Способ и аппарат для удаления диоксида углерода (со) из потока газообразных веществ - RU2603736C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к области снижения выбросов CO₂, более конкретно к захвату и превращению CO₂. Изобретение дополнительно относится к культивированию водорослей.

Сохраняющаяся зависимость получения энергии от ископаемого топлива и оказываемые на окружающую среду эффекты от сжигания такого топлива в целом связаны с возрастающими изменениями климата, которые наблюдают по всему миру. При сжигании такого топлива образуется диоксид углерода (CO₂), так называемый парниковый газ, который ранее в целом высвобождался в атмосферу. По причине эффектов парниковых газов, оказываемых на окружающую среду, которые ведут, например, к глобальному потеплению, идут непрерывные исследования по снижению выбросов CO₂ в атмосферу. Один способ снижения выбросов CO₂ в атмосферу заключается, например, в захвате и хранении CO₂. Классический способ, используемый при захвате CO₂, представляет собой реакционную абсорбцию с последующей тепловой регенерацией поглощающей жидкости (Figueroa et al., International Journal of Greenhouse Gas Control 2008, 2(1), 9-20). Амины, используемые для захвата CO₂ из потоков газообразных веществ, вступают в реакцию для того, чтобы формировать водорастворимые соединения, которые разрушаются при нагревании для того, чтобы высвобождать CO₂. Моноэтаноламин (МЕА) представляет собой регулярно используемое основание для захвата CO₂, хотя прилагались усилия для того, чтобы разработать другие возможности. Однако высокая потребляемая энергия, которую используют для регенерации поглощающей жидкости, делает этот способ менее подходящим. Помимо этого способа, непрерывная работа происходит над новыми технологиями для захвата CO₂, такими как использование газовых мембранных контактных фильтров (Powell et al., Journal of Membrane Science 2006, 275 (1-2), 1-49), процесс с охлажденным аммиаком (Darde et al., International Journal of Greenhouse Gas Control 2010, 4(2), 131-136), образование карбонатов (Favre et al., Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic 2009, 60(3-4), 163-170) и использование ионных жидкостей (Hasib-ur-Rahman et al., Chemical Engineering and Processing: Process Intensification 2010, 49(A), 313-322).

Однако после захвата CO₂ все еще сохраняется необходимость изолировать или использовать CO₂, другими словами, не выпускать его в атмосферу. До настоящего изобретения, захват и хранение CO₂ с изоляцией в геологических формах привлекало внимание (Figueroa et al., International Journal of Greenhouse Gas Control 2008, 2(1), 9-20). Также другими изучены способы превращения захваченного газа в метан, бетон и даже использование в получении сахара.

В WO-A-2010/151787 раскрыта абсорбция CO₂ раствором карбоангидразы и использование получаемых бикарбонатных ионов для того, чтобы содействовать росту водорослей. Однако в этом документе не раскрыто разделение богатой поглощающей жидкости на две фракции, одна из фракций имеет более высокую концентрацию фермента, чем другая.

В Ramanan et al. (Bioresource Technology 20101012616-2622) раскрыто изолирование CO₂ с использованием водорослей Chlorella sp. и Spirulina platensis. В этом документе также не раскрыто разделение богатой поглощающей жидкости на две фракции, одна из фракций имеет более высокую концентрацию фермента, чем другая. Кроме того, в Ramanan et al. ничего не сказано о повторном использовании.

Одна цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предоставить альтернативный способ захвата и превращения CO₂ из потока газообразных веществ.

Для того чтобы достичь указанной цели, в настоящем изобретении катализируемый ферментом захват CO₂ объединен с ростом водорослей. Комбинация этих двух имеет преимущества над известными в данной области способами. Одно преимущество заключается, например, в том, что регенерация поглощающей жидкости не требует (высокой) потребляемой энергии, поскольку регенерацию выполняют посредством водорослей, предпочтительно с использованием солнечной энергии (солнечного света).

В первом варианте осуществления, следовательно, изобретение относится к способу снижения количества диоксида углерода (CO₂) в потоке газообразных веществ, способ включает стадии:

(1) приведение в контакт потока газообразных веществ, содержащего CO₂, с первым потоком поглощающей жидкости, которая содержит фермент, способный превращать поглощенный жидкостью CO₂ в более растворимый в жидкости неорганический углерод,

(2) предоставление CO₂ возможности быть поглощенным указанной первой поглощающей жидкостью и предоставление поглощенному жидкостью CO₂ возможности быть превращенным в указанный более растворимый неорганический углерод,

(3) разделение первого потока жидкости, содержащего как фермент, так и растворенный неорганический углерод, на второй и третий поток жидкости, где

(4) указанный второй поток жидкости содержит, относительно указанного третьего потока жидкости, более высокую концентрацию фермента,

(5) повторное использование указанного фермента посредством подачи фермента обратно в указанный второй поток жидкости вместе с частью поглощающей жидкости, подлежащей приведению в контакт с потоком газообразных веществ на стадии (1) способа,

(6) приведение в контакт указанного третьего потока жидкости с микроорганизмом, предпочтительно водорослью, способным превращать растворенный в жидкости неорганический углерод в кислород, и/или биомассу, и/или другие продукты водорослей,

(7) предоставление возможности превращения растворимого в жидкости неорганического углерода посредством указанного микроорганизма, тем самым регенерируя поглощающую жидкость,

(8) повторное использование регенерированной поглощающей жидкости, подлежащей приведению в контакт с потоком газообразных веществ на стадии способа (1), предпочтительно посредством первого объединения регенерированной поглощающей жидкости с повторно используемым ферментом со стадии (5).

Использование биологических систем для превращения CO₂ уже исследовали, однако до настоящего изобретения это не использовали в комбинации с катализируемым захватом CO₂. Наблюдали, что водоросли, например, подходят для превращения CO₂ в воду и кислород, по меньшей мере в условиях лабораторного масштаба. Водоросли представляют собой простые фотосинтетические формы жизни, которые способны непосредственно превращать CO₂ в энергию. Водоросли представляют собой потенциальный источник биомассы и химические продукты тонкого органического синтеза, причем усилия прикладывают для того, чтобы модифицировать водоросли для получения биотоплива. Следовательно, непосредственное использование водорослей для удаления CO₂ из газовых потоков вызывает некоторый интерес (Skjanes et al., Biomolecular Engineering 2007, 24(4), 405-413). Однако все еще необходимо выполнить работу по введению CO₂ в эти водоемы с водорослями, принимая во внимание тот факт, что непосредственный впрыск выхлопного газа в водоемы требует большой площади поверхности, а также ведет к неэффективному захвату содержащегося CO₂. Производство CO₂ на угольной электростанции 500 МВт составляет значительно больше 2,5 миллионов тонн CO₂ в год. Для непосредственного впрыска в водоем с водорослями необходим открытый водоем площадью порядка 5-10 км². Типично, на земельном массиве, необходимом для водоемов с водорослями, ограничено использование захватываемого CO₂ для роста водорослей.

Настоящее изобретение относится к идее о том, что за счет объединения каталитического превращения CO₂ в растворимый органический углерод и превращения растворимого органического углерода водорослями, водоемы с водорослями меньшего размера можно использовать для того, чтобы превращать большую часть CO₂, образуемого электрической станцией. Принимая во внимание то, что CO₂ вводят в водоем в растворенной форме, это непосредственно повышает эффективность захвата CO₂ водорослями по сравнению с непосредственным впрыском CO₂, за счет чего его часть теряется. Эта повышенная эффективность доставки CO₂ может вести к снижению удельной площади поверхности водоема вплоть до 1,5-2 раз.

Любой поток газообразных веществ, содержащий CO₂, можно использовать в способе в соответствии с изобретением. В предпочтительном варианте осуществления поток газообразных веществ представляет собой богатый CO₂ поток газообразных веществ, предпочтительно топочный газ. Использование топочного газа в качестве богатого CO₂ потока газообразных веществ в способе в соответствии с изобретением имеет такое преимущество, что снижение выбросов CO₂ (угольными) электрическими станциями объединяют с ростом водорослей. Снижение выбросов CO₂ является важным, поскольку, в качестве парникового газа, CO₂ отвечает за глобальные изменения климата. Как дополнительно описано ниже, получаемые тем самым водоросли имеют множество полезных применений.

Каталитического превращения CO₂ можно достичь несколькими известными в данной области способами. Некоторые способы включают использование фотокатализа, систем смешанных аминов, за счет чего один действует больше в качестве ускорителя для второго амина, и железные катализаторы для получения углеводородов и полимеров. Однако предпочтительно катализатор, используемый в способе в соответствии с изобретением, представляет собой фермент, предпочтительно карбоангидразу.

Ферменты карбоангидразы (также обозначаемые как ферменты карбонат ангидразы; EC 4.2.1.1) представляют собой ферменты, способные катализировать гидратацию CO₂ в водных жидкостях, и присутствуют в биологических системах. Одна молекула карбоангидразы может гидратировать приблизительно 36000000 молекул диоксида углерода за период в шестьдесят секунд. Ферменты угольного ангидрида присутствуют практически во всех животных и способны не только катализировать гидратацию CO₂ в бикарбонат, но также обратную реакцию, т.е. дегидратацию бикарбоната. Карбоангидраза является одним из самых быстрых известных ферментов с высокой скоростью оборота (Davy, Energy Procedia 2009, 2(1), 885-892) и фермент является устойчивым, что делает возможным использование в промышленных условиях. Для карбоангидразы млекопитающих известно по меньшей мере 14 изоформ. Эти ферменты карбоангидразы млекопитающих разделены на четыре больших подгруппы, в зависимости от нахождения в ткани или клеточном компартменте (например, ассоциированные с цитозолем, митохондрией и мембранами). Известно, что карбоангидразой с самой высокой скоростью обращения является карбоангидраза II. Известно, что карбоангидраза IV имеет особенно высокую температурную стабильность и полагают, что ее стабильность обусловлена двумя дисульфидными связями в ферменте. Также аналоги ферментов карбоангидраз способны превращать поглощенный жидкостью CO₂ в более растворимый в жидкости неорганический углерод.

Эти характеристики карбоангидразы делают ее привлекательной для использования в захвате CO₂ из потоков выхлопных газов (Favre et al, Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic 2009, 60(3-4), 163-170 и Dilmore et al., International Journal of Greenhouse Gas Control 2009, 3(4), 401-410). Выполнена работа с использованием карбоангидразы для превращения CO₂ из этих потоков выхлопных газов в твердые формы карбоната, которые далее можно использовать.

Следовательно, в предпочтительном варианте осуществления предоставлен способ снижения количества диоксида углерода (CO₂) в потоке газообразных веществ в соответствии с изобретением, где указанный фермент представляет собой карбоангидразу или ее аналог.

Несмотря на то, что комбинация карбоангидразы и превращения в бикарбонат задокументирована ранее (Favre et al., Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic 2009, 60(3-4), 163-170), в настоящем изобретении используют фермент, такой как карбоангидраза или ее аналог, для образования бикарбоната при непосредственном внесении в водоем с водорослями. Эту благоприятную комбинацию фермента для превращения CO₂ в бикарбонат и превращение бикарбоната водорослями не использовали ранее. Теперь изобретение предоставляет идею о том, что объединение ферментативного превращения CO₂, предпочтительно посредством карбоангидразы или ее аналога, и превращение получаемого растворимого неорганического углерода водорослями имеет огромные преимущества, в частности, когда объединяют с дополнительными признаками, такими как повторное использование фермента и повторное использование жидкости, способной поглощать CO₂ из потока газообразных веществ. Эти аспекты объяснены более подробно далее.

В предпочтительном варианте осуществления фермент, предпочтительно карбоангидразу или ее аналог, используют для того, чтобы гидратировать CO₂, что ведет к образованию бикарбоната (уравнение 1), который предпочтительно непосредственно подают в водоем с водорослями после стадии разделения.

CO₃^2-+CO₂+H₂O↔2HCO₃^- Уравнение 1

Стадия разделения служит для повторного введения фермента в поглощающий блок без прохождения фермента сначала в водоем с водорослями или биореактор. Таким образом, фермент можно повторно использовать без значительных потерь, которые будут возникать, если фермент подавать с поглощающей жидкостью в водоем с водорослями. В способе по изобретению поглощающая жидкость, содержащая бикарбонат, которую подают в водоем с водорослями, таким образом, предпочтительно, по существу не содержит фермент, используемый для превращения. Водоросли способны использовать бикарбонат из поглощающей жидкости для того, чтобы продуцировать глюкозную биомассу согласно уравнению 2. Водоросли также могут непосредственно использовать CO₂ при образовании других продуктов водорослей, таких как жиры.

6CO₂+12H₂OC₆H₁₂O₆+6O₂+6H₂O Уравнение 2

Таким образом, водоросли способны превращать CO₂, поглощаемый посредством поглощающей жидкости, в глюкозу и кислород. Глюкозу и кислород могут использовать водоросли для того, чтобы получать энергию и/или биомассу. Во время процесса фотосинтеза поглощающую жидкость можно регенерировать и извлекать. В способе по изобретению регенерированную поглощающую жидкость повторно вводят из водоема с водорослями в поглощающий блок. Перед тем, как поглощающую жидкость повторно вводят в поглощающий блок, ее предпочтительно объединяют с потоком жидкости, содержащим фермент, который повторно вводят из стадии разделения в поглощающий блок. Однако два потока содержат повторно используемый фермент, соответственно, собранную поглощающую жидкость, также можно объединять в поглощающем блоке или даже после этого два предоставленных потока объединяют выше по потоку относительно фильтровального блока.

Для того чтобы фермент, предпочтительно карбоангидраза или ее аналог, катализировал превращение CO₂ в растворимый неорганический углерод, CO₂ нужно сначала поглощать посредством поглощающей жидкости. Водные растворы самопроизвольно поглощают CO₂, хотя и в низких концентрациях и с низкой скоростью поглощения. Скорость поглощения и концентрацию CO₂ в поглощающей жидкости, например, можно повышать с помощью растворителей, способных усиливать поглощение CO₂.

В предпочтительном варианте осуществления предоставлен способ в соответствии с изобретением, где указанная поглощающая жидкость содержит растворитель, способный усиливать поглощение CO₂ указанной поглощающей жидкостью. В более предпочтительном варианте осуществления указанный растворитель содержит бикарбонат (HCO₃^-), карбонат (CO₃^2-), первичный, или вторичный, или третичный амин или аминокислоту.

Каталитическое превращение, таким образом, предпочтительно ведет к неорганическому углероду, который более растворим в поглощающей жидкости, чем CO₂. Даже более предпочтительно, более растворимый неорганический углерод содержит анион HCO₃^- и/или CO₃^2-. Такие анионы могут захватывать водоросли и использовать для превращения в биомассу и/или кислород. Следовательно, в предпочтительном варианте осуществления предоставлен способ в соответствии с изобретением, где указанный более растворимый неорганический углерод содержит HCO₃^- и/или CO₃^2-.

Как описано выше, способ в соответствии с изобретением включает разделение потока жидкости, содержащего как фермент, используемый для превращения CO₂, так и растворимый неорганический углерод, на два отдельных потока жидкости. Предпочтительно по меньшей мере часть фермента используют повторно так, что он снова доступен в потоке поглощающей жидкости, когда его приводят в контакт с содержащим CO₂ потоком газообразных веществ. Поскольку, в целом, фермент является дорогостоящим, предпочтительно по меньшей мере часть фермента используют повторно. Этого достигают с помощью средства, способного отделять фермент вместе с частью поглощающей жидкости от остальной части поглощающей жидкости. Таким образом, вместо добавления растворенного неорганического углерода вместе с ферментом в водоросли фермент используют повторно в поглощающем блоке во избежание потерь из-за инактивации или разрушения фермента в водоеме с водорослями. Предпочтительно по меньшей мере 50% фермента отделяют от остальной части указанного потока жидкости и используют повторно. Более предпочтительно по меньшей мере 60%, более предпочтительно по меньшей мере 70%, более предпочтительно по меньшей мере 80%, более предпочтительно по меньшей мере 85%, более предпочтительно по меньшей мере 90%, более предпочтительно по меньшей мере 95%, более предпочтительно по меньшей мере 97%, более предпочтительно по меньшей мере 99%, наиболее предпочтительно по меньшей мере 99,9% отделяют от остальной части поглощающей жидкости и используют повторно для того, чтобы приводить в контакт с потоком газообразных веществ, содержащим CO₂. Предпочтительно часть поглощающей жидкости, которую отделяют вместе с ферментом, относительно меньше части отделяемого фермента. Другими словами, фермент присутствует в более высокой концентрации в части поглощающей жидкости по отношению к концентрации фермента в остальной части поглощающей жидкости. Таким образом, предпочтительно меньше чем 50%, более предпочтительно меньше чем 40%, более предпочтительно меньше чем 30%, более предпочтительно меньше чем 20%, более предпочтительно меньше чем 10%, наиболее предпочтительно меньше чем 5% поглощающей жидкости используют повторно вместе с ферментом и их не подают в водоем с водорослями или биореактор. Эффективность, с которой фермент используют повторно, можно выражать с помощью параметра, называемого эффективностью разделения, где эффективность разделения определяют настоящим с помощью уравнения 3:

Эффективность разделения =

(100-% жидкости)/(100-% фермента) Уравнение 3.

где % жидкости представляет собой процентную долю жидкости, которая попадает в рециркулирующий поток, а % фермента представляет собой процентную долю катализатора, которая попадает в рециркулирующий поток. Конечно, 100 % жидкости и 100 % фермента, таким образом, представляют собой процентную долю жидкости и процентную долю фермента, соответственно, которые попадают в водоем с водорослями или реактор.

Таким образом, если 50% фермента используют повторно вместе с 50% поглощающей жидкости, эффективность разделения составляет (100-50)/(100-50)=1. Однако только если 10% жидкости используют повторно вместе с 80% фермента, эффективность разделения составляет (100-10)/(100-80)=4,5. Для эффективного отделения и повторного использования фермента, указанная эффективность разделения предпочтительно составляет выше 1, более предпочтительно по меньшей мере 2, более предпочтительно по меньшей мере 4, более предпочтительно по меньшей мере 10, более предпочтительно по меньшей мере 20, более предпочтительно по меньшей мере 40, наиболее предпочтительно по меньшей мере 90. Эффективность разделения по меньшей мере 90 можно достигать, например, когда 10% или меньше жидкости используют повторно вместе с по меньшей мере 99% фермента ((100-10)/(100-99)=90). Эффективности разделения более 500 можно достичь, если % фермента, который используют повторно, больше 99,9%. Конечно, весьма предпочтительно повторно использовать больше чем 99,9% фермента, поскольку это значительно препятствует потере фермента во время работы.

Специалисты знают о способах отделения белковых соединений в потоке жидкости. Предпочтительным способом является использование фильтров, например полимерного или керамического мембранного фильтра, которые эффективны при отделении белковых молекул. Типично, ультрафильтрующую мембрану можно использовать для того, чтобы эффективно извлекать ферменты из потока перед подачей в водоем с водорослями. Однако посредством сшивки фермента можно формировать большие сшитые агрегаты ферментов (CLEA), которые можно фильтровать даже с использованием микрофильтрующих мембран, таким образом повышая извлечение ферментов. В предпочтительном варианте осуществления, таким образом, изобретение предоставляет способ в соответствии с изобретением, где разделение первого потока жидкости, содержащего как фермент, так и растворимый неорганический углерод, на указанный второй и указанный третий поток жидкости осуществляют посредством использования фильтра, предпочтительно полимерного или керамического мембранного фильтра.

Полезно повышать поглощение CO₂ поглощающей жидкостью для того, чтобы повышать количество CO₂, которое впоследствии можно каталитически превращать в растворимый неорганический углерод. Как указано выше, этого можно достичь посредством добавления растворителей, способных растворять CO₂ в поглощающей жидкости. Другая возможность состоит в снижении pH поглощающей жидкости. Когда вода поглощает CO₂, в ней обратимо образуется слабая кислота, называемая угольной кислотой, H₂CO₃. В воде угольная кислота обратимо превращается в ион водорода, соединенный с молекулой воды, H₃O⁺, и бикарбонатный ион, HCO₃^-. Более щелочное поглощающее текучее вещество сдвигает равновесие реакций к более водорастворимому бикарбонату и от газообразного CO₂, тем самым повышая количество CO₂, растворенного в поглощающей жидкости. Повышение щелочности увеличивает общий неорганический углерод в воде, при этом сохраняя то же парциальное давление диоксида углерода. Один способ повышения щелочности состоит в том, чтобы растворять карбонат кальция или оксид кальция для того, чтобы образовывались бикарбонатные ионы. Конечно, чтобы увеличивать поглощение CO₂ еще больше, можно использовать другие способы, такие как увеличенное время контакта между газообразным потоком и потоком жидкости, оптимизация температуры, увеличенное давление газа и т.д.

В предпочтительном варианте осуществления предоставлен способ в соответствии с изобретением, где поглощающая жидкость имеет pH выше 7,5, предпочтительно pH выше 8,0, более предпочтительно pH выше 8,5, более предпочтительно pH выше 9,0, более предпочтительно pH выше 9,5, наиболее предпочтительно pH выше 10,0.

Предпочтительно водоросли, которые подвергают воздействию указанной жидкости, обладали устойчивостью к щелочи, поскольку, как указано выше, поглощающая жидкость предпочтительно имеет щелочной pH. Следовательно, в предпочтительном варианте осуществления предоставлен способ в соответствии с изобретением, где указанные водоросли переносят pH выше 8,0, предпочтительно выше 8,5, более предпочтительно выше 9,0, более предпочтительно выше 9,5, наиболее предпочтительно выше 10,0. Под термином «переносят» понимают, что водорослям по меньшей мере не наносят необратимые повреждения. Предпочтительно, водорослям не становится хуже в указанной щелочной поглощающей жидкости. Более предпочтительно, водоросли способны разрастаться в среде с pH выше 8,0, предпочтительно выше 8,5, более предпочтительно выше 9,0, более предпочтительно выше 9,5, наиболее предпочтительно выше 10,0. Предпочтительные примеры водорослей, которые успешно растут при щелочном pH, т.е. pH выше 8,0 или выше, представляют собой Spirulina platensis или Neochloris oleoabundans. Специалист знает об эффекте щелочного pH, оказываемом на различные виды водорослей. На каталитическую активность, в частности ферментов, pH также оказывает влияние. Карбоангидраза имеет наивысшую ферментативную активность, например, приблизительно при 8,1 (Kiese et al., Journal of Biological Chemistry 1940132281-292). Таким образом, предпочтительно, что, в частности, когда карбоангидразу используют в качестве каталитического фермента, поглощающая жидкость, в тот момент, когда CO₂ приводят в контакт с ферментом, имеет pH между 6,0 и 10,0, предпочтительно pH между 7,0 и 9,0, более предпочтительно pH между 7,5 и 8,5, наиболее предпочтительно pH приблизительно 8,1.

Следовательно, в предпочтительном варианте осуществления предоставлен способ в соответствии с изобретением, где указанные водоросли представляют собой Spirulina platensis или Neochloris oleoabundans, предпочтительно Spirulina platensis.

Способ очень эффективен как для объединения захвата и превращения CO₂, так и для получения водорослей. Для того чтобы иметь возможность использовать водоросли для других целей, таких как получение биотоплива, водоросли предпочтительно собирают.

В предпочтительном варианте осуществления предоставлен способ в соответствии с изобретением, способ дополнительно включает стадию сбора указанных водорослей из указанной культуры водорослей. Сбор водорослей можно осуществлять посредством известных в данной области способов, например посредством фильтрования или посредством процессов центрифугирования.

Кроме того, продукты водорослей, такие как β-каротин, антиоксиданты и биотопливо, можно собирать из культуры водорослей. Эти продукты, при совместной секреции, можно легко получать из супернатанта водорослей, предпочтительно непосредственно из водоема. Однако для некоторых продуктов водоросли нужно сначала собирать и разрушать прежде, чем продукты водорослей станут доступны.

Например, водоросли можно использовать для получения биотоплива. С этой целью предшественники биотоплива предпочтительно извлекают из водорослей, после чего биотопливо можно получать стандартными способами.

В предпочтительном варианте осуществления предоставлен способ в соответствии с изобретением, где способ дополнительно содержит стадию:

извлечение одного или нескольких предшественников биотоплива из указанных водорослей, предпочтительно с последующей стадией:

получение биотоплива из указанных предшественников биотоплива.

Многие водоросли, известные в данной области, содержат предшественники биотоплива в форме липидов или свободных жирных кислот. Предпочтительные виды для использования в способе в соответствии с изобретением представляют собой Neochloris oleoabundans и Chlorella protothecoides.

Следовательно, в предпочтительном варианте осуществления предоставлен способ в соответствии с изобретением, где указанные водоросли представляют собой масличные водоросли, предпочтительно Neochloris oleoabundans или Chlorella protothecoides.

Как указано выше, водоросли можно культивировать в закрытом биореакторе или в открытом водоеме. Несмотря на то, что обе среды для культивирования пригодны для использования в способе в соответствии с изобретением, предпочтительно использовать открытый водоем, поскольку открытый водоем является менее дорогостоящим. Различные типы биореакторов или открытых водоемов для культивирования водорослей хорошо известны специалистам. Например, открытый водоем, покрытый прозрачным или просвечивающим барьером, очень эффективен в способе в соответствии с изобретением. Он предпочтительным образом объединяет свойства открытого водоема со свойствами биореактора, поскольку обеспечивает более хорошее управление доставкой CO₂ в системы. Например, он является менее дорогостоящим, чем закрытый биореактор, он защищает водоросли от возможной контаминации и, главным образом, от влияния температуры и погоды, которым подвержены водоросли в открытом водоеме. Следовательно, его можно использовать круглый год при условии, что водоем подвергают действию источника тепла. В частности, когда сопрягают с угольной электрической станцией, такой покрытый открытый водоем можно легко нагревать, воздействуя на водоем теплом (его частью) топочного газа.

Следовательно, в предпочтительном варианте осуществления предоставлен способ в соответствии с изобретением, где указанная культура водорослей представляет собой культуру водорослей в закрытом биореакторе или в открытом водоеме. В предпочтительном варианте осуществления водоросли культивируют в открытом водоеме. В более предпочтительном варианте осуществления открытый водоем покрывают прозрачным или просвечивающим барьером, например конструкцией, выполненной из стекла (например «парник»), или пластмассовым тентом. В наиболее предпочтительном варианте осуществления открытый водоем нагревают так, что его можно использовать круглый год.

Как указанно выше, фермент, предпочтительно карбоангидразу, фильтруют для того, чтобы повторно использовать фермент, подлежащий приведению в контакт с потоком газообразных веществ, содержащим CO₂, прежде чем поглощающая жидкость попадет в биореактор или водоем. Для того чтобы повышать эффективность фильтрования и/или чтобы использовать фильтры с большим размером пор, предпочтительно сшивать отдельные молекулы фермента, например фермента карбоангидразы. Такие сшитые ферменты крупнее и, следовательно, с меньшей вероятностью проходят через фильтр, тем самым увеличивая эффективность повторного использования фермента в указанном способе.

Следовательно, в предпочтительном варианте осуществления предоставлен способ в соответствии с изобретением, где по меньшей мере две молекулы фермента, предпочтительно по меньшей мере две молекулы фермента карбоангидразы, связаны друг с другом. Более предпочтительно по меньшей мере три, более предпочтительно по меньшей мере четыре молекулы фермента связаны друг с другом.

Теперь изобретение относится к способу предпочтительного объединения захвата CO₂ и роста водорослей, изобретение дополнительно относится к аппарату, специально адаптированному для указанной цели.

В одном из вариантов осуществления изобретение относится к аппарату для удаления CO₂ из потока газообразных веществ, аппарат содержит:

первую систему циркуляции текучего вещества для циркуляции водной поглощающей жидкости, содержащей фермент, предпочтительно карбоангидразу, указанная первая система циркуляции текучего вещества содержит

поглощающий блок, который содержит внутреннее пространство, выполненное с возможностью принимать поток газообразных веществ, содержащих CO₂, для того, чтобы взаимодействовать с указанной водной поглощающей жидкостью,

ниже по потоку от поглощающего блока фильтровальный блок, который содержит фильтр для повторного использования фермента и подачи фермента обратно, вместе с частью водной поглощающей жидкости, через указанную первую систему циркуляции текучего вещества в поглощающий блок,

вторую систему циркуляции текучего вещества, по существу параллельную по меньшей мере части указанной первой системы циркуляции, на первой стороне выходящую из фильтровального блока и на втором конце выходящую из первой системы циркуляции смежно или на небольшом расстоянии выше по потоку от поглощающего блока, указанная вторая система циркуляции текучего вещества выполнена с возможностью транспортировки остальной части водной поглощающей жидкости обратно в первую систему циркуляции текучего вещества, предпочтительно смежно или на небольшом расстоянии выше по потоку от поглощающего блока, где указанная вторая система циркуляции текучего вещества содержит биореактор для культивирования микроорганизмов, предпочтительно водорослей.

В предпочтительном варианте осуществления аппарат в соответствии с изобретением используют в способе в соответствии с изобретением.

Аппарат предпочтительно содержит

первую систему циркуляции текучего вещества для циркуляции поглощающей CO₂ жидкости, указанная первая система циркуляции текучего вещества содержит

поглощающий блок 15, который содержит внутреннее пространство 4, выполненное с возможностью принимать поток газообразных веществ, содержащих CO₂, чтобы взаимодействовать с указанной поглощающей CO₂ жидкостью,

ниже по потоку от поглощающего блока 15 фильтровальный блок 8, содержащий фильтр 7, для повторного использования фермента и подачи фермента обратно, вместе с частью водной поглощающей жидкости, через указанную первую систему циркуляции текучего вещества в поглощающий блок 15,

вторую систему циркуляции текучего вещества, по существу параллельную по меньшей мере части указанной первой системы циркуляции, на первой стороне выходящую из фильтровального блока 8 и на втором конце идущую от первой системы циркуляции смежно или на небольшом расстоянии выше по потоку от поглощающего блока 15, указанная вторая система циркуляции текучего вещества выполнена с возможностью транспортировки остальной части водной поглощающей жидкости обратно в первую систему циркуляции текучего вещества, предпочтительно смежно или на небольшом расстоянии выше по потоку от поглощающего блока, где указанная вторая система циркуляции текучего вещества содержит биореактор или водоем 2 для культивирования микроорганизмов, предпочтительно водорослей.

типичная конфигурация аппарата, который можно использовать в способе в соответствии с изобретением, приведена на фиг. 1.

На фиг. 1 представлена иллюстрация аппарата в соответствии с изобретением для объединения захвата CO₂ с непосредственным расходом/регенерацией поглощающей жидкости с использованием водорослей. Указанный аппарат содержит первую систему 16 циркуляции текучего вещества для циркуляции водной поглощающей жидкости, которая содержит фермент, предпочтительно карбоангидразу, способный превращать CO₂ в бикарбонат. Указанная первая система циркуляции текучего вещества содержит поглощающий блок 15, содержащий внутреннее пространство 4, выполненное с возможностью принимать поток газообразных веществ, содержащих CO₂, через первый впуск 1. При использовании, например, возможно направлять выхлопной топочный газ от электрической станции или поток газообразных веществ, содержащих CO₂, в указанный поглощающий блок через указанный первый впуск 1. Внутреннее пространство 4 выполнено с такой возможностью, что поток газообразных веществ, входящий во внутреннее пространство 4 через указанный первый впуск 1, способен взаимодействовать с поглощающей жидкостью внутри указанного внутреннего пространства. Внутреннее пространство 4 указанного поглощающего блока 15, например, можно оборудовать поглотителем для набивной колонки, который выполнен с возможностью работать в противоточном режиме с противоположным потоком поглощающей жидкости. Поглощающий блок соединен с указанной первой системой циркуляции текучего вещества посредством второго впуска 14 и второго выпуска 5. Второй выпуск 5 указанного поглощающего блока выполнен с такой возможностью, что он позволяет поглощающей жидкости покидать внутреннее пространство 4 указанного поглощающего блока 15. Указанная первая система циркуляции текучего вещества дополнительно содержит, ниже по потоку от поглощающего блока, фильтровальный блок 8, который содержит фильтр 7 для повторного использования фермента и подачи фермента обратно, вместе с частью водной поглощающей жидкости, через указанную первую систему циркуляции текучего вещества в поглощающий блок. С этой целью фильтровальный блок 8 оборудован первым выпуском 9 фильтра. Аппарат на фиг. 1 дополнительно содержит вторую систему циркуляции текучего вещества на первой стороне, идущую от фильтровального блока 8, посредством второго выпуска 10 фильтра. Указанная вторая система циркуляции текучего вещества по существу параллельна по меньшей мере части указанной первой системы циркуляции и идет на втором конце смежно или на небольшом расстоянии выше по потоку от поглощающего блока указанной первой системы циркуляции текучего вещества. Указанная вторая система циркуляции текучего вещества выполнена с такой возможностью, что она делает возможной транспортировку остальной части поглощающей жидкости назад к первому блоку циркуляции текучего вещества в поглощающий блок 4.

Фермент, таким образом, повторно используют в поглощающем блоке для того, чтобы сохранить фермент для дальнейшего превращения CO₂. Однако даже когда фермент используют повторно с высокой эффективностью, в целом необходимо непрерывно добавлять небольшое количество фермента для того, чтобы компенсировать потери, обусловленные стадией фильтрования или обусловленные разрушением самого фермента. С этой целью предпочтительно, чтобы впускной клапан для добавления фермента в первую систему циркуляции присутствовал в указанном аппарате, предпочтительно выше по потоку и смежно с поглощающим блоком 4. Более предпочтительно такой клапан автоматически работает посредством управления для измерения активности фермента выше по потоку от клапана. Во время работы такое средство управления измеряет концентрацию или активность фермента и, когда указанная концентрация или активность падает ниже определенного порога, такое средство управления открывает указанный клапан для того, чтобы предоставлять определенное количество фермента в указанную первую систему циркуляции.

Следовательно, в предпочтительном варианте осуществления предусмотрен аппарат в соответствии с изобретением, где, выше по потоку от поглощающего блока, предусмотрен впускной клапан для добавления фермента, предпочтительно карбоангидразы, в первую систему циркуляции. В более предпочтительном варианте осуществления аппарат содержит средство управления для измерения активности фермента выше по потоку от указанного клапана и, если активность или концентрация указанного фермента достигает определенного порога, корректирует указанную активность или концентрацию посредством добавления больше фермента в указанную первую систему циркуляции через указанный клапан.

Во время работы указанного аппарата поток газообразных веществ, текущий из указанного первого впуска 1 в указанный первый выпуск 3, предпочтительно действует в противоточном режиме с потоком поглощающей жидкости, текущей из указанного второго впуска 14 в указанный второй выпуск 5 в противоположных направлениях, позволяя указанному потоку газообразных веществ взаимодействовать с указанным водным потоком. Типично, во время работы богатый CO₂ газовый поток попадает в поглощающий блок через указанный первый впуск 1, а жидкость, способная поглощать CO₂, попадает в указанный второй впуск 14, посредством чего поглощающий блок делает возможным поглощение CO₂ из газового потока в поток жидкости. Из-за поглощения CO₂ из газового потока потоком жидкости газовый поток, покидающий поглощающий блок через указанный первый выпуск 3, содержит меньше CO₂, чем газовый поток, подаваемый в указанный первый впуск 1. Таким образом, в потоке газообразных веществ происходит снижение содержания CO₂ по мере его прохождения через поглощающий блок. В отличие от этого поглощающая жидкость захватывает CO₂ и, следовательно, поток жидкости, покидающий поглощающий блок через указанный второй выпуск 5, содержит больше CO₂, чем поток жидкости, подаваемый в поглощающий блок через указанный второй впуск 14. При использовании типично CO₂ покидает поглощающий блок в поглощающей жидкости через указанный второй выпуск 5 в форме бикарбоната, поскольку фермент, предпочтительно карбоангидраза, присутствующий в поглощающей жидкости, в целом быстро катализирует превращение CO₂ в бикарбонат.

Фильтровальный блок 8 содержит впуск 6 фильтра, первый выпуск фильтра 9 и второй выпуск 10 фильтра, где фильтр 7 присутствует между указанным впуском 6 фильтра и указанным вторым выпуском 10 фильтра. Предпочтительно, фильтр не присутствует между указанным первым впуском 6 фильтра и указанным первым выпуском фильтра 9. Указанный фильтровальный блок 8 выполнен с такой возможностью, что во время работы белковые молекулы удерживают в первой системе циркуляции, тогда как небелковые молекулы, такие как карбонаты, способны покидать указанную первую систему циркуляции, через указанный фильтр 7, в указанную вторую систему циркуляции через второй выпуск 10 фильтра.

Вторая система циркуляции содержит биореактор или водоем 2 для культивирования водорослей. Во время работы поток жидкости, покидающей фильтровальный блок через второй выпуск 10 фильтра, попадает в указанный биореактор или водоем 2 через впуск 11 водоема. Водоросли, присутствующие в указанном биореакторе или водоеме, способный превращать CO₂, присутствующий в указанной жидкости. Такое превращение проиллюстрировано уравнением 2. Во время работы аппарата в соответствии с изобретением поглощающую жидкость таким образом регенерируют в биореакторе или водоеме 2 с водорослями, тем самым способствуя росту водорослей. Биореактор или водоем 2 с водорослями находится в соединении по текучей среде с первой системой циркуляции, что делает возможным повторное использование регенерированной поглощающей жидкости во время работы. Регенерированную поглощающую жидкость типично воссоединяют с потоком повторно используемого фермента из фильтровального блока 8. Этот объединенный поток впоследствии повторно вводят в поглощающий блок 15 для повторного использования для захвата CO₂ из богатого CO₂ газового потока.

Фильтр 7, используемый в аппарате в соответствии с изобретением, может представлять собой любой фильтр, который делает возможным, по меньшей мере отчасти, отделение ферментов от потока жидкости. Типично, нанофильтрующие, ультрафильтрующие и микрофильтрующие мембраны используют для сбора белковых молекул из растворов. Предпочтительно используют полимерные или керамические мембранные фильтры, поскольку фильтры этих типов эффективны при отделении белковых молекул. Следовательно, в предпочтительном варианте осуществления предоставлен аппарат в соответствии с изобретением, где указанный фильтровальный блок содержит полимерный или керамический мембранный фильтр. Эти мембраны, например, можно использовать в спирально навитой конфигурации или в виде полых волокон.

Аппарат в соответствии с изобретением для удаления CO₂ из потока газообразных веществ предпочтительно объединяет захват углерода и получение водорослей. Как изложено выше, типично, земельный массив, необходимый для водоемов с водорослями, чтобы удалять CO₂ от большой угольной электрической станции, ограничивает использование водорослей в таком процессе. Однако, используя аппарат в соответствии с изобретением, водоемы меньших размеров можно помещать рядом с угольными электрическими станциями для того, чтобы отделять топочный газ от CO₂. Другое преимущество использования аппарата в соответствии с изобретением заключается в более быстрой кинетике поглощения CO₂ из выхлопных газов из-за присутствия каталитического фермента, предпочтительно фермента карбоангидразы. Поскольку фермент по меньшей мере частично повторно используют и предпочтительно не подают в водоем с водорослями, в целом происходит снижение потери каталитической активности во время процесса. Использование карбоангидразы в качестве каталитического фермента при захвате CO₂ может вести к поглощению вплоть до 90% газа из выхлопного потока.

Водоросли разделяют на микроводоросли и макроводоросли. Несмотря на то, что водоросли обоих типов можно использовать в настоящем изобретении, предпочтительно использовать микроводоросли (также обозначаемые как фитопланктон, микрофиты или планктонные водоросли). Макроводоросли, в целом известные как морские водоросли, также можно использовать, но из-за их размеров и специфических требований к окружающей среде, в которой они должны расти, являются менее предпочтительными.

Предпочтительно используют монокультурные водоросли. При использовании смешанных культур один вид может начать доминировать с течением времени и может менять свойства культур водорослей.

Вода в водоеме с водорослями или биореакторе должна находиться температурном диапазоне, который будет поддерживать рост конкретного вида водорослей. В частности, если водоем или биореактор подлежит использованию на всем протяжении года, важно, чтобы он позволял регулировать температуру воды. В случае отделения CO₂ от топочного газа или тому подобного, предпочтительно переносить тепло (по меньшей мере некоторую его часть) топочного газа в поглощающую жидкость для того, чтобы подогревать водоем или биореактор до приемлемой температуры. Однако важно не нагревать поглощающую жидкость до температуры выше переносимой ферментом.

Для того чтобы превращать CO₂ в кислород и глюкозу, водорослям необходим свет. Прямой солнечный свет является слишком сильным для большинства водорослей, которым необходима только приблизительно 1/10 количества света, который они получают из прямого солнечного света. В плотной культуре водорослей свет может только проникать в верхние от 3 до 4 дюймов (76-100 мм) воды. Когда используют более глубокие водоемы, воду следует перемешивать так, чтобы водоросли циркулировали. Это препятствует как чрезмерной экспозиции солнечному свету, так и осаждению водорослей на дно водоема, которые в качестве последствия этого (почти) не получают света. Крыльчатые колеса могут перемешивать воду, а сжатый воздух, поступающий со дна, может поднимать водоросли из нижних зон. Конечно, непрерывный поток поглощающей жидкости, втекающий в водоем или биореактор, также можно использовать для того, чтобы перемешивать водоросли, и он является самымпредпочтительным. На дне водоема можно устанавливать, например, струи текучего вещества, которые поднимают водоросли из нижних зон.

Другое средство для подачи света на водоросли представляет собой, например, использование светящихся пластин, выполненных из листов пластмассы или стекла и помещенных внутрь резервуара. Такие светящиеся пластины способны предоставлять точное управление интенсивностью света.

Использование водорослей не обязательно ограничено получением биотоплива. Множество использований известно в данной области. Следующие примеры не следует никоим образом интерпретировать в качестве ограничения изобретения каким-либо образом.

Некоторые виды водорослей используют в пище. Пурпурные водоросли (Porphyra), например, используют в нори (Япония), гим (Корея) и лавербреде (Уэльс).

Spirulina (Arthrospira platensis) представляют собой сине-зеленые микроводоросли с высоким содержанием белка и других питательных веществ, и их используют в качестве пищевой добавки. Chlorella также используют в качестве пищевой добавки с возможными эффектами, оказываемыми на скорость метаболизма. Сообщалось о том, что Chlorella может снижать уровень ртути у человека.

Ирландский мох (Chondrus crispus) представляет собой источник каррагенана, который можно использовать в качестве загустителя в пудингах, соусах и мороженом быстрого приготовления или в качестве осветлителя в пиве.

Экстракты и масла из водорослей также можно использовать в качестве добавок в различных пищевых продуктах. Большинство растений продуцируют омега-3 и омега-6 жирные кислоты, которые дают положительные эффекты для здоровья.

Как микроводоросли, так и макроводоросли можно использовать для того, чтобы делать агар, который является альтернативой получаемому из животных желатину.

Другие возможные применения водорослей включают получение биопластика, красителей и фармацевтических ингредиентов.

Следующие примеры лишь служат для объяснения изобретения и не ограничивают изобретение каким-либо образом.

Описание чертежей

Фиг. 1: Схематическая иллюстрация аппарата в соответствии с изобретением для объединения захвата CO₂ при непосредственном расходе/регенерации.

Фиг. 2: Кинетические эксперименты, показывающие скорость загрузки CO₂ в эталонных и катализированных тестах.

Фиг. 3: Изображение реактора, используемого в кинетических экспериментах.

Фиг. 4: Изображение эксперимента по росту водорослей.

ПРИМЕР

Материалы

2 M раствор карбоната натрия (Na₂CO₃) в воде, карбоангидраза (лиофилизированная порошкообразная форма) и чистый газ CO₂.

Способы

Используя 2 M раствор карбоната натрия (Na₂CO₃) в воде, измеряли скорость захвата CO₂; 50 мл раствора помещали в реакторную ячейку и выбросы по 0,045 л CO₂ впрыскивали с интервалами в жидкость при постоянной температуре 40°C, осуществляя мониторинг давления во времени. Для эталонного случая в раствор фермент (карбоангидразу) не добавляли. Катализируемый раствор содержал 400 мг/л фермента. Два эксперимента осуществляли в схожих экспериментальных условиях.

Сравнивая скорость захвата CO₂ между эталонными и катализируемыми ферментом экспериментами, наблюдали, что скорость поглощения в присутствии фермента возрастала по существу вплоть до двух раз (фиг. 2). На фиг. 2 приведено сравнение двух экспериментов (с карбоангидразой и без нее). Можно видеть, что скорость захвата CO₂ в катализируемой системе возрастает быстрее, чем без фермента.

Загруженный растворитель (бикарбонат натрия) инокулировали водорослями (инокулят - 0,23 г/л сухой массы). После двух недель роста водоросли отфильтровывали и регенерированный растворитель использовали на стадии поглощения для того, чтобы повторно захватывать CO₂, тем самым замыкая цикл. На фиг. 4 представлена культура растущих водорослей с использованием раствора бикарбоната.

Реферат

Группа изобретений относится к области биохимии. Предложен способ снижения количества COв потоке газообразных веществ, а также аппарат для удаления COиз потока газообразных веществ. Способ включает контактирование газообразных веществ, содержащих CO, с первым потоком водной поглощающей жидкости, содержащей карбонат ангидразу, поглощение COуказанной жидкостью и превращение его в более растворимый неорганический углерод. Осуществление разделения первого потока жидкости на второй и третий потоки жидкости, где второй поток содержит более высокую концентрацию карбонат ангидразы относительно третьего потока. Осуществление контактирования третьего потока жидкости с микроорганизмом, способным превращать растворенный в жидкости неорганический углерод в кислород и/или биомассу. Аппарат содержит первую и вторую системы циркуляции текучего вещества. Первая система содержит поглощающий блок с внутренним пространством, ниже по потоку от поглощающего блока - фильтровальный блок с фильтром. Вторая система содержит биореактор или водоем для культивирования микроорганизмов. Изобретения обеспечивают повышение эффективности захвата CO, снижение удельной площади поверхности водоема, а также снижение потребляемой энергии при регенерации поглощающей жидкости. 2 н. и 25 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула