(57)【要約】  本明細書では、水性混合物の相分離を実施するための相分離デバイス及び方法が提供される。前記デバイス及び方法は、水性混合物をキャビテーションしてキャビテーションされた水性混合物を生成するためのキャビテーション構成要素と、キャビテーションされた水性混合物の電気吸着相分離を実施するための電気吸着構成要素とを含み得る。かかるデバイス及び方法は、例えば藻類水性混合物及び／又は採鉱水性混合物若しくは廃水水性混合物などを含む水性混合物の相分離のために利用され得る。
2020510529.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水性混合物の相分離を実施するための相分離デバイスであって、
前記水性混合物をキャビテーションしてキャビテーションされた水性混合物を生成するためのキャビテーションアセンブリと、
前記キャビテーションされた水性混合物を受け入れ、前記キャビテーションされた水性混合物の電気吸着相分離を実施するための電気吸着アセンブリと
を備える、前記相分離デバイス。
【請求項２】
キャビテーションされた水性混合物が、蒸気を含むキャビテーションボイドを備え、前記キャビテーションされた水性混合物の電気吸着相分離が、電気吸着蒸気泡発生を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
電気吸着アセンブリが、微粒子浮選を含む電気吸着相分離を実施する、請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
キャビテーションアセンブリが、接線流水性混合物入口と、前記入口と連通状態にある渦流スタビライザと、前記渦流スタビライザと連通状態にあるノズルとを備え、前記ノズルが、電気吸着アセンブリと連通状態にある発散型出口を備える、請求項１〜３のいずれかに記載のデバイス。
【請求項５】
渦流スタビライザが、渦流水性混合物が前記渦流スタビライザから出てノズルに進入することを可能にするための長手方向スリットを有する円錐状部分を備えた渦流スタビライザインサートを備える、請求項４に記載のデバイス。
【請求項６】
ノズルが、長さＬ及び直径ｄを有する制限流路を備え、前記制限流路が、水性混合物を受け入れ、発散型出口へ前記水性混合物を指向する、請求項４又は５に記載のデバイス。
【請求項７】
制限流路が、約０．００５〜０．０２のｄ／Ｌ比を有する、請求項６に記載のデバイス。
【請求項８】
ｄが約０．０３〜０．０６２５インチである、請求項６又は７に記載のデバイス。
【請求項９】
発散型出口が、約３０°〜４５°の発散角を有して電気吸着アセンブリに向かって漸増的に幅広になる円錐状チャネルを備える、請求項４〜８のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１０】
発散型出口が、０．１８７５〜０．３の直径対長さ比を有する、請求項４〜９のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１１】
電気吸着アセンブリが、カソード及びアノードを備え、前記カソードが、中央コアを有する導電性螺旋チューブを備え、前記アノードが、前記中央コア内に配設された導電性部材を備える、請求項１〜１０のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１２】
カソードの導電性螺旋チューブが、２又は３以上の巻線を備え、各巻線が、アノードとの組合せにおいて独立した電気化学セルを形成する、請求項１１に記載のデバイス。
【請求項１３】
カソードが、炭素ベース繊維導電性材料、ＴｉＯ２、真鍮、陽極処理されたアルミニウム、又はステンレス鋼を含む、請求項１１又は１２に記載のデバイス。
【請求項１４】
キャビテーションされた水性混合物が、電気吸着アセンブリの底端部に対して高い位置にある頂端部に向かって移動することにより、前記電気吸着アセンブリが、前記底端部にて前記キャビテーションされた水性混合物を受け入れ、前記キャビテーションされた水性混合物の電気吸着相分離を実施するように、垂直方向に又は傾斜状に構成される、請求項１〜１３のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１５】
キャビテーションされた水性混合物が、電気吸着アセンブリの頂端部から放出し、浮選槽又は他の相分離タンク内に収集される、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１６】
水性混合物の連続相分離のための方法であって、
キャビテーションされた水性混合物を生成するために前記水性混合物をキャビテーションするステップと、
前記キャビテーションされた水性混合物の電気吸着相分離を実施するステップと
を含む、前記方法。
【請求項１７】
水性混合物をキャビテーションするステップが、キャビテーションされた水性混合物内に蒸気を含むキャビテーションボイドを生成し、前記キャビテーションされた水性混合物の電気吸着相分離が、電気吸着蒸気泡発生を誘発する、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
電気吸着相分離が微粒子浮選を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
キャビテーションするステップが、接線流水性混合物入口と、前記入口と連通状態にある渦流スタビライザと、前記渦流スタビライザと連通状態にあるノズルとを備えるキャビテーションアセンブリを通して水性混合物を通過させるステップであって、前記ノズルが電気吸着アセンブリと連通状態にある発散型出口を備えることを含む、請求項１６〜１８のいずれかに記載の方法。
【請求項２０】
渦流スタビライザが、渦流水性混合物が前記渦流スタビライザから出てノズルに進入することを可能にするための長手方向スリットを有する円錐状部分を備えた渦流スタビライザインサートを備える、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
ノズルが、長さＬ及び直径ｄを有する制限流路を備え、前記制限流路が、水性混合物を受け入れ、発散型出口へ前記水性混合物を指向する、請求項１９又は２０に記載の方法。
【請求項２２】
制限流路が、約０．００５〜０．０２のｄ／Ｌ比を有する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
ｄが約０．０３〜０．０６２５インチである、請求項２１又は２２に記載の方法。
【請求項２４】
発散型出口が、約３０°〜４５°の発散角を有して電気吸着アセンブリに向かって漸増的に幅広になる円錐状チャネルを備える、請求項１９〜２３のいずれかに記載の方法。
【請求項２５】
発散型出口が、０．１８７５〜０．３の直径対長さ比を有する、請求項１９〜２４のいずれかに記載の方法。
【請求項２６】
電気吸着相分離を実施するステップが、カソード及びアノードを備える電気吸着アセンブリを通してキャビテーションされた水性混合物を通過させるステップであって、前記カソードが、中央コアを有する導電性螺旋チューブを備え、前記アノードが、前記中央コア内に配設された導電性部材を備える、ステップを含む、請求項１６〜２５のいずれかに記載の方法。
【請求項２７】
カソードの導電性螺旋チューブが、２又は３以上の巻線を備え、各巻線が、アノードとの組合せにおいて独立した電気化学セルを形成する、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
カソードが、炭素ベース繊維導電性材料、ＴｉＯ２、真鍮、陽極処理されたアルミニウム、又はステンレス鋼を含む、請求項２６又は２７に記載の方法。
【請求項２９】
キャビテーションされた水性混合物が、電気吸着アセンブリの底端部に対して高い位置にある頂端部に向かって移動することにより、前記電気吸着アセンブリが、前記底端部にて前記キャビテーションされた水性混合物を受け入れ、前記キャビテーションされた水性混合物の電気吸着相分離を実施する、請求項２６〜２８のいずれかに記載の方法。
【請求項３０】
キャビテーションされた水性混合物が、電気吸着アセンブリの頂端部から出て、浮選槽又は他の相分離タンク内に収集される、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
水性混合物が、微細藻類培養物、鉱山廃水、又は金鉱石処理及び金鉱石精錬作業からの若しくは原料炭生成からの廃水を含む、請求項１〜１５のいずれかに記載のデバイス。
【請求項３２】
水性混合物が、微細藻類培養物、鉱山廃水、又は金鉱石処理及び金鉱石精錬作業からの若しくは原料炭生成からの廃水を含む、請求項１６〜３０のいずれかに記載の方法。
【請求項３３】
電気吸着相分離が、藻類脂質抽出を含む、請求項３１に記載のデバイス又は請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
電気吸着アセンブリが、カソード及びアノードを備え、前記カソードが、内部コアを画定する外側シェルを形成し、前記アノードが、前記コア内に配設される、請求項１〜１０のいずれかに記載のデバイス。
【請求項３５】
カソードが、連続導電性部材を備える、請求項３４に記載のデバイス。
【請求項３６】
カソードが、連続的に長手方向に配列された複数の個別の導電性部材を備える、請求項３４に記載のデバイス。
【請求項３７】
カソードが、チューブ、螺旋状構造体、又はコイルを備える、請求項３５に記載のデバイス。
【請求項３８】
カソードが、２又は３以上のチューブ、螺旋状構造体、コイル、若しくはリング、又はそれらの組合せを備える、請求項３６に記載のデバイス。
【請求項３９】
チューブ、螺旋状構造体、又はコイルが、２又は３以上の巻線を備えるヘリックスを画定し、各巻線が、アノードとの組合せにおいて独立した電気化学セルを形成する、請求項３７に記載のデバイス。
【請求項４０】
カソードが、連続的に配列された２又は３以上の離間されたリングを備え、前記リングが、アノードとの組合せにおいて複数の独立した電気化学セルを形成する、請求項３８に記載のデバイス。
【請求項４１】
電気吸着相分離を実施するステップが、カソード及びアノードを備える電気吸着アセンブリを通してキャビテーションされた水性混合物を通過させるステップであって、前記カソードが、内部コアを画定する外側シェルを形成し、前記アノードが、前記コア内に配設されている、ステップを含む、請求項１６〜２５のいずれかに記載の方法。
【請求項４２】
カソードが、連続導電性部材を備える、請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
カソードが、連続的に長手方向に配列された複数の個別の導電性部材を備える、請求項４１に記載の方法。
【請求項４４】
カソードが、チューブ、螺旋状構造体、又はコイルを備える、請求項４２に記載の方法。
【請求項４５】
カソードが、２又は３以上のチューブ、螺旋状構造体、コイル、若しくはリング、又はそれらの組合せを備える、請求項４３に記載の方法。
【請求項４６】
チューブ、螺旋状構造体、又はコイルが、２又は３以上の巻線を備えるヘリックスを画定し、各巻線が、アノードとの組合せにおいて独立した電気化学セルを形成する、請求項４４に記載の方法。
【請求項４７】
カソードが、連続的に配列された２又は３以上の離間されたリングを備え、前記リングが、アノードとの組合せにおいて複数の独立した電気化学セルを形成する、請求項４５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には水性混合物の相分離のためのデバイス及び方法に関する。より詳細には、本発明は、電気吸着キャビテーションを利用した相分離デバイス及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの工業プロセスは、親水性及び疎水性の相若しくは成分を分離するために、及び／又は水性混合物中に存在する汚染物質、望ましい生成物、若しくは他の成分を分離するために、水性混合物が処理される１又は２以上の相分離ステップを伴う。例えば藻類処理の分野において、藻類脂質又は藻類油が、水性環境内で培養された藻類から抽出される。また、相分離が、例えば廃水管理作業の一部として及び工業的採鉱作業において実施される。
【０００３】
水性混合物の脂質抽出及び／又は相分離は、高コストとなる、多大な時間を要する、及び／又は高いエネルギー需要を伴う場合がある。例として、藻類バイオ燃料生成は、細胞破壊ステップ、採取ステップ、脱水ステップ、及び脂質抽出ステップを典型的に伴う。従来、かかる採取及び脱水は、濾過、逆浸透、電気凝固−電気凝集（ＥＣ−ＥＦ，electrocoagulation-electroflocculation）、遠心分離、及び／又は濃縮用ドラム乾燥を伴い、脂質抽出は、圧力、応力、熱、若しくは溶剤処理を利用した藻類の破壊又は変換を伴うものであった。
【０００４】
現行において、高圧ホモジナイザ又は超音波処理などの機械的細胞破壊方法及び高エネルギー細胞破壊方法は、乾燥質量の数百ＭＪ  ｋｇ−１程度のエネルギー入力を典型的に伴う。また、少なくとも１０ｗｔ％へのバイオマスの濃縮後の熱ベースアプローチは、バイオマスを消費する一方でより低い燃料品質をもたらす場合があり、価値を有し得る他の生成物の回収を困難にする。さらに、多くの実験的プロセス方法が、容易にはスケール拡張可能ではなく、そのため商業スケール又はパイロットスケールのバイオ燃料生成は困難になる。
【０００５】
流体力学キャビテーション（ＨＣ，hydrodynamic cavitation）は、細胞破壊のために以前利用されてきたが、ＨＣによる細胞破壊は、ペリプラズムなものであり、したがって主に細胞壁及び細胞膜に制約され、相分離のためのＨＣプロセス及び追加のユニット作業の後の抽出のために溶剤を伴うものであった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
水性混合物の相分離のための代替的、追加的、及び／又は改良されたデバイス及び／又は方法が望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書では、特定の実施形態において、電気吸着キャビテーションを利用した水性混合物の相分離のためのデバイス及び方法が提供される。水性混合物のキャビテーションは、キャビテーションされた水性混合物を生じさせるために利用され得るものであり、このキャビテーションされた水性混合物は、電気吸着にかけられてもよく、それにより水性混合物の相分離を実現する。本明細書において説明されるようなキャビテーション及び電気吸着のかかる組合せは、例えば藻類水性混合物及び／又は採鉱水性混合物若しくは廃水水性混合物などを含む多様な異なる水性混合物における相分離を達成するために利用され得る。
【０００８】
本明細書では、一実施形態において、水性混合物の相分離を実施するための相分離デバイスであって、
水性混合物をキャビテーションしてキャビテーションされた水性混合物を生成するためのキャビテーションアセンブリと、
キャビテーションされた水性混合物を受け入れ、キャビテーションされた水性混合物の電気吸着相分離を実施するための電気吸着アセンブリと
を備える、相分離デバイスが提供される。
【０００９】
上記のデバイスの一実施形態では、デバイスは、水性混合物の相分離を実施するための脂質抽出及び相分離デバイスであって、
水性混合物をキャビテーションして抽出された脂質を含むキャビテーションされた水性混合物を生成するためのキャビテーションアセンブリと、
キャビテーションされた水性混合物を受け入れ、キャビテーションされた水性混合物の電気吸着相分離を実施するための電気吸着アセンブリと
を備える、脂質抽出及び相分離デバイスであってもよい。
【００１０】
上記のデバイスの別の実施形態では、キャビテーションされた水性混合物が、蒸気を含むキャビテーションボイドを備えてもよく、キャビテーションされた水性混合物の電気吸着相分離が、電気吸着蒸気泡発生を含んでもよい。
【００１１】
上記のデバイスのさらに別の実施形態では、電気吸着アセンブリが、微粒子浮選を含む電気吸着相分離を実施し得る。
【００１２】
上記のデバイスのさらに別の実施形態では、キャビテーションアセンブリが、接線流水性混合物入口と、この入口と連通状態にある渦流スタビライザ(vortex stabilizer)と、この渦流スタビライザと連通状態にあるノズルとを備えてもよく、ノズルが、電気吸着アセンブリと連通状態にある発散型出口を備える。
【００１３】
上記のデバイスの別の実施形態では、渦流スタビライザが、渦流水性混合物が渦流スタビライザから出てノズルに進入することを可能にするための長手方向スリットを有する円錐状部分を備えた渦流スタビライザインサートを備えてもよい。
【００１４】
上記のデバイスのさらに別の実施形態では、ノズルが、長さＬ及び直径ｄを有する制限流路を備えてもよく、制限流路が、水性混合物を受け入れ、発散型出口へ水性混合物を指向する。
【００１５】
上記のデバイスの別の実施形態では、制限流路が、約０．００５〜０．０２のｄ／Ｌ比を有し得る。
【００１６】
上記のデバイスのさらに別の実施形態では、ｄが約０．０３〜０．０６２５インチであってもよい。
【００１７】
上記のデバイスの別の実施形態では、発散型出口が、約３０°〜４５°の発散角を有して電気吸着アセンブリに向かって漸増的に幅広になる円錐状チャネルを備え得る。
【００１８】
上記のデバイスのさらに別の実施形態では、発散型出口が、約０．１８７５〜０．３の直径対長さ比を有し得る。
【００１９】
上記のデバイスの別の実施形態では、電気吸着アセンブリが、カソード及びアノードを備えてもよく、カソードが、内部コアを画定する（defining）外側シェルを形成し、アノードが、コア内に配設される。特定の実施形態では、カソードが、中央コアを有する導電性螺旋チューブを備えてもよく、アノードが、中央コア内に配設された導電性部材を備えてもよい。特定の実施形態では、カソードが、長手方向チューブ、コイル、螺旋状構造体、又は他の適切な構造体を備えてもよく、長手方向軸を有する内部コアを画定してもよく、アノードが、この長手方向軸に沿って配設される。カソードが、実質的に連続的であってもよく、又は連続的に長手方向に向けられた一連の個別の部材を備えてもよい。
【００２０】
さらに別の実施形態では、カソードが、２又は３以上の巻線を備える導電性螺旋コイル又は導電性螺旋チューブを備えてもよく、各巻線が、アノードとの組合せにおいて独立した電気化学セルを形成し得る。特定の実施形態では、カソードが連続的に配列されたリングのアレイを備えてもよく、各リングが、電極との組合せにおいて独立した電気化学セルを形成する。本願の教示を考慮する当業者には、適切なカソード／アノード構成が認識され、特定用途に対して適切なカソード／アノード構成の選択が可能であろう。
【００２１】
上記のデバイスのさらに別の実施形態では、カソードが、炭素ベース繊維導電性材料、陽極処理されたアルミニウム、ＴｉＯ２、真鍮、又はステンレス鋼を含み得る。
【００２２】
上記のデバイスのさらに別の実施形態では、キャビテーションされた水性混合物が、電気吸着アセンブリの底端部に対して高い位置にある頂端部に向かって移動することにより、電気吸着アセンブリが、その底端部にてキャビテーションされた水性混合物を受け入れ、キャビテーションされた水性混合物の電気吸着相分離を実施するように、デバイスが、垂直方向に又は傾斜状に構成されてもよい。特定の実施形態では、キャビテーションされた水性混合物が、電気吸着アセンブリの頂端部から出て、浮選槽又は他の相分離タンク内に収集され得る。
【００２３】
上記のデバイスのさらに別の実施形態では、電気吸着アセンブリが、カソード及びアノードを備えてもよく、カソードが、内部コアを画定する外側シェルを形成し、アノードが、コア内に配設される。
【００２４】
上記のデバイスのさらに別の実施形態では、カソードが連続導電性部材を備え得る。
【００２５】
上記のデバイスの別の実施形態では、カソードが、連続的に長手方向に配列された複数の個別の導電性部材を備え得る。
【００２６】
さらに別の実施形態では、カソードが、チューブ、螺旋状構造体、又はコイルを備え得る。さらに別の実施形態では、カソードが、２又は３以上のチューブ、螺旋状構造体、コイル、若しくはリング、又はそれらの組合せを備え得る。別の実施形態では、チューブ、螺旋状構造体、又はコイルが、２又は３以上の巻線を備えるヘリックスを画定してもよく、各巻線が、アノードとの組合せにおいて独立した電気化学セルを形成する。さらに別の実施形態では、カソードが、連続的に配列された２又は３以上の離間されたリングを備えてもよく、これらのリングが、アノードとの組合せにおいて複数の独立した電気化学セルを形成する。
【００２７】
本明細書では、特定の実施形態において、水性混合物の連続相分離のための方法であって、
キャビテーションされた水性混合物を生成するために水性混合物をキャビテーションするステップと、
キャビテーションされた水性混合物の電気吸着相分離を実施するステップと
を含む、方法が提供される。
【００２８】
上記の方法の別の実施形態では、水性混合物をキャビテーションするステップが、キャビテーションされた水性混合物内に蒸気を含むキャビテーションボイドを生成し、キャビテーションされた水性混合物の電気吸着相分離が、電気吸着蒸気泡発生を誘発する。
【００２９】
上記の方法のさらに別の実施形態では、電気吸着相分離が微粒子浮選を含み得る。
【００３０】
上記の方法のさらに別の実施形態では、キャビテーションするステップが、上記に定義するようなキャビテーションアセンブリを通して水性混合物を通過させるステップを含み得る。
【００３１】
上記の方法の別の実施形態では、電気吸着相分離を実施するステップが、上記に定義するような電気吸着アセンブリを通してキャビテーションされた水性混合物を通過させるステップを含み得る。
【００３２】
上記のデバイスのいずれかの別の実施形態では、水性混合物が微細藻類培養物を含み得る。特定の実施形態では、微細藻類培養物が、例えばクロレラ・ブルガリス藻類バイオマス、セネデスムス（Scenedesmus）藻類バイオマス、又はそれらの組合せを含んでもよい。
【００３３】
上記の方法のいずれかのさらに別の実施形態では、水性混合物が微細藻類培養物を含み得る。特定の実施形態では、微細藻類培養物が、例えばクロレラ・ブルガリス（Chlorella vulgaris）藻類バイオマス、セネデスムス藻類バイオマス、又はそれらの組合せを含んでもよい。
【００３４】
上記のデバイスの別の実施形態では、電気吸着相分離が藻類脂質抽出を含み得る。
【００３５】
上記の方法の別の実施形態では、電気吸着相分離が藻類脂質抽出を含み得る。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】キャビテーションアセンブリ及び電気吸着アセンブリの外方表面がデバイスの内部構成要素を示すために透明になされた、本明細書において説明されるような相分離デバイスの一実施形態の斜視図である。
【図２】キャビテーションアセンブリ及び電気吸着アセンブリの外方表面がデバイスの内部構成要素を示すために透明になされた、図１に示すデバイスの正面見取り図である。
【図３】キャビテーションアセンブリの外方表面がデバイスの内部構成要素を示すために透明になされた、図１に示すデバイスのキャビテーションアセンブリの斜視図である。
【図４】キャビテーションアセンブリの外方表面がデバイスの内部構成要素を示すために透明になされた、図１に示すデバイスのキャビテーションアセンブリの正面見取り図である。
【図５Ａ】図１に示すデバイスの電気吸着アセンブリの導電性螺旋コイルカソードの正面見取り図である。
【図５Ｂ】図１に示すデバイスの電気吸着アセンブリのロッド形状アノードの正面見取り図である。
【図５Ｃ】図１に示すデバイスの電気吸着アセンブリの外方エンクロージャの正面見取り図である。
【図５Ｄ】図１に示すデバイスの組み立てられた電気吸着アセンブリの斜視図である。
【図６Ａ】図１に示すデバイスの電気吸着アセンブリのアノードセパレータ構成要素の側面図である。
【図６Ｂ】図１に示すデバイスの電気吸着アセンブリのアノードセパレータ構成要素の斜視図である。
【図６Ｃ】図１に示すデバイスの電気吸着アセンブリのアノードセパレータ構成要素の正面見取り図である。
【図６Ｄ】図１に示すデバイスの電気吸着アセンブリのアノードセパレータ構成要素の側面見取り図である。
【図７Ａ】図１に示すデバイスのキャビテーションアセンブリの渦流スタビライザの斜視図である。
【図７Ｂ】図１に示すデバイスのキャビテーションアセンブリの渦流スタビライザの側面見取り図である。
【図７Ｃ】図１に示すデバイスのキャビテーションアセンブリの渦流スタビライザの側面見取り図である。
【図７Ｄ】図１に示すデバイスのキャビテーションアセンブリの渦流スタビライザの正面見取り図である。
【図８Ａ】図１に示すデバイスのキャビテーションアセンブリのノズルの斜視図である。
【図８Ｂ】図１に示すデバイスのキャビテーションアセンブリのノズルの側面見取り図である。
【図８Ｃ】図１に示すデバイスのキャビテーションアセンブリのノズルの側面見取り図である。
【図８Ｄ】図１に示すデバイスのキャビテーションアセンブリのノズルの正面見取り図である。
【図９Ａ】図１に示すデバイスのキャビテーションアセンブリのフランジの斜視図である。
【図９Ｂ】図１に示すデバイスのキャビテーションアセンブリのフランジの側面見取り図である。
【図９Ｃ】図１に示すデバイスのキャビテーションアセンブリのフランジの側面見取り図である。
【図９Ｄ】図１に示すデバイスのキャビテーションアセンブリのフランジの正面見取り図である。
【図１０Ａ】図１に示すデバイスのキャビテーションアセンブリの渦流スタビライザインサートの斜視図である。
【図１０Ｂ】図１に示すデバイスのキャビテーションアセンブリの渦流スタビライザインサートの側面見取り図である。
【図１０Ｃ】図１に示すデバイスのキャビテーションアセンブリの渦流スタビライザインサートの側面見取り図である。
【図１０Ｄ】図１に示すデバイスのキャビテーションアセンブリの渦流スタビライザインサートの背面見取り図である。
【図１１】小型サイズ渦流スタビライザインサート及び大型サイズ渦流スタビライザインサートの例を示す図である。
【図１２】キャビテーションアセンブリ実施形態のノズル部分の小型サイズ発散型出口、中型サイズ発散型出口、及び大型サイズ発散型出口の例を示す図である。
【図１３】（Ａ）電気吸着プロセス及び（Ｂ）電気凝固プロセスの例示的な比較を示す図である。
【図１４】相分離が望まれ得る水性混合物と、この相分離に一般的に関連付けられる工業的作業又は商業的作業との例を示す図である。
【図１５】明確な相分離を伴う、実施例２に示すような２．５ｇ／Ｌの藻類培養物を使用した電気吸着プロセスのための実験設定を示す図である。
【図１６】明確な相分離を伴う、実施例２に示すような３０ｍＬ／Ｌの塩酸と共に２．５ｇ／Ｌの藻類培養物を使用した電気吸着プロセスのための実験設定を示す図である。
【図１７】明確な相分離を伴う、実施例２に示すようなさらなる８ｍＬ／Ｌの塩酸と共に２．５ｇ／Ｌの藻類培養物を使用した電気吸着プロセスのための実験設定を示す図である。
【図１８】明確な相分離を伴う、実施例２に示すような２ｍＬ／Ｌ及びその後の７ｍＬ／Ｌの塩酸と共に２．５ｇ／Ｌの藻類培養物を使用した電気吸着プロセスのための実験設定を示す図である。
【図１９】明確な相分離を伴う、実施例２に示すような１２００ｐｓｉ（８３７５ｋＰａ）で１０ｍＬの塩酸を追加し３１Ｖ及び１．４５Ａにて電気吸着を適用するキャビテーションシステムにより処理される２．５ｇ／Ｌの藻類培養物を使用した電気吸着キャビテーションプロセスのための実験設定を示す図である。
【図２０】明確な相分離を伴う、３１Ｖ及び１．４５Ａにて電気吸着を適用し、実施例２に示すような１０ｍＬの塩酸／７５０ｍＬの培養物を追加し、１Ｌバッチシステムにより処理される２．５ｇ／Ｌの藻類培養物を使用した電気吸着キャビテーションプロセスのための実験設定を示す図である。
【図２１】明確な相分離を伴う、３１Ｖ及び１．４５Ａにて電気吸着を適用し、実施例２に示すような０．５ｍＬの塩酸／７５０ｍＬの培養物を追加し、１Ｌバッチシステムにより処理される２．５ｇ／Ｌの藻類培養物を使用した電気吸着プロセスのための実験設定を示す図である。
【図２２】明確な相分離を伴う、３１Ｖ及び１．４５Ａにて電気吸着を適用し、実施例２に示すような１．５ｍＬの塩酸／７５０ｍＬの培養物を追加し、１Ｌバッチシステムにより処理される２．５ｇ／Ｌの藻類培養物を使用した電気吸着キャビテーションプロセスのための実験設定を示す図である。
【図２３】実施例２において実施される試験における実験設定及び生成された処理済サンプルを示す図である。
【図２４】実施例２において実施される試験における実験設定及び生成された処理済サンプルを示す図である。
【図２５】実施例２において実施される試験における実験設定及び生成された処理済サンプルを示す図である。
【図２６】実施例２において実施される試験における実験設定及び生成された処理済サンプルを示す図である。
【図２７】実施例２において実施される試験における実験設定及び生成された処理済サンプルを示す図である。
【図２８】実施例２において実施される試験における実験設定及び生成された処理済サンプルを示す図である。
【図２９】実施例２において実施される試験における実験設定及び生成された処理済サンプルを示す図である。
【図３０】実施例３において実施される試験における実験設定及び生成された処理済サンプルを示す図である。
【図３１】実施例３において実施される試験における実験設定及び生成された処理済サンプルを示す図である。
【図３２】実施例３において実施される試験における実験設定及び生成された処理済サンプルを示す図である。
【図３３】実施例３において実施される試験における実験設定及び生成された処理済サンプルを示す図である。
【図３４】実施例３において実施される試験における実験設定及び生成された処理済サンプルを示す図である。
【図３５】実施例３において実施される試験における実験設定及び生成された処理済サンプルを示す図である。
【図３６】実施例３において実施される試験における実験設定及び生成された処理済サンプルを示す図である。
【図３７】実施例３において実施される試験における実験設定及び生成された処理済サンプルを示す図である。
【図３８】実施例３において実施される試験における実験設定及び生成された処理済サンプルを示す図である。
【図３９】実施例３において実施される試験における実験設定及び生成された処理済サンプルを示す図である。
【図４０】実施例３において実施される試験における実験設定及び生成された処理済サンプルを示す図である。
【図４１】実施例３において実施される試験における実験設定及び生成された処理済サンプルを示す図である。
【図４２】実施例３において実施される試験における実験設定及び生成された処理済サンプルを示す図である。
【図４３】実施例３において実施される試験における実験設定及び生成された処理済サンプルを示す図である。
【図４４】実施例３において実施される試験における実験設定及び生成された処理済サンプルを示す図である。
【図４５】実施例３において実施される試験における実験設定及び生成された処理済サンプルを示す図である。
【図４６】実施例５で実施される試験における藻類培養物、キャビテーションテスト設定、低圧キャビテーション設定、及び処理後に取得される処理済藻類生成物の図である。
【図４７】実施例６で実施される試験における実験設定及び生成された処理済サンプルを示す図である。
【図４８】実施例６で実施される試験における実験設定及び生成された処理済サンプルを示す図である。
【図４９】実施例６で実施される試験における実験設定及び生成された処理済サンプルを示す図である。
【図５０】実施例６で実施される試験における実験設定及び生成された処理済サンプルを示す図である。
【図５１】実施例６で実施される試験における実験設定及び生成された処理済サンプルを示す図である。
【図５２】実施例６で実施される試験における実験設定及び生成された処理済サンプルを示す図である。
【図５３】電気吸着キャビテーションを利用したクロレラ・ソルキニアナ（Chlorella sorokiniana）からの脂質抽出後のバイオマス濃度の関数として脂質収量を示すグラフを示す図である。
【図５４Ａ】未処理サンプルにおける低脂質収量藻類の顕微鏡写真を示す図である。
【図５４Ｂ】電気吸着キャビテーションを利用して処理されたサンプルにおける、全体的な集塊を示す低脂質収量藻類の顕微鏡写真を示す図である。
【図５４Ｃ】より長い滞留時間を用いたキャビテーションを利用して処理されたサンプルにおける低脂質収量藻類の顕微鏡写真を示す図である。
【図５４Ｄ】電気吸着のみを利用して処理されたサンプルにおける、限定的な集塊を示す低脂質収量藻類の顕微鏡写真を示す図である。
【図５５】酸化処理方法及び電気吸着キャビテーションを利用してセレンを除去するために処理された様々な炭鉱水サンプルのＵＶ−Ｖｉｓスペクトルを示す図である。
【図５６】分離プロセスで実施される電気吸着及びキャビテーションと比較される、連続電気吸着キャビテーションを利用して分析されたバイオマスの顕微鏡写真を示す図である。（Ａ）原料である０．５ｇ／Ｌのボツリオコッカス・ブラウニー（Botryococcus braunii）種。（Ｂ）ノズルのみ。（Ｃ）ノズル−＞電極、別個に（貫流水）。（Ｄ）ノズル−＞電極、別個に（発泡体）。（Ｅ）ノズル＋電極、一体で（貫流水）。（Ｆ）ノズル＋電極、一体で（発泡体）。（Ｇ）ノズル＋電極、一体で（沈後水）。
【図５７】分離プロセスで実施される電気吸着及びキャビテーションと比較される、連続電気吸着キャビテーションを利用して分析されたバイオマスサンプルの写真を示す図である。（１）原料。（２）キャビテーション出力（ノズルのみ）。（３）５分の滞留時間を伴うキャビテーションとその後の電気吸着（ノズル＋電極、別個に）。（４）電気吸着キャビテーション（ノズル＋電極、一体で）。
【図５８】原料炭の影響を被った水の出口流における強塩基性アニオン交換による急激なセレン濃度上昇を示す図である。
【図５９】セレン廃水濃度がAdsorbsia As 600吸着剤を用いた吸着処理により十分には影響を被らなかったことを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
本明細書では、電気吸着キャビテーションを利用した水性混合物の相分離のためのデバイス及び方法が説明される。水性混合物のキャビテーションは、キャビテーションされた水性混合物を生じさせるために利用され得るものであり、このキャビテーションされた水性混合物は、電気吸着にかけられ、それにより水性混合物の相分離を実現し得る。例として、特定の実施形態において、本明細書において説明されるデバイス及び方法は、藻類水性混合物などの脂質含有水性混合物からの脂質抽出のためのものであってもよい。かかる実施形態では、水性混合物のキャビテーションは、藻類バイオマス、脂質、及び水を含むキャビテーションされた水性混合物を生じさせ得るものであり、このキャビテーションされた水性混合物は、電気吸着にかけられ得る。実施形態及び実施例は、当業者を対象とした例示を目的として提示されるものであり、いかなる点においても限定的なものとして意図されない点が理解されよう。
【００３８】
本明細書において、一実施形態では、水性混合物の相分離を実施するための相分離デバイスが提供される。前記デバイスは、
キャビテーションされた水性混合物を生成するために水性混合物をキャビテーションするためのキャビテーションアセンブリと、
キャビテーションされた水性混合物を受け入れ、キャビテーションされた水性混合物の電気吸着相分離を実施するための電気吸着アセンブリと
を備える。
【００３９】
本明細書において、別の実施形態では、水性混合物を連続相分離するための方法が提供される。前記方法は、
キャビテーションされた水性混合物を生成するために水性混合物をキャビテーションするステップと、
キャビテーションされた水性混合物の電気吸着相分離を実施するステップと
を含む。
【００４０】
理解されるように、水性混合物は、水と、水から分離されるべき１又は２以上の適切な成分とを含む任意の適切な水性混合物であってもよい。例として、適切な水性混合物としては、藻類水性混合物、及び／又は採鉱水若しくは廃水の水性混合物が含まれ得る。特定の実施形態では、水性混合物としては、工業廃水又は工業採鉱廃水が含まれ得る。例えば、水性混合物としては、海藻類、淡水藻類、微細藻類、コロイド廃水、鉱山廃水、金鉱山廃水、セメント鉱山廃水、及び／又は、例えば金鉱石処理及び金鉱石精錬作業、原料炭生成、別の適切な鉱水用途、及び／又は都市下水処理などによる廃水が含まれ得る。本明細書における教示を考慮する当業者には、相分離が望まれ得る適切な水性混合物が認識されよう。図１４は、相分離が望まれ得る水性混合物と、この水性混合物に一般的に関連付けられる工業的作業又は商業的作業との特定の例を提示する。
【００４１】
本明細書においては、特定の実施形態で、水性混合物は、ヒ素及びセレンなどのオキシアニオンの除去が望まれ得る、廃水からの卑金属及び／又は貴金属の回収が望まれ得る、シアン化物破壊が望まれ得る、アンモニア除去が望まれ得る、発酵プロセス水処理が望まれ得る、油からの汚染物質の除去が望まれ得る、及び／又はリグノセルロースバイオマス前処理が望まれ得る水性混合物を含み得ることが予期される。
【００４２】
理解されるように、相分離は、水性混合物成分の任意の適切な分離を含み、部分的、実質的、又は完全な相分離を伴い得る。特定の実施形態では、水性混合物中に存在する疎水性成分及び／又は低水溶性を有する成分が、水部分から分離され得る。例として、相分離は、分離した疎水性層（すなわち、油、脂質、又は油性）と親水性層（すなわち水）との形成、或いは水性混合物からの疎水性成分（すなわち油、脂質、炭化水素）の単離／抽出、或いは水中の低溶解度を有する混合物成分の単離／抽出、或いは電気吸着アセンブリのそれぞれカソード部分又はアノード部分の上の金属若しくは他のカチオン／アニオン（酸化されもよい）及び／又は脂質及び／又は他の疎水性成分などの混合物成分の収集、或いはそれらの任意の組合せを伴ってもよい。
【００４３】
特定の実施形態では、本明細書において説明されるような相分離デバイスは、１又は２以上の従来の分離システムと流体連通状態にあってもよく、処理済液体が、相分離デバイスから出て、さらなる相分離及び／又は単離のために従来の分離システムに進入する。例として、本明細書において説明されるような相分離デバイスは、１又は２以上の沈殿チャンバ、浮選タンク、又はスキミングタンクと流体連通状態にあってもよく（例えば米国特許第８，９６８，５７１号を参照、これは参照により本明細書にその全体が組み込まれる）、これらの１又は２以上の沈殿チャンバ、浮選タンク、又はスキミングタンクは、本明細書において説明されるような相分離デバイスから処理済サンプルを受け入れ、処理済サンプルのさらなる相分離に備える。
【００４４】
本明細書において説明されるような相分離は、特定の実施形態では、例えば所与の水性混合物の特定の成分を分離及び／又は単離するために、及び／又は所与の水性混合物から特定の汚染物質を抽出／除去するために利用され得る点が、当業者には理解されよう。特定の実施形態では、相分離は、水性混合物からの、例えば藻類脂質／油、リグノセルロース物質、又は有価金属などの望ましい成分の抽出を伴い得る。特定の他の実施形態では、相分離は、１又は２以上の疎水性汚染物質又は金属汚染物質の除去による廃水の再生を伴い得る。理解されるように、相分離により水性混合物から抽出又は分離されるべき成分は、使用される特定の水性混合物、並びにその特定の水性混合物及び／又はその水性混合物から分離される成分の特定の下流用途により決定される。
【００４５】
キャビテーションアセンブリは、処理すべき水性混合物を受け入れ得る任意の適切なアセンブリであってよく、キャビテーションされた水性混合物を生成するために水性混合物をキャビテーションし得る。理解されるように、キャビテーションアセンブリは、水性混合物中に蒸気を含むキャビテーションボイドを形成するために水性混合物を処理（すなわちキャビテーション）し得る。特定の実施形態では、理論に縛られることを望むものではないが、かかるキャビテーションボイドの少なくとも幾つかが圧潰し得ることにより、以下でさらに詳細に説明されるように電気吸着アセンブリにおける電気吸着相分離を支えることができる核を発生させる。理解されるように、特定の実施形態では、キャビテーションアセンブリは、ノズルを備えてもよく、以下でさらに詳細に説明されるように水性混合物は、このノズル内に受け入れられ、発散型出口セクションへと指向される。本明細書における教示を考慮する当業者には、適切なキャビテーションアセンブリ設計が認識され、特定用途に対して適切なキャビテーションアセンブリの選択が可能であろう。
【００４６】
例えば藻類水性混合物が処理されるべき場合には、キャビテーションアセンブリによるキャビテーションは、藻類細胞の少なくとも幾分かの破壊を結果としてもたらし得ることにより、例えば藻類脂質などの望ましい藻類成分を露出させ、これらの成分がキャビテーションボイド上に集合する。例えば採鉱廃水水性混合物が処理されるべき場合には、キャビテーションアセンブリによるキャビテーション及びキャビテーションボイドを形成／圧潰する作用は、少なくとも幾つかのヒドロキシルラジカルの形成を結果としてもたらし得るが、このヒドロキシルラジカルは、採鉱廃棄物中の金属を酸化させ得る（すなわち促進酸化処理（ＡＯＰ，advanced oxidation process））ことにより、金属可溶性を変化させる、及び／又は電気吸着アセンブリにおけるカソード付着のために金属を準備する。理解されるように、特定の実施形態では、水性混合物の化学的酸素要求量（ＣＯＤ，chemical oxygen demand）は、本明細書において説明される処理により変化し得る。
【００４７】
特定の実施形態では、キャビテーションアセンブリは、接線流水性混合物入口と、この入口と連通状態にある渦流スタビライザと、渦流スタビライザと連通状態にあるノズルとを備えてもよく、ノズルは、電気吸着アセンブリと連通状態にある発散型出口を備える。接線流水性混合物入口及び渦流スタビライザは、ノズルに進入する水性混合物の旋回流又は螺旋流を生じさせ得る。ノズルセクションは、以下でさらに詳細に説明されるように螺旋流水性混合物を受け入れ、発散型出口セクションへと混合物を指向し得る。特定の実施形態では、渦流スタビライザは、渦流水性混合物が渦流スタビライザから出てノズルに進入するのを可能にするための長手方向スリットを有する円錐状部分を備える渦流スタビライザインサートを備えてもよい。
【００４８】
特定の実施形態では、キャビテーションアセンブリは、長さＬ及び直径ｄを有する制限流路を備え得るノズルを備えてもよく、制限流路は、水性混合物を受け入れ、発散型出口へと水性混合物を指向する。さらに別の実施形態では、制限流路は、例えば約０．００５〜０．０２のｄ／Ｌ比を有し得る。さらに別の実施形態では、ｄは、例えば約０．０３〜０．０６２５インチであってもよい。別の実施形態では、発散型出口は、例えば約３０°〜４５°の発散角を有して電気吸着アセンブリに向かって徐々に幅広になる円錐状チャネルを備え得る。さらに別の実施形態では、発散型出口は、例えば約０．１８７５〜０．３の直径対長さ比を有し得る。
【００４９】
電気吸着アセンブリは、キャビテーションされた水性混合物を受け入れ得る任意の適切なアセンブリであってよく、キャビテーションされた水性混合物の電気吸着相分離を実施し得る。理解されるように、電気吸着アセンブリは、カソード及びアノードを備えてもよく、水性混合物の特定の成分が、これらのカソード及びアノードに対して付着又は集塊し得ることにより、例えば水性混合物からのそれらの成分の分離が助長される。特定の実施形態では、及び理論に縛られることを望むものではないが、電気吸着アセンブリは、促進酸化処理によりキャビテーションされた水性混合物中にキャビテーションボイドを増加させ得ることによって、電気吸着蒸気泡発生を可能にする。特定の実施形態では、かかる電気吸着蒸気泡発生は、微粒子浮選による相分離を助長し得る。本明細書における教示を考慮する当業者には、適切な電気吸着アセンブリ設計が認識され、特定用途に対して適切な電気吸着アセンブリの選択が可能であろう。
【００５０】
特定の実施形態では、例えば、電気吸着アセンブリは、カソード及びアノードを備えてもよく、カソードは内部コアを画定する外側シェルを形成し、アノードはこのコア内に配設される。例として、カソードは、中央コアを有する導電性螺旋チューブを備えてもよく、アノードは、中央コア内に配設された導電性部材を備えてもよい。特定の実施形態では、カソードは、例えば長手方向チューブ、コイル、螺旋状構造体、又は他の適切な構造体などを備えてもよく、長手方向軸を有する内部コアを画定してもよく、アノードはこの長手方向軸に沿って配設される。カソードは、実質的に連続的なものであってもよく、又は連続して長手方向に向けられた一連の個別の部材を備えてもよい。さらに別の実施形態では、カソードは、２又は３以上の巻線数を備える導電性螺旋コイル又は導電性螺旋チューブを備えてもよく、各巻線は、アノードとの組合せにおいて独立した電気化学セルを形成し得る。特定の実施形態では、カソードは、連続的に配列されたリングのアレイを備えてもよく、各リングは、電極との組合せにおいて独立した電気化学セルを形成する。本願の教示を考慮する当業者には、適切なカソード／アノード構成が認識され、特定用途に対して適切なカソード／アノード構成の選択が可能であろう。
【００５１】
例えば藻類水性混合物が処理されるべき場合には、電気吸着アセンブリによる電気吸着相分離は、電気吸着アセンブリのカソード部分の表面上における藻類脂質／油の少なくとも幾分かの付着及び／又は凝集を結果的にもたらし得る。理論に縛られることを望むものではないが、藻類脂質／油は、キャビテーション及び／又は電気吸着アセンブリの作用により生成されたキャビテーションボイド、核、及び／又は他のボイド若しくは蒸気泡上に蓄積し、次いでこれらのキャビテーションボイド、核、及び／又は他のボイド若しくは蒸気泡は、電気吸着アセンブリのカソード部分に対して付着した状態になり得ると考えられている。さらに、藻類脂質又は藻類油が付着したカソード付着したキャビテーションボイド及び／又は他のボイド若しくは蒸気泡の圧潰は、カソードにおける藻類脂質又は藻類油の凝集又は集塊を助長し得る。次いで、藻類脂質又は藻類油は、例えばカソードから回収され得る、及び／又は浮選若しくは他の比重選鉱により回収され得る。例として、電気吸着アセンブリから出る液体は相分離が可能となり、脂質を多く含む層が収集され得る。特定の実施形態では、電気吸着アセンブリにおける電気吸着蒸気泡発生は、相分離による相分離を助長し得るものであり、特に藻類サイズ気泡（すなわち約２〜５μｍ）が、電気吸着アセンブリに適用される圧力、流れ、及び／又はエネルギーの調整により発生される。
【００５２】
例えば採鉱廃水水性混合物が処理されるべき場合には、電気吸着アセンブリによる電気吸着相分離は、カソードにおけるカチオン金属種又は酸化金属種及びアノードにおけるアニオン種の蓄積を含み得る。キャビテーションボイドの形成／圧潰の結果として生じるヒドロキシルラジカルの作用は、採鉱廃棄物中の金属酸化を結果としてもたらし得ることにより、金属可溶性を変化させる、及び／又は電気吸着アセンブリに対するカソードの金属付着を助長し、結果として生ずる形成されたアニオンが、さらにこのプロセスで削減される。
【００５３】
特定の実施形態では、電気吸着アセンブリは、カソード及びアノードを備えてもよく、カソードは内方中央コア又は通路を画定する導電性螺旋コイル又は導電性螺旋チューブを備え、アノードは、この中央コア又は通路内に軸方向に配設された導電性部材を備える。特定の実施形態では、カソードの導電性螺旋コイル又は導電性螺旋チューブは、２又は３以上の巻線を備え、各巻線は、アノードとの組合せにおいて独立した電気化学セルを形成し得る。理解されるように、特定の実施形態では、本明細書において説明されるような電気吸着アセンブリのアノードは、犠牲アノードではなく、したがって当業者は、これに応じて適切なアノード材料を選択し得る。
【００５４】
特定の実施形態では、螺旋カソード及び螺旋アノードは、キャビテーションアセンブリから出る（及び螺旋流パターンを有する）キャビテーションされた水性混合物が外側シェルにより画定された実質的に円形の断面を有する流路に接触し得るように、及びこの流路を通過するときに電気吸着アセンブリのカソード及びアノードに対してさらされた状態になり得るように、外側シェル内に包囲され得る。特定の実施形態では、流路を通過するキャビテーションされた水性混合物の螺旋流と、カソードの螺旋構造（すなわち掌性等）とが、合致し得ることにより、電気吸着装置を通過する流体流抵抗の軽減を実現し、キャビテーションされた水性混合物と電気吸着アセンブリとの間における接触及び滞留時間の増加を実現する。
【００５５】
特定の実施形態では、電気吸着アセンブリのカソードは、炭素ベース導電性材料、銅、アルミニウム（陽極処理を伴う及び伴わない）、ＴｉＯ２、真鍮、又はステンレス鋼を含んでもよい。特定の実施形態では、電気吸着アセンブリのアノードは、炭素、ステンレス鋼、鉄、又はアルミニウム（陽極処理された又は陽極処理されない）を含んでもよい。本明細書において提示される教示を考慮する当業者には、特定の用途、付随する特定の汚染物質、所望の廃水放出制限、及び／又は他のかかる考慮対象物に基づく適切なカソード材料及びアノード材料の選択が可能となろう。
【００５６】
さらなる実施形態では、相分離デバイスは、電気吸着アセンブリがその底端部にてキャビテーションされた水性混合物を受け入れ、キャビテーションされた水性混合物が底端部に対して高い位置にある電気吸着アセンブリの頂端部に向かって移動することによりキャビテーションされた水性混合物の電気吸着相分離を実施するように、垂直方向に又は傾斜状に構成され得る。特定の実施形態では、キャビテーションされた水性混合物は、電気吸着アセンブリの頂端部から出て、浮選槽又は他の相分離タンク内に収集され得る。
【実施例１】
【００５７】
一例の相分離デバイス
図１は、本明細書において説明されるような「電気吸着キャビテーション」相分離デバイスの一実施形態の斜視図を示す。この例示的なデバイス実施形態は、円形断面流路（すなわちパイプ又はチューブ）及び抵抗性の最も小さい螺旋流経路における流体流原理を適用することにより、処理されるべき水性混合物と電気吸着アセンブリとの間における接触及び滞留時間を助長する。藻類水性混合物に対して適用される場合には、この例示の相分離デバイスは、水相、脂質相、及びバイオマス相をバッチで又は連続的に抽出及び分離するために電気吸着により強化されるキャビテーション脂質抽出プロセスを採用し得る。
【００５８】
例示の相分離デバイス（１）は、キャビテーションされた水性混合物を生成するために水性混合物をキャビテーションするためのキャビテーションアセンブリ（２）と、キャビテーションされた水性混合物を受け入れ水性混合物の電気吸着相分離を実施するための電気吸着アセンブリ（３）とを備える。図２は、図１に示すデバイスの正面見取り図を示す。相分離デバイス（１）は、水性混合物の連続相分離のための方法を実施するために使用され得るものであり、前記方法は、キャビテーションされた水性混合物を生成するために水性混合物をキャビテーションするステップと、キャビテーションされた水性混合物の電気吸着相分離を実施するステップとを含む。この実施例では、バイオ燃料用途向けの藻類脂質／油を取得するために藻類水性混合物の相分離を実施するためのデバイス（１）の使用が説明されるが、かかるデバイスは、藻類水性混合物の処理に限定されず、多様な他の適切な水性混合物を処理するためにも使用され得る点が理解されよう。
【００５９】
相分離デバイス（１）は、キャビテーションアセンブリ（２）を備え、このキャビテーションアセンブリ（２）は、処理すべき水性混合物を受け入れ、キャビテーションされた水性混合物を生成するために水性混合物をキャビテーションするように構成される。キャビテーションアセンブリ（２）は、水性混合物中に蒸気を含むキャビテーションボイドを形成するために水性混合物をキャビテーションし、以下でさらに詳細に説明されるように、これらのキャビテーションボイドの少なくとも幾つかが圧潰し得ることにより、電気吸着アセンブリ（３）における電気吸着相分離を支援し得る核が発生する。キャビテーションアセンブリ（２）によるキャビテーションは、水性混合物の藻類細胞の少なくとも幾分かの又は大半の破壊を結果としてもたらすことにより、望ましい藻類脂質を露出させ、これらの藻類脂質は、脂質−気泡表面力によりキャビテーションボイド（気泡）の表面上に集合する。
【００６０】
図３及び図４のさらに詳細に示すように、キャビテーションアセンブリ（２）は、接線流水性混合物入口（６）を備え、この接線流水性混合物入口（６）は、この入口（６）と連通状態にある渦流スタビライザ（７）へと水性混合物を指向する。また、キャビテーションアセンブリ（２）は、渦流スタビライザ（７）と連通状態にあるノズル（１３）を備え、ノズル（１３）は、電気吸着アセンブリ（３）と連通状態にある発散型出口（９）を備える。図７は、デバイス（１）のキャビテーションアセンブリ（２）の渦流スタビライザ（７）をさらに詳細に示す。図８は、デバイス（１）のキャビテーションアセンブリ（２）のノズル（１３）をさらに詳細に示す。
【００６１】
例えば藻類培養物の濃度、藻類細胞のサイズ及び形状、及び／又は所望のスループット／流量などにより決定され得る低圧〜高圧（例えば１７２４〜１１７２１ｋＰａ）が、接線流水性混合物入口（６）に対して適用されてもよく、接線流水性混合物入口（６）及び渦流スタビライザ（７）は、ノズル（１３）に進入する水性混合物の旋回流又は螺旋流を発生させ得る。特定の実施形態では、例えば、約２４０ｋＰａ〜約１８２５ｋＰａの圧力、例えば約１７２４ｋＰａなどの低圧が印加されてもよく、流れは、形成される脂質品質を維持するように相応に調節され得る。ノズル（１３）は、螺旋流水性混合物を受け入れ、発散型出口（９）へこの混合物を指向し得る。例示のキャビテーションアセンブリ（２）では、渦流スタビライザ（７）は、渦流水性混合物が渦流スタビライザ（７）から出てノズル（１３）に進入することを可能にするための長手方向スリット（１２）を有する円錐状部分（１１）を備える渦流スタビライザインサート（１０）を備え得る。渦流スタビライザインサート（１０）は、図１０でさらに詳細に図示される。
【００６２】
ノズル（１３）は、長さＬ及び直径ｄを有する制限流路（８）（図４を参照）を備え、制限流路（８）は、水性混合物を受け入れ、発散型出口（９）へこの水性混合物を指向する。相分離デバイス（１）では、制限流路（８）は、比較的長い流路と、低いｄ／Ｌ比（すなわち例えば約０．００５〜０．０２のｄ／Ｌ比、及び例えば約０．０３〜０．０６２５インチのｄ）を採用し、それにより下流でのキャビテーションゾーン長さ及び位置を制御するための小チャネル効果を発生させる。特定の実施形態では、かかるシステムは、安定的なキャビテーションゾーンの形成を可能にして、新たな気泡が初生キャビティから進入し他方の端部にて気泡を圧潰することを結果としてもたらし、それにより安定的なゾーン（長さ）又はキャビテーション領域を結果としてもたらす。発散型出口（９）は、例えば約３０°〜４５°の発散角と例えば約０．１８７５〜０．３の小チャネル対発散型出口比とを有する、電気吸着アセンブリ（３）に向かって漸増的に幅広になる円錐状チャネルを備える。
【００６３】
図１１は、小型サイズ及び大型サイズの渦流スタビライザインサートの例を示し、渦流スタビライザインサート（１０）は、その一例である。
【００６４】
図１２は、キャビテーションアセンブリ実施形態のノズル部分の小型サイズ、中型サイズ、及び大型サイズの発散型出口の例を示し、発散型出口（９）は、その一例である。
【００６５】
キャビテーションアセンブリ（２）は、水性混合物中に蒸気を含むキャビテーションボイドを形成するために水性混合物をキャビテーションし、これらのキャビテーションボイドの中の少なくとも幾つかが圧潰し得ることにより、電気吸着アセンブリ（３）における電気吸着相分離を支援し得る核を発生させる。発散型出口（９）を通過する水性混合物は、蒸気圧力未満の分圧降下を被ることにより、かかるキャビテーションボイドの形成を結果としてもたらす。かかるキャビテーションボイドが圧潰すると、高エネルギー部位が微小内破により生成されて、電気吸着中の気泡生成率を強化する核の発生を結果としてもたらす。特定の実施形態では、及び理論に縛られることを望むものではないが、キャビテーション中に形成される気泡核は、電気吸着における気泡形成率を強化し、気泡雲の増殖をもたらし得る。脂質気泡付着は、気泡雲内で生じ、電極の表面上における気泡吸着をもたらし得る。
【００６６】
キャビテーションアセンブリ（２）の発散型出口（９）は、電気吸着アセンブリ（３）と連通状態にあり、それによりキャビテーションされた水性混合物は、キャビテーションアセンブリ（２）から出て電気吸着アセンブリ（３）に進入することが可能となる。例示の相分離デバイス（１）では、キャビテーションアセンブリ（２）及び電気吸着アセンブリ（３）は、図１、図２、図４、及び図９に示すようにフランジ（１４）により共に接合される。
【００６７】
電気吸着アセンブリ（３）は、キャビテーションアセンブリ（２）からキャビテーションされた水性混合物を受け入れ、キャビテーションされた水性混合物の電気吸着相分離を実施する。図２に示すように、電気吸着アセンブリ（３）は、カソード（４）及びアノード（５）を備え、水性混合物の特定の成分が、これらのカソード（４）及びアノード（５）に対して付着又は集塊し得ることにより、水性混合物からのそれらの成分の分離が助長される。
【００６８】
相分離デバイス（１）では、電気吸着アセンブリ（３）は、カソード（４）及びアノード（５）を備え、カソード（４）は、内方中央コア又は通路を画定する導電性螺旋コイルを備え、アノード（５）は、螺旋形状カソード（４）により画定された中央コア又は通路内に同軸状に配設された導電性ロッド形状部材を備える。カソード（４）の導電性螺旋コイルは、複数の巻線を備え、各巻線は、アノード（５）の関連部分との組合せにおいて、独立した電気化学セルを形成する。この実施例のデバイスでは、図５（Ｄ）及び図６に示すような１又は２以上のアノードセパレータ（１６）が、螺旋カソード（４）により画定された中央コア内にアノード（５）を配置するために使用される。
【００６９】
この実施例においては螺旋コイルとして示されるが、カソードは他の適切な構成を採用し得る点が理解されよう。例えば、特定の実施形態では、カソードは、長手方向チューブ、コイル、螺旋状構造体、又は他の適切な構造体として構成されてもよく、長手方向軸を有する内部コアを画定してもよく、アノードはこの長手方向軸に沿って配設される。カソードは、実質的に連続的なものであってもよく、又は連続して長手方向に向けられた一連の個別の部材を備えてもよい。カソードは、２又は３以上の巻線数を備える導電性螺旋コイル又は導電性螺旋チューブを備えてもよく、各巻線は、アノードとの組合せにおいて独立した電気化学セルを形成し得る。特定の実施形態では、カソードは、連続的に配列されたリング又は他のかかるユニットのアレイを備えてもよく、各リング又はユニットは、アノードとの組合せにおいて独立した電気化学セルを形成する。本願の教示を考慮する当業者には、適切なカソード／アノード構成が認識され、特定用途に対して適切なカソード／アノード構成の選択が可能であろう。
【００７０】
この実施例では、螺旋カソード（４）及びアノード（５）は、キャビテーションアセンブリ（２）から出る（及び螺旋流パターンを有する）キャビテーションされた水性混合物が外側シェル（１５）パイプにより画定された実質的に円形の断面を有する流路に接触するように、及びこの流路を通過するときに電気吸着アセンブリ（３）のカソード（４）及びアノード（５）に対してさらされた状態になるように、パイプ又はチューブを備える外側シェル（１５）内に包囲される。流路を通過するキャビテーションされた水性混合物の螺旋流と、カソード（４）の螺旋構造（すなわち掌性等）とが、合致することにより、電気吸着装置（３）を通過する流体流抵抗の軽減を実現し、キャビテーションされた水性混合物と電気吸着アセンブリ（３）との間における接触及び滞留時間の増加を実現する。図５は、この実施例において説明される相分離デバイス（１）の電気吸着アセンブリ（３）の（Ａ）導電性螺旋コイルカソード（４）、（Ｂ）ロッド形状アノード（５）、及び（Ｃ）外側シェル（１５）のさらなる詳細を示す。図５（Ｄ）は、外側シェル（１５）が作業中の視覚検査に備えて透明チューブを備える、組み立てられた電気吸着アセンブリ（３）の斜視図を提示する（図の単位はインチであり、非限定的に及び当業者を対象とした例示を目的として示される）。
【００７１】
電気吸着アセンブリ（３）のカソード（４）は、例えば螺旋巻き炭素ベース繊維導電性材料、活性布導電性材料若しくは含浸布導電性材料、陽極処理されたアルミニウム、鉄、ＴｉＯ２、真鍮、又はステンレス鋼、或いは他の適切な導電性材料などを含み得る。相分離デバイス（１）では、ＡＣ電源入力に装着された中央コア正導電性ソースが、核をキャビテーションすることにより発生させられる促進酸化を強化する役割を果たし、結果として脂質−気泡相互作用による脂質−バイオマス−水相分離をもたらし、藻類細胞の極性低下により単一ステップにおける浮選槽内での最終的な藻類の沈殿（重力による）を伴う脂質相及び藻類相の効果的な分離及び浮選がもたらされる。
【００７２】
特定の実施形態では、電気吸着アセンブリのアノードは、炭素、ステンレス鋼、鉄、又は陽極処理されたアルミニウムを含んでもよい。理解されるように、電気吸着アセンブリ（３）は、電気吸着機能を果たし、したがって犠牲アノードを備えない。理解されるように、電気吸着は、電極上における材料又は汚染物質の吸着に基づき、電極材料の放出を伴わない。したがって、電極は、電気吸着の場合において非犠牲的である。
【００７３】
電気吸着アセンブリ（３）による電気吸着相分離は、電気吸着アセンブリ（３）のカソード（４）の表面上における藻類脂質／油の少なくとも幾分かの付着及び／又は凝集を結果的にもたらす。理論に縛られることを望むものではないが、藻類脂質／油は、キャビテーション及び／又は電気吸着アセンブリの作用により生成されるキャビテーションボイド、核、及び／又は他のボイド若しくは蒸気泡上に蓄積し得るものであり、次いでこれらのキャビテーションボイド、核、及び／又は他のボイド若しくは蒸気泡は、電気吸着アセンブリ（３）のカソード（４）に対して付着した状態になり得ると考えられている。さらに、藻類脂質又は藻類油が付着した、カソード付着したキャビテーションボイド及び／又は他のボイド若しくは蒸気泡の圧潰は、カソード（４）における藻類脂質又は藻類油の凝集又は集塊を助長し得る。次いで、藻類脂質又は藻類油は、例えばカソード（４）から回収され得る、及び／又は浮選若しくは他の比重選鉱により回収され得る。例として、電気吸着アセンブリ（３）から出る液体は相分離が可能となり、脂質を多く含む層が収集され得る。特定の実施形態では、電気吸着アセンブリ（３）における電気吸着蒸気泡発生は、相分離による相分離を助長し得るものであり、特に藻類サイズ気泡（すなわち約２〜５μｍ）が、電気吸着アセンブリに適用される圧力、流れ、及び／又はエネルギーの調整により発生される。電気吸着アセンブリ（３）によるエネルギー入力は、促進酸化処理によりキャビテーションされた水性混合物中にキャビテーションボイドを増加させ得ることによって、電気吸着蒸気泡発生を可能にする。さらに、かかる電気吸着蒸気泡発生は、微粒子浮選による相分離を助長し得る。理論に縛られることを望むものではないが、特定の実施形態では、キャビテーション気泡は、例えば藻類培養物における高い集中力及び引張力で圧潰する核として見なされ得る。これにより、初期核が、電気吸着セクションに形成され、気泡発生を増加させることが可能となり得る、分離は、藻類との脂質−気泡付着により生じ得るものであり、例えば分離された層は、微粒子浮選槽内へとチューブを移動し、これが相分離を加速させ得る。
【００７４】
この実施例において説明される相分離デバイス（１）は、単一ステップの様式で動作するように設計され、さらなる化学物質、溶剤、凝集剤、吸着剤、又はｐＨ緩衝剤の追加を必要としない（光バイオリアクタにおける藻類増殖中に培養物に対して供給される栄養素が、藻類水性混合物が処理されるべき例においては存在し得る点が理解されよう）。この実施例で説明されるような単一ステップでの流体力学キャビテーション及び電気吸着設計の組合せは、抽出及び分離の両方のための単一ステッププロセスに関する大型化及び複雑性の軽減に備えたものとなり得る。
【００７５】
理解されるように、相分離デバイス（１）は電気吸着を採用する。電気吸着は、荷電された電極の表面上における分子の電位誘発式吸着として一般的に見なされ、本明細書においては、高比面積電極の使用を伴う相分離のために使用される。電気吸着は、電圧又は電流の印加による電極表面における電気二重層の荷電及び放電を伴う。この点において、電気吸着は、電気凝固又は電気凝集などの従来の電気化学プロセス又はファラデープロセスとは区別され、他の分離プロセスと比較して良好なエネルギー消費を伴う吸着剤ｉｎ−ｓｉｔｕ再生を提供する（例えばYang, K.L., Ying T-Y, Yiacoumi, S., Tsouris, C and Vittoratos, S. Electrosorption of Ions from Aqueous Solutions by Carbon Aerogel: An Electrical Double-Layer Model, Langmuir, 2001, 17 (6), pp 1961-1969を参照、これは参照によりその全体が本明細書に組み込まれる）。図１３は、（Ａ）電気吸着プロセスと（Ｂ）電気凝固プロセスとの例示的な比較を示し、これらの間の相違点を示唆する。
【００７６】
この実施例の相分離デバイスは、約０．１ｇ／Ｌ及び１ｇ／Ｌの藻類濃度を有する藻類水性混合物の処理における最大で約１．５Ｌ／分の連続流動作に関して試験を行った。
【実施例２】
【００７７】
電気吸着キャビテーションを利用した藻類の直接培養物抽出
本明細書において説明されるような相分離デバイスを使用した藻類水性混合物の相分離をテストするために、一連の実験を企画し実施した。試験は、個々のキャビテーションアセンブリ及び電気吸着アセンブリの分析と、本明細書において説明されるような組み合わされた電気吸着キャビテーション相分離デバイスの試験とを含むものであった。
【００７８】
以下の表は、本明細書において説明される電気吸着キャビテーションデバイスを評価するために企画された様々な実験の実験設定及び処理条件を提示する。各テストに関する実験観察結果が、実験設定及び生成された処理済サンプルを示す添付の図面と共に提示される。
【００７９】
【表１】
2020510529.tif 000003
【００８０】
実験設定及び生成された処理済サンプルが図１５に示される。
【００８１】
【表２】
2020510529.tif 000004
【００８２】
実験設定及び生成された処理済サンプルが図１６に示される。
【００８３】
【表３】
2020510529.tif 000005
【００８４】
実験設定及び生成された処理済サンプルが図１７に示される。
【００８５】
【表４】
2020510529.tif 000006
【００８６】
実験設定及び生成された処理済サンプルが図１８に示される。
【００８７】
【表５】
2020510529.tif 000007
【００８８】
実験設定及び生成された処理済サンプルが図１９に示される。
【００８９】
【表６】
2020510529.tif 000008
【００９０】
実験設定及び生成された処理済サンプルが図２０に示される。
【００９１】
【表７】
2020510529.tif 000009
【００９２】
実験設定及び生成された処理済サンプルが図２１に示される。
【００９３】
【表８】
2020510529.tif 000010
【００９４】
実験設定及び生成された処理済サンプルが図２２に示される。
【００９５】
【表９】
2020510529.tif 000011
【００９６】
実験設定及び生成された処理済サンプルが図２３に示される。
【００９７】
【表１０】
2020510529.tif 000012
【００９８】
実験設定及び生成された処理済サンプルが図２４に示される。
【００９９】
【表１１】
2020510529.tif 000013
【０１００】
実験設定及び生成された処理済サンプルが図２５に示される。
【０１０１】
【表１２】
2020510529.tif 000014
【０１０２】
実験設定及び生成された処理済サンプルが図２６に示される。
【０１０３】
【表１３】
2020510529.tif 000015
【０１０４】
実験設定及び生成された処理済サンプルが図２７に示される。
【０１０５】
【表１４】
2020510529.tif 000016
【０１０６】
実験設定及び生成された処理済サンプルが図２８に示される。
【０１０７】
【表１５】
2020510529.tif 000017
【０１０８】
実験設定及び生成された処理済サンプルが図２９に示される。
【実施例３】
【０１０９】
縮小断面積を利用した静電容量ベース分離の評価
縮小断面積を利用した静電容量ベース分離をテストするために一連の実験を企画し実施した。以下の表は、実施した一連のテストの実験設定及び処理条件を提示する。各テストに関する実験観察結果が、実験設定及び生成された処理済サンプルを示す添付の図面と共に提示される。
【０１１０】
【表１６】
2020510529.tif 000018
【０１１１】
実験設定及び生成された処理済サンプルが図３０に示される。
【０１１２】
【表１７】
2020510529.tif 000019
【０１１３】
実験設定及び生成された処理済サンプルが図３１に示される。
【０１１４】
【表１８】
2020510529.tif 000020
【０１１５】
実験設定及び生成された処理済サンプルが図３２に示される。
【０１１６】
【表１９】
2020510529.tif 000021
【０１１７】
実験設定及び生成された処理済サンプルが図３３に示される。
【０１１８】
【表２０】
2020510529.tif 000022
【０１１９】
実験設定及び生成された処理済サンプルが図３４に示される。
【０１２０】
【表２１】
2020510529.tif 000023
2020510529.tif 000024
【０１２１】
実験設定及び生成された処理済サンプルが図３５に示される。
【０１２２】
【表２２】
2020510529.tif 000025
2020510529.tif 000026
【０１２３】
実験設定及び生成された処理済サンプルが図３６に示される。
【０１２４】
【表２３】
2020510529.tif 000027
【０１２５】
実験設定及び生成された処理済サンプルが図３７に示される。
【０１２６】
【表２４】
2020510529.tif 000028
【０１２７】
実験設定及び生成された処理済サンプルが図３８に示される。
【０１２８】
【表２５】
2020510529.tif 000029
【０１２９】
実験設定及び生成された処理済サンプルが図３９に示される。
【０１３０】
【表２６】
2020510529.tif 000030
【０１３１】
実験設定及び生成された処理済サンプルが図４０に示される。
【０１３２】
【表２７】
2020510529.tif 000031
【０１３３】
実験設定及び生成された処理済サンプルが図４１に示される。
【０１３４】
【表２８】
2020510529.tif 000032
【０１３５】
実験設定及び生成された処理済サンプルが図４２に示される。
【０１３６】
【表２９】
2020510529.tif 000033
【０１３７】
実験設定及び生成された処理済サンプルが図４３に示される。
【０１３８】
【表３０】
2020510529.tif 000034
【０１３９】
実験設定及び生成された処理済サンプルが図４４に示される。
【０１４０】
【表３１】
2020510529.tif 000035
【０１４１】
実験設定及び生成された処理済サンプルが図４５に示される。
【実施例４】
【０１４２】
脂質抽出物及び乾燥藻類バイオマスに関するＦＡＭＥ分析
本明細書において説明される方法に従って生成される脂質抽出物及び乾燥藻類バイオマス生成物を評価するために、ＦＡＭＥ（脂肪酸メチルエステル）分析実験を実施した（実施例５を参照）。
【０１４３】
以下の表（表３２）は、４つのサンプル、すなわちＣＶ２バイオマス、ＣＮ２バイオマス、ＣＶ２脂質、及びＣＮ１脂質のＦＡＭＥ分析の結果を提示する。実験プロトコルは実施例５に提示される。実施例５における１５００ｐｓｉ及び１８ｐｓｉ実験ランからの２つのバイオマスサンプル（ＣＮ２及びＣＶ２）をスペクトル分析に提供し、１８ｐｓｉランからの１つの脂質サンプル（ＣＮ１）をさらに分析した。修正Bligh and Dwyer法を利用して溶剤を用いてＣＶ２バイオマスから脂質を抽出し、次いで表３２に示すようにこれらの脂質を分析した。
【０１４４】
材料及び方法
ＦＡＭＥ標準：Supelco（登録商標）37 component FAME mix and PUFA-3（Supelco社、USA）
トリコサン酸メチル（２３：０メチルエステル）：Sigma-Aldrich社、USA
ＭｅＯＨ中のＢＦ３溶液：Sigma-Aldrich社、USA
ＮａＯＨ：Sigma-Aldrich社、USA
ヘキサン：Caledon社、Canada
【０１４５】
実験プロトコル
ＮａＯＨによる直接エステル交換−鹸化とその後のＢＦ３−触媒メチル化を実施した。プロトコルは以下の通りであった。
１．乾燥ねじキャップバイアル内に１０ｍｇ（又は厳密なｍｇ重量）のサンプルを追加する。
２．０．１ｍｇ内標準（トリコサン酸メチル、２３：０メチルエステル）を含む１．０ｍＬのＭｅＯＨを追加する。
３．１０分間にわたり超音波処理する。
４．ＭｅＯＨ中に０．５ｍＬ  １．５ＮのＮａＯＨの溶液を追加し、窒素でブランケットし、キャップ及び混合する。
５．１００℃にて５分加熱し冷却する。
６．ＭｅＯＨ内に１．０ｍＬ  １４％のＢＦ３溶液を追加し、窒素でブランケットし、混合し、１００℃にて３０分間にわたり加熱する。
７．０．５ｍＬの蒸留水を追加し混合する。
８．２．０ｍＬのヘキサンを追加し、窒素でブランケットし、３０秒間にわたりボルテックスする。
９．卓上遠心分離機（Fisher Scientific centrific model 228）を使用し１分間にわたり遠心分離する。
１０．ＧＣバイアルへとヘキサン層（３００〜６００μＬ）を移送し、窒素でブランケットし、分析前に−２０℃にてサンプルを保管する。
１１．サンプル中のＥＰＡ及びＤＨＡの質量が、以下のようにｍｇ／ｇサンプルとして算出される。
ＥＰＡ又はＤＨＡ、ｍｇ／ｇ＝（ＡＸ・ＷＩＳ・ＣＦＸ／ＡＩＳ・ＷＳ・１．０４）・１０００
ここで、ＡＸ＝ＥＰＡ又はＤＨＡのエリア数、ＡＩＳ＝内標準（トリコシル酸メチルエステル）のエリア数、ＣＦＸ＝ＥＰＡ又はＤＨＡに関する理論的検出相関係数（ＥＰＡは０．９９、ＤＨＡは０．９７）、ＷＩＳ＝サンプルに追加されるＩＳ重量（ｍｇ）、ＷＳ＝サンプル重量（ｍｇ）、及び１．０４は脂肪酸ｍｇ／サンプルｇとして結果を表すために必要な係数である。
【０１４６】
また、全ての脂肪酸がその構造に関わらず内標準と同一の反応を有する（すなわち理論的検出相関係数が１に等しい）という前提において、上述と同一の公式を利用して脂肪酸の残りの重量を算出した。
【０１４７】
参考：ＡＯＡＣ公式方法９９１．３９。カプセル状魚油及び魚油メチルエステル及び魚油エチルエステル内の脂肪酸。ガスクロマトグラフィ法。
【０１４８】
【表３２】
2020510529.tif 000036
【実施例５】
【０１４９】
藻類水性混合物の追加試験
２つの高圧テスト（１５００ｐｓｉ）を実施し、両テストにおいて、３０分及び６０分の沈殿期間後における変化は生じなかった（すなわち、垂直システムの頂部に位置する収集タンク内において分離が見られなかった）。低圧テスト中に、クロレラ・ソルキニアナの前回のバッチは収集容器内において非常に明確な分離を示した。実験プロトコルの詳細については実施例６を参照されたい。説明される１５００ｐｓｉ及び１８ｐｓｉにて実施された高圧実験及び低圧実験は、表３２において報告されるサンプル「１」及びサンプル「２」である。
【０１５０】
図４６は、藻類培養物、キャビテーションテスト設定、低圧キャビテーション設定、及び処理後に得られた処理済藻類生成物の図を示す。
【実施例６】
【０１５１】
共生培養物評価
実験プロトコル
Symbiotic Algae Inc.社の藻類培養物（クロレラ・ブルガリス）が提供された。この提供された培養物は、栄養素枯渇状態で取得したものであり、６８０ｕＳ／ｍの低導電性を有し、脂質を生成するための作業中にストレスを被らなかった。湿潤藻類の乾燥含量を調べるために、２．０ｇの湿潤藻類をオーブン内で１０５℃にて一晩にわたり乾燥し、乾燥含量を算出した。電気吸着キャビテーションシステムにおいて低圧〜中圧〜〜高圧キャビテーション（１８ｐｓｉ、２５０ｓｉ、８００ｐｓｉ、及び１１００ｐｓｉ）の下で４００ｍｌバッチ（ラボスケール）〜２０Ｌバッチ（パイロットスケール）を使用して複数のテストを実施した。このシステムは、核のキャビテーションにより発生する促進酸化を強化する役割を果たし、脂質−気泡相互作用による脂質−バイオマス−水相分離と、単一ステップでの藻類細胞の効果的な沈殿をもたらす藻類細胞の極性低下を結果的にもたらす、ＡＣ電源入力（３６Ｖ、１０Ａ）に接続される。ラボスケールからパイロットスケールまで展開されるシステムを検証するために複数の実験を実施した。
【０１５２】
特定の実施形態では、電気吸着キャビテーションは、連続プロセスであってもよく、光バイオリアクタにおける藻類増殖中に培養物に対して供給される栄養素以外のさらなる化学物質、凝集剤、吸着剤、又はｐＨ緩衝剤の追加を伴わずに単一ステップで実施されるようにさらに設計されてもよい。電気吸着キャビテーションプロセスは、接線流入口に対して高圧を印加する複雑なキャビテーション流を適用することにより抽出及び分離の両プロセスを実施するために、バッチ／連続電気吸着−キャビテーション流システムを備えてもよい。
【０１５３】
低圧電気吸着キャビテーションと高圧電気吸着キャビテーションとの間の差異を示す概要は、電気吸着のみを用いたシステムに対するベンチマーク試験である。
【０１５４】
【表３３】
2020510529.tif 000037
【０１５５】
藻類培養物処理を試験する追加実験を実施した。藻類培養物（クロレラ・ブルガリス）を試験した。培養物は、栄養素枯渇状態であり、報告によれば６８０ｕＳ／ｍの低導電性であり、脂質を生成するための作業中にストレスを被らなかった。２つのペールのサンプルは、色が褐色がかり、著しい劣化臭を有した。これらのサンプルは、保管時間及び／又は保管温度に起因して部分的に劣化し得ると推測することができる。
【０１５６】
２０Ｌバッチ及び電気吸着キャビテーション処理を利用して複数のテストを実施した。低圧キャビテーション及び高圧キャビテーションの両方に関する結果を以下に示す。顕微鏡を使用して藻類細胞を分析し、これらの細胞が２〜７ミクロンの間のサイズであることが観察された。培養物を分離し、水サンプルと培養物及び水サンプルの両方とがスペクトル分析のために調製される。動作条件及び収集した結果の概要を、以下の表及び図面に示す。
【０１５７】
【表３４】
2020510529.tif 000038
【０１５８】
実験設定及び生成された処理済サンプルが図４７に示される。
【０１５９】
【表３５】
2020510529.tif 000039
【０１６０】
実験設定及び生成された処理済サンプルが図４８に示される。
【０１６１】
【表３６】
2020510529.tif 000040
【０１６２】
実験設定及び生成された処理済サンプルが図４９に示される。
【０１６３】
【表３７】
2020510529.tif 000041
【０１６４】
実験設定及び生成された処理済サンプルが図５０に示される。
【０１６５】
【表３８】
2020510529.tif 000042
【０１６６】
実験設定及び生成された処理済サンプルが図５１に示される。
【０１６７】
【表３９】
2020510529.tif 000043
【０１６８】
実験設定及び生成された処理済サンプルが図５２に示される。
【実施例７】
【０１６９】
採鉱の影響を被った水の金属分離及び処理
鉱水を用いて実験を実施し、処理後の金属分離を評価した。実験結果は、水中の金属含有量の著しい低下を示した。
【０１７０】
鉱山影響水を、ラボスケールシステムで電気吸着キャビテーションにかけた。藻類−水−脂質抽出及び相分離に関して前述したシステムにおいて電気吸着キャビテーションを用いて、アルミニウム、鉄、及び硫酸塩を多く含む鉱山影響水をバッチ試験した。
【０１７１】
このテスト中に、２０Ｌの鉱水を電気吸着キャビテーションにかけ、ＩＣＰ分析のためにサンプルを収集した。ＩＣＰ結果を以下に示す。
【０１７２】
【表４０】
2020510529.tif 000044
【実施例８】
【０１７３】
電気吸着キャビテーションを利用した藻類培養物処理
１．クロレラ・ソルキニアナからの脂質の抽出
キャビテーションにより処理されたクロレラ・ソルキニアナサンプルは、バイオマスローディング量に対する粗脂質回収率の上昇傾向を示し、０．１ｗｔ％乾燥固体バイオマスローディングにて脂質部分の５０％の回収率に近づくものであった。以下、表４０及び図５３に結果を示す。
【０１７４】
【表４１】
2020510529.tif 000045
【０１７５】
２．異なる藻類培養物の導電性分析
以下、表４１に結果を示す。クロレラ・ブルガリスを除いては、培養物の導電性は、超音波処理後には未処理サンプルに比べて一般的に上昇し、極性細胞内成分の放出を示唆した。
【０１７６】
【表４２】
2020510529.tif 000046
【実施例９】
【０１７７】
Tri-County Protein社ダイズ油を使用した粘度分析
高粘度液体であるダイズ油をキャビテーションにかけると、低周波数キャビテーション及び高周波数キャビテーションのいずれを使用しても著しい変化が見られなかった。２００ｍＬのサンプルを変動時間で及び４／６振幅の変動周波数の変動デューティサイクルで処理した。処理前及び処理後の粘度を記録した。以下、結果を表４２に示す。
【０１７８】
【表４３】
2020510529.tif 000047
【０１７９】
より低い周波数動作の場合には若干の変化が見られたことにより、より高い流量での電気吸着キャビテーションはより高い除去効率を可能にし得る。
【実施例１０】
【０１８０】
ボツリオコッカス・ブラウニーを用いた電気吸着キャビテーション
７２０μＳにて２０ＬのＢＢＭ／水道水において分散系を調製し、これらの分散系を低／高圧にて２ランにわたり使用した。連続動作においてバイオマスを含まない透明な高導電性水を用いてバイオマスと共に、収集物浮選槽内に蓄積した脂質をスキミングした。脂質気泡付着により、脂質−気泡により生じたフロス間の細胞間空間内に細胞が捕獲されてしまった。この分離の課題を解消するために、先のトライアルにおいて、収集した発泡体を漉し器で破壊し、遠心分離し、最小限の水のみが存在するより良好な分離を達成するためにＣＨＣｌ３抽出のための吸引により頂部発泡体層を収集した。化学量論を確立するために最終乾燥バイオマスを定量するように、遠心分離により分離された固体を凍結乾燥した。以下、表４３に結果を示す。
【０１８１】
【表４４】
2020510529.tif 000048
【０１８２】
動作中に、電気吸着システムは、脂質又はバイオマスを含まない透明な水流を実現するために３０Ｖ  ＤＣ及び１０Ａにて動作された。
【実施例１１】
【０１８３】
脂質収量の低い海産培地を用いて増殖されたナンノクロロプシス（Nanochloropsis）株
【０１８４】
【表４５】
2020510529.tif 000049
【０１８５】
この調査中には、低脂質収量の藻類に関する技術的可能性の判定と、本願の電気吸着キャビテーション方法（ｅＣａｖ）の可能性を電気吸着又はキャビテーションと個別に比較することとに焦点を置いた。脂質抽出物回収率は処理後により高くなり、また導電性が上昇し脂質放出を示唆した。
【０１８６】
未処理サンプルを、キャビテーション、５分３６Ｖ電気吸着、及び電気吸着キャビテーション処理と比較した。各プロセスの利点を決定しそれらを電気吸着キャビテーション処理と比較するために、処理の顕微鏡写真（図５４）を取得した。以下、表４４に結果を示す。
【０１８７】
【表４６】
2020510529.tif 000050
【０１８８】
結果：バイオマス収量は、未処理サンプル又はキャビテーションのみによる処理に比較して電気吸着処理に関しては約２倍であり、電気吸着キャビテーションと同様であり、イオン種の沈殿物は観察されなかった。電気吸着後の遠心分離の後の上澄みは、未処理サンプル又はキャビテーションのみにより処理されたサンプルよりもはるかに透明であった。顕微鏡写真（図５４）は、未処理サンプル及びキャビテーション処理サンプル内の浮遊細胞を示し、一方で電気吸着及び電気吸着キャビテーションにより処理されたサンプルは、集塊を示した。
【０１８９】
増殖培地の塩気を含む性質により、システムは他の汚染物質にさらされ、イオン種の沈殿はクリティカルであり、導電性低下に相当し得る。
【０１９０】
電気吸着キャビテーションでの導電性低下は、キャビテーション中に開始される促進酸化プロセスが電気吸着の即時開始によりさらに強化されるためキャビテーションよりも実質的に高く、脂質を放出しないが初期化されたキャビテーションボイドを放出する促進酸化プロセスは、さらなるエネルギー散逸を増大させ、結果として藻類細胞の集塊促進ではなく得られる脂質を追加させる。したがって、電気吸着キャビテーションの利点の示唆が、より高い導電性と溶液内のｐＨとにより与えられる。これらの所見を確認するために、図５４に示す顕微鏡写真は、電気吸着キャビテーションを利用した溶液の全体にわたる細胞の集塊を示す。これは、電気吸着処理の場合では観察されず、散在的な集塊エリアが観察された。
【実施例１２】
【０１９１】
電気吸着キャビテーションを利用した鉱山の影響を被った水の処理
１．炭鉱の影響を被った水からセレンを除去するための最適条件の展開
除去効率を判定するために、炭鉱水に対する電気吸着キャビテーションに加えて様々な促進酸化処理方法を適用した。超音波ベース方法は、大型スケール鉱水に限定される。この作業の目的は、石炭採鉱の影響を被った水からセレンを除去するために高容積（スループット）処理に対応するためのアプローチを展開することであった。
【０１９２】
調整された石炭採鉱廃水は、ｐＨ７．６８の初期値を有する。異なる実験条件は以下の通りである。
Ｓ１：周波数５７４ｋＨｚ、電源入力５０％、超音波処理時間３０分でキャビテーション処理
Ｓ２：周波数４０ｋＨｚ、振幅５０％、超音波処理時間１時間でキャビテーション処理
Ｓ３：周波数２０ｋＨｚ、振幅８０％、超音波処理時間１時間でキャビテーション処理
Ｓ４：１ｍｌのＨ２Ｏ２、０．２ｇのＦｅＳＯ４．７Ｈ２Ｏ、ｐＨ７．６８を追加し、２００ｒｐｍにて１時間にわたり加振することによる酸化処理
Ｓ５：０．２ｇのＦｅＳＯ４．７Ｈ２Ｏ、ｐＨ７．６８の追加、周波数４０ｋＨｚ、電源入力８０％、超音波処理時間１時間、サンプル容積３５０ｍＬで酸化−キャビテーション処理
Ｓ６：オゾン量６０Ｌ／ｈ、オゾン処理時間３０分、サンプル容積３５０ｍＬ、ｐＨ７．６８でオゾン処理
Ｓ７：電気吸着キャビテーション処理
Ｓ８：１ｍｌのＨ２Ｏ２、０．２ｇのＦｅＳＯ４．７Ｈ２Ｏ、ｐＨ（２．５〜３．５）を追加し、サンプル容積３５０ｍＬを２００ｒｐｍにて１時間にわたり加振することによる酸化処理
【０１９３】
各処理後にＵＶ−Ｖｉｓ分光測光を使用することによりセレン濃度を測定した。これらのテストは３回繰り返した。それらの結果を既知のセレン濃度を有するブランク溶液と比較した。ＵＶ−Ｖｉｓにより得られた全ての結果を本方法の検証のためにＩＣＰ−ＭＳ結果と比較した。ＵＶ−Ｖｉｓサンプルスペクトル分析は、図５５に示される。以下、表４５において処理プロセス中に得られた異なる結果を示す。
【０１９４】
【表４７】
2020510529.tif 000051
【０１９５】
キャビテーションシステムの調整：上記の条件を利用して、初生キャビティのみを形成するために減圧にて電気吸着キャビテーションシステムにおけるキャビテーションを実施した。
キャビテーション圧力      廃水中のセレン濃度
Ｐｓｉ                    ｍｇ／Ｌ
１５００                  ４３０
１１００                  １７０
６００                    ７８
３００                    １９
２５０                    ８（初生キャビテーション）
【０１９６】
２．金鉱山プロセス水処理
ｉ．セレン除去
金鉱山処理水のサンプルであるサンプルＣＡＶ−Ｓ２を金精錬作業から取得した。処理は、セレン除去のみに焦点を置いた。以下で表４６に示すように、オリジナル鉱水（Ｓｅ＝１ｐｐｍの濃度）からのセレンの０．３６９ｐｐｍへの大幅な削減がこの処理により達成された。サンプルＣＡＶ−Ｓ１０、ＣＡＶ−Ｓ１１、及びＣＡＶ−Ｓ１２に関する結果は、電気吸着キャビテーションシステムにおけるセレン除去に及ぼすキャビテーション圧力の変化の影響を示す。
【０１９７】
【表４８】
2020510529.tif 000052
【０１９８】
ｉ．塩除去
セレンを多くは含まない金採鉱水及び金抽出水の処理は、塩及び銅などの汚染物質を必ず含有する。表４７は、２５０ｐｓｉの初生キャビテーション条件並びに３０Ｖ及び１０Ａの電気吸着動作での塩及び銅の除去効率を示す。
【０１９９】
【表４９】
2020510529.tif 000053
【実施例１３】
【０２００】
連続電気吸着キャビテーションの分離プロセスにおいて実施される電気吸着及びキャビテーションとの比較
本装置及び本方法に伴う２つのプロセスが同等の結果を有しながら分離させることができないことを実証するために、（ｉ）連続電気吸着キャビテーションプロセスとして、及び（ii）キャビテーション後の中間タンクが別個のポンプを使用して同一流量にて電気吸着プロセス段階へと汲み出される２つの異なるプロセス段階として電気吸着キャビテーション機器を動作させた。
【０２０１】
７２０μＳの導電性を有する基礎ミネラル培地に０．５ｇ／Ｌで分散したボツリオコッカス・ブラウニー培養物からなる水性供給物を、２つの異なる構成にかけた。１．電気吸着キャビテーション、及び追加の滞留時間を伴わずに３６ＶＤＣ／１０Ａにて電気吸着システム内に直接提供される３００ｐｓｉでの低圧キャビテーションにかけた。さらに、２．同一の培養物を低圧キャビテーションにかけ、キャビテーション出口流をリザーバ内に収集し、次いで電気吸着システム内に汲み出した。７２０μＳの導電性を有する基礎ミネラル培地内に０．５ｇ／Ｌで分散したボツリオコッカス培養物からなる水性供給物を、３００ｐｓｉにてノズルを介してキャビテーションにかけ、電気吸着のために３６ＶＤＣ／１０Ａにて鋼コイル及びアルミニウムロッド電極を含むカラム内に直接供給した。
【０２０２】
順次の別個のキャビテーション処理及び電気吸着処理の効果を比較するために、供給物をキャビテーションノズルに通してさらにランし、その後５分の休止期間を置くことにより電気吸着前に発生したキャビテーション気泡の消失を可能にした。次いで、供給物を、一体のキャビテーション−電気吸着実験で使用される同一の流量にて電極カラムに通すことにより、各処理において同様の滞留時間を生じさせるが、プロセスにおいて５分の滞留時間を有する電気吸着中に活性キャビテーション気泡の存在により引き起こされる相乗効果を除去した。
【０２０３】
サンプルの写真、バイオマスの顕微鏡写真、及び光学密度測定値を取得した。以下、これらを表４８において並びに図５６及び図５７において示す。電気吸着前の遅延が後に続く分離キャビテーションにかけられた同一のサンプルに対する、一体の電気吸着キャビテーションプロセスに関する脂質層（発泡体）の量における大きな増加が示される。
【０２０４】
光学密度測定値は、供給物に対して約５０％だけ低下し、分散系からのバイオマスの除去を示唆するものとなった。
【０２０５】
【表５０】
2020510529.tif 000054
【実施例１４】
【０２０６】
金採鉱廃水処理
５．４の高い濁度を有する金鉱山廃水を電気吸着キャビテーション（ｅ−Ｃａｖ）にかけた。以下、その水質を表４８に示す。ｅ−Ｃａｖの前後に金属含有量を判定するために実施される分析試験は、ナトリウムにおいて著しい減少がある（約４５％の減少）ことを示す。これは、このプロセスが鉱水廃水からの脱塩用途のために適用され得ることを示唆する。
【０２０７】
【表５１】
2020510529.tif 000055
【０２０８】
同一の鉱山の影響を被った水に関するより低い供給物濁度の影響を調査するために、濁度の低い前処理済サンプルを電気吸着キャビテーションプロセスにかけた。以下、初期廃水特徴及び処理済廃水特徴を表４９に示す。
【０２０９】
ｅ−Ｃａｖプロセスは、除去困難な汚染物質であるセレンにおいて著しい減少を伴った金属の減少を示す。  
【０２１０】
【表５２】
2020510529.tif 000056
【実施例１５】
【０２１１】
最良の利用可能な物理化学的技術（イオン交換及び吸着）間におけるセレン除去のベンチマークテスト
本明細書において説明されるセレン抽出結果を、最良の利用可能な技術すなわちイオン交換プロセスを用いてさらにベンチマークテストした。
・原料炭水からのセレンの除去をベンチマークテストするために、強塩基性アニオン樹脂（Amberlite IRA 410）を用いたイオン交換を評価した（上記の同一の原料炭の影響を被った水サンプルを、イオン交換及び吸着にかけた）。（図５８を参照）
・１ｐｐｂ未満のはるかにより低いセレンが完全再生された床を用いて得られた。しかし９未満の床ボリュームにおいて、６０ｐｐｂを上回るセレンの大量発生（あらゆる既知の環境放出限度を超える）が実現され、完全除去は１５の床ボリュームにて生じたため、このプロセスは大容積の鉱山の影響を被った水に対しては適さなかったことを示す。
【０２１２】
イオン交換と電気吸着キャビテーションとの性能を比較するために、同一の水サンプルをｅ−Ｃａｖシステムに通してランし、廃水セレン濃度が１００を超える床ボリューム（等価の）に関して一貫して８ｐｐｂとなることが確認された。
【０２１３】
また、特殊なオキシアニオン吸着剤を使用して同一の原料炭の影響を被った鉱水を用いたプロセスのベンチマークテストを実施した。（図５９を参照）。ADSORBSIA（商標）As600培地は、ヒ素に対する強い親和性を有する使用の容易な粒状酸化チタンである（水中におけるヒ素のオキシアニオン形態であるヒ酸塩又は亜ヒ酸塩として存在する、鉛、及び他の重金属。この独特の培地は、非再生用途向けに設計される。Dow社の酸化チタンベース技術の固有の高吸着性能は、広範囲の飲料水用途における使用に適した力学的に安定した粒状状態へと製剤化されている。チタンをベースとするため、ADSORBSIA As600は、鉄ベース培地と同様に微生物増殖を補助しない。しかし、図５９に示すように、石炭の影響を被った鉱山廃水のセレン濃度は、１５の床ボリュームに対してはAs-600の使用によっても大きな影響は得られず、廃水濃度は、評価全体を通じて４００ｐｐｂ又はそれよりも高かった。この包括的実験は、２０の床ボリュームに関しては１７５ｐｐｂまでの減少を示したが、プロセスサイクルの終了時には廃水放出限度からは大きく外れるものとなった。
【０２１４】
１又は２以上の例示的な実施形態を例として説明した。特許請求の範囲に定義されるような本発明の範囲から逸脱することなく複数の変更及び修正をなし得ることが、当業者には理解されよう。
【図１】
2020510529.tif 000057
【図２】
2020510529.tif 000058
【図３】
2020510529.tif 000059
【図４】
2020510529.tif 000060
【図５−１】
2020510529.tif 000061
【図５−２】
2020510529.tif 000062
【図６】
2020510529.tif 000063
【図７】
2020510529.tif 000064
【図８】
2020510529.tif 000065
【図９】
2020510529.tif 000066
【図１０】
2020510529.tif 000067
【図１１】
2020510529.tif 000068
【図１２】
2020510529.tif 000069
【図１３】
2020510529.tif 000070
【図１４】
2020510529.tif 000071
【図１５】
2020510529.tif 000072
【図１６】
2020510529.tif 000073
【図１７】
2020510529.tif 000074
【図１８】
2020510529.tif 000075
【図１９】
2020510529.tif 000076
【図２０】
2020510529.tif 000077
【図２１】
2020510529.tif 000078
【図２２】
2020510529.tif 000079
【図２３】
2020510529.tif 000080
【図２４】
2020510529.tif 000081
【図２５】
2020510529.tif 000082
【図２６】
2020510529.tif 000083
【図２７】
2020510529.tif 000084
【図２８】
2020510529.tif 000085
【図２９】
2020510529.tif 000086
【図３０】
2020510529.tif 000087
【図３１】
2020510529.tif 000088
【図３２】
2020510529.tif 000089
【図３３】
2020510529.tif 000090
【図３４】
2020510529.tif 000091
【図３５】
2020510529.tif 000092
【図３６】
2020510529.tif 000093
【図３７】
2020510529.tif 000094
【図３８】
2020510529.tif 000095
【図３９】
2020510529.tif 000096
【図４０】
2020510529.tif 000097
【図４１】
2020510529.tif 000098
【図４２】
2020510529.tif 000099
【図４３】
2020510529.tif 000100
【図４４】
2020510529.tif 000101
【図４５】
2020510529.tif 000102
【図４６−１】
2020510529.tif 000103
【図４６−２】
2020510529.tif 000104
【図４７】
2020510529.tif 000105
【図４８】
2020510529.tif 000106
【図４９】
2020510529.tif 000107
【図５０】
2020510529.tif 000108
【図５１】
2020510529.tif 000109
【図５２】
2020510529.tif 000110
【図５３】
2020510529.tif 000111
【図５４】
2020510529.tif 000112
【図５５】
2020510529.tif 000113
【図５６−１】
2020510529.tif 000114
【図５６−２】
2020510529.tif 000115
【図５６−３】
2020510529.tif 000116
【図５７】
2020510529.tif 000117
【図５８】
2020510529.tif 000118
【図５９】
2020510529.tif 000119
【国際調査報告】
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2020510529.tif 000121