(57)【要約】  藻類を培養するための方法であって、高剪断装置を利用して気流および培地を含む乳濁液を形成する工程と、バイオリアクターへ乳濁液を導入する工程と、藻類培養物を増殖するためにバイオリアクターへ藻類を導入する工程とを有している。ここで、乳濁液は気泡を含み、高剪断装置は、少なくとも１つの歯付き回転子および少なくとも１つの固定子を備えている。さらに、藻類培養物から液体を生成するための方法であって、緩衝液および藻類成分を含む乳濁液を形成する工程と、藻類炭化水素を分離する工程と、藻類炭化水素を処理して液体炭化水素を形成する工程と、を有している。ここで乳濁液は藻類成分球を含んでいる。さらに、藻類培養物から液体を生成するための系は少なくとも１つの高剪断装置を備えている。
2013507126.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
藻類培養のための方法であって、
高剪断装置を利用して、気流および培地を含む乳濁液を形成する工程と、
乳濁液をバイオリアクターへ導入する工程と、
藻類培養物を培養するために、藻類をバイオリアクターへ導入する工程と、
を有し、
前記乳濁液は、５μｍ未満の平均直径を有する気泡を含み、かつ前記高剪断装置は少なくとも１つの歯付き回転子および少なくとも１つの固定子を備える工程。
【請求項２】
高剪断装置を利用して、藻類培養物の一部および緩衝液を含む第２の乳濁液を形成する工程と、
第２の乳濁液において藻類炭化水素を藻類生体分子から分離する工程と、
藻類炭化水素を処理して、液体炭化水素を処理する工程と、
をさらに有し、前記第２の乳濁液は、５μｍ未満の平均直径を有する溶解された藻類成分球を含み、かつ前記溶解された藻類成分球は、藻類炭化水素および藻類生体分子を含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
気流が、二酸化炭素、窒素、酸素、大気気体、およびそれらの組み合わせから選択される気体を含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】
培地流を含む反応物流を、少なくとも２０３ｋＰａの圧力にポンピングして、加圧流を生成する工程をさらに有する請求項１に記載の方法。
【請求項５】
乳濁液中の気泡が１．５μｍ未満の平均直径を有する請求項１に記載の方法。
【請求項６】
乳濁液を形成する工程が、少なくとも２０ｍ／ｓの先端速度で少なくとも１つの歯付き回転子を回転する工程を有する請求項１に記載の方法。
【請求項７】
乳濁液を形成する工程が、少なくとも１つの歯付き回転子の先端にて、１０００ＭＰａの限局性の圧力を生成する工程を有する請求項１に記載の方法。
【請求項８】
乳濁液を形成する工程が、少なくとも１０００Ｗ／ｍ3のエネルギー消費を有する請求項１に記載の方法。
【請求項９】
第２の乳濁液を形成する工程が、藻類培養物を脱水して藻類スラリーを形成する工程をさらに有する請求項２に記載の方法。
【請求項１０】
藻類炭化水素を藻類生体分子から分離する工程が、藻類生体分子を処理して液体炭化水素を形成する工程を有する請求項２に記載の方法。
【請求項１１】
藻類生体分子を処理する工程が、
藻類生体分子を発酵してアルコールを形成する工程と、
アルコールを反応して液体炭化水素を形成する工程と、
を有する請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
液体炭化水素を処理する工程が、高剪断装置において触媒および液体炭化水素を含む第３の乳濁液を形成する工程をさらに有し、
前記第３の乳濁液が５μｍ未満の平均直径の触媒粒子を有する請求項２に記載の方法。
【請求項１３】
液体炭化水素生成において藻類を培養するための系であって、
藻類のための栄養素を有する培養液流と、
少なくとも１つの炭素含有気体を含む気流と、
炭化水素の分解を防止するための緩衝液流と、
藻類の水産培養のために構成されたバイオリアクターと、
分離装置と、
少なくとも１つの歯付き回転子および少なくとも１つの固定子を有する少なくとも１つの高剪断装置と、
を有し、前記少なくとも１つの高剪断装置が、培養液流、気流、緩衝液流、バイオリアクター、および分離装置との流体連通状態にある高剪断装置と、
を備える系。
【請求項１４】
少なくとも１つの高剪断装置が、培養液流、気流、およびバイオリアクターに流体連通し、前記少なくとも１つの高剪断装置が、培地流への気流の分散を生じ、かつ分散をバイオリアクターに指向するように構成された請求項１３に記載の系。
【請求項１５】
バイオリアクター、緩衝液流、および分離装置に流体連通される少なくとも１つのさらなる高剪断装置を備えており、前記少なくとも１つのさらなる高剪断装置は、藻類細胞球の緩衝液流への分散を生じ、かつその分散を分離装置に指向するように構成された請求項１３に記載の系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
連邦政府支援の研究または開発に関する記載
非適用。
【０００２】
技術分野
本発明は、バイオ燃料の生産に関する。より詳細には、本開示は藻類を培養するための高剪断工程に関する。
【背景技術】
【０００３】
背景技術
石油埋蔵量の枯渇、経済的および環境的な圧力は、石油由来の液体燃料の生産および精製を影響し、そして減少させてきた。結果として、液体炭化水素の再生可能な資源への興味および投資の高まりが加速されている。しかし、作物由来のバイオ燃料への依存性は、生育期、収穫、および限られた作物の生存能力によって制限される。さらに、バイオ燃料についての食用作物への依存は、穀物から家畜まで、世界中の食糧に対する供給側の負担となり、液体燃料の代替供給源としての、食用作物での実施は、長期的・経済的実用性の点でさらなる障害に直面する。
【０００４】
藻類は、それらが、比較的小さな土地面積上で、一年を通じて培養および収穫され得るので、バイオ燃料適用のための実行可能性の上で作物と同じ障害に直面しない。さらに、多くの藻類は、脂質のような、アップグレード可能な炭化水素の著しい量を生成することが発見されている。しかし、水生の、炭素固定生物であるので、これらの炭化水素の産生および貯蔵は、二酸化炭素のような炭素質気体の、水を介する拡散によって制限される。藻類培地を介する気体の拡散が、固定化、増殖、および貯蔵に利用可能な炭素を制限するので、現在実施されている代替の増殖培地、気泡装置、流動床は、増大した炭化水素生成をもたらしていない。
【０００５】
収穫の間、精製に利用可能な炭化水素の量は、所与の藻類濃度について算定される理論上の収量に達しない。従来の処理における収穫、溶解、および分離の工程は、数秒間および数分間の単位で、ゆっくりであるので、炭化水素／脂質は、遊離ラジカル、消化酵素、および他の細胞内生体化合物に曝露されて、迅速に分解される。生物学的分解は、アップグレードされた炭化水素への藻類バイオマスの十分な変換に対するさらなる障害である。従って、産業規模の藻類バイオ燃料は、同じく不十分な資源である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
藻類培養のための方法であって、高剪断装置を利用して、気流および培地を含む乳濁液を形成する工程と、バイオリアクターへ乳濁液を導入する工程と、藻類培養物を培養するためにバイオリアクターへ藻類を導入する工程と、を包含する。ここで乳濁液は、約５μｍ未満の平均直径を有する気泡を含み、高剪断装置は少なくとも１つの回転子および少なくとも１つの固定子を備えている。
【０００７】
液体炭化水素を生成するために藻類を培養するための方法であって、高剪断装置を利用して、気流および培地を含む第１の乳濁液を形成する工程と、バイオリアクターへ第１の乳濁液を導入する工程と、藻類培養物を生成するために、バイオリアクター中の第１の乳濁液へ少なくとも１つの藻類を導入する工程と、高剪断装置を利用して、藻類培養物の一部および緩衝液を含む第２の乳濁液を形成する工程と、第２の乳濁液において藻類生体分子から藻類炭化水素を分離する工程と、藻類炭化水素を処理して、液体炭化水素を生成する工程と、を包含する。ここで第１の乳濁液は、約５μｍ未満の平均直径を有する気泡を含み、高剪断装置は少なくとも１つの回転子および少なくとも１つの固定子を備えている。また、第２の乳濁液は、約５μｍ未満の平均直径を有する溶解された藻類成分球を含み、溶解された藻類成分球は、藻類炭化水素および藻類生体分子を含んでいる。
【０００８】
液体炭化水素生産において藻類を培養するための系であって、藻類のための栄養素を有する培養液流と、少なくとも１つの炭素含有気体を含む気流と、炭化水素の分解を防止するための緩衝液流と、藻類の水産培養のために設定されるバイオリアクターと、分離装置と、少なくとも１つの歯付き回転子および少なくとも１つの固定子を有する少なくとも１つの高剪断装置を備えている。少なくとも１つの高剪断装置は、培養液流、気流、緩衝液流、バイオリアクター、および分離装置と流体連通状態にある。
【０００９】
これらのおよび他の実施形態、特徴、および利点は、以下の発明を実施するための形態および図面において明らかになる。
【００１０】
本発明の好ましい実施形態のより詳細な説明のために、添付の図面に対する参照が今やなされる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】藻類の処理のための高剪断装置の断面図である。
【図２】高剪断藻類処理についての本発明の開示の実施形態に従う、工程系統図である。
【図３】高剪断藻類処理についての本発明の開示の代替の実施形態に従う、工程系統図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
概説
本発明の開示は、藻類の産生、収穫、および少なくとも１つの高剪断装置での処理のための系および方法を提供する。藻類は、単細胞または多細胞の形態として、典型的に水辺において生息する光合成生物の多様な集団である。水生生物または海洋生物のように、藻類は、光合成に必要な二酸化炭素を、ブラウン運動および拡散によって獲得する。さらに、ある種の藻類は、二酸化炭素由来の炭素を固定して、脂肪油、炭水化物、タンパク質、多糖、および他の化合物、以後炭化水素、を生成し、そして貯蔵する。水からの、二酸化炭素、以後ＣＯ２、の獲得は、これらの化合物の増加速度および貯蔵において律速段階を示す。ある藻類は、液体燃料生成において潜在的に利用可能であるので、炭素の取り込みおよび固定は、藻類由来のバイオ燃料を調製するにおいて律速段階である。
【００１３】
さらに、培養における増殖後、藻類は収穫され、溶解され、そして所望の炭化水素が他の生体分子から分離される。藻類を溶解する工程は、炭化水素鎖を分解する細胞内化合物、酵素、および遊離ラジカルに炭化水素を曝露する。これらの細胞内化合物は、炭化水素の収量を減少する。従来、これらの細胞内化合物に対する緩衝液およびキレート剤による炭化水素の保護は、拡散およびブラウン運動の速度により制限される。これらの化合物をキレート化するための緩衝液の制限は、藻類の収穫に、および液体燃料に処理するための炭化水素の単離に、生産制限を示す。
【００１４】
反応装置及び混合装置における制御環境において、化学成分の迅速な接触および混合を提供するために、ある系および方法は高剪断機械装置を用いる。高剪断装置は、反応に対する物質移動制限を減少し、従って全体の反応速度を増加する。液体、気体、および固体を包含する化学反応物および混合物は、反応の速度を規定するために、時間、温度、および圧力を含む動力学的法則に依存する。異なる相（例えば、固体および液体、液体および気体、固体、液体、および気体）の２つ以上の原材料を反応することが所望される場合、反応の速度を制御する制限因子の１つは、反応物の接触時間である。不均一に触媒される反応の場合、さらなる速度制限因子があり得、すなわち、触媒がさらなる反応物を触媒することを可能にするために、触媒の表面から反応生成物を除去する。
【００１５】
従来の工程において、反応物および／または触媒についての接触時間は、混合により変化され得、これは化学反応に関与される２つ以上の反応物間の接触を提供する。高剪断装置を備える反応装置アセンブリは、物質移動制限の減少を可能にし、そしてそれによって反応を力学的限界により密接に接近することを許容する。反応速度が加速される場合、滞留時間は減少され得、それによって獲得可能な処理量および生産量を増加する。あるいは、現在の収量が受容可能である場合、要求される滞留時間を減少することは、より少量の反応物の使用を可能にし、従って工程の経済性を改善する。
【００１６】
高剪断装置
高剪断ミキサーおよび高剪断ミルのような、高剪断装置（ＨＳＤ）は、一般的に、液体を混合するそれらの能力に基づくクラスに分類される。混合は、流体内の不均一な種または粒子の大きさを減少する工程である。混合の程度または徹底さについての１つの測定基準は、流体を破壊するために混合装置が生み出す単位容量当たりのエネルギー密度である。クラスは、送達されるエネルギー密度に基づいて区別される。０〜５０μｍの範囲における粒径または気泡径を有する混合物または乳濁液を一貫して生産するのに十分なエネルギー密度を有する、３つのクラスの産業用ミキサーがある。
【００１７】
均質化弁機構は、典型的に高エネルギー装置として分類される。処理される流体は、超高圧下で、微小ギャップ弁を介して低圧環境へポンピングされる。圧力勾配は、弁に沿い、そして得られる乱流およびキャビテーションは、流体中の任意の粒子を粉砕するように作用する。これらの弁機構は、牛乳のホモジナイゼーションにおいて最も一般的に使用され、約０．０１μｍ〜約１μｍの平均粒径範囲を生じ得る。その対極として、高剪断ミキサー系が、低エネルギー装置として分類される。これらの系は通常、処理される流体（これは多くのより一般的な適用において食品である）のタンク中に、高速で回転するパドルまたは流体回転子を有する。これらの系は通常、２０ミクロンを上回る平均粒径、小球径、または気泡径が処理される流体において受容される場合、使用される。
【００１８】
低エネルギー‐高剪断ミキサーと均質化弁機構との間には、流体に送達される混合エネルギー密度の観点から、コロイドミルがあり、これは中間エネルギー装置として分類される。典型的なコロイドミルの構成は、厳密に調整された回転子‐固定子ギャップ（これは約０．０２５ｍｍ〜１０．０ｍｍの範囲にあり得る）によって、相補形の液体冷却化固定子から分離された円錐形または円盤形の回転子を包含する。回転子は好ましくは、直接的な駆動またはベルト機構を介して、電気モーターによって駆動され得る。適切に調整された多くのコロイドミルは、処理される流体中で約０．０１μｍ〜約２５μｍの、平均粒径、または気泡径を達成し得る。これらの能力ゆえに、化粧品、マヨネーズ、シリコン／銀合金、および屋根葺き材‐タール混合物の調製のような、コロイドおよび油／水ベースの乳濁液処理を含む、多様な用途にコロイドミルは向いている。
【００１９】
ここで図１に関して、高剪断装置２００の模式図が示される。高剪断装置２００は、少なくとも１つの回転子‐固定子の組み合わせを備える。回転子‐固定子の組み合わせはまた、発生装置２２０、２３０、２４０、または段階層として知られ得るが、限定されない。高剪断装置２００は、少なくとも２つの発生装置を備え、および最も好ましくは、高剪断装置は、少なくとも３つの発生装置を備える。
【００２０】
第１の発生装置２２０は、回転子２２２および固定子２２７を備える。第２の発生装置２３０は、回転子２２３、および固定子２２８を備え、第３の発生装置は、回転子２２４および固定子２２９を備える。各発生装置２２０、２３０、２４０について、回転子は、動力２５０により回転可能に駆動される。発生装置２２０、２３０、２４０は、軸２６０の周囲を、回転方向２６５に回転するように設定される。固定子２２７は高剪断装置壁２５５に固定可能なように連結される。
【００２１】
発生装置は、回転子と固定子との間にギャップを包含する。第１の発生装置２２０は、第１のギャップ２２５を備え、第２の発生装置２３０は、第２のギャップ２３５を備え、および第３の発生装置２４０は、第３のギャップ２４５を備える。ギャップ２２５、２３５、２４５は、約０．０２５ｍｍ（０．００１インチ）と１０．０ｍｍ（０．４インチ）との間の幅である。あるいは、工程は、高剪断装置２００の利用を包含し、ここでギャップ２２５、２３５、２４５は、約０．５ｍｍ（０．０２インチ）と約２．５ｍｍ（０．１インチ）との間である。ある場合において、ギャップは、約１．５ｍｍ（０．０６インチ）にて維持される。あるいは、ギャップ２２５、２３５、２４５は、発生装置２２０、２３０、２４０間で異なる。ある場合において、第１の発生装置２２０についてのギャップ２２５は、第２の発生装置２３０についてのギャップ２３５に関してよりも大きく、これは、第３の発生装置２４０についてのギャップ２４５に関してよりも大きい。
【００２２】
加えて、ギャップ２２５、２３５、２４５の幅は、粗い、中程度の、微細な、および超微細な特性を備え得る。回転子２２２、２２３、および２２４、ならびに固定子２２７、２２８、および２２９は、歯付き構造であり得る。各発生装置は、当分野において公知であるように、２つ以上のセットの回転子‐固定子歯を備え得る。回転子２２２、２２３、および２２４は、各回転子の周囲に円周方向に配置された多くの回転子歯を備え得る。さらなる構造としては、回転子２２２、２２３、および２２４は複数の同心列の回転子歯を備え得る。固定子２２７、２２８、および２２９は、各固定子の周囲に円周方向に配置された多くの固定子歯を備え得る。さらなる設計において、固定子２２７、２２８、および２２９は、複数の同心列の固定子歯を備え得る。
【００２３】
ある実施形態において、回転子の内径は約１１．８ｃｍである。ある実施形態において、固定子の外径は約１５．４ｃｍである。さらなる実施形態において、回転子および固定子は、回転子について約６０ｍｍの、および固定子について約６４ｍｍの外径を有し得る。あるいは、回転子および固定子は、先端速度および剪断圧を変化するために代替の直径を有し得る。ある実施形態において、３つの段のそれぞれは、約０．０２５ｍｍと約３ｍｍとの間のギャップを備える超微細な発生装置で操作される。固体粒子を含む供給流２０５が高剪断装置２００を介して送達される場合、適切なギャップ幅の選択は、先ず、粒径が適切に減少するように行い、そして粒子表面積を増加するように行う。実施形態において、このことは、粒子を剪断しおよび分散することにより、触媒表面積を増加するのに有益である。
【００２４】
高剪断装置２００は、供給流２０５を含む反応混合物を供給される。供給流２０５は、分散相と連続相との乳濁液を含む。乳濁液は、互いに容易には混合および溶解されない２つの異なる物質（または相）を含む液化混合物をいう。大部分の乳濁液は連続相（またはマトリクス）を有し、これはそこに他の相または物質の不連続な液滴、気泡、および／または粒子を担持する。乳濁液は、スラリーまたはペーストのように、非常に粘性であり得るか、または液体中に微小な気泡が懸濁された泡状であってもよい。本明細書中で使用される、用語「乳濁液」は、気泡を含む連続相、粒子（例えば、固体触媒）を含む連続相、連続相中で不溶性である流体の液滴または小球を含む連続相、およびそれらの組み合わせを包含する。
【００２５】
供給流２０５は、特定の固体触媒成分を包含し得る。供給流２０５は、発生装置２２０、２３０、２４０を介してポンピングされ、それによって生成物分散２１０が形成される。各発生装置において、回転子２２２、２２３、２２４は、固定される固定子２２７、２２８、２２９よりも高速で回転する。回転子の回転は、供給流２０５のような流体を、回転子２２２の外表面と固定子２２７の内表面との間でポンピングして、限局性の高剪断状態を作り出す。ギャップ２２５、２３５、２４５は、供給流２０５を処理する高剪断力を生じる。回転子と固定子との間の高剪断力は、供給流２０５を処理して、生成物分散２１０を作り出す。高剪断装置２００の各発生装置２２０、２３０、２４０は、供給流２０５が気体を含む場合には所望される気泡径を、供給流２０５が液体を含む場合には所望される小球径を、ばらつきを抑えて生成物分散２１０中に生じるために、交換可能な回転子‐固定子の組み合わせを有する。
【００２６】
液体中の気体粒子、小球、または気泡の生成物分散２１０は、乳濁液を含む。実施形態において、生成物分散２１０は、本来非混合性または不溶性の気体、液体、または固体の、連続相への分散を含み得る。生成物分散２１０は、約１．５μｍ未満の平均気体粒子径、小球径、または気泡径を有し、好ましくは、小球はサブミクロンの直径である。ある場合において、平均小球径は、約１．０μｍ〜約０．１μｍの範囲にある。あるいは、平均小球径は、約４００ｎｍ（０．４μｍ）未満であり、および最も好ましくは約１００ｎｍ（０．１μｍ）未満である。
【００２７】
先端速度は、反応物にエネルギーを伝達する１つ以上の回転要素の先端と関連される速度（ｍ／秒）である。先端速度は、一つの回転要素について、単位時間当たりの回転子の先端により移動される円周距離であり、そして一般的に方程式Ｖ（ｍ／秒）＝π・Ｄ・ｎによって定義され、ここでＶは先端速度であり、Ｄは回転子の直径（メートル）であり、およびｎは、回転子の回転速度（秒当たりの回転数）である。従って、先端速度は回転子直径および回転速度の関数である。
【００２８】
コロイドミルについて、典型的な先端速度は、２３ｍ／秒（４５００ｆｔ／分）を超過し、そして４０ｍ／秒（７９００ｆｔ／分）を超過し得る。本発明の開示の目的のために、用語「高剪断」は、ミルまたはミキサーのような機械的な回転子‐固定子装置をいい、これは５ｍ／秒（１０００ｆｔ／分）を超える先端速度が可能であり、そして反応される生成物流にエネルギーを駆動するための、外部の機械的に駆動される動力装置を必要とする。高剪断装置は、非常に小さな剪断ギャップと、高い先端速度とを組み合わせて、処理される材料に対して著しい摩擦を生じる。従って、剪断ミキサーの先端にて、約１０００ＭＰａ（約１４５，０００ｐｓｉ）〜約１０５０ＭＰａ（１５２，３００ｐｓｉ）の範囲における限局性の圧力、および上昇された温度が、操作の間に生成される。ある実施形態において、限局性の圧力は、少なくとも約１０３４ＭＰａ（約１５０，０００ｐｓｉ）である。限局性の圧力はさらに、操作の間の先端速度、流体粘度、および回転子‐固定子ギャップに依存する。
【００２９】
流体へのエネルギー投入（ｋＷ／ｌ／分）の見積もりは、モーターエネルギー（ｋＷ）および流体出力（ｌ／分）を測定することによりなされ得る。実施形態において、高剪断装置のエネルギー消費は、１０００Ｗ／ｍ３よりも大きい。実施形態において、エネルギー消費は、約３０００Ｗ／ｍ３から約７５００Ｗ／ｍ３の範囲にある。高剪断装置２００は、非常に小さな剪断ギャップと、高い先端速度とを組み合わせて、材料に対して著しい剪断を生じる。剪断の量は典型的に、流体の粘度に依存する。高剪断装置２００において生成される剪断速度は、２０，０００Ｓ−１を上回り得る。実施形態において、生成される剪断速度は、２０，０００Ｓ−１〜１００，０００Ｓ−１の範囲にある。
【００３０】
高剪断装置２００は、気体乳濁液を生成し得、少なくとも約１５分間、大気圧での分散を維持し得る。本発明の開示の目的のために、直径１．５μｍ未満である生成物分散  ２１０における分散相中の、気体粒子、小球、または気泡の乳濁液は、マイクロフォームを含み得る。特定の理論によって限定されないが、乳濁液化学において、液体中に分散されるサブミクロンの粒子、小球、または気泡は、主にブラウン運動効果を介して移動を受けることが公知である。高剪断装置２００によって作り出される生成物分散２１０の乳濁液中の小球は、固体触媒粒子の境界層を介して、より大きな移動度を有し得、それによって反応物の増強された輸送を介して触媒反応を促進および加速する。
【００３１】
回転子は、上記されるように、回転子の直径および所望の先端速度に比例した速度で回転するように設定される。輸送抵抗は、高剪断装置２００の取り込みによって減少され、それによって反応の速度は少なくとも約５％まで増加される。あるいは、高剪断装置２００は、加速度反応装置として作用する高剪断コロイドミルを備える。加速度反応装置は、単一の段の、分散チャンバーを備える。加速度反応装置は、複数の段の、少なくとも２段を備える、直列の分散装置を備える。
【００３２】
高剪断装置２００の選択は、処理要件および、出口分散２１０において所望される粒径または気泡径に依存する。ある実施形態において、高剪断装置２００は、ＩＫＡ（登録商標）Ｗｏｒｋｓ  Ｉｎｃ．Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ、ＮＣ  ａｎｄ  ＡＰＶ  Ｎｏｒｔｈ  Ａｍｅｒｉｃａ、Ｉｎｃ．Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ  ＭＡのＤｉｓｐａｘ  Ｒｅａｃｔｏｒ（登録商標）を備える。例えば、ＤＲ  ２０００／４型は、ベルト駆動、４Ｍ発生装置、ＰＴＦＥ密閉環、入口フランジ１”衛生クランプ、出口フランジ３／４”衛生クランプ、２ＨＰ出力、７９００ｒｐｍの出力速度、約３００ｌ／時間〜約７００ｌ／時間（発生装置に依存する）の流動能（水）、９．４ｍ／秒〜約４１ｍ／秒（約１８５０ｆｔ／分〜約８０７０ｆｔ／分）の先端速度を備える。その他いくつかのモデルが利用可能であり、種々の入口／出口連結、馬力、先端速度、出力ｒｐｍ、および流速を有する。
【００３３】
理論によって限定されないが、歯付き回転子および固定子の組み合わせは、本明細書中に記載される他の剪断装置と比較される場合、複数の剪断ギャップへの、反応物の増大される曝露を提供する。さらに、反応物は、回転子および固定子の各組み合わせ間を外側に向かって放射状に移動するので、反応物は増大する剪断に供される。反応物は、回転子／固定子の各組み合わせにおいて見出される歯または歯の列に曝露されるので、回転速度における差異が、増大する剪断の主な原因となる。
【００３４】
特定の理論に限定されることを望まないが、高剪断混合のレベルまたは程度は、物質移動の速度を増加するのに十分であり、およびギブス（Ｇｉｂｂｓ）自由エネルギー予測に基づけば生じることが予測されない反応が生じることを可能にする、限局性の非理想的な状態を生じ得る。限局性の非理想的な状態は、高剪断装置内で生じると考えられ、増加された温度および圧力を生じ、最も著しい増加は限局性の圧力においてであると考えられる。高剪断装置内の圧力および温度の増加は瞬間的かつ限局性であり、そして高剪断装置を一旦出ると、バルクまたは平均的な系の状態に迅速に戻る。ある場合において、高剪断混合装置は、１つ以上の反応物を遊離ラジカルに解離するために十分な強度のキャビテーションを誘導し、これは化学反応を強化し得るか、または反応が本来要求され得るよりも緩い条件下で行われることを許容する。キャビテーションはまた、局所乱流および液体微小循環（音響流）を生じることにより、輸送工程の速度を増加し得る。化学／物理的処理の適用におけるキャビテーション現象の適用の概説は、ゴガテ（Ｇｏｇａｔｅ）ら、「キャビテーション：将来の技術」カレント・サイエンス（Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｓｃｉｅｎｃｅ）第９１巻（第１号）：ｐ．３５〜４６（２００６年）によって提供される。本発明の系および方法のある実施形態の高剪断混合装置は、藻類の増殖の至適化のためにナノフォームに二酸化炭素を解離するのに有効なキャビテーション条件であると考えられる条件下で操作される。ある場合において、条件は、炭化水素を抽出するために藻類を機械的に崩壊するのに有効である。さらに、条件は、液体炭化水素生成物を生じるために炭化水素鎖を機械的に均質化するのに有効であり得る。
【００３５】
藻類の増殖および処理のための工程および系
図２に関して、これは藻類処理系（ＡＰＳ）１００を説明する。ＡＰＳ１００は、高剪断装置（ＨＳＤ）３０、バイオリアクター３５、溶解反応装置５０、および炭化水素反応装置６０を備える。ＡＰＳ１００は、藻類の増殖および収穫を至適化するように設定される。ＡＰＳ１００は、選択された藻類種での播種およびバイオリアクター３５への導入の前に、栄養素を含む培地流および気体を、ＨＳＤ３０に導入するように設定される。さらにＡＰＳ１００は、脂質、油、および多糖（本明細書中では炭化水素）を、藻類から単離するように設定される。ＡＰＳ１００は、複数のＨＳＤ３０または類似の装置を備えるように設定可能である。ある適用において、ＡＰＳ１００は、炭化水素の均質化について設定され得る。
【００３６】
藻類は、培地流１２のような、ブロスまたは基質中で増殖または培養される。ある場合において、培地流１２は、糖、タンパク質、アミノ酸、ならびに藻類の増殖環境を再現および／または模倣するのに適切な他の生体高分子を含む。培地流１２中のこれらの生体分子の存在は、藻類生活環のためのさらなる分子を含む。さらに、培地流１２は、藻類の天然の環境に類似する塩分濃度を含む。例えば、培地流１２は、水生環境、海洋環境、または汽水環境を再現するための塩濃度を含む。一般に、水、好ましくは蒸留水が、藻類を培養するために使用される。水は滅菌水であり、コンタミナント・フリーである。当業者に公知の任意の適切な培養培地が、培地流１２として使用され得るが、ＡＰＳ１００において培養するために選択される特定の藻類種に依存する。
【００３７】
ある場合において、培地流１２は、藻類の増殖を改善するために補充される。培地流１４は、ｐＨエンハンサー流１４、電解質流１６、および栄養素流１８を含む。場合において、ｐＨエンハンサー流１４、電解質流１６、および栄養素流１８は培地流１２を含む。あるいは、ｐＨエンハンサー流１４、電解質流１６、および栄養素流１８は、培地流の組成を変化、調節するために、培地流１２と混合される。さらに、ｐＨエンハンサー流１４、電解質流１６、および栄養素流１８は、藻類培養によって消費された培地および栄養素を置き換えるための調製流として、培地流１２に導入される。
【００３８】
ｐＨエンハンサー流１４は、培地流１２と混合される。ｐＨエンハンサー流１４は、ｐＨを変化することが当業者によって理解される任意の化学物質を含む。あるいは、ｐＨエンハンサー流は、例えば緩衝液のような、ｐＨ変化を抑えることが当業者によって理解される任意の化学物質を含む。限定されないが、ｐＨエンハンサー流１４は、塩、緩衝液、アニオンまたはカチオンを含む。場合において、ｐＨエンハンサー流１４は、培地流１２に直接的に導入されるか、あるいは、ｐＨエンハンサー流１４は、工程の任意の点において、ＡＰＳ１００に導入される。
【００３９】
培地流１４は、電解質流１６によって補充される。理論によって限定されないが、電解質は、遊離イオンを有する任意の化学物質を含む。あるいは、電解質は、イオン性溶液のような、導電性の媒体を含み得る。ある場合において、限定されないが、電解質流１４は、マグネシウムイオン、カルシウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、塩素イオン、リン酸イオン、または炭酸イオンを含む。電解質流１６は、クロロフィルの合成のための、あるいは、藻類炭化水素の合成のための、導電性化合物を含む。
【００４０】
培地流１４は、栄養素流１８で補充される。ある場合において、栄養素流１８は、糖、脂質、および生体高分子のような、これらに限定されない栄養素を導入する。あるいは、栄養素流１８は、培地流１４に栄養素を再導入するように設定される、調製流を含み得る。栄養素流１４はさらに、培地流１４中のコンタミナントを制御するための抗生物質または抗真菌化合物を含み得る。
【００４１】
培地流１４は、ポンプ１５に指向される。ポンプ１５は、ＨＳＤ３０およびＡＰＳ１００に制御された流動を提供するために使用される。ポンプ１５は、約２０３ｋＰａ（２気圧）を上回る圧力に培地流１４の圧力を増加する。あるいは、ポンプ１５は、約２０３０ｋＰａ（２０気圧）を上回る圧力に培地流１４を加圧し得る。培地流１４の増加された圧力は、反応および分子の分散を加速するために使用され得る。さらなる場合において、培地流１４の増加された圧力は、培地流の無菌性を確実にする。理論によって限定されないが、培地流１４を滅菌することは、培地流１４における栄養素のコンペティターを排除する。ＡＰＳ１００における圧力についての制限因子は、ポンプ５およびＨＳＤ３０の圧力制限であり得る。好ましくは、ポンプ１５の全ての接触部分は、ステンレススチールまたは他の細菌および真菌に耐性の材料を備える。ポンプ１５は、任意の適切なポンプ、例えば、ローパー１型歯車ポンプ、ローパーポンプ社（ジョージア州コマース）またはデイトン・プレッシャーブースターポンプ２Ｐ３７２Ｅ型、デイトン・エレクトリック社（イリノイ州ナイルズ）であり得る。ポンプ１５は、ＨＳＤ３０との流体連結である。
【００４２】
気流２０は、培地流１４へ、注入、泡だて、拡散、または導入される。気流２０はＨＳＤ３０に指向される、気流２０は空気を含む。気流２０は、炭素を含有する気体または気流を含む。気流２０はさらに、二酸化炭素（ＣＯ２）流２２および窒素流２４を含む。ＣＯ２流２２は、気体ＣＯ２、例えば加圧化ＣＯ２を含む。さらに、ＣＯ２流２２は、空気、例えば、駐車場ビル、空港、ビルのようなＣＯ２が豊富な環境からの空気、または都市もしくは都会の環境からもたらされる空気を含む。理論によって限定されないが、ＣＯ２が豊富な環境からの空気の導入は、ＣＯ２を捕捉すること、ＣＯ２を再利用すること、または大気汚染に対するＣＯ２寄与を低減することを含む。窒素流２４は、窒素を含有する気体、例えば、気体窒素（Ｎ２）、および他の窒素化合物を含む。窒素流２４は、窒素（Ｎ２）、窒素の酸化物、アンモニア、硝酸塩、および他の窒素を含有する化合物を含むが限定されない。ＣＯ２流２２および窒素流２４は、制御された比率で、気流２０に導入される。ＣＯ２流２２対窒素流２４の比率は、藻類の増殖を最大にするために調節される。
【００４３】
培地流１２および気流２０は、ＨＳＤ３０に導入される。培地流１２および気流は、ポンプ１５を介してＨＳＤ３０に注入される。ある場合において、ポンプ１５は、培地流１２を注入し、そして気流２０は別個に導入される。培地流１２および気流２０は、処理のためにＨＳＤ３０に導入される。上述で詳細に考察されるように、ＨＳＤ３０は、例えば、固定子と回転子との間に固定されたギャップを備える固定子回転子混合ヘッドを利用する機械装置である。ＨＳＤにおいて、気流２０および培地流１２は混合されて、気流２０からマイクロバブルおよびナノバブルの窒素およびＣＯ２を含有する気体の乳濁液を形成する。得られた分散系は、約１．５μｍ未満の平均気泡径を含むか、あるいは平均気泡径は、約０．１μｍ〜約１．５μｍ未満である。得られた分散系は、サブミクロンの平均気泡径を有する気泡を含む。平均気泡径は、約４００ｎｍ未満、より好ましくは約１００ｎｍ未満である。高剪断混合は、約１５分間以上、大気圧での分散を維持し得る気泡を生成する（気泡径に依存する）。乳濁液はさらに、マイクロフォームまたはナノフォームを含み得る。ある設定において、ＡＰＳ１００は、連続して操作される複数のＨＳＤ３０を備える。
【００４４】
特定の方法に限定されないが、液体中に分散されたサブミクロンの粒子が、ブラウン運動効果を主に介して移動を受けることが、乳濁液化学において公知である。従って、ＨＳＤ３０によって作製されるサブミクロンの気体粒子は、培地流１２中の懸濁された固体の境界層を介して、より大きな移動度を有し、それによって藻類の取り込み、増殖、およびＡＰＳ１００の有効性を促進および加速する。
【００４５】
ＨＳＤ３０は、乳濁液流３２を生成する。乳濁液流３２は、バイオリアクター３５に指向される。バイオリアクター３５は、開放池、半透明タンク、半透明管、深水タンク、点灯タンク、流動反応装置、または他の装置を含むが、限定されない。バイオリアクター３５は、当業者に公知の、藻類を増殖するための手段を有する任意のバイオリアクターを含む。バイオリアクター３５は、好ましい状態を維持するために複数のモニターおよび自動化回路を備える。バイオリアクター３５は、内容物を加熱または加温するように、および好ましい温度を維持するように設定される加熱装置または他の熱素子を備える。バイオリアクター３５は、バイオリアクターの最大容量へ光を透過し得る光導管、例えば、光ファイバーを備える。バイオリアクター３５はさらなる光照射を藻類に曝露するために、撹拌棒のような撹拌手段を備える。理論によって限定されないが、藻類増殖速度は、光への曝露によって達成され、機械的撹拌手段は、光または光源照射に藻を曝露するように設定される。
【００４６】
ある場合において、バイオリアクター３５は、バイオリアクター３０に光を送達するように設定される光源３４を備える。さらに、光源３４は太陽を含む。光源３４は、ある範囲における太陽光スペクトルを補充するように設定される。光源３４は、人工的な自然光、すなわち、太陽光と類似のスペクトルおよび強度において透過する光を含む。あるいは、光源３４は、光の好ましいスペクトルでバイオリアクターを照射するように設定される光を含む。光源３４は、藻類増殖に好ましい温度にバイオリアクター３５を加熱および加温するように設定される。
【００４７】
藻類流３３は、バイオリアクター３５に導入される。藻類流３３は、播種流を含む。藻類流３３は、播種培地中に藻類を含む。藻類流３３は、バイオリアクター３５を播種するためのある容量の藻類を増殖するために、播種タンクを備え得る。藻類流３３は、乳濁液流３２を播種するために、藻類の濃縮流またはスラリーを含む。藻類流３３は、バイオリアクター３５における増殖のための、藻類流またはそのスラリーを含む。ある場合において、バイオリアクター３５は、乳濁液流３２で予め充填されるか、あるいは、藻類流３３および乳濁液流３２は、同時にバイオリアクター３５に導入される。藻類流３３および乳濁液流３２は、バイオリアクター３５を介して循環することが許容される。
【００４８】
理論によって限定されないが、バイオリアクター３５における藻類は、培地流１２および気流２０における生体分子の消費により、成長し、分裂し、そして増殖する。培地流１２および気流２０の消費部分は、乳濁液流３２によりバイオリアクター３５に再導入される。ある場合において、生体分子の再導入は、調製流を含む。調製流は、本明細書中で記載される元来の工程流に従う。さらに、調製流は、バイオリアクター３５における条件を維持するために好ましいような代替組成物を含み得る。バイオリアクター３５は、乳濁液流３２調製流の組成を追跡し、そして培地流１２および気流２０の組成を調節するためのモニターを備える。
【００４９】
バイオリアクター３５は、藻類出口３７によって、フィルター４０に排出される。バイオリアクター３５は、連続的に排出されることが可能であり、それによって藻類の一定の流動が、バイオリアクター３５から除去される。あるいは、バイオリアクター３５は、バッチ‐工程基準で排出される。藻類出口３７によって回収される藻類は、フィルター４０によって培地から分離される。フィルター４０は、選別フィルター、遠心分離装置、スキマー、乾燥装置、減圧装置、または藻類から水媒体を除去することが公知の別の方法を備える。フィルター４０は、廃液流４２および藻類スラリー４３を形成する。
【００５０】
廃液流４２は、分離装置４４によりさらに分離されて、液体再利用流４６およびバイオ廃棄物４５を形成する。液体再利用流４６は、水媒体および溶解された化合物を含む。液体再利用流４６は、培地流１２に戻される。ある場合において、液体再利用流４６は、調製液体または調製栄養素を含む。バイオ廃棄物流４５は、懸濁された固体、藻類残余物、藻類の死骸、および他の固体廃棄物を含む。バイオ廃棄物流４５は、生体材料（ＢＭ）処理装置５６に指向される。ＢＭ処理装置５６は、バイオ廃棄物流４５を処理するための、消化槽、発酵槽、パルパー、またはクッカーを備えるが、限定されない。ＢＭ処理装置５６は、例えば、バイオリアクター３５の温度を維持するためのエネルギーを得るために、バイオ廃棄物流４５を燃焼するためのバーナーを備え得る。
【００５１】
藻類スラリー４３は、溶解反応装置５０に指向される。ある場合において、溶解反応装置５０は、藻類スラリー４３から残存する水を除去するための脱水工程または乾燥装置を備える。溶解反応装置５０は、藻類スラリー４３中に藻類を溶解または破壊するための手段を備える。溶解反応装置５０は緩衝液流５３を含む。緩衝液流５３は、緩衝液、キレート剤、抗酸化剤、ならびに脂質および炭化水素の分解を抑えることが当分野において理解される他の化合物を含む。溶解反応装置５０はさらに、他の細胞性分子から脂質および炭化水素を分離するようにさらに設定される。溶解反応装置５０は、藻類炭化水素流５２および藻類廃棄物流５４についての分離装置を備え得る。溶解反応装置５０は、藻類炭化水素流５２および藻類廃棄物流５４を形成する。
【００５２】
藻類廃棄物流５４は、生体材料（ＢＭ）処理装置５６に指向される。藻類廃棄物流５４は、細胞性成分、タンパク質、分子、膜などを含むが限定されない。藻類廃棄物流は、ＢＭ処理装置５６の中に精製することができない細胞成分を含み、ＢＭ処理装置５６は、バイオ廃棄物流４５を処理するために、消化槽、発酵槽、パルパー、またはクッカーを備えるが、限定されない。ＢＭ処理装置５６は、例えば、バイオリアクター３５の温度を維持するためのエネルギーを得るために、バイオ廃棄物流４５を燃焼するためのバーナーを備え得る。
【００５３】
藻類炭水化物流５２は、炭化水素反応装置６０におけるクラッキング工程に指向されて、未加工の炭化水素流６２を生成する。未加工の炭化水素流６２はパラフィン、アルケン、および他の飽和炭化水素を含む。あるいは、未加工の炭化水素流６２は、アルケン、オレフィン、アルキン、および他の不飽和炭化水素を含むが、限定されない。ある場合において、未加工の炭化水素流６２は、カルボン酸、乳酸、および他の有機酸を含むが、限定されない。未加工の炭化水素流６２はさらに、脂質、脂肪酸、および多糖を含む。
【００５４】
未加工の炭化水素流６２は、液体炭化水素生成物６６の生成のために精製装置６４に指向される。精製装置６４は、水素化分解、濾過、分離、反応、蒸留、および液体炭化水素生成物６６の生成について、当該分野において公知の他の工程を備える。液体炭化水素生成物６６は、ナフサ、ケロシン、ガソリン、ディーゼル、およびそれらの組み合わせを含む。
【００５５】
藻類の増殖および処理のための複数の高剪断工程および系
図３に言及して、多重剪断藻類処理系（ＭＡＰＳ）３００を説明する。ＭＡＰＳ３００は、高剪断装置（ＨＳＤ）１３０、バイオリアクター１３５、高剪断溶解１５０、および炭化水素反応装置１６０を備える。ＭＡＰＳ３００は、藻類の増殖および収穫を至適化するように設定される。ＭＡＰＳ３００は、選択された藻類種での播種およびバイオリアクター１３５への導入の前に、栄養素を含む培地流、および気体を、ＨＳＤ１３０に導入するように設定される。さらに、ＭＡＰＳ３００は、脂質、油、および多糖（本明細書中では炭化水素）を、藻類から単離するように設定される。ＭＡＰＳ３００は、複数のＨＳＤ１３０または類似の装置を備えるように設定され得る。ある適用において、ＭＡＰＳ３００は、炭化水素の均質化について設定され得る。
【００５６】
藻類は、培地流１１２のような、ブロスまたは基質中で増殖および／または培養される。ある場合において、培地流１１２は、糖、タンパク質、アミノ酸、および藻類の増殖環境を再現および／または模倣するのに適切な他の生体高分子を含む。培地流１１２中のこれらの生体分子の存在は、藻類生活環のためのさらなる分子を含む。さらに、培地流１１２は、藻類の天然の環境に類似する塩分濃度を含む。例えば、培地流１１２は、水生環境、海洋環境、または汽水環境を再現するための塩濃度を含む。一般に、水、好ましくは蒸留水が、藻類を培養するために使用される。水は滅菌水であり、コンタミナント・フリーである。当業者に公知の任意の適切な培養培地が、培地流１１２として使用され得、特定の藻類種に依存する。
【００５７】
ある場合において、培地流１１２は、藻類の増殖を改善するために補充される。培地流１４は、ｐＨエンハンサー流１１４、電解質流１１６、および栄養素流１１８を含む。場合において、ｐＨエンハンサー流１１４、電解質流１１６、および栄養素流１１８は培地流１１２を含む。あるいは、ｐＨエンハンサー流１１４、電解質流１１６、および栄養素流１１８は、培地流の組成を変化、調節するために、培地流１１２と混合される。さらに、ｐＨエンハンサー流１１４、電解質流１１６、および栄養素流１１６は、藻類培養によって消費された培地および栄養素を置き換えるための調製流として、培地流１１２に導入される。
【００５８】
ｐＨエンハンサー流１１４は、培地流１１２と混合される。ｐＨエンハンサー流１１４は、ｐＨを変化することが当業者によって理解される任意の化学物質を含む。あるいは、ｐＨエンハンサー流は、例えば緩衝液のような、ｐＨ変化を抑えることが当業者によって理解される任意の化学物質を含む。限定されないが、ｐＨエンハンサー流１１４は、塩、緩衝液、アニオン、またはカチオンを含む。場合において、ｐＨエンハンサー流１１４は、培地流１１２に直接的に導入されるか、あるいは、ｐＨエンハンサー流１１４は、工程の任意の点において、ＭＡＰＳ２００に導入される。
【００５９】
培地流１１４は、電解質流１１６によって補充される。理論によって限定されないが、電解質は、遊離イオンを有する任意の化学物質を含む。あるいは、電解質は、イオン性溶液のような、導電性の媒体を含み得る。ある場合において、電解質流１１４は、マグネシウムイオン、カルシウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、塩素イオン、リン酸イオン、または炭酸イオンを含むが、限定されない。電解質流１１６は、クロロフィルの合成のための、あるいは、藻類炭化水素の合成のための、導電性化合物を含む。
【００６０】
培地流１１４は、栄養素流１１８で補充される。ある場合において、栄養素流１１８は、糖、脂質、および生体高分子のような、これらに限定されない栄養素を導入する。あるいは、栄養素流１１８は、培地流１１４に栄養素を再導入するように設定された、調製流を含む。栄養素流１１８はさらに、培地流１１４中の混入物を制御するための抗生物質または抗真菌化合物を含み得る。
【００６１】
培地流１１４は、ポンプ１１５に指向される。ポンプ１１５は、ＨＳＤ１３０およびＭＡＰＳ３００に、制御化流動を提供するために使用される。ポンプ１１５は、約２０３ｋＰａ（２気圧）を上回る圧力に培地流１１４の圧力を増加する。あるいは、ポンプ１１５は、約２０３０ｋＰａ（２０気圧）を上回る圧力に培地流１１４を加圧し得る。培地流１１４の増加された圧力は、反応および分子の分散を加速するために使用され得る。さらなる場合において、培地流１１４の増加された圧力は、培地流の無菌性を確実にする。理論によって限定されないが、培地流１１４を滅菌することは、培地流１１４における栄養素のコンペティターを排除する。ＭＰＳ３００における圧力についての制限因子は、ポンプ１１５およびＨＳＤ１３０の圧力制限であり得る。好ましくは、ポンプ１１５の全ての接触部分は、ステンレススチールまたは他の細菌および真菌に耐性の材料を備える。ポンプ１１５は、任意の適切なポンプ、例えば、ローパー１型歯車ポンプ、ローパーポンプ社（ジョージア州コマース）またはデイトン・プレッシャーブースターポンプ２Ｐ３７２Ｅ型、デイトン・エレクトリック社（イリノイ州ナイルズ）であり得る。ポンプ１１５は、ＨＳＤ１３０との流体連結である。
【００６２】
気流１２０は、培地流１１４へ、注入、泡だて、拡散、または導入される。気流１２０は、ＨＳＤ１３０に指向される。気流１２０は、空気を含む。気流１２０はさらに、二酸化炭素（ＣＯ２）流１２２および窒素流１２４を含む。ＣＯ２流１２２は、気体ＣＯ２、例えば、加圧されたＣＯ２を含む。さらにＣＯ２流２２は、空気、例えば、駐車場ビル、空港、ビルのようなＣＯ２が豊富な環境からの空気、または都市もしくは都会の環境からもたらされる空気を含む。理論によって限定されないが、ＣＯ２が豊富な環境からの空気の導入は、ＣＯ２を捕捉すること、ＣＯ２を再利用すること、または大気汚染に対するＣＯ２寄与を低減することを含む。窒素流１２４は、気体窒素（Ｎ２）および他の窒素化合物を含む。窒素流１２４は、窒素（Ｎ２）、窒素の酸化物、アンモニア、硝酸塩、および他の窒素を含有する化合物を含むが限定されない。ＣＯ２流１２２および窒素流１２４は、制御された比率で、気流１２０に導入される。ＣＯ２流１２２対窒素流１２４の比率は、藻類の増殖を最大化するために調節される。
【００６３】
培地流１１２および気流１２０は、ＨＳＤ１３０に導入される。培地流１１２および気流１２０は、ポンプ１１５を介してＨＳＤ１３０に注入される。ある場合において、ポンプ１１５は、培地流１１２を注入し、そして気流１２０は別個に導入される。培地流１１２および気流１２０は、処理のためにＨＳＤ３０に導入される。上述で詳細に記載されるように、ＨＳＤ１３０は、例えば、固定子と回転子との間に固定されたギャップを備える固定子回転子混合ヘッドを利用する機械装置である。ＨＳＤにおいて、気流１２０および培地流１１２は混合されて、気流１２０からの窒素−ＣＯ２含有気体のマイクロバブルおよびナノバブルを含む乳濁液を形成する。得られた分散系は、約１．５μｍ未満の平均気泡径を含むか、あるいは平均気泡径は、約０．１μｍ〜約１．５μｍ未満である。得られた分散系は、サブミクロンの平均気泡径を有する気泡を含む。平均気泡径は、約４００ｎｍ未満、より好ましくは約１００ｎｍ未満である。高剪断混合は、約１５分間以上、大気圧での分散を維持し得る気泡を生成する（気泡径に依存する）。乳濁液はさらに、マイクロフォームまたはナノフォームを含み得る。ある設定において、培地流１１２において気流１２０のナノフォームを形成するために、ＭＡＰＳ３００は、連続して操作される複数のＨＳＤ１３０を備える。
【００６４】
特定の方法に限定されないが、液体中に分散されたサブミクロン粒子が、ブラウン運動効果を主に介して移動を受けることが、乳濁液化学において公知である。従って、ＨＳＤ１３０によって作製されるサブミクロン気体粒子は、培地流１１２中の懸濁された固体の境界層を介して、より大きな移動度を有し、それによって藻類の取り込み、増殖、およびＭＡＰＳ３００の有効性を促進および加速する。
【００６５】
ＨＳＤ１３０は、乳濁液流１３２を生成する。乳濁液流１３２は、バイオリアクター１３５に指向される。バイオリアクター１３５は、開放池、半透明タンク、半透明管、深水タンク、点灯タンク、流動反応装置、または他の装置を含むが、限定されない。バイオリアクター１３５は、当業者に公知の、藻類を増殖する手段を有する任意のバイオリアクターを含む。バイオリアクター１３５は、好ましい条件を維持するために複数のモニターおよび自動化回路を備える。バイオリアクター１３５は、内容物を加熱または加温するように、および好ましい温度を維持するように設定される加熱装置または他の熱素子を備える。バイオリアクター１３５は、バイオリアクターの最大容量へ光を透過し得る光導管、例えば、光ファイバーを備える。バイオリアクター１３５はさらなる光照射を藻類に曝露するために、撹拌棒のような撹拌手段を備える。理論によって限定されないが、藻類増殖速度は、光への曝露によって達成され、機械的撹拌手段は、光または光源照射に藻類を曝露するように設定される。
【００６６】
ある場合において、バイオリアクター１３５は、バイオリアクター１３０への光の送達について設定される光源１３４を備える。さらに、光源１３４は太陽を含む。光源１３４は、ある範囲における太陽光スペクトルを補充するように設定される。光源１３４は、人工的な自然光、すなわち、太陽光と類似のスペクトルおよび強度において透過する光を含む。あるいは、光源１３４は、光の好ましいスペクトルでバイオリアクターを照射するように設定される光を含む。光源１３４は、藻類増殖に好ましい温度にバイオリアクター１３５を加熱および加温するように設定される。
【００６７】
藻類流１３３は、バイオリアクター１３５に導入される。藻類流１３３は、播種流を含む。藻類流１３３は、播種培地中に藻類を含む。藻類流１３３は、バイオリアクター１３５を播種するためのある容量の藻類を増殖するために、播種タンクを含み得る。藻類流１３３は、乳濁液流１３２を播種するために、藻類の濃縮流またはスラリーを含む。藻類流１３３は、バイオリアクター１３５における増殖のための、藻類流またはそのスラリーを含む。ある場合において、バイオリアクター１３５は、乳濁液流１３２で予め充填されるか、あるいは、藻類流１３３および乳濁液流１３２は、同時にバイオリアクター１３５に導入される。藻類流１３３および乳濁液流１３２は、バイオリアクター１３５を介して循環することが許容される。
【００６８】
理論によって限定されないが、バイオリアクター１３５における藻類は、培地流１１２および気流１２０における生体分子の消費により、成長し、分裂し、そして増殖する。培地流１１２および気流１２０の消費部分は、乳濁液流１３２によりバイオリアクター１３５に再導入される。ある場合において、生体分子の再導入は、調製流を含む。調製流は、本明細書中で記載される元来の工程流に従う。さらに、調製流は、バイオリアクター１３５における状態を維持するために好ましいとして、代替組成物を含み得る。バイオリアクター１３５は、乳濁液流１３２調製流の組成を追跡し、培地流１１２および気流１２０の組成を調節するためのモニターを備える。
【００６９】
バイオリアクター１３５は、藻類出口１３７によって、フィルター１４０に排出される。バイオリアクター１３５は、連続的に排出されることが可能であり、それによって藻類の一定の流動が、バイオリアクター１３５から除去される。あるいは、バイオリアクター１３５は、バッチ‐工程基準で排出される。藻類出口１３７によって回収される藻類は、フィルター１４０によって培地から分離される。フィルター１４０は、選別フィルター、遠心分離装置、スキマー、乾燥装置、減圧装置、または藻類から水媒体を除去することが公知の別の方法を備え得る。フィルター１４０は、廃液流１４２および藻類スラリー１４３を形成する。
【００７０】
廃液流１４２は、分離装置１４４によりさらに分離されて、液体再利用流１４６およびバイオ廃棄物１４５を形成する。液体再利用流１４６は、水媒体および溶解された化合物を含む。液体再利用流１４６は、培地流１１２に戻される。ある場合において、液体再利用流１４６は、調製液体または調製栄養素を含む。
【００７１】
バイオ廃棄物流１４５は、懸濁された固体、藻類残余物、藻の死骸、および他の固体廃棄物を含む。バイオ廃棄物流１４５は、生体材料（ＢＭ）処理装置１５６に指向される。ＢＭ処理装置１５６は、バイオ廃棄物流１４５を処理するために、消化槽、発酵槽、パルパー、またはクッカーを備えるが、制限されない。ＢＭ処理装置１５６は、例えば、バイオリアクター１３５の温度を維持するためのエネルギーを得るために、バイオ廃棄物流１４５を燃焼するためのバーナーを備え得る。
【００７２】
藻類スラリー１４３は、溶解高剪断装置、または第２の高剪断装置（ＨＳＤ）１５０に指向される。ある場合において、ＨＳＤ１５０は、藻類スラリー１４３から水をさらに取り除くための脱水工程または乾燥装置を備える。ＨＳＤ１５０は、藻類スラリー１４３中に藻類を溶解または破壊するための手段を備える。溶解反応器１５０は緩衝液流１５３を含む。緩衝液流１５３は、緩衝液、キレート剤、抗酸化剤、ならびに脂質および炭化水素の分解を抑えることが当分野において理解される他の化合物を含む。理論によって制限されないが、ＨＳＤ１５０または溶解高剪断装置は、緩衝液中で藻類を機械的に剪断するように設定される。ＨＳＤ１５０は、緩衝液中に藻類生体分子の小球を形成する。ある場合において、ＨＳＤ１５０は、緩衝液中に、炭化水素を含む藻類成分の乳濁液を含む乳濁液流１５２を形成する。場合において、藻類成分は、藻類炭化水素および藻類生体分子を含む。藻類炭化水素は、生体分子を含み、全ての細胞外分子および細胞内分子、タンパク質、酵素、および溶解された藻類細胞からの材料を含む。上記のように操作することによって、細胞乳濁液流１５２を形成するように、ＨＳＤ１５０は構成される。
【００７３】
細胞乳濁液流１５２は、分離装置１５１によって処理されて、他の細胞分子から脂質および炭化水素を分離する。細胞乳濁液流１５２は、藻類炭水化物流１５８および藻類廃棄物流１５４を形成するための分離装置を含み得る。藻類炭水化物流１５８は、炭化水素処理装置、またはクラッカー１６０に指向される。
【００７４】
藻類廃棄物流１５４は、生体材料（ＢＭ）処理装置１５６に指向される。藻類廃棄物流１５４は、藻類生体分子を含む。さらに、藻類廃棄物流１５４は、細胞成分、タンパク質、分子、膜などを含むが、制限されない。藻類廃棄物流は、ＢＭ処理装置１５６の中に精製できない細胞成分を含み、ＢＭ処理装置１５６は、バイオ廃棄物流１５４を処理するために、消化槽、発酵槽、パルパー、またはクッカーを備えるが、制限されない。ＢＭ処理装置１５６は、例えば、バイオリアクター３５の温度を維持するためのエネルギーを得るために、バイオ廃棄物流１４５を燃焼するためのバーナーを備え得る。ある場合において、ＢＭ処理装置１５６は、発酵装置１８０に供給するためのバイオマス流１７０を生成する。発酵生成物１８２は、脱水および熱変換１８４を介して処理されて、アルコール流１８６を生成する。アルコール流１８６は、さらなる工程、例えば、水素化１８８、を介して処理されて、追加の炭化水素流１８９を生成する。追加の炭化水素流１８９は、炭化水素処理装置、またはクラッカー１６０に指向される。
【００７５】
クラッカー１６０は、当業者に公知の任意の工程を含み、未加工の炭化水素流１６２を生成する。未加工の炭化水素流１６２は、パラフィン、アルカン、および他の飽和炭化水素を含む。あるいは、未加工の炭化水素流１６２は、アルケン、オレフィン、アルキン、および他の不飽和炭化水素を含むが、制限されない。ある場合において、未加工の炭化水素流１６２は、カルボン酸、乳酸、および他の有機酸を含むが、制限されない。未加工の炭化水素流１６２はさらに、脂質、脂肪酸、および多糖を含む。
【００７６】
ある場合において、未加工の炭化水素流１６３は、均質化高剪断装置（ＨＳＤ）１９０に指向される。均質化ＨＳＤ１９０は、反応物流１９２を含む。反応物流１９２は、気体反応物、液体反応物、触媒、または別の反応物を含むが制限されない。均質化ＨＳＤ１９０は、未加工の炭化水素流１６３中に反応物流１９２を含む、上記のような乳濁液を形成するように設定される。均質化ＨＳＤ１９０は炭化水素前駆体乳濁液１９４を形成する。
【００７７】
炭化水素前駆体乳濁液１９４は、液体炭化水素生成物１６６の生成のために、精製装置１６４に指向される。精製装置１６４は、水素化分解装置、濾過装置、分離装置、反応装置、蒸留装置、および液体炭化水素生成物１６６の生成について当該分野において知られる任意の他の工程を備える。液体炭化水素生成物１６６は、ナフサ、ケロシン、ガソリン、ディーゼル、およびそれらの組み合わせを含む。
【００７８】
従って、保護の範囲は、上記の記載によって限定されないが、続く請求の範囲によってのみ限定され、その範囲は、請求の範囲の内容の全ての等価物を含む。請求の範囲は、本発明の実施態様として本明細書中に組み込まれる。従って、請求の範囲はさらなる記載であり、および本発明の好ましい実施態様に対する付加である。従来技術の説明における参考文献の考察は、その参考文献、特に本出願の優先日後の発行日を有し得る任意の参考文献が、本発明の先行技術であること容認するものではない。本明細書中に引用される全ての特許、特許出願、および刊行物の開示内容は、それらが、本明細書に記載されることを補足する例示、手順、または他の詳細を提供する程度に、本明細書中に援用される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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