MX2011001343A - Cultivacion continua, recoleccion y estraccion de aciete de cultivos fotosinteticos. - Google Patents
Cultivacion continua, recoleccion y estraccion de aciete de cultivos fotosinteticos.Info
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Abstract
La invención actualmente descrita se relaciona a sistemas para la cultivación de manera continua, recolección y extracción de aceite de cultivos algales para la producción de aceites de algas.
Description
CULTIVACIÓN CONTINUA, RECOLECCIÓN Y EXTRACCIÓN DE ACEITE DE
CULTIVOS FOTOSINTETICOS
Campo Técnico
La invención divulgada se relaciona a la cultivación continua, recolección y extracción de aceite de microorganismos fotosintéticos .
Técnica Antecedente
Hay una necesidad presente y creciente por alternativas para combustibles fósiles. Mayor interés e inversión se ha hecho en el área de biocombustibles , que son combustibles adecuados para el quemado en motores de combustión interna estándares que son derivados de fuentes biológicas. Una fuente biológica particularmente atractiva para biocombustibles son las algas debido, en parte, a sus rendimientos sustancialmente mejores (5000 - 10,000 galones/acre/año) cuando se comparan con otros materiales de alimentación (300 - 700 galones/acre/año). Ciertas clases de algas son particularmente adecuadas para la producción de combustible debido a los perfiles de lipido deseables (por ejemplo, composición de lipido, concentración de lipido como un porcentaje de masa) .
Los sistemas de producción de biocombustible algal actualmente disponibles son costosos y no escalables dando por resultado costos de producción de $30 a $60 por galón de biocombustible. Estos sistemas de producción de algas actuales están confrontando dos retos significantes - (1) el uso de sistemas de cultivación cerrados prohibitivos en costo y (2) un proceso de post cultivación altamente complejo, intensivo de energía.
Un sistema de cultivación debe proporcionar acceso a la luz solar para que ocurra el proceso fotosintético y debe permitir a una especie de microalga dominante crecer no impedida sin la amenaza de clases "invasores". Actualmente, para lograr ambos objetivos, muchos sistemas cerrados usan bolsas de plástico claras o tubería de plástico clara.
Estos sistemas cerrados típicamente se diseñan para proporcionar un ambiente protegido que previene la amenaza de especies "invasoras" que permiten la cultivación de un monocultivo de una clase algal que posee atributos deseables. Sin embargo, los sistemas cerrados son incapaces de mantener la estabilidad de la clase por períodos prolongados de tiempo debido a su exposición al ambiente natural. A pesar de sistemas diseñados para excluir clases de tipo silvestre, invasivas, los puntos de entrada existen (por ejemplo, válvulas, conectores y otros componentes mecánicos) . Durante un período dado de tiempo, el monocultivo se invade finalmente por una o más clases de tipo silvestre, endémicas de algas que no poseen atributos favorables, para la producción de biocombustibles . Una vez que esto ocurre, el sistema cerrado deja de ser un monocultivo de la clase deseada, esencialmente "rompiendo" el proceso de cultivación. Un sistema interrumpido requiere esterilización costosa y consumidora de tiempo que da por resultado costos de producción incrementados y rendimientos disminuidos.
Adicionalmente, los sistemas de tubo de vidrio para el monocultivo deben ser periódicamente retirados de la línea para remover la acumulación de biopelícula que ocurre durante el proceso de cultivación. Los tubos que no son limpiados gradualmente llegan a ser opacos, limitando la irradiación solar y llegando a ser inadecuados para el crecimiento de microorganismos fotosintéticos . Los sistemas de bolsa no son típicamente limpiados, sino en cambio son desechados, y reemplazados con nuevas bolsas. Mientras que el sistema de bolsa elimina el requerimiento de limpieza de un sistema de tubo, es tanto costosamente, y debido a la base de petróleo del plástico, ambientalmente menos efectivo.
Otro problema encontrado en los sistemas cerrados es el requerimiento de enfriamiento costoso para mantener una temperatura del medio de crecimiento óptima. Durante el curso del ciclo de cultivación, calor sustancial se genera por el proceso fotosintético y luego se retiene debido al efecto de invernadero. Sin la ventilación natural que ocurre en sistemas abiertos (es decir, el calor se disipa naturalmente a través de la exposición al aire) el sistema de producción cerrado atrapa y retiene el calor que sustancialmente dañaría el cultivo y reduce las tasas de crecimiento. Como resultado se requieren sistemas de enfriamiento para sistemas cerrados que requieren costos adicionales y eficiencia de energía negativamente impactante.
El impacto total de estos retos con el sistema de cultivación cerrado da por resultado altos costos de capital y altos costos de operación. Como resultado, las microalgas cultivadas en sistemas cerrados para biocombustible no son económicamente viables.
Los sistemas de post cultivación actuales son intensivos en energía, altamente complejos y prohibitivos en costo. Adicionalmente, el proceso está orientado a lotes y no continuo, creando barreras para la comercialización a gran escala. Se debe observar que en los procesos practicados actualmente, hay varios aditivos, costos de operación y costos de capital que elevan el costo del proceso. Además el tiempo de procesamiento es prohibitivamente alto.
La primera etapa en los sistemas de post cultivación actuales es el proceso de recolección. La recolección típicamente requiere la floculacion para concentrar las microalgas de modo que se puedan remover subsecuentemente del medio de crecimiento. La floculacion inducida es el método más común que requiere la adición de un surfactante usualmente sulfato de aluminio y cloruro férrico o el producto comercial quitosán. La floculacion puede tomar cultivos con densidades tan bajas como 0.02-0.07% de algas (~ lgm de algas/5000 gm de agua) y lograr la suspensión con hasta recuperación de 1% de algas con 98% de algas. Una segunda etapa de recolección es además requerida para lograr concentraciones de suspensión de hasta 3-4% de algas. La flotación de aire disuelto frecuentemente se utiliza y es un proceso que clarifica el medio de crecimiento mediante la remoción de microalgas suspendidas. La remoción se logra al disolver aire en el medio de crecimiento bajo presión y luego al liberar el aire a presión atmosférica en un tanque de flotación o recipiente. El aire liberado forma burbujas delgadas que se adhieren a las microalgas causando que la materia suspendida flote en la superficie del agua donde luego puede ser removida mediante un dispositivo de despumación .
La segunda etapa mayor en la post cultivación es la eliminación de agua primaria y secundaria. Un cuello de botella significante para la comercialización a gran escala, es que se requiere la eliminación de agua para lograr una consistencia similar a pasta antes de la extracción. La eliminación de agua primaria ocurre utilizando alguna combinación de microfiltración y centrifugación para elevar la densidad de microalgas a por lo menos 6-8% del volumen de medio de crecimiento. Incrementos adicionales (hasta 20% de algas) se pueden lograr con más centrifugación y prensas de filtro de banda pero en entrada de energía y costos incrementados. El secado se requiere para lograr concentraciones de masa seca más altas requeridas para la extracción. Debido a que el secado generalmente requiere calor, secadores de tambor de metano u otros secadores de tipo horno se han utilizado. Sin embargo, los costos se elevan agudamente con incrementos de temperatura y/o tiempo incrementados. El secado con aire es posible en climas de baja humedad, pero requerirá espacio extra y tiempo considerable. Después del secado la biomasa eliminada en agua restante está lista para la extracción.
La tercera etapa en el procesamiento de post cultivación es la extracción. La extracción es el proceso mediante el cual la membrana celular o estructura es rota o dispersada de modo que el aceite dentro de la célula es liberado y subsecuentemente puede ser separado y procesado. El método de extracción más común es la adición del solvente de hexano a la biomasa. Sin embargo el uso de hexano presenta problemas sustanciales. Esta es una sustancia volátil, flamable y explosiva que la EPA la clasifica como un HAP (contaminante del aire peligroso) y lo controla bajo el programa, TRI (inventario de liberación de tóxicos) . Mediante el diseño inherente, aún las instalaciones de procesamiento de aceite más recientes pierden hexano al medio ambiente. Se ha estimado que la instalación de soja de tamaño promedio pierde 6,000 libras de hexano por día al medio ambiente a través de fugas atmosféricas. Frecuentemente acoplado con el solvente de hexano está el método de prensa/expulsor de aceite que usa. una prensa mecánica bajo alta presión para comprimir esencialmente el aceite. La recuperación costosa subsecuente del hexano es requerida.
La etapa de post cultivación final es la separación donde el aceite, el medio de crecimiento restante y la materia orgánica se separan. Una combinación de ambos mecanismos de flujo por gravedad y centrifugación se utiliza para alcanzar la pureza de aceite deseado.
La demanda para combustibles fósiles mundialmente esta escalándose. De acuerdo con un estudio de NREL, el consumo en los Estados Unidos de combustible de motor es de 390 millones de galones al día o aproximadamente 142 billones de galones al año. Por consiguiente, un sistema de producción de biocombustible comercialmente viable, futuro necesita lograr estructura de costo notablemente reducida y volúmenes de producción a gran escala sustanciales.
La complejidad, ineficiencia de operación e intensidad de energía del proceso de post cultivación actual da por resultado costos de producción estimados de $30 a $60 por galón de biocombustible algal y el uso actual de sistemas cerrados y procesos de post cultivación complejos son menos probables que proporcionen una alternativa comercialmente viable a los combustibles fósiles.
Además los numerosos procesos de post cultivación son procesos de lotes discretos - que requieren muchas etapas costosas, intensivas de trabajo, transicionales consumidoras de tiempo para ir de un proceso a otro y asi no conducen por si mismas a un proceso de producción continuo y eficiente. Breve Descripción de la Invención
La invención actualmente descrita se relaciona a un método para la recolección continua, cultivación y extracción de aceite de un microorganismo fotosintético, y el aparato para realizar el método. En una modalidad preferida el método comprende las etapas de proporcionar un recipiente de cultivación y un medio de cultivación; introducir el microorganismo fotosintético en el medio; optimizar el medio para favorecer el crecimiento del microorganismo fotosintético sobre otros organismos; cultivar el medio y el microorganismo fotosintético en el mismo bajo condiciones que facilitan la reproducción del microorganismo fotosintético a una densidad deseada; aplicar una técnica de extracción directamente a un medio de cultivación clarificado para de esta manera eliminar la recolección primaria y secundaria y la eliminación de agua primaria y secundaria, aplicar una técnica de ( separación directamente al medio después de la extracción, aplicar un método para tratar, enriquecer y reciclar el medio después de la separación y el retorno continuo del medio de crecimiento reciclado al recipiente de cultivación; y repetir las etapas del método.
En una modalidad preferida el método de extracción comprende la etapa de aplicar cavitación hidrodinámica a un flujo continuo de microalgas en su medio de crecimiento para romper las paredes celulares y extraer el aceite de las microalgas .
En una modalidad preferida el método de separación comprende la etapa de acoplar el flujo gravitacional con desviadores de flotación hidrostáticos para separar el aceite, el medio de crecimiento y la materia orgánica.
En una modalidad preferida el método de tratamiento, enriquecimiento y reciclado comprende la etapa de aplicar luz ultravioleta acoplada a la cavitación hidrodinámica a un flujo continuo del medio después de la separación para eliminar las bacterias, organismos fotosintéticos invasivos y otra materia orgánica indeseada para de esta manera esterilizar el medio para la reutilización, y mejorar el medio para las características de crecimiento de cultivo mejoradas.
Otra modalidad preferida de la invención comprende la recolección del microorganismo fotosintético cultivado utilizando fraccionamiento y extracción de la biomasa recolectada utilizando cavitación hidrodinámica.
La invención además se relaciona a la producción de biocombustibles a partir del material recolectado producido por los métodos descritos.
Descripción Detallada de la Invención
La invención actualmente descrita se relaciona a sistemas para continuamente la cultivación, recolección y la extracción de aceite de cultivos algales para la producción comerciales de aceites de algas. El proceso típicamente involucra las etapas de cultivación, extracción, separación y el reciclado, cada una de las cuales se discuten enseguida. De preferencia, los métodos descritos en la presente no requieren la adición de aditivos para producir efectivamente el producto. Además, los métodos actualmente- descritos tienen la ventaja de ser más efectivos y requerir cantidades más cortas de tiempo de procesamiento.
El sistema de fluido continuo combina un proceso de cultivación efectivo en costo con un proceso de post cultivación sustancialmente en línea que elimina las etapas de lotes costosos intensivos de energía y la recolección primaria y secundaria y la eliminación de agua primaria y secundaria. La eliminación de estas etapas de lotes tiene la ventaja adicional de prolongar el período que los organismos fotosintéticos pueden permanecer en el modo de crecimiento antes de cambiar al modo de adquisición de lípido. Por ejemplo, la diatomea Chaetoceros sp. alcanzará 4 duplicamientos por día en el sistema de fluido continuo contra 3 duplicamientos al día en el sistema de lotes complejo actual. Como resultado los rendimientos se mejorarán de 3500 galones por acre por año a arriba de 5500 galones por acre por año.
El sistema de fluido continuo está comprendido de los siguientes completamente integrado y continuo a través de las etapas de flujo - (1) un proceso de cultivación que mantiene la dominancia de clase preferida de organismos fotosintéticos, (2) un sistema de extracción que directamente procesa un medio de crecimiento clarificado en un flujo en movimiento continuo para romper la membrana celular y liberar el aceite algal, (3) un sistema de separación que directamente procesa el flujo en movimiento de la etapa 2 para separar el aceite, el medio de crecimiento y la materia orgánica y logra 99.9% de pureza del aceite y (4) un sistema de tratamiento, enriquecimiento y reciclado que directamente procesa el medio de crecimiento de la Etapa 3 para eliminar Jas bacterias y los organismos fotosintéticos indeseados, enriquecer el medio de crecimiento restante al infusionar nutrientes requeridos y luego al reciclar el medio de crecimiento enriquecido nuevamente al sistema de cultivación.
En una modalidad preferida, una o más clases de organismos fotosintéticos se seleccionan para la cultivación. La clase o clases de crecimiento se colocan en un sistema de cultivación adecuado para expandir el cultivo a una densidad adecuada para la recolección. Una vez que se logra una densidad deseada el medio de cultivo fluye a un clarificador donde 20% del medio del cultivo que tiene 80% del crecimiento de algas continuamente fluye a través de la extracción. El medio restante permanece en el sistema de cultivación para la anto-inoculación . La etapa de extracción rompe o dispersa la membrana celular utilizando cavitación hidrodinámica permitiendo la liberación del aceite algal y otros componentes constituyentes. Una vez que el 95% de aceite se ha liberado el medio fluye directamente a través de la separación. Utilizando el flujo gravitacional a través de desviadores de flotación hidrostáticos, el aceite, el medio de crecimiento y la materia orgánica se separan. El medio de crecimiento restante fluye directamente al proceso de tratamiento, enriquecimiento y reciclado. La luz ultravioleta acoplada con la cavitación hidrodinámica se utiliza para esterilizar el medio de crecimiento e infusionar nutrientes requeridos. El flujo luego se recicla y se regresa para rondas subsecuentes de cultivación.
Microorganismos Fotosintéticos
El término "microorganismo fotosintético" , como se utiliza en la presente, incluye todas las algas y microalgas capaces del crecimiento fotosintético asi como bacterias fotosintéticas . Las clases algales eucarióticas son preferidas para el uso con la metodología divulgada. Ejemplos incluyen Botryococcene sp., Chlorella sp . , Gracilaria sp., Sargassum sp. , Spirolina sp., Dunaliella sp. (por ejemplo, Dunaliella tertiolecta) , Porphyridum sp., y Plurociirysis sp. (por ejemplo, Pluroc rysis carterae) . Las diatomeas, tal como Chaetoceros sp. son clases algales particularmente preferidas para el uso con la invención actualmente descrita. Estos términos también pueden incluir- organismos artificialmente modificados o mediante manipulación génica. Por ejemplo, la Solicitud de Patente Norteamericana No. 12/208,300, intitulada, "ENGINEERED LIGHT-HARVESTING ORGANISMS", que es incorporada en la presente por referencia en su totalidad, divulga ejemplos de organismos adecuados para el uso con los métodos divulgados.
Chaetoceros sp. es particularmente bien adecuada para el uso con la invención actualmente descrita. Hay arriba de 400 especies y subespecies conocidas por todo el mundo. La tasa de crecimiento de este organismo es rápida, con 3 a 4 duplicamientos por día, permitiendo que los cultivos sean cultivados rápidamente. Estos organismos se conocen que tienen tolerancias amplias a las condiciones ambientales incluyendo temperatura, salinidad e irradiación solar. Chaetoceros sp. también se conoce que tiene una atracción de lipido favorable (hasta 40%) , un perfil de ácido graso atractivo, y cuando se acopla con su alta tasa de crecimiento naturalmente puede producir altos rendimientos de aceites algales de alta calidad.
Una pluralidad de microorganismos se puede utilizar como el extracto de semilla, donde múltiples microorganismos fotosintéticos se utilizan como el extracto de semilla. Alternativamente, un microorganismo fotosintético se puede co-cultivar con un microorganismo no fotosintético benéfico.
Cultivación
Los microorganismos seleccionados para el cultivo se pueden cultivar mediante cualquiera de los métodos convencionales conocidos para aquellos de habilidad ordinaria en la técnica relevante. Se utilizan de preferencia condiciones óptimas para cada organismo. Las condiciones óptimas son aquellas que permiten que un extracto de semilla del microorganismo fotosintético crezca y supere los contaminantes, y otros organismos indeseados que pueden reducir la existencia de producción. De preferencia, las condiciones óptimas se alcanzan en el medio acuoso al ajustar inicialmente las concentraciones de algunos o todos de los siguientes constituyentes: nitrógeno, fósforo, vitamina Bi2, cloruro de hierro, sulfato de cobre, silicato y EDTA de sodio. El pH del medio de cultivo se inspecciona continuamente, con ajustes, tales como tratamientos de dióxido de carbono, realizados para mantener el pH en un nivel deseado.
El cultivo de los organismos, por ejemplo, puede tomar lugar en sistemas abiertos o cerrados, o una combinación de los mismos. Los sistemas abiertos son preferidos debido a las reducciones significantes en la inversión de capital, entrada de energía y costos de operación y mantenimiento como es comparado con los sistemas cerrados, y los sistemas abiertos son típicamente más estables que los sistemas cerrados. Por ejemplo, los estanques, que comprenden estanques profundos que son naturales o artificiales en diseño, son útiles para cultivación de algas. Un método de cultivo preferido para mantener una clase dominante de cultivo usando un sistema abierto se describe en la Patente Norteamericana No. 6,673,592, que es incorporada en la presente por referencia. Los sistemas cerrados, incluyen tubos, bolsas, tanques o los similares que también se pueden utilizar con los métodos divulgados en la presente.
Brevemente resumido, el sistema de cultivación comprende un recipiente para contener un medio de cultivo. El medio de cultivo incluye una solución acuosa inicial en un extracto de semilla de uno o más organismos, típicamente por lo menos uno de los organismos es un microorganismo fotosintético . La solución acuosa inicial se prepara tal que las condiciones últimas para cultivar el microorganismo fotosintético de interés son establecidas. Una vez que se establecen las condiciones óptimas, la solución acuosa se inocula con un extracto de semilla que comprende por lo menos un microorganismo fotosintético . El medio de cultivo resultante se controla en el pH en un intervalo de ajuste. El intervalo de pH variará de acuerdo con la necesidad desde uno o más microorganismos fotosintéticos . Una fuente de luz, de preferencia el sol, suministra luz y calor al medio de cultivo, facilitando el crecimiento del medio del cultivo de microorganismo fotosintético . Periódicamente, un porcentaje del medio de cultivo de microorganismo fotosintético fluye a través de un clarificador para la extracción. El medio removido se reemplaza con medio reciclado o un medio no estéril, tal como agua de mar. El método se repite continuamente, para de esta manera proporcionar la producción no interrumpida.
Las condiciones óptimas para' el cultivo de un microorganismo fotosintético seleccionado se establecen típicamente en el medio acuoso. Las condiciones óptimas son aquellas que permiten que un extracto de semilla de microorganismo sintético crezca y esté fuera de depredadores, contaminantes y otros depuradores potenciales. La creación de tal medio permite la producción en masa de microorganismos fotosintéticos libres y bajo condiciones no estériles. De preferencia, las condiciones óptimas se alcanzan en medio acuoso al ajusfar inicialmente las concentraciones del alguno o todos de los siguientes constituyentes: nitrógeno, fósforo, vitamina Bi2, cloruro de hierro, sulfato de cobre, silicato y Na2EDTA. El pH del medio de cultivo se inspecciona, con ajustes tales como tratamientos de dióxido de carbono, realizados para mantener el pH en un nivel deseado.
En una modalidad .preferida, el presente sistema se utiliza para cultivar Chaetoceros sp. como el microorganismo fotosintético . El recipiente contiene un medio acuoso que tiene las siguientes características de partida: un pH controlado con dióxido de carbono de aproximadamente 8.2, una concentración de nitrógeno de partida de por lo menos 3.0 mg N/litro, una concentración de fósforo de partida de por lo menos 2.75 mg P/litro, una concentración de vitamina Bi2 de partida de por lo menos 5 microgramos/litro, una concentración de cloruro de hierro de partida de por lo menos 0.3 mg/litro, una concentración de sulfato de cobre de partida de por lo menos 0.01 mg/litro, una concentración de silicato de partida de por lo menos 10 mg de Si02/litro y una concentración de Na2EDTA de 5 mg/litro. El medio se inocula con un extracto de semilla del microorganismo fotosintético de Chaetoceros sp. y se expone a la luz solar directa. El microorganismo fotosintético se cultiva en el ambiente abierto y se fluye periódicamente y continuamente al proceso de extracción. Este volumen se reemplaza con el medio reciclado y un medio no estéril, tal como agua de mar. El cultivo luego se repite continuamente. El volumen recolectado se reemplaza con un nuevo extracto de semilla del microorganismo fotosintético Chaetoceros¦ s . y se repite la cultivació .
Mientras ' que cualquier fuente de luz se puede utilizar en el presente sistema, la cultivación de microorganismo fotosintético bajo luz solar de intensidad completa es la opción más económica.
Un porcentaje del cultivo se recolecta periódicamente. De preferencia, aproximadamente 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 95 o 99% de volumen de cultivo se recolecta en la conclusión de cada periodo. De preferencia, aproximadamente 20% de volumen de cultivo que tiene aproximadamente 80% de cultivo de algas se fluye a la extracción en la conclusión de cada periodo. En modalidades preferidas del presente sistema y método, el cultivo se fluye para la extracción o de otra manera se recolecta una vez al dia, o aproximadamente una vez cada veinticuatro horas. Como no se requieren condiciones estériles, el volumen recolectado se reemplaza fácilmente con el medio de crecimiento reciclado o extracto de semilla no estéril del microorganismo fotosintético, tal como agua de mar. El volumen de preferencia se recolecta manualmente o se recolecta utilizando cualquier máquina o aparato de recolección aceptable .
El recipiente, que puede tener cualquiera de las dimensiones aceptables y ser construido de cualquier material aceptable, y de preferencia tiene una parte superior abierta. De preferencia tanques abiertos, tales como tanques o estanques qrandes se utilizan como los recipientes. Los recipientes o . tanques se pueden posicionar arriba del suelo para permitir que la luz solar pase a través de los lados de los recipientes. Alternativamente, los recipientes o tanques se pueden posicionar dentro del suelo. Una cubierta que pasa luz transparente se puede posicionar sobre la parte superior abierta. En una modalidad, la cubierta se posiciona removiblemente sobre la parte superior abierta.
Al cultivar el microorganismo fotosintético en las condiciones óptimas, la producción de cantidades grandes de microorganismo fotosintético es posible en una manera efectiva en costo. Un recipiente individual se sitúa en un ambiente al aire libre tal que los contenidos del recipiente se exponen directamente a la luz natural. Nada de fuente de luz artificial o tanques de transferencia adicionales son necesarios. Se evitan los contaminantes y predadores, ya que las condiciones del medio establecido permiten que el microorganismo fotosintético compita y supere las especies indeseadas o prejudiciales.
Al establecer las condiciones de cultivo óptimas para el microorganismo fotosintético Chaetoceros sp. el presente sistema proporciona un ambiente donde el microorganismo fotosintético Chaetoceros sp . compite con otras especies de microorganismo fotosintético del cultivo. Esto permite que el microorganismo fotosintético Chaetoceros sp. sea cultivado continuamente en recipientes al aire libre, grandes utilizando luz natural. La necesidad para sistemas intensivos en trabajo y costosos diseñados para excluir otras especies del cultivo es eliminada. El uso de recipientes abiertos y luz natural grandemente disminuye los costos de enfriamiento y problemas de mantenimiento asociados con los sistemas cerrados.
Recolección
Una variedad de metodología se puede utilizar para recolectar los microorganismos fotosintéticos cultivados de acuerdo con los métodos actualmente descritos. En una modalidad preferida, los microorganismos fotosintéticos se recolectan del medio de cultivo utilizando el fraccionamiento de espuma. Esta metodología utiliza burbujas de aire para recolectar los organismos. Los fraccionadores de espuma adecuados producen una corriente de burbujas finas; dentro del medio . de cultivo. Un sistema de co-corriente o contracorriente que proporciona los bulbos de aire puede ser utilizado. De preferencia el medio se bombea del recipiente de cultivo a una columna de fraccionamiento,, que esta verticalmente arreglada para maximizar el proceso de recolección. A medida que el medio llena y fluye a través de la cámara, este se lleva en contacto con una columna de burbujas finas. Las burbujas interactúan con los microorganismos fotosintéticos (biomasa) proteínas, contaminantes bacterianos y otras sustancias y las lleva a la parte superior de la columna donde las burbujas forman espuma. El medio fraccionado puede ser recirculado en la columna para el fraccionamiento adicional o se pueden bombear, de preferencia nuevamente al recipiente del cultivo. La espuma se recolecta y luego se condensa en un líquido para el procesamiento adicional. El condensado contiene la biomasa recolectada. Una variedad de floculantes se puede utilizar para mejorar el proceso. Floculantes ejemplares incluyen quitosano, cloruro férrico y alumbre. Algunos organismos se pueden inducir para producir sus propios floculantes.
Los fraocionadores adecuados con capaces de extraer los microorganismos fotosintéticos y otros compuestos orgánicos del medio. Esta acción sirve para recolectar los productos de cultivación así como para mejorar la calidad del medio de cultivo al remover los contaminantes perjudiciales. En una modalidad preferida, utilizando el fraccionamiento de espuma también se puede llevar el oxígeno disuelto en el medio .
Un componente del proceso de fraccionamiento de espuma es la inclusión de un surfactante. Típicamente un surfactante exógeno se puede adicionar al medio de cultivo de la técnica previa para el proceso de fraccionamiento. Alternativamente un surfactante endógeno se puede producir mediante el microorganismo fotosintét ico . Por ejemplo Chaetoceros sp. se conoce que produce y excreta surfactantes que pueden ser explotados con el proceso de f accionamiento de espuma, particularmente cuando el sistema se coloca bajo estrés, particularmente estrés de nutrientes. De preferencia, el estrés se aplica al cultivo de crecimiento antes de la recolección, de manera típica aproximadamente una hora antes de la recolección. Se contempla que la utilización de un surfactante exógeno se puede adicionar al medio de cultivo utilizado para cultivar los microorganismos fotosintét icos que secretan surfactantes, cuando es necesario.
De preferencia, el proceso de fraccionamiento de espuma es por lo menos 80, 90, 95, 98, o 99% eficiente en remover los microorganismos fotosintéticos cultivados del medio de cultivo. La variable de control importante para el proceso incluye el tamaño de burbuja, gasto de flujo de aire, densidad de célula, altura de sobreflujo y el tiempo de funcionamiento. En una modalidad preferida, la remoción de esterilización completa del medio de cultivo no se logra de modo que el medio fraccionado regresado al recipiente de cultivo contiene una cantidad suficiente del microorganismo fotosintét ico para resembrar el cultivo para otra ronda de producción. Si es necesario, cantidades endógenas del microorganismo fotosintético se pueden adicionar al medio fraccionado. Nutrientes adicionales y otros componentes necesariamente para permitir que la clase preferida crezca dominantemente también se pueden adicionar antes o después de que el medio fraccionado se regresa al recipiente de cultivo. El medio fraccionado se puede someter a la cavitación antes de regresar al recipiente de cultivación.
En otra modalidad, el medio de cultivo se dirige directamente a la etapa de extracción sin fraccionamiento de espuma.
Extracción
Cualquier protocolo de extracción que permite el aislamiento eficiente de los componentes deseados del fraccionado se puede utilizan con la invención actualmente descrita. De preferencia los métodos de extracción que se aplican a un flujo de fluido en movimiento para permitir un proceso de producción continuo son preferidos sobre los procesos de lotes estáticos debido a que los métodos de producción continuos significativamente reducen el costo de producción de biocombustibles terminados u otros productos.
La elección de la tecnología de extracción dependerá grandemente de la naturaleza del microorganismo fotosintético en cultivo. Las microalgas de pared orgánicas son adecuadas para el solvente de hexano y . la extracción enzimática. Las microalgas de pared de sílice (diatomeas) sin embargo vuelven sus propias paredes celulares extremadamente solubles. Además la sílice crea una cobertura protectora físicamente fuerte y químicamente inerte puesto que las paredes celulares no pueden ser atacadas enzimáticamente . La estructura celular de sílice de la diatomeas tal como Chaetoceros sp. permite el uso de una variedad de tecnologías de rompimiento celular que libera los aceites y lípidos de los organismos cultivados recolectados durante el proceso de fraccionamiento, permite el aislamiento de sílice de alta calidad (diatomita) . Una tecnología de rompimiento celular preferida es la cavitación hidrodinámica que puede ser aplicada efectivamente a organismos fotosintéticos tanto de pared orgánica como de pared de sílice.
La cavitación es la formación de vacíos parciales en un líquido al mover desplazadamente el cuerpo sólido tal como un propulsor o mediante ondas de sonido de alta intensidad. Los vacíos parciales se utilizan para romper los microorganismos fotosintéticos . Una variedad de diferentes tecnologías de cavitación hidrodinámicas son conocidas en la técnica. Por ejemplo, la Solicitud de Patente Norteamericana No. 12/144,539, intitulada "APPARATUS AND METHOD FOR GENERATING CAVIT ATIONAL FEATURES IN A FLUID MEDIUM"; la Solicitud de Patente Norteamericana No., intitulada "ELECTROHYDRAULIC AND SHEAR CAVITATION RADIAL COUNTERFLOW LIQUID PROCESSOR"; la Solicitud de Patente Norteamericana No. 12/167,516, intitulada "APPARATUS AND ETHOD FOR PRODUCING BIODIESEL FROM FATTY ACID FEEDSTOCK" y las Patentes Norteamericanas Pat. Nos. 5,810,052; 5,931,771; 5,937, 906; 5,971,601; 6,012,492; 6,502,979; 6,802,639; 6,857,774 y 7,207,712, todas enseñan varios dispositivos de cavitación hidrodinámicos y todas las cuales son incorporadas en la presente por referencia en su totalidad.
En una modalidad preferida, se utiliza un dispositivo para crear cavitación hidrodinámica en un fluido. Típicamente, el dispositivo incluye una cámara' de flujo pasante que tiene varias porciones y una pluralidad de desviadores una de las porciones corriente abajo de la cámara. Uno o más de los desviadores se configura para ser movible en una porción corriente arriba de la cámara para generar un campo de cavitación hidrodinámico corriente abajo de cada desviador movido en la porción de corriente arriba de la cámara.
En otra modalidad preferida, un dispositivo de impulso magnético para crear cavitación de hidrodinámica en un fluido es utilizado.
La cavitación, (la formación, crecimiento y colapso implosivo de gas o burbujas llenas de vapor en líquidos) pueden tener efectos químicos y físicos sustanciales. Mientras que los efectos químicos de la cavitación acústica (es decir sonoquímica y sonoluminescencia) se han investigado intensivamente durante años recientes, poco se sabe acerca de las consecuencias químicas de la cavitación hidrodinámica creada durante el flujo turbulento de líquidos.
La cavitación hidrodinámica es la formación de burbujas de cavitación y cavidades dentro de una corriente de líquido o en el límite del cuerpo en corriente que resulta de una caída de presión localizada en el flujo del líquido. Sí, durante el proceso de movimiento de líquido, la presión en algún punto disminuye a una magnitud bajo la cual el líquido alcanza un punto de ebullición para esta presión ("ebullición fría") , entonces un gran número de cavidades llenas de vapor y burbujas se forman. Estas cavidades llenas de vapor y burbujas son llamadas cavidades de cavitación y burbujas de cavitación. En cuanto a las burbujas llenas de vapor y cavidades que se mueven conjuntamente con el flujo, ella luego se mueve en la zona de presión elevada. Luego, casi instantáneamente, la condensación de vapor toma lugar en las cavidades en las burbujas, y se colapsan, creando impulsos de presión muy grandes. La magnitud de los impulsos de presión dentro de las burbujas de cavitación colapsantes puede alcanzar 150,000 psi. El resultado de estas implosiones de alta presión en la formación de ondas . de choque que emanan del punto de cada burbuja de cavitación colapsada. Tales cargas de alto impacto dan por resultado el rompimiento de cualquier medio encontrados cerca de las burbujas de cavitación colapsantes. El colapso de una burbuja de cavitación cerca del limite de la separación de fases de una partícula liquida-sólida en suspensión da por resultado el rompimiento de la partícula de suspensión : un proceso de dispersión toma lugar. El colapso de una burbuja de cavitación cerca del límite de la separación de fases de un tipo líquido-líquido da por resultado rompimiento de las gotas de la fase dispersa: toma lugar al proceso de cavitación. Así, el uso de la energía cinética de las burbujas de cavitación colapsantes y las cavidades se utilizan en el proceso de cavitación de los inventores para extraer los lípidos de las microalgas y para esterilizar los medios de crecimiento para la reutilización.
Principio de operación del reactor mezclador-homogenizadór de cavitación
En su forma más simple, la cavitación básica consiste de la cámara de flujo pasante, con el generador de cavitación localizado en la entrada. La forma de generador de cavitación significativamente afecta el carácter del flujo de cavitación y, correspondiente, la cavidad de la dispersión. El diseño de generador de cavitación óptimo se elige en un cavitador de multietapas. En general, el generador de cavitación trabaja de la siguiente manera. La corriente de componentes que es procesada bajo presión Pl se carga con la ayuda de una bomba auxiliar en la entrada del flujo a través de la cámara. Además, la corriente 'fluye a través del generador de cavitación, después de lo cual, como resultado de la construcción de presión localizada, se forma la cavidad de cavitación. Esta cavidad con su parte de extremo comprende numerosas burbujas. Las burbujas de cavitación fluyen con la corriente a la salida del flujo a través de la cámara en la zona de presión es llevada a P2. En esta zona, las burbujas de cavitación se colapsan, dando por resultado la influencia dinámica sobre las gotitas de emulsión, partículas o partículas agregadas en suspensión.
Sin embargo, en el proceso de los inventores un diseño precisamente calculado ingenieril se utiliza con el fin de maximizar el principio físico de una operación de cavitación hidrodinámica de multietapas.
Ventaja de la cavitación de multietapas
Independiente del principio físico de su operación, el tamaño de partícula logrado es dependiente de un parámetro primario en el proceso de dispersión - el nivel de disipación de energía en el reactor de cavitación en la bomba de cavitación. Entre más alto es el nivel de disipación de energía en la cámara cavitadora del reactor, más pequeño es el tamaño de partícula que se puede lograr con cualquier medio dado.
El reactor de cavitación hidrodinámico de multietapas preferido puede lograr los tamaños de partícula más pequeños. El nivel de disipación de energía en un reactor de cavitación es principalmente dependiente de tres parámetros vitales en el campo de burbujas de cavitación: los tamaños de las burbujas de cavitación, su volumen de concentración en el medio disperso, y la presión en la zona colapsante. Dado estos parámetros, es posible controlar el régimen de cavitación en el reactor y lograr la calidad requerida de dispersión.
En los ejemplos anteriores, la concentración de volumen de burbujas de cavitación estuvo en el orden de 10%, que es el extremo bajo de los niveles de concentración normalmente logrados en un reactor de cavitación. Al cambiar el tipo de cavitación en el reactor, es posible cambiar la concentración en volumen de burbujas en el campo de 10 a 60% y sus tamaños de 10 a 1000 µp\. Los niveles muy altos de disipación de energía producidos durante el colapso de un número grande de burbujas de cavitación permite que la bomba de mezclado de cavitación y el reactor hidrodinámico de multietapas produzcan un tamaño de partícula muy pequeño y distribución de tamaño de. partícula muy uniforme. Los resultados se producen en presiones de operación de 500 psi, que hace el equipo seguro para una operación de procesamiento diaria .
Para la aplicación de conversión de biodiesel, el proceso de cavitación de dos etapas hidrodinámico es una mezcla de componentes en el reactor sobre el nivel molecular. Todos los componentes dentro del reactor son influenciados con impulsos de alta presión y la cavitación hidrodinámica controlada avanzada. Mientras que el procesamiento de aceites vegetales con componentes necesarios en el reactor hidrodinámico las moléculas de ácidos grasos se rompen con microexplosiones ; esto da por resultado disminución de viscosidad, incremento de número de cetanos asi como parámetros de potencia mejorados del combustible producido. La velocidad y calidad de la reacción de esterificación también se incrementan significantemente.
La tecnología de cavitación hidrodinámica se puede utilizar para convertir una variedad de aceites orgánicos en biodiesel. Típicamente los aceites vegetales tales como aceite de cacahuate, aceite de palma, aceite de soja etc., se han sometido a la transesterificación para producir biodiesel. La tecnología- de cavitación discutida en lo anterior se puede utilizar con estos aceite vegetales para producir biodiesel. El biodiesel puede ser utilizado puro (B100) , mezclado con diesel producido de petróleo (por ejemplo, B99) y/o mezclado con otros aditivos para mejorar las calidades del biocombustible .
De preferencia, la tecnología de cavitación descrita aquí se utiliza para extraer los aceites producidos por el microorganismo fotosintético cultivado y convertirlo en biodiesel y otras composiciones, similar a glicerina. Una ventaja de esta tecnología es que elimina la necesidad de las etapas de recolección y eliminación de agua requeridas en otros procesos de extracción. En una modalidad,, una porción significante del medio de crecimiento se somete directamente a la cavitación que rompe la estructura celular de las microalgas y extrae los aceites y otros componentes de las células de microalgas. El medio resultante que consiste de aceite de microalgas, biomasa de células de microalgas y el medio recolectado se fluye a través de un proceso de separación para la separación.
La extracción hidrodinámica permite la producción de biocombustibles de bajo costo a partir de aceites de microalgas debido a que se integra fácilmente en un proceso
(
económico y continuo. El costo de la extracción hidrodinámica utilizando un reactor de 10 galones/minuto es aproximadamente $0.002 por galón de fluido procesado que es de varios órdenes de magnitud más pequeños que los costos combinados alternativos de las tecnologías de recolección, eliminación de agua y extracción existentes. Nuevos diseños de reactor de gasto de flujo más alto significantemente originarían los costos. Además la extracción hidrodinámica no requiere la adición y la remoción subsecuente de aditivos o sustancias químicas costosas. La extracción hidrodinámica también mejora la adopción de diatomeas para la producción de aceite de microalgas .
Separación
Los métodos de separación que se aplican a un flujo en movimiento continuo para permitir un proceso de producción continuo son preferidos sobre los procesos de lotes estáticos debido a que los métodos de producción continuos significantemente reducen el costo de producir biocombustibles terminados u otros productos.
La separación es el proceso mediante el cual varios componentes de un efluente que incluye en aceite, agua y só.lidos orgánicos suspendidos se separan en corrientes distintas para el procesamiento adicional o desecho. En el procesamiento de organismos fotosintéticos después de la extracción el medio resultante está compuesto de aceite algal, medio de crecimiento que incluye agua y nutrientes, y materia orgánica de la célula y membrana celular. La separación se requiere para cada uno de los componentes por la siguientes razones - el aceite algal para el procesamiento y conversión adicional en un producto de biocombustible, el medio de crecimiento para la esterilización y reciclado, y la materia orgánica para el desecho o reventa potencial en este caso de sílice de diatomea.
El proceso de separación se diseña al utilizar la ley de Stokes para definir la velocidad de elevación de 'las gotitas de aceite basado en su densidad y tamaño. El diseño J J
del separador está basado en la diferencia de gravedad especifica entre el aceite y el agua de desecho debido a que esa diferencia es mucho más pequeña que la diferencia de gravedad especifica entre los sólidos suspendidos y el agua. Basado en el criterio de diseño, la mayoría de los sólidos suspendidos se asentarán al fondo del separador como una capa de sedimento,- el aceite se elevará a la parte superior del separador, y el agua de desecho será la capa media entre el aceite y la parte superior y los sólidos en el fondo.
En una modalidad preferida, el proceso , de separación se aplica a un flujo en movimiento continuo y elimina la necesidad para el asentamiento consumidor de tiempo .
En otra modalidad preferida, la unidad de separación consiste de Desviadores de Flotación Presurizados Hidrostáticos (HPFB) . La mezcla entra a la unidad HPFB donde el flujo laminar y sinusoidal es establecido y los aceites impactan sobre la superficie de los desviadores de flotación. A medida que los aceites se acumulan ellos cdalescen en gotitas más grandes, elevándose hacia arriba a través de los desviadores de flotación hasta que' alcanzan la parte superior, donde se desunen y se elevan a la superficie del agua. Al mismo tiempo los sólidos se encuentran los -desviadores de flotación y se deslizan hacia abajo a un recipiente de captación.
Tratamiento, Enriquecimiento y Reciclado
Después de la separación uno de los componentes será el medio de crecimiento remanente. Este medio de crecimiento consistirá, de agua, nutrientes, bacterias y organismos fotosintéticos indeseados. En los sistemas de producción típicos el medio de crecimiento se considera no estéril y potencialmente peligroso debido a los nutrientes adicionados y será desechado. Sin embargo, esto es costoso y de manera potencial ambientalmente desfavorable.
En esta invención el medio de crecimiento se trata, se enriquece y se recicla en un flujo en movimiento continuo y los lipidos y la biomasa producida de esta primera ronda de cavitación se puede someter a rondas subsecuentes de cavitación que dan por resultado la producción de biodiesel y glicerina. Por ejemplo, ver la Solicitud Norteamericana No. 12/167,516, que divulga la producción de biodiesel del material de alimentación de ácido graso. El medio fraccionado se puede enviar nuevamente al recipiente de cultivación. También, como es discutido en lo anterior, el medio de cultivo se puede someter a la cavitación directamente, deslizando la etapa de fraccionamiento de espuma. Después de la cavitación y la remoción de los componentes del producto (por ejemplo lípido) , el medio se regresa el sistema de cultivación. El medio se trata y se esteriliza para eliminar las bacterias y los organismos fotosintéticos indeseados, se adicionan nutrientes adicionales y se infusionan en el medio de crecimiento y el medio de crecimiento enriquecido se fluye nuevamente al sistema de cultivación.
En una modalidad preferida, la luz ultravioleta acoplada con la cavitación hidrodinámica se utiliza para tratar, enriquecer y reciclar el medio de crecimiento. La luz ultravioleta acoplada con las propiedades únicas de la cavitación hidrodinámica se utiliza para exterminar bacterias y otros organismos fotosintéticos indeseados al calibrar el tamaño de las burbujas de cavitación, el gasto de flujo y la fuerza implosiva. Esta misma calibración se hace para romper los nutrientes adicionados en tamaños de partículas de nanotamaño de modo que se infusionan en el medio de crecimiento permitiendo una distribución más uniforme. Esta distribución uniforme tiene la ventaja potencial de incrementar los rendimientos de cultivación.
El proceso de tratamiento, enriquecimiento y reciclado elimina los costos significantes de desecho asociado con los sistemas típicos y proporciona ahorros en costo adicionales al reciclar el agua y los nutrientes no utilizados que permanecen en el medio de crecimiento.
Preparación del Biocombustible
Un biocombustible es cualquier combustible que se deriva de una fuente biológica - recientemente organismos vivientes y sus subproductos metabólicos, tales como ácidos grasos de un organismo fotosintético . Un biocombustible se puede definir adicionalmente como un combustible derivado de un producto metabólico de un organismo viviente. Los biocombustibles preferidos incluyen, pero no están limitados a biodiesel, biocrudo, etanol, butanol y propano.
Los ácidos grasos típicos incluyen ácidos grasos saturados e insaturados. Los ácidos grasos saturados no contienen cualquiera de los dobles enlaces u otros grupos funcionales. Los ácidos grasos insaturados contienen dos o más átomos de carbono que tiene un enlace doble de carbono-carbono. Los ácidos saturados incluyen esteárico (C18; 18:0), palmítico (C16; 16:0), mirístico (C14; 14:0) y laúrico (C12; 12:0). Los ácidos insaturados incluyen aquellos tales como linolénico (cis, cis, cis C18; 18:3), linoleico (cis, cis C18; 18:2), oleico (cis C18-; 18:1), hexadecanoico (cis, cis C16; 16:2), palmitoleico (cis C16; 16:1) y miristoleico (cis C14; 1 : 1) .
Es conocido que el craqueo térmico y catalítico de los ácidos grasos de cadena media (C10-C14) y/o o larga (mayor que C16) ( carboxílieos naturalmente sintetizados) , acoplado con las' tecnologías de separación y purificación, pueden producir una mezcla de sustancias químicas adecuadas para el uso como un combustible o como un extracto de mezcla de combustible, más específicamente como componentes en diesel, queroseno, turbina de aviación y combustibles de gasolina de motor. Un ejemplo de un método para derivar combustible de la biomasa se describe en la Solicitud de Patente Norteamericana No. 11/824,644 (METHOD FOR COLD STABLE BIOJET FUEL) , que es incorporada en la presente por referencia. La Solicitud de Patente Norteamericana No. 11/824,644 describe un proceso para producir un combustible a partir de la biomasa con un punto de turbiedad abajo de -10°C. La presente invención describe un proceso que puede producir ácidos carboxilicos de cadena corta y ésteres de ácido carboxilico mientras que también produce materiales adecuados para el uso como combustibles o extractos de mezclas de combustible. La combinación de la producción de ácidos carboxilicos de cadena corta y ésteres de ácido con combustible o productos de combustible ofrece la habilidad para producir no uno sino dos productos benéficos utilizando un conjunto de parámetros de craqueo.
En el proceso de craqueo, la energía ,se utiliza para romper los enlaces de carbono-carbono. Una vez que se rompen, cada uno del átomo de carbono termina hacia arriba con un solo electrón y radicales libres. Las reacciones de los radicales libres pueden conducir a varios productos. El rompimiento de moléculas orgánicas grandes en moléculas más pequeñas, y más útiles, se puede lograr al utilizar presiones altas y/o temperaturas con un catalizador (craqueo catalítico) o sin catalizador (craqueo térmico) . La investigación previa ha mostrado que los ácidos grasos de cadena media (C10-C14) y larga (mayor que C16) (carboxilico naturalmente sintetizado) son compatibles para los procesos de craqueo, utilizando el craqueo ya sea térmico o-catalítico. Estas técnicas se han utilizado en invenciones previas y estudios para modificar la composición química del biodiesel. Son embargo, no se han utilizado para producir ácido caxboxílieos de cadena corta de calidad comercial y/o ésteres .
La biomasa (incluyendo lípido y materiales de alimentación de ácido graso) se produce por los métodos de cultivación continuos divulgados. La biomasa puede ser "craqueada" utilizando una variedad de métodos, de preferencia cavitación. Los productos del proceso de craqueo son dependientes de las condiciones del craqueo y la composición original de biomasa y el ambiente gaseoso presente en el reactor de craqueo. Las condiciones de craqueo son variadas 'basadas en los análisis químicos detallados con el fin de producir la mezcla óptima de ácidos carboxílicos de cadena corta y componentes de combustible.
ün catalizador se puede utilizar para mejorar el rendimiento de producto deseable, disminución de la formación de productos indeseados o incremento en la eficiencia en la reacción de craqueo debido a los requerimientos de presión inferior, temperatura o tiempo de residencia. Los catalizadores incluyen pero no están limitados a zeolitas, carbón y metales raros tales como paladio, niobio, molibdeno, platino, titanio, aluminio, cobalto, oro y mezclas de los mismos .
La salida del craqueo se somete a una variedad de etapas de procesamiento y purificación dependientes del material generado. La salida del reactor de craqueo depende del diseño de reactor especifico empleado.
En una modalidad de la invención, un lipido biológicamente generado de organismos fotosintéticos, o un derivado transesterificado del mismo se calienta a una temperatura que varia de 300°C. a 500°C, en un reactor de craqueo, en presiones que varían de condiciones de vacío a 3000 psia, en la presencia de un ambiente gaseoso que puede contener un gas inerte tal como nitrógeno, vapor de agua, hidrógeno o mezcla de sustancias químicas orgánicas en fase de vapor o cualquier otra sustancia gaseosa, por tiempos de residencia que varían de uno a 180 minutos para afectar las reacciones de craqueo que cambian la composición química de los contenidos del reactor de craqueo. El vapor que deja el reactor de craqueo (craqueado) , se somete a procesamiento corriente abajo que puede incluir el enfriamiento y condensación parcial, separación de vapor/líquido, extracción de sustancias químicas de subproducto mediante la extracción de solvente u otra manipulación de propiedad química/física, reacción in-situ, destilación o separación instantánea1 para producir un combustible de transportación aceptable, tal como un combustible de turbina de aviación o combustible de diesel. El liquido y sólidos que dejan el reactor (residuo) se someten al procesamiento corriente abajo que pueden incluir el enfriamiento o calentamiento, separación de liquido/sólido, separación de vapor/liquido, separación de vapor/sólido, extracción de sustancias químicas de subproducto mediante la extracción de solvente u otra manipulación de propiedad química/física para producir un subproducto o subproductos de combustible aceptables. El material no reaccionado y parcialmente reaccionado separado de ya sea el craqueado o el residuo se puede reciclar al reactor de craqueo, dirigir a los reactores de craqueo adicionales o utilizar en otros procesos.
Los siguientes ejemplos se ofrecen para ilustrar pero no para limitar la invención.
Ejemplo 1
Cultivo y Recolección de Chaetoceros Fuente de Chaetoceros
La mezcla de fertilizante descrita enseguida se adicionó al agua de mar no filtrada recolectada en una laguna cercana a la orilla o ambiente de estanque de marea en Hawai. El aire se burbujeó a través del agua de mar. Dentro de dos a tres días una florescencia de especies mezcladas de microalgas se desarrollan en el agua. Después de que se estableció la florescencia de microalgas de por lo menos 1.0 x 105 célula/ml el método de manejo descrito enseguida se comenzó. Después de tres a cinco días el cultivo de algas resultante seria por lo menos 99% de Chaetoceros sp.
Método de Manejo del Cultivo
Cada dia aproximadamente 20% del volumen de cultivo se removió una hora después de la puesta del sol y se reemplazó con agua de mar en bruto. La mezcla de fertilizante descrita enseguida se adicionó al cultivo después de la adición de nueva agua de mar. Los cultivos tuvieron aire no filtrado burbujeado hacia arriba a través del cultivo desde el fondo de la columna de agua. Un controlador de pH abriría una válvula de solenoide cuando el pH se elevó arriba de 8.2 permitiendo que el dióxido de carbono burbujee a través del cultivo hasta que el pH va por debajo de 8.1 cuando el flujo de dióxido de carbono se detuvo. La ruta de luz utilizada en los cultivos fue un mínimo de seis pulgadas y un máximo de 3 pies. La temperatura de los cultivos no se controló y alcanzaría 35°C o arriba diariamente.
Se Puede Utilizar Cualquier Recipiente de Cultivo
Una gran variedad de recipientes de cultivo se utilizaron desde tanques cuadrados de 6" de profundidad a cilindros de 18" de diámetro de 5 pies de profundidad. Las microalgas de Chaetoceros sp podrían ser mantenidas como la especie dominante en todos los tipos de recipientes de cultivo. Entre más corta es la ruta de luz más alta es la densidad celular alcanzada. Las densidades celulares más altas de 8-9 x 106 células/ml se alcanzaron en acuarios de un litro de 6" de profundidad que se colocaron fuera del sol tropical en Hawai sin control de temperatura. La temperatura en estos cultivos alcanzaría arriba de 35°C.
Debido a que la técnica de cultivo no se enlaza a cualquier tipo de recipiente de cultivo la técnica puede ser fácilmente escalada a tanques¦ de tamaño más grande.
Mezcla de Fertilizante
Una mezcla f/2 de Guillard modificada se adicionó a los cultivos. Esta consistió de la receta estándar en la tabla enseguida con las siguientes modificaciones. Una concentración de nitrógeno de partida de por lo menos 3.0 mg N/litro, una concentración de fósforo de partida de por lo menos 2.75 mg P/litro, una concentración de vitamina B12 de partida de por lo menos 5 microgramos/litro, una concentración de cloruro de hierro de partida de por- lo menos 0.3 mg/litro, una concentración de sulfato de cobre de partida de por lo menos 0.01 mg/litro, una concentración de silicato de partida de por lo menos 10 mg Si02/litro y una concentración de Na2EDTA de 5 mg/litro.
Lista de ingredientes f/2 de Guillard estándar. Para cultivar diatomeas es necesario Na2Si03 adicional .
Nutrientes Concentración (mg/litro)
NaN03 75
NaH2P04.H20 5
Na2Si03.9H20 30 a2CioHi408 2. H20 (Na2EDTA) 4.36
CoCl2.6H20 0.01
CuS04- 5H20 0.01
FeCl3.6H20 3.15
MnCl2.4H20 0.18
Na2Mo04.2H20 0.006
ZnS04.7H20 0.022
Tiamina HC1 0.1
Biotina 0.0005
Bi2 0.0005
Método de Recolección
La porción del cultivo que se removió se almacenó en un tanque de recolección. El cultivo en el tanque de recolección se circuló a través de una columna fraccionadora de espuma desde la tarde hasta la mañana. La columna fue por lo menos cinco pies de alto con el flujo de agua que se mueve hacia abajo en la columna. Aire se burbujeó hacia arriba a través de la columna desde el fondo creando espuma en la superficie del agua que contuvo los microorganismos fotosintéticos concentrados. Esta espuma se recolectó de la superficie . del agua. Esta espuma en la condensación en un líquido contuvo aproximadamente 3% de contenido de materia seca .
La espuma resultante se condensó y luego se corrió a través de una centrifuga continua de diámetro de 20" que opera a 10,000 rpm. La pasta de algas concentrada tuvo aproximadamente 30% de contenido de materia seca.
Rendimiento
La técnica de cultivo descrita en lo anterior suministró una pasta de microalgas de Chaetoceros sp. concentrada durante aproximadamente cuatro años de producción continua en un proyecto de investigación de la Universidad de Hawai. El sistema final consistió de dieciséis tubos de policarbonato de 18" de diámetro por 5 pies de profundidad para un volumen de sistema total de 3200 litros (ruta de luz de 18 pulgadas) . Este sistema diariamente suministró en promedio 300 gramos de 30% de materia seca (70% de agua) de pasta de Chaetoceros. Esto es equivalente a 34.7 kg/acre/día de materia seca o 12,669 kg/acre/año de materia seca (asumiendo albercas de profundidad de 12 pulgadas) .
Extracción y Separación
El medio de cultivación del proceso de cultivación anterior se hizo fluir en un clarificador comercial de modo que un medio acuoso que consiste de 10% del volumen del medio de cultivación total con un contenido de 3% de materia seca luego se fluyó directamente en un reactor de cavitación hidrodinámico que procesó 10 galones por minuto en presión de operación de 500 psi para la extracción hidrodinámica. Trecientos Veinte (320) litros se procesaron abajo de 9 minutos. El costo de procesamiento total fue $0.17.
La extracción hidrodinámica extrajo arriba de 98% de Chaetoceros sp. estimado en contenido de aceite de peso seco libre de ceniza y después de la separación, utilizando un separador de desviador hidrostático gravitacional de referencia produjo / arriba de 2.9 litros de aceite de microalgas 99% puro en un costo de $0.06 por litro de aceite ($0.22 por galón de aceite). Esto se compara a $2.91/litro para la extracción utilizando las tecnologías actuales, no incluyendo el costo de las etapas de eliminación de agua requeridas .
Claims (17)
1. Un método para la cultivación continua, recolección y extracción de un microorganismo fotosintético, caracterizado porque comprende: a) cultivar un microorganismo fotosintético en un medio de crecimiento y el microorganismo fotosintético en el mismo bajo condiciones que facilitan la reproducción del microorganismo fotosintético a una densidad deseada; b) hacer fluir parte del medio cultivado en una fase acuosa en un proceso de extracción de aceite mientras que se deja parte del medio cultivado en el recipiente de cultivación para la autoinoculación; c) extraer, a través de un flujo acuoso continuo del proceso del medio cultivado, los aceites en el microorganismo fotosintético al romper la membrana celular y liberar los aceites,- d) separar, a través de un flujo acuoso continuo del medio extraído, los aceites algales, el medio reciclable y la biomasa del medio extraído; e) hacer fluir el medio reciclable en una fase acuosa en un proceso de tratamiento y mejoramiento; f) tratar y mejorar, a través de un flujo acuoso continuo del medio reciclable, el medio reciclable para la reutilización como un nuevo medio de crecimiento; g) hacer fluir el nuevo medio de crecimiento en una fase acuosa en el recipiente de cultivación; y h) repetir las etapas a) a g) .
2. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el recipiente de cultivación está cerrado o abierto con relación al ambiente externo.
• 3. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el microorganismo fotosintético es una diatomea marina.
4. El método de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque la diatomea marina es una especie de Chaetoceros .
5. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el medio se optimiza mediante la adición de uno o más componentes seleccionados del grupo que consiste de: a. nitrógeno para producir una concentración de nitrógeno de por lo menos 3.0 mg N/litro; b. fósforo para producir una concentración de fósforo de por lo menos 2.75 mg P/litro; c. vitamina B12 para producir una concentración de vitamina B12 de por lo menos 5 microgramos/litro; d. cloruro de hierro para producir una concentración de cloruro de hierro de por lo menos 0.3 mg/litro; e. sulfato de cobre para producir una concentración de sulfato de cobre de por lo menos 0.01 mg/litro; f. silicato para, producir una concentración de silicato de por lo menos 10 mg SiC>2/litro; y g. Na2EDTA para producir una concentración de Na2EDTA de 5 mg/litro.
6. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el recipiente de cultivación se expone a la luz solar.
7. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el recipiente de cultivación se expone a una fuente de luz artificial.
8. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el medio de cultivo se fluye en la extracción en incrementos de aproximadamente 24 horas.
9. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el medio cultivado se clarifica en un flujo continuo antes de fluir en la extracción.
10. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque los aceites de microalgas se extraen utilizando cavitación hidrodinámica.
11. El método de conformidad con la reivindicación 10/ caracterizado porque la cavitación hidrodinámica se logra utilizando una cámara de cavitación de multietapas.
12. El método de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque la cavitación hidrodinámica se logra utilizando la cavitación de impulso magnético.
13. El método de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque los lipidos se someten a una ronda adicional de cavitación para la transesterificación en biodiesel.
14. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el medio reciclable se trata y se mejora mediante la adición de nutrientes y C02, luego se procesa a través de la cavitación hidrodinámica, y luego se procesa a través de la luz ultravioleta.
15. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el medio reciclable se trata y se mejora mediante la adición de nutrientes y C02, luego se procesa a través de la cavitación hidrodinámica y luego se procesa a través de la luz ultravioleta.
16. Un método para producir un biocombustible, caracterizado porque comprende: a) · recolectar un material de alimentación de conformidad con el método de la reivindicación 1, en donde el material de alimentación es uno o más ácidos grasos; b) fraccionar . el material de alimentación utilizando cavitación hidrodinámica para producir lipidos; y c) convertir los lipidos al biocombustible.
17. El método de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado porque los lipidos se someten en una ronda adicional de cavitación ' para la transesterificación en biodiesel .
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