CN105377794B - 由生物质生产燃料和生物肥料 - Google Patents

Abstract

一种用于将生物质转化为液体燃料的具有低GHG足迹的IBTL系统，其中通过直接液化将一种生物质进料转化为液体，并且将这些液体提质以生产优质燃料。在一个光生物反应器(PBR)中使来自该直接液化的生物质残渣、以及任选地额外的生物质热解以产生结构化的生物炭、用于液化和提质的氢气、以及用于转化为藻类(包括蓝绿藻(蓝细菌))的CO₂。所产生的藻类和固氮微生物用来生产一种还含有结构化的生物炭的生物肥料。该结构化的生物炭在该PBR中充当一种用于藻类的成核剂，充当一种吸收剂从直接液化之前的生物质进料或从由此产生的液体中吸收无机物，并且在该生物肥料中充当一种保水剂。

Description

由生物质生产燃料和生物肥料

技术领域

本发明涉及整合的生物质到液体的方法，其中通过使用CO₂生产藻类并且利用蓝绿藻加上固氮微生物与其他液化副产物一起用于生产特别配制的生物肥料来大幅降低或去除CO₂和无机物排放。本发明还涉及比现有技术有可能的肥料配制品更有效的生物肥料配制品，并且涉及同时可控地增加土壤中化学活性的碳和氮含量的方法。

背景技术

石油的成本的增加以及关于未来短缺的担忧已经导致对于其他含碳能源增加的兴趣，如用于生产有用的燃料和化学产品的生物质。生物质是利用本土资源来确保能量独立并且同时降低相关过程的总GHG足迹的综合能量策略中的一个重要组分。已经提出了各种方法用于将此类材料转化为液体和气体燃料产品(包括汽油、柴油燃料、航空燃料和取暖用油)并且在某些情况下转化为其他产品(如润滑剂、化学品和合成肥料)。

阻碍这些途径的广泛使用的许多问题包括常规技术的相对低的热效率以及不能利用各种加工副产物，如CO2、炭和废弃无机物用于有利作用。将具有大约1:1直到约2:1的氢与碳(H/C)之比的生物质的全部或选定部分转化为烃类产品(如具有大于大约2:1的H/C比的燃料)导致高达该生物质中一半的碳转化为CO₂并且排放到大气中，并且由此被浪费。此外，迄今为止大量的温室气体(GHG)(特别地呈CO₂的形式)在生物质到有用的产品的转化中作为废物被排放到大气中的事实已经引起了生物质到液体(BTL)的过程从环境的视角被许多人质疑。

已经提出了通过将二氧化碳再注射到地下地层中捕获并封存二氧化碳来至少部分克服GHG问题。这种安排具有以下缺点：是昂贵的，进一步降低了加工能量效率，要求在该转化设备附近的地方合适的地下地层的可用性，关于后续二氧化碳逃逸到大气的担忧，并且浪费了二氧化碳的碳含量的能量潜力。

已经开发了直接热解法用于液化含碳材料如生物质，但是这些也产生不想要的的副产物，如有限的或无价值的炭和无机物。此外，这些所提出的安排中均没有达到热效率、低成本和大幅降低的GHG排放的组合(对于它们成为经济上并且环境上有吸引力的所要求的)。对于具有降低的二氧化碳排放与有效利用CO2、碳和无机副产物结合的经济的生物质到液体转化过程仍然存在重要需求。

发明内容

根据本发明的一个方面，已经开发了一种用于生产液体(如优质燃料和化学原料)、以及新型的自我复制的生物肥料这二者的高效整合的生物质到液体(IBTL)的工艺方案，该工艺方案大幅降低或者甚至去除了整合方法的碳足迹。该整合方法涉及四个主要步骤：

1-通过加氢处理直接液化全部或部分的生物质进料；

2-通过热解来自该液化步骤的生物质残渣以及可任选地一部分该生物质进料来生产结构化的生物炭和氢气；

3-将这些液体提质以产生燃料和/或化学原料；并且

4-使用过程产生的CO2来生产基于藻类的生物肥料。

根据本发明的一个重要方面，在该热解过程中所产生的结构化的生物炭被用作成核剂用于促进藻类生产，作为吸收剂用于从液化之前的生物质原料中或者从液化的液体产物中提取无机物(如磷、钾和其他金属)，和/或作为本发明的生物肥料的载体组分。根据本发明的另一个方面，控制该热解条件以产生具有受控的孔径的生物炭，这些孔径基本上使其在所产生的生物肥料中作为藻类成核剂、吸收剂、或者作为保水剂的效用最优化。在生物肥料中结合被用作吸收剂的生物炭具有将有益的矿物成分(如磷和钾)加入该生物肥料的重要益处。还可以将来自其他来源的额外的有益成分吸收到被用作该生物肥料的一部分的生物炭中。将该生物炭用作吸收剂具有一个另外的优点：可以控制该生物炭的孔径这样使得将水或其他有益成分以大致可控的速率释放到土壤中，由此提供一种“延时释放”功能。

该生物质原料可以从种子作物、食品作物生产的副产物、来自农业的废物、食品生产、烹调油、市政运营、或其他常规来源、和/或藻类获得。对于加氢处理和/或提质步骤所需要的全部或部分氢气可以通过在热解过程中产生或者可替代地来自另一种来源的氢气来供应。

过程产生的CO₂到藻类并且特别地到蓝绿藻(蓝细菌)的转化优选地在封闭的光合生物反应器(PBR)中进行，但是也可以使用开放的PBR。可以将所产生的藻类中的一些用作部分生物质。优选地，使用藻类的全部或大部分来生产本发明的生物肥料。

优选地，本发明的生物肥料还包括固定氮的和/或磷酸盐增溶的固氮生物，如根瘤菌(Rhizobium)、固氮菌(Azotobacter)和固氮螺菌(Azospirillum)，这些固氮生物从产生藻类的PBR中分别优选地产生。在该生物肥料中此类固氮生物的浓度和组成可以基于将该生物肥料施用到其上的土壤的组成以及将在其中生长的具体作物而选择以便为具体的应用提供所希望量的固氮作用。

在用基于藻类(特别地蓝绿藻(蓝细菌))的生物肥料土壤接种之后，藻类和固氮微生物使用来自大气的阳光、氮气和CO2通过自然繁殖以比最初施加到土壤上高的多的浓度重新入住土壤，由此在大幅降低、或者甚至去除生命周期基础上整个IBTL过程的CO2足迹并且大幅提高土壤对于植物生长的肥力。

本发明的生物肥料优选地包括从包括在待将该生物肥料施加到其上的土壤或土壤类型中已经存在的、或者类似于已经存在的那些的蓝细菌的该组微生物培养的土壤接种体。该生物肥料土壤施用量可以依赖于土壤类型和土壤湿度在从一克每平方米至大于25克每平方米的范围内变动。这提供了对于土壤(陆地)碳封存的高杠杆效应并且大大增加了土壤的肥力。从在该BTL过程中产生的一吨的CO₂开始，使用本发明的生物肥料可以导致基于生命周期数十吨的另外的CO₂从大气中去除并且封存在经处理的土壤中。

根据本发明的还另一方面，在如阴天或晚上的时间期间，当没有足够可获得的环境阳光来驱动用于生产藻类的光合作用时，可以例如通过液化CO2或通过在压力下将其存储在气囊中来存储由本发明的IBTL方法生产的CO2，直到太阳光是可供使用的，这些气囊可以是用于生产蓝绿藻的PBR的一部分或与之相邻。可替代地，在没有阳光照射的时间期间，也有可能照射PBR的内含物以维持藻类的生产力。

在本发明的IBTL方法和系统中，显著有助于它的总体效率和经济吸引力的重要的有利的协同效应包括：在热解和液化过程中产生的CO2流是高度浓缩的并且是用于生产藻类的理想进料，以及在提质步骤中固有产生的NH₃是藻类生产步骤中的重要养分的事实。当在液化步骤中使用一种精细分散的钼催化剂时，可以由磷钼酸(PMA)前体原位制备该钼催化剂。有利地，可以由该PMA催化剂前体分离磷，并且将其用作藻类生产步骤中的养分。也可将藻类的生产中产生的氧供给到该热解系统。

除了本发明的整合的生物质到液体的方法在最大化利用过程产生的CO₂来制造有利地结合多重的、在其他情况下基本上无价值的反应副产物(如炭和无机物)的基于藻类的生物肥料的优点，此类配制的生物肥料的自我复制性陆地封存了非常大的额外量的大气CO₂，这大大放大了本发明的方法的总体碳封存潜力。

附图说明

图1是根据本发明的带有从藻类生产肥料的整合的生物质到液体的系统的一个实施例的简化的流程图；

图2是适合用于本发明说明的实施例中的生物质转化系统的示意图。

具体实施方式

现在参照附图的图1，展示了本发明的整合的生物质到液体(IBTL)的方法和系统的优选的实施例，其中将生物质转化为液化系统101中的液体并且将来自该液化步骤的生物质残渣和/或其他含碳的过程废物以及可任选地额外的生物质在热解系统103中热解以产生结构化的生物炭、氢气、生物油、以及可任选地合成气用于间接液化过程(如费托合成(Fischer Tropsch synthesis)或甲醇合成(未示出))。该生物质原料可以从种子作物、食品作物生产的副产物、来自农业的废物、食品生产、烹调油、市政运营、或其他常规来源、和/或藻类获得。当用水或氧共进料操作时，该整合的IBTL方法的热解系统103或氢生产系统还产生大量的浓缩的、纯的CO2，将该纯的CO2供给到藻类生产系统105中以便通过光合作用来生产藻类、并且具体地蓝细菌(蓝绿藻)，该藻类生产系统包括一个或多个封闭的光合生物反应器(PBR)。

到该液化系统101中的生物质进料可以是以下各项之一：(a)生物质原料，优选地已经从该生物质原料中去除大多数H2O，(b)在将甘油三酯提取物进料到该热解系统103之后用生物质残渣从该生物质原料中提取的甘油三酯，或者(c)通过反式酯化这些甘油三酯产生的脂肪酸甲酯。该进料的特定性质将决定在该液化步骤中取得所希望的氢气产量所需要的氢气的总化学计量体积。

在液化之前通过首先提取脂质并且进一步通过将这些脂质转化为脂肪酸甲酯来去除生物质进料中不想要的组分，具有在该液化过程中使得使用更少的H₂并且具有实现更好地控制产物选择性的能力的优点。还从液化之前的进料中或者从该液体产物中通过生物炭(如由热解系统103产生的)的床吸收的方式去除优选地在该生物质进料中的无机物(如钾、磷和其他金属)。

所产生的蓝绿藻是本发明的生物肥料组合物的主要的组分。优选地，固定氮的固氮生物也是该生物肥料组合物的成分。所产生的藻类的一部分可以任选地用作该液化系统101和/或该热解系统103的额外的进料。

使用在该热解系统103中产生的结构化的生物炭来为在PBR系统105中的藻类生产提供成核位点，作为吸收剂来从该生物质进料或从该液化系统101中产生的液体中去除磷、钾和其他金属，并且作为本发明的生物肥料的一种组分，在其中被吸收的无机物和其他被吸收在该生物碳中的材料充当养分来给予该生物肥料有利的特性。结构化的生物炭指的是通过一种方法(如微波热解)生产的生物炭，该方法使得能够很大程度上控制其宏观和微观的孔结构，这样使得在该生物炭中产生的孔结构具有大致受控的孔径和长度。

将在该液化系统101中产生的液体以及来自该热解系统103中的生物油进料到该产物分离和提质系统107中，在其中将它们提质以产生优质燃料(如汽油、柴油和喷气燃料)、和/或化学原料。该提质系统107也产生NH₃，将其作为养分进料到藻类生产系统105。如果该液化系统结合了使用一种钼催化剂，磷也可以从该PMA催化剂前体中回收。任选地，作为一个替代方案，额外的天然气进料可以通过甲烷蒸汽转化(SMR)反应，以生产用于液化和提质步骤的额外的氢以及用于间接液化的合成气。

在液化方法中有用的催化剂还包括在美国专利号4,077,867、4,196,072和4,561,964中披露的那些，将其披露内容以其全文通过引用结合在此。适用于用在本发明的系统中的热解方法和反应器系统在美国公开专利专利申请号US2012/0237994和US2008/02647771中披露，将其披露内容以其全文通过引用结合在此。

附图的图2中示出了根据本发明的适合于进行生物质的液化的反应器系统的示意性实施例。将生物质进料在常规气吹式辊式磨碎机201中干燥并粉碎到1％至4％的含湿量。将经粉碎的并且干燥的生物质进料到一个混合罐203中，其中任选地使它与含有循环的底料和任选地液化催化剂前体的载体溶剂混合以形成浆料流。典型的工作温度是在从250°F至600°F并且更优选地在300°F与450°F之间的范围内。将该浆料从该浆料混合罐输送到浆料泵205。适宜的混合条件的选择是基于对正处理的特定浆料共混物的流变性能进行定量的实验工作。

该浆料在约300°F至500°F(139℃至260℃)离开该混合罐203。由于将热循环溶剂(650/1000°F或353/538℃)和底料进料到该混合罐中，该混合罐中的生物质的大部分湿度被驱除。这种湿度和夹带的任何挥发物作为酸性水冷凝出来(图2中未示出)。离开该混合罐203的浆料中的生物质具有约0.1％至1.0％的湿度。从该混合罐203泵送该生物质浆料并且压力通过浆料泵送系统205增加到希望的水平。所得到的高压浆料在热交换器(未示出)中预热，任选地与氢气混合，并然后在炉207中进一步加热。

将该生物质浆料(和任选的氢气的混合物)在约600°F至700°F(343℃)和2,000psig至3,000psig(138kg/cm²g至206kg/cm²g)下进料到串联连接的液化反应器209、211和213的第一阶段的输入料中。反应器209、211和213是上流式管状容器，这三个反应器的总长度为50至150英尺。作为各种放热反应的结果，从一个反应器阶段到下一个温度升高。为了维持在每个阶段的最高温度低于约850°F至900°F(454℃至482℃)，优选地在反应器阶段之间注入另外的氢气。在每个阶段中的氢气分压优选地维持在最少约1,000psig至2,000psig(69kg/cm²g至138kg/cm²g)。

在分离和冷却系统215中，将来自液化反应器的最后阶段的流出物分离成气体流和液体/固体流，并且该液体/固体流的压力下降。将该气体流冷却至冷凝出石脑油、馏出物和溶剂的液体蒸气。然后对剩余的气体进行加工以除去H₂S和CO₂。

然后将大部分经处理的气体送到氢气回收系统217用于通过常规手段进一步加工以回收其中含有的氢气，然后将其循环以与生物质浆料混合。对经处理的气体的剩余部分进行清洗，以防止循环回路中轻馏分的累积。将从其中回收的氢气用于下游加氢处理提质系统。

将减压的液体/固体流和在气体冷却期间冷凝的烃送到常压分馏塔219，在其中将它们分离为轻馏分、石脑油、馏出物和塔底馏分。对轻馏分进行加工以回收可用于燃料气体和其他目的的氢气和C₁-C₄烃。对石脑油进行加氢处理以饱和二烯烃和其他反应性烃类化合物。可以加氢处理石脑油的160°F+馏分并且使其形成粉末以产生汽油。可对馏出物馏分进行加氢处理以生产例如柴油和喷气燃料的产品。

常压分馏塔219优选地在足够高的压力下操作，使得可将部分的600°F至700°F+(315℃至371℃+)塔底馏分不用泵送而循环到浆料混合罐203用作溶剂。

将从常压分馏塔219产生的剩余的底料进料到真空分馏塔221，在其中将它分离成1000°F-馏分和1000°F+馏分。将1000°F-馏分加入到待循环到浆料混合罐203的溶剂流中。

将1000°F+馏分进料到热解系统223底部，在其中将其在一个封闭的反应器容积内在将达到320℃与750℃之间的温度持续5分钟至3小时或更多小时的时间段的受控气氛下加热，以将这些反应器内含物转化为生物炭、生物油、H2、CO2和CO。该热解气氛可以含有受控浓度的氧气和水蒸气。如果该气氛基本上不含有水蒸气或氧气，则最大化该生物液体和生物炭的生产。随着水蒸气和O2的量增加，该热解系统223产生增加量的H2、CO2和CO以及更少的生物液体和生物碳。如果生物质液化及其产品的提质需要另外的氢气，则将来自气吹式辊式磨碎机201的部分生物质进料到热解系统223用于生产另外的所需的氢气。在该热解系统223中产生的生物炭可以在该光合生物反应器105中被用作藻类成核剂，作为吸收剂用于从液化之前的生物质中去除金属，并且作为最终的生物肥料的组分。

在美国专利号5,198,099中披露了一种用于提质液化系统101和热解系统103的液体产物的方法，将其披露内容以其全文通过引用结合在此。适合用于提质液化系统101和热解系统103的液体产物的其他方法和系统是从例如哈尔德托普索公司(Haldor Topsoe)、环球油品公司(UOP)、爱克森斯公司(Axens)、标准公司(Criterion)和其他供应商的供应商可商购的。

然后将来自该热解系统223的含有H₂S、CO2、和H₂的气体送到一个分离系统，如Rectisol或Selexol。Selexol的一个关键优点是它比洗涤(scrubbing)方法如MEA产生更高压力的CO2。这减少了存储CO2或将CO2运输到藻类生产系统111所需的压缩量。一旦水解，通过溶解在有机溶剂中或与有机溶剂反应将H₂S和COS去除并且转化成有价值的副产物，如元素硫或硫酸。环球油品公司(UOP)和其他供应商许可Selexol工艺。

费托(FT)合成

用于进行FT合成的反应器、催化剂和条件对本领域的技术人员是众所周知的，并且描述在许多专利和其他公开物中，例如在美国专利号7,198,845、6,942,839、6,315,891、5,981608和RE39,073中，将其内容以其全文通过引用结合在此。使用各种催化剂并且在基于希望的产品套件及其他因素而选择的各种操作条件下，FT合成可以在固定床、移动床、流化床、沸腾床或浆料反应器中进行。典型的FT合成产品包括链烷烃和烯烃，一般由式nCH₂表示。给定的产物流的生产能力和选择性是由反应条件确定的，这些反应条件包括但不限于反应器类型、温度、压力、空塔速度、催化剂类型和合成气组成。

FT合成的化学计量的合成气H₂/CO的比为约2.0。从生物质产生的合成气中H₂/CO的比是小于2，并且典型地从约0.5直到10。这一比例可以通过混合生物质产生的合成气与由轻烃或天然气产生的合成气而增加。如果这样的混合步骤没有充分地提高H₂/CO比，并且额外的氢气不是从其他来源方便的可获得的，该比率可以通过水煤气变换反应来进一步提高。在使用不促进水煤气变换反应的钴基催化剂来进行FT合成转化的情况下，在引入到FT合成反应器之前，例如通过由合成气生产系统109产生的氢气将生物质产生的合成气的H₂/CO之比优选地提高至约2.0。如果使用驱动(provoke)水煤气变换反应的铁基催化剂进行FT合成转化，则没有必要使用单独的变换转换器。然而，在任何情况下，水煤气变换反应产生额外的CO₂。

加氢脱氧

如果液化系统101的进料完全由生物质(例如从藻类和/或其他生物质来源提取的脂质)组成，则可替代地该液化系统101可以使用一个催化加氢脱氧和异构化(CHI)系统或类似系统来实施，例如在公开的国际申请WO2009/025663、WO 2009/025635、WO 2008/8124607或美国专利号4,992,605中披露的，将其内容以其全文通过引用结合在此。

CO2捕获和再使用

如上所述，将由本发明的方法产生的CO2捕获并且用于在PBR中生产藻类。PBR系统可以包括封闭的或开放的反应器系统；优选采用封闭系统以便使得能够最大化生产一种或多种特定选择的藻类菌株并且最小化水损失和来自外部来源的藻类菌株的污染，并且允许捕获在藻类生产步骤中产生的氧气用于在整个IBTL方法中的其他燃烧或热解相关步骤。存在大量可商购的藻类生产系统。在公开的美国专利申请号2007/0048848、2007/0048859、2012/0107921、2013/0273630和2008/0160591中描述了示意性的封闭的PBR系统，将它们通过引用以其全文结合在此。优选地，将结构化的生物炭加入到在PBR中的水性盐水中以充当将产生的藻类的成核位点并且用于从被包括在该生物肥料产物中的盐水吸收养分。已经发现，在PBR中的生物炭促进藻类的“附着生长”，这导致藻类在PBR中更好地繁殖并且使得在随后的加工中更容易从盐水中分离藻类。在结构化的生物炭中吸收的养分还帮助在已经将其施用到土壤之后藻类和固氮生物在该生物肥料中繁殖。

在PBR中生产的藻类可以在水流中分离，供用作土壤处理材料来增加土壤的碳含量并且用于诱导光合作用以便在土壤中产生额外的藻类。在干燥藻类之前或之后优选地将固氮生物加入到藻类中。然后优选地将所得的生物与添加剂如有机物粘合剂、来自热解系统103和/或液化系统101的含碱残渣)结合，并且最终的混合物被用作天然的生物肥料。在该能力下，该材料不仅导致藻类和固氮生物通过光合作用在土壤中进一步生长，并且由此提高了它的天然碳含量，而且还引起藻类(特别地蓝绿藻(蓝细菌)和其他固氮生物的多种形式来固定氮，所有这些促进在经处理的土壤中植物生命的生长并且大大降低GHG，并且特别地本发明的IBTL方法的CO2足迹。优选地在未知类型的生物反应器如高压釜中从藻类放大PBR中分别产生固氮生物。在这种方法中，对于包括蓝细菌的、存在于待施用生物肥料的土壤中或土壤类型中的微生物(或相似的一组微生物)的天然存在的补体进行优化并且放大，并且使所得的材料脱水并且干燥并且用希望的添加剂处理；之后将它粒化，任选地用优化其扩散特征的材料进行涂覆，并且分散到待施肥或恢复的土壤中。

除了通过陆地封存由藻类在生产肥料中所消耗的CO₂来有益地减少本发明的IBTL系统的GHG足迹外，本发明的整合系统具有额外的非常重要的有利特征：特别地在根据本发明制得的生物肥料的情况下，因为它是特别选择的以便与待施用它的土壤的组成相容，施用到土壤上的藻类和其他光合微生物并且通过光合作进行繁殖(multiply)，由此从大气中提取更多的CO₂并固定大气中的氮气。该特征导致被封存的净CO2增加了因子30或更大，并且潜在地超过了本发明的IBTL方法中藻类生产期间消耗的CO2的150倍，并且大大丰富了土壤肥力。

可以控制天然生物肥料的质量(由于受到水的质量和CO₂的纯度以及从本发明的IBTL方法的其他步骤提供给PBR的其他养分流的影响)以便得到食品等级/FDA鉴定的材料以用于增强各种食品作物的生长；到中等等级以充当土壤改良材料来用于开垦贫瘠土壤从而通过形成一个生物活性结皮来防止或抑制风蚀；或者到更低纯度材料以用于开垦废矿土壤，其中生物活性材料的添加抑制了污染土壤的淋溶和侵蚀以改善排出的水的质量。可以施用添加的生物炭组分(以下描述的)以进一步控制该生物肥料配制品的整体亲水性和疏水性从而进一步控制土壤的持水特性。通过这种机理，有可能为在特定的作物的生产中的最佳使用而定制这些生物肥料配制品。

天然生物肥料可以作为常见氨基肥料的直接替代物，其中它抵消了将以其他方式在NH₃和全范围氨基肥料的生产中产生的更大量的CO₂。这还导致了其他下游优点，例如NH₃基组分的流失(污染下游水道并且造成不想要的藻类和其他水生植物的水华)的降低。

生物肥料配制品

本发明还提供了特定的生物肥料配制品，这些生物肥料配制品由来自该IBTL流程图的过程流的不同共混物构成：蓝细菌和优选地其他固氮生物、生物炭、以及来自该热解过程的无机残渣。它允许以为特定作物或最终用途定制的方式来控制该组合物的元素组成、总氮水平、总平均表面积，单个生物炭组分或其混合物的表面积，单个碱组分的总碱值和组成。

在优选的生物肥料的生产中，使用一种生物培养接种PBR，该生物培养可从在健康的未经干扰的土壤(该土壤具有与待施用该生物肥料的土壤相似的土壤和环境特征)的顶部厘米中的它的正常停留取出，或者使用包括一种或多种蓝细菌菌株以及优选地其他光合微生物(适合作为肥料用在其中使用该生物肥料的位置)的生物培养接种PBR。本质上，这些土壤微生物形成了提供很多功能的生物土壤结皮(“BSC”)，这些功能包括将土壤粒粘结在适当的位置由此限制风蚀和水蚀、以及提供施肥和植物活力。在贫瘠的生态系统中，蓝细菌和“蓝藻型地衣(cyanolichens)”是固定大气中的氮气的主要来源。在美国西部，研究已经发现5至49之间的蓝细菌分类(taxa)，取决于研究地点。念珠藻属(Nostoc)、裂须藻属(Schizothrix)、鱼腥藻属(Anabaena)、和小单歧藻属(Tolypothrix)是最经常遇到的异形胞属(genera)。微鞘藻属(Microcoleus)和席藻属(Phormidium)是通常遇到的非异形胞属。在西部的科罗拉多州(Colorado)，例如，经常观察到是一种异形胞属(genus)的伪枝藻属(Scytonema)。异形胞是已分化的负责固氮的特定细胞。异形胞缺少分解水、释放O2的光合系统II器件。这种适应已经发展以便通过O2消除固氮酶活性的抑制，但是仍通过保留的光合系统I的活性来产生ATP能量。

已知许多非异形胞的蓝细菌属含有固氮酶，并且可以在黑暗中在需微氧或厌氧条件下固定氮。基于它出现的频率和形态，微鞘藻属鞘是一种极其重要的微生物结皮组分。微鞘藻属鞘的粘液包裹的长丝对于粘合沙粒是高度有效的，由此减少侵蚀并且产生一种稳定基材用于蓝藻型地衣和其他微生物的定殖。虽然微鞘藻属鞘可能不直接固定氮，但是其粘液鞘被认为为附生植物的固氮细菌提供厌氧微环境和碳源。

蓝藻型地衣也是在沙漠生态系统的固定氮和微生物结皮地被植物的一种主要贡献者。地衣是真菌(地衣共生菌(mycobiont))与藻类(共生藻(phycobiont))之间的一种互利共生关系。在大多数情况下，地衣共生藻是一种绿色藻，通常为共球藻属(Trebouxia)，但蓝藻型地衣共生藻由蓝细菌(最常见地念珠藻属、伪枝藻属，或鱼腥藻属)组成。这些蓝藻型地衣的特征是黑色、胶质的质地、以及非成层的。栖息在亚高山带生物群落的某些成层地衣(例如地卷属(Peltigera)和肺衣属(Lobaria))，含有绿色共球藻属、以及固定氮的蓝细菌(念珠藻属)二者。例如，贫瘠的美国西部的蓝藻型地衣可以占据从40％至100％的地被植物并且对土壤稳定和固定N₂作出显著贡献。取决于土壤和非生物环境，已观察到代表53个属的多达159个地衣物种。最常遇到的一些属包括胶衣属(Collema)、黑锈衣属(Placinthium)、猫耳衣属(Leptogium)、和亥普衣属(Heppia)。

待开发的蓝细菌属可以通过生物土壤结皮获得，并且包括但不限于以下的属：念珠藻属、鱼腥藻属、伪枝藻属、小单歧藻属、眉藻属(Calothrix)、微鞘藻属、胶须藻属(Rivularia)、席藻属、束藻属(Symploca)、裂须藻属、真枝藻属(Stigonema)、织线藻属(Plectonema)、和色球藻属(Chroococcus)。除了这些蓝细菌，可希望包括真核藻类，例如衣藻属(Chlamydomonas)、共球藻属、栅藻属(Scenedesmus)。还希望包括自生固氮菌，例如固氮菌属(Azotobacter)、红螺菌属(Rhodospirillium)、或红假单胞菌属(Rhodopseudomonas)。可以包括其他重要的土壤细菌，如节杆菌属(Arthrobacter)以及包括以下的属的各种放线菌：弗兰克氏菌属(Frankia)、诺卡氏菌属(Nocardia)、链霉菌属(Streptomyces)和小单孢菌属(Micromonospora)，以增强养分循环。最后，还可以希望包括地衣(lichenizing)真菌、腐生真菌、和菌根真菌以完善基本光合生物肥料的微生物补体。将使用标准方法来生产这些异养微生物。

除了为土壤提供氮和碳，优选地设计生物肥料来起侵蚀控制剂的作用。在大多数情况下，单独的生物肥料将达到希望的效果。基于该生物肥料的灵活性，可以将它与传统的侵蚀控制方法(例如纤维覆盖物和增粘剂)结合使用，由此增强这些传统产品的效率。例如，通过借助于细菌的硫的氧化，废弃的和过重负担的硬岩尾矿特征性地变成酸性(PH<3)。这些酸性环境抑制种子萌发，并且超过了蓝细菌的pH下限(pH<5)。然而，已经显示，当将一个覆盖物层施用到该表面时，它充当允许种子萌发和生物肥料生长的化学绝缘体。植物根部穿透到贫氮的酸性尾矿中并且当由生物肥料供应氮时继续增长。

已经发现，根际细菌是在土壤中发现的微生物的一种关键组分。据信，蓝细菌，特别是当与根际细菌组合存在时充当植物刺激物，并且产生包括赤霉酸和乙酸以及其他单和多元羧酸的有机酸，这些有机酸帮助在土壤中溶解矿物质这样植物可以使用它们，并且由此对于植物生长是重要的刺激剂。已经进一步发现，不同种类的土壤形成具有不同的天然存在的微生物的补体，这些微生物有助于用于各种作物和天然植物物种生根并且繁荣的土壤的肥力。例如，中国科学院科沙漠研究所已经在沙漠土壤中发现，在沙地中主要的表层微生物被发现是脆杆藻(Fragilaria)、威利颤藻(Oscillatoria willei)、和奥克席藻(Phormidium okenii)。在表层是藻类结皮的地方，主要的微生物被发现是细小聚球藻(Synechococcus parvus)、颗粒常丝藻(Tychonema granulatum)和韧氏席藻(Phormidiumretzli)。在表层是地衣结皮的地方，主要的微生物被发现是威利颤藻、喜碳颤藻(Oscillatoria carboniciphila)和韧氏席藻。在苔藓结皮表面层的情况下，主要微生物被发现是细小聚球蓝细菌，佩瓦集胞藻(Synechocystis pavalekii)和韧氏席藻。培育以形成这样的天然群体是特别有利的，特别地在贫瘠地区是天然植物群的重新建立，这可以有利于土壤稳定并且有利于以用碳和其他养分补充土壤的方式天然植物群体的增产。该研究所已经报告，这些微生物中某些物种在中国戈壁和附近沙漠的土壤样品中是普遍的，并且这些物种作为待结合到本发明最终的生物肥料配制品中的生物体种群的潜在成员而受到特别关注。例如，参见由Yanmei Liu等人在“在中国北方腾格尔沙漠的沙丘稳定化之后土壤结皮对于土壤线虫群落的影响(The Effects of Soil Crusts on Soil NematodeCommunities Following Dune Stabilization in the Tennger Desert,NorthernChina)”应用土壤生态学(Applied Soil Ecology)，第49卷，第118-124页(2011年)上的最近报道。

在BSC中许多微生物也是光合的并且从太阳光中汲取它们的能量，这样它们可以依次制造并且提供养分和被固定的氮从而使不光合的或者被发现在土壤更深处的微生物成为群(cohort)。BSC和它提供养分至其中的更深处的微生物群(cohort microorganism)的作用是一起工作以稳定土壤并且随着时间从土壤粒中汲取植物可获得的养分进入土壤基质中。重要地，BSC的主要的蓝细菌组分固定来自大气的碳和氮。从BSC开始，这些微生物的组合作用创造了有益于维管植物(像草、灌木和作物)的建立和生长的条件。有效地，BSC是生存在裸土表面上的天然存在的太阳能肥料，这使得它随着时间适合于并有益于维管植物的建立。然而，因为BSC微生物在干燥气候中繁殖缓慢并且不是非常活力的，所以像耕种、家畜放牧、和火的物理干扰可以使BSC对土壤的有益作用停止，并且BSC和这些益处在干燥气候中可能花费几十年或几百年来自然修复。

优选的生物肥料的生产以工业规模在PBR中快速繁殖出天然存在的精选的BSC微生物。然后小心地配混这些微生物以形成这些微生物的“接种体种子”，这些“接种体种子”构成了优选的生物肥料，并且将它们撒播到目前缺少健康的土壤结皮群体的土地上，由此加速土壤的自然恢复。由于生物肥料在土壤表面繁殖，它招来(draw down)来自大气CO2的增加量的碳进入土壤中，其中该碳变成可持续生存的微生物群落的一部分并且有效地将该大气的碳封存到土壤中。通过用优选的生物肥料接种土壤、它在土壤上的天然繁殖和次生维管植物生长的加强，已经估计1吨的CO2转化成优选的生物肥料，然后将其施用到合适的土壤上，每年可以通过直接光合作用吸收的大气气体引起来自大气的高达50吨的CO2的降低。

优选地，以Flynn的美国专利申请公开号US 2008/0236227(将其内容通过引用以其全文结合在此)(在此之后称为“Flynn”)传授的方式，将用于生产生物肥料的蓝细菌及其土壤聚生体培养成为接种物，并且用于接种放大的PBR(也由Flynn教导)，其中该培养物可以在液体培养基中通过易于接近的养分、二氧化碳、太阳光和水力混合而快速生长。PBR可由阳光、养分和碳源来进料，碳源最常用的是二氧化碳，但是碳源可以呈固定的形式(例如碳酸氢钠)或其他的生物可获得的形式。

根据本发明，用于生产生物肥料的一种优选方法包括以下步骤：

(1)隔离重要的光合生物土壤结皮的微生物，以生产密切反映当地微生物物种组成的多物种培养物；

(2)优选地在设计为使生物质生产能力最大化的受控条件下在PBR中培养这种培养物；

(3)通过例如简单的重力驱动沉淀和过滤、澄清、或离心来收获所生产的生物质；

(4)优选地分别将所生产的固氮微生物加入到该生物质中；

(5)通过例如使用折射仪窗干燥技术或者其他方法(如风干、喷雾干燥、真空干燥或冷冻)使得细胞保持活性从而保存该生物质；并且

(6)对干燥的蓝细菌和固氮微生物进行粉碎、薄片化或者粉化以促进生物肥料的包装、储存、运输和最终散播。

在PBR中生长之后，对于收获并且优选地与固氮微生物混合的这些土壤微生物使用掺合物(admix)和包覆物(coating)进行混配以创造出产品生物肥料。该生物肥料可以使用标准耕作方法(如作物撒粉、与灌溉水混合或者应用撒播机)撒播在农田或灾害地上。一旦在土壤表面上，天然可获得的空气中的二氧化碳和氮气、与可获得的参与或灌溉水和阳光一起，引起了生物肥料诱导与用于该特定微生物聚生体生长条件的适用性成比例的生长的土壤微生物群体。

本地适应的生物肥料中微生物聚生体优选地取自希望的目标结果土壤块，该目标结果土壤块代表用于经处理的土壤的最好和最希望的微生物结果，并且非生物组成和环境因素与待处理的区域中的土壤相似。以这种方式，可以特别地选择微生物聚生体以制造特定区域类型的生物肥料(其包括最利于生存、健壮成长的微生物)，并且在该区域待处理的目标土壤上施肥。当完成这个并且将生物肥料撒播至足够的表面密度时，然后结皮将以加快的速率早在天然繁殖前重新建立。在土地开垦工作中，足够的施用密度是每平方厘米约0.1至2个生物肥料颗粒。在其中需要加速的施肥操作的农业应用中，足够的施用密度是每平方厘米约1至20个生物肥料颗粒。

由于微生物在土壤中或土壤上生长并且繁殖，它们从大气中吸收的CO2随着可以进一步增加土壤的净初级生产力的种群大小、碰撞(impinging)阳光、水可获得性、土壤类型以及次生维管植物生长的存在而成比例地增加。从大气中招来的CO2量将取决于这些因素而宽泛地变化。据估计，如果允许结皮在土地开垦应用中逐渐成熟，则它将每年每平方米从大气招来约100克的CO2。

接种PBR的目的是从目标结果土壤获得生物体并在PBR的液体培养基内开始成长的种群复制(facsimile)。通过接种PBR产生的种群应具有基本相同的或者否则足够的微生物聚生体成员并且处于大体基本相同的或者否则的足够的平衡下，因为它们天然地存在于土壤中。PBR操作者使用输入和输出种群和生长培养基试验数据来调整生长输入参数，例如光、pH、温度、CO2和养分水平、以及混合速度，以便在培养箱的输出上产生希望的生长速度和种群平衡特性。以类似的方式，放大器和生产PBR操作者考虑PBR输入与输出之间的种群和生长培养基试验，并且调整相同的生长条件以影响希望的结果。在一些情况下，希望的产品种群比率可能与在目标结果土壤中发现的不同，但在应用时将通过该不同影响更好的结果。

使用PT4监测仪(从Point Four Systems Inc.(里士满(Richmond)，不列颠哥伦比亚加拿大(British Columbia Canada))可获得的)可以测量PBR系统中的pH和光合作用速率，该PT4监测仪包括控制器、采集软件、溶解氧、pH和温度探针。下探针阵列与上探针阵列之间的溶解氧的差异提供了光合作用的度量。同样地，下探针阵列与上探针阵列之间的pH的差异是CO2消耗的度量。在照明下，微生物将进行光合作用并且同化CO2，引起培养基的pH上升。当pH增加到所选择的设定值、优选地pH为7.5时，该控制器将100％的CO2引入到PBR中，这将由于形成碳酸和相关复合物而引起PH下降。

可以将PBR的输出进料到过滤和干燥带中，在其中可以施用各种任选的掺合物。然后可以使所得的干燥片及其任选的包覆物造粒以成为生物肥料。通过各种农业和土地修复撒播机可以将最终的生物肥料产品分散并且施用到土壤上。有利地，这些生物肥料球粒可以通过旋转撒播机或飞行器播撒，这样使得它们不被环境风吹走。该生物肥料还可以与灌溉水混合并喷洒在作物上。

待任选包括的各种掺合物也希望地以相同的相对比例保持物理地与微生物聚生体相关联，甚至当复合的掺合物/生物质片通过造粒而减小尺寸的时候。当正在生产薄片时，通过甚至均匀地跨过薄片分层并且灌注该掺合物，然后可以在造粒和颗粒涂覆过程期间维持掺合物/生物质的这些相对比例。当生物质垫(mat)开始固结时，可以进一步加入干燥的掺合物组分，通过使一些干燥的掺合物陷入固结的蓝细菌长丝中这有助于机械地使它们与该生物质固结。湿的掺合物典型地但不专有地是干燥保护剂(xero-protectant)和异养聚生体成员养分添加剂的一种糖基组合物，该糖基组合物用来在它干燥时使所有组分结合并且胶粘在一起。为此目的还可以考虑使用一种实际的粘液或为此目的的其他的水可溶性胶、或者溶剂基的UV可降解的粘合剂。

以下是可选的掺合物以及它们的目的：

1)抗氧化剂(如β-胡萝卜素)可以在干燥过程和储存过程中保存生物肥料。

2)干燥保护剂(如蔗糖和其他糖、或者被称为海藻糖的生物地衍生的干燥保护剂)可以防止细胞快速干燥和随着时间延长干燥的破坏。

3)如由Flynn所传授的，生长养分包括被所有土壤微生物所需要的微养分，这些微养分包括在建立的初始阶段期间供养非光合作用群的糖。

4)砂或粘土填充剂用于两个目的。一是增加所得的成粒的颗粒的重量密度，从而使得它们更易于就空气动力而言从飞行器和地面基撒播机撒播并且耐受气流。另一个目的是在造粒期间为变干的微生物之间的断裂线提供无损坏的位置，而不通过微生物本身来开裂。

5)撒播图案示踪剂可以是荧光添加剂。另一示踪标记可以使用在这些微生物之一内的可遗传的但未操作的独特的基因序列，这将随着生物肥料繁殖而以相同速率并且在相同的空间特性下进行繁殖。这将允许研究者或者碳信用额审计员在最初施用该生物肥料的数月或数年后来参观土壤块，并且知道土壤结皮或地下生物质中的多少是直接地由于特定标记的生物肥料的繁殖和有益作用。6)维管植物种子(像可恢复的草或者实际的作物种子)可以成为掺合物的一部分。在这种情况下，将设计生物肥料以便与被包埋的维管植物种子生物协同地起作用从而实现希望的施肥结果的恢复并且使其最大化。

7)为了快速地使该颗粒与其他的土壤粒在最初环境润湿时结合，可以向该掺合物中加入一种增粘剂，以防止被风蚀或水蚀而进一步移动。

8)可以将其他微生物加入到干燥的混合物或潮湿的混合物中。可以选择这些其他微生物是由于它们的辅助性能(比如是良好的增粘剂)，或者可以选择它们因为它们是生物肥料的生物聚生体的重要部分；还由于各种原因(如生长培养基类型不相容性或捕食敏感性)，它们不能作为其余的生物肥料聚生体成员在同一个PBR中共生长。

9)除其他事项之外，加入来自生物质的热解的生物炭以便提高总碳含量并且提供对于各种其他矿物和蓝细菌组分的吸附剂。这将改变配制的生物肥料的潜在的总水和养分的保留并且允许为特定的作物和地理位置需求而定制它。

10)可以将来自生物质热解和所产生的残渣的氧化的无机灰分加入到配制的生物肥料中，以便控制总K递送潜能并且调整待处理的土壤的总pH。在此再次，水平可以根据特定的作物或土壤处理方案的需求调整。可以加入来自燃烧或热解相关加工的其他无机元素，特别地以整合的方式用本发明的生物肥料生产方法操作的那些。含有碱金属或碱土金属与含有硫或氮的抗衡离子的材料是特别有用的。硫酸钙和硝酸盐、硝酸钾和其他携带氮的盐也是有用的。

生物制剂也可以被喷涂到颗粒的外部上。在此上下文中“生物制剂”可以指所有的生存的或死亡的细胞或者生物活性物质，它们影响被生物肥料微生物定殖的土壤的容受性。可替代地，这些物质可以旨在防止通过其他生命体(如昆虫、其他微生物、鸟或其他生命物)对该生物肥料的消耗或破坏。

一种生产该结构化的生物炭的优选的方法是通过微波热解，其中在以下提供了代表性的结构。

微波热解途径的进一步研究显示可以通过控制总能量输入、催化剂(例如，K2CO3或Na2CO3)负载量和系统的操作条件来改变生物炭的单个特性。

操作条件的生物炭表征(麦秸)结果

此外，在如以下示出的其他热解温度下也观察到这种现象。

热解温度的生物炭表征(麦秸)结果

操作条件的生物炭(麦秸)结果的最后分析

热解温度的生物炭结果的最后分析

如可以从以上看到的，有可能通过在该热解步骤中控制运行条件——并且由此控制该配制的生物肥料中生物炭组分的总孔隙率和吸收率来定制该生物炭组分的总有效表面积。用作藻类成核位点的生物炭的平均孔径的优选的范围是从20埃直到400埃变化。用作无机吸收介质的生物炭优选地具有从40埃直到200埃范围内的平均孔径。用作肥料组分、水保留介质的生物炭优选地具有从20埃至400埃、更优选地从100埃-400埃的平均孔径。包括在该肥料组合物中的生物炭的浓度的范围是从10％wt直到50％wt的最终配制品。

类似地，有可能通过控制来自非催化的热解结合的未加工的生物炭与来自其中在热解之前将特定水平的K₂CO₃或其他碱金属或碱土金属氧化物或盐加入到该生物质中的步骤的生物炭的比率来改变总表面面积、总钾K水平和可获得的总碱值。

制备生物炭的特性和说明性方法在Pavithra Sellaperumal提交给麦吉尔大学(McGill University)部分完成生物资源工程(Science in Bioresource Engineering)理学硕士学位的要求中的标题为用于生物炭生产的各种木质纤维素生物质的热化学分解的评估(Evaluation Of The Thermochemical Decomposition Of VariousLignocellulosic Biomasses For Biochar Production)2011年8月的论文中进行了描述。

为了最小化本发明系统中的CO₂足迹并且将基本上所有的CO₂转化为藻类，在弱光或黑暗的时间段期间没有足够的用于进行光合作用的光来驱使被藻类生物质生产所消耗的CO₂时，优选地储存所产生的CO₂。为了根据本发明基于生命周期进一步最小化CO₂足迹，则将藻类用作生物肥料，优选地根据以上描述的系统。将这些步骤结合在一起允许回收并且再利用相当于多达270倍的仅使用开放池或PBR而不用人造光的CO₂到藻类的转化。无存储，再利用的CO2的量减少了一个因子2或更大。用于存储CO₂的技术包括CO₂的液化、通过众所周知的常见化学方法将CO₂转化为硫化铵或尿素、物理存储及其他。

本发明的新型工艺整合还使得能够更有效地利用来自IBTL设施的一段的副产物流作为另一段的原料。该优秀的设计提高了整体效率并通过降低整体投资的15％-20％，消除了进入(市场)的关键障碍，从而允许生产相对于生物质到液体的替代途径每吨生物质将近二倍的价值。

存在几个可供用于将氢气与一氧化碳分离的商业系统。变压吸附(PSA)方法依赖于在压力下气体趋向于被固体表面吸引或“吸附”。压力越高，被吸附的气体越多；当压力降低时，气体被释放或解吸。可以使用PSA方法以分离混合物中的气体，因为不同的气体趋向于或多或少强烈地被不同的固体表面吸引。H2、CO和CO₂的合成气混合物可以通过PSA来分离以产生富氢的产物流。可替代地，可以首先使合成气经受水煤气变换以产生H2和CO₂的二元混合物，该二元混合物可以通过PSA或本领域已知的其他方式(如膜分离(其中H2比CO₂更有效地渗透以产生纯的氢气流)来分离。最后可以使用钯和其他相关金属合金的活性金属膜以便从其他气体中分离出氢气并且生产可商购的选择。美国专利号5,792,239、6,332,913和6,379,645、以及公开的申请号US2003/3190486和US2009/0000408描述了各种这样的分离技术，并且通过引用以其全文结合在此。

可以使用各种常规回收方法进行CO₂的回收，该常规回收方法包括但不限于吸收、吸附(如变压吸附(PSA)和排代冲洗循环(DPC)、深冷分离、膜分离、它们的组合等。虽然可能需要一种或多种回收方法从合成气或尾气中回收CO₂，但是来自重整器或C3+产品提质器的副产物气体将不包含可观量的H₂或H₂O，并且由此除了冷凝重质烃(C6+)可以不需要任何回收方法。此外，虽然希望在本发明方法中使用回收的CO₂，但是也可能用从整合的复合体内的可替代来源获得的CO₂补充或替换回收的CO₂。

来自本发明方法的产物流可以包括，例如合成的粗制的和其他单独的产物流，如液化石油气(C3-C4)、冷凝物(C5-C6)、高辛烷值共混物组分(含C6-C10芳族的物流)、喷气燃料、柴油燃料、其他馏分燃料、可以作为单独产品生产和出售的润滑油共混物料或润滑油共混物原料。

说明性的生物肥料生产程序

可以有利地使用许多不同的细菌菌株作为一种生物肥料的组分。一种用于生产固氮生物、根瘤菌、固氮菌和固氮螺菌的说明性方法包括以下步骤，除了对于不同的生物体所使用的肉汤培养基或液体培养基优选地是不同的。对于对应的生物体所使用的优选的培养基是：

i)根瘤菌：酵母提取物-甘露醇

ii)固氮菌：阿须贝氏培养基

iii)固氮螺菌：由Okon等人(1977)配制的培养基

iv)磷酸盐增溶细菌：皮克斯卡亚(Pikiyskaya)培养基。

1.制备菌母或起子培养物：

所选择的固氮菌株的起子培养物在探明它们在温室中以及在农田水平的性能之后得到。固定氮的固氮生物中有效菌株的纯培养在对应的琼脂培养基上在斜面上生长并且保持在实验室中。将充满来自每个斜面的接种物的环转移到含有合适的液体培养基的对应的250ml容量的锥形瓶中。将这些锥形瓶在旋转振荡器上保持3天与7天之间，这取决于这些生物体是否快速生长或缓慢生长。这些烧瓶的内含物，被称为菌母或起子培养物，通常达到10⁵-10⁶细胞/ml的负载量。这些菌母在更大的烧瓶中进一步繁殖。

2.制备肉汤培养基：

在大锥形瓶(1000ml)中制备对于相应生物体等量的合适液体培养基并且在高压灭菌器中在15lbs的压力下灭菌1/2小时。在灭菌之后，用菌母以1:5的比例无菌地接种每个烧瓶。将这些烧瓶保持在旋转振荡器上96-120小时直到每ml的活菌数达到10⁹个细胞。这些肉汤稠度变得更厚。这种肉汤培养基不应在室温下储存超过24小时，或者如果储存更长的时间段，则应该维持在4℃的温度下。

3.制备载体：

载体应该具有以下特点：

a)高的有机质-高于60％。

b)低的可溶盐-小于1％。

c)高的保湿量-按重量计150％至200％。

d)为细菌的生长提供营养培养基并且延长它们在培养基中以及在接种过的种子上的存活期。

在生物肥料的制备中，结构化的生物炭是一种优选的载体，并且褐煤或泥炭也可以用作载体。将这些载体破碎并且粉末化为200至300筛目。应该通过加入1％的碳酸钙(CaCO3)来中和泥炭或褐煤粉末并且在15lbs的压力下在高压灭菌器中灭菌3-4小时。

4.制备接种物：

将已灭菌并且中和的褐煤、泥炭或其他载体材料与高计数(high count)的肉汤培养基在镀锌托盘上混合。对于2份的干载体要求约1重量份的肉汤。最终的含湿量依赖于这些载体的品质而从40％至50％变化。

5.固化或成熟：

在镀锌托盘中混合这些肉汤培养基和载体粉末之后，在室温(约28℃)下保持这些托盘以固化持续5至10天。在固化之后，筛分这些托盘的内含物以使生长的浓缩的囊分散并且粉碎结块。

6.填充并且包装：

在固化之后，将经筛分的粉末储存在0.5mm厚的聚乙烯袋中，在这些袋子中留下约2/3的空间开放用于细菌的通气并且将袋子密封。

7.储存：

这些接种体应该在阴凉远离直接热量处储存，优选地在15℃并且不超过30℃+/-2℃的温度下持续最多六个月。为了微生物的更长的存活期，这些袋子应该在4℃的温度下冷藏。

微生物的培养

用于根瘤菌、固氮螺菌、固氮菌和磷细菌(Phosphobacteria)的大量生产的优选的培养基是以下各项：

根瘤菌：酵母提取物甘露醇肉汤。

在刚果红酵母提取物甘露醇琼脂培养基上的生长

甘露醇	-	10.0g-12.0g
			K2HPO4	-	0.5g-0.8g
MgSO4-7H2O	-	0.2g-0.5g
			NaCl	-	0.1g-0.3g
酵母提取物	-	0.5g-0.8g
			琼脂		20.0g-20.0g
蒸馏水		1000.0ml

在将PH调整到6.8之后并且加入琼脂之前，将10ml的刚果红母液(250mg的刚果红溶解于100ml的水中)加入到1升的水中。

固氮螺菌：具有NH4Cl(1g每升)的多贝赖纳(Dobereiner)苹果酸-肉汤

不含N的半固体苹果酸培养基的组成

固氮菌：瓦克斯曼(Waksman)培养基77号(不含N甘露醇琼脂培养基)

甘露醇	：	10.0g-15.0g
			CaCO3	：	5.0g-8.0g
K2HPO4	：	0.5g-0.8g
			MgSO4.7H2O	：	0.2g-0.4g
NaCl	：	0.2g-0.4g
			三氯化铁	：	微量
MnSO4.4H2O	：	微量
			不含N洗涤的琼脂	：	15.0g-20.0g
pH	：	7.0
			蒸馏水	：	1000ml

磷细菌：皮科夫斯卡亚(Pikovskaya)的肉汤

在烧瓶中制备肉汤并且将接种物从菌母转移至烧瓶中。培养物在30℃±2℃在振荡条件下按照液面下培养法生长。培育该培养物直到产生10¹⁰cfu/ml至10¹¹cfu/ml的最大细胞群。在最佳条件下，对于根瘤菌，这一群体水平可以在4至5天内获得；对于固氮螺菌5至7天；对于磷细菌2至3天并且对于固氮菌6-7天。在烧瓶中得到的培养物被称为起子培养物。为了大规模生产接种体，将来自起子培养物的接种物转移到大烧瓶/种子发酵罐中并且生长直到达到要求的细胞群水平。

在肉汤培养物中的细菌生长可以用四个不同阶段建模：迟滞期(A)、对数期或指数期(B)、稳定期(C)、和死亡期(D)。

1.在迟滞期，细菌使自身适应生长条件。它是在其中单个细菌成熟并且还不能分裂的时期。在细菌生长周期的迟滞期期间，发生RNA、酶和其他分子的合成。

2.对数(log)期(有时被称为对数(logarithmic)期或指数期)是以细胞倍增为特征的时期。每单位时间出现的新细菌的数量是与现有种群成比例的。在受控的条件下，蓝细菌可以使其种群每天倍增四次。然而，由于培养基很快消耗养分并且富集废物，指数增长不可以无限地继续。

3.稳定期经常是由于生长限制因素，如必要养分的消耗和/或抑制产物如有机酸的形成。稳定期由在其中生长速率和死亡速率相等的情况而引起。

4.在死亡期，(衰亡期)细菌用尽养分并且死亡。

接种物制备

以下是用于制备藻类或固氮生物接种物的说明性程序。

·用相应的起子培养物或菌母(在对数期)接种含有合适的培养基的500ml、3升和5升烧瓶。

·在发酵罐中制备大量的以上的培养基，将其灭菌并且冷却。

·用在5升烧瓶中生长的对数期培养物接种该发酵罐中的培养基。通常1％-2％的接种物是足够的，然而取决于更大的烧瓶中培养物的生长而进行高达5％的接种。

·通过提供通气(将无菌空气传输通过压缩机和灭菌剂(像玻璃棉、棉绒、酸等))并且给予连续搅拌，使这些细胞在发酵罐中生长。

·针对接种过的生物体的种群以及污染(如果在生长期存在的话)，检验肉汤。

·在接种期之后收获具有10⁹细胞/ml的种群负载量的细胞。

·在10^-6的稀释水平不应该存在任何真菌或其他细菌污染

·不可在发酵之后储存该肉汤超过24小时的时间段。甚至在4℃活细胞数量开始减少。

载体材料的加工

使用合适的载体材料有助于生产良好品质的生物肥料。泥炭土、褐煤和生物炭是优选的载体材料。蛭石、炭、压滤泥浆、农家肥和土壤混合物也可以用作载体。中和的泥炭土和褐煤具有以下优点：相对低成本、高有机物质含量、无毒的、易于加工，并且具有大于50％的持水量。

·将该载体材料制成粉末以便通过212微米的IS筛。

·因为泥炭土和褐煤载体材料是酸性的(4-5的pH)，用碳酸钙(1:10的比率)中和这些载体材料

·在高压灭菌器中灭菌经中和的载体材料以消除任何污染物。

接种体包的制备

·将经中和的、灭菌的载体材料撒播在干净的、干燥的、无菌的金属或塑料托盘中。

·将从该发酵罐中取出的细菌培养物加入到该经灭菌的载体中并且很好地混合。依赖于该种群，将该培养物悬浮体加入到40％-50％的持水量水平。这种浓度对应于初始湿润点，其中该粉末可以再保持多一半的湿度并且仍然自由流动。

·将该接种体以200g的量包装在聚乙烯袋中，将这些聚乙烯袋密封并且允许在室温下固化2-3天。

·这些聚乙烯袋应该属于低密度等级并且具有约50-75微米的厚度。

菌根固氮的生物肥料的大量生产和使用

以下是用于生产菌根(AM)真菌的说明性方法：

·形成沟道(1m×1m×0.3m)并且用黑色聚乙烯片材作内衬，以用作植物生长盆(tub)。

·将50kg的蛭石和5kg的灭菌的土壤混合并且装进该沟道中直到20cm的高度。

·将1kg的AM接种物(菌母)撒播到低于蛭石表面的2cm-5cm处。

·播种用5％的次氯酸钠表面灭菌2分钟的玉米种子。

·在播种的时候为每个沟道施用2g的尿素、2g的过磷酸钙和1g的氯化钾。在对每个沟道播种之后第30和45天，两次施加另外的10g的尿素。

·在第30和45天在根部样品中的AM定殖上进行品质测试。

·母株生长了60天(8周)。通过切割母株的所有根得到接种物。所产生的接种物由蛭石、芽胞、菌丝束和被侵染的根束的混合物组成。

·在60天内可以自1平方米的区域产生55kg的AM接种物。该接种物是足以处理具有11,000的幼苗的550m²的苗圃区域。

对于苗圃应用，使用每平方米100g的块状蛭石负载的AM(VAM)真菌接种物是足够的。应该将该接种物在播种时施加在低于土壤表面的2cm-3cm处。种子/切条应该在该VAM接种物上方播种/种植以引起侵染。

对于培育作物的聚乙烯袋：对于每个包，5g至10g块状VAM接种物是足够的。将10kg的接种物与1000kg的砂盆土混合物混合并且在播种之前将该盆土混合物装进聚乙烯袋中。

对于苗木移植(out–planting)：每个幼苗需要二十克的VAM接种物。在种植时施加接种物。

对于现存树木：接种一棵树要求二百克的VAM接种物。在施加肥料时在根表面附近施加接种物。

蓝细菌的大量生产和农田施用

带有复合培养物的蓝绿藻(BGA)接种物已经被发现比单一的培养接种物更有效。开发了一种用于在水稻田间条件下大规模生产蓝绿藻的复合培养的技术并且发现基于土壤的BGA接种物可以存活超过2年。在其中将藻类接种用于三个或四个连续收割季的许多地方，接种的藻类很好地建立并且该作用持续覆盖后续的水稻作物。

该蓝绿藻接种物可以通过几种方法，即在盆、镀锌托盘、小坑中，以及还有在封闭或开放的PPR田间条件中产生。然而，容易被农民采用的在田间条件下的大规模生产是时常优选的。

I.在托盘中的繁殖

·可以将大的金属托盘(6’×3’×6”lbh)用于小规模生产

·取10kg的水田土壤，将粉状的土壤充分干燥并且散布

·填充水至3英寸的高度

·加入250g的干燥的藻类片材(基于土壤的)作为接种物

·加入150g的过磷酸钙和30g的石灰并且与土壤良好混合

·撒布25g的呋喃丹来控制昆虫

·维持托盘中的水位

·10至15天后，BGA的茂盛物将开始漂浮在水源上

·在这一阶段停止浇水和排水。使土壤完全干燥

·收集基于干燥土壤的接种物作为片材

·在干燥的地方储存。通过这种方法，可以获得5kg至7kg的基于土壤的接种物。

II.在田间条件下繁殖

-材料

·水稻田

·过磷酸钙

·呋喃丹

·复合的BGA起子培养

-程序

在水源附近选择40m2(20m×2m)的区域，该区域直接暴露于阳光。在该地块周围制作支撑墙至15cm的高度并且用塑料或密实砂的非透水层包覆它以防止由于渗透的水损失。

·很好地准备该地块并且使其均匀平整并且允许水达到5cm-7.5cm的深度并且使其沉降12小时。

·施加2kg的过磷酸钙和200g的石灰到该地块均匀地覆盖该区域。

·将5kg的含有8-10个物种的BGA的基于土壤的复合起子培养物很好地粉末化并且将其播撒。

·还施加200g的呋喃丹来控制在BGA中出现的地下害虫。

·定期使水进入，这样水位高度总是维持在5cm。

·接种15天后，允许这些地块在太阳下干涸并且收集并且储存这些藻类片材。可替代地，可以使用溶气浮选或其他分离手段使这些BGA细胞与水分离。

·这些漂浮的藻类片材的颜色是绿色或蓝绿色。从每次收获，从该地块获得30kg至40kg的干燥的藻类片材。

III在水稻田中接种BGA的方法

可以将蓝绿藻作为基于土壤的接种物按照以下描述的方法施加到水稻田中。

·使这些基于土壤的藻类片材成粉末。

·使其与10kg的土壤或砂(10kg的粉状的藻类片材与10kg的土壤/砂)混合。

·在水稻移植之后的7-10天接种BGA。

·在接种BGA时维持在3-4英寸的水位并且然后维持一个月，使得具有最大的BGA发展。

·在BGA接种后的一周，可以看到藻类生长并且2-3周后藻群将在水上漂浮。藻群颜色将是绿色或褐色或黄绿色。

尽管可以将单个微生物分别施用到农田，通常优选地在一次施用中使用蓝细菌、固氮生物和结构化的生物炭的物理混合物来施加这些生物体的多组分混合物。以这种方式，我们消除了对于顺序施加单独组分的需要。

红萍固氮生物的大量生产和农田施用

红萍是自由漂浮的水蕨类植物，它在水中漂浮并且与固定氮的蓝绿藻鱼腥藻联合固定大气氮。红萍藻体由带有浮根的孢子体和小的重叠的双分裂的叶子和根构成。红萍被用作生物肥料用于湿地水稻并且已知它贡献每水稻作物40-60kg N ha-1。根据本发明，将红萍与结构化的生物炭和蓝绿藻组合在一次施用或顺序施用中作为具有基本上超过红萍自身的改进的特征的生物肥料而施加。

I.在田间条件下红萍的大量繁殖

已经开发了容易被农民采用的用于在农田中大规模繁殖红萍的简单的红萍苗圃方法。

材料

·一分(cent)(40平方米)面积地块

·牛粪

·过磷酸钙

·呋哺坦啶

·新鲜的红萍接种物

程序

·选择湿地田并且充分准备并且使其均匀地平整。

·通过提供合适的堤岸和灌溉渠将该农田标记为多个一分地块(20m×2m)。

·维持10cm高度的水位。

·将10kg的牛粪在20升的水中混合并且撒布在农田中。

·施加100g的过磷酸钙作为基础剂量。

·将8kg的新鲜的红萍生物质接种到每个罐中。

·将100g的过磷酸钙作为追肥肥料在红萍接种后的第4天和第8天施加。

·在红萍接种后的第7天施加100g/地块的呋喃丹(呋哺坦啶)颗粒。

·贯穿两周或三周的生长期，将水位维持在10cm高度。

·收获在该地块上漂浮的红萍垫，排水并且记录生物质。

II.将红萍接种到水稻作物的方法

可以以不同的方法施用红萍生物肥料用于湿地稻田。在第一方法中，在移植之前将新鲜的红萍生物质接种在稻田中并且结合作为绿肥。这种方法要求大量的新鲜红萍。在其他方法中，可以在移植水稻后接种红萍并且作为与水稻的双重培养生长并且随后结合。

A.红萍生物质结合作为绿肥用于水稻作物

·从红萍苗圃地块收集新鲜的红萍生物质。

·将湿地准备好并且维持水刚好足够用于简单结合。

·施加新鲜红萍生物质(15t ha-1)到主农田上并且通过使用工具或牵引器来结合红萍。

B.接种红萍作为双作物用于水稻

·选择移植水稻的田地。

·从红萍苗圃收集新鲜的红萍接种物。

·在种植后的第7天将新鲜的红萍播撒在移植水稻的的田地中(500kg/ha)。

·维持水位在5cm-7.5cm。

·注意在移植后的四周红萍垫的生长并且通过使用工具或牵引器或在中耕实施过程结合该红萍生物质。

·在移植后的8周红萍的第二次茂盛期(bloom)将发展，其可以再次结合。

·通过两次结合，可以在一公顷水稻田中结合20-25吨的红萍。

还可以将该红萍首先干燥并且粉末化并且以相似于以上描述的对于其他固氮生物的方式加工。在所有情况下，该红萍与结构化的生物炭和蓝绿藻在该生物肥料中结合。

生物肥料的施用

本发明的生物肥料可以作为种子处理或种子接种、作为幼苗根浸或者通过主要农田施用来施加。

对于种子处理，将一包接种体与200ml的水稻汉字(kanji)混合以制作浆料。将土地所需要的种子在该浆料中混合以便具有覆盖这些种子的接种体的均匀包覆并且然后阴干30分钟。应该在24小时内播种这些阴干的种子。一包接种体(200g)是足以处理10kg种子的。

幼苗根浸方法是用于移植的作物。将两包接种体在40升的水中混合。将土地需要的幼苗的根部浸入该混合物中持续5至10分钟并且然后移植。

在主要农田应用中，将四包接种体与20kg的干燥的并且粉末化的农家肥混合并且然后刚好在移植之前在主要农田的一块土地中播撒。

根瘤菌

对于所有的豆类将根瘤菌作为种子接种体施用。

固氮螺菌/固氮菌

在移植的作物中，将固氮螺菌通过种子、幼苗根浸和土壤施用方法来接种。对于直接播种的作物，固氮螺菌通过种子处理和土壤施用来施加。

磷细菌

如在固氮螺菌情况中的，通过种子、幼苗根浸和土壤施用方法来接种。细菌生物肥料的组合施用。

可以将磷细菌与固氮螺菌和根瘤菌混合。应该将这些接种体以等量混合并且如以上提及的施用。

准则

·细菌接种体不应该与杀虫剂、杀真菌剂、除草剂和化学肥料混合。

·当用杀真菌剂处理种子时，最后进行带有细菌接种体的种子处理。

生物肥料推荐(一包-200g)

根瘤菌(只推荐种子施用)

磷细菌对于接种磷细菌而言，采用固氮螺菌的推荐剂量；对于组合的接种而言，在使用之前将根据推荐的两种生物肥料均匀地混合。

Claims (14)

1.一种将生物质转化为液体燃料以及基于蓝细菌的生物肥料的方法，该方法包括以下步骤：a.通过在多种条件下并且持续一段足够的时间加氢处理一种生物质进料来直接液化所述进料以生产烃液体；b. 将通过步骤a生产的烃液体提质以生产液体燃料和/或化学原料；c.通过微波热解在步骤a中生产的生物质残渣来生产结构化的生物炭和副产物CO₂，所述结构化的生物炭具有在20埃至400埃的范围内的平均孔径；d.利用由所述直接液化和结构化的生物炭生产步骤中的一个或两个所生产的副产物CO₂在含有步骤c.中生产的结构化的生物炭的一个光生物反应器（PBR）中生产蓝细菌；并且e.生产一种结合了在步骤c.和d中生产的结构化的生物炭和蓝细菌的生物肥料。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括将固氮微生物加入所述蓝细菌以包含在所述生物肥料中。

3.如权利要求1所述的方法，进一步包括通过在生物炭中吸收无机物从所述直接液化之前的生物质进料中或者从所述烃类液体中去除所述无机物。

4.如权利要求3所述的方法，其中结合在所述生物肥料中的结构化的生物炭含有所述吸收的无机物。

5.一种生物肥料，具有包含蓝细菌、固氮微生物和通过微波热解生产的结构化的生物炭的组合物，所述结构化的生物炭具有在20埃至400埃的范围内的平均孔径。

6.如权利要求5所述的生物肥料，其中该生物肥料进一步包括一种或多种选自由以下各项的组成的组的额外的微生物：自生的固定氮的异养细菌、放线菌、光合细菌、菌根真菌或地衣共生真菌、以及它们的组合。

7.如权利要求6所述的生物肥料，并且其中该固定氮异养细菌选自由固氮菌属、弗兰克氏菌属、或节杆菌属组成的固氮杆菌科或弗兰克氏菌科类群。

8.如权利要求6所述的生物肥料，其中该光合细菌选自包含红螺菌属、红假单胞菌属、和红杆菌属的红螺菌目类群。

9.如权利要求6所述的生物肥料，其中该菌根真菌属于绣球菌目，并且该地衣共生真菌属于包括胶质地衣属、地卷属、鳞网衣属、亥普衣属、和猩红杜鹃亚组中一种或多种的类群。

10.如权利要求5所述的生物肥料，其中通过一种选自由以下各项组成的组的技术将该生物肥料置于一种休眠状态中：喷雾干燥、折射窗干燥、日晒干燥、风干、或冷冻干燥。

11.如权利要求5所述的生物肥料，进一步包括一种或多种选自由以下各项组成的组的干燥保护添加剂来增加干燥后生存力：山梨醇、甘露醇、蔗糖、脱水山梨醇单硬脂酸酯、二甲亚砜、甲醇、β-胡萝卜素、以及β-巯基乙醇。

12.如权利要求5所述的生物肥料，其中该生物肥料包括一种选自由以下各项组成的组的添加剂：纤维材料、纤维质覆盖物材料、聚合物增粘剂、黏土、地工织物、以及它们的组合。

13.如权利要求5所述的生物肥料，进一步包括根际细菌。

14.如权利要求5所述的生物肥料，其中所述结构化的生物炭的至少一部分具有从100埃至400埃的平均孔径并且进一步包括被吸收在所述生物炭的所述部分的水。

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