体流，在接触室内要求有光。为提供所需的光，壳体的至少一部分对光透明，从而允许光进入接触室内。在这方面，术语“透明的”是对壳体材料的参考，所述材料允许经壳体的壁部的适当波长范围内的足够的光通过，以确保在接触室内的微生物的有效繁殖。在一个实施例中，整个壳体都对光透明。在壳体具有仅一部分为透明的情况下，应当理解的是，壳体在被安装和使用时需要被定向，以确保光可以经该透明部分进入。 [0030] 壳体的一个或更多个部分或者在壳体内的部件可设有反射表面或镜面表面，以在壳体内反射入射光，从而增大微生物与进入到壳体内的光的接触效率。特别地，如果壳体仅包括透明且允许进入到壳体内的光通过的一部分，则壳体的与该透明部分相对的内壁可以是反射的或镜面的。 [0031] 本发明的设备特别适于利用自然光来照射在接触室内的微生物。当计划使用自然光时，壳体的透明部分的尺寸和方向将由设备在使用时的地理位置和设备相对于太阳的方向来决定。对于给定的位置，设备(特别是壳体)的最优方向将由本领域的技术人员容易地确定。 [0032] 在所述设备采用自然光的情况下，还可以设置用于提供人造光源的装置，以如所要求地补充来自太阳的自然辐射、或者允许在黑暗时间期间继续操作。用于提供人造光的装置可以设置于壳体的外部，以使人造产生的辐射入射到壳体的透明部分上。可选地，用于产生人造光的装置可以设置在壳体内，例如在所述接触室内或每个接触室内。用于在壳体内提供人造光的合适组件对于本领域的技术人员来说是明显的并且在本领域中是已知的。 [0033] 所述设备的壳体可以由多种材料构造。用于提供壳体的透明部分的合适材料的示例包括聚合物，比如：聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、聚碳酸酯、聚乙烯吡咯烷酮(polyvinylpyrrolidone)、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚对苯甲二酸乙二醇酯(poly(ethylene terephthalate))、聚对萘二甲酸乙二醇酯(poly(ethylene naphthalate))、聚对苯二甲酸-1,4-环己二甲酯(poly(1,4-cyclohexane dimethylene terephthalate))、聚烯烃(polyolefm)、聚丁烯、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methyl methacrylate))以及聚偏二氯乙烯(polyvinlyidene chloride)、全氟塑料、有机玻璃(Perspex)、聚四氟乙烯(PTFE)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。其他合适的材料包括苏打玻璃、硼硅玻璃、和石英玻璃。壳体的材料不必为刚性。相反，壳体还可以由诸如聚乙烯的薄壁材料组成，所述薄壁材料由刚性支承框架支承从而生成基本刚性的结构，例如基本圆筒形的壳体。刚性支承框架必须被布置为允许足够的光抵达和穿过壳体，例如通过包括充分间隔开的支承构件以允许在其间的光通过和/或通过具有对光通过部分或完全透明的部件。 [0034] 所述设备包括用于待加工的流体流的输入口。该流体流可以是气体流、液体流或混合相流。流体流可以包含夹带的或悬浮的固体物质或颗粒。如所述，所述设备特别适于加工气体流、特别是烟道气。在待加工的流体流是可以与含微生物的液体培养介质直接结合的液体的情况下，单个输入口可以足够。例如，在处理水流的情况下，其将与含微生物的水介质容易地混合和结合。当所述设备用于加工气体流时也可以设有单个输入口。在该情况下，待加工的气体可以经输入口引入到壳体内并且被允许经接触区域流动。但是，更可能地，所述设备包括用于将液体供应至接触室的第二输入口，以补充含微生物的液体培养介质。在使用中，第二输入口还可以用于提供新鲜的微生物、营养物或在所述设备中建立和维持所要求的微生物培养而需要的其他成分。若期望，可以设置分开的输入口以用于一种或更多种这些成分。 [0035] 如所注意的，当所述设备正被用于加工或处理气体流时，壳体包括用于将气体引入到接触室内的输入口。在一特别优选的布置中，所述设备操作为具有在接触室内的、由被加工的气体流占据的第一区域和包含悬浮有微生物的液体介质的第二区域。通常，第一区域在第二区域上方，气体流跨过液体介质的表面穿过。在这种情况下，用于气体流的输入口优选地布置为将输入气体直接引导到第一区域内。这样，最小化液体介质和包含在其中的微生物的过度搅动。这又减小向微生物施加的剪切力，这通常是有利的，如在下面更详细地描述。如果除气体流之外液体被引入到接触室内，则用于液体流的输入口优选地布置为将输入液体直接引导到接触室的第二区域内。 [0036] 如以上注意到，所述设备的壳体可以为合适的容器，例如圆筒形的容器，优选地为具有长度比其直径大很多倍的细长或管状容器。这种管状容器特别适于包括在这种容器的阵列中，该阵列可以定向为以最有效的方式捕获自然光。例如，管状容器可以布置为竖直的阵列或叠层，其中它们的轴线为水平，所述阵列定向为贯穿整个白天以最有效的方式接收入射光。管状容器的阵列还适于定位在建筑物的顶部上的位置并且特别适于与顶部的尺寸和倾斜角相适应。 [0037] 在一可选的实施例中，壳体呈罐(tank)或池的形式。所述罐或池通常由一组保持壁限定。这些保持壁可以部分或全部延伸到地下。在这种情况下，罐或池设有盖部，该盖部在包含在罐或池中的流体介质上延伸，并且盖部对入射自然光部分或完全透明。 [0038] 所述设备包括用于移除液体培养介质和微生物的第一输出口。在待加工的流体流在所述设备内被完全消耗或者能够与培养介质一起移除的情况下，在所述设备内用于所有材料的单个输出口可以足够。更优选地，所述设备包括用于移除正被加工的流体流的剩余部分的第二输出口。因此，在处理烟道气的情况下，所述设备包括用于未消耗或未转化的烟道气成分和/或作为微生物的代谢产物产生的其他有用的气体成分的第一输出口、以及用于含微生物的液体介质的第二输出口。 [0039] 由此，在以上讨论的实施例的情况下，其中所述设备在处理或加工气体流(比如烟道气)上得到采用，壳体包括用于气体成分的输出口，所述气体成分包括未转化的气体成分和任意气体代谢产物，该输出口与接触室的第一区域直接相连。用于液体成分的第二输出口设置在壳体中，以允许将液体从接触室内的第二区域直接移除。 [0040] 在使用时的设备中存在的液体介质可以为单相，特别是单个液相。可选地，所述设备可以在使用中包含多于一个液相。特别地，一个或更多个有机液相和水液相可以在接触室内存在，例如，在借助于溶剂萃取将诸如来自微生物的代谢产物的成分从水液体介质移除的实施例中。在这种情况下，所述设备可以设有用于从壳体移除液体的多个输出口。 [0041] 因此，在以上讨论的实施例的情况下，其中所述设备在处理或加工气体流(比如烟道气)上得到采用，在操作中，在接触室中可以识别有三个区域。第一区域如上述由气体流占据并且设有输入口和输出口。第二区域由含微生物的水液体介质占据，其再次设有各自的输入口和输出口。最后，第三区域可以被识别，其由不相溶的液相(比如有机溶剂)占据。第三区域优选地设有其自身的输入口和输出口。在所述设备以三个或更多个不相溶的液相操作的情况下，可以存在另外的区域。 [0042] 本发明的设备用于与存在的微生物一起使用，该微生物通常作为悬浮物包含在液体介质(通常为水介质)中。如上述，微生物是光养的并且要求光以正常工作。为确保使待加工的流体流与微生物接触并且将微生物暴露给足够的光，所述设备包括具有能够在接触室内运动的叶轮的转子组件。转子组件和叶轮布置的功能是确保含微生物的液体介质与待处理的流体流之间的大的接触表面积。在所述设备用于加工与含微生物的液体介质不相溶的流体流(比如液体流)的情况下，该功能是重要的。在所述设备用于处理气体流(例如烟道气流)的情况下，其中要求气体流与含微生物的介质之间的大的接触表面积以确保正确地和有效地加工气体流，该功能是特别重要的。在所述设备操作于多个不相溶的液相的情况下，该功能是类似重要的。 [0043] 优选地，转子组件布置为将仅小量的能量给予流体流，特别是液体介质。这样，转子组件的转动消耗较少的能量。更重要地，减小转子组件的转动导致多个液相乳化的趋势。当存在两个或更多个液相时，将大量的能量给予液体的转子组件可以导致两个或更多个液相结合以形成稳定的乳液。在这种情况下，液相和它们所含有的成分的分离可能是一个显著的加工问题。因此，优选地，转子组件操作为仅向流体流输入低能量，特别是避免液体流的乳化。 [0044] 另外，转子组件和叶轮必须提供所要求的用于接触的大表面积而不会使微生物经受高剪切力。即，微生物必须提供有低剪切力环境。为保持施加至微生物的剪切力最小，一般不能使待加工的气体流与含微生物的液相紧密混合。相反，在操作中，通常的情况是接触室包括含气体的第一区域或第一区和含液体的第二区域或第二区，如上所述。转子组件布置为使叶轮带上气体流从第一区域或第一区移动到第二区域或第二区内，以接触液体介质和悬浮的微生物。当所述设备利用在设备的两个或更多个较大分离的区域中存在的多个液相进行操作时，优选地应用相似的操作原理，并且叶片优选地经过所有区域运动以确保增大在接触室中出现的所有流体相之间的接触。 [0045] 转子组件可以由任意合适的布置组成，该布置能够使一个或更多个叶轮经过接触室中的流体介质运动并且增进介质的混和，以增大在微生物与正被加工或处理的流体流之间的接触。通常，转子组件使所述叶轮或每个叶轮在接触室内围绕闭合路径运动。在一特别优选的实施例中，转子组件布置为使所述叶轮或每个叶轮以大致环形的运动经过流体介质运动。 [0046] 叶轮可以具有任意合适的形状和构型，只要其有效地增大待给送至所述设备的流体与含微生物的液体介质之间的接触。如上述，叶轮应当优选地仅将小的能量给予接触室中的流体，以避免流体相的乳化。在所述设备用于处理和加工气体流(特别是烟道气)的情况下，叶轮有效地增大和增进含微生物的液体介质与壳体内的气相之间的接触。类似地，在所述设备用于加工与含微生物的液体不相溶的液体流的情况下，叶轮增进这两个液相之间的接触。 [0047] 已知的叶轮形式包括桨、螺旋、叶片等。通常，这种叶轮以高速度操作，从而又将显著的能量给予正被混合的流体。这种叶轮的动作在液体介质中产生高剪切力，从而可能伤害悬浮在液体中的微生物。因此，这种已知的叶轮可能仅以低速度操作，以减小在含微生物的液体介质中产生的剪切力。这又可能限制它们在含微生物的液体介质与正被加工的流体流之间产生所要求水平的接触的能力。因此，叶轮的一个优选形式包括一个或更多个部件，所述部件在运动时将在壳体的一个区域中的流体的一部分输送至壳体中的第二区域。例如，一优选的叶轮能够操作以将含微生物的液体介质的一部分输送到壳体的由待处理的流体流占据的区域内，并且更优选地，又将来自待处理的流体流的流体输送到含微生物的液体介质内。这种叶轮能够以低速度操作，从而给予壳体中的流体少量的能量并使微生物仅经受很低水平的剪切力。 [0048] 在一特别优选的布置中，含微生物的液体和待处理的流体流保持在壳体内部的各自区域中、并且以分层流动的状态在其各自的区域中流过壳体，并且仅由转子组件增进这两相之间的接触。 [0049] 叶轮可以为细长叶轮，即，具有比其宽度或直径显著大的长度。在一个优选的布置中，叶轮在接触室的基本整个长度上延伸，叶轮设置在该接触室中并在其中运动。 [0050] 叶轮的一个特别优选形式包括一个或更多个勺状部或桶状部，该叶轮由位于壳体中的接触室内的转子组件移动。US 5,637,219中描述这种布置。这种布置的叶轮特别有利的在于其提供在各种液相之间的高水平的接触，而不会使微生物经受在液体介质中的高水平的剪切力。特别地，这种布置特别适于使气体流与含微生物的液体介质接触。在操作中，每个勺状部或桶状部都在其从气体流移动到液相内时将气体体积提取到液体介质内。在叶轮经其在液体介质中的转动弧线运动时气体体积随后被释放。气体体积释放为小量的相对大的气泡，这些大气泡因它们在液相中的浮力而回到气体流中。以这种方法产生的较大直径的气泡在提供液体接孩子中的微生物与气相中的成分之间的显著的接触表面积的同时，不会像较小的气泡(例如通过分布器(sparger)或其他气体分配装置产生)那样给予微生物显著的剪切力。 [0051] 勺状部和桶状部可以具有任意合适的尺寸和形状。在一个优选的实施例中，勺状部或桶状部呈在壳体内纵向延伸的细长流槽的形式。流槽可以包含沿其长度设置的一个或更多个挡板。通常，叶轮的尺寸、形状和构型可以被选定，以在所述设备操作时，取决于在系统中存在的各种液相的数目和特性来控制微滴/气泡的尺寸。因此，特别为细长流槽形式的勺状部或桶状部可以是纯粹的或者可以设有一个或更多个挡板以在操作中提供期望的微滴/气泡尺寸。 [0052] 转子组件可以包括单个叶轮。更优选地，转子组件包括两个或更多个叶轮，例如两个或更多个勺状部或桶状部。当存在多个叶轮时，它们可以布置为围绕壳体的纵向轴线周向运动、并且在转动时经过壳体的基本相同的容积。可选地，叶轮可以沿壳体的纵向轴线设置在接触室内。转子组件可以包括沿接触室的纵向轴线设置的一组或更多组叶轮，并且每组都包括一个或更多个叶轮。 [0053] 在一个实施例中，转子组件包括在接触室内纵向延伸的、优选地与接触室和壳体的纵向轴线对准的轴，所述轴支承存在的一个或更多个叶轮。在这种布置中，轴可以为中空，从而提供用于热交换介质(比如液体或气体)的通道，以允许控制接触室内的温度并且将该温度维持在用于微生物的正常功能的最佳温度。 [0054] 在操作中，微生物可能趋于在接触室的内表面和转子组件的表面上生长且聚集。结果，光进入接触室的通道被减小至对于微生物的有效生长和作用不可接受的水平。另外，穿过接触室的流体流的成分也可能逐渐沉积在接触室内的表面上，从而再次减小提供给微生物的光的量。因此，在一优选的实施例中，所述设备还包括在接触室内清洁壳体的内表面的装置。可以设置任意合适的装置。例如，在一个实施例中，一个或更多个叶轮设有接触壳体的内表面的装置，以便擦拭接触室的内壁。合适的装置包括一个或更多个叶片，特别是柔性叶片，所述叶片在叶轮由转子组件转动时保持为与内表面接触并且擦拭内表面。 [0055] 可选地，所述设备可以设有一个或更多个擦拭组件，这些擦拭组件能够在壳体内移动，特别是在壳体内纵向地移动，以便清洁接触室的内表面。擦拭组件具有在其上以接触和清洁接触室的内表面的装置，比如前述的叶片。擦拭组件可以布置为连续地或间歇地操作，取决于当所述设备使用时在接触室内的微生物和/或其他固体材料的生长和沉积的速率。 [0056] 在一个实施例中，壳体的内部由多个隔板分成多个接触室。每个隔板都在其外部分设有擦拭组件，以便与壳体的内表面接触。每个隔板都能够纵向地运动，以便使其各自的擦拭组件扫过并且清洁壳体的内表面的纵向部分。在一特别优选的布置中，隔板连接至单个、优选地纵向延伸的致动器(例如轴)，该致动器可以优选地以往复的方式在壳体内纵向地运动，由此移动所有隔板。当操作时，隔板行进的距离是使壳体的整个内表面都被擦拭组件扫过。更便利地，隔板安装在承载转子组件的轴的组件上，以使得在每个接触室中的隔板和叶轮能够纵向地、优选地以往复的方式运动。 [0057] 光对接触室内的微生物的可得性还决定壳体和接触室的大小。特别地，壳体应当足够小以避免微生物的自遮蔽，即，光不能适当地穿过含微生物的液体介质。这取决于在所述设备使用时在接触室内所采用的特定微生物以及微生物培养物的密度。在较高的微生物密度下，需要较小的壳体，以确保进入到接触室内的光能够穿过含微生物的液体介质。 [0058] 如上述，除自然光源外，所述设备可以设有向所述或每个接触室提供人造光的装置。在一个实施例中，转子组件由电致发光材料制成或者设有发光设备(比如发光二极管(LED))的阵列。附加地，或者可选地，光可以经光通道装置(比如光缆)引入到接触室内。可选地，或者附加于此，光可以借助于发光转子组件提供给接触室内的微生物，该发光转子组件是设有用于将所要求的波长和密度的光直接发射至接触室的合适装置的转子组件。 [0059] 为增大光对接触室内的微生物的可得性，转子组件的部件可以部分或完全透明。特别地，在一个实施例中，叶轮为透明材料，从而进一步增大光接近对接触室内的所有区域。 [0060] 如所注意的，接触室内的一个或多个流体相可以包括固体材料。例如，被加工的流体流可以具有夹带或悬浮在其中的固体颗粒。在许多情况下，这种固体材料是惰性的，即不会参与到加工反应中并且不会受微生物作用的显著影响。为防止接触室内下沉的固体材料的堆积，所述设备可以设有用于将固体材料输送至输出口的装置。固体材料可以经用于流体的一个或更多个输出口从接触室移除。可选地，固体材料可以经专用的固体移除输出口移除。用于在接触室内移动和输送固体材料的装置在本领域中是已知的，并且包括具有一个或更多个可转动的螺旋叶片或螺纹组件的螺旋钻型组件。用于在接触室内移除和输送固体材料的装置可以具有专用的驱动装置，比如马达和传动组件。可选地，用于移动和输送固体材料的装置可以由与转子组件相同的驱动装置驱动、由转子组件的转动驱动或者安装为与转子组件一起转动。 [0061] 为控制接触室内的温度，所述设备优选地设有合适的热交换系统。在处理烟道气的情况下，进入接触室的流体流通常处于较高的温度。这例如在使用嗜热微生物时可用作向接触室提供热的有效方式。但是，优选的是适当控制接触室内的温度。因此，优选的是，用于控制和调节接触室内的温度的装置优选地设置在所述设备中，以确保微生物在液体介质中具有用于生长和繁殖的最佳条件。如上述，在一个实施例中，热交换系统包括使用转子组件中的中空轴，热交换流体经该中空轴流动。附加地，或者可选于此，热交换系统可以提供经壳体壁部的热交换。例如，所述设备可以包括用于将水或其他冷却剂喷射到壳体的外部上的喷洒系统。适于在所述设备中使用的其他热交换装置对于本领域的技术人员来说是明显的。 [0062] 如前述，本发明的设备适于以模块化的基础使用。因此，在另一方面，本发明提供一种用于使流体流与微生物接触的系统，所述系统包括多个如前述的设备。 [0063] 每个设备都将具有如前述的转子组件。每个设备都可以包括其自身专用的用于转子组件的驱动系统。但是，优选的是，多个转子组件由单个驱动组件驱动。 [0064] 类似地，虽然每个设备都可以具有其自身的热交换系统，但是优选的是，提供单个热交换系统来控制多个设备的温度。特别地，优选的是提供热交换介质的共用源，例如经一个或更多个集管来供应加热或冷却液体。 [0065] 多个设备可以布置为任意合适的模式或阵列，例如，或者串联或者并联或者二者的结合，以获得对流体流的最有效的加工。 [0066] 在另一方面，本发明提供一种利用微生物来处理流体流的方法，所述方法包括： [0067] 使流体流在接触区与微生物接触，所述微生物保持在液相中，其中流体流与微生物的接触由活动叶轮的作用增强，接触区位于容器内，所述容器的至少一部分透明以通过光。 [0068] 所述方法提供利用微生物的作用来处理流体流，该流体流与该微生物接触。光经容器的透明部分提供给微生物，接触区位于该容器中。可以应用所述方法以处理大范围的流体流，包括气体流和液体流。所述方法特别适于处理气体流，尤其是含大量二氧化碳的气体流，比如烟道气等。能够以这种方式处理的其他气体流的示例包括来自酿造的含二氧化碳的流、由厌氧消化过程产生的沼气(包括从垃圾填埋地点垃圾和废料中产生的沼气)、水泥窑废气和来自其他化石燃料燃烧过程的排放气。 [0069] 可选地、或者附加于此，所述方法可以应用到处理一种或更多种液体流。液体流可以是水流或非水流、并且可以包含水和/或有机成分。可以被加工的液体流的示例包括来自厌氧消化过程的、包含有机化合物的溶液，比如在US 5,637,219中公开的用于有机物质的持续消化的设备所产生的那些。可以被加工或处理的其他液体流包括污水、含有用于微生物的营养原料的城市和工业废水流、来自烟道气的水汽提(water stripping)的含二氧化碳的液体流、诸如全氟化碳溶剂的含溶解的二氧化碳的溶剂液体流。 [0070] 用于维持生长的藻类或其他光合有机体培养物所要求或适合的特别的液体介质组分、营养物等在本领域是众所周知的。多种液体介质能够以多种形式用在本发明的不同实施例中，如对本领域的技术人员来说明显的。例如在如下文献中详细讨论潜在合适的液体介质成分和营养物：Rogers,L.J.and Gallon J.R.“Biochemistry of the Algae and Cyanobacteria”,Clarendon Press Oxford,1988(牛津大学出版部印刷所，1988年，Rogers,L.J.和Gallon J.R.的“生物化学藻类和蓝藻细菌”)；Burlew John S.“Algal Culture:From Laboratory to Pilot Plant”,Carnegie Institution of Washington Publication 600,Washington D.C.,1961(华盛顿特区华盛顿卡内基学会出版600，1961年，Burlew John S.的“藻类培养：从实验室到试验工厂”)；以及Round,F.E.The Biology of the Algae.St Martin’s Press,New York,1965(纽约圣马丁出版社，1965年，Round,F.E.的“藻类生物学”)。 [0071] 待处理的流体流还可以包括固体材料，比如夹带的或悬浮的固体颗粒。通常，固体材料将经受微生物的很小处理或没有处理。 [0072] 本发明的方法采用微生物的作用来处理流体流，特别是光养的且存在光时正常工作的微生物。用于本发明的合适微生物在本领域中是已知的。本文使用的术语“微生物”应当理解为包括微生物和以类似方式工作的植物组织的培养物。 [0073] 微生物保持在接触区内的液体介质中，最优选地呈悬浮形式。 [0074] 合适的光养微生物在本领域中是已知的。合适的微生物的示例由以下文献公开：Morita,M.,Y.Watanabe,and H.Saiki,“Instruction of Microalgal Biomass Production for Practically Higher Photosynthetic Performance Using a Photobioreactor.”Trans IchemE.Vol.79,Part C,September 2001(2001年9月，化学工程师学会期刊C部分第79卷，Morita,M.、Y.Watanabe和H.Saiki的“使用光生物反应器用于实用地更高光合性能的微藻类生物质生产的说明”)。合适的菌株包括能够光合生长的所有有机体，比如植物细胞、海草细胞、以及微生物，包括能够在液相中生长的呈单细胞或多细胞形式的藻类、光合细菌和蓝藻细菌，并且还可以包括人工改造的或由基因操作改造的有机体。本发明可以采用微生物的单个菌株。可选地，能够采用多个不同菌株和不同级别的微生物。藻类的示例包括小球藻属(Chlorella)、衣藻属(Chlamdomonas)、角毛藻属(Chaetoceros)、杜氏藻属(Dunaliella)、紫球藻属(Porphyridum)、红球藻属(Haematococcus)、葡萄藻属(Botryococcus)、裸藻属(Euglena)、栅藻属(Scenedesmus)、菱形藻属(Nitzschia)、裂丝藻属(Stichococcus)、等鞭金藻属(Isochrysis)、小环藻属(Cyclotella)、四爿藻属(Tetraselmis)、单针藻属(Monoraphidium)、螺旋藻属(Spirulina)、鱼腥藻属(Anabaena)、嗜热蓝藻属(Chlorogleopsis)、念珠藻属(Nostoc)、集球藻属(Synechococcus)、席藻属(Phormidium)、束丝藻属(Aphanizomenon)、原甲藻属(Prorocentrum)、赫氏圆石藻(Emiliania huxleyi)。光合有机体种类的示例包括：蓝藻纲(蓝绿藻)、绿藻纲(绿藻)、硅藻纲(包括硅藻)、金藻纲(包括金藻)、圆筛藻纲(Coscinodiscophyceae)、绿蜘藻纲(Chlorarachniophyceae)、绿枝藻纲(Prasinophyceae)、针胞藻纲(Raphidophyceae)、硅鞭藻纲(Dictyochophyceae)、黄藻纲(Tribophyceae)、大眼藻纲(Eustigmatophyceae)、隐藻纲(Cryptophyceae)、甲藻纲(Dinophyceae)、裸藻纲(Euglenophyceae)、定鞭藻纲(aPrymnesiophyceae)、红藻纲(Rhodophyceae)、光合原核生物(photosynthetic prokaryotes)、光合古细菌(photosynthetic archaebacteria)、以及光合原生质体构造(photosynthetic protoplast constructs)。 [0075] 所述方法涉及到叶轮的作用以增强正被处理的流体流与液相中的微生物之间的接触。如前述，应当在保持微生物所经受的剪切力最小的同时获得增强的接触。当待处理的流体流是与含微生物的液相相溶的液体时，仅需来自叶轮的轻柔搅动使流体流混合到一起来确保微生物与待处理的流体流之间的充分接触。在待处理的流体流是与含微生物的液相不相溶的液体的情况下可能需要较剧烈地搅动。 [0076] 叶轮应当增进含微生物的液相与正被处理的液相之间的接触，同时优选地允许这两相以分层流动的状态流过反应器容器。 [0077] 当待处理的流体流为气体时存在一个特别的问题。在微生物不暴露给高水平的剪切力的情况下无法提供气相与液相之间的紧密混合。因此，本发明中避免使用气体分配器，比如在本领域中已知的分布器等。相反，在这种情况下，所述方法优选地执行为气体流占据接触区的第一区域、含微生物的液相占据接触区的第二区域。叶轮被布置为从接触区的第二区域移动至第一区域，从而将液体和微生物从第一区域带到第二区域。当叶轮回到第二区域内时，来自第一区域的气体被带到第二区域的液体介质内、并且随后在液体介质内的其浮力的作用下释放到液体介质的本体内以回到第一区域。 [0078] 叶轮的转速通常较低，以减小液相中的剪切力并且防止液相的过度起泡。叶轮的转速优选地在0.5rpm到80rpm的范围内，更优选地从1rpm到60rpm。叶轮的可接受的转速取决于液相的物理特性、以及叶轮自身的形状和构型。 [0079] 在本发明的方法中，取决于正被加工的流体流的特性及其成分，接触区可以包括一个或更多个液相。 [0080] 在一个实施例中，接触区包括单个液相，从而正被加工的流体流是能够与含微生物的液体介质(更可能为水系统)相溶的液体流。在该实施例中能够被加工的合适的液体流是水废料流和能够与水相溶的含有机液体的流，比如乙醇、乙醛、酮等。 [0081] 在另一实施例中，接触区包含两个液相，第一液相是含微生物的液体介质、而第二液相是正被加工的液体流或者例如用于从含微生物的液体移除成分的第二液体介质，该第二液体介质包含与含微生物的液体介质不相溶的成分。与含微生物的水介质不相溶的液体的示例有非极性的有机溶剂、诸如十二烷和己烷的烷烃、以及诸如可以用于从含微生物的水相萃取代谢产物的全氟溶剂。 [0082] 本发明的另一实施例为其中接触区包括三个或更多个液相的实施例。除了含微生物的液体介质外，两个待加工的液体流可被供应至接触区。可选地，液相中的其中一个可以包括待加工的液体流、第二液相可被给送至接触区以执行从一个或更多个其他液相中溶剂萃取成分。 [0083] 另外，本发明的方法可以操作为利用含微生物的液相来加工或处理气体流。接触区可以设有一个或更多个另外的、不相溶的液体作为接触区内出现的分离的相，所述液体可以如上述地作用，例如用于比如通过溶剂萃取从接触区移除成分。 [0084] 可被供应至接触区以影响溶剂萃取的液体成分的示例包括全氟化碳，其细节在下面提供。 [0085] 含溶剂的液体流可被引入到接触区内，以便与含微生物的液体介质同向或反向地一起流动。 [0086] 在本发明的一个实施例中，加工或处理气体流，特别为烟道气等。特别有利的是，正被给送至接触区的气体流与含微生物的液相没有紧密混合，而是保持为基本分离或分开的相。通过在气相中产生大的液体表面积的转动叶轮来增强微生物与正被加工的气体流之间的接触。这样，微生物作用的气体产物可以由气体流移除。特别地，在许多情况下，微生物对正被加工的流体流的作用的副产物是氧气。在含微生物的液体介质中高浓度的氧气作为毒物并且有害地影响微生物的作用，最终摧毁活性微生物群。基本分离的气相的作用是将氧气从含微生物的介质中移除，从而保持微生物的活性水平。 [0087] 另外，已经发现，基本分开的气体流和转动叶轮的作用减小小直径气泡在含微生物的液体介质中的形成。小直径气泡经过液体介质并经这样产生对周围的液体和微生物的高剪切力。本发明的方法及设备例如通过叶轮和转子组件的适当设计来防止小气泡的形成、和/或允许小气泡迅速合并，由此减小施加至微生物的剪切力。 [0088] 在本发明的另外的实施例中，在待加工的流体流为液体的情况下，可能有利的是，将气体流给送至接触区，以允许微生物作用的气体产物和代谢产物(比如氧气)如前述地被移除。这样，堆积在接触区中的气体可被有效地清除和移除。 [0089] 不论流体流被加工与否，气体流都可被引入到接触区，以便与一个或更多个液相同向或反向地一起流动。 [0090] 如所注意的，一种或更多种溶剂可被引入到接触区内，以通过溶剂萃取来移除成分。用于以这种方式使用的合适溶剂在本领域中是已知的。用于在本发明中使用的特别优选的溶剂是全氟化碳。全氟化合物(PFC)因其C-F键的高能量而具有低反应性和高化学稳定性。因为C-F键的强度和高分子量，所以它们具有高沸点和低蒸汽压力。它们还因氟原子的排斥倾向而没有偶极且具有很低的分子间相互作用。这些独特的性质引致高溶解度、小蒸汽损失、以及用于在压力下降或温度升高时排出气体分子所需的低作用力。合适的全氟化碳的示例包括已知为PP10、PP11和PP25的全氟全氢芴(Perfluoro-perhydrofluorene)(C13F22)、全氟全氢菲(Perfluoro-perhydrophenanthrene)(C14F24)和全氟环己基甲基十氢萘(Perfluoro-cyclohexylmethyldecalin)(C17F30)。 [0091] 气体在全氟化碳中的溶解是在对应的碳氢化合物中的大约两倍，这归因于全氟化碳极低的分子间凝聚力的事实，这也可见于很低的溶解度参数和表面张力值。溶解度与气体分压成比例。特别地，全氟化碳是水不相溶液体，它们比水多溶解氧气10倍到20倍。这些流体能够在本发明的方法中用于无气泡充氧并移除过量的二氧化碳。另外，全氟化碳可用于剥离由微生物产生的氧气，以防止高氧气浓度的堆积，从而又减小氧气对微生物活性的抑制效果。 [0092] 用于作为本发明中的溶剂的合适的全氟化碳的示例包括全氟萘烷(perfluorodecalin)(C10F18)、双环全氟烷烃(bicyclic perfluorinated alkane)和全氟-n-溴辛烷(bromoperfluoro-n-octane)(全氟辛基溴化物(perfluorooctyl bromide)(PFOB)；经验式：C8F17Br)。其他示例包括全氟己烷(perfluro hexane)、全氟甲基环己烷(perfluoro methylcyclohexane)、全氟-1，3-二甲基环己烷(pefluoro-1,3-dimethylcyclohexane)和全氟甲基十氢萘(perfluoro methyl decalin)。 [0093] 如所注意的，接触区可以包括固体材料。该固体材料可被夹带或悬浮在一个或更多个流体流中进入接触区。如上述，优选的是使固体材料经接触区运动来防止其堆积。 [0094] 固体材料还可被供应至接触区，特别是可作为用于微生物的基底的固体颗粒。在一个优选的实施例中，用于微生物的固体基底具有比含微生物的液体介质小的密度，从而允许固体基底漂浮。叶轮优选地被设计为将固体基底从含微生物的介质移动到正被加工的流体流内，如上所述。 [0095] 在另一实施例中，固体材料可被引入到接触区内，以从接触区内的一个或更多个液相吸收或吸附一种或更多种成分。固体材料可具有小于、等于或大于接触区中的液体的密度。 [0097] 若引入，固体材料可被引入到接触区内，以便与接触区中的液相同向或反向地一起流动。 [0098] 本发明的方法可操作为利用处于任意合适压力下的接触区。在许多情况下，特别是当所述方法用于加工烟道气等时，在接触区内的压力可能是超大气压的，特别是比大气压高0.01bar到2bar、更优选地高0.01bar到1bar。但是，在满足加工要求所需的情况下可采用更高的压力。类似地，若期望，接触区可以在低于大气压的压力下进行操作。 [0099] 类似地，接触区可以以任意合适的温度进行操作，该温度适于维持和优化微生物的功能和生长。合适的操作温度取决于所采用的特定微生物并且能够由本领域的技术人员容易地确定。 [0100] 本发明的方法依赖于接触区容置于其中的容器的至少一部分透明以通过光，从而向微生物提供用于稳定活度和生长所需的光的量或强度。为确保足够的光被提供给微生物，优选地，如要求，所述方法包括连续或间歇地清洁容器的内表面。用于清洁容器的内表面的合适装置如前所述。如所注意的，一特别优选的方法包括提供擦拭组件以与相关表面接触并且以往复运动的方式来移动擦拭组件。 [0101] 另外，低密度的或漂浮的固体材料可被引入到接触区内以清洁接触区容置于其中的容器的内表面。合适的漂浮的清洁装置包括塑料球、珠等，这些装置摩擦容器的表面以移除聚积的沉积物和微生物。 [0102] 本发明的方法提供多个产物。首先，所述方法提供处理后的流体流。因此，在烟道气的情况下，所述方法特别适于在将烟道气排放到大气之前从烟道气移除二氧化碳。本发明的方法特别适合于此，原因在于其不需要在处理烟道气之前压缩烟道气、并且烟道气能够在其正常操作的压力下被引入到接触区内，该压力通常比大气压高0.01bar到2bar、更优选地比大气压高0.01bar到1bar。 [0103] 另外，所述方法产生微生物，所述微生物必须连续或间歇地从接触区移除，例如通过连续或间歇地移除含微生物的液体介质。为确保维持适当的和健康的微生物种群，优选的是，以连续或周期性的基础向含微生物的液体介质补充新鲜的液体介质和新鲜的微生物。可以利用本领域中已知的传统技术来收获从接触区移除的微生物。用于收获如此产生的生物质的技术包括离心、切向流过滤、沉降、以及溶气气浮。 [0104] 如此收获的微生物可以具有多种的其他用途。示例包括肥料和动物饲料的内含物。在一个优选的实施例中，所收获的生物质用于制造生物燃料。用于将所收获的微生物转化为生物燃料的合适技术在本领域中是已知的。用于将生物质材料转化成生物柴油的多种方法在本领域中是已知的。例如，藻类可被收获、与液体介质分离、溶解并分离油含量。藻类产生的油富含甘油三酯。可以利用众所周知的方法(比如美国专利No.5,354,878所描述的Connemann过程)来将这种油转化成生物柴油。酯交换反应过程是已知的并且涉及到在甘油三酯与乙醇(通常为甲醇)之间的碱催化的酯交换反应。甘油三酯的脂肪酸被转化为甲醇，从而产生烷基酯(生物柴油)并且释放甘油。甘油能够被移除并可用于其他目的。 [0105] 从干燥过程回收的干燥的藻类生物质能够直接利用为在燃烧装置中使用的固体燃料、和/或能够转化为燃料级油，比如生物柴油和/或可燃的有机燃气。在某些实施例中，能够利用干燥后或干燥前的生物质的至少一部分来生产含有机分子的产品，比如燃料级油和/或有机聚合物。计划在燃料级油生产、燃气生产等中使用的藻类生物质能够以热解或其它已知的气化工艺和/或热化学液化工艺分解，以产生油和/或可燃气体。从藻类生物质生产燃料级油和气体的这些方法在本领域中是众所周知的，例如：Dote,Yutaka,“Recovery of liquid fuel from hydrocarbon rich microalgae by thermochemical liquefaction,”Fuel.73:Number 12.(1994)(1994年，燃料.73：数字12，Dote,Yutaka的“通过热化学液化从富烃微藻中回收液体燃料”)；Ben-Zion Ginzburg“, Liquid Fuel(Oil)From Halophilic Algae:A renewable Source of Non-Polluting Energy,Renewable Energy,”Vol.3,No 2/3.pp.249-252,(1993)(1993年，第3卷第2/3第249-252页，Ben-Zion Ginzburg的“来自嗜盐藻类的液体燃料(油)：无污染能源、可再生能源的来源”)；Benemann,John R.And Oswald,William J.“, Final report to the DOE:System and Economic Analysis of Microalgae Ponds for Conversion of CO2to Biomass.”DOE/PC/93204-T5,March 1996(1996年3月，DOE/PC/93204-T5，Benemann,John R.和Oswald,William J.的“向能源部的最终报告：用于二氧化碳转化为生物质的微藻池的系统和经济分析”)；以及Sheehan et al.,1998(1998年，Sheehan等人)。 [0106] 另外，所述方法可以用于生产来自微生物的高价值的初级和次级代谢产物，所述代谢产物具有显著的其他和最终用途。在这方面，参照如下文献：Singh,Sawraj；Kate,Bhushan N；Banerjee,U C；“Bioactive Compounds From Cyanobacteria and Microalgae:An Overview”；Critical Reviews in Biotechnology 2005(2005年，生物技术的关键评论，Singh,Sawraj、Kate,Bhushan N和Banerjee,U C的“来自蓝藻细菌和微藻类的生物活性化合物：概述”)；Pauline Spolaore,Claire Joannis-Cassan,Elie Duran,and Arsène Isambert；“Commercial Applications of Microalgae”；Journal of Bioscience and Bioengineering；Vol.101,No.2,87-96,2006(2006年，生物科学和生物工程杂志第101卷第2第87-96页，Pauline Spolaore、Claire Joannis-Cassan、Elie Duran和Arsène Isambert的“微藻类的商业应用”)；和”Micro-and Macro-Algae:Utility for Industrial Applications”(微藻类和大藻类：工业应用的实用性)；Outputs from the EPOBIO project September 2007；prepared by Anders S Carlsson,Jan B van Beilen,Ralfand David Clayton(EPOBIO:Realising the Economic Potential of Sustainable Resources–Bioproducts from Non-food Crops)September 2007,CNAP,University of York.ISBN 13:978-1-872691-29-9(2007年9月，约克大学CNAP，ISBN 13: 978-1-872691-29-9，由Anders S Carlsson、Jan B van Beilen、Ralf 和David Clayton准备的2007年9月EPOBIO项目的输出(EPOBIO：实现可持续资源的经济潜力–来自非粮食作物的生物制品))。 [0107] 所述方法可以提供一种或更多种成分，比如前述的代谢产物，这些成分例如借助于在接触区内的溶剂萃取从接触区中回收。这些成分可以通过本领域中已知并能够应用到所讨论的溶剂中的技术从它们各自的溶剂流中移除。 [0108] 为便于或增进在反应器组件的接触区内的成分的分离，电势差可以应用至全部或部分接触区，以使接触区内的带电或极性分子迁移。一个或更多个合适的输出口可设置在接触区中，从而将以这种方式收集的带电或极性分子移除。电势差可以以任意合适的方式施加。在一个实施例中，电势差跨过转子组件的叶轮进行施加。特别地，当使用呈细长勺或桶的形式的叶轮(尤其是流槽叶轮)时，电势差能够沿叶轮的长度施加，以使带电和/或极性分子在叶轮内或沿叶轮迁移。 [0109] 由若干蓝细菌和光合原核生物产生的一个重要的代谢产物是氢气。氢气例如作为生物能源的来源。通常，光合细菌在厌氧生长时消耗有机酸(比如乙酸)和二氧化碳、并且产生氢气作为代谢产物。在一个实施例中，为产生氢气，本发明操作为提供在厌氧条件下待消耗的有机酸的来源，以产生氢气。氢气从接触区移除并回收用于其他用途，特别是作为燃料。附图说明 [0110] 现在参照附图，仅通过示例的方式对本发明的实施例进行描述，其中： [0111] 图1是包括多个根据本发明的一个实施例的生物反应器的生物反应器阵列的立体图； [0112] 图2是图1的阵列的一部分的立体图； [0113] 图3是图1的阵列的单个反应器组件的一端的立体图； [0114] 图4是图3的反应器组件的转子组件从反应器容器中部分拉出的立体图； [0115] 图5是图4的转子组件的擦拭环的视图； [0116] 图6是根据本发明的一个实施例的反应器组件的纵向剖视图； [0117] 图7是图6的反应器组件沿线VII-VII的横向剖视图； [0118] 图8是与图7对应的横向剖视图，示出反应器组件的可选的操作模式； [0119] 图9是与图7对应的横向剖视图，示出反应器组件的另一可选的操作模式； [0120] 图10是与图7对应的横向剖视图，示出反应器组件的又一可选的操作模式； [0121] 图11是根据图6的实施例的可选实施例的反应器组件的纵向剖视图； [0122] 图12a是本发明的第一反应器池实施例的剖视图； [0123] 图12b是本发明的第二反应器池实施例的剖视图； [0124] 图12c是本发明的第三反应器池实施例的剖视图； [0125] 图13a至图13d是用作本发明的反应器组件中的叶轮的可选的流槽构型的立体图。 具体实施方式[0126] 参照图1，示出从根据本发明的一个实施例的生物反应器阵列的一端的立体图，该生物反应器阵列整体由2指示。阵列2包括多个单独的反应器组件4，其中的每一个都通常为细长和圆筒形的形式，如在下文中更详细描述的。反应器组件4布置成多个叠层6，在每个叠层中的反应器组件被竖直地布置成一个在另一个之上。阵列2的位置和方向设置为允许自然光照射反应器组件的壁。特别地，阵列2优选地布置成使太阳光尽可能多地贯穿整个白天入射到反应器组件4的圆筒形侧壁上。在每个期望地点处用于阵列的最佳定位方向能够由本领域的技术人员容易地确定。 [0127] 图2以立体图示出反应器组件4的单个叠层6。如可见，在所示的叠层中，借助于沿反应器组件的长度间隔设置的支承框架8将十个反应器组件4保持在竖直布置中。 [0128] 应当理解的是，图1所示的阵列和图2所示的叠层仅是用于本发明的反应器组件4的多个可能布置中的其中一个。反应器组件的一个特征在于其可以形成为任意合适的尺寸并布置为任意合适的构型，这最佳地利用位置和可得到的自然光和太阳光。反应器组件可以单个布置或以阵列布置，比如图1和2所示。组件或阵列可以设置在地平面上或者可以在高于地面的抬高位置上，例如设置在建筑物的顶部上。这样，反应器组件可以设置成与待处理的流体流的源非常接近。例如，一个或更多个反应器组件可以设置成与锅炉的烟道气输出口相邻，用于处理烟道气并从中移除二氧化碳。 [0129] 图3更详细地示出单个反应器组件4。每个反应器组件4都包括具有端板12的大致圆筒形的细长反应器容器10。反应器容器10至少沿其长度的一部分、更优选地沿其全部长度由透明材料形成。合适的透明材料在本领域是已知的并且包括：聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、聚碳酸酯、聚乙烯吡咯烷酮、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚对苯甲二酸乙二醇酯(poly(ethylene terephthalate))、聚对萘二甲酸乙二醇酯(poly(ethylene naphthalate))、聚对苯二甲酸-1,4-环己二甲酯(poly(1,4-cyclohexane dimethylene terephthalate))、聚烯烃(polyolefm)、聚丁烯、聚丙烯酸酯、以及聚偏二氯乙烯(polyvinlyidene chloride)、全氟塑料、聚四氟乙烯(PTFE)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、苏打玻璃、硼硅玻璃以及石英玻璃。反应器容器优选地为刚性的。但是，在一个可选的布置(为清楚未示出)中，反应器容器为柔性的并由刚性支承构件保持为大致圆筒形的形式。端板12可以是与反应器容器10相同或相似的材料。可选地，端板可以由不透明材料形成，例如，诸如不锈钢等的金属。 [0130] 端板12在其下部设有第一开口14，所述第一开口14形成用于将含微生物的液体介质供应至反应器容器的输入口。第二开口16设置在端板12的上部以形成用于待处理的流体流的输入口。在图3所示的实施例中，第二开口16的尺寸被设计成允许将气体流给送到反应器容器内、用于由其中的微生物进行处理。端板(为清楚未示出)设置在反应器容器的相对端处并且具有与开口14和16对应的开口，以提供用于含微生物的液态液体和处理过的气体流的输出口。如需要，端板可以以类似方式设置另外的开口，以允许将如用于反应器组件的正确操作所需的另外的流体流给送至反应器容器。 [0131] 端板中的开口连接至合适的供应线路和集管，用于将流体流供应到反应器容器、从反应器容器供应流体流、将流体流移除到反应器容器和将流体流从反应器容器移除(为清楚而省略)。 [0132] 反应器组件4设置有在反应器容器10内纵向延伸的转子组件20。转子组件20安装在轴22上，所述轴22在反应器容器内纵向延伸并且从其向外延伸穿过端板12。轴22在其端部设有链轮24，这允许轴由合适的马达或其他驱动机构(再次为清楚而从图中略去)转动。可以采用用于转动转子组件20的轴的任意合适的驱动系统。 [0133] 图4更详细地示出转子组件20，其示出从反应器容器10中部分抽出的转子组件。转子组件10包括安装至轴22上的圆形转子板26，以便能够与轴22一起转动。多个细长流槽28从转子板26延伸。流槽28在其端部安装在转子板26中的相应开口内，并且围绕转子板的周边等距地间隔开。第二转子板(图3中未示出并且位于反应器容器10内)支承每个流槽28的相对端部。 [0134] 转子组件可以设有多个成对的转子板26，每一对都具有在它们之间延伸的各自的流槽，所述流槽用于将反应器容器10的内部分成分离的部分或隔间。在这种情况下，转子板可以设有合适的开口以允许流体在如此形成的相邻隔间之间流通。 [0135] 转子组件20还包括安装在毂32上的擦拭环30，所述毂32容纳用于转子组件20和轴22的轴承组件。擦拭环30在其周边上设有柔性擦拭叶片34。图5示出擦拭环30的细节，其中环30由轮辐36连接至毂32。当擦拭环移动时，反应器容器内的流体可以经辐条36之间的开口自由地移动穿过擦拭环。 [0136] 当转子组件20在反应器容器10中就位时，擦拭叶片34承载在反应器容器的内表面上。转子组件20和其驱动机构布置为当操作时在反应器容器10内纵向地往复运动，从而导致擦拭叶片34穿越反应器容器的内表面并且移除所聚集的沉积物和微生物的生长。这又确保光能够穿过反应器容器的透明壁并且进入到含微生物的液体介质中。 [0137] 图6示出处于操作中的反应器组件10的纵向剖视图，而图7示出相同情况下的横向剖视图。在图6所示的反应器组件4中，反应器容器10在每个端部都设有端板12，每个端板12具有各自的用于供应和移除含微生物的液体介质的开口14和用于供应和移除待处理的流体流(例如为诸如烟道气的气体流)的开口16。在操作中，通过在合适端板(图6中由箭头指示)中的开口14将含微生物的水介质给送到反应器容器内，以提供在反应器容器10的第一区域中的液体微生物介质40的本体。将待处理的流体流(特别为诸如含二氧化碳的烟道气的气体流)经在合适端板中的开口16引入到反应器容器内(如图6中箭头所指示)，以提供在反应器容器10的第二区域中的待处理的流体42的本体。待处理的流体流具有比含微生物的液体流低的密度，并且因此占据在液体上方的区域，如图6和图7所示。应当理解的是，在待处理的流体流比含微生物的液体密度大的情况下，两个流体流的相对位置可以倒转。 [0138] 在操作中，转子组件20在反应器容器内转动，导致流槽28遵循由图7中的箭头A所指示的路径。每个流槽都从反应器容器的包括含微生物的液体本体的第一区域经过、并且进入到包含待处理的流体的第二区域内。如图7所示，流槽将来自第一区域40的液体运到第二区域42内，从而增加两个流体之间的接触。另外，将流体(例如图7所示的气体)从第二区域42运到第一区域40内，从而再次增加这两个流体相之间的接触。气体离开流槽28并且形成大气泡44，该大气泡44在含微生物的液体介质内向上行进并回到区域42。流槽形成为使大气泡能够形成。当穿过液体本体时，大气泡产生比小气泡明显小的剪切力、并且因此向液体介质内的微生物施加较小的剪切力。 [0139] 当待处理的流体的气泡穿过液体介质时，诸如二氧化碳的成分由液体介质中的微生物消耗。微生物的新陈代谢的产物(比如氧气)被释放到气泡内，所述气泡随后回到位于反应器容器的区域42中的流体流的主体中。微生物的新陈代谢的产物在正被处理的流体流中离开反应器容器，可利用已知技术将它们从所述流体流中如期望地移除。 [0140] 在操作期间，含微生物的液体介质和正被处理的流体的主体流动通常分层地通过反应器容器，并且以上述方式增进这两相之间的接触。这样，微生物经受最小的剪切力和能量。 [0141] 如可能要求的，可以使含微生物的液体介质和待处理的流体流以同向流动模式或反向流动模式流过反应器容器。 [0142] 图6和图7所示的布置和操作模式适于处理大范围的流体流，特别是用于处理气体流，尤其是含二氧化碳的气体流，比如烟道气流。 [0143] 图8示出可选的操作模式，其是与图6的反应器组件的图7所示的横向剖视图相对应的横向剖视图、但以如下的不同原理操作。将含微生物的水液体介质如前述地给送到反应器容器内并且占据反应器容器的第一区域50。将诸如全氟烃的气体交换溶剂引入到反应器容器内并且占据反应器容器的第二区域52。由于气体交换溶剂的密度大于含微生物的水介质的密度，因此气体交换溶剂占据水介质下方的区域。在被给送到反应器容器内之前，气体交换溶剂与待加工的流体流接触，以便从中移除一种或更多种气体成分，特别是从诸如烟道气等的气体流中移除二氧化碳。用于使气体交换溶剂与气体流相接触的合适设备和系统在本领域中是已知的。随后将含有溶解在其中的气体的气体交换溶剂流给送到反应器容器内。 [0144] 以与上述操作相似的方式增进在液体介质中的微生物与气体交换溶剂之间的接触，并且如图8所示，气体交换溶剂的气泡54由向下穿过含微生物的介质的流槽捕获。来自气体交换溶剂的诸如二氧化碳的气体由微生物消耗。另外，如所要求的，微生物新陈代谢的气体产物(比如氧气)由气体交换溶剂吸收并且在气体交换溶剂流中离开反应器容器以用于随后的回收。气体交换溶剂可以随后被再循环以与待加工的流体流进一步接触。 [0145] 再次，含微生物的液体介质和气体交换溶剂的流动可以同向或反向地通过反应器容器。 [0146] 图9表示图6所示的反应器容器的另一可选的操作模式，其是与图7所示的横向剖视图相对应的横向剖视图、但以如下方式操作。将含微生物的水液体介质如前述地给送到反应器容器内并且占据反应器容器的第一区域60。将诸如烟道气的待处理的气体流如上述地给送到反应器容器内并且占据反应器容器的在第一区域60上方的第二区域62。将诸如全氟烃的气体交换溶剂引入到反应器容器内并且占据反应器容器的第三区域64。由于气体交换溶剂的密度大于含微生物的水介质的密度，因此气体交换溶剂占据水介质下方的区域。在被给送到反应器容器内之前，气体交换溶剂可以与待加工的流体流接触，以便从中移除一种或更多种气体成分，特别是从诸如烟道气等的气体流中移除二氧化碳。用于使气体交换溶剂与气体流相接触的合适设备和系统在本领域中是已知的。随后将含有溶解在其中的气体的气体交换溶剂流给送到反应器容器内。 [0147] 以与上述操作相似的方式增进在液体介质中的微生物、气体流中的气体以及气体交换溶剂之间的接触，并且如图9所示，气体的气泡66由向上经过含微生物的液体介质的流槽捕获、且气体交换溶剂的气泡68由向下经过含微生物的介质的流槽捕获。来自气体交换溶剂和气体流(如果存在的话)的诸如二氧化碳的气体由微生物消耗。另外，如所要求的，微生物新陈代谢的气体产物(比如氧气)由气体交换溶剂吸收并且在气体交换溶剂流中离开反应器容器或流入到气体流内以用于随后的回收。最后，在气体流中进入反应器容器但未被微生物消耗的气体成分可以由气体交换溶剂的作用来回收和移除。该操作模式是特别有利的，原因在于其允许在黑暗的时候或微光水平期间当条件不适于微生物的光合作用时继续从诸如烟道气等的流体流中捕获碳。这样，呈含碳气体形式的碳的捕获仅受到由气体交换溶剂从气体流中移除这种气体的影响。 [0148] 再次，如用于最佳操作所要求的，含微生物的液体介质、气体流和气体交换溶剂的流动可以同向或反向地通过反应器容器。 [0149] 图10表示图6所示的反应器容器的又一可选的操作模式，其是与图7所示的横向剖视图相对应的横向剖视图、但以如下方式操作。将含微生物的水液体介质如前述地给送到反应器容器内并且占据反应器容器的第一区域70。将诸如烟道气的待处理的气体流如上述地给送到反应器容器内并且占据反应器容器的在第一区域70上方的第二区域72。将诸如全氟烃的气体交换溶剂引入到反应器容器内并且占据反应器容器的第三区域74。由于气体交换溶剂的密度大于含微生物的水介质的密度，因此气体交换溶剂占据在水介质下方的区域。在被给送到反应器容器内之前，气体交换溶剂可以与待加工的流体流接触，以便从中移除一种或更多种气体成分，特别是从诸如烟道气等的气体流中移除二氧化碳。用于使气体交换溶剂与气体流相接触的合适设备和系统在本领域中是已知的。随后将含有溶解在其中的气体的气体交换溶剂流给送到反应器容器内。将诸如十二烷的溶剂流引入到反应器容器内，并且由于其相对于其他流的成分的密度而占据在第一与第二区域之间的第四区域76。溶剂可以选取为优选地从反应器容器移除多个成分，特别是微生物的新陈代谢的产物，比如非极性烃等。 [0150] 以与上述操作相似的方式增进在液体介质中的微生物、气体流中的气体、溶剂以及气体交换溶剂之间的接触，并且如图10所示，气体的气泡78和溶剂的气泡80由向上经过含微生物的液体介质的流槽捕获、且气体交换溶剂的气泡82由向下经过含微生物的介质的流槽捕获。来自气体交换溶剂及气体流(如果存在的话)的诸如二氧化碳的气体由微生物消耗。另外，如所要求的，微生物新陈代谢的气体产物(比如氧气)由气体交换溶剂吸收并且在气体交换溶剂流中离开反应器容器或流入到气体流内以用于随后的回收。取决于在溶剂相中的成分的选择，包括微生物的代谢产物的一种或更多种其他成分可以通过溶剂相吸收和移除。最后，在气体流中进入到反应器容器内但未被微生物消耗的气体成分可以由气体交换溶剂的作用来回收和移除。该操作模式是再次特别有利的，原因在于其允许在黑暗的时候或微光水平期间当条件不适于微生物的光合作用时继续从诸如烟道气等的流体流中捕获碳。这样，呈含碳气体形式的碳的捕获仅受到由气体交换溶剂从气体流中移除这种气体的影响。 [0151] 再次，如用于最佳操作所要求的，含微生物的液体介质、气体流、溶剂相和气体交换溶剂的流动可以同向或反向地通过反应器容器 [0152] 溶剂和气体交换溶剂可以在离开反应器组件之后通过利用已知的技术以已知的方式移除溶解在其中的成分而再生并且再循环到反应器组件的输入口。 [0153] 可以以不同的方式实现反应器容器内的温度控制。例如，反应器容器的冷却可以实现为通过将冷却剂(最合适的为水)喷洒到反应器的外表面上，从而通过蒸发冷却来移除热。对反应器容器的内容物的加热可以实现为通过在将一个或更多个流体流给送到反应器组件之前对其进行加热或者通过使用诸如热烟道气流的热流体流。在反应器容器内的传热还可通过利用中空轴22来提供，传热介质可以通过所述中空轴22进行泵送以加热或冷却反应器容器的内容物。如合适，可以采用两种或更多种前述技术的组合。 [0154] 转至图11，示出图6的反应器组件的可选布置的纵向图，所述反应器组件整体由102指示。图11所示的反应器组件中与图6的组件中相同的部件用相同的附图标记来指示并且描述为如上述。在图11的组件102中，转子组件设有转子板104，所述转子板104具有中空构造并且由具有孔的多孔材料形成，所述孔足够小以防止微生物或生物质穿过其中。或者，转子板104设有由过滤材料覆盖的开口，所述过滤材料的孔尺寸再次足够小以防止微生物或生物质穿过其中。转子板104的中空内部设有用于流体流入在轴22内延伸的纵向孔106内的通道。在操作中，在反应器容器内的流体介质中的成分经转子板104和轴22被连续移除，同时使微生物保持在反应器容器10内。这样，防止微生物的新陈代谢的产物的堆积，所述堆积可阻止微生物的继续生长。例如，腰鞭毛虫分泌神经毒素到它们生长介质内，这具有对微生物生长的抑制效果，最终导致死亡。图11的反应器组件允许持续地移除神经毒素，从而增强腰鞭毛虫的生存能力并且增大地产生神经毒素成分。 [0155] 参照图12a至图12c，示出体现本发明的反应器的原理的池式生物反应器。因此，在图12a中，示出整体由200指示的池，所述池具有侧壁202和基本平坦的底部204。在池内设有多个用于转动的转子组件206。转子组件206如前述地进行构造并以类似方式在池中操作，从而提供对包含在池内的含微生物的液体介质的低剪切力搅动。图12a所示的池是开放的。图12b示出封闭池210，所述封闭池210具有与图12a的池相似的构造、但设有透明盖212。图 12c所示的池220与图12b所示的池具有相似的构造，但池的底部形成有纵向凹槽222，在每个凹槽222内安装有用于转动的转子组件。 [0156] 参照图13a至图13d，示出用于在本发明的反应器组件中使用的叶轮的可选布置。因此，在图13a中示出整体由300指示的叶轮，所述叶轮包括开放的大致圆筒形的流槽302。 在流槽302内设置有沿流槽间隔开的大致三角形的挡板304。挡板304的尺寸、形状和间距选定为提供用于在反应器组件中存在的流体流所需的微滴/气泡尺寸。图13b示出可选的叶轮布置310，所述叶轮布置310包括与图13a相同构型的流槽302、但设有多个大致半圆形的挡板312。挡板312的尺寸和间距选定为提供在反应器系统中所期望的微滴/气泡尺寸。图13c示出包括纯流槽302的叶轮组件320。最后，图13d示出具有相似流槽302的叶轮组件330，所述流槽302设有多个大致圆形的挡板332。再次，挡板332的尺寸、数目和间距可以变化，以提供在反应器组件中所需的微滴/气泡尺寸。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈