[发明专利]使用垂直薄膜用于增强藻类生长的混合系统

说明书

技术领域

本发明总体上涉及气-液转移领域，更具体地涉及藻类生长方法，所述方法采用垂直薄膜用于将富含CO₂和其他可溶性气体的水引入到下面的水池或水道中。

背景技术

对于燃烧化石燃料的发电厂而言增强的天然吸收槽（natural sink）是经济上有竞争力的且环境上安全的碳固定（carbon sequestration）选择，因为它们既不要求纯CO₂，也不产生CO₂气体分离、捕获、以及压缩的成本（以及危险）。在增强的天然吸收槽的选项中，在工程化系统中优化现有光合作用生物体的生长是低风险、低成本、且环境友好的。此外，工程化光合作用系统具有在排放源处允许测量和验证系统效果的优点（而不是远离排放源，基于森林和基于海洋的天然吸收槽就是这种情况）。本发明适用于现有和未来的化石单元，以及适合包含其他可溶性污染物气体（如，氨、SOx、NOx、和/或其他物质）的气流。

即使CO₂是相当稳定的分子，在绿色植物、藻类、以及蓝细菌中它也是通过光合作用用于形成复糖（食品）的基础。已经证明烟道气中相对高含量的CO₂（约14%，与环境空气中400ppm相比较）显著地提高某些种类蓝细菌的生长速率。因此，对于工程化以使用特别选择的蓝细菌菌株从而将CO₂最大程度地转化为生物质并将较少的温室气体排放到大气中的容纳系统，这种光合作用过程是理想的。

作为缓解二氧化碳排放和生物燃料生产的原料的微藻类的生产要求连续地并且受控地将无机碳（主要为CO₂）供应给微藻类（或蓝细菌）培养物。CO₂必须以不会突然地和显著地降低生长介质pH值的方式（当CO₂被水吸收并与水反应时这倾向于以碳酸形式发生）引入微藻类生长介质（典型地为水）。

对于采用藻类生产的大多数水池和水道系统，CO₂经鼓泡（bubbling）（也称为，“鼓泡”（sparging））加入生长介质。该过程需要非常昂贵的几乎纯的食品级CO₂。而且，虽然鼓泡通常是将CO₂输送到水中的有效方法，它也快速地并显著地改变气泡附近水的pH值。这对于对快速酸化做出负面响应的藻类菌株可能是有害的。

相反地，不采用鼓泡作为引入CO₂方法的水池或水道依赖于将CO₂从周围大气中输送到下面水池或水道的水中。这是相对慢的过程，因为空气中CO₂的浓度相对低（400ppm）且水池或水道的表面积相对较小。

另外，为了光养生物体成功地生长，需要其他化合物，如可溶性氮和磷物质。加入这些物质作为肥料成本非常高，但是可通过从气流中输送这些物质来补充或取代，其中这些物质被认为是污染物。

考虑到上面的描述，提供以不突然地和显著地增加水酸度的方式将大量CO₂和/或其他气体物质引入到藻类生长系统的水池或水道中的装置是有利的。

发明内容

根据本发明的目的，提供了混合藻类生长方法，所述方法以悬浮（suspended）和附着（added）模式以促进微藻类和光养细菌生长的方式，优化可溶性气体物质进入介质（如具有或不具有添加盐的水）的质量转移速率。

本发明方法采用多个垂直的或接近垂直的薄膜，其具有与包含在薄膜下面水池或其他容器中的水接触或接近接触的下边缘。这些薄膜暴露于包含可溶性元素或化合物（如CO₂）的气流，同时包含水和可溶性盐的生长溶液被泵送到位于上方并与薄膜流体连通的集管中。重力辅助的毛细管作用均匀润湿薄膜并以约为1.3加仑生长溶液/纵英尺薄膜/分钟的优选速率建立溶液进入水池的渐变流（gradual flow）。已经发现相对于美国专利号6,667,171中描述的垂直薄膜系统，在编织薄膜的特定结构上溶液的流速显著地增加CO₂流过薄膜从气流到水溶液的质量转移速率。

此外，系统的构型和生长溶液的流速将CO₂和其他可溶性气体以比常规鼓泡方法更高的渐变速率引入水池中，同时消除了对气体压缩的需要。得到的水池pH值渐变的改变减小了某些藻类培养物所经受的“冲击”和相关的“滞后”，因此提高水池中总藻类生产率。