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1. (CN102449155) 用于从藻类获得细胞内产物和细胞物质和碎片的系统、装置和方法及其衍生产品和使用方法
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用于从藻类获得细胞内产物和细胞物质和碎片的系统、装置和方法及其衍生产品和使用方法


发明领域
本发明涉及能量和微生物学领域。具体来说,本发明涉及用于从 藻类细胞收获细胞物质(cellular mass)和碎片以及细胞内产物的系统、 装置和方法,所述细胞物质和碎片以及细胞内产物可以在各种类型的 产品制造中用作化石燃料衍生物的代用品。
发明背景
微生物的细胞内产物显示出作为用于制造产品例如药品、化妆品、 工业产品、生物燃料、合成油、动物饲料和肥料中的化石燃料衍生物 或其他化学品的部分或完全代用品的希望。然而,为了使这些代用品 变得可行,用于获得和加工这种细胞内产物的方法必须高效和成本合 算,以便能够与石油衍生物相关的精炼成本竞争。目前收获用作化石 油代用品的细胞内产物所采用的提取方法繁琐费力,产生的净能量增 益低,使它们对于今天的可替代能源需求来说不可行。这样的方法能 够产生大量碳足迹,使全球变暖和其他环境问题更加恶化。这些方法 在进一步放大规模时,由于有价值的细胞内组分的降解而产生甚至更 大的效率损失,并且需要的能量或化学品投入比目前从微生物收获时 在经济上可行的能量或化学品投入更多。例如,目前每加仑微生物生 物燃料的成本比化石燃料的成本高出约9倍。
从微生物回收细胞内颗粒物质或产物需要破坏或裂解细胞膜。所 有的原核和真核活细胞都具有质膜,其包住它们的内含物,并起到对 外部环境的半多孔屏障的作用。膜起到边界的作用,将细胞组分保持 在一起,并阻止外来物质进入。根据目前接受的被称为流体镶嵌模型 的理论(SJ.Singer和G.Nicolson,1972)质膜由两层(双层)脂质构 成,脂质是在所有细胞中都发现的油状或蜡状物质。双层中的大部分 脂质可以更准确地描述为磷脂,即特征为在每个分子的一个末端带有 磷酸基团的脂质。
在质膜的磷脂双层内包埋着许多多样化的有用蛋白,而其他类型 的矿物蛋白简单地附着于双层表面。这些蛋白中的一些、主要是至少 部分暴露于膜外侧的那些,附连了糖类,因此被称为糖蛋白。蛋白质 沿着内部质膜的定位,部分与构成细胞骨架的细丝的组织相关,其帮 助将它们锚定在位。蛋白质的这种排列还涉及细胞的疏水和亲水区。
取决于所涉及的生物体类型、它们的所需内部组分及其纯度水平, 细胞内提取方法可以极为不同。然而,一旦细胞已被破裂,这些有用 组分被释放出来,并典型悬浮在用于容纳活微生物生物质的液体介质 内,使得收获这些有用物质变得困难或需要消耗大量能源。
在目前的大多数从藻类收获细胞内产物的方法中,必须执行脱水 过程以便从液体介质或生物质废物(细胞物质和碎片)分离和收获有 用组分。由于液体蒸发所需要的时间范围或使液体介质干透所需的能 量投入或物质分离所需的化学品投入,目前的方法效率低。
因此,对于从微生物收获细胞内产物的简单有效的方法,存在着 需求,所述细胞内产物可以用作制造工业产品所需的石油和石油衍生 物的具有价格竞争力的代用品。
发明概述
本文描述了用于从水性悬液中的藻类细胞收获至少一种细胞内产 物和用于从包含藻类细胞的水性溶液中收获细胞物质和碎片的系统、 方法和装置。系统和方法利用了包含电路的装置。电路包括外部阳极 结构(例如管)和用作阴极的内部结构(例如导电体),所述外部阳 极结构为尺寸比外部阳极结构小的所述内部结构提供外壳。螺旋式表 面,例如在性质上非常类似于枪筒中的“膛线”的由至少一个阳膛线 (land)分隔开的多个阴膛线、或者与两种结构(即外部管和内部导体) 均平行的电绝缘性隔离分隔物(isolator spacor),提供了液体密封,并 提供了阳极与阴极电路之间的分隔,其是相等的配电所需的,并能防 止含藻类细胞的水性溶液的流动路径短路。
外部阳极结构(例如管)典型地包括一对外壳密封性端盖,其中 一个端盖具有入口(entry provision),用于接收在本文中被称为活浆 液或包含微生物细胞的水性悬液的微生物生物质的进入流,而生物质 的穿过流通过相反的端盖流出。内部阴极结构(例如导电体,其也可 以任选是与外部管形状相同或不同的管)典型地也包含密封端盖,以 禁止液体流过结构(即内部管)的中心,并使液流转向进入阳极与阴 极电路的壁表面之间。
螺旋式隔离分隔物起到导电体的两个壁表面之间的液体密封的作 用,并且分隔物的厚度优选在两个个体壁表面之间提供相等的间隔距 离。对于允许电流在每个电路组件周围完全三百六十度的输送和防止 由阳极和阴极表面的接触引起的短路来说,间距应被认为是重要的。 此外,螺旋式隔离物现在在两个壁表面之间提供了间隙,为流过的生 物质提供通路。由螺旋式隔离物或膛线所提供的螺旋向流动,还为流 过的生物体提供了更长的通过时间长度,以更多地暴露于电流,从而 增加了物质提取效率,并且在电路尺寸放大以用于大体积液流时,允 许每小时的功率消耗率较低。
应该在电路的负极一侧执行脉冲频率传递,由此将其传送过带负 电的阳极到达阴极。这种方法允许阳极与阴极表面之间的电能传递更 加高效。
由于细胞的磁极性,一旦对象细胞传过电路就发生磁响应。由于 磁性细胞相应的正和负极性,在暴露于脉冲电相位期间产生的并发电 磁场时,产生了磁性细胞排列。在细胞排列后,电磁场继续在细胞上 产生拉力,同时细胞以与储存电压的电容器相似的方式吸收电流。这 引起细胞的细胞内组分膨胀,并使细胞壁结构减弱至不再能够包含其 细胞内组分的程度。在最大膨胀压力的程度下,细胞外壁结构发生完 全崩溃,使其释放出所有内部细胞组分。
电输入频率应该由生物质密度决定,当存在较稠生物质时脉冲频 率增加。生物质密度使用基于每升流过的液体介质中存在的生物质克 数的百分率的公式来确定。
使用这个公式允许可编程微处理器与一系列传感器一起工作,承 担操作责任。基于生物质密度公式,自动化矩阵为系统指示了有效的 物质提取所需的指定流动参数、电输入量和频率。这种做法进一步允 许在较大规模应用中获得更高的能量效率。
因此,本文描述了用于从水性悬液中的藻类细胞收获至少一种细 胞内组分的装置。装置包括:用作阴极的至少一个第一导电体和用作 阳极的第二导电外壳,所述至少一个第一导体布置在外壳内,使得在 第一导体的外部与所述外壳的内部之间限定了空间,为水性悬液提供 流动路径,其中第一导体和外壳的一个或两个表面的至少一部分已被 移除,以产生由至少一个阳膛线分隔开的至少两个螺旋阴膛线,其减 少或阻止藻类细胞聚集在第一导体和外壳上或周围;与第一导体和外 壳可操作连接的电源,用于提供施加在第一导体和外壳与水性悬液之 间的脉冲电流,用来破裂藻类细胞,产生大量破裂的藻类细胞(细胞 物质和碎片)以及从水性悬液中的藻类细胞释放出的细胞内组分;以 及与第一导电体和外壳可操作连接的第二贮罐,使得水性悬液能够从 流动路径流入第二贮罐,用于将水性悬液中的所述至少一种细胞内组 分与藻类细胞分离开。在该装置中,第一导体可以是金属管。第一导 体和第二外壳可以各为金属管,例如圆形金属管、不同形状的金属管 等。在一个实施方案中,金属外壳的内径与第一导体的外径的尺寸相 差0.050英寸左右。在装置中,外壳可以是金属管,所述至少一个导电 体可以包含多个隔开的导电体,所述导电体由电绝缘元件彼此隔开; 并且在外壳与多个隔开的导电体的每一个之间产生了多个流动路径。 在这种实施方案中,多个导电体的每一个都可以是金属管。
本文还描述了用于从水性悬液中的藻类细胞收获至少一种细胞内 组分的方法。方法包括提供装置,所述装置包含:用作阴极的至少一 个第一导电体和用作阳极的第二导电外壳,所述至少一个第一导体布 置在所述外壳内,使得在第一导体的外部与所述外壳的内部之间限定 了空间,为水性悬液提供流动路径,其中第一导体和外壳的一个或两 个表面的至少一部分已被移除,以产生由至少一个阳膛线分隔开的至 少两个螺旋阴膛线,其减少或阻止藻类细胞聚集在第一导体和外壳上 或周围;与第一导体和外壳可操作连接的电源,用于提供施加在第一 导体和外壳与水性悬液之间的脉冲电流,用来破裂藻类细胞,产生大 量破裂的藻类细胞(细胞物质和碎片)以及从水性悬液中的藻类细胞 释放出的细胞内组分;与第一导电体和外壳可操作连接的第二贮罐, 使得水性悬液能够从流动路径流入第二贮罐,用于将水性悬液中的所 述至少一种细胞内组分与藻类细胞分离开;以及包含导电矿物质和藻 类细胞的水性悬液,其中所述水性悬液被置于所述装置的流动路径中。 方法还包括下列步骤:向所述至少一个第一导体和外壳以及水性悬液 施加足够量的脉冲电流,用于引起细胞内含物的交替膨胀和收缩,从 而破裂藻类细胞,产生大量破裂的藻类细胞(细胞物质和碎片)以及 从水性悬液中的藻类细胞释放出的细胞内组分;使含有所述物质(细 胞物质和碎片)以及释放出的细胞内组分的水性悬液流往第二贮罐, 用于将细胞内组分与细胞物质和碎片以及水性悬液分离开;以及将所 述至少一种细胞内组分与细胞物质和碎片以及水性悬液分离开。
本文还描述了用于从包含藻类细胞的水性悬液收获细胞物质和碎 片的方法。方法包括提供装置,所述装置包含:用作阴极的至少一个 第一导电体和用作阳极的第二导电外壳,所述至少一个第一导体布置 在所述外壳内,使得在第一导体的外部与外壳的内部之间限定了空间, 为水性悬液提供流动路径,其中第一导体和外壳的一个或两个表面的 至少一部分已被移除,以产生由至少一个阳膛线分隔开的至少两个螺 旋阴膛线,其减少或阻止藻类细胞聚集在第一导体和外壳上或周围; 与第一导体和外壳可操作连接的电源,用于提供施加在第一导体和外 壳与水性悬液之间的脉冲电流,用来破裂藻类细胞,产生大量破裂的 藻类细胞(细胞物质和碎片)以及从水性悬液中的藻类细胞释放出的 细胞内组分;与第一导电体和外壳可操作连接的第二贮罐,使得水性 悬液能够从流动路径流入第二贮罐,用于将水性悬液中的所述至少一 种细胞内组分与藻类细胞分离开;置于第二贮罐中用于产生微泡的元 件;含有导电矿物质和藻类细胞的水性悬液,其中水性悬液被置于所 述装置的流动路径中;以及置于第二贮罐中用于使水性悬液循环的泵。 方法还包括下列步骤:向所述至少一个第一导体和外壳以及水性悬液 施加足够量的脉冲电流,用于破裂藻类细胞,产生从水性悬液中破裂 的藻类细胞释放出的细胞内组分以及大量破裂的藻类细胞(细胞物质 和碎片);使含有释放出的细胞内组分以及细胞物质和碎片的水性悬 液流往第二贮罐,用于将细胞物质和碎片与释放出的细胞内组分和水 性悬液分离开;激活泵和用于产生微泡的元件,产生大量微泡,其与 释放出的细胞内组分附着并在水性悬液中向上漂浮,而细胞物质和碎 片在水性悬液中向下沉降;以及将细胞物质和碎片与释放出的细胞内 组分和水性悬液分离开。置于第二贮罐中用于产生微泡的元件可以是 任何适合的器件或装置,例如混合器。
除非另有定义,否则在本文中使用的所有技术术语与本发明所属 技术领域的普通专业人员所通常理解的具有相同意义。
当在本文中使用时,词组“细胞内产物”和“来自藻类细胞的细 胞内产物”是指在藻类细胞内发现的任何分子、化合物或物质。来自 藻类细胞的细胞内产物的实例包括脂质、蛋白质、糖类(例如葡萄糖)、 类胡萝卜素、核酸、氢气等。
术语“生物质”是指为了收获细胞内组分例如甘油三酯、蛋白质 或糖类而在液体介质中生长的单细胞生物体。
当在本文中使用时,词组“细胞物质和碎片”是指细胞破裂所产 生的产物。
当在本文中使用时,术语“活浆液(live slurry)”是指在基质例 如盐水、废水或淡水内处于生长状态的如上定义的生物质。“生物质” 与“活浆液”在本文中可互换使用。
下面描述了适合的方法、系统和装置,尽管与本文中所述的类似 或等效的方法、系统和装置也可用于本发明的实践或试验中。在本文 中提到的所有出版物、专利申请和专利以其全文引为参考。在有冲突 的情况下,以本说明书包括定义为准。下面讨论的具体实施方案仅仅 是说明性的而不打算是限制性的。
附图简述
图1A和1B示意性描绘了一对流程图,说明了本文中所述的从水性 悬液中的藻类细胞收获至少一种细胞内产物的方法(称为“单步提取 法”)(图1A)和本文所述的从含藻类细胞的水性溶液收获细胞物质 和碎片的方法(在本文中称为“单步提取和量子破裂法”)(图1B)。
图2显示了如本文所述的装置的一个实施方案,在阳极与阴极壁表 面之间流动的生物质和电传递电路的透视截面图。
图3显示了如本文所述的装置的一个实施方案,位于阳极和阴极管 上的内部和外部端盖的透视图。
图4显示了如本文所述的装置的一个实施方案,在阳极和阴极管之 间的螺旋分隔物的透视截面图。
图5是如本文所述的装置的一个实施方案,通过上部和下部集合管 并联连接的一系列阳极和阴极电路的透视图。
图6显示了本文所述的EMP装置,其中含有微生物生物质的流动的 液体介质正暴露于由电传递引起的电磁场中。
图7显示了本文所述的EMP装置,加热的定向流动生物质被吸附和 传递到液体介质中。
图8显示了正常大小的微生物细胞相对于第二个图显示的暴露于 电磁场和电荷期间膨胀的细胞的概观。
图9显示了含有生物质的第二贮罐联合微米混合器的侧视图以及 通过微米混合器产生的泡沫层的发生顺序。
图10显示了含有液体介质和产生的泡沫层的第二贮罐,所述泡沫 层能够被撇出液体介质的表面进入泡沫收集罐中。
图11显示了本文所述的用于从藻类生物质收获有用物质的方法和 装置(系统)的一个实施方案,其包含单步提取法。
图12显示了本文所述的用于从藻类生物质收获有用物质的方法和 装置(系统)的另一个实施方案,其包含单步提取法。
图13显示了改良的静态混合器的实例。
图14是来自定量脂质提取和鉴定最适提取参数的实验数据表。
详细描述
本文描述了用于从水性悬液中的藻类细胞收获至少一种细胞内产 物和用于从含藻类细胞的水性溶液收获细胞物质和碎片的系统、方法 和装置。这些系统、方法和装置涉及基于藻类细胞摄取其存活所需的 营养物而引起的磁响应和导电能力,使藻类细胞经受脉冲电流(EMP)。 这些营养物大部分包含导电矿物质,并且当消化后保留在细胞膜内。 大多数水生微生物由膜包容膜内组分例如核、叶绿体、蛋白质和脂质 而构成,并且其中大多数内部区域被内部液体质包围。由于细胞的组 成,当暴露于电流时,细胞内组分由于电吸收而发生尺寸膨大。然而, 在断电期,细胞内组分立即收缩恢复尺寸。当电流以高频脉冲时,细 胞内组分及其周围的液体质经历了快速的膨胀和收缩。由于膨胀压力, 快速开关的频率产生针对膜的内部冲击力,导致最终破裂。在破裂后, 由于周围的液体质,进行中的电频率继续积累开关压力,其帮助将细 胞内组分挤出或逐出到膜边界之外。下面描述的优选实施方案显示了 这些系统、装置和方法的相适应方案。然而,从这些实施方案的描述 中,可以根据下面提供的描述来制造和/或实践本发明的其他方面。
从藻类细胞收获至少一种细胞内产物的典型方法(在本文中称为 “单步提取法”,参见图1A)包括在本文描述的装置中对水性悬液中 的藻类细胞施加EMP,引起藻类细胞的破裂以及将细胞内脂质(或其 他细胞内产物)与所产生的细胞物质和碎片分离开。在典型的实验室 规模EMP应用中,施加1-24伏特下1-60峰值安培或25至500瓦特的电流。 例如,在1加仑每分钟(GPM)通量下,使用密度为500mg/L的培养物, 人们可以使用约70瓦特的能量(20峰值安培下3.5伏特)进行成功提取。 在5GPM下,同样的培养物将需要约350瓦特(100峰值安培下3.5伏特)。 在这种方法中,可以任选对水性悬液中的藻类细胞进行加热,其能够 增加细胞破碎,使收获效率提高约20-50%。在EMP之前(上游)可以 给细胞加热,或者可以在装置中(例如与EMP同时)给细胞加热。从 含藻类细胞的水性溶液收获细胞物质和碎片的方法(在本文中称为“单 步提取加量子破裂法”,参见图1B)包括在本文描述的装置中对藻类 细胞施加EMP和空化作用(即微泡),产生包含细胞内产物(例如脂 质)与细胞物质和碎片两者的混合物。细胞可以在施加EMP之前(上 游)经受空化作用,或者它们可以与EMP同时经受空化作用(参见图 13,其描述了通电的空化装置,同时它也是EMP导体)。在一个实施 方案中,空化装置包括阳极、阴极和文丘里混合器(venture mixer)(合 而为一)。在这种实施方案中,空化单元被减小(例如一半),加上 不导电垫圈,并对其通电。在正常压力条件例如100psi下,当在EMP 上游施加空化时没有观察到效果,然而,在压力高于100psi(例如110、 115、120、130、140、150、200、300、400psi等)时,它可能有效果。 在从含藻类细胞的水性溶液收获细胞物质和碎片的方法中,可以任选 对水性悬液中的藻类细胞进行加热,以实现装置内细胞物质和碎片的 下沉和细胞内产物(例如脂质)的上升,从而便于将细胞内产物与细 胞物质和碎片分离开。在EMP之前(上游)可以给培养物(含有细胞) 加热,或者可以在装置中(例如图13中所示与EMP同时)给培养物加 热。在典型的方法中,例如在0.5GPM、500mg/L密度下,施加约60瓦 特的电流(4伏特下15峰值安培)。一般来说,使用约0.1GPM至约5GPM 和约20至约1000瓦特(例如在2-50峰值安培下2-18伏特)。例如,在以 1GPM的通量使用密度为500mg/L的培养物时,人们可以使用约70瓦特 的能量(20峰值安培下3.5伏特)进行成功提取。在5GPM下,同样的 培养物将需要约350瓦特(100峰值安培下3.5伏特)。
本文描述的用于从水性悬液中的藻类细胞收获至少一种细胞内产 物或用于从含藻类细胞的水性溶液收获细胞物质和碎片的装置,包括 在两个金属表面之间的流动路径,例如在相隔短距离的两个大表面积 金属板之间产生的流动路径。在典型的实施方案中,在管的金属内表 面与置于管中的较小的金属导体的外表面之间产生的环形空间中产生 了流动路径。管不必具有圆形外周,因为内部或外部管可以是正方形、 矩形或其他形状的,并且管的形状不一定必须是相同的,从而允许内 部和外部管的形状不同。在最优选实施方案中,内部导体和外部管是 同心管,其中至少一个管、优选外部管,设有由阳膛线分隔开的多个 螺旋阴膛线,为管提供膛线。发现该膛线减少了管表面上的残留物聚 集。在商业化生产中,可以存在被外管包围的多个内管,以增加金属 导体与含藻类的介质例如培养物的表面接触,经培养物(向海水藻类 施加盐水,但是装置也能成功地处理淡水藻类)向其中包含的藻类细 胞提供高的电传递。此外,电绝缘体例如塑料管、折流板和其他器件 的使用,可用于将大型EMP装置分隔成多个区域,以便将本发明有效 地放大到商业化应用。用于从水性悬液中的藻类细胞收获至少一种细 胞内产物和用于从含藻类细胞的水性溶液收获细胞物质和碎片的系 统、方法和装置可以应用于任何藻类细胞。在下面描述的实验中使用 了眼点拟微球藻(Nannochloropsis oculata)细胞。然而,可以从任何 藻类细胞获得细胞内产物。其他藻类细胞的实例包括栅藻属 (Scenedesmus)、衣藻属(Chlamydomonas)、小球藻属(Chlorella)、 水绵属(Spirogyra)、眼虫属(Englena)、三毛金藻属(Prymnesium)、 紫球藻属(Porphyridium)、聚球藻属物种(Synechococcus sp.)、蓝 藻(Cyanobacteria)、以及红藻门(Rhodophyta)某些纲的单细胞菌株。 可以生长细胞,并将其以任何适合的浓度例如约100mg/L至约5g/l(例 如约500mg/L至约1g/L)应用于本文描述的装置。已经成功使用了约 500mg/L和约1mg/L的细胞浓度。在某些实施方案中,来自生长容器的 未浓缩的藻类是250mg/L至1.5g/L,并可以用其他常规手段预先浓缩到 5g/L至最高20g/L。
参考图2,其显示了本文描述的用于从水性悬液中的藻类细胞收获 至少一种细胞内产物或用于从含藻类细胞的水性溶液收获细胞物质和 碎片的装置22。含有活微生物生物质的液体1流入阳极管2的内壁表面 与内部阴极管3的外壁表面之间。利用电缆制造了与阳极管2的负连接 4,其提供了整个管的电接地传递。也利用电缆连接传送的正电输入5, 提供了通过阴极管3的正电传递。
当将正电流5施加到阴极3时,它寻找接地电路进行电传递6,或者 在这种情况下传递到阳极2,这允许完成电回路。就此而言,电子传递 在正和负表面区域之间发生,但是只在它们之间存在导电液体时发生。 当含有活微生物生物质的液体介质1在表面区域之间流动时,发生从阴 极管3通过液体1到达阳极管2的电传递。当含有微生物生物质的液体横 穿阳极和阴极电路时,细胞暴露于引起细胞排列的磁场和诱导细胞电 流吸收的电场两者。
参考图3,外部阳极管2需要一对外壳密封端盖7和8。密封端盖7 提供了进入点9,用于接收流动的微生物生物质。在生物质通过后,相 对的端盖8提供了生物质向外流动的出口点10。
也如图3中所示,内部阴极管3也需要密封端盖11和12,以禁止液 体流过管的中心并将液流转到阳极与阴极的壁表面之间。
参考图4,电绝缘的螺旋式隔离分隔物13起到两个壁表面14和15 之间的液体密封的作用,其中分隔物的厚度优选在阳极2与阴极3之间提 供相等的间隔距离。间隔对于允许电流在阳极2与阴极管3周围完全三百六 十度的传递来说是重要的,因为阳极2与阴极管3之间的接触将产生损害 电传递通过液体介质的短路。此外,螺旋式隔离物13现在在两个壁表面14 与15之间提供了间隙16,为流动生物质1提供通路。螺旋向流动还提供了 较长的迁移时程,其提供了流动生物质1更多的电暴露,从而在细胞内物 质提取期间以较低的每千瓦小时耗电率增加了物质提取效率。可以使用任 何适合的材料作为分隔物。典型使用陶瓷、聚合物、乙烯树脂、PVC塑 料、生物塑料、乙烯树脂、单丝、乙烯基橡胶或其他不导电材料。
参考图5,其显示了具有共同的上部集合管室18的并联的一系列阳 极和阴极电路17,集合管室18接收通过每个端口20的流动生物质1。在 进入到上部集合管室18后,生物质1通过进入端口9向下连接到各个阳 极和阴极电路17中,进入端口9允许与密封端盖8流动连通。流动生物 质1正是在该点处进入阳极和阴极电路17。在以螺旋方式迁移过各个电 路17后,流动生物质1流出到下部集合管室19中,生物质1随后在那里 被导向,通过出口点21流出装置22(系统)。
在从水性悬液中的藻类细胞收获至少一种细胞内产物的方法中, 细胞在生长室中生长。生长室(在本文中也称为“反应器”)可以是 其中提供了维持藻类细胞生活的所有必需物质的任何水体或容器或器 皿。生长室的实例包括开放的池塘或封闭的生长罐。生长室与本文描 述的装置22可操作连接,使得生长室中的藻类细胞可以例如利用重力 或液体泵转移到装置22,活的生物质经过导管流入到阳极和阴极电路 的入口部。生长室中的藻类细胞可以通过任何适合的器件或装置例如 管道、通道或其他常规的水移动装置转移到装置22。为了从藻类细胞 收获至少一种细胞内产物,将藻类细胞从生长室移动到装置22,例如 上述的在图2-12中显示的装置,并包含在装置22中。当向装置22添加时, 藻类细胞一般是活浆液(在本文中也称为“生物质”)的形式。活浆 液是包含藻类细胞、水和营养物的水性悬液,所述营养物例如根据 Guillard的1975年的《F/2藻类食品配方》(F/2 algae food formula)的 藻类培养物配方,其提供了用于提高淡水和海水藻类生长速率的氮、 维生素和必需微量矿物质。可以使用任何适合浓度的藻类细胞和氯化 钠、淡水、微盐水或废水,以使藻类细胞在水性悬液中生长。
在将藻类细胞在装置22中破裂后,然后将它们进行一种或多种下 游处理,包括重力澄清(参见图1A)。重力澄清一般在澄清罐中进行, 其中目标细胞内产物(例如脂质)上升到罐的顶部,细胞物质和碎片 下沉到罐的底部。在这样的实施方案中,在通过电路后,破碎的细胞 物质和碎片流入到与装置22可操作连接的重力澄清罐,用于如上所述 从藻类细胞收获细胞物质和碎片以及细胞内产物。在重力澄清罐中, 较轻的、密度较低的物质漂浮到液体柱的顶部,而较重的、密度较高 的物质保持沉降到底部,用于进一步物质收获。
然后通过例如撇除或越过溢流堰从罐的顶部容易地收获目标细胞 内产物,并且细胞物质和碎片可以被丢弃、回收和/或进一步处理。然 后可以使用撇除装置收获漂浮在液柱表面上的较轻物质,同时可以从 澄清罐的底部收获余留的较重细胞物质和碎片。剩余的液体(例如水) 可以被过滤并返回到生长室(再循环)或从系统中移除(丢弃)。在 其中细胞内产物是油(即脂质)的实施方案中,油可以加工成范围很 广的产品,包括植物油、精炼燃料(例如汽油、柴油、喷气燃油、取 暖用油)、特制化学品、(15)药用营养品和药物,或添加乙醇的生物柴 油。目标细胞内产物可以在任何适合的时间收获,包括例如每日(分 批收获)。在另一个实例中,细胞内产物被连续收获(例如缓慢恒定 地收获)。细胞物质和碎片也可以加工成范围广泛的产品,包括生物 气(例如甲烷、合成气体)、液体燃料(喷气燃料、柴油)、醇类(例 如乙醇、甲醇)、食品、动物饲料和肥料。
除了重力澄清之外,还可以使用任何适合的下游处理。可能的下 游处理为数众多,并可以根据细胞内的内含物和/或生物细胞物质和碎 片物质的所需输出/用途来使用。例如,脂质可以通过例如机械滤器、 离心机或其他分离装置来过滤,然后加热以除去更多水。然后可以将 脂质进一步进行己烷蒸馏。在另一个实例中,细胞物质和碎片可以被 送往厌氧消化器、蒸汽干燥器或带式压滤机,以进一步干燥用于食品、 肥料等。如图1A中所示,下游处理还包括例如精整和重力浓缩。
如上所述,从含藻类细胞的水性溶液收获细胞物质和碎片的方法 (单步提取加量子破裂法)包括在本文描述的装置中对藻类细胞施加 EMP并进行空化(即微泡),产生包括细胞内产物(例如脂质)和细 胞物质与碎片混合物两者的混合物。与从水性悬液中的藻类细胞收获 至少一种细胞内产物的方法相同,从含藻类细胞的水性溶液收获细胞 物质和碎片的方法涉及通过电传递产生的EMP,利用所述电传递将能 量传过含有活微生物生物质的液体介质(浆液或活浆液或水性悬液)。 这种传递由于悬浮在液体介质中的含有导电矿物质的营养物而得以实 现。典型的矿物质配方的实例是Guillard在1957年的配方(0.82%铁, 0.034%锰,0.002%钴,0.0037%锌,0.0017%铜,0.0009%钼,9.33%氮, 2.0%磷酸盐,0.07%维生素B 1,0.0002%维生素B 12和0.0002%生物素)。 微生物生物质为了维持生物质细胞生长和繁殖等也需要并消耗液体介 质中的这些营养物,并且被消耗的矿物质使微生物生物质具有导电性 和磁响应性。
在方法中,使用微米混合装置例如静态混合器或其他适合装置例 如高通量搅拌器、叶片式搅拌器或其他混合装置,在含有之前裂解的 微生物生物质的液体介质内产生由微泡构成的泡沫层。然而,可以使 用任何适合于产生微泡的装置。在微分化后,均质化的混合物开始上 升并向上漂浮。当该混合物向上通过液体柱时,密度较低的有价值细 胞内物质自由附着于上升的气泡,或者由于气泡碰撞进入较重的下沉 细胞物质和碎片废物中(由于热水的特性,现在允许下沉)。上升的 气泡也摇松了被陷住的有价值物质(例如脂质),其也自由附着于上 升的气泡柱上。在含有这些有用物质的泡沫层上升到液体柱的顶部后, 它们现在可以从液体介质的表面容易地撇除,并沉积在收获罐中用于 后面的产品精制。在泡沫层上升到第二贮罐顶部后,捕获在泡沫层中 的水含量一般占原始液体质量的10%以下(例如5、6、7、8、9、10、 10.5、11%)。捕获在泡沫中的是密度较低的有用物质,并且泡沫容易 漂浮在液体介质的表面上或从其上撇除。这种方法只需要将泡沫脱水, 而不是像常规收获意图所需的那样蒸发全部液体体积。这极大地减少 了脱水过程、能量或任何化学品输入,同时增加了收获得率和效率以 及纯度。在这种方法中,水可以重新循环到生长室或从系统移除。细 胞物质和碎片可以在任何适合的时间收获,包括例如每日(分批收获)。 在另一个实例中,细胞物质和碎片被连续收获(例如缓慢恒定地收获)。
在本文所述的用于从含藻类细胞的水性溶液收获细胞物质和碎片 的方法和装置(单步提取加量子破裂法)中,在EMP处理期间可以应 用加热处理,以便改变液体介质的比重(水密度的比重在40°F时最优)。 当液体介质(典型地主要由水构成)被加热时,它的氢密度发生改变; 这种密度的改变允许通常密度较低的物质下沉,或在这种情况下,通 常漂浮的较重的破碎细胞物质和碎片物质现在快速下沉到液体柱的底 部。这种改变也允许更容易地收获这些也可用于其他产品应用的物质。 在EMP和加热处理完成后,将含有现在破裂的生物质的液体介质传递 到第二贮罐,在此液体泵提供连续的环流。当在本说明书中使用时, “比重”是无量纲的单位,被定义为特定物质的密度与特定温度下水 密度的比率。
在本文描述的从含藻类细胞的水性溶液收获细胞物质和碎片的方 法和装置(单步提取加量子破裂法)的一个实例中,以一定频率重复 电脉冲,从而当含有活微生物生物质的导电液体介质流过两个导电金 属片之间时,在它们之间产生电磁场和电能量传递。当该脉冲电传递 发生时产生了电磁场,引起生物质细胞由于其极性而被拉长。此外, 悬浮的生物质吸收电输入,其引起内部细胞组分以及它们的液体物质 尺寸膨胀。由于膨胀而对膜施加了内部压力,但是这种内部膨胀应该 被认为仅仅是瞬时的,因为它在脉冲电输入的频率关闭相期间被解除。 快速重复开关电频率最终使拉长的细胞变弱,并协助使它们的膜破裂。 连续的频率输入还产生了由扩张的内部组分膨胀所引起的内部压力, 其最终迫使内部磷脂物质泄漏以逸出它们的破裂的外部边界,并通过 细胞壁上的渗透压差进入液体介质。
此外,为了获得更高效率,可以根据1升液体介质中包含的生物质 克数的矩阵公式,来调整电量或频率输入。
在液体介质完成通过EMP装置后,就允许其溢流进入第二贮罐(或 直接进入位于罐底部附近的装置中)。在这种脱水方法中,第二贮罐 是含有微米泡装置或连接有微米泡装置用于所需细胞内组分分离和脱 水的罐。在膜裂解后,使用静态混合器或其他适合的装置(例如任何 静态混合器或实现类似的产微泡作用的装置),并将其置于第二贮罐 内的最低点。在起动时,静态混合器产生一系列微米泡,导致在液体 介质内产生泡沫层。当液体介质被连续泵过微米混合器时,带有气泡 的泡沫层向外射出通过液体,并开始上升和向上漂浮。悬浮在液体介 质中的密度较低的所需细胞内组分,附着于向上漂浮的微米泡并絮凝 到表面,或由于水柱内上升气泡的碰撞而与较重的下沉生物质废物分 开(所述较重生物质由于比重改变而可以下沉)。
参考图6,使用了简化示意图来说明在从含藻类细胞的水性溶液收 获生物质的方法(单步提取加量子破裂法)中,在其间有包含活微生 物生物质的液体介质流动的两个导电金属片之间的EMP传递。阴极3需 要正电连接点5,用于正电流输入。正电传递使阴极3的整个长度和宽 度极化,并寻找接地源或阳极2。为了完成电路,阳极2需要接地连接 点4,其现在允许发生通过含活生物质1的液体介质的电传递6。生物质 1包括含有营养物源的液体介质,所述营养物源主要由导电矿物质内容 物构成,并用于维持活生物质1的生存和繁殖。含有营养物源的液体介 质进一步允许正电输入通过液体介质/生物质1在阴极3到阳极2之间传 递,并且这只在液体介质存在或流过时发生。对电输入相进行脉冲, 由于在电周期相期间产生的电磁场而造成细胞拉长23。使用上述瓦特 数,可以利用任何适合的脉冲数量和持续时间,例如在1-2kHz下60-80% 的占空度。细胞的拉长是由于作为它们生长和繁殖所需的营养物摄入 的一部分而消耗的导电矿物质的正和负极性响应。磁脉冲响应可用于 协助裂解完成之前细胞外壁结构的进一步弱化过程。在脉冲电磁场起 动后,微生物细胞23在磁场下排列,大多数响应性正电一侧朝向阳极2, 响应性负电一侧朝向阴极3。在周期的电关闭相中,允许细胞松弛。在 高频率的电输入下,细胞被反复地拉伸和松弛,类似于薄金属片被来 回弯曲直到在两片中发生破裂和断裂。这种类似性与生物质细胞23在 开关脉冲相期间所遇到的经历相似,其最终帮助细胞壁结构的裂解或 破裂过程。
参考图7,使用了简化示意图来说明在从含藻类细胞的水性溶液中 收获细胞物质和碎片的方法(单步提取法)中,在EMP期间阴极3和/ 或阳极2的外壁之间以及液体介质/生物质中的热传递实例。使用的加热 装置24附着于阴极3和阳极2的外壁表面,其允许热传递穿透到含有微 生物生物质1的液体介质中。主要由水构成的液体介质由加热引起的比 重变化,允许其化合物的结构发生变化,这主要是由于在改变时氢元 素的变化降低了水密度所致。这种密度变化现在允许包含在水柱中的 通常密度较低的物质或者在本实例中是裂解的细胞碎片物质(细胞物 质和碎片)下沉。
参考图8,使用了简化示意图来显示正常大小的生物质细胞25与已 经暴露于电荷的细胞23之间相比较的差异。在电打开相中,脉冲电传 递6瞬时穿透到细胞内组分中,其吸收能量传递,导致发生瞬时内部膨 胀。由于内部组分膨胀超过分配的空间容许程度,这种膨胀产生了针 对细胞壁结构的压力。在电路关闭相中,内部膨胀减小,但是反复开 关的频率产生了内部抽吸作用,这时所包含的内部物质膨胀并被压在 细胞壁结构上。这种反复的压力与造成细胞脉冲式拉长的电磁场相结 合,最终引起外壁的外部结构损坏,总体的损坏造成裂解或破裂形式。 在破裂发生后,发生有价值的内部物质从细胞结构泄漏并进入液体介 质。
在本实施方案中,图9显示了微米混合器27在与第二贮罐28相连并 含有以前破裂的悬浮在液体介质中的生物质29时的下部安装位置。然 后允许该液体介质流过下部第二贮罐出口30,在那里它被引导流过与 液体泵32具有定向流动关系的导管31。由于抽吸作用,允许液体经微 米混合器进入口33单次通过或重复循环通过微米混合器。当液体连续 流过微米混合器27时,产生微气泡34,其在液体柱35中向外射出,形 成泡沫层36。随着过程的继续,组成的层开始朝向液体柱35的表面上 升。一旦泡沫层36开始其朝向液体柱35表面的上升旅途,就将泵32关 闭,因此微分化过程完成。这允许在微米混合器27的下部出口点处产 生的所有微米泡34上升到表面,并且在它们上升时,它们开始收集在 EMP处理期间释放到液体介质中的有价值的细胞内物质。微米泡34的 这种向上运动还摩擦或碰撞进入较重的向下沉降的细胞物质和碎片 中,进一步使与较重的下沉细胞物质和碎片残留物结合在一起的被陷 住的较轻有价值物质释放出来。一旦分开后,这些物质就附着于微米 泡34,朝着表面上浮。
参考图10,使用了简化图来显示用于收获含有约10%原始液体介 质物质/生物质1的泡沫层36的方法。当含有有价值细胞内物质的泡沫层 36上升到液体介质35表面时,可以使用撇除装置37从液体介质35的表 面移除泡沫层36。位于第二贮罐28表面处的撇除装置37允许将泡沫层 36推过第二贮罐28的侧壁并进入收获容器39,在那里使泡沫层36积累, 用于进一步的物质收获程序。
图11显示了本文所述的用于从藻类生物质收获有用物质的方法和 装置(系统)的一个实施方案。将微生物藻类生长在容器系统40中, 并在适合的生长周期结束时将其传递到物质回收过程中。使藻类生物 质流过任选的微米泡空化步骤,用于在其他生物物质回收过程之前软 化细胞外壁结构。
在空化步骤41后,可以使用任选的热处理42来改变含有生物质的 液体原料水的比重。热选项42允许在收获过程中释放的颗粒物质更快 转移。在生物质达到适合的热范围后,然后允许其流过电磁脉冲场EMP 站43,迁移的生物质细胞在那里暴露于电磁传递,导致细胞外壁结构 的破裂。
在流过EMP处理43后,破裂的生物质就迁移到重力澄清罐44中, 较重的物质(破裂的细胞碎片/物质)45在那里下沉通过水柱,同时较 轻的物质(细胞内产物)46上升到表面,在那里允许更容易收获。较 重的下沉物质45收集在澄清罐44的底部,在那里可以容易地收获其他 有用物质。在物质分离和回收后,剩余的水柱47通过水回收过程送走, 并在处理后返回到容器生长系统40中。
图12显示了本文描述的用于从藻类生物质收获有用物质的方法和 装置(系统)的另一个实施方案。将微生物藻类生长在容器系统48中, 并在适合的生长周期结束时将其转移到物质回收过程中。物质回收包 含将藻类生物质转移到任选的热处理49中,在那里生物质水柱在EMP 站50之前经历加热。在EMP处理后,将破裂的生物质然后转移到空化 站51中,在那里在水柱容器罐52的下部位点处导入微米泡。当微泡上 升通过水柱时,释放出的有价值生物物质(细胞内产物)53附着于上 升的气泡,其漂浮到水柱的表面上,允许更容易和更快速的撇除过程, 用于物质回收。在物质回收后,剩余的水柱通过水回收过程54送走, 并在处理后返回到生长系统48中。
实施例
通过下面的具体实施例对本发明进行了进一步说明。提供实施例 仅仅是为了说明,不应该被解释为以任何方式限制本发明的范围。
实施例1-细胞裂解方法和装置
鉴于藻类作为燃料和其他材料的来源的利益,用于大规模加工藻 类细胞的方法和装置的开发,在加工藻类细胞用于这些目的中具有极 大实用性。下面描述了这样的方法和装置。
用于加工悬液中的藻类细胞的方法的一个实施方案包括将水性悬 液中的藻类细胞通过静态混合器,在那里静态混合器产生空化效应, 电解悬液并将裂解的细胞与悬液中的水分离开。
在具体实施方案中,方法还包含在悬液中带入pH或ORP修饰剂例 如二氧化碳。在这样的实施方案中,二氧化碳典型地带入静态混合器 中。在进一步精制中,a。因为碱性物质可能有帮助(使方法更有效), 因此可以使用试剂。
在某些实施方案中,方法还包含在例如混合器处收集通过电解产 生的氢气。
在某些有利的实施方案中,悬液是来自藻类生长容器的部分抽取 液,例如每天获取1、2或3次的抽取液,或每1、2、3、4、5、6或7天 获取一次的抽取液。一般来说,所述部分抽取液占来自藻类生长容器 的培养物体积的约10、20、30、40、50、60、70、80或90%,或在培养 物体积的10至30、30至50、50至70或70至90%的范围内。将裂解的和/ 或絮凝的藻类细胞与悬液中的水分离开以提供回收的水,并将回收的 水灭菌并返回到藻类生长容器。
在另一个实施方案中,用于处理悬液中的藻类细胞的系统包括生 长容器,藻类细胞在其中在悬液中生长;与容器流体连通的静态混合 器,至少一部分悬液通过混合器,从而裂解至少一些所述细胞;以及 与悬液接触的电解电极,其中EMP通过电极并通过电极之间的悬液。
在某些实施方案中,静态混合器包括注射端口,流体可以通过所 述端口带入悬液中;静态混合器还包括与例如本文中所述的电源有电 连接的阳极和阴极电极。
在某些实施方案中,系统还包括生物质分离器、脂质提取器和/或 氢气收集器。
一些实施方案包括改良的静态混合器。这种改良的静态混合器包 括具有液体从中通过的混合喉的主体、可以使流体物质带入在所述液 体中的注射端口、以及彼此在电上分离的阳极和阴极电极,使得当跨 所述电极施加电压时,电流将通过所述液体。
尽管这样的混合器可以用许多方式构造,但在某些实施方案中, 一个电极在主体内,另一个电极位于主体中的出口处;一个电极基本 上由混合器的主体构成,另一个电极基本上由与主体绝缘的出口环构 成。
在生产大量藻类油或藻类生物质的方法中使用藻类面临许多障 碍。除了达到高效生长之外,这些障碍还包括将藻类生物质与培养流 体有效分离开,以及裂解细胞以便能够将油或其他产物与细胞物质和 碎片分离开。与实验室规模的工艺相反,在大规模操作中问题急剧增 加。事实上,由于物理限制和/或成本限制,许多实验室规模的工艺不 适用于大规模操作。
例如,在研究这些主题时,对于分类组为泛植物(Archaeplastida)、 特别是其亚组微藻的生物体的细胞裂解来说,没有发现在工业规模上 应用EMP的建议。事实上,常规方法主要聚焦于pH较低、因此具有较 高或正的氧化还原电位(ORP)或Mv读数的淤渣(即市政和工业废物) 的电解。
在电化学上,随着pH降低,氢离子浓度急剧增加,带负电的氢氧 根或OH-离子减少(J.M.Chesworth,T.Stuchbury,J.R.Scaife,《农业 生物化学导论》(Introduction to Agricultural Biochemistry),pg 12. 2.2)。相反,pH越高,ORP越低。这种高pH与负Mv读数之间的关联 性,导致得出下列结论,即细胞壁上的驻留电荷可以转化为能量,不 仅促进细胞裂解,而且提取目标细胞内的所需要素,用于生产能量、 药物和食品。从单细胞生物体、在本文情况下是蓝细菌或蓝绿藻的X- 射线晶体生物学的最新进展中,可以得出结论,植物细胞膜类似于电 池的两端,它们在内部是正极,在外部是负极,并且当太阳能从细胞 内的氢激发电子时,它们被充电。电子通过像导线一样传导它们的蛋 白质移动到细胞膜内,释放出植物维持生存所需的能量,并且从普通 小球藻(Chlorella vulgaris)细胞内四苯基膦积累的数据,可以估算出 这些细胞具有-120至-150mV的膜电位。
这种负电位反映在细胞集落的基质pH水平波动的观察中,其中采 取该测量值以及相关的ORP(Mv读数)来确定细胞集落的健康。例如, 在藻类生长容器中pH 7的读数与(+/-)+200Mv的ORP读数相关联。当获 得良好的细胞健康或对数生长时,注意到基质的pH值为pH 9.0;推出 的ORP读数是(+/-)-200Mv。因此,可以推测,健康藻类细胞集落的度 量可以通过负Mv读数来确定,其中pH每增加1点对应于约200Mv的降 低。
大多数天然水具有5.0至8.5之间的pH值。因为植物在水生生态系统 中摄入CO 2 进行光合作用,因此pH值(以及碱性)升高。水生动物产生 相反效应——随着动物摄取O 2 并放出CO 2 ,pH(以及酸性)降低。在 稳态中,藻类基质读数是pH 7.0,并且由于通过氧化产生高渗条件,pH 降低到低于7.0并低至5.0,类似的ORP读数为+200至+400Mv。当细胞 壁未坍塌而是仅仅变得萎蔫(与肿胀相反)时,其内含物仍被包囊, 并且细胞壁正如Donnan平衡法则所介绍的,其中细胞壁在其带有相反 电荷的两个细胞壁内建立起能量势以便存活,直到重新获得等渗状态。 这也被称为Gibbs-Donnan现象。这是当半透膜将含有电解质的两种溶液 分离开时在半透膜处存在的平衡状态,某些电解质的离子能够透过膜, 而其他离子不能;离子在两种溶液中的分布变得错综复杂,导致在膜 的两侧之间形成电势,并且两种溶液具有不同渗透压。这种电荷是极 为平衡的,并且是细胞能够在极端不利条件下存活并只在出现适合的 低渗条件时复原的原因。
活的藻类细胞可以被当作电化学燃料电池,其中将膜的极性从活 培养物的高pH和低ORP(150Mv)改变到低pH和高ORP(+200Mv)引 起了350Mv的净增益,并且倘若细胞的电势被破坏并且细胞壁不是刚 刚收缩时,将伴有氢释放到基质中。这种氢的生产是可以从本发明获 得的有益产物之一。
通过组合多种方法,发现了可以提供快速、在工业上可放大的裂 解和/或絮凝藻类细胞的方法。这样的方法可以应用在从藻类获得有用 产物例如提取脂质、获得氢气和/或获得藻类细胞物质和碎片等的方法 中。
作为执行这种方法的部件,本发明的方法可以使用静态混合器。 有利的静态混合器包括但不限于在Uematsu等的美国专利6279611、 Mazzei的美国专利6730214中所描述的。可以使用这种帮助产生瞬时空 化作用和/或气体向液体的质量传递的混合器。
据推测,通过操控或降低基质的pH以产生ORP的快速增加,电差 具有促进细胞裂解中的电解过程的效应,并具有产生额外的氢气作为 细胞壁内含物释放的副产物的附带益处。
实验工作证实使用这种组合快速并经济地实现了细胞裂解。空化、 超声和pH改变的组合为何能够裂解细胞的理论是经验性的,本发明人 不打算被结果的任何特定解释所束缚。
本发明的方法可以有利地包括修改ORP,通常通过pH降低来进行。 尽管这种pH降低(或者说ORP修改)可以使用各种酸和碱来实现,但 它也可以使用CO 2 来实现。氧化/还原反应涉及两个原子之间的电子交 换。在过程中失去电子的原子被说成是被“氧化”。获得电子的原子 被说成是被“还原”。在获得该额外的电子中,它失去电能,使其“渴 望”更多电子。化学物质例如氯、溴和臭氧都是氧化剂。
ORP典型地通过测量当金属在氧化剂和还原剂存在下被置于水中 时产生的电势或电压来测量。这些电压为我们指示了水中的氧化剂保 持其不含污染物的能力。因此,ORP探测器实际上是毫伏计,测量跨过 由银导线构成的参比电极(在效果上是电路的负极)与铂带构成的测 量电极(正极)所形成的电路上的电压,被测量的流体位于所述两个 电极之间。通常由银制成的参比电极被盐(电解质)溶液包围,其产 生另一个小电压。但是由参比电极产生的电压是恒定并且稳定的,因 此它形成了参比,可以针对它来比较由铂测量电极和水中的氧化剂产 生的电压。测量两个电极之间的电压差。
由于pH对水中带电离子的浓度的影响,改变水性溶液的pH能够极 大地改变ORP读数。因此,在本文中描述的装置和方法中,可以通过将 水与一种或多种ORP或pH调节剂相接触来改变pH并因此改变ORP。有 利地,可以使用二氧化碳气体降低pH;使pH降低将升高毫伏读数。
CO 2 可以采取微米或纳米气泡的形式带入在液体介质中,例如使用 上述的静态混合器作为微米或纳米气泡带入。以这种方式带入CO 2 气体 降低pH,改变ORP,其能够导致产生可以收集的附加氢气。
此外,正如下面指出的,带入作为微米或纳米气泡的CO 2 (或其他 气体)能够有助于细胞裂解。空化效应和/或超声也可以被有益地用于 增强细胞裂解和/或细胞物质和碎片的絮凝。尽管这样的效应可以使用 超声探头来产生,但它们也可以使用有微泡带入的静态混合器的空化 效应来产生。因此,将含有藻类的培养基通过带有气体带入的静态混 合器,有助于细胞破裂并能帮助细胞物质和碎片的絮凝。
当应用于本发明的系统时,EMP具有裂解细胞的效应。然而,附 加的益处是产生氢气,其可以被收集用作例如燃料。氢气的量可以通 过ORP改变来增加。
对于某些应用来说,施加磁场也可能是有益的。例如,这样的场 可以施加在静态混合器中或其附近。实现这一点的一种方式是将强磁 体置于静态混合器周围。在某些情况下,使用交变磁场可能是有益的。
本发明的方法可以被设计成增加许多不同产物中的一种或多种的 产出。例如,产物可以是藻类细胞物质和碎片、脂质、选定的蛋白质、 类胡萝卜素和/或氢气。
在某些应用中,可能希望使用本文描述的方法和装置产生细胞物 质和碎片。这样的细胞物质和碎片的生产可以伴有一种或多种其他产 物的增加或优化生产,或不获得其他产物或不对获得其他产物进行优 化。
有利地,方法可以被设计成生产显著量的氢气。
在典型的实施方案中,希望从藻类获得脂质,用于例如生物燃料 和/或提供含有藻类ω-3脂肪酸的油(主要是二十碳五烯酸(20∶5,n-3; EPA)和二十二碳六烯酸(22∶6,n-3;DHA)。为了提取这样的脂质, 有利的是例如如上所述裂解细胞。脂质释放的方式允许根据含脂质物 质与主体水之间的不同密度进行第一次分离。如果需要,可以使用其 他脂质提取方法进一步提取脂质。
在某些实施方案中,本发明利用了多种上面提到的方法来产生增 强的细胞物质和碎片分离、细胞裂解、氢气生产和/或脂质分离。例如, 可以将电解与ORP改变进行组合。
非常有利的是,系统被构造成用于执行作为整个藻类加工方法的 一部分的选定子过程。在这样的系统中有用的一种部件利用了改良的 静态混合器,其具有设立在装置内的阳极和阴极。在使用中,改良的 静态混合器对悬液施加EMP,同时通过文丘里管将CO 2 气体或其他ORP 调节剂注射到流经装置的藻类液体中。所述装置可以在任一端包含气 体回收系统,用于回收电解过程产生的气体(例如氢气)。
这种改良的静态混合器示意性图示在图13中。生物质浆液1通过进 入管线进入混合器室。在进入室内之后,浆液1就流经由直流电源54供 电的阳极2和阴极3电路。阳极和阴极电极2和3只在导电液体介质流过 它们之间时才允许电传递。在这种静态混合器的情况下,生物质浆液1 被用于在阳极和阴极电极2和3之间传导电传递。在电传递期间,生物 质浆液1进一步暴露于传递,并且这种传递的一部分量被微生物细胞吸 收。电暴露发生之后,它们的细胞壁结构开始变弱。在流过阳极和阴 极电路室后,使用不导电的垫圈55将两个室隔离开,以便不允许电传 递到文丘里喷嘴室56。现在,目前结构较弱的细胞能够被文丘里管引 起的细胞/微米气泡碰撞所破裂。为了进一步增加物质分离过程的效率, 可以使用气体注射端口57,导入用于增强物质破裂和回收的化学物质。 在细胞壁破裂期间,释放出的细胞内气体例如氧气和氢气以及其他有 价值气体,可以作为物质回收系统的一部分被捕获。将这些气体导向 排气口,以在位于静态混合器排出端口59处的出口58的末端进行捕集。 此外还排出剩余的破碎生物质29,其也被引导到出口点58处回收。
因此,正如上面所指出的,系统可以被有利地配置并使用来自生 长容器或反应器例如光生物反应器的部分抽取液。还有利的是,系统 可以包括并使用所述的改良静态混合器,用于从基质提取和絮凝(细 胞物质和碎片)、捕获产生的氢气或额外的氧气、将细胞物质和碎片 与水分离开并优选在灭菌或过滤后将水返回到反应器。
在本文中被称为“级联生产”的方法,定期例如每日、每隔一日 或每周从生长罐的(培养)料液中抽取一定百分率。然后将抽取的(培 养)料液通过电解混合装置带入,和/或通过与常规电解方法、例如处 理槽中的阳极和阴极板联合的混合器带入。这样的处理可以包括ORP 操控。
从一般意义上来说,本文描述的方法和装置包括沿着加工流的一 系列流体操作,其具体目标是提取藻类细胞中包含的有价值副产物。 正如上面简要描述的,当藻类在多样化的构造例如户外生长池塘、开 放罐、封闭罐或光生物反应器(PBR)的罐例如盐水罐中生长时,定期 抽取一部分溶液或料液。这种抽取计划由以下观察来确定,但不限于 这些观察:每日获取的密度、pH和/或ORP。例如,已经注意到由于CO 2 吸收和在夜间发生的被称为呼吸的过程,户外池塘的pH在夜晚比在早 晨更高。差异可以高达3个pH点或600Mv。因此,人们将在夜晚从生长 池塘抽取大部分,因为这时pH为8.5-10(与此相比早晨的读数为6-7)。 在反应器或PBR中使用同样的原理,但是在这种情况下人们观察生长的 对数期,并在pH达到8.5-9时抽取高达75%的生长液(基质)。所有这 些指标使用整合在工厂过程计算机控制器中的常规测量设备,所述控 制器控制SSE过程并发出何时应该收获的信号。为了确定何时应该收 获,可以评估生长容器中的几种指标,例如pH、ORP、Mv、盐度、细 胞大小等。
剩余百分数的未抽取液体被留作再循环水培养器,并用于开始藻 类的新的对数期生长。抽取的料液(在本文中也称为“培养物”)。
微生物藻类生长在容器系统中,并在适合的生长周期结束时转移 到物质回收过程中。将藻类生物质流过任选的微米气泡空化步骤,用 于在其他生物物质回收处理之前软化外部细胞壁结构。
在空化步骤后,可以施加任选的热处理,以改变含有生物质的液 体原料水的重力特性。热选项允许更快地转移在收获过程中释放的特 定物质。在生物质达到适合的热范围后,则允许其流过电磁脉冲场EMP 站,迁移的生物质细胞在那里暴露于电磁传递,引起外部细胞壁结构 破碎。
在流过EMP过程之后,破碎的生物质迁移到重力澄清罐中,在那 里较重的物质(细胞物质和碎片)下沉通过水柱,而较轻的物质上升 到表面,在那里允许更容易的收获。较重的下沉物质(细胞物质和碎 片)聚集在澄清罐的底部,在那里可以容易地收获其他有用物质。在 物质分离和回收后,将剩余的水柱送往水再生处理,并在处理后返回 到生长系统中。
在该“裂化”期间,静态混合器可以注入一种或多种ORP调节剂, 其可以是或包括pH调节剂例如CO 2 。尽管CO 2 是优选的,但可以使用能 够实现改变pH值及其必然引起的以Mv表示的ORP值这一基本功能的 替代或附加的pH或ORP调节剂。可以使用任何适合的静态混合器;本 文描述的方法、系统和装置不限于任何具体类型的混合器或相关的电 解方法。这样的混合器可以包含与电压调节器相连的阴极和阳极,所 述电压调节器优选翻转极性以减少探针上的结垢。阳极和阴极由DC能 源例如电池、发电机、变压器或其组合供电。DC电压可以设置成可变 输出以调整裂化罐中的藻类物质。
由于液体被通过文丘里混合器带入,因此它与CO2混合,经历上 面提到的EMP场,并通过连续混合产生大量微米气泡,产生空化现象 或CO 2 与藻类物质两者的微米气泡浆液。CO 2 带入、电解和混合的组合 可以根据经验选择,例如根据所需的从藻类细胞分离的产物和/或絮凝 到水表面的物质来选择。
例如,在最近的试验中,施加CO 2 以获得pH从8.5降低至6.5以及相 应的从-200Mv增加至+250Mv,并使用DC 6伏电源对流体进行电解,在 20分钟时间内获得了完全絮凝和细胞裂解(正如在显微镜下所检查 的)。然而,该组合以及这些参数仅仅是示例性的,并可以进行调查 以确定最适值。可以将所需结果与处理变量进一步相关联,以例如根 据pH值、ORP读数、细胞密度和藻类种类建立方案。在SSE之前的上游 pH调整,可能有助于SSE处理。
当在裂化(裂解)过程的同时使用电解时,在阴极处释放氢气 (H+)。这种氢可以通过置于电解单元的阴极端或静态混合器的末端 处的氢回收阀,安全地回收和捕集在罐中。如果人们通过使用碱性化 学化合物例如氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化钙或氢氧化镁改变pH值, 人们现在将在阳极探针处产生额外的游离氧。在这种情况下,人们将 如上所述抽取一定比例的pH值为8.5的藻类物质,将该值升高到约pH 11或大致-250Mv至-700Mv,并产生负氢氧根或-OH高的基质。然后在 细胞裂化后基质回到7.0时,将引起游离氧的解离。在这种情况下,人 们应该纳入这种氧的安全回收系统。
在该系统中,在细胞物质和碎片裂化后,取决于条件,它可以絮 凝到水表面上或可以下沉。细胞物质和碎片一般是破裂的细胞壁、脂 质、糖类和叶绿素(A)的复合物。在许多情况下,表面处的絮状物在 几小时内下沉到罐的底部。尽管一些脂质可以保留在表面上,但相当 部分的脂质(其可能是大部分脂质)仍然与叶绿素和/或其他细胞组分 结合,并将与其余细胞物质和碎片一起下沉。
现在,剩余的水的pH约为7.0,并具有高CO 2 浓度。(除非对pH进 行调整,否则pH将是进入的浆液的pH)。这种水(浆液加工后)及其 裂化的生物质(细胞物质和碎片)在通过过滤单元后,现在被带入或 流到水灭菌罐,在过滤装置中可以使用许多系统将有机物质从水中分 离出来。这些系统可以是例如板式分离器(plane separator)、过滤器、 涡旋分离器或执行递送被分离物质的功能的任何其他方法。将被分离 的细胞物质和碎片抽取到细胞物质和碎片收集容器中,并将水送往罐 中灭菌。在灭菌后,可以使用回收的水重新补充罐。
在一个实施方案中,系统包括如图13中所示的改良的文丘里混合 器喷嘴。正如前面指出的,浆液输入管线在中间或沿着管线长度的任 何其他地方用大的橡胶垫圈或其他电绝缘材料绝缘,以便分开阳极和 阴极的极性。管的两端可以从DC电源输入供电,或者在管内包含具有 导电目的的探针。改良的文丘里喷嘴将CO 2 气体或其他旨在改变pH和 ORP的混合物通过入口管导入到在管的几何形状内根据Bernoulli原理 设计的低压区中。在文丘里管的出口处,可以安装用于捕集在EMP过 程中产生的氢气的装置。人们可以在文丘里管中添加阻碍物以影响流 体流动,从而增加湍流并产生大量微米气泡。
实施例2-脂质提取的定量和最适EMP提取参数的鉴定
在下面描述的实验中,描述了使用本文描述的EMP装置进行的脂 质提取的定量、以及最适提取参数的鉴定。下面显示的结果对应于图 14中的数据。
试验1:
为了对来自本文描述的EMP单元的脂质提取进行定量,进行了下 列实验。将一批眼点拟微球藻(Nannochloropsis oculata)通过6英寸的 EMP单元进行处理以提取脂质。利用重力将该批料以约1L/min的流速 送过EMP单元。总共处理了20.8L藻类培养物。在收集后,将处理过的 料流的顶层舀出,用于脂质分析。
对照批次详细情况:
干物质浓度:433mg/L
脂质含量:干物质的5.5%(23.86mg/L)
pH:7.1
电导率:8.82mS/cm
提取过程详细情况:
提取样品体积:20.8L
流速:1L/min
电压:4.3V
电流:22Amp
结果:提取的样品通过Folch方法进行分析。提取到的脂质重量为 0.4481g。在处理前20.8L藻类批料中最初存在的脂质量为0.4965g。这 相当于通过EMP单元的提取效率为90.2%。
试验2:
为了对来自本文描述的EMP单元的脂质提取进行定量,进行了下 列实验。将一批眼点拟微球藻(Nannochloropsis oculata)通过6英寸的 EMP单元进行处理以提取脂质。利用重力将该批料以约1L/min的流速 进给EMP单元。总共处理了9.2L藻类培养物。将处理过的料流收集在 脂质收集装置中,所述装置被设计成具有锥状长颈,以收集漂浮在顶 部的脂质层。
对照批次详细情况:
干物质浓度:207mg/L
脂质含量:干物质的13%(26.91mg/L)
pH:6.8
电导率:9.31mS/cm
提取过程详细情况:
提取样品体积:9.2L
流速:1L/min
电压:3.4V
电流:20Amp
结果:提取的样品通过Folch方法进行分析。提取到的脂质重量为 0.2184g。在处理前9.2L藻类批料中最初存在的脂质量为0.2477g。这 相当于通过EMP单元的提取效率为88.2%。
试验3:
为了对来自本文描述的EMP单元的脂质提取进行定量,进行了下 列实验。将一批眼点拟微球藻(Nannochloropsis oculata)通过6英寸的 EMP单元进行处理以提取脂质。利用重力将该批料以约1L/min的流速 进给EMP单元。总共处理了11L藻类培养物。在收集后,将处理过的料 流的顶层舀出,用于脂质分析。 对照批次详细情况:
干物质浓度:207mg/L
脂质含量:干物质的13%(26.91mg/L)
pH:6.8
电导率:9.31mS/cm
提取过程详细情况:
提取样品体积:11L
流速:1L/min
电压:3.4V
电流:20Amp
结果:对于所测试的藻类批料来说,通过6英寸EMP单元的提取效 率为95.25%。
试验4
为了对来自本文描述的EMP单元的脂质提取进行定量,进行了下 列实验。将一批眼点拟微球藻(Nannochloropsis oculata)通过6英寸的 EMP单元进行处理以提取脂质。使用流量计和泵调节批料流速,处理 了2升藻类培养物。将处理过的料流收集在2升容量瓶中,回收顶部液 体层用于分析。
对照批次详细情况:
干物质浓度:410mg/L
脂质含量:干物质的8.2%(33.62mg/L)
pH:7.1
电导率:8.99mS/cm
提取过程详细情况:
提取样品体积:2.01L
流速:1.5L/min
电压:12.4V
电流:18Amp
结果:对于所测试的藻类批料来说,通过6英寸EMP单元的提取效 率为90.7%。
试验5:
为了对来自本文描述的EMP单元的脂质提取进行定量,进行了下 列实验。将一批眼点拟微球藻(Nannochloropsis oculata)通过12英寸 的EMP单元进行处理以提取脂质。使用流量计和泵调节批料流速。处 理了1.87升藻类培养物。将处理过的料流收集在2升容量瓶中,回收顶 部液体层用于分析。
对照批次详细情况:
干物质浓度:800mg/L
脂质含量:干物质的19.9%(159.2mg/L)
pH:7.6
电导率:8.15mS/cm
提取过程详细情况:
提取样品体积:1.87L
流速:0.2gal/min(0.756L/min)
电压:4.8V
电流:20.2Amp
结果:对于所测试的藻类批料来说,通过12英寸EMP单元的提取 效率为12.2%。
试验6:
为了对来自本文描述的EMP单元的脂质提取进行定量,进行了下 列实验。将一批眼点拟微球藻(Nannochloropsis oculata)通过12英寸 的EMP单元进行处理以提取脂质。使用流量计和泵调节批料流速,处 理了1.87升藻类培养物。将处理过的料流收集在2升容量瓶中,回收顶 部液体层用于分析。
对照批次详细情况:
干物质浓度:500mg/L
脂质含量:干物质的16.15%(80.75mg/L)
pH:7.5
电导率:8.18mS/cm
提取过程详细情况:
提取样品体积:1.87L
流速:1.13L/min
电压:4.7V
电流:20Amp
结果:对于所测试的藻类批料来说,通过12英寸EMP单元的提取 效率为51.5%。
试验7:
为了鉴定给定藻类批料的最适EMP提取参数,在广范围的参数矩 阵中对EMP进行了测试。将一批眼点拟微球藻(Nannochloropsis  oculata)通过6英寸的EMP单元进行处理以提取脂质。使用流量计和泵 调节批料流速。将组成测试矩阵的各个样品收集在116ml的小瓶中。用 注射器吸出底部的细胞物质和碎片以及水,在提取样品瓶中只留下顶 部脂质层。
对照批次详细情况:
干物质浓度:210mg/L
脂质含量:干物质的24%(50mg/L)
pH:7.8
电导率:7.89mS/cm
提取结果:
提取样品体积:116ml
处理前116ml藻类样品中最初存在的脂质量:5.8mg
通过Folch方法对提取样品进行分析。相关参数、包括测试条件矩 阵和提取效率列于表1中。
表1.不同流速和电流强度下的提取效率
推论:对于该批藻类来说,用于脂质提取的最适条件看起来是0.25 gal/min和15Amp。在测试矩阵中,在该条件设定周围,效率逐渐降低。 在0.25gal/min时,在更高电流下,能量输入可能太高而不能损伤藻类 以引起它们破坏。在0.25gal/min时在更低电流下,以及在更低流速下, 能量输入太低而不能从藻类完全提取脂质。
试验8
为了对来自本文描述的EMP单元的脂质提取进行定量,进行了下 列实验。将一批眼点拟微球藻(Nannochloropsis oculata)通过6英寸的 EMP单元进行处理以提取脂质。使用流量计和泵调节批料流速。将样 品收集在116ml瓶子或400ml瓶子中。用注射器吸出底部的细胞物质和 碎片以及水,在提取样品瓶中只留下顶部脂质层。
对照批次详细情况:
干物质浓度:320mg/L
脂质含量:干物质的18%(57.6mg/L)
pH:7.3
电导率:7.93mS/cm
提取过程详细情况:
流速:0.95L/min
电压:5.3V
电流:20A
结果:
提取样品1:
体积:412ml
提取效率:83.31%
提取样品2:
体积:116ml
提取效率:80.69%
提取样品3:
体积:116ml
提取效率:95.64%
试验9:
为了鉴定给定藻类批料的最适EMP提取参数,在四组不同条件下 对本文描述的EMP装置进行了测试。将来自生长室的20升眼点拟微球 藻(Nannochloropsis oculata)批料通过6英寸的EMP单元进行处理。使 用流量计和泵调节批料流速。
对照样品详细情况(样品#1130-0):
干物质浓度:320mg/L
脂质含量:干物质的11%(35mg/L)
pH:7.5
电导率:8.15mS/cm
将藻类批料在下面列出的各种流速和能量输入条件下进行处理:
样品1130-3:流速=0.25gal/min,电压=3.7V,电流=15Amp
样品1130-4:流速=0.25gal/min,电压=4.0V,电流=20Amp
样品1130-8,9:流速=0.38gal/min,电压=4.0V,电流=20Amp
样品1130-12:流速=0.38gal/min,电压=3.7V,电流=15Amp
将样品收集在400ml瓶中。用注射器吸出底部的细胞物质和碎片 以及水,在提取样品瓶中只留下顶部脂质层。使用Folch方法通过 CSULB-IIRMES分析样品。
结果:对于该批藻类来说,用于脂质提取的最适条件看起来是0.38 gal/min;3.7V;15Amp。
表2
试验10:
测试了带有MX空化作用和加热的新的管式EMP设备,并与以前的 试验进行比较。将一批眼点拟微球藻(Nannochloropsis oculata)通过 管式SSE系统进行处理。管式SSE系统的部件是管式EMP单元、管式 EMP单元周围的加热条系统、和MX空化单元。MX空化单元在管式EMP 单元之前。MX空化单元和EMP单元周围的加热系统可以任选使用。空 化进行1分钟。使用流量计和泵调节批料流速。将样品收集在120ml瓶 子中。用注射器吸出底部的细胞物质和碎片以及水,在提取样品瓶中 只留下顶部脂质层。
对照批次详细情况:
干物质浓度:280mg/L
脂质含量:干物质的21%
pH:7.7
电导率:7.42mS/cm
提取结果和观察:
提取样品体积:120ml
表3-包括MX空化和加热两者的管式SSE测试的提取结果和观察
注:对于不同流速来说加热速率相同。这意味着在0.50gal/min下细胞 物质和碎片接收的热量少于0.25gal/min下。
下表(表4)显示了只包含MX空化和加热或二者都不包含的管式 EMP测试的提取结果和观察。这可以用来与上表中类似的测试条件进 行比较。
表4-提取结果
看起来加热引起电解增强,导致细胞物质和碎片更好地絮凝。当 热量高时(例如在0.25gal/min下),所有絮凝的细胞物质和碎片下沉, 留下顶部的透明脂质薄层。下沉可能是因为加热的水的密度显著低于 细胞物质和碎片的密度。当热量低时(例如在0.50gal/min下),所有 絮凝的细胞物质和碎片保留在顶部,与脂质黏附。这可能是因为水与 细胞物质和碎片的密度差不够大,不能引起细胞物质和碎片的立即下 沉,但是加热仍然足以使细胞物质和碎片絮凝。总之,可以看到当存 在热时,细胞物质和碎片在顶部或底部絮凝,但是当没有热时,它们 保持悬浮,正如使用以前的不带加热的6英寸和12英寸EMP单元时通常 看到的。
另一种很大的可能性是当加热下细胞物质和碎片絮凝并下沉到底 部时,与细胞物质和碎片黏附的一些提取脂质可随着细胞物质和碎片 被带到底部。结果,当从顶部透明层处的脂质进行分析时,提取效率 可能较低。相反,当细胞物质和碎片絮凝并漂浮在顶部时,即使可能 还没有提取出藻类细胞内部的所有脂质,但未提取的脂质仍可能与提 取出的脂质一起留在顶部。
另一个观察是当加热时电流对细胞物质和碎片下沉的影响。在第 一个表中,在对应于0.25gal/min的列中,细胞物质和碎片下沉的速度 与施加的电流量成正比。甚至在流速为0.50gal/min时,其中由于热量 较低使得所有的细胞物质和碎片都漂浮的情况下,使用20安培电流的 样品所对应的细胞物质和碎片在1天后也下沉,而对应于使用较低电流 的样品所对应的细胞物质和碎片在1天后继续漂浮。
试验11:
对于给定藻类批料来说,为了以可能的最高效率获得脂质提取, 将本文描述的EMP装置在不同条件设置下进行试验。将眼点拟微球藻 (Nannochloropsis oculata)批料通过6英寸的EMP单元处理以提取脂 质。使用流量计和泵调节批料流速。将样品收集在1L瓶子中。用注射 器吸出底部的细胞物质和碎片以及水,在提取样品瓶中只留下顶部脂 质层。
对照样品详细情况(样品号20100104-10):
干物质浓度:285mg/L
脂质含量:干物质的6.67%(19mg/L)
pH:8.4
电导率:7.99mS/cm
提取结果:
提取样品体积:1L
处理前1L藻类样品中最初存在的脂质量:19mg
样品使用Folch方法通过CSULB-IIRMES进行分析。不同测试条件 的相关参数和提取效率列于下表中。
表5-测试条件的参数和提取效率
对于所测试的藻类批料来说,在0.25gal/min;19Amp;3.9V和0.50 gal/min;18Amp;3.8V下,获得了最高提取效率98%和96%。
试验12和13:
检查了在暗冷处储存过夜对脂质提取效率的影响。来自同一批藻 类批料的样品在试验12中进行测试,并在第二天在试验13中进行测试。 在试验12中测试的同一批藻类在第二天进行测试(对相同的初始藻类 培养物运行相同的试验;一次试验在活样品从生长罐中抽出的当天、 即实时进行,剩余的样品在静置过夜后的第二天进行测试)。将眼点 拟微球藻(Nannochloropsis oculata)批料通过管式SSE系统进行处理。 管式SSE系统的部件是管式EMP单元、管式EMP单元周围的加热条系 统、和MX空化单元。MX空化单元在管式EMP单元之前。MX空化单元 和EMP单元周围的加热系统可以任选使用。空化进行1分钟。使用流量 计和泵调节批料流速。将样品收集在120ml瓶子中。用注射器吸出底部 的细胞物质和碎片以及水,在提取样品瓶中只留下顶部脂质层。
表6-与第一天和储存后第二天有关的对照样品详细情况
提取结果:
提取样品体积:120ml
表7-测试条件的相关参数和提取效率
与较早的管式SSE实验相比,提取效率总体较低。这可能是因为在 回收顶部脂质层之前提取样品留置的时间太长。通常在顶部脂质层中 发现一些细胞物质和碎片,但是其作为将样品留置太长时间的结果全 都已经下沉,并且一些脂质可能也随着它下沉。对第一天和第二天观 察到的提取效率进行比较,似乎没有任何由于在暗冷处储存过夜所导 致的提高。
实施例3-使用空化和EMP收获糖类和蛋白质
图14显示了用于从藻类收获糖类和蛋白质的试验过程的结果。试 验过程如下进行。首先将藻类浆液在室温下通过EMP单元进行处理。 将EMP处理过的浆液收集在储存罐中。然后将其通过MX单元进行空 化。然后将空化后的浆液静置几分钟。厚厚的藻类细胞物质和碎片上 升到顶部并保持漂浮。从顶部收集漂浮的细胞物质和碎片用于分析。
通过反式SSE过程收集的藻类样品由旧金山的Anresco  Laboratories分析。分析样品中藻类的脂质、蛋白质和糖类含量。由 Anresco Laboratories进行的分析给出了给定样品中蛋白质、脂质或糖类 的总质量(用“x”mg表示)。
在反式SSE过程之前测量处理过的藻类批料的干物质浓度(用“d1” mg/L表示)。收集在储存罐中、从罐顶部收集漂浮的细胞物质和碎片 的藻类批料的体积也是已知的(用“V”L表示)。还测量了在从顶部 收集漂浮的细胞物质和碎片后剩余溶液的干物质浓度(用“d2”mg/L 表示)。根据这些,按照下式计算出从储存罐顶部收集的藻类细胞物 质和碎片的质量(用“M”mg表示):
M=(d1-d2)xV
然后如下计算例如蛋白质的单独组成:
蛋白质组成=x/M mg蛋白质/mg藻类干物质
对于该实验来说,从样品罐获取三个小样品(发现从该过程中在 顶部收集的藻类是黏性、聚团的,并漂浮在水上)。根据处理的藻类 浆液的干物质测量值和体积,通过反式SSE过程从顶部收集的生物质的 量是600mg。由Anresco Laboratories分析的单独的蛋白质的量合计为 1400mg。因为蛋白质的量不应该高于生物质的量,因此测量到的量可 能是由于取样方法所导致的蛋白质数量的增加,例如在三个抽取的样 品中存在的藻类可能多于如果它们被均匀混合时可能有的量。然而, 这些结果证实了本文描述的单元和方法可用于从藻类细胞收获蛋白质 以及脂肪(参见下面的表8)。
表8-来自标记为0413:1-3的三个藻类样品的结果
  样品ID   分析   发现
  #1   蛋白质(NX6.25)   0.70%
  #2   脂肪
  #3   脂肪
其他实施方案
本技术领域的专业人员将会容易地认识到,本发明非常适合获得 提到的目标和优点,以及其固有的目标和优点。由目前的优选实施方 案所代表的本文描述的方法、系统和装置是示例性的,不打算作为本 发明范围的限制。本技术领域的专业人员将可以在其中进行变化和其 他应用,其涵盖在本发明的精神内并由权利要求书的范围来限定。
对于本技术领域中的专业人员来说,显然可以对本文公开的发明 进行各种替换和修改,而不背离本发明的范围和精神。例如,可以对 罐的配置、使用的材料、ORP调节剂和生长的藻类种类进行改变。因此, 这些其他实施方案在本发明和下列权利要求书的范围之内。
本文中示例描述的发明可以在不存在本文中没有具体公开的任何 要素、限制的情况下进行实践。因此,例如,在本文的每种情况下, 术语“包含”、“基本上由……构成”和“由……构成”中的任一个 可以用其他两个术语中的任一个代替。已经使用的术语和表示法被用 作描述而非限制性术语,因此在这些术语和表示法的使用中,不打算 排除所显示和描述的特点的任何等效物或其一部分,而是应该认识到 在所宣称的发明的范围内各种修改是可能的。因此,应该理解尽管本 发明已通过示例性实施方案和任选特点具体公开,但本文中公开的概 念可以由本技术领域的专业人员进行修改和改变,并且这些修改和改 变被认为在由随附的权利要求书之所限定的本发明的范围之内。
此外,当本发明的特点或方面根据替代方案的Markush组群或其他 分组方式进行描述时,本技术领域的专业人员将会认识到本发明也因 此根据Markush组群或其他组群的任何单个成员或成员的亚组来描述。
此外,除非指明相反,否则当为实施方案提供各种数值或值的范 围终点时,通过取任何两个不同值作为范围的终点或从所规定的范围 中取两个不同范围终点作为其他范围的终点,描述了附加的实施方案。 这样的范围也在所描述的发明的范围之内。此外,包括大于1的值的数 值范围的说明,包括了该范围内每个整数值的具体描述。
因此,更多的实施方案在本发明的范围和下面权利要求书的范围 之内。