(57)【要約】  本発明は一般に、２段階アプローチを使用して藻類を収穫する装置を対象とする。この２段階アプローチは凝集段階および脱水段階を含む。凝集段階は、第１段階凝集タンク内で実施され、このタンクでは、増殖培地中の懸濁した藻類を凝集させる。次いで、凝集した藻類が、第２段階浮上分離タンクへ供給され、このタンクでは、凝集した藻類に付着し、凝集した藻類を表面まで浮上させる水素気泡および酸素気泡を、電極を使用して発生させる。次いで、浮上した藻類のマットを、増殖培地の表面からすくい取ることができる。
2015515375.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２段階プロセスを使用して藻類を収穫する装置であって、
前記２段階プロセスの第１段階が実施される凝集タンクであり、懸濁した藻類を含む増殖培地中に電場を発生させる反応管を備え、前記電場が前記藻類を凝集させる凝集タンクと、
前記２段階プロセスの第２段階が実施される浮上分離タンクであり、前記凝集した藻類に付着し、前記凝集した藻類を前記増殖培地の表面まで上昇させる気泡の形成を引き起こす複数の電極を含むタンクを備え、前記凝集した藻類が前記凝集タンクから前記浮上分離タンク内へ流入することを可能にするように前記凝集タンクに接続された浮上分離タンクと
を備える装置。
【請求項２】
前記凝集タンクが、カソードを形成する外筒と、もう片方の筒内に含まれる内筒とを備え、前記内筒がアノードを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記増殖培地中の藻類細胞を凝集させるために前記カソードおよび前記アノードにパルス電圧が印加される、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記増殖培地が、ポンプで送られて、前記凝集タンクを指定された流量で通過する、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記浮上分離タンクの前記電極が、第１のカソード層、第２のカソード層、および前記第１のカソード層と前記第２のカソード層の間に配置されたアノード層を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記アノード層が、それぞれのカソード層から１インチから１０インチの間の間隔を置いて配置された、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記第１のカソード層がカソード板を含む、請求項５に記載の装置。
【請求項８】
前記アノード層が、間隔を置いて配置された複数の棒を含む、請求項５に記載の装置。
【請求項９】
前記第２のカソード層が、間隔を置いて配置された複数の棒を含む、請求項５に記載の装置。
【請求項１０】
前記第１のカソード層が、間隔を置いて配置された複数の棒を含む、請求項５に記載の装置。
【請求項１１】
前記アノード層のそれぞれの棒が、酸化イリジウムでコーティングされたチタンを含む、請求項８に記載の装置。
【請求項１２】
前記アノード層のそれぞれの棒が、１つまたは複数の開口を含む、請求項８に記載の装置。
【請求項１３】
それぞれの棒がメッシュを含む、請求項８に記載の装置。
【請求項１４】
前記気泡が水素および酸素を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記浮上分離タンクが、前記増殖培地の表面で前記藻類をかき寄せる１つまたは複数のレーキを有するコンベヤを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記浮上分離タンクが、前記藻類がそこへかき寄せられる第２のコンベヤを含み、前記第２のコンベヤが、前記藻類を前記浮上分離タンクから捕集器まで運ぶ、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
２段階プロセスを使用して藻類を収穫する方法であって、
懸濁した藻類を含む増殖培地を凝集タンク内へ供給することと、ここで、前記凝集タンクは、前記増殖培地中に前記藻類を凝集させる電場を発生させる反応管を備え、
凝集した藻類を含む前記増殖培地を浮上分離タンク内へ移すことと、ここで、前記浮上分離タンクは、前記凝集した藻類に付着し、前記凝集した藻類を前記増殖培地の表面まで上昇させる気泡の形成を引き起こす複数の電極を含むタンクを備え、
浮上した前記藻類を前記増殖培地の表面から除去することと
を含む方法。
【請求項１８】
浮上した前記藻類は、１つまたは複数のレーキを使用して除去される、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
除去された前記藻類から気体を抽出することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
流体からアンモニアを除去する装置であって、
アンモニアを含む流体中に電場を発生させる反応管であり、前記反応管がカソードおよびアノードを含み、前記アノードがチタンルテニウム合金を含み、前記電場が発生しているときに、前記アノードが、前記流体中で遊離塩素を発生させ、それによって前記アンモニアが酸化して亜硝酸塩および硝酸塩に変化する反応管と、
前記反応管に接続された浮上分離タンクであり、気泡の形成を引き起こす複数の電極を含むタンクを備える浮上分離タンクと
を備える装置。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
廃水処理産業および藻類養殖業を含むいくつかの産業では、懸濁液から物質を分離することが長く実施されている。分離を達成する際に含まれるプロセスおよび所望の最終結果はさまざまである。例えば、廃水処理産業では通常、所望の結果が、環境に放出することができる処理された水である。対照的に、藻類養殖業では、主な所望の結果が、エネルギー生産に使用可能なバイオマスの収穫であることがある。
【０００２】
廃水産業における電気凝集の歴史は長い。電気凝集は、浄化の２次段階において流体から固体を分離する有効な方法であることが分かっている。この廃水流は全てのタイプの有機物を含み、藻類は、廃水流中では一般的な高い硝酸塩勘定によって発生する厄介者と考えられている。したがって、藻類根絶の努力は、通常、例えば製薬供給材料または他の高価値供給材料などの他の用途のためにマスの完全性を保存することを含むものではない。
【０００３】
廃水処理において一般的に使用されている電気凝集では、マトリックスの導電率を増大させることによって凝集を改善するために、金属イオンまたはカチオンが加えられる。以下のカチオン、すなわちＬｉ＋、Ｒｂ＋、Ｋ＋、Ｃｓ＋、Ｂａ２＋、Ｓｒ２＋、Ｃａ２＋、Ｎａ＋およびＭｇ２＋（安価な塩を形成するのでナトリウムおよびリチウムがしばしば使用される）は、Ｈ＋よりも低い電極電位を有し、したがって、これらのプロセスにおける電解質カチオンとして適していると考えられる。酸化鉄および他の酸化剤など固体を廃水から沈澱させるのを支援するため、電気凝集とともに他の金属が使用される。これらの金属は、溶液から固体を沈澱させるのに極めて有効である。しかしながら、それらの金属は、生成物および水自体を無機化学物質で汚染する。その無機化学物質は次いで、３次廃水処理段階で除去するか、または他の方法で処理しなければならない。
【０００４】
実際には、これらのプロセスは、大きな池で実施され、および／または１日に数百万ガロンにもなる廃水処理プラントで典型的な大量の流体流れとともに実施されるため、電気凝集用の廃水システムによって使用される電流は一般に小さく、通常１アンペア未満である。プラントの圧倒的なサイズおよびオーム法則（Ｉ＝Ｖ／Ｒ）、電流必要量およびプロセスのスケールために、高エネルギー電気凝集システムを長期間利用することは実際的でない。さらに、高電流で長期間動作する電解板の劣化およびスケーリングは、高アンペア数でのこの技術の有効な使用を妨げる。したがって、上で論じたように金属イオンによって廃水流の導電率を高めて、エネルギー必要量を小さくし、このプロセスを実用的にしなければならない。
【０００５】
藻類製品の養殖および収穫では、懸濁液中のバイオマスが、品質が維持されなければならない資産と考えられるため、これらの考慮事項が逆になる。金属の使用は製品を不可逆的に汚染する。したがって、懸濁液中の藻類を脱水するために使用される大部分の方法は、遠心分離機、膜分離、空気乾燥からなり、化学的処理および除染を伴うこともある。
【０００６】
藻類を脱水するために使用される１つの方法は、溶解空気浮上法（Ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ  Ａｉｒ  Ｆｌｏｔａｔｉｏｎ）（ＤＡＦ）として知られている。この凝集法は通常、凝結剤、乳化剤または他の化学物質、ならびポンプまたはサイクロンによって発生させた空気のカーテンの使用を含む。この方法は一般に、エネルギーの観点から遠心分離技法よりも有効だが、化学物質と独立したタンクの両方が必要であるという固有の欠点を有する。さらに、ＤＡＦシステムの連続システムとしての有効性は、反応器内の乱流の原因としての気泡の発生によって妨げられる。この課題に対する解決策は、浮上分離のサイズを増大させることであったが、それによって設置面積はますます大きくなる。
【０００７】
加えて、脱水における化学物質の使用は一般的に増殖水の再使用を妨げ、または制限する。２０１１年１０月１４日に出願され、参照によって組み込まれる「Systems, Methods, and Apparatuses for Dewatering, Flocculating, and Harvesting Algae Cells」という名称の関連する先行出願第１３／２７４，０９４号は、電磁式凝集システムのいくつかの形態を開示している。この出願は、最終成果として、細胞の溶解に焦点を合わせている。
【０００８】
藻類などの微生物および微生物の細胞内生産物の収穫は、医薬品、化粧品、工業製品、生物燃料、合成油、飼料、肥料などの製品を製造する際に使用される化石油派生品または他の化学物質の部分的なまたは完全な代替品として有望である。しかしながら、これらの代替品が実用可能になるためには、化石油派生品に関連した精製費用と競争可能であるために、細胞内生産物を回収するステップおよび処理するステップを含む細胞収穫法が、効率的で費用効果が高いものでなければならない。藻類などの微生物を収穫して、化石油代替品として使用するための製品を最終的に生み出すために使用されている現在の抽出法は手間がかかり、正味のエネルギー利得が小さく、そのため、今日の代替エネルギー需要に対して実用的でない。このような以前の方法はまた、かなりの二酸化炭素排出量を生み出すことがあり、地球温暖化および他の環境問題を悪化させる。これらの先行技術の方法は、さらにスケールアップされたときに、価値のある細胞内成分の劣化によってよりいっそう大きな効率損失を生み出し、微生物収穫から資金調達上現在実現可能なものよりも大きなエネルギーまたは化学物質の投入を必要とする。例えば、微生物生物燃料１ガロン当たりの費用は現在、化石燃料の費用の約９倍である。
【０００９】
原核細胞および真核細胞を含む全ての生細胞は、細胞の内容物を取り囲み、外部環境に対する半多孔性バリアの働きをする原形質トランスメンブラン（ｐｌａｓｍａ  ｔｒａｎｓｍｅｍｂｒａｎｅ）を有する。このトランスメンブランは、細胞成分を一体として保持し、異物が入ることを防ぐ境界の働きをする。流体モザイクモデルとして知られている受け入れられた現在の理論（S.J.Singer and G.Nicolson（１９７２年）。参照によって本明細書に組み込まれる）によれば、原形質膜は、脂質の２重の層（２重層）からなる。脂質は、全ての細胞内に見られる油状またはロウ状の物質である。この２重層の脂質の大部分は、より正確にはリン脂質と記述することができる。リン脂質は、それぞれの分子の一端にリン酸基を有する脂質である。
【００１０】
原形質膜のリン脂質２重層中には多くの多様な有用タンパク質が埋め込まれており、他のタイプのミネラルプロテイン（ｍｉｎｅｒａｌ  ｐｒｏｔｅｉｎ）は２重層の表面に単純に付着している。これらのタンパク質の一部、主に膜の外側に少なくとも部分的に露出したタンパク質には炭水化物が付着しており、したがってそれらのタンパク質は糖タンパク質として呼ばれる。内部原形質膜に沿ったタンパク質の配置は、細胞骨格を構成するフィラメントの編成に部分的に関係し、これは、それらを所定の位置に固定するのを助ける。タンパク質のこの配列はさらに、細胞の疎水性領域および親水性領域に関与する。
【００１１】
細胞内抽出法は、含まれる生物のタイプ、それらの所望の内部成分、およびそれらの純度レベルに応じて大幅に異なる。しかしながら、細胞が破壊されると、これらの有用成分は放出され、通常は、生きた微生物バイオマスを収容するために使用される液体培地中に懸濁する。このことが、これらの有用物質の収穫を困難にしまたはエネルギー集約的にする。
【００１２】
細胞内生産物を藻類から収穫する現在の大部分の方法では、液体培地またはバイオマス廃棄物（細胞マスおよび細胞片）から有用な成分を分離および収穫するために、脱水プロセスを実施しなければならない。液体の蒸発に必要な時間枠または液体培地を乾燥させるために必要なエネルギーの投入もしくは物質の分離のために必要な化学物質の投入のため、現在のプロセスは非効率である。加えて、このようなプロセスは一般的にバッチ処理に限定され、連続処理システムに適合させることが難しい。
【００１３】
したがって、藻類などの微生物を脱水して、そのような微生物を収穫し、それらの細胞内生産物を回収し、それらを、工業製品の製造に必要な化石油および化石油派生品の価格的に競争可能な代替品として使用することができるようにする、単純で効率的な手順が求められている。
【発明の概要】
【００１４】
本発明は一般に、２段階アプローチを使用して藻類を収穫する装置を対象とする。この２段階アプローチは凝集段階および脱水段階を含む。凝集段階は、第１段階凝集タンク内で実施され、このタンクでは、増殖培地中の懸濁した藻類を凝集させる。次いで、凝集した藻類が、第２段階浮上分離タンクへ供給され、このタンクでは、凝集した藻類に付着し、凝集した藻類を表面まで浮上させる水素気泡および酸素気泡を、電極を使用して発生させる。次いで、浮上した藻類のマットを、増殖培地の表面からすくい取ることができる。
【００１５】
一実施形態では、本発明が、２段階プロセスを使用して藻類を収穫する装置として実施される。この装置は、２段階プロセスの第１段階が実施される凝集タンクを含む。この凝集タンクは、懸濁した藻類を含む増殖培地中に電場を発生させる反応管を備え、この電場が藻類を凝集させる。この装置はさらに、２段階プロセスの第２段階が実施される浮上分離タンクを含む。この浮上分離タンクは、凝集した藻類に付着し、凝集した藻類を増殖培地の表面まで上昇させる気泡の形成を引き起こす複数の電極を含むタンクを備える。浮上分離タンクは、凝集した藻類が凝集タンクから浮上分離タンク内へ流入することを可能にするように、凝集タンクに接続される。
【００１６】
他の実施形態では、本発明が、２段階プロセスを使用して藻類を収穫する方法として実施される。懸濁した藻類を含む増殖培地を凝集タンク内へ供給する。この凝集タンクは、増殖培地中に電場を発生させる反応管を備え、この電場が藻類を凝集させる。凝集した藻類を含む増殖培地を浮上分離タンク内へ移す。この浮上分離タンクは、凝集した藻類に付着し、凝集した藻類を増殖培地の表面まで上昇させる気泡の形成を引き起こす複数の電極を含むタンクを備える。次いで、浮上した藻類を増殖培地の表面から除去する。
【００１７】
他の実施形態では、本発明が、流体からアンモニアを除去する装置として実施される。この装置は、アンモニアを含む流体中に電場を発生させる反応管を備える。この反応管はカソードおよびアノードを含み、このアノードはチタンルテニウム合金を含む。電場が発生しているときに、アノードは、流体中で遊離塩素を発生させ、それによってアンモニアが酸化して亜硝酸塩および硝酸塩に変化する。この装置はさらに、反応管に接続された浮上分離タンクを含む。この浮上分離タンクは、気泡の形成を引き起こす複数の電極を含むタンクを備える。
【００１８】
この概要は、下記の「発明の詳細な説明」の項でさらに説明する発想の抜粋を、簡略化された形態で導入するために提供されている。この概要は、特許請求された主題の鍵となる特徴または必須の特徴を識別することを意図したものではない。
【００１９】
本発明の追加の特徴および利点は、一部は以下の説明に記載されており、一部は以下の説明から明らかとなり、または本発明を実施することによって知ることができる。本発明のそれらの特徴および利点は、添付された特許請求の範囲に具体的に記載された機器および組合せよって実現し達成することができる。本発明のこれらの特徴およびその他の特徴は、以下の説明および添付の特許請求の範囲からより完全に明らかになり、または以下に記載された発明を実施することによって知ることができる。
【００２０】
本発明の上記の利点および特徴ならびにその他の利点および特徴を得ることができる方法を記述するため、添付図面に示された本発明の特定の実施形態を参照することによって、上で簡単に説明した発明のより具体的な説明が示される。これらの図面は本発明の典型的な実施形態だけを示していること、したがってこれらの図面が本発明の範囲を限定するとはみなされないことが理解されている前提で、添付図面を使用することによって、本発明を、追加の特殊性および詳細とともに記述し、説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１Ａ】第１段階凝集タンクと第２段階浮上分離タンクとを有する２段階藻類収穫装置を示す図である。
【図１Ｂ】第２段階浮上分離タンク内の電極の可能なさまざまな構成の側面図である。
【図１Ｃ】第１段階凝集タンクの側面図である。
【図２Ａ】懸濁した藻類を含む増殖培地で満たされたときの第１段階凝集タンクを示す図である。
【図２Ｂ】藻類をバッチモードで凝集させたときの第１段階凝集タンクを示す図である。
【図２Ｃ】藻類を連続流モードで凝集させたときの第１段階凝集タンクを示す図である。
【図３】図３Ａ〜Ｄは、凝集した藻類を水素気泡を使用して表面まで浮上させることによって凝集した藻類を脱水する、第２段階浮上分離タンク内で実行されるプロセスを示す図である。
【図４】本発明の１つまたは複数の実施形態による２段階藻類収穫装置の実装例を示す図である。
【発明の詳細な説明】
【００２２】
本発明は一般に、２段階アプローチを使用して藻類を収穫する装置を対象とする。この２段階アプローチは凝集段階および脱水段階を含む。凝集段階は、第１段階凝集タンク内で実施され、このタンクでは、増殖培地中の懸濁した藻類を凝集させる。次いで、凝集した藻類が、第２段階浮上分離タンクへ供給され、このタンクでは、凝集した藻類に付着し、凝集した藻類を表面まで浮上させる水素気泡および酸素気泡を、電極を使用して発生させる。次いで、浮上した藻類のマットを、増殖培地の表面からすくい取ることができる。
【００２３】
このようにして収穫された藻類は、他の藻類収穫法ではしばしば避けられない有害物質を含まない。加えて、この２段階プロセスでは有害物質が使用されないため、栄養分に富む増殖培地を、以降の藻類収穫で再使用することができる。
【００２４】
本発明の装置はさまざまなサイズで構成することができる。しかしながら、多くの実施形態では、この装置が、事実上あらゆる位置で使用することができる比較的ポータブルなものになるように、装置のサイズを決めることが可能である。このようすると、多くの企業体は、他の収穫アプローチではしばしば必要となる広い土地および／または大量の電気を必要とすることなく、この装置を使用して、藻類バイオマスを生産することができる。
【００２５】
図１Ａは、２段階アプローチを使用して藻類を収穫する装置１００の構成例を示す。装置１００は、２つの主要な構成要素、第１段階凝集タンク１０１および第２段階浮上分離タンク１０２を含む。
【００２６】
第１段階凝集タンク１０１内に、懸濁した藻類を含む増殖培地を投入する。この増殖培地は、実質的に任意の方法で得ることができる。例えば、水中で藻類を増殖させる専用ユニットを第１段階凝集タンク１０１に接続することができ、または他の方法で得た増殖培地を第１段階凝集タンク１０１に直接供給することができる。
【００２７】
第１段階凝集タンク１０１内で、懸濁した藻類を凝集させる（すなわち凝集塊を形成させる）。この凝集は、後にさらに説明するように、電極によって生成される電流を使用して引き起こすことができる。藻類を所望の程度まで凝集させた後、凝集した藻類を含む増殖培地を第２段階浮上分離タンク１０２内に供給する。
【００２８】
第２段階浮上分離タンク１０２は、増殖培地の中を上昇する気体（例えば、水素および酸素）の泡を発生させる。上昇する間に、それらの気泡は、凝集した藻類に付着し、凝集した藻類を表面まで上昇させる。この過程の結果、増殖培地の表面に藻類のマットが形成される。最後に、この藻類を、後にさらに説明するコンベヤ１１５および１１６を使用して集めることができる。
【００２９】
図４は、本発明の１つまたは複数の実施形態に基づく装置の実装例を示す。
【００３０】
第１段階凝集タンク
図１Ａに示すように、凝集タンク１０１は、２つの主要な構成要素、すなわち外筒（例えば、差し込まれたパイプまたはチューブ）によって形成されたカソード１０５、および外筒の内部に含まれる内筒（例えば、パイプまたは他の差し込まれた筒形）によって形成されたアノード１０６を含む。したがって、図１Ａの矢印によって示されているように、増殖培地はカソード１０５とアノード１０６の間を流れる。これら２つの構成要素間に流体経路が形成されるものであれば、筒以外の他の形状を使用することもできる。さらに、いくつかの実施形態では、アノード１０６に対して多数の内筒を使用することができる。いくつかの実施形態では、増殖培地と接触するカソード１０５およびアノード１０６の表面が、それらの表面における蓄積物の発生を減らすことができる溝（例えば、旋条）を含むことができる。
【００３１】
図１Ｃは、凝集タンク１０１の側方断面図を示す。示されているように、カソード１０５とアノード１０６の間には増殖培地が流れる空間が存在する。いくつかの実施形態では、この空間の幅を０．５ｍｍから２００ｍｍの間とすることができる。カソード１０５およびアノード１０６にはそれぞれ電圧が印加され、それによって増殖培地中を電流が流れる。この電流によって、増殖培地中の懸濁した藻類が凝集する（すなわち合体して凝集塊を作る）。いくつかの実施形態では、藻類が凝集タンク１０１内を通過するときに、細胞が、細胞を整列させる磁場と細胞の電流吸収を誘起する電場の両方にさらされる。これらの効果によって細胞を凝集させることができる。
【００３２】
図２Ａ〜２Ｃは、どのようにすればこの凝集を起こすことができるのかを示す。示されているように、懸濁した藻類を含む増殖培地の供給源２１０が凝集タンク１０１に接続される。あるいは、凝集タンク１０１に増殖培地を手動で供給することもできる。図２Ａの陰影は、最初は増殖培地中で藻類が懸濁していることを示す。
【００３３】
図２Ｂは、増殖培地がバッチモードで処理された場合を示す。バッチモードでは、最初に、凝集タンク１０１が、懸濁した藻類を含む増殖培地で満たされる。次いで、この増殖培地を、所望のレベルの凝集が生じるまで、カソード１０５およびアノード１０６によって発生した電場にさらす。いくつかの実施形態では、凝集した藻類のサイズを１から４ｍｍの間とすることができる。次いで、凝集した藻類を含む増殖培地を第２段階浮上分離タンク１０２へ移す。したがって、図２Ｂは、凝集タンク１０１内の増殖培地が、浮上分離タンク１０２へ移す準備ができた藻類の凝集塊を含んでいることを示す。
【００３４】
図２Ｃは、対照的に、増殖培地が連続流モードで処理された場合を示す。連続流モードでは、バッチモードの場合と同じ方法で（例えば増殖培地に電流を流すことによって）藻類を凝集させることができる。しかしながら、増殖培地が凝集タンクの反対端に到達する時刻までに藻類が十分に凝集しているような適切な流量で、増殖培地を凝集タンク内へ連続的に流入させることができる。これが図２Ｃに示されており、この図では、左端の増殖培地が供給源２１０内の増殖培地と同程度の凝集を有し、右端に向かうにつれて凝集の程度が増大する。
【００３５】
藻類を凝集させるために使用するモードが何であれ、凝集タンク１０１を出る前に藻類が十分に凝集していることを保証する適切な設定を自動的に決定する制御機構を有するように、凝集タンク１０１を構成することが可能である。例えば、バッチモードでは、増殖培地を処理する適切な継続時間またはカソード１０５およびアノード１０６に印加する適切な電圧レベルを、凝集タンク１０１が自動的に決定することができる。同様に、連続流モードでは、適切な流量ならびにカソード１０５およびアノード１０６に印加する適切な電圧レベルを、凝集タンク１０１が自動的に決定することができる。
【００３６】
少なくとも１つの実施形態では、凝集タンク１０１内の流量を、容積１ｍｌ当たり０．１ｍｌ／秒とすることができる。しかしながら、他の実施形態では、この流量が、容積１ｍｌ当たり少なくとも０．５ｍｌ／秒または容積１ｍｌ当たり少なくとも１．０ｍｌ／秒である。他の実施形態では、この容積内の流量が、容積１ｍｌ当たり少なくとも１．５ｍｌ／秒である。他の実施形態では、この容積内の流量が、容積１ｍｌ当たり１．５ｍｌ／秒よりも大きい。少なくとも１つの追加の実施形態では、ポンプまたは他の適当な機械式流体フローデバイスを使用して圧力を制御することによって、この流量を制御することができる。
【００３７】
いくつかの実施形態では、オン／オフを繰り返して供給する電圧をパルス化して、藻類細胞の伸張および弛緩を引き起こすことができる。このような実施形態によれば、電圧をより高く、ピークアンペア数をより小さくし、同時に、平均アンペア数を比較的に小さく維持することができる。このような実施形態では、この条件または制御された状況が、装置を動作させるためのエネルギー必要量を低減させ、１つまたは複数のアノード／カソード対の損耗を減らす。少なくとも１つの実施形態では、このパルスの周波数が、少なくとも約５００Ｈｚ、少なくとも約１ｋＨｚ、少なくとも約２ｋＨｚまたは少なくとも約３０ｋＨｚである。他の実施形態では、この周波数が、２００ｋＨｚ未満、８０ｋＨｚ未満、５０ｋＨｚ未満、３０ｋＨｚ未満、５ｋＨｚ未満または２ｋＨｚ未満である。このパルス周波数の範囲は、さまざまな実施形態に応じた上記の最高周波数と最低周波数の任意の組合せとすることができる。
【００３８】
いくつかの実施形態では、電気パルスを頻繁に繰り返して、電極間に電磁場を発生させ、電極間の電気エネルギー移動を生じさせる。ある種の実施形態によれば、このパルス化された電気移動が起こると電磁場が発生し、その結果、藻類細胞の有極性によって藻類細胞が伸長する。他の実施形態によれば、懸濁した藻類が電気入力を吸収し、それによって内部細胞成分およびそれらの液体マスのサイズが膨張する。このような実施形態では、膨張のために、トランスメンブランに対して内圧が加わるが、ある種の実施形態によれば、この内部膨張は、パルス電気入力のオフ周波数位相中に軽減されるため、瞬間的でしかないと考えられる。前述のとおり、いくつかの実施形態では、オン／オフ電気周波数の急速な繰返しが、成分を再配置し、藻類細胞内に極性領域を生じさせ、かつ／または藻類細胞内の極性領域を増やす。いくつかの実施形態では、連続周波数入力が、拡張された内部成分の膨張によって生じる内圧をさらに生み出し、これによって最終的に磁気／静電引力が生み出され、それによって処理された細胞の凝結（ｃｏａｇｕｌａｔｉｏｎ）／凝集（ｆｌｏｃｃｕｌａｔｉｏｎ）が引き起こされる。
【００３９】
本明細書は、主として、凝集プロセス中に第１段階が藻類細胞を無傷のまま残すことを記述するが、凝集中に藻類細胞を溶解させることも可能である。例えば、カソード１０５およびアノード１０６に印加する電圧レベル／周波数を変更し、かつ／またはカソード１０５とアノード１０６の間に形成された電流に藻類細胞をかける時間を変更することによって、藻類細胞を溶解させ、それによって藻類細胞内の内容物を放出させることができる。したがって、いくつかの実施形態では、装置１００を使用して、藻類細胞の溶解、凝集および脱水を実施することができる。
【００４０】
第２段階浮上分離タンク
増殖培地中で藻類を凝集させた後、増殖培地は浮上分離タンク１０２に移される。電極を使用して、浮上分離タンク１０２内の増殖培地に電場を作用させることができる。この電場は、溶媒と溶質の間の界面電位を増大させ、水素ガスおよび酸素ガスのミクロンサイズの気泡を発生させ、これらの気泡が、凝集した藻類を表面まで上昇させる。藻類は表面にマットを形成し、このことは、藻類を容易に除去することを可能にする。さらに、藻類のマットは、かなりの量の水素ガスおよび酸素ガスを含む。存在するこのガスと一緒に藻類を使用することができ、または別の下流プロセスを実行してこのガスを回収することができる。例えば、このガスを回収し、それを使用して、装置１００に電力を供給し、それによって装置１００を使用するためのエネルギー必要量を最小に抑えることができる。
【００４１】
図１Ａを再び参照すると、浮上分離タンク１０２は、カソード板１１１、ならびに積み重ねられた一連のアノード棒１１２およびカソード棒１１３を含む。図１Ｂは、浮上分離タンク１０２内で使用することができる電極の他の構成の側面図を示す。例えば、図１Ｂの左上隅には、図１Ａに示した構成が示されている。いくつかの実施形態では、棒の代わりに板を使用することができる。
【００４２】
電極の他のさまざまな構成を使用することができる。例えば、単一のカソードと単一のアノード、２つのカソードと単一のアノード、単一のカソードと２つのアノード、２つのカソードと２つのアノード、または他の組合せは、１つまたは複数のカソードおよび１つまたは複数のアノードを含む。
【００４３】
図１Ｂに示されているように、いくつかの実施形態は、３つの電極からなる垂直列を２つ含む２×３電極配置を提供する。電極の最上段および最下段はカソードとすることができ、中段は２つのアノードを含むことができる。浮上分離タンク１０２の実施形態では、このような他のさまざまなアノード−カソード構成を使用することができる。一般に、主に浮上分離タンク１０２のサイズに応じて、１個から２０個の間のアノードと１個から２０個の間のカソードの組合せを使用することができる。
【００４４】
浮上分離タンク１０２は、後にさらに説明するように、さらに、（レーキ１１５ａおよび１１５ｂを有する）コンベヤ１１５およびコンベヤ１１６を含み、これらのコンベヤは、浮上分離タンク１０２から藻類細胞を除去し、捕集器１１４に入れるために使用される。増殖培地の表面から藻類を除去する、当技術分野で知られている他の手段を使用することもできる。
【００４５】
どのようにすれば凝集した藻類を表面まで浮上させることができるのかを示す例を提供するため、図３Ａ〜３Ｄは浮上分離タンク１０２を示す。図３Ａは、凝集した藻類を含む増殖培地が浮上分離タンク１０２内へ送られたときの浮上分離タンク１０２の状態を示す。前述のとおり、増殖培地から藻類を分離する先行技術のアプローチは難しく、費用がかかり、しばしば藻類にとって有害であり、このことは、これらのアプローチを、ある目的に使用することが意図された藻類を回収する目的には適さないものにする。対照的に、本発明は、藻類細胞を回収する単純で安全なプロセスを提供する。このプロセスは、電極１１１、１１２、場合によってはさらに１１３を使用して、増殖培地に電場を作用させることを含む。
【００４６】
図３Ｃは、凝集した藻類細胞が表面まで浮上した後の浮上分離タンク１０２の状態を示す。増殖培地から藻類を分離するのにこのプロセスが非常に有効であることを示すため、図３Ｃはさらに、浮上した凝集塊の下の残りの増殖培地が実質的に澄んでいることを示している。次いで、栄養分に富むこの増殖培地を再使用することができる。
【００４７】
最後に、図３Ｄは、どのようにすれば浮上した藻類細胞を除去することができるのかを示す例を示す。示されているように、この除去は、レーキ１１５ａ、１１５ｂを使用して実行することができる。これらのレーキは、増殖培地の表面を横切って回転して、藻類細胞を、コンベヤ１１６に向かってかき寄せる。コンベヤ１１６を回転させて、かき寄せた藻類細胞を捕集器１１４の中へ移し、そこで、藻類細胞を、さらなる処理のために取り出すことができる。したがって、このプロセスは、容易に輸送し使用することができる高度に脱水されたバイオマスを与える。
【００４８】
図３Ａ〜３Ｄは一般に、バッチごとに実行されている（すなわち新しい藻類細胞を加える前に増殖培地全体を完全に凝集させる）プロセスを表す。しかしながら、いくつかの実施形態では、凝集した藻類を含む新しい増殖培地を定期的に加えることなどによって、このプロセスを連続的に実行することもできる。
【００４９】
電極を互いの近くに戦略的に配置することによって気泡形成を促進することができる。例えば、いくつかの実施形態では、カソードとアノードが、約０．１インチから約３６インチの間、約０．２インチから約２４インチの間、約０．５インチから約１２インチの間、約０．５インチから約６インチの間、約３から約８インチもしくは約１インチから約３インチの間隔を置いて、またはこれらの範囲もしくはこれらの範囲内の値の変異および組合せを間隔として配置することができる。その分散の割合は、増殖培地の導電率および／または電極に加える電力レベルに応じて変更することができる。例えば、増殖培地の塩分濃度が高いほど、または増殖培地の導電率が大きいほど、水素および／または酸素を発生させるために必要なギャップは小さくなる。いくつかの構成では、単一のアノードの近くに２つ以上のカソードを配置すると、アノードの周囲の乱流を増大させることができ、これによって混合効果を高めることができ、それによって藻類細胞の凝結／凝集および藻類細胞の上昇を支援することができる。
【００５０】
約１から約３０ボルトの間、約１から約２４ボルトの間、約２から約１８ボルト、約２から約１２ボルト、またはこれらの範囲内の組合せおよび中間範囲の動作電圧を印加することができる。例えば、約４ボルト、６ボルト、８ボルト、１０ボルト、１２ボルト、１４ボルト、１６ボルト、１８ボルト、２０ボルト、２２ボルト、２４ボルト、２６ボルト、２８ボルト、３０ボルト、および／またはこれらの電圧の組合せもしくはこれらの電圧を包含する範囲の電圧を印加することができる。アンペア数を変更することができ、一般に、約１Ａから約２０Ａの間、約２Ａから約１５Ａの間、またはこれらの範囲内の組合せもしくは中間範囲とすることができる。実際の電流は、増殖培地の密度および増殖培地の相対導電率に応じて合理的に変更することができる。
【００５１】
いくつかの構成では、電極にパルス電力を供給することが望ましいことがある。パルス電力を供給するために、パルシングの周波数を変更することができ、デューティーサイクルを変更することもできる。この文脈において、用語デューティーサイクルは、それぞれの電力サイクルのオン部分とオフ部分の相対的な長さを指し、例えばサイクルのオン部分の継続時間とサイクルの総時間の比、もしくはサイクルのオン部分の継続時間とサイクルのオフ部分の継続時間との比として、またはオンの継続時間とオフの継続時間とを示すことによって、またはオン継続時間もしくはオフ継続時間と総サイクル時間と示すことによって表すことができる。そうではないと明記されていない限り、または文脈から明らかでない場合、本明細書ではデューティーサイクルが、サイクルのオン継続時間とオフ継続時間の比として記載される。
【００５２】
したがって、電磁場のオンとオフを繰り返す実施形態では、デューティーサイクルを、約１：１、約１：１．１、約１：１．２、約１：１．３、約１：１．４、約１：１．５、約１：１．６、約１：１．７、約１：１．８、約１：１．９、約１：２、約１：２．５、約１：３、約１：４、約１：５、約１：６、約１：７、約１：８、約１：９または約１：１０とすることができる。加えて、増殖培地の流量、体積および／または特性に基づいてデューティーサイクルの継続時間を変更することができる。
【００５３】
追加の特徴または変形形態
これらの電極は、限定はされないが、銀、銅、金、アルミニウム、亜鉛、ニッケル、真ちゅう、銅、鉄、鉛、白金族金属、鋼、ステンレス鋼、炭素同素体および／またはこれらの組合せなど、導電性を与えることが知られている金属、複合材料または他の材料から製作することができる。導電性炭素同素体の非限定的な例は、グラファイト、グラフェン、合成グラファイト、（鉄で強化された）炭素繊維、ナノカーボン構造体、およびシリコン基板上に付着させた他の形態の炭素などである。いくつかの構成では、アノードおよび／またはカソードが、凝集プロセスおよび／または気泡発生プロセスで使用される犠牲電極の役目を果たすことができる。そのため、電極は、鉄、アルミニウムなどの消耗可能な（ｃｏｎｓｕｍａｂｌｅ）導電性金属を含むことができる。
【００５４】
いくつかの実施形態では、電極（例えばカソード１０５、１１１、１１３およびアノード１０６、１１２）は、酸化イリジウムでコーティングされたチタンなど、触媒でコーティングされた金属から構成することができる。このような金属はプロセスの効率を高めることができる。例えば、酸化イリジウムでコーティングされたチタンをアノード上で使用することによって、気泡の発生を促進することができる。
【００５５】
また、いくつかの実施形態では、浮上分離タンク１０２内の電極のうちの１つまた複数の電極が、増殖培地がそこを通過することを許す多数の穿孔または表面テクスチャを含むことができる。このような穿孔およびテクスチャは電極の稜（ｅｄｇｅ）の数を増やし、この稜の数の増大は気泡形成を促進することができる。例えば、この１つまたは複数のアノードは、メッシュ、格子または他の多孔構造体として形成されることができる。メッシュは、増殖培地中の典型的な藻類の凝集塊または析出物の微粒子よりも大きい、比較的に大きな開口を含むことができる。この構成は、増殖培地とアノードが発生させた水素との間の界面接触をより大きくすることを可能にするため、より大きな流量を有利に可能にすることができる。この構成は、より速いフロースルーが所望であるとき、または増殖培地の導電率が小さいときに有利なことがある。さらに、いくつかの実施形態では、浮上分離タンク１０２内のアノードの中心に増殖培地を導入することができる。このようにして、増殖培地は、アノードの１つまたは複数の穴から外へ流出し、気泡にさらされる。
【００５６】
上で説明した装置１００は、浮上分離タンク１０２を、より高い位置に置かれた別個のタンクとして示したが、この浮上分離タンクを、（例えば地面に掘った）溝として形成することも可能である。トレンチを使用することによって、より大量の増殖培地の処理を可能にすることができる。
【００５７】
いくつかの実施形態では、増殖培地にプロトン性溶媒を加えることによって、藻類を凝集させかつ／または浮上させる効率を増大させることができる。例えば、蟻酸、ｎ−ブタノール、イソプロパノール、ｎ−プロパノール、エタノール、メタノール、酢酸などのプロトン性溶媒の約０．０５体積％などの希釈溶液を、増殖培地に注入することができる。この溶液は、さまざまな時点で増殖培地に混入することができる。しかしながら、いくつかの場合には、凝集プロセスの電場が発生しているときに、またはバッチプロセスが実施される直前にプロトン性溶媒を加えるのが有益である。
【００５８】
上述の装置を使用して、廃水、または水耕栽培環境中などに存在する他の流体から、アンモニアを除去することもできる。アンモニア除去を達成するために、凝集タンク１０１の１つまたは複数のアノードをチタンルテニウム合金製とすることができる。チタンルテニウム合金を使用することにより、カソードおよびアノードに電圧が印加されたときに増殖培地中に遊離塩素が生成される。この遊離塩素はアンモニアを酸化させ、その結果、アンモニアは最終的に、硝酸塩、亜硝酸塩およびある窒素ガスに転化する。
【００５９】
一般に、硝酸塩および亜硝酸塩へのアンモニアの酸化を最大にするためにはアノードの電流密度が３０から５０ｍＡ／ｃｍ2の間であることが好ましいことが分かっている。しかしながら、他の電流密度を使用することもでき、理想的な密度は、廃水の温度などさまざまな特性に依存する。
【００６０】
廃水からのアンモニアの除去は主に凝集タンク１０１内で実行されるが、このような実施態様では、浮上分離タンク１０２をさらに使用して、有機化合物などの他の望ましくない物質を廃水から除去することができる。
【００６１】
本発明は、本発明の趣旨または本発明の必須の特性から逸脱することなく他のさまざまな形態で実施することができる。記載された実施形態は、あらゆる点で単なる例であり、本発明を限定するものではないとみなされる。したがって、本発明の範囲は、以上の説明によってではなく、添付の特許請求の範囲によって示される。特許請求の範囲の等価の趣意および範囲に含まれる全ての変更は、特許請求の範囲に包含される。
【図１Ａ】
2015515375.tif 000003
【図１Ｂ】
2015515375.tif 000004
【図１Ｃ】
2015515375.tif 000005
【図２Ａ】
2015515375.tif 000006
【図２Ｂ】
2015515375.tif 000007
【図２Ｃ】
2015515375.tif 000008
【図３Ａ】
2015515375.tif 000009
【図３Ｂ】
2015515375.tif 000010
【図３Ｃ】
2015515375.tif 000011
【図３Ｄ】
2015515375.tif 000012
【図４】
2015515375.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成26年12月16日(2014.12.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
藻類を収穫する装置であって、
凝集タンクであり、懸濁した藻類を含む増殖培地中に電場を発生させる反応管を備え、前記電場が前記藻類を凝集させる凝集タンクと、
浮上分離タンクであり、前記凝集した藻類に付着し、前記凝集した藻類を前記増殖培地の表面まで上昇させる気泡の形成を引き起こす複数の電極を含むタンクと
を備える装置。
【請求項２】
前記凝集タンクが、外筒と、外筒内に含まれる内筒とを備え、前記内筒と外筒とがアノードおよびカソードを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記増殖培地中の藻類細胞を凝集させるために前記カソードおよび前記アノードにパルス電圧が印加される、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記増殖培地が、ポンプで送られて、前記凝集タンクを指定された流量で通過する、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記浮上分離タンクの前記電極が、第１のカソード層、第２のカソード層、および前記第１のカソード層と前記第２のカソード層の間に配置されたアノード層を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記アノード層が、それぞれのカソード層から１インチから１０インチの間の間隔を置いて配置された、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記第１のカソード層および第２のカソード層のいずれか一つがカソード板または間隔を置いて配置された複数のカソード棒を含む、請求項５に記載の装置。
【請求項８】
前記アノード層または第２のアノード層が、間隔を置いて配置された複数の棒を含む、請求項５に記載の装置。
【請求項９】
前記アノード層またはカソード層が、酸化イリジウムでコーティングされたチタンを含む、請求項５に記載の装置。
【請求項１０】
前記アノード層またはカソード層のそれぞれの棒が、１つまたは複数の開口を含み、かつ、それぞれの棒がメッシュを含む、請求項７または８に記載の装置。
【国際調査報告】
2015515375.tif 000014
2015515375.tif 000015