專利名稱：刺激水生植物產(chǎn)生乙醇和水生植物生長的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文的公開內(nèi)容涉及乙醇生產(chǎn)方法，并且更具體地涉及用于通過利用在厭氧代謝過程中產(chǎn)生游離乙醇從而形成植物生長和乙醇生產(chǎn)的自維持循環(huán)的植物來促進植物生長的新的乙醇生產(chǎn)方法。

發(fā)明內(nèi)容
本文公開內(nèi)容的一種實施方式通過通常包括以下步驟而滿足上述需要將水生植物放置在含水的池中，以及在該池內(nèi)創(chuàng)造缺氧條件從而啟動水生植物的厭氧過程。經(jīng)過所儲存碳水化合物在厭氧過程中的新陳代謝，水生植物的尺寸增大并釋放出乙醇。然后在該池內(nèi)創(chuàng)造加氧條件從而啟動需氧過程。水生植物在需氧過程中產(chǎn)生并儲存碳水化合物。重復(fù)創(chuàng)造缺氧條件和加氧條件的步驟從而刺激水生植物尺寸增加并從而增加乙醇的釋放。因而，為了更好地理解下文本公開的詳細(xì)描述，以及為了可以更好地理解本文公開內(nèi)容對現(xiàn)有技術(shù)的貢獻，已相當(dāng)概括地描述了本文公開內(nèi)容較重要的特征。下文將描述本文公開內(nèi)容的另外的特征，這些特征將形成本文公開內(nèi)容所附權(quán)利要求的主題。本文公開內(nèi)容的目的，以及為本發(fā)明帶來新穎性的各個特征在本文所附權(quán)利要求中詳細(xì)指出并形成本文公開內(nèi)容的一部分。


通過對本文公開內(nèi)容進行下面的詳細(xì)描述，可以更好地理解本文公開內(nèi)容而且除上述目的以外的目的也將變得明顯。這樣的描述是通過參考附圖進行的，其中圖1是根據(jù)本文公開內(nèi)容的刺激水生植物產(chǎn)生乙醇和水生植物生長的方法的示意圖。
具體實施例方式現(xiàn)參考附圖，尤其是參考圖1，描述了實施本文公開內(nèi)容的一種實施方式的原理和構(gòu)思的新的乙醇生產(chǎn)方法，該方法一般由標(biāo)號10表示。
如圖1所示，刺激水生植物產(chǎn)生乙醇和水生植物生長的方法10—般包括從湖泊或池塘中獲取水生植物，然后將該水生植物引種到池(或槽)中。在執(zhí)行方法10時，當(dāng)未來需要池或者出于替換目的而需要水生植物時，可以利用該方法種植和提供該水生植物。構(gòu)建池用于容納水，并且可以有襯層或沒有襯層，從而阻止流體和氣體轉(zhuǎn)移到支持池的地面中。 將細(xì)微顆粒物放置在池中并將水生植物引種到該池中，該水生植物可以將自身固定在該顆粒物中。使用細(xì)微顆粒物是因為它可以促使以較小的能量消耗使水生植物的根生長到該顆粒物中，而且它可在該顆粒物表面上面保留較高百分比的植物材料。池的數(shù)目以及它們的尺寸對于本方法并不是關(guān)鍵性的，數(shù)目和尺寸均可由可用的土地面積、原材料獲取途徑和成本控制來決定，但是應(yīng)當(dāng)理解，本方法可以在單個池內(nèi)實行。池可以具有使所選擇的水生植物適當(dāng)生長所需的任何深度。然而，已發(fā)現(xiàn)，池的深度可以在IOcm至7m之間從而防止植物生長受到限制。池也可以是溫度控制的，并且尤其是，應(yīng)當(dāng)防止池結(jié)冰，因為結(jié)冰會導(dǎo)致水生植物死亡。用于池的熱量可以獲自(sequester)由相鄰的乙醇處理工廠或廢熱的任何其他方便來源所散發(fā)的廢熱。該水生植物可以選自容易在水生環(huán)境中或水生環(huán)境上，如直接在水或永久飽和土壤中生存的許多水生植物。而且，可以在單個池中使用一種以上類型的水生植物。該水生植物可以包括，例如，藻類、沉水水生草本植物(submersed aquatic herbs)，例如，但不限于，篦齒目艮子菜(Potamogeton pectinatus)、菹草(Potamogeton crispus)、川蔓藻(Ruppia maritima)、穗狀狐尾藻(Myriophyllum spicatum)、黑藻(Hydrilla verticillata)、7jC蘊草(Elodea densa)、杉卩十藻(Hippuris vulgaris)、大當(dāng)皮卩十草(Aponogeton boivinianus) > M 口十夕良胃(Aponogeton rigidifolius)、力·夕良胃(Aponogeton longiplumulosus) > 41 頓草(Didiplis diandra)、新力口坡莫絲(Vesicularia dubyana)、小柳(Hygrophilia augustifolia) >(Micranthemum umbrosum)、 胃胃(Eichhornia azurea) > 三白草(Saururus cernuus)、舌椒草(Cryptocoryne lingua)、卩十綠豐公尾(Hydrotriche hottoniiflora)、百葉草(Eustralis stellata)、紅苦草(Vallisneria rubra)、/K 蓑衣(Hygrophila salicifolia)、泰國水(Cyperus helferi)、i音tt椒草(Cryptocoryne petchii)、美洲苦草(Vallisneria americana)、托塔苦草(Vallisneria torta)、葉綠松尾(Hydrotriche hottoniiflora)、黑樂草(Crassula helmsii)、石龍尾(Limnophila sessiliflora)、穿葉目艮子菜(Potamogeton perfoliatus)、瓦氏節(jié)節(jié)菜(Rotala wallichii)、貝克椒草(Cryptocoryne becketii)、無尾水篩(Blyxa aubertii)和異葉水蓑衣(Hygrophila difformmis)；浮萍，例如但不限于，紫萍(Spirodela polyrrhiza) > 無根萍(ffolffia globosa)、品藻(Lemna trisulca)、卵葉青萍(Lemna gibba)、小青萍(Lemna minor)禾口斑萍(Landoltia punctata)；大萍(/K 芙蓉，water cabbage)， 例如但不限于大藻(Pistia stratiotes)；毛茛(buttercups)，例如但不限于毛茛屬(Ranunculus)；菱(water caltrop)，例如但不限于四角矮菱(Trapa natans)禾口烏菱(Trapa bicornis)；睡蓮(water lily)，例如齒葉睡蓮(Nymphaea lotus)、睡蓮科 (Nymphaeaceae)禾口蓮科(Nelumbonaceae) ；/K葫聲(water hyacinth),例如但不限于鳳目艮藍(Eichhornia crassipes)、黑木藏(Bolbitis heudelotii)禾口水盾草(Cabomba)；以及海草(seagrasses)，例如但不限于小竹葉(Heteranthera Zosterifolia)、波喜蕩草科(Posidoniaceae)、大葉藻科 Qosteraceae)、水鱉科(Hydrocharitaceae)和絲粉藻科(Cymodoceaceae)。而且，在各種實施方式中的一個中，宿主藻類(host alga)選自由綠藻、 紅藻、褐藻、硅藻、海洋藻類、淡水藻類、單細(xì)胞藻類、多細(xì)胞藻類、海藻、耐寒藻株、耐熱藻株、耐乙醇藻株、以及它們的組合組成的組。該水生植物通常還可以選自包括眼子菜科(Potamogetonaceae)、金魚藻科 (Ceratophyllaceae)、小二仙草科(Haloragaceae)禾口川蔓藻科(Ruppiaceae)的一個植物科的植物。更具體地，所選擇的水生植物應(yīng)當(dāng)具有較大的巴斯德效應(yīng)，其增加厭氧CO2產(chǎn)量與需氧CO2產(chǎn)量的比率。典型地，這個比率大約為1 3，但水生植物如通常稱為眼子菜 (Sago Pondweed)的篦齒眼子菜(Potamogeton pectinatus)會將這個比率增大到2 1，如在 Journal of Experimental Botany，第 51 卷，Number ；349，第 1413-1422 頁，2000年8 月中角軍釋的“Anoxi a tolerance in the aquatic mono cot Potamogeton pectinatus :absence of oxygen stimulates elongation in association with an usually large Pasteur effect,(水生單子葉植物篦齒眼子菜中的厭氧耐受缺氧刺激與通常較大的巴斯德效應(yīng)相關(guān)的延長，)”，其以引用方式結(jié)合于本文。在缺氧環(huán)境中發(fā)生的延長過程(elongation process)中，植物延長從而形成細(xì)胞腔室，該細(xì)胞腔室隨后將被用來儲存在需氧代謝期間通過水生植物需氧過程形成的碳水化合物。然后，這些碳水化合物可以用來釋放在厭氧代謝期間通過水生植物的厭氧過程形成的乙醇。一般地，方程式如下需氧的植物代謝6C02+6H20— 602+C6H1206
厭氧的植物代謝=C6H12O6 — 2C02+2C2H50H在水生植物被植入池中后，通過初始或后來在該池中引入缺氧水使池中的水處于缺氧條件下。可替換地，可以將谷物和/或細(xì)菌添加到水中以耗盡水中的氧氣。水中氧的缺乏啟動了水生植物的厭氧過程，該導(dǎo)致水生植物延長并產(chǎn)生乙醇。這個過程可以通過引入化學(xué)催化劑和CO2而得到促進?？砂ㄔ趦?nèi)的一種化學(xué)催化劑是2，4_ 二氯苯氧基乙酸。 可以進一步地添加另外的營養(yǎng)物和鹽例如鉀鹽、氮鹽和磷鹽，以促進水生植物的生長。進一步地，根據(jù)所使用的水生植物物種，還可以向池中加入有機物質(zhì)，該有機物質(zhì)包括但不限于諸如蔗糖、葡萄糖和乙酸鹽之類的有機物質(zhì)。在厭氧過程中，水生植物的尺寸顯著增大并且其長度可達到初始長度的10倍或更多倍。術(shù)語“尺寸”應(yīng)理解為包括使得其能夠儲存較多量碳水化合物的植物材料體積的增加。這種延長提供了用于容納水生植物后來形成的碳水化合物的細(xì)胞腔室。另外，在厭氧過程中，該水生植物細(xì)胞外分泌了乙醇。然后，該乙醇一直保持在池水中直到通過常規(guī)方法將其除去。如下文中進一步解釋的，在首次使用池時，可以使得它具有最低的乙醇濃度， 該乙醇濃度將根據(jù)實施的特定方法來確定。這個最低濃度將隨著該方法的開展而增加。這個步驟可以進行一天至數(shù)天，但是在篦齒眼子菜的情況下總共六天就足夠了。所需時間取決于許多因素，如光漫射和營養(yǎng)物的可用性。下一個步驟是通過在池中創(chuàng)造啟動的需氧過程加氧條件來終止厭氧過程。這可以通過向池中引入加氧水和通過除去缺氧水來完成。在需氧過程中，如上文中指出的，水生植物通過代謝過程產(chǎn)生碳水合物，然后將將碳水化合物保留在它們的延長結(jié)構(gòu)中?？梢詫U料如方法10產(chǎn)生的廢棄生物質(zhì)、工業(yè)廢物、城市垃圾等添加到池中從而為水生植物提供營養(yǎng)物。另外，最大日光過濾，與溫度調(diào)節(jié)一樣能夠促進水生植物的生長。而且，必須監(jiān)測池的PH以防止池的(X)2酸中毒。這可以用鈣緩沖化合物如碳酸鈣和氯化鈣來抵消，但最終取決于池中特定水生植物種類的耐受性。需氧過程的持續(xù)時間同樣取決于許多因素，但通常在碳水化合物的產(chǎn)生開始減慢時結(jié)束。對于篦齒眼子菜，該持續(xù)時間可以在2天至14天之間，這取決于池內(nèi)的環(huán)境條件。也可以通過在池中使用熱地層(thermal strata)來結(jié)合缺氧和加氧水的使用。特別地，可以使位于池底部上的最冷地層保持缺氧狀態(tài)從而促進生長，而較暖水的上部地層可以包括加氧水從而促進需氧過程。一旦達到最大的碳水化合物形成，就立即除去加氧水并再次用缺氧水替換從而再次開始延長和乙醇形成過程。然后可以重復(fù)進行添加缺氧水和加氧水的步驟，從而不斷地促進延長和乙醇生產(chǎn)，接著生產(chǎn)碳水化合物。這創(chuàng)建了自維持的循環(huán)，因為該植物生長補充了因植物衰老而損失的植物材料和不再滿足已確定的乙醇生產(chǎn)耐受性的那些植物?？梢猿o法用于補充目的或無法用于給另一個池供應(yīng)植物材料的另外植物生長，并可以利用常規(guī)方法發(fā)酵從而也產(chǎn)生乙醇。可手機在該發(fā)酵過程中釋放的二氧化碳并將其回充到池中以促進碳水化合物生產(chǎn)。在發(fā)酵過程之前或之后的植物廢物都可以進一步地用于給池補充營養(yǎng)物和/或可以經(jīng)加工用于生物化學(xué)工業(yè)應(yīng)用，如用在乙醇和柴油機生物燃料、藥品、化妝品、著色劑、涂料等中。如上所述，缺氧水可以保留并再次使用，至少直到它的乙醇含量達到水生植物的致死濃度為止。這個濃度取決于所使用的水生植物，以及可影響厭氧過程可發(fā)生的次數(shù)的所用池的個數(shù)。典型地，該方法可以用多個池實施，其中根據(jù)需要缺氧水和加氧水可以在該多個池之間循環(huán)(rotated)從而在缺氧條件和加氧條件之間交替。例如，利用多個池的過程可以包括具有含2%乙醇的缺氧水的第一池，該缺氧水被移動到先前已充氧的第二池中。 該缺氧水替換了從第二池中除去的加氧水從而在第二池中創(chuàng)造缺氧條件。然后刺激第二池內(nèi)中的植物生長和乙醇生產(chǎn)。注意，當(dāng)水生植物檢測到水中的乙醇時，使第二池開始時就具有乙醇(因為該缺氧水含有來自第一池厭氧過程的乙醇)可以進一步刺激乙醇生產(chǎn)。可以允許第二池中的乙醇濃度增加，例如達到4%。每次將缺氧水移入新的池中，就會刺激這些植物的延長和乙醇生產(chǎn)。一旦缺氧水的乙醇濃度到達預(yù)定水平，例如10體積％，就從裝有該缺氧水的池中除去該缺氧水并利用常規(guī)方式從該水中提取乙醇。多個池的使用使得該循環(huán)可以用在閉合回路中，該閉合環(huán)路也是自維持的，并將隔離碳水化合物形成過程中的二氧化碳。方法10使新水生植物生長的速度快于它們因衰老而枯竭的速度，從而使新池可以由新生長的水生植物來播種。更重要的是，所有植物廢物均可以通過發(fā)酵成乙醇而加以利用，并可以經(jīng)加工而用于生物化學(xué)工業(yè)或作為進料返回到池中。關(guān)于上面的描述，應(yīng)了解，本文公開內(nèi)容實現(xiàn)的實施方式部分的最佳尺寸關(guān)系，包括尺寸、材料、形狀、形式、功能和操作方式、裝配和使用的變化對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的，附圖中示出和說明書中描述的那些關(guān)系的等效關(guān)系包括在本文公開內(nèi)容的實施方式中。因此，上文應(yīng)被視為僅說明了本文公開內(nèi)容的原理。進一步地，由于本領(lǐng)域技術(shù)人員容易想到許多修改和變化，因此不期望將本文公開內(nèi)容限于所示出和描述的確切構(gòu)造和操作方式，相應(yīng)地所有適合的修改和可以采取的等效形式都落入本文公開內(nèi)容的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種誘導(dǎo)乙醇形成的方法，所述方法包括以下步驟 將水生植物放置在含水池中；在所述池中創(chuàng)造缺氧條件從而啟動所述水生植物的厭氧過程，通過在厭氧過程中所儲存的碳水化合物的新陳代謝，所述水生植物的尺寸增大并且釋放乙醇；在所述池中創(chuàng)造加氧條件從而啟動需氧過程，所述水生植物在所述需氧過程中產(chǎn)生并儲存碳水化合物；和重復(fù)進行創(chuàng)造缺氧條件和加氧條件的步驟，以刺激水生植物的尺寸增大并從而使乙醇釋放增加。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括從所述池中除去乙醇的步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括引入催化劑從而增加厭氧代謝的步驟。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，進一步包括添加(X)2從而增加需氧代謝和碳水化合物形成的步驟。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述引入催化劑的步驟包括添加2，4_二氯苯氧基乙酸的步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述將水生植物放置在池中的步驟包括從眼子菜科(Potamogetonaceae)植物中選擇所述水生植物。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括以下步驟其中，所述創(chuàng)造所述缺氧條件的步驟包括使所述池中具有缺氧水的步驟； 其中，所述創(chuàng)造所述加氧條件的步驟包括使所述池中具有加氧水的步驟；和在用所述加氧水替換所述缺氧水之后保留所述缺氧水，并將所述缺氧水再利用至少一次從而啟動另一缺氧條件。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，進一步包括以下步驟 將水生植物放置在多個池中；和在所述池之間轉(zhuǎn)移所述缺氧水以增加所述缺氧水中的乙醇濃度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括將植物營養(yǎng)物引入到所述池中的步驟，從而使所述需氧過程中碳水化合物的產(chǎn)生增加。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括以下步驟除去過多的植物材料，其可用于生物化學(xué)工業(yè)、用作水生植物進料、或用于給新的池播種。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括以下步驟除去衰老的植物材料，其可用于生物化學(xué)工業(yè)或用作水生植物進料。
全文摘要
本發(fā)明提供了刺激水生植物產(chǎn)生乙醇和水生植物生長的方法，包括將水生植物放置在含水池中，以及在該池中創(chuàng)造缺氧條件從而由水生植物啟動厭氧過程。經(jīng)過在厭氧過程中儲存的碳水化合物的新陳代謝，水生植物的尺寸增大并釋放乙醇。然后在該池中創(chuàng)造加氧條件從而啟動需氧過程。水生植物在需氧過程中產(chǎn)生并儲存碳水化合物。重復(fù)進行創(chuàng)造缺氧條件和加氧條件的步驟從而刺激水生植物尺寸增加并從而使乙醇的釋放增加。
文檔編號C12P7/06GK102428188SQ201080018091
公開日2012年4月25日 申請日期2010年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月7日
發(fā)明者托尼·哈根 申請人:泰克生物能源有限公司