УСКОРЕННЫЙ СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА Российский патент 2012 года по МПК C01B31/20 C12P1/00 C12P3/00 C12P5/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к области применения возобновляемых источников энергии и к области получения электрической и тепловой энергии посредством использования электромагнитных биоакселераторов и культуры организмов типа фитопланктона и зоопланктона, причем организмы фитопланктона обычно относятся к следующим таксономическим семействам: Chlorophyceae, Bacillariophyceae, Dinophyceae, Cryptophyceae, Chrysophyceae, Haptophyceae, Prasinophyceae, Raphidophyceae, Eustigmatophyceae, и организмы зоопланктона обычно относятся к семействам Copepod, Thaliacea, Cladocera, Rotifera и Decapod. Обычно таксономические семейства содержат виды хромофитной линии, которые являются жгутиковыми или нежгутиковыми одноклеточными организмами и имеют строго планктонную (голопланктонную) жизненную фазу, или по меньшей мере одна из их фаз является планктонной (меропланктонной). Видами организмов группы фитопланктона, применение которых относится к данному изобретению, являются, без ограничения ими: Dunaliella salina, Tetraselmis sp, Isochrysis galbana, Pavlova lutheri, Rhodomonas salina, Phaeodactylum tricornutum, Thalassiosira weissflogii и Chaetoceros socialis.

Данное изобретение конкретно относится к способу применения CO₂, выделяемого при сжигании биотоплива, полученного из указанных микроорганизмов (которые произведены посредством фотосинтеза и митоза), и использованию образованного CO₂ для воспроизведения микроорганизмов. Таким образом достигается масштабное улавливание газов, обусловливающих парниковый эффект и, соответственно, эффект глобального потепления, особенно диоксида углерода.

Уровень техники

Глобальное потепление представляет собой теорию, согласно которой увеличение средней температуры атмосферы Земли и океанов обусловлено парниковым эффектом, вызываемым выделением диоксида углерода и других газов. В этом же самом смысле, температура увеличилась после конца 19-го столетия, когда закончился период величиной примерно 400 лет, известный как «незначительное оледенение», и предполагается, что это потепление обусловлено в значительной степени деятельностью человека, которая возросла за последние десятилетия. Данная теория также прогнозирует, что температуры будут продолжать подниматься в будущем, если выделение парниковых газов будет продолжаться (Фиг. 1).

Обязанностью экономических зон в соответствии с задачами, возложенными Киотским протоколом в отношении снижения выделения CO₂/SO₂ и выделения других газов, вызывающих так называемый парниковый эффект, является принуждение стран к поиску альтернативных и возобновляемых видов топлива, чтобы предотвратить возможные штрафные санкции.

Хотя производство солнечной энергии и энергии ветра увеличивается в некоторых регионах, эти технологии очень дороги и подходят не для всех климатических зон. В этих условиях, биотопливо имеет важное значение в качестве замены горючих полезных ископаемых, особенно на транспорте и для выработки тепла.

Затраты на производство биотоплива из растений, такого как пальмовое и рапсовое масло, всегда давали повод для сомнений. Принимая во внимание низкие показатели объема производства масла в расчете на гектар, требуется огромное количество ресурсов, чтобы достичь коммерческой производительности. Земля и вода являются двумя ограниченными ресурсами, и предпочтительно их использование для производства продуктов питания, которые являются также более прибыльными для фермеров. Интенсивное удобрение почвы является, кроме того, огромным фактором загрязнения земли и воды. Экстенсивное земледелие с выращиванием отдельных культур также является одним из основных антагонистов биологического разнообразия.

Исследование, проведенное университетом в Беркли, Калифорния (University of California-Berkeley), Natural Resources Research Vol 14 No. 1 March 2005 pp. 65-72, показывает, что наземные растения, такие как подсолнечник, используют больше энергии, чем ее производят; например, чтобы произвести 1000 кг топлива из подсолнечника, имеющего энергию 9000000 ккал, должно быть использовано 19000000 ккал энергии, что соответствует выделению CO₂, превышающему выделение для ископаемого топлива; для примера, автомобиль мощностью 135 лошадиных сил, проехавший 100 км, выделяет 20 кг CO₂ при работе на ископаемом топливе. Если использовать топливо, полученное из подсолнечника, то общее объединенное выделение составило бы 36 кг CO₂; однако, если топливо получено из фитопланктона, после утилизации CO₂, например, от теплоэлектростанции, баланс составляет 10 кг CO₂, выделенного в атмосферу, вследствие накапливания от такого же автомобиля, имеющего такую же мощность, при пробеге 100 км; причина заключается в том, что CO₂, уловленный с предприятия, генерировал мощность 100 кВт и уловлен водорослями, которые в этом случае обеспечивают баланс 0; однако поскольку водоросли производят биотопливо, которое приводит в действие автомобиль на расстоянии 100 км, это биотопливо выделяет столько же, что и горючие полезные ископаемые, примерно 20 кг, однако общий баланс составляет 200 кВт на 20 кг, и поэтому конечный результат будет составлять 10 кг. Однако данное изобретение описывает ускоренный способ, в котором часть утилизируется перед производством топлива, т.е. часть тела клеток утилизируется для изготовления инертных продуктов, таких как силикаты, целлюлоза и т.п. Эта часть обеспечивает уменьшение CO₂, уловленного для преобразования, на 30%, и поэтому конечный результат составляет 4 кг выделенного CO₂ в противоположность ранее образованным 10 кг.

В конечном счете, полная утилизация CO₂ достигается посредством данного изобретения, и поэтому баланс составляет 0, с учетом того, что образованный CO₂ возвращается в культуру, чтобы питать фитопланктон и тем самым снова генерировать биомассу. Поэтому очевидна необходимость в образовании системы, использующей фитопланктон, чтобы генерировать чистую энергию, которая не влияет негативным образом на Землю.

Принимая во внимание вышесказанное, фитопланктон представляет практически осуществимое решение обсуждавшейся выше проблемы, с учетом того, что примерно 50% сухой массы одноклеточных организмов является в целом биотопливом. В дополнение к этому, ежегодное производство на гектар биотоплива от фитопланктона в 40 раз больше по сравнению с другим, наиболее эффективным в отношении стоимости, продуктом, пальмовым маслом. Препятствием является то, что производство топлива из фитопланктона требует распространения на обширные пространства с довольно мелкой водой, а также введения больших количеств CO₂, существенного элемента для фитопланктона, чтобы обеспечить производство топлива. Природные системы производства, такие как водоемы с фитопланктоном, имеют сравнительно низкую стоимость, однако процесс заготовки является весьма трудоемким и поэтому дорогим. В дополнение к этому, культивирование фитопланктона выполняется в открытых системах, делая их уязвимыми для загрязнения и создания проблем для культур, что может привести к потерям общей продукции. В этом же самом смысле, преимущество способа, описанного в данном изобретении, заключается в том, что цель способа, являющегося предметом данного патента, выполняется посредством электромагнитных биоакселераторов, которые являются закрытыми системами, и при таких условиях, что культура не загрязняется бактериями, грибками и т.п., поскольку, в дополнение к тому, что системы являются закрытыми, культура обогащается питательными веществами, включающими фунгициды и антибиотики.

Под электромагнитным биоакселератором понимается система, использующая природные элементы, такие как фотосинтез, митоз и электромагнетизм, так что молекулярный обмен на уровне фитопланктона, применимый для улавливания, переноса и преобразования энергии, ускоряется. Таким образом, он представляет собой систему, которая ускоряет природный процесс фотосинтеза и преобразования электромагнитной энергии в биомассу.

До сих пор не были описаны подобные процессы, включающие электромагнитные биоакселераторы, которые также включают преимущества того, что они являются закрытой системой с большим объемом и большими размерами, которая работает непрерывно и позволяет получать большие количества биотоплива или побочных продуктов, таких как нафта, глицерин, кремнийсодержащие соединения, такие как ферросиликаты, которая может также получать тепловую и электрическую энергию без образования загрязнений, с учетом того, что все возможные остатки, такие как диоксид углерода, рециркулируются в системе для использования в качестве питательного вещества для фитопланктона, или в которой рециркулируется использованная вода как часть культуральной среды, так что она может быть использована повторно.

Вследствие способности электромагнитного биоакселератора ускорять размножение фитопланктона и зоопланктона посредством митоза и его способности ускорять фотосинтез, данная ускоренная система для преобразования энергии диоксида углерода позволяет достичь очень высоких уровней производительности, которые почти эквивалентны энергетической мощности ископаемых углеводородов. Кроме того, вследствие конструирования электромагнитных биоакселераторов как составной части данного процесса имеется возможность создания окружающей среды, которая аналогична морской воде (свет, температура и давление) на глубине, на которой этот фитопланктон культивируется и развивается естественным образом. Неотъемлемой особенностью данного изобретения является то, что система электромагнитного биоакселератора регулирует условия культивирования фитопланктона и зоопланктона, такие как температура, давление и освещение. Тепловое регулирование системы, тем самым, облегчается, что, в свою очередь, облегчает регулирование культивируемых популяций фитопланктона и зоопланктона и уменьшает затраты на энергию, необходимую для поддержания гомеотермических условий в системе культивирования. И, в качестве второй особенности, это обеспечивает доступность воды без ограничений и высоких затрат на инфраструктуру любого вида.

Другое преимущество способа, являющегося объектом данного изобретения, заключается в том, что процесс проводится в электрическом поле и магнитном поле, которые присутствуют в электромагнитном биоакселераторе, конечным назначением которого является повышение производительности получения фитопланктона и влияние на обмен электронами, имеющий место в фотосинтезе.

Поэтому данное изобретение описывает новую систему, включающую все эти особенности, предоставляющую широкую эксплуатационную гибкость и являющуюся очень дружественной по отношению к окружающей среде.

В дополнение к этому, в настоящее время имеются способы или процессы, которые используют микроводоросли, как в случае заявки на патент WO 03/094598 A1, озаглавленной «Photobioreactor and process for biomass production and mitigation of pollutants in flue gases», которая описывает типовую модель фотобиореактора, в основном сфокусированную на удалении загрязняющих газов типа COx, SOx и NOx. Она по существу является системой, работающей в периодическом режиме (отличие между фотопериодами день/ночь) и являющейся открытой, ее жидкая среда не является аксенической. В ней не регулируются концентрации азота и диоксида углерода с целью увеличения производства биотоплива. Она не сконструирована таким образом, чтобы работать с моноспецифическими или моноклональными штаммами водорослей. Ее конструкция не рассматривает производство биотоплива как основную цель, а сфокусирована на очистке газа. В дополнение к этому, по отношению к используемым фотосинтезирующим организмам она не требует условий, блокирующих систему, и не имеет регулируемой рециркуляции, поскольку перемещение выполняется турбулентным потоком пузырьков.

По сравнению с целью представленного изобретения, предложена совершенно новая система, которая базируется, в отличие от этого, на следующих особенностях:

- Она является полностью закрытой.

- Она является полностью аксенической.

- Она функционирует непрерывным образом.

- Она работает с моноспецифическими и моноклональными штаммами.

- Она допускает использование смешанных автотрофных-автотрофных, автотрофных-гетеротрофных, факультативно гетеротрофных-факультативно гетеротрофных культур.

- Она не допускает использование любых фотосинтезирующих организмов, а по меньшей мере требует, чтобы они не были организмами, образующими биозагрязнение на внутренней поверхности электромагнитного биоакселератора.

- Она допускает использование факультативных гетеротрофов.

- Она требует, чтобы виды фитопланктона и зоопланктона не образовывали колонии.

- Она требует, чтобы виды фитопланктона и зоопланктона не генерировали экзослизь.

- Она требует, чтобы культивируемые виды содержали по меньшей мере 5% жирных кислот и по меньшей мере 5% углеводородов.

- Она улучшает применение нежгутиковых и плавающих видов фитопланктона и зоопланктона.

- Она не допускает использование любых видов жидкостей в качестве культуральной среда, она фокусируется на пресной воде, солоноватой воде и морской воде.

- Ее основной целью является получение соединений метаболического синтеза с энергетическими свойствами или с предварительными энергетическими свойствами, в основном предназначенных для получения биотоплива.

- Она использует образование биомассы для создания биотоплива и других незагрязняющих побочных продуктов, с учетом того, что образуемые CO₂ и NOx используются повторно биоакселераторами, чтобы возобновить процесс, описанный в данном изобретении.

Описание

Данное изобретение относится к ускоренному способу преобразования энергии диоксида углерода, Фиг. 1, который состоит из следующих стадий.

На первой стадии выполняется культивирование фитопланктона, при этом фитопланктон находится в погруженном состоянии в электромагнитных биоакселераторах, основной функцией которых является ускорение фотосинтеза и деление клеток посредством митоза. Электромагнитная энергия, необходимая для выращивания фитопланктона, поступает от солнечного излучения, и подача углерода выполняется за счет CO₂, поступающего от газообразных продуктов сгорания, образованных на последней стадии способа, описанного в данном изобретении, от сжигания биомассы или от побочных продуктов, образованных в данном процессе, и избыточные килокалории от сжигания биомассы будут использоваться для поддержания температуры выращивания. Как известно, любое преобразование термодинамической энергии в электрическую или механическую энергию обусловливает потерю 60% тепловой энергии; однако посредством данного способа, поскольку это закрытый цикл, часть потерянной тепловой энергии возвращается, чтобы подогревать систему и ускорять производство.

Фотосинтез понимается как процесс, посредством которого растения, водоросли и некоторые бактерии улавливают и используют световую энергию (электромагнитную энергию), чтобы преобразовать неорганическое вещество в их внешнем окружении в органическое вещество, которое будет использовано для их роста и развития. Фотосинтез разделяется на две фазы. Первая фаза происходит в тилакоидах, в которых световая энергия улавливается и хранится в двух простых органических молекулах (ATP и NADPH). Вторая фаза имеет место в стромах, и две молекулы, созданные на предшествующей фазе, используются в усвоении атмосферного CO₂, чтобы получить углеводы и, косвенным образом, остальные органические молекулы, которые поддерживают существование (аминокислоты, липиды, нуклеотиды и т.п.). В первой фазе световая энергия, уловленная фотосинтезирующими пигментами, присоединенными к протеинам и организованными в так называемые «фотосистемы», вызывает разложение воды с высвобождением электронов, циркулирующих посредством молекул-носителей, чтобы достичь конечного акцептора (NADP+), который может быть посредником в преобразовании атмосферного CO₂ (или растворенного в воде в водных системах) в органическое вещество. Этот световой процесс также связан с образованием молекул, функционирующих как энергообменники в клетках (ATP). Образование ATP также необходимо для фиксирования CO₂.

6CO₂+6H₂O→C₆H₁₂O₆+6O₂

На второй стадии фотосинтеза выполняется цикл Кальвина, в данном цикле неорганические молекулы диоксида углерода преобразуются в простые органические молекулы, из которых будут образовываться остальные биохимические соединения, которые поддерживают существование. Этот процесс может быть поэтому также назван ассимиляцией углерода. Поэтому может быть подтверждено, что для всех 6 зафиксированных молекул CO₂ конечная стехиометрия цикла Кальвина может быть в суммарном виде представлена в виде следующей формулы:

6CO₂+12NADPH+18ATP→C₆H₁₂O₆P+12NADP⁺+18ADP+17Pi

Это будет представлять образование молекулы фосфата сахара с 6 атомами углерода (гексозы) из 6 молекул CO₂.

Углеродные цепи остальных молекул, которые поддерживают существование (липиды, протеины, нуклеиновые кислоты и т.п.), будут также прямым или косвенным образом формироваться из этих сахаров.

Для того чтобы выполнить эту первую стадию, необходимо регулировать температуру, регулировать интенсивность света и подачу питательных веществ. Также должно быть обеспечено, чтобы культуральная среда была аксенической.

Условия для обеспечения выполнения этой первой стадии процесса следующие:

- постоянная температура в интервале от 20 до 25°C.

- интенсивность солнечного излучения от 200 до 900 ватт/м².

- длины волн в интервале от 400 до 700 нм.

- интенсивность искусственного освещения от 1 до 50 ватт/м².

- фотопериоды, в зависимости от культивируемого штамма, будут находиться в следующих интервалах:

24:0 часов (свет/темнота).

16:8 часов (свет/темнота).

18:6 часов (свет/темнота).

20:4 часов (свет/темнота).

12:12 часов (свет/темнота).

- Соленость:

Штаммы для соленой воды: 20‰-40‰.

Штаммы для солоноватой воды: 8‰-20‰.

Штаммы для пресной воды: 0,2‰-8‰.

- Концентрация фитопланктона в культуральной среде от 30 миллионов клеток/мл до 500 миллионов клеток/мл.

- pH от 6,5 до 8,9.

- Давление от 1 до 5 атмосфер.

Первоначальные штаммы для инокуляции электромагнитного биоакселератора будут поддерживаться в морской воде, подвергнутой микрофильтрации с применением фильтра из ацетата целлюлозы 0,45 микрон и последующей повторной фильтрации фильтром 0,20 микрон с заключительной стерилизацией УФ излучением. Культуральная среда электромагнитных биоакселераторов будет поддерживаться стерильной и аксенической посредством антибиотиков и фунгицидов.

Антибиотики, добавляемые к культуре, представляют собой смесь пенициллина и стрептомицина в интервале концентраций от 100 до 300 мг/л для каждого из них, предпочтительно в интервале концентраций от 150 до 250 мг/л и более предпочтительно при концентрации 200 мг/л для каждого из компонентов смеси.

Фунгициды, добавляемые к культуре, представляют собой смесь гризеофульвина и нистатина в интервале концентраций от 100 до 300 мг/л для каждого из них, предпочтительно в интервале концентраций от 150 до 250 мг/л и более предпочтительно при концентрации 200 мг/л для каждого из компонентов смеси.

Культуральная среда, используемая для поддержания биомасс, превышающих 100 миллионов клеток/мл, является средой типа Guillard, в соответствии с протоколом, описанным Robert A., Andersen в книге Algal Culturing Techniques с ISBN 0-12-088426-7. Edited by Elsevier, 2005, pp. 507-511.

Указанная среда модифицирована удваиванием концентраций азота (N₂) с целью увеличения концентраций клеток более 125 миллионов клеток/мл.

Поэтому вторая стадия в соответствии с данным изобретением состоит из производства биомассы (липидов, углеводородов и сахаров) и кислорода, поступающего от массива культуры фитопланктона, присутствующего в культуральной среде электромагнитных биоакселераторов. В дополнение к этому, производятся побочные продукты, такие как силикаты или целлюлоза, которые являются составной частью тела каждой из клеток культуральной среды. Способы, используемые для экстракции биомассы из культуральной среды, являются одними из тех способов, которые описаны для современного уровня техники. Однако для того, чтобы отделить силикаты и целлюлозу, были использованы неполярные растворители, которые обеспечивают возможность растворения и экстракции этих продуктов и которые описаны для современного уровня техники. В дополнение к этому, способами разрушения клеток культуральной среды являются, неограничивающим образом, способы с применением ультразвука, политрона или размельчения, микроволн и/или нагревания при 200°C.

Все эти продукты, перечисленные выше, которые являются результатом улавливания и преобразования диоксида углерода, представляют собой косвенным образом диоксид углерода, который не возвращается в атмосферу, а используется повторно посредством передачи от последней стадии данного процесса к первой стадии указанного процесса.

На третьей стадии процесса продукты, полученные на предшествующей стадии, подвергаются окислению посредством непосредственного или косвенного сжигания, чтобы генерировать термодинамическую энергию, которая используется в транспортных средствах или на электростанциях. Остаточными продуктами этого процесса являются в основном NOx и диоксид углерода.

На последней стадии процесса эти остаточные продукты возвращаются снова в электромагнитные биоакселераторы первой стадии, так что цикл, описанный в данном процессе, закрывается, и эти продукты снова используются в качестве питательных веществ для культуральной среды, в которой присутствует фитопланктон.

Поэтому тепловая энергия, произведенная всеми соединениями углерода, полностью используется. Переход от второй стадии к третьей стадии выполняется путем непосредственного сжигания после центрифугирования и сушки биомассы. После того как она высушена, ее инжектируют в печь, чтобы использовать газы в теплообменнике, который, в свою очередь, производит пар, подаваемый в турбины. Оставшиеся газы на выходе теплообменника возвращаются прямо в электромагнитный биоакселератор. При меньшем масштабе паровая турбина может быть заменена двигателем Стирлинга, использующим высокие температуры камеры сгорания или печи для функционирования двигателя этого типа. Тип используемой турбины является любым из тех турбин, которые описаны для современного уровня техники. Комбинированный цикл двигатель Стирлинга - турбина с питанием посредством сжигания биомассы, образованной на второй стадии данного процесса, может быть применен при промежуточных условиях.

Под двигателем Стирлинга понимается один из тех двигателей, основной принцип действия которых заключается в том, что работа выполняется в результате расширения и сжатия газа, когда он нагнетается при последующем цикле охлаждения в холодном резервуаре, посредством чего он сжимается, и цикле нагревания в горячем резервуаре, посредством чего он расширяется. Иными словами, необходимо наличие разности температур между двумя резервуарами, и он представляет собой тепловой двигатель. Его рабочий цикл образован посредством 2 изохорических преобразований (нагревание и охлаждение при постоянном объеме) и двух изотерм (сжатие и расширение при постоянной температуре).

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления ускоренный цикл преобразования энергии диоксида углерода будет состоять из 5 стадий вместо 4, или, иными словами, пятая стадия дополнительно включена в процесс между стадиями 2 и 3 (Фиг. 2). На этой новой стадии выполняется процесс преобразования продуктов, полученных на второй стадии. Процесс преобразования химической энергии посредством трансэстерификации предназначен для липидов. Углеводороды отгоняются посредством каталитического гидрокрекинга, и, тем самым, получают энергосодержащие продукты, такие как керосин, бензин, биодизельное топливо, нафта и другие, такие как глицерин. Сахара подвергают молекулярной деградации с получением этанола, часть которого будет использована в процессе трансэстерификации, выполняемом для липидов.

Трансэстерификация понимается как процесс, выполняемый посредством следующей химической реакции:

Третья стадия может, соответственно, не выполняться, в зависимости от потребностей системы.

На четвертой стадии процесса углеводороды подвергаются окислению путем прямого или косвенного сжигания, чтобы получить термодинамическую энергию, которая используется в транспортных средствах или на электростанциях. Остаточными продуктами этого процесса являются в основном NOx и диоксид углерода.

На последней стадии процесса эти остаточные продукты возвращаются в электромагнитные биоакселераторы первой стадии, так что цикл, описанный в данном процессе, замыкается, и эти продукты снова используются в качестве питательных веществ для культуральной среды, в которой присутствует фитопланктон.

В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления данный способ может быть использован для утилизации диоксида углерода, выпущенного автомобильными двигателями (Фиг. 3), который улавливается на выходе выпускной трубы при обычных рабочих условиях двигателя. Затем газы сжимаются и аккумулируются в месте хранения, независимом от автомобиля, который аналогичен месту хранения топлива или баку. Затем это место хранения опорожняется на станциях обслуживания в то же самое время, когда автомобиль заправляется топливом. Содержимое этих резервуаров для сбора диоксида углерода или мест хранения затем закачивается в электромагнитные биоакселераторы предприятия для выработки энергии ускоренного типа для преобразования энергии диоксида углерода, наряду с тем, что указанное предприятие производит необходимое топливо для автомобиля.

В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления ускоренный способ преобразования энергии диоксида углерода может быть составной частью предприятия для сжигания мусора (Фиг. 4), так что может быть обеспечен непрерывный источник диоксида углерода для подачи питательных веществ в электромагнитные биоакселераторы.

В соответствии с другими предпочтительными вариантами осуществления ускоренный способ преобразования энергии диоксида углерода мог бы работать так, как показано для биоэлектрической системы с циклом теплового двигателя 1 ч (Фиг. 7), в которой теплотворная способность биомассы используется тепловым двигателем, чтобы генерировать электрическую энергию, и паровым теплообменником; этот пар также позволяет производить электрическую энергию посредством паровой турбины.

В этом же самом смысле аналогичным образом будет функционировать биоэлектрическая система с циклом теплового двигателя 1 ч (поток энергии) (Фиг. 8), в которой 60% теплотворной способности биомассы преобразуется в электрическую энергию посредством теплового двигателя с эффективностью 36%. Тепловая эффективность двигателя составляет 50%. 40% теплотворной способности биомассы образуют определенное количество пара, которое обеспечивает производства электрической энергии с эффективностью 25% посредством паровой турбины. Часть образованной электрической и тепловой энергии и дымовые газы от сжигания используются биоэлектромагнитным акселератором.

Аналогичным образом будет функционировать биоэлектрическая система с комбинированным циклом 100 ч (Фиг. 9), в которой теплотворная способность биомассы, содержащаяся в топочном газе, называемым синтез-газом (CO₂ и NOx), используется газовой турбиной, чтобы генерировать электрическую энергию. Выхлопные газы обеспечивают возможность образования пара, который также производит электрическую энергию посредством паровой турбины.

В заключении, аналогичным образом будет функционировать биоэлектрическая система с комбинированным циклом 100 ч (поток энергии) (Фиг. 10)), в которой теплотворная способность биомассы содержится в топочном газе, называемым синтез-газом (CO₂ и NOx), который образуется посредством плазменной газификации. Этот газ обеспечивает генерацию электрической энергию посредством газовой турбины с эффективностью 33%. Выхлопные газы турбины подают тепло в парогенератор, который будет производить электрическую энергию с эффективностью 25% посредством паровой турбины. Часть образованной электрической и тепловой энергии и дымовые газы от сжигания используются биоэлектромагнитным акселератором.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 показывает типичную схему, представляющую ускоренный способ преобразования энергии диоксида углерода, являющийся целью данного изобретения, с каждой из его стадий для использования солнечной и искусственной электромагнитной энергии для получения, помимо прочего, продуктов, окисление которых создает совокупное использование тепловой энергии, произведенной всеми углеродными соединениями после их окисления.

Фиг. 2 показывает типичную схему, представляющую ускоренный способ преобразования энергии диоксида углерода, являющийся целью данного изобретения, в котором дополнительная стадия добавлена между стадией 2 и стадией 3. На этой новой стадии выполняется процесс преобразования продуктов, полученных на второй стадии. Процесс преобразования химической энергии посредством трансэстерификации предназначен для липидов. Углеводороды отгоняются посредством каталитического гидрокрекинга, и, тем самым, получают энергосодержащие продукты, такие как керосин, бензин, биодизельное топливо, нафта и другие, такие как глицерин. Сахара подвергают молекулярной деградации с получением этанола, часть которого будет использована в процессе трансэстерификации, выполняемом для липидов.

Фиг. 3 показывает типичную схему, представляющую способ утилизации диоксида углерода, выпущенного автомобильными двигателями, который улавливается на выходе выпускной трубы при обычных рабочих условиях двигателя.

Затем газы сжимаются и аккумулируются в месте хранения, независимом от автомобиля, который аналогичен месту хранения топлива или баку.

Затем это место хранения опорожняется на станциях обслуживания в то же самое время, когда автомобиль заправляется топливом. Содержимое этих резервуаров для сбора диоксида углерода или мест хранения затем закачивается в электромагнитные биоакселераторы предприятия для выработки энергии ускоренного типа для преобразования энергии диоксида углерода, наряду с тем, что указанное предприятие производит необходимое топливо для автомобиля.

Фиг. 4 показывает типичную схему, представляющую возможное применение способа, описанного в данном изобретении, например, такое, что он является составной частью предприятия для сжигания мусора и поэтому обеспечивает непрерывный источник диоксида углерода в качестве источника подачи питательных веществ в электромагнитные биоакселераторы. Фигура также показывает типичную схему, представляющую электромагнитный биоакселератор, в котором выполняется культивирование фитопланктона, и последующие стадии для производства биотоплива, CO₂, NOx и т.п.

Фиг. 5 показывает уменьшение атмосферного CO₂ при концентрации 10% по объему посредством применения штамма Nannochloropsis gaditana.

Фиг. 6 показывает влияние CO₂ на увеличение биомассы при культивировании штамма типа Nannochloropsis sp, в котором NA представляет указанный вид штамма.

Фиг. 7 показывает биоэлектрическую систему с циклом теплового двигателя 1 ч, в которой теплотворная способность биомассы используется тепловым двигателем, чтобы генерировать электрическую энергию, и паровым теплообменником; пар которого предоставляет возможность производства электрической энергии посредством паровой турбины.

Фиг. 8 показывает биоэлектрическую систему с циклом теплового двигателя 1 ч (поток энергии), в которой 60% теплотворной способности биомассы преобразуется в электрическую энергию посредством теплового двигателя с эффективностью 36%. Тепловая эффективность двигателя составляет 50%. 40% теплотворной способности биомассы образуют определенное количество пара, которое обеспечивает производство электрической энергии с эффективностью 25% посредством паровой турбины. Часть образованной электрической и тепловой энергии и дымовые газы от сжигания используются биоэлектромагнитным акселератором.

Фиг. 9 показывает биоэлектрическую систему с комбинированным циклом 100 ч, в которой теплотворная способность биомассы, содержащаяся в топочном газе, называемым синтез-газом (CO₂ и NOx), используется газовой турбиной, чтобы генерировать электрическую энергию. Выхлопные газы обеспечивают возможность образования пара, который также производит электрическую энергию посредством паровой турбины.

Фиг. 10 показывает биоэлектрическую систему с комбинированным циклом 100 ч (поток энергии), в которой теплотворная способность биомассы содержится в топочном газе, называемым синтез-газом (CO₂ и NOx), который образуется посредством плазменной газификации. Этот газ обеспечивает генерацию электрической энергию посредством газовой турбины с эффективностью 33%. Выхлопные газы турбины подают тепло в парогенератор, который будет производить электрическую энергию с эффективностью 25% посредством паровой турбины. Часть образованной электрической и тепловой энергии и дымовые газы от сжигания используются биоэлектромагнитным акселератором.

Вариант осуществления

Фиг. 5 показывает, что посредством использования культуры в 41 миллионов клеток/мл во временном интервале 310 минут было получено уменьшение в атмосфере, обогащенной CO₂, на 10% от всего CO₂, имеющегося в указанной атмосфере, при увеличении биомассы 3,5 миллионов клеток/мл. Культивирование поддерживалось стабильным при 22°C, и величина pH поддерживалась постоянной при 8,2. Световое облучение поддерживалось при фотопериодах 18:6. Эксперименты, проведенные в обогащенной атмосфере при 20%, показывают аналогичный характер и прямо пропорциональную зависимость для увеличения биомассы. Используемые виды являлись Nannochloropsis gaditana. Соленость среды составляла 38 на тысячу, и эксперименты проводились в закрытом инокуляторе объемом 40 литров.

Первоначальные штаммы для конвертера для инокуляции биомассы поддерживались в морской воде, подвергнутой микрофильтрации с применением фильтра из ацетата целлюлозы 0,45 микрон и последующей повторной фильтрации фильтром 0,20 микрон с заключительной стерилизацией УФ излучением. Культуральная среда конвертеров поддерживается стерильной и аксенической посредством антибиотиков и фунгицидов.

Антибиотики, добавляемые к культуре, представляют собой смесь пенициллина и стрептомицина в интервале концентраций от 100 до 300 мг/л для каждого из них, предпочтительно в интервале концентраций от 150 до 250 мг/л и более предпочтительно при концентрации 200 мг/л для каждого из компонентов смеси.

Фунгициды, добавляемые к культуре, представляют собой смесь гризеофульвина и нистатина в интервале концентраций от 100 до 300 мг/л для каждого из них, предпочтительно в интервале концентраций от 150 до 250 мг/л и более предпочтительно при концентрации 200 мг/л для каждого из компонентов смеси.

Фиг. 6 показывает разницу в росте двух культур Nannochloropsis sp, при этом единственная разница заключалась в присутствии или отсутствии воздуха, обогащенного CO₂ при 5%. Как можно видеть на фигуре, рост штамма при атмосферном воздухе примерно на 40% меньше роста штамма, культивируемого при воздухе, обогащенном CO₂ до 5%. Этот эксперимент был проведен в электромагнитном биоакселераторе 0,5 м³ при температуре, солености и pH, идентичным предыдущему случаю.

Разница в эффективности штамма в присутствии воздуха, обогащенного CO₂ до 5%, и штамма в его отсутствии становится особенно важной, когда превышает 120 миллионов клеток/мл.

Первоначальные штаммы для конвертера для инокуляции биомассы поддерживались в морской воде, подвергнутой микрофильтрации с применением фильтра из ацетата целлюлозы 0,45 микрон и последующей повторной фильтрации фильтром 0,20 микрон с заключительной стерилизацией УФ излучением. Культуральная среда конвертеров поддерживается стерильной и аксенической посредством антибиотиков и фунгицидов.

Антибиотики, добавляемые к культуре, представляют собой смесь пенициллина и стрептомицина в интервале концентраций от 100 до 300 мг/л для каждого из них, предпочтительно в интервале концентраций от 150 до 250 мг/л и более предпочтительно при концентрации 200 мг/л для каждого из компонентов смеси.

Фунгициды, добавляемые к культуре, представляют собой смесь гризеофульвина и нистатина в интервале концентраций от 100 до 300 мг/л для каждого из них, предпочтительно в интервале концентраций от 150 до 250 мг/л и более предпочтительно при концентрации 200 мг/л для каждого из компонентов смеси.

Изобретение относится к области применения возобновляемых источников энергии и к области получения электрической и тепловой энергии. Культивируют фитопланктон в электромагнитных биоакселераторах. Получают кислород и биомассу, состоящую из липидов, углеводородов и сахаров. Окисляют биомассу. Получают термодинамическую энергию. Диоксид углерода и NO_x возвращают в электромагнитные биоакселераторы. Изобретение позволяет получить биотопливо и повторно использовать СО₂ и NO_x. 8 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ преобразования энергии диоксида углерода, отличающийся тем, что включает следующие стадии:
а. культивирование фитопланктона в электромагнитных биоакселераторах;
b. производство кислорода и биомассы, состоящей из липидов, углеводородов и сахаров, с предшествующей стадии;
с. окисление биомассы, произведенной на предшествующей стадии, с образованием диоксида углерода и NO_x; и
d. отбор диоксида углерода и NO_x с предшествующей стадии для культур на первой стадии, причем на стадии а имеют место следующие условия культивирования:
1) постоянная температура в интервале от 20 до 25°С;
2) длины волн в интервале от 400 до 700 нм;
3) интенсивность солнечного излучения от 200 до 900 ватт/м²;
4) интенсивность искусственного освещения от 1 до 50 ватт/м²;
5) фотопериоды от 24:0 до 12:12 ч свет/темнота;
6) соленость от 20‰ до 40‰ для штаммов для соленой воды, от 8‰ до 20‰ для штаммов для солоноватой воды и от 0,2‰ до 8‰ для штаммов для пресной воды;
7) давление от 1 до 5 атмосфер;
8) антибиотики и фунгициды в концентрации от 100 до 300 мг/мл;
9) концентрация фитопланктона или зоопланктона от 30 до 500 миллионов клеток/мл; и
10) рН от 6,5 до 8,9.

2. Способ преобразования энергии диоксида углерода по п.1, отличающийся тем, что на стадии а культуру фитопланктона подвергают воздействию электрического поля и магнитного поля.

3. Способ преобразования энергии диоксида углерода по п.1, отличающийся тем, что стадия b включает следующие стадии:
11) извлечение биомассы из культуральной среды;
12) центрифугирование биомассы;
13) сушка биомассы;
14) отделение силикатов и целлюлозы с помощью неполярных растворителей; и
15) разрушение клеток культуральной среды с помощью ультразвука, политрона, микроволн и/или нагревания при 200°С.

4. Способ преобразования энергии диоксида углерода по п.1, отличающийся тем, что на стадии с биомассу окисляют путем прямого и/или косвенного сжигания.

5. Способ преобразования энергии диоксида углерода по п.1, отличающийся тем, что газы со стадии с собирают на стадии d для возвращения в культуральную среду стадии а.

6. Способ преобразования энергии диоксида углерода по пп.1-5, отличающийся тем, что между стадиями b и с может быть дополнительно включена стадия b', на которой происходит преобразование продуктов, полученных на стадии b, в соединения с высоким уровнем энергии, такие как АТР и NADPH.

7. Способ преобразования энергии диоксида углерода по п.6, отличающийся тем, что на стадии b' липиды со стадии b подвергаются процессу трансэстерификации.

8. Способ преобразования энергии диоксида углерода по п.6, отличающийся тем, что на стадии b' углеводороды со стадии b перегоняют посредством каталитического гидрокрекинга с получением энергосодержащих продуктов, таких как керосин, бензин, биодизельное топливо, нафта и глицерин.

9. Способ преобразования энергии диоксида углерода по п.6, отличающийся тем, что на стадии b' сахара со стадии b подвергают процессу молекулярной деградации с получением этанола.