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从光合培养物中水 力提取油

阅读：1026发布：2020-09-28

专利汇可以提供从光合培养物中水力提取油专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及利用水力空化技术从光合培养物中提取油以用于生产生物燃料或其它产品的方法。这里所指的方法称为水力提取。，下面是从光合培养物中水力提取油专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种破裂微藻细胞壁的方法，包括：
将包含一种或多种微藻的流体介质的连续流提供至水力空化装置；
施加足够量的水力空化以破裂一种或多种微藻细胞，由此使微藻油从所述微藻释放到所述介质中；以及
从所述介质中提取所述微藻油。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括对所述介质进行脱水。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述光合生物为硅藻。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述硅藻为角毛藻物种。
5.根据前述任一权利要求所述的方法，其中，水力空化使用多级水力空化反应器来施加。
6.根据前述任一权利要求所述的方法，其中，水力空化使用磁脉冲空化反应器来施加。
7.根据前述任一权利要求所述的方法，其中，将水力空化后所处理的介质分离成包括微藻油、微藻细胞壁、和所处理的流体介质的成分。
8.根据前述任一权利要求所述的方法，其中，所述微藻油被用于生物燃料生产。
9.根据前述任一权利要求所述的方法，其中，所处理的流体介质被回收用于微藻培养。
10.根据前述任一权利要求所述的方法，其中，所处理的介质经受一轮或多轮另外的水力空化。
11.根据前述任一权利要求所述的方法，其中，任何已分离的微藻油经受一轮或多轮另外的水力空化以产生酯交换作用。
12.根据权利要求7所述的方法，其中，任何已分离的成分经受一轮或多轮另外的水力空化。
13.一种由根据权利要求11所述的方法生产的生物燃料。
14.根据权利要求13所述的生物燃料，其中，所述生物燃料为生物柴油。

说明书全文

从光合培养物中水 力提取油

[0001] 相关申请

[0002] 本申请要求享有美国临时申请号61/105,190的优先权，将其全部内容以引用方式并入本文。

技术领域

[0003] 本发明涉及利用水力空化技术从光合培养物(光合生物，photosynthetic culture)中提取油以用于生产生物燃料或其它产品的方法。

背景技术

[0004] 微藻(mircoalgae)和其它光合培养物产生并储存可以构成它们的总无灰分干重量的主要百分比的脂质、脂肪酸、甘油单酯和甘油二酯。由微藻和其它光合培养物产生的碳氢化合物经常形成油。微藻含有多种油脂，其包括膜结合极性脂质和非极性脂质，其也包括游离脂肪酸和脂肪酸。已报道在一些微藻中脂质成分高达70-85％。

[0005] 微藻油在海洋动物世界中起重要的营养作用。一只60吨重的蓝鲸在其肠道内可能有2吨微藻浮游生物提供营养。鲸、鱼和鲨鱼肝脏油的油容物(oil content)是原来储存在微藻细胞中的油滴的浓缩物。对于浮游动物，虾幼苗和牡蛎苗的海洋养殖，水产养殖业一直使用微藻作为食物来源，不仅由于它们特性方面的高脂质和脂肪酸含量，而且还由于它们丰富的海洋动物饮食所必需的特定多不饱和脂肪酸(PUFA)。

[0006] 除了培养微藻作为用于水产养殖的富油的营养来源外，来自培养的微藻的油也被用于药物、保健食品和化妆品用途。由微藻油制成的产品获得非常大的亩产收入(每年每英亩超过600,000美元)。利用这样的高利润，无需强烈追求生产成本效率和新技术。

[0007] 来自培养的微藻的油的另一种潜在应用是用于生产生物燃料，其是来自生物来源的适合在标准内燃机中燃烧的燃料。事实上大多数从海洋中(包括以前和现在)提取的化石燃料来自过去年代的微藻合成和储存的油。随着化石燃料的日益增加的需求和缩减的供应，目前需要替代燃料，并且最近来自微藻油的生物燃料的前景已经是主要兴趣和投资的来源。

[0008] 与由微藻油生产的药物、保健品或化妆品相比，来自微藻的生物燃料具有非常低的亩产收入(每年每英亩在30,000美元以下)，从而对运行成本效率高度敏感。目前在微藻油生产的核心过程中使用的技术效率低并且具有高的运行成本。在微藻生物燃料具有商业经济性之前，必须开发新技术以提供成本效率的生产过程。

[0009] 在收获微藻油中重要的工序为提取。提取是将油从微藻细胞中除去(移出)的过程。通过多种方法来提取微藻油。目前的提取技术是昂贵的，并且它们不适于高效且成本有效的生产系统。从微藻中提取油的现行成本的估价不同，但可能在1.80美元/千克或2.91美元/升(11.00美元/加仑)左右。

[0010] 机械压制是最简单的提取方法。由于不同的微藻品种的物理属性差别较大，因此不同的压力机构造(螺杆、螺旋压榨机、活塞等)对于特定的微藻类型效果更好。利用经典方法，收获微藻，干燥，然后可以用榨油机将其“压制”出来。压力机可以从微藻中提取出70-75％的油。通常，机械压制与化学溶剂联合使用。虽然设计简单，但其能源消耗量高，并且提取效率低。

[0011] 单独或与其它方法结合使用的化学溶剂提取是另一种用于提取微藻油的常用方法。在特制玻璃器具中使用有机溶剂在回流条件下通过重复洗涤或渗透，对来自微藻的油进行提取。已经使用了苯和醚，但用于溶剂提取的更受欢迎的化学品是己烷，其使用广泛且不太昂贵。使用溶剂进行油提取的缺点是使用化学品时涉及的固有危险。必须小心以避免暴露于蒸汽及直接接触皮肤，两者中的任一种都可以导致严重损害。例如，苯被归类为致癌物。另外，化学溶剂也存在爆炸危险的问题。

[0012] 己烷溶剂提取可以单独使用或者与机械压力机方法联合使用。利用机械压力机将油提取后，剩余的浆料可以与环己烷混合以提取剩余的油容物。油溶解在环己烷中，并且浆料从溶液中滤出。通过蒸馏来分离油和环己烷。这两段(冷压制和己烷溶剂)会总共能够获得存在于微藻中的多于95％的总油。

[0013] 另一种提取方法是酶提取，该方法利用作为溶剂的水，利用酶降解细胞壁，使油的分离更加容易。估计该提取过程的成本比己烷溶剂提取昂贵得多。通过超声可支持酶提取。“声酶处理”的组合可导致更快的提取和更高的油产率。

[0014] 超声辅助提取，一种声化学的分支，可以大大加快提取过程。使用超声反应器，利用超声波在溶剂物质中产生空化气泡，当这些气泡在细胞壁附近破裂时，产生冲击波和液体射流，其导致那些细胞壁破碎并将其内容物释放到溶剂中。超声提取的一种变型是静电冲击波提取，其中通过超高电脉冲而不是通过声脉冲产生空化气泡。声化学可在湿或干的条件下进行。如果在湿条件下进行，在用溶剂提取油之前需从糊状物中将水提取出来。

[0015] 渗透冲击是用于提取的另外一种方法。渗透冲击是渗透压突然降低而可以导致溶液中的细胞破裂。渗透冲击提取可以通过采取高盐生长培养基，收获藻泥，然后将藻泥倾倒入蒸馏水中来进行，其将使几乎所有的细胞破裂，然后可以从表面将油撇去。

[0016] 另一种提取方法是超临界流体提取。在超临界流体/CO2提取中，在压力下将CO2液化然后加热至其具有液体和气体特性的某一点，该液化的流体可作为在提取油中的溶剂。该方法需要专用设备用于在超临界流体/CO2提取中容纳和加压。超临界流体提取并不需要绝对干燥，因为通过改变压力和温度就可以分馏所提取的样品。

[0017] 电穿孔是又一种提取方法。使用电穿孔，超高电脉冲被引导至微藻，穿孔细胞壁，从而释放油含量。

[0018] 所有这些提取方法对于大规模商业应用来说太昂贵且复杂。另外，这些提取方法是静态批量生产，并且它们不适于成本有效的系统。这些提取方法也取决于之前收获和脱水的培养后过程的效率，该培养后过程需要将微藻从其培养基中移出并通过去除大部分水分来增加微藻细胞密度，以便制备用于目前油提取方法的微藻；目前用于获取和脱水过程的技术具有很高的运行成本。总之，目前的提取方法不适合大规模由微藻油来低成本生产生物燃料。为了能够进行低成本的微藻生物燃料生产，提取过程必须具有低资金成本，超低的运行成本，并且自身带来综合的、经济的和连续的商业规模的生产系统。

发明内容

[0019] 目前描述的本发明涉及一种从光合生物(photosynthetic organism)中连续提取碳氢化合物的方法，以及用于进行所述方法的设备。在优选的实施方式中，所述方法包括将水力空化施加于培养基中的微藻的连续流以破裂细胞壁并提取微藻油的步骤。

[0020] 本发明的另一优选实施方式包括将水力空化施加至流体介质中的微藻的连续流以破裂细胞壁并提取微藻油的步骤。

[0021] 作为水力空化过程的一部分，对所使用的生长培养基或流体介质进行灭菌用于再利用。

[0022] 本发明涉及一种破裂微藻细胞壁的方法，包括将含有一种或多种微藻的流体介质的连续流提供至水力空化装置；施加足够量的水力空化以破裂一种或多种微藻细胞，由此使微藻油从微藻中释放到介质中；并且从介质中提取微藻油。在一个实施方式中，所述方法进一步包括对介质进行脱水的步骤。在一个实施方式中，所述光合生物(photosynthetic organism)为硅藻，例如角毛藻物种。在本发明的另一实施方式中，水力空化利用多级水力空化反应器施加，并且在另一个中，水力空化利用磁脉冲空化反应器施加。在本发明的另一个方面中，将水力空化之后的处理的介质分离成包含微藻油、微藻细胞壁和已处理的流体介质的成分。分离的成分可以被进一步处理成生物燃料，如生物柴油，并且这样的进一步处理可包括另外的一轮或更多轮的水力空化以产生酯交换。也可回收已处理的介质以用作微藻培养介质，并且已处理的介质经受另外的一轮或更多轮的水力空化。本发明的另一个实施方式涉及一种由所公开的方法生产的生物燃料，其中可制备的特定生物燃料是生物柴油。

具体实施方式

[0023] 目前描述的本发明涉及从微藻和其它光合培养物(生物)中收获碳氢化合物的连续生产和提取方法。与静态批量生产相比，优选能够进行连续生产过程的提取方法，这是因为连续生产方法显著降低生产商品生物燃料或其它产品的成本。水力空化是从微藻和其它光合培养物(生物)中提取感兴趣的碳氢化合物的优选方法。

[0024] 提取技术的选择很大程度上将取决于所培养光合培养物(生物)的性质。有机壁微藻非常适合己烷溶剂和酶提取。然而，活的硅石壁微藻(硅藻)使其自身细胞壁极其不溶。另外，硅石还形成物理坚固的和化学惰性的保护层(protective covering)，这是因为细胞壁不能被酶促地攻击。与形成相当的有机壁相比，利用硅藻的硅的摄取和沉积涉及较少的代谢能量消耗，导致与它们的有机壁同类相比更快的生长速度，这使硅藻由于高产率培养而具有吸引力。然而目前的提取技术大大地抑制了用于油生产的硅藻培养并且有利于有机壁微藻的培养。硅藻的硅石细胞结构需要利用从培养的有机生物中释放油并且允许分离高质量硅石(硅藻土)的细胞破裂技术。优选的细胞破裂技术是水力空化，其可以被有效地应用于有机壁和硅石壁的光合生物。在不同体积密度下用于不同微藻物种(microalgae species)的提取结果表明水力空化达到接近理论最大提取体积(参见表1)。

[0025] 表1

[0026] 提取体积与理论最大值

[0027]

[0028] 水力空化

[0029] 空化是通过快速移动实心体(solid body)如叶轮或通过高强度声波在液体中形成部分真空。所述部分真空用于破裂光合生物。在本领域中已知很多水力空化装置的实例。适宜的装置实例包括美国专利申请号2009/0192159，以及美国专利号6,279,611、6,365,555、6,846,365、6,935,770、7,086,777、7,207,712、和7,338,551，将其全部内容以引用方式并入本文。

[0030] 在一优选的实施方式中，使用了用于在流体中产生水力空化的装置。通常，所述装置包括流通室，其具有不同部分，且所述室的下游部分之一内具有多个挡板。将一个或多个挡板构造成可移动到所述室的上游部分中，以便由移动到室的上游部分的每个挡板产生下游的水力空化场。

[0031] 在另一优选的实施方式中，使用了用于产生水力空化的装置，其中该装置通过采用磁脉冲产生流体流的水力空化。对于在湍流(紊流)中处理液体，与流通室水力空化相比，磁脉冲水力空化提供更加均一的空化分布。

[0032] 空化(液体中充满气体或蒸汽的气泡的形成、增长和内爆破裂)可能具有重要的化学和物理效应。虽然声空化(即，声化学和声致发光)的化学效应在近几年已经被广泛研究，但是关于在液体的湍流期间产生的水力空化的化学结果已知甚少。

[0033] 水力空化是在液体流中或在由于液体流中的局部压力下降而引起的流线型体的边界形成空化气泡和空腔。如果在液体的移动过程中，某一点的压力下降到一定大小，在该条件下，对于该压力，液体达到沸点(“冷沸腾”)，随后就形成了大量充满蒸气的空腔和气泡。这些充满蒸气的空腔和气泡称作空化空腔和空化气泡。只要充满蒸气的气泡和空腔与流体一起移动，它们就会移动到升高的压力区。于是，几乎瞬间，在空腔和气泡中会发生蒸气冷凝，并使空腔和气泡破裂，产生非常大的压力脉冲。破裂的空化气泡中的压力脉冲大小可达150,000psi。这些高压内爆的结果是形成从每个破裂的空化气泡的点发出的冲击波。这样的高冲击负荷量导致在破裂的空化气泡附近存在的任何介质的分裂。悬浮液中液-固微粒的相分离边界附近的空化气泡的破裂导致悬浮液微粒的分裂：分散过程发生。液-液型相分离边界附近的空化气泡的破裂导致分散相液滴的分裂：空化过程发生。因此，在所述空化过程中利用来自破裂空化气泡和空腔的动能以从微藻中提取油以及对培养基灭菌以用于再利用。

[0034] 以下是对适宜的空化装置的一个实施方式的描述。如本领域中所描述的，适宜的空化装置或设备能够产生形成空化效应的适当气泡。设备内的所有部件均受到压力脉冲和前进的(advanced)水力空化的影响。适宜的装置促进水力液体的空化至一点，在该点所处理流体的最终结果符合预期的乳化或分散标准。

[0035] 一个特别优选的实施方式包括纳米空化发生器，其利用流通纳米空化技术来生产生物柴油燃料。所述纳米空化发生器通常包括包围流通区域的壳体或外壳。流通区域通常包括入口、流量计通道、中间连接器、具有入口和出口的反应室、反应室盖、以及出口配件。

[0036] 所述入口是一个穿过一部分外壳的配件。入口包括连接器，由此连接外部流体线从而向发生器提供流体介质或其它反应成分。入口通过扣环而固定至外壳，该扣环使入口固定在适当的位置并提供密封以防止泄漏。入口配件连接至流量计通道，该流量计通道包括测量处理流体流速的流量计。流量计通道通过中间连接器而连接至反应室的入口。中间连接器与入口之间的连接通过O形环或其它类似的结构进行密封。反应室包括将入口连接至出口的反应室通道。反应室盖连接至反应室，并且部分限定了反应室通道。发生器的出口配件与反应室盖一体形成。

[0037] 反应室通道限定了一系列具有不同直径和表面特征的隔室。在第一优选的实施方式中，该系列隔室从入口到出口依次如下：入口隔室、压缩隔室、第一反应隔室、第二反应隔室、最终反应隔室和出口隔室。将原生质器(plasmator)设置在通过压缩隔室和第一反应隔室的通道中。下面将描述原生质器的构造和操作。

[0038] 发生器中的许多配件和连接器利用扣环、O形环或类似结构进行密封。出口配件包括O形环，其在出口配件或反应室盖和反应室之间的连接(接头，junction)处形成防水密封。另一O形环在反应室与中间连接器之间的连接处形成防水密封。中间连接器和流量计通道之间的连接，以及入口配件和流量计通道之间的连接也应通过O形环或类似结构进行密封。入口配件通过如上所述的扣环固定并相对于外壳密封。

[0039] 压力计设置在与反应室相邻的外壳中。来自压力计的传感器通过进入通道(access passage)进入反应室。压力计和传感器设计成测量反应室中的整体压力。如在别处所讨论的，反应室的整体压力应维持在约大气压，以使发生器如预期运行。

[0040] 纳米空化发生器是静态的，即，不包含活动部件，并且被构造成以设定的流体流速和流体介质压力操作。如下所述，发生器内的空腔直径和表面特征的变化导致空化流体特征的产生，即气泡，以及温度和压力的局部升高。这些温度和压力的局部升高以内部温度和压力升高的涡流形式出现。随后空化气泡和涡流的破裂，使得出口液体流被均化成稳定、超薄的乳液或分散液。

[0041] 本发明的装置在液体入口配件和液体出口配件之间的流通区域中的流体中产生纳米空化。流通纳米空化反应器是一个多级过程，由此通过局部高温和压力脉冲以及高级纳米空化原理来操纵反应部件。

[0042] 流体介质在入口配件处(如由流动箭头所指示的)进入发生器。如上简单描述的，反应室通道包括具有不同直径和内部表面特征的隔室，使得每个变化的截面积与前一个隔室有关，原生质器可以设置在压缩隔室和第一反应隔室之间的连接处。

[0043] 所述原生质器也可以包括压缩板，其具有顶端有锥形帽的柄。在柄周围的压缩板上设置有一系列孔(orifice)。可以对原生质器定向，使得锥形帽置于压缩隔室中心，以迫使流体介质进入外周流动通路，即压缩隔室的壁和锥形帽的边缘之间的间隙。与入口隔室的开口流动面积相比，周围流动通路提供了大大减少的流动面积。该大大减少的流动面积被认为导致上述的纳米空化过程。在压缩板46上的孔提供另一点，在该点可用的流动面积大大降低并且纳米空化过程增加。最后，反应室通道内的连续隔室改变可用的流动面积，进而匹配入口配件的流动面积。

[0044] 已处理的流体介质在出口配件处按流动箭头指示离开发生器。纳米空化过程发生在反应室，尤其是反应室通道中。该纳米空化发生器的设计和发生流体过程背后的理论仅仅基于装置的静态机械和物理构造，即变化的直径、流动面积和横截面积。

[0045] 在纳米空化发生器中发生的所有反应都在环境温度下发生。不需搅拌或混合时间。纳米空化过程在100psi至1000psi之间的压力，理想地在约500psi下运行。纳米空化发生器由于油或脂肪中的游离脂肪酸(FFA)与反应催化剂的分子水平结合而产生瞬间反应过程。酯交换过程在几秒钟内完成，并且立即产生最终产品。商品生物柴油和甘油的完全分离可以通过重力过程在8-15分钟内实现和通过离心过程立即实现。

[0046] 在流通纳米空化反应器中用必要部件加工植物油、黄油、牛油和其它动物脂肪(FFA含量低于5％)时，FFA的分子在微型爆炸中断裂分离。这些的微型爆炸导致瞬间的甘油分离，提高的产率，降低的粘度，增加的十六烷值，以及所生产燃料的动力参数的改善。本发明的发生器也增加在反应中使用的任何催化剂的效能，以及酯交换反应的速度和效率。因此，本发明的设备不仅提高纯生物柴油燃料输出的质量和数量，而且还提高其生产速度。

[0047] 流通纳米空化通过压力变化产生，压力变化是利用反应器中通道的几何形状产生速度和压力的变化而获得的。例如，基于第一优选实施方式的几何形状，可实现压力和动能的互换，导致与在压缩板(constrictor plate)上的孔的情况一样的空腔的产生。空化条件在反应室通道中的孔之后即产生，因此空化条件的强度强烈取决于孔的数量和几何形状。

[0048] 当反应液通过孔时，由于提供给流体的面积突然减少而使流速增加，导致压力降低。在本发明的装置中，速度增加使得局部压力降至操作条件下的液体介质的蒸气压以下并形成空腔。这样的空腔在反应室中的多个位置形成。形成的位置强烈取决于反应室通道中隔室的数量和构造。然而，孔的下游由于流动面积的增加，速度下降引起压力升高及更大的压力波动。压力的变化和所得的压力波动控制不同的空化阶段，即形成、增长和破裂(collapse)。

[0049] 本领域中已知的不同装置使得可以加速空化反应，导致气泡破裂并在分子水平上联合，并允许在无需添加大量能量的情况下生产生物柴油燃料，并且避免了高压操作。该装置可利用油或脂肪生产生物柴油燃料。当提供适当的条件时，在空化酯交换反应过程已经完成后，不存在在碱催化的酯交换反应中形成的皂。这简化了产品相的分离，并且在使用水洗程序用于商品燃料时，可防止乳状液的形成。在生物脂(油或脂肪)中水和FFA的含量是过程中的重要参数，并且应使用本领域普通技术人员已知的方法学进行设定以避免不必要的副产物。

[0050] 空化混合器-均质反应器的操作原则

[0051] 在其最简单的形式中，基本空化由流通室组成，其中空化发生器位于入口处。空化发生器的形状显著影响空化流体的特性，并相应地影响分散的质量。在多级空化器中选择最佳的空化发生器设计。通常，空化发生器以下列方式运作。在压力P1下待处理的成分流借助流通室入口处的辅助泵来装载。此外，液流围绕空化发生器流动，之后，作为局部压力收缩的结果，形成空化空腔。该具有尾部的空腔包括许多气泡。空化气泡随液流流动至流通室出口，进入升高的压力区P2。在该区域中，空化气泡破裂，导致对乳状液液滴、颗粒、或悬浮液中的聚集颗粒产生动力学影响。

[0052] 然而，在目前所述的方法中，使用精确计算的工程设计，以便使多级水力空化操作的物理原则最大化。

[0053] 多级空化的优势

[0054] 独立于其操作的物理原理，所获得的粒度取决于分散过程中的一个主要参数-空化反应器和空化泵中能量耗散的水平。反应器的空化器室中能量耗散的水平越高，在任何给定介质中可获得的粒度就越小。

[0055] 优选的多级水力空化反应器可获得最小的粒度。空化反应器中能量耗散的水平主要取决于空化气泡场内的三个极其重要的参数：空化气泡的大小、其在分散介质中的浓度体积、和在破裂区域中的压力。给定这些参数，可以控制反应器内的空化体系(条件，regime)并获得所需的分散质量。这些参数是专有的(proprietary)信息。

[0056] 在以上实例中，空化气泡的体积浓度为10％的量级，这处于在空化反应器中通常能达到的浓度水平的低端。通过改变反应器中的空化类型，可以将场内气泡的体积浓度由10％改变为60％，并且它们的尺寸从10改变为1000μm。在大量空化气泡破裂过程中产生的非常高水平的能量耗散允许空化混合泵和多级水力反应器产生非常小的粒度和非常均匀的粒度分布。结果在500psi的操作压力下产生，该压力使得日常处理操作中的设备是安全的。

[0057] 磁脉冲水力空化通过采用能够产生空化气泡的磁脉冲而在液体湍流中形成空化气泡。通过磁脉冲水力空化产生的压力与通过在流通挡板水力空化装置中产生的空化中获得的那些压力相似，但空化的分布更加均匀和可预见。

[0058] 对于本专利的目的来说，水力空化被用来意指在液体的连续流中产生的水力空化——不论是否是由流通挡板装置、由磁脉冲装置或其它不需任何活动部件就可以在液体的连续湍流中产生水力空化的类似装置产生。

[0059] 水力提取

[0060] 优选地，此处描述的水力空化技术用于提取由培养的光合生物所产生的油。该技术的一个优点是，它消除了对在其它提取过程中所需的脱水步骤的需要。在一个实施方式中，在收获之后，所收获的介质直接经受破裂微藻细胞结构并从微藻细胞中提取油的水力空化。所得的介质由微藻油、微藻细胞生物质组成，并且收获的介质流经分离过程从而分离。在分离后，收获的介质可被重复使用。

[0061] 该技术的另一个优点是消除了对收获步骤的需要。在另一个实施方式中，培养基的大部分直接经受破裂微藻细胞结构并从微藻细胞中提取油的水力空化。所得的介质由微藻油、微藻细胞生物质组成，并且收获的介质流经分离过程从而分离。在分离后，收获的介质可被重复使用。

[0062] 由第一轮水力空化产生的油和生物质可以经受随后的几轮水力空化。

[0063] 由于很容易结合到经济的和连续的过程中，因此水力提取能够从微藻油生产低成本的生物燃料。使用10加仑/分钟的反应器进行水力提取的成本大约是每加仑处理的液体0.002美元，这比备选的结合了收获、脱水以及现有提取技术的成本小几个数量级。新型更高流速的反应器设计将显著降低成本。此外，水力提取不需添加及随后除去昂贵的添加剂或化学品。水力提取也提高了微藻油生产中硅藻的采用。

[0064] 生物燃料产品

[0065] 提取和处理之后，从微藻和其它光合生物(photosynthetic organism)中收获的油、脂肪、脂肪酸、甘油三酯等可加工成为许多不同的有益产品。例如，利用本领域普通技术人员熟知的标准技术可以从提取自培养的有机生物的产品生产生物柴油。例如，生物柴油(脂肪酸甲酯)的生产在本领域中是熟知的。这样的方法的讨论在美国专利申请号20090071064中提供，将其以引用方式并入本文。

[0066] 根据本发明的一些实施方式，收获微藻脂质并利用酯交换转化成生物柴油。此处所述的水力空化装置可有效地进行该转化。在一个具体实施方式中，收获的脂质等经受更多轮的水力空化以获得预期的结果。此外，在已经生产生物柴油之后，利用化学工业中的普通设备就可容易地、能量有效地、且经济地将其与反应器流出物中的其它化学品分离。

[0067] 微藻和其它光合生物

[0068] 如此处使用的术语“微藻和其它光合生物”包括所有能够光合生长的藻类以及光合细菌。优选真核藻株用于公开的方法。实例包括葡萄烃藻属(Botryococcene sp.)、小球藻属(Chlorella sp.)、江篱藻属(Gracilaria sp.)、马尾藻属(Sargassum sp.)、螺旋藻属(Spirolina sp.)、杜氏藻属(Dunaliellasp.)(例如Dunaliella tertiolecta)、紫球藻属(Porphyridum sp.)和颗石藻属(Plurochrysis sp.)(例如Plurochrysis carterae)。硅藻，如角毛藻属是在本发明中特别优选使用的藻株。这些术语也可包括人工修饰或由基因操作的生物。

[0069] 角毛藻特别适用于目前描述的发明中。全世界已知超过400个种和亚种。该有机生物的生长速度很快，其中每天增4倍(4doubling)，使得培养物迅速生长。已知该有机生物对温度和盐度具有很宽的耐受性。也已知角毛藻具有良好的脂质含量，因此不需要操作即可产生大量的油。

[0070] 培养

[0071] 针对培养选择的有机生物可以生长在开放或封闭的系统中。优选开放系统，这是因为它们需要较少的维持能量并且通常比封闭系统更稳定。在美国专利号6,673,592中描述了在培养条件下利用开放系统维持优势株的优选培养方法，将其以引用方式并入本文。

[0072] 简要概括，培养系统包括用于容纳培养基的容器。培养基包括原始水溶液和用于光合生物的种子储备。制备原始水溶液使得建立用于培养感兴趣的光合生物的最佳条件。一旦建立了最佳条件，就使用光合生物的种子储备对水溶液接种。得到的培养基的pH控制在设定范围内。光源，优选太阳光，为培养基提供光和热，促进光合生物培养的生长。定期收获一定比例的光合生物培养基。用无菌介质如海水代替收获的介质。可替换地，通过利用此处公开的水力法收获光合生物后的培养基代替收获的介质。不断重复该方法，从而提供不间断的收获。

[0073] 用于培养选定的光合生物的最佳条件通常建立在含水介质中。最佳条件为允许光合生物的种子储备生长并超过捕食者、污染物及其它潜在的破坏者的条件。形成这样的介质允许光合生物在室外和在无菌条件下大规模生产。优选地，最佳条件是在含水介质中通过最初调节某些或全部以下成分的浓度达到的：氮、磷、维生素B12、氯化铁、硫酸铜、硅酸盐和Na2EDTA。监测培养基的pH，并进行调整，如二氧化碳处理，以维持pH在期望的水平。

[0074] 在一优选的实施方式中，本系统被用于培养作为光合生物的角毛藻属。容器容纳了具有如下初始特征的含水介质：二氧化碳控制pH为约8.2，初始氮浓度为至少3.0毫克N/升，初始磷浓度为至少2.75毫克P/升，初始维生素B12浓度为至少5微克/升，初始氯化铁浓度为至少0.3毫克/升，初始硫酸铜浓度为至少0.01毫克/升，初始硅酸盐浓度为至少10毫克SiO2/升，以及Na2EDTA浓度为5毫克/升。介质接种有角毛藻属光合生物的种子储备并直接暴露在太阳光下。光合生物在开放环境中生长并定期且连续地收获。收获的体积用角毛藻属光合生物的新的种子储备代替并重复培养。

[0075] 虽然在本系统中可以使用任意光源，但在全强度太阳光下培养光合生物是最经济的选择。

[0076] 定期收获一定比例的培养物。优选地，在每个周期结束时收获培养体积的约60、70、80、90、95或99％。在本系统和方法的优选实施方式中，培养物每天收获一次，或约每二十四小时收获一次。由于不需要无菌条件，因此可用光合生物的非无菌种子储备，如海水，容易地代替收获的体积。可替换地，可以利用经受水力空化的介质来代替收获的体积。
用处理的介质代替收获的体积是有利的，尤其是当处理介质中存在的一部分有机生物仍然存活时。优选人工收获或使用任何可接受的收获机器或仪器来收获该体积。

[0077] 所述容器可以具有任意可接受的尺寸，并且可以由任何可接受的材料构成，且优选具有一开口顶部。优选地，使用大的罐用作容器。可以将罐定位在地面上，以允许阳光透过容器的侧面。可替换地，可以将罐定位在地下。透明的透光盖可以定位在开口顶部上方。在一个实施方式中，盖可移动地定位在开口顶部上方。

[0078] 通过在最佳条件下培养光合生物，可以以成本有效的方式生产大量的光合生物。一个单独的容器位于室外环境中使得容器的内含物直接暴露于自然光。无需人工光源或额外的转移罐。污染物和捕食者不是问题，因为所建立的介质条件允许光合生物超过并击败多余的(unwanted)或有害的物质。

[0079] 通过建立用于光合生物的最佳培养条件，本系统提供使所述光合生物胜出培养基中其它光合生物物质的环境。这使光合生物能够在大型室外容器中利用自然光来连续培养。消除了对劳动力密集的和被设计成从培养基中排出(exclude)其它物质的昂贵的系统的需求。使用自然光大大降低了成本和与人工照明相关的问题。

[0080] 提供以下的实施例用于说明的目的，但不用于限制本发明。

[0081] 实施例1

[0082] 从收获的角毛藻微藻中水力提取油

[0083] 角毛藻属是一种微藻硅藻物质，由于其理想的生长速度、生长条件和油分布(即脂质成分，脂质浓度(质量百分数))而特别适合于燃料生产。

[0084] 每天移去90％的培养体积并储存在收获罐中。收获罐中的培养物通过泡沫分馏柱从晚到早地循环。使空气从底部通过柱子从下向上鼓泡，在含有浓缩的光合生物的水面产生泡沫。将该泡沫从水面收集起来。该泡沫浓缩成液体后含有大约3％的干物质含量。

[0085] 然后使包含具有3％干物质含量的10％的培养体积的该收获的介质直接流入到水力空化反应器中，该水力空化反应器在500psi的水力提取操作压力下每分钟处理10加仑。在9分钟内完成处理三百二十(320)升。总处理成本为0.17美元。

[0086] 水力提取提取了估计的角毛藻属的无灰干重油含量的98％以上，并生产超过2.9升的微藻油，成本为每升油0.06美元(每加仑油0.22美元)。这与使用目前技术提取的2.91美元/升相当，不包括必需的脱水步骤的成本。

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从光合培养物中水力提取油

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