用於水生生物加工的方法和系統的製作方法

2023-04-27 19:13:51 1

專利名稱：用於水生生物加工的方法和系統的製作方法
用於水生生物加工的方法和系統
相關申請的交叉引用。基於35U. S. C. 119 (e)，本申請要求2010年3月17日提出的美國臨時申請No. 61/314，736的優先權，在此將其全文引入作為參考。
背景技術：
海產蛋白源通常被用於飼料中，因為它們是優異的必需胺基酸、脂肪酸、維生素和礦物質的來源，並且因為它們普遍增強適口性。在飼料工業中，可以使用替代性的組分來代替魚粉。出於這個原因，已經對用較低價值的組分來取代昂貴的海產蛋白進行了許多研究。相當多的注意力致力於用植物蛋白來代替魚粉；浮萍(Iemnae),作為一種天然蛋白源，與大多數其他植物蛋白相比具有更好的必須胺基酸分布，更接近於動物蛋白。新收穫的浮萍包含基於乾重高達43%的蛋白質，無需進一步加工即能用做魚類的完全飼料。與絕大部分其他植物相比，浮萍葉包含很少的纖維(栽培植物乾重的5%)和甚至對於單胃動物來說，少到基本上沒有的不可消化物質。這和許多農作物例如大豆、稻米和玉米的組成形成鮮明對比，幾乎50%的它們的生物質中包含高含量纖維和低消化性的殘渣。浮萍是來自浮萍科(duckweed family),也被稱為浮萍科(Lemnaceae family),自由遊動屬的水生植物。已經發現這種生長迅速的植物在基礎植物生物學、生態毒理學和在生物藥品的生產的研究中用作模型系統，並在農業和水產養殖中用作動物飼料源。浮萍生物在水面上或在水面下長成單個的自由遊動菌體。大部分很小，長度不超過5mm,除了品藻(lemna trisulca),它形狀細長,具有分支結構。浮萍菌體有一個單根。這種植物基本上通過營養生殖生長。這種生長形式允許新水中非常迅速的移生。浮萍的快速生長發現可應用於汙水的生物除汙和用於環境研究中的測試生物。它也被用作複雜的生物製藥的經濟生產的表達系統。乾燥浮萍可為優質牲畜飼料。它含有由乾重測量25-45%的蛋白質(依賴於生長條件)，4. 4%脂肪和8-10%的纖維。浮萍可以通過提供來自各種來源例如牛糞、豬場廢棄物、沼氣廠泥漿或其他漿液形式有機物質的營養來有機養殖。
發明簡述本發明的具體實施方式
提供了一種從水生生物的生物質中回收多種產品的工藝。該工藝可包括提供生物質；裂解生物質從而產生裂解的生物質；分離該裂解的生物質從而產生一種汁液和第一固相；使用汁液形成一種溼蛋白質濃縮物；乾燥溼蛋白質濃縮物從而產生一種幹蛋白質濃縮物；使用第一固相生產出一種溼生物質-原油；乾燥生物質-原油從而產生至少一種選自幹生物質-原油和富含碳水化合物的粉柏的產物；其中多種產物可包括選自幹蛋白質濃縮物、幹生物質-原油，以及富含碳水化合物的粉柏的產物；且其中多種產物中至少50%的蛋白質在乾燥蛋白質濃縮物中。在一些實施方式中，提供的步驟可包括基於工業規模生產水生生物的生物質；並收穫生物質。在一些實施方式中，分離步驟可以包括壓榨裂解的生物質。同樣，在一些實施方式中，該工藝可以包括過濾汁液從而形成經過濾的汁液和第二固相；澄清經過濾的汁液從而形成澄清的汁液和第三固相；從澄清汁液中凝固蛋白從而形成包括溼的蛋白質濃縮物的湯汁；以及從湯汁中分離溼的蛋白質濃縮物。在一些實施方式中，第一固相、第二固相、第三固相和湯汁中的至少一種可以用於回收生物原油和/或富含碳水化合物的粉柏。水生生物可以包括，例如，浮萍種。裂解可以包括使用至少一種球磨機、膠體磨、切碎機、錘式粉碎機、研磨機、打漿機和壓濾機。壓榨可包括使用至少一種帶式壓機、風扇壓機、旋轉式壓機、螺旋壓榨機、壓濾機，以及精壓機。汁液可包含可溶性蛋白。該工藝可包含壓榨第一固相、第二固相，或第三固相中的至少一種從而產生一種第二汁液和生物質-原油。在一些實施方式中，第二汁液可以和汁液混合。同樣，在一些實施方式中，可以使用螺旋壓榨機進行進一步的壓榨。在一些實施方式中，該工藝進一步可包括乾燥生物質-原油。乾燥可使用旋轉閃蒸乾燥器、噴霧乾燥器、滾筒乾燥器、氣流乾燥器、流化床乾燥器、雙滾筒乾燥器和旋轉乾燥器中的至少一種而進行。過濾可使用振動分離器、振動篩過濾器、圓振動分離器、直線/傾斜振動篩、潷析離心機和壓濾機中的至少一種而進行。振動分離器可包括至少一種振動篩過濾器。澄清可包括對經過濾的汁液的離心和/或進一步的過濾，例如像高速多盤堆棧離心機、微濾、超濾等中的至少一種。在一些實施方式中，澄清汁液可以被貯存在貯存罐中例如像冷藏儲罐中。凝固可以包括降低澄清汁液的PH值，例如到低於約6，或低於約5，或到約4. 5或更低。降低pH值可包括使用至少一種選自鹽酸、硝酸、硫酸等的酸。凝固可以使用包括至少一種熱交換器例如像至少一個盤、或管、或蒸汽注入熱交換器等的沉澱器而進行。凝固可包括將澄清汁液加熱到第一溫度從而產生湯汁；並使湯汁冷卻到第二溫度。在一些實施方式中，第一溫度可以介於約40°C到約100°C，同樣，例如，第二溫度可以低於約40°C或低於約30°C。分離可包括使用高速多盤堆棧離心機。在一些實施方式中，溼的蛋白質濃縮物可以貯存在儲存罐例如冷藏儲罐中。該工藝進一步包括乾燥溼的蛋白質濃縮物，產生乾燥蛋白質濃縮物。乾燥可使用例如噴霧乾燥器、滾筒乾燥器、旋轉閃蒸乾燥器、氣流乾燥器、流化床乾燥器、雙滾筒乾燥器和旋轉乾燥器等而進行。在一些實施方式中，該工藝可包括使選自由第三固相和澄清汁液組成的組的物質和例如醇、溶劑、水等的至少一種接觸,並進而使該物質和一種酸性催化劑接觸，從而形成混合物，分離混合物得到液體和固體，由此，該物質中的油脂和灰分形式的組分等被分離進入液體中。該工藝進一步可包括在裂解之前或直接在裂解之後用水相溶劑等來洗滌生物質。本發明的一些實施方式還提供了從水生生物的生物質中回收多相產物的系統；該系統可包括，例如一個用於裂解生物質從而產生經裂解的生物質的裂解單元；一個用於分離經裂解的生物質從而產生一種汁液和一種固相的分離單元；一個利用該汁液用於形成溼的蛋白質濃縮物的單元；一個用於乾燥溼的蛋白質濃縮物從而產生乾燥蛋白質濃縮物的蛋白質乾燥單元；以及一個用於乾燥溼的生物質-原油從而產生至少一種選自乾燥生物質-原油和富含碳水化合物粉柏的產物的單元，其中溼的生物質-原油可包含固相；其中多相產物可包括選自例如乾燥蛋白質濃縮物、乾燥生物質、富含碳水化合物的粉柏等的產物，其中多相產物中至少約50%的蛋白質是乾燥的蛋白質濃縮物。裂解單元可包括至少一個選自膠體磨、切碎機、球磨機、錘式粉碎機、研磨機、打漿機和壓濾機的裝置。分離單元可包括至少一種選自帶式壓機、潷析離心機、風扇壓機、旋轉式壓機、螺旋壓榨機、壓濾機，以及精壓機的裝置。利用該汁液形成溼的蛋白質濃縮物的單元可包括選自例如過濾單元、澄清單元、蛋白質凝固單元和蛋白質收集單元中的至少一個單元。在一些實施方式中，過濾單元可包括選自例如振動分離器、振動篩過濾器、圓振動分離器、直線/傾斜振動篩、潷析離心機、壓濾機等中的至少一個裝置。澄清單元可包括選自例如高速多盤堆棧離心機、微濾、超濾等中至少一個裝置或工藝。在一些實施方式中，蛋白質凝固單元可包括選自例如一個熱沉澱器、酸沉澱裝置等中的至少一種裝置。蛋白質收集單元可包括選自例如高速多盤堆棧離心機、沉降槽、澄清器和潷析離心機等中的至少一種裝置。蛋白質乾燥單元可包括選自例如噴霧乾燥器、雙滾筒乾燥器、氣流乾燥器等中的至少一種裝置。用於乾燥生物質-原油的單元可包括選自例如流化床乾燥器、旋轉閃蒸乾燥器、氣流乾燥器、滾筒乾燥器、旋轉乾燥器等中的至少一種裝置。同樣，在一些實施方式中，系統可進一步包括清潔單元。
附圖詳述附


圖1A是闡釋為生物燃料原料和蛋白質濃縮物的浮萍產物示例性的流程圖。附
圖1B是闡釋種植、收穫和加工「微小農作物」的示例性工藝的方塊圖。附圖2是闡釋從新鮮浮萍中分離蛋白質的示例性工藝的流程圖。附圖3顯示的是從螺旋壓榨機所得乾燥蛋白質(乾燥的蛋白質濃縮物)的相對產量和生物質-原油的相對產量的柱狀圖。附圖4顯示的是如附圖2中所示工藝中產生的溼的蛋白質濃縮物的水分含量實例的柱狀圖。附圖5顯示的是由附圖2所示工藝中產生的每批次的蛋白質純度。附圖6顯示的是如附圖2所示工藝中產生的生物質-原油的水分含量的柱狀圖。附圖7顯示的是如附圖2所示工藝中產生的每批次生物質-原油組成的柱狀圖。附圖8顯示的是基於不同階段試點農田的相對性能的柱狀圖。附圖9顯示的是新鮮浮萍經過如附圖2中所示裂解和壓榨後固體碎片實例的柱狀圖。附
圖10顯示的是如附圖2中所示混合的汁液原料經過振動分離器後實例的柱狀圖。附
圖11顯示的是使用附
圖10和附
圖11中所示結果計算物質碎片的實例。附
圖12顯示的是如附圖2所示經過濾的汁液藉由離心而得以澄清後對固體碎片的測試的實例的柱狀圖。附
圖13顯示的是為了使蛋白質凝固沉澱而沉澱經旋轉過濾的汁液後對固體碎片的樣品測試的柱狀圖。附
圖14顯示的是如附圖2所示的噴霧乾燥器的產物捕獲效率實例的柱狀圖。附
圖15顯示的是在每個單元操作後的固體碎片實例的柱狀圖。附
圖16闡釋了如何基於單元操作通過的固體物質流量來計算蛋白質產量(幹的蛋白質濃縮物)。附
圖17闡釋的是從浮萍中分離蛋白質的示例工藝的流程圖。附
圖18是附
圖17中顯示的從浮萍中分離蛋白質的闡釋性示例工藝的更具體的流程圖。
附
圖19顯示的是附
圖17和附
圖18中所示的工藝中通過單元操作的相對固體碎片。附圖20顯示的是在如附
圖19中所示的提取脫水#1和提取脫水#2後如何計算物
質碎片。附圖21闡釋的是如何基於通過單元操作的固體物質流量來計算產量(幹的蛋白質濃縮物)的實例。附圖22顯示的是如附
圖17和附
圖18中所示工藝中通過單元操作相對蛋白質回收的柱狀圖。附圖23闡釋的是基於通過單元操作的蛋白質物質流量如何計算蛋白質產量的一個實例。附圖24顯示的是原料(處理過的)汁液藉由離心而得以澄清之後固體碎片的柱狀圖。附圖25顯示的是為使蛋白凝聚對澄清的汁液進行巴氏殺菌後的固體碎片的柱狀圖。附圖26顯示的是為使蛋白質分離，使在蛋白質凝固期間產生的湯汁經歷離心的柱狀圖。附圖27顯示的是溼的蛋白質濃縮物通過噴霧乾燥而乾燥後相對固體碎片的柱狀圖。附圖28顯示的是附圖24-27中所示的固體物質流實例的測試協議方案。附圖29闡釋的是從新鮮浮萍中分離蛋白質和其他產物的示例性工藝的流程圖。附圖30闡釋的是從新鮮浮萍中分離蛋白質的示例性工藝的流程圖。附圖31闡釋的是從新鮮浮萍中分離蛋白質的示例性工藝的流程圖。附圖32闡釋的是用可選的pH調節和洗滌溼的蛋白質從新鮮浮萍中分離蛋白質的示例性工藝的流程圖。附圖33闡釋的是和其他產物(例如生物質-原油)的生產一樣，用逆混和可選的洗滌蛋白質從新鮮浮萍中分離蛋白質的示例性工藝的流程圖。附圖34闡釋的是用逆混和向混合罐中加水，從新鮮浮萍中分離蛋白質的示例性工藝的流程圖。附圖35闡釋的是用球磨機和潷析器，從新鮮浮萍中分離蛋白質和其他產物的示例性工藝的流程圖。附圖36闡釋的是種植和收穫新鮮浮萍的示例性工藝的流程圖。附圖37闡釋的是從新鮮浮萍中分離蛋白質和其他產物的示例性工藝的流程圖。附圖38闡釋的是從新鮮浮萍中分離蛋白質和其他產物的示例性工藝的流程圖。
發明詳述在一些實施方式中，用來描述和要求本申請的一些實施方式的表達組分數量、特性例如分子量、反應條件等的數值，應當被理解為在某些情況下由術語「大約」來修飾。相應地，在一些實施方式中，文字描述和附加的權利要求書中闡述的數字參數是近似值，可以基於某些實施方式中所期望獲得的特性而變化。在一些實施方式中，數字參數可以根據報導的有效數字，並通過應用普通的湊整技巧來解釋。儘管在本申請的一些實施方式的寬的範疇內數字範圍和參數是近似值，然而在具體實施例中提及的數值是儘可能精確地報導的。說明書全文中對現有技術的任何討論絕不應被看做對這些現有技術是眾所周知的或是本領域普通常規技術的承認。除非在其他地方有明確規定，說明書和權利要求書全文中，詞彙「包含comprise (s) 」、「包含 comprising」、「包括 include (s) 」、「包括 including」 等,應被解釋為包含的含義，與獨有的含義或詳盡的含義正好相反，也即，「包括但不限於」的含義。浮萍科Lemnaceae (也稱為浮萍duckweed)的植物種大量生長於世界的很多區域，同樣，也已經因其潛在工業用途包括飼料應用而被廣泛地研究。這一科的物種包含高水平的蛋白質，範圍從大約15-43% (基於乾重)，提供了用於要求濃縮的蛋白質源的飼料應用的潛在價值。考慮到這種典型特徵，該物種可適宜於作為一種水產養殖飼料、動物飼料以及其他應用中替代的蛋白質源。當前環境正包含著氣候變化，來自浮萍的可持續資源正被推動開發為商業化材 料，作為生物燃料和蛋白質濃縮物的原料。附
圖1A顯示的是為生物燃料原料和蛋白質濃縮物的示例性的浮萍產物流程圖。為了生物燃料的應用，可以從基質材料中分離出碳水化合物，然而，可以利用蛋白質組分(它也包含相當多數量的脂肪)用於飼料應用。尤其是，考慮到生物燃料工業的規模，這些工藝的商業化能夠導致這種可持續蛋白質源在大規模程度的有效性。進而，可以獲得一種包含高達65%-70%蛋白質(基於乾重)或更高的蛋白質濃縮物。表I顯示的是浮萍的典型組成的必需胺基酸和初步的可消化性數據，它能闡釋這種蛋白質源用於水產養殖飼料應用中的潛在效力。
表I——浮萍蛋白質濃縮物的必須脂肪酸圖譜_
權利要求
1.一種從水生生物的生物質中回收多種產物的工藝,包括 提供生物質； 裂解生物質從而產生經裂解的生物質； 分離該裂解的生物質從而產生一種汁液和第一固相； 使用汁液形成一種溼蛋白質濃縮物； 乾燥溼蛋白質濃縮物從而產生一種幹蛋白質濃縮物； 使用第一固相生產出一種溼生物質-原油； 乾燥生物質-原油從而產生至少一種選自幹生物質-原油和富含碳水化合物的粉柏的產物； 其中多種產物包括選自幹蛋白質濃縮物、幹生物質-原油，以及富含碳水化合物的粉柏的產物；且其中多種產物中至少50%的蛋白質在乾燥蛋白質濃縮物中。
2.權利要求1的工藝，其中提供步驟包括 基於工業規模生產水生生物的生物質； 並收穫生物質。
3.權利要求1的工藝，其中分離步驟包括壓榨經裂解的生物質。
4.權利要求1的工藝，進一步包括 過濾汁液從而形成經過濾的汁液和第二固相； 澄清經過濾的汁液從而形成澄清的汁液和第三固相； 從澄清汁液中凝固蛋白從而形成包含溼的蛋白質濃縮物的湯汁；以及 從湯汁中分離溼的蛋白質濃縮物。
5.權利要求4的工藝，其中第一固相、第二固相、第三固相和湯汁中至少一種用來回收生物質-原油和富含碳水化合物的粉柏。
6.權利要求1的工藝，其中水生生物包括浮萍種。
7.權利要求1的工藝，其中裂解包含使用球磨機、膠體磨、切碎機、錘式粉碎機、研磨機、打漿機和壓濾機中的至少一種。
8.權利要求3中的工藝，其中壓榨包括使用帶式壓機、風扇壓機、旋轉式壓機、螺旋壓榨機、壓濾機，以及精壓機中的至少一種。
9.權利要求1中的工藝,其中汁液包含可溶性蛋白質。
10.權利要求4的工藝，包含對第一固相、第二固相、或第三固相中的至少一種進行壓榨，從而產生一種第二汁液和一種生物質-原油。
11.權利要求10的工藝，其中將第二汁液和汁液混合。
12.權利要求10的工藝，其中使用螺旋壓榨機進行進一步的壓榨。
13.權利要求10的工藝，進一步包含乾燥生物質-原油。
14.權利要求13的工藝，其中乾燥是使用旋轉閃蒸乾燥器、噴霧乾燥器、滾筒乾燥器、氣流乾燥器、流化床乾燥器、雙滾筒乾燥器和旋轉乾燥器中的至少一種進行的。
15.權利要求4的工藝，其中過濾是通過使用振動分離器、振動篩過濾器、圓振動分離器、直線/傾斜振動篩、潷析離心機和壓濾機中的至少一種而進行的。
16.權利要求15的工藝，其中振動分離器包含至少一個振動篩過濾器。
17.權利要求4的工藝，其中澄清包括對經過濾汁液進行離心和/或進一步的過濾。
18.權利要求17的工藝，其中澄清包括使用至少高速多盤堆棧離心機、微濾、超濾中的至少一種。
19.權利要求4的工藝，其中澄清汁液儲存在冷藏儲罐中。
20.權利要求4的工藝，其中凝固包括降低經澄清汁液的pH。
21.權利要求20的工藝，其中pH降低到低於約6。
22.權利要求20的工藝，其中pH降低到低於約5。
23.權利要求20的工藝，其中pH降低到低於約4.5。
24.權利要求20的工藝，其中降低pH包括使用選自鹽酸、硝酸和硫酸中的至少一種。
25.權利要求4的工藝，其中凝固是使用包含至少一個熱交換器的沉澱器而進行的。
26.權利要求25的工藝，其中至少一個熱交換器包含至少一個盤式、或管式、或蒸汽注入式熱交換器。
27.權利要求4的工藝，其中凝固包括 將澄清汁液加熱到第一溫度從而產生湯汁；且 冷卻湯汁到第二溫度。
28.權利要求27的工藝，其中第一溫度為從約40°C到約100°C。
29.權利要求27的工藝，其中第二溫度低於約40°C。
30.權利要求27的工藝，其中第二溫度低於約30°C。
31.權利要求1的工藝，其中分離包括使用高速多盤堆棧離心機。
32.權利要求1的工藝，其中溼的蛋白質濃縮物儲存在冷減儲iiS中。
33.權利要求1的工藝，進一步包括乾燥溼的蛋白質濃縮物從而產生一種幹的蛋白質濃縮物。
34.權利要求33的工藝，其中乾燥是使用噴霧乾燥器、滾筒乾燥器、旋轉閃蒸乾燥器、氣流乾燥器、流化床乾燥器、雙滾筒乾燥器和旋轉乾燥器而進行的。
35.權利要求1的工藝，進一步包括使一種選自由第三固相和澄清汁液組成的組的物質接觸至少一種醇類、溶劑或水，以及一種酸性催化劑，從而形成混合物，分離混合物成清液和固體，藉此物質中的脂類和灰分形成組分分離進入清液。
36.權利要求1的工藝，進一步包括或在裂解之前，或直接在裂解之後，用水相溶劑洗滌生物質。
37.一種從水生生物的生物質中回收多種產物的系統，包括 一個用於裂解生物質從而產生經裂解的生物質的裂解單元； 一個用於分離經裂解的生物質從而產生一種汁液和一種固相的分離單元； 一個利用汁液形成溼的蛋白質濃縮物的單元； 一個用於乾燥溼的蛋白質濃縮物從而產生乾燥蛋白質濃縮物的蛋白質乾燥單元； 以及一個用於乾燥溼的生物質-原油從而產生至少一種選自乾燥生物質-原油和富含碳水化合物粉柏的產物的單元，其中溼的生物質-原油包含固相； 其中多相產物可包括選自例如乾燥蛋白質濃縮物、乾燥生物質、富含碳水化合物的粉柏的產物，且 其中多相產物中至少約50%的蛋白質是乾燥的蛋白質濃縮物。
全文摘要
在此公開了一種水生生物的生物質的工業化規模產物中回收多種產物的方法和系統。
文檔編號A23N17/00GK103002752SQ201180024644
公開日2013年3月27日 申請日期2011年3月17日 優先權日2010年3月17日
發明者勞倫·奧利維爾, 格雷格·哈伍曼, 保羅·安塔裡克, 班迪·愛德森 申請人:Pa公司