CN100374539C - 光生物反应器及其操作方法、包括其的系统以及应用 - Google Patents

Abstract

本发明的某些实施方案和方面涉及光生物反应器设备(100)和某些方法，其中光生物反应器设备(100)含有液体介质(108)，该液体介质中至少含有一种具有光合作用功能的生物体，本发明所涉及的方法将光生物反应器设备(100)作为气体处理工艺过程及系统的一部分，该气体处理工艺过程和系统能够至少将部分不希望存在的污染物从气流(608)中除去。在某些实施方案中，所述的光生物反应器(100)可用作集成化燃烧方法和系统的一部分，其中光生物反应器(100)所用的具有光合作用功能的生物体至少能够部分地除去燃烧气体中所含的污染化合物，例如将一部分二氧化碳和/或氮氧化物除去，这些生物体随后从光生物反应器(100)中被收集起来，在经过处理后，这些生物体被用作燃烧装置(比如发电厂的发电机和/或焚烧炉)的燃料。

Description

光生物反应器及其操作方法、包括其的系统以及应用

相关申请

[01]本专利申请要求60/380,179号美国临时专利申请的优先权。该临时专利申请的标题为“减少烟道气所用的光生物化反应器和方法”，于2002年5月13日提交；该临时专利申请全部引入本文作为参考。

发明领域

[02]本发明一般涉及光生物反应器以及操作和使用光生物反应器处理气体的方法，例如处理烟道气。

发明背景

[03]仅在美国就有代表1600个发电单元的400个烧煤发电厂和另外10,000个化石燃料厂。虽然以煤为燃料的发电厂是所有化石燃料使用者中造成污染最严重的，但以石油和天然气为燃料的发电厂也产生烟道气(燃烧气体)，这些烟道气体可能含有CO₂、NO_x、SO_x、汞、含汞化合物、尘粒以及其他污染物。

[04]光合作用是生物圈中的碳循环机制。在这一过程中，光合有机体，例如植物体通过固定二氧化碳合成碳水化合物和其他细胞物质。将二氧化碳和太阳能转化成生物质的最有效转化者之一就是藻类生物，藻类生物是地球上生长速度最快的植物，也是自然界中最简单的微生物之一。事实上，输送到藻类生物的二氧化碳中90％以上被吸收，大部分二氧化碳生成了细胞物质。(见Sheehan John、Dunahay Ferri、Benemann JohnR.、Roessler Paul发表的“美国能源部水生物种计划回顾：从藻类生物中提取生物柴油”，1998，NERL/TP-580-24190，此后称为“Sheehan等人1998”)。此外，藻类生物能够在不适合农作物生长的盐水中生长。

[05]使用藻类生物技术使二氧化碳生物再生具有优势，这是因为这样可从废二氧化碳生成有用的高价值产品。在对燃烧气体进行处理减少二氧化碳的过程中，生产藻类生物质是具有吸引力的概念，这是因为干燥的藻类生物所具有的热值大致与煤相同。藻类生物质还可通过已知的热化学转化技术转化成高质量的液体燃料(类似于原油)。藻类生物质还可气化成高可燃性的有机燃料气体，这种有机燃料气适用于燃气发电厂。(例如见Reed T.B.和Gaur S.发表的“生物质气化调查”，NREL，2001，此后称为“Reed和Guar 2001”)。

在光合作用过程中，每固定1摩尔的二氧化碳便可在植物中存储约114千卡(477千焦)的自由能。藻类生物所进行的光合作用约占全球净光合作用的三分之一。光合作用可用下面的方程简单地表示：

CO₂+H₂O+光→(CH₂O)+O₂

其中(CH₂O)是含碳生物质的通用化学式。

虽然光合作用是将太阳射线转化成生物质的基本条件，但能够驱动光合作用的光能的有限波长范围(波长在400～700纳米，这只是全部太阳能的一半左右)却限制了这种能量转化的效率。其他因素，比如呼吸需求(黑暗时期)、太阳光吸收效率以及其他生长条件都会影响藻类生物反应器的光合作用效率。所以，整个光合作用的净效率可从野外(开放的池塘型反应器)的6％到最高效的中试级光生物反应器的24％。

藻类生物也可用来生物除去燃烧气体中的NO_x(见NagaseHiroyasu、Ken-Ichi Yoshihara、Kaoru Eguchi、Yoshiko Yokota、RieMatsui、Kazumasa Hitata以及Kazuhisa Miyamoto在《发酵及生物工程》杂志上发表的“在DT系统中通过生物法除去烟道气中氮氧化物过程的特性”，83，1997，此后称为“Hiroyasu等人1997”)。某些藻类生物可在较宽的NO_x浓度范围内及不同的燃烧气体流量下除去NO_x。一氧化氮是NO_x的主要成分，其溶于水中，此后被氧化成NO₂，并被藻类细胞所吸收。下面的方程表明了溶解的NO与溶解的O₂的反应：

4NO+O₂+2H₂O→4NO₂ ^-+4H⁺

溶解的NO₂然后被藻类生物用作氮源，并部分转化成氮气。一氧化氮在水中的溶解过程被认为是该NO_x除去过程的速度控制步骤。该过程可由下列方程描述，其中k是基于温度的速度常数：

-d[NO]/dt＝4k[NO]²[O₂]

例如，使用杜氏属(Dunaliella)藻类物种脱除NO_x可在光亮和黑暗条件下进行，NO_x的脱除效率超过了96％(在光条件下)。

已经有人提议由藻类生物技术生产燃料。在过去18年中，美国能源部(DOE)资助了一系列广泛的研究工作，以从藻类开发出能再生的运输用燃料(见Sheehan John、Dunahay Ferri、Benemann John R.、Roessler Paul发表的“美国能源部水生物种计划回顾：从藻类生物中提取生物柴油”，1998，NERL/TP-580-24190，此后称为“Sheehan等人1998”)。在日本，政府组织和私营公司共同投资了2.5亿多美元于藻类生物技术。每项研究计划都采用了不同的方法，但由于各种问题，这些计划中至今未有一项在商业上取得成功，本发明的某些实施方案解决了这些问题。

可行的藻类生物再生及减少污染的主要障碍就是高效的且成本有效的生长系统。DOE的研究主要集中于在大至4平方公里的大型开放池塘中的藻类生长。这些池塘所需的基本投资很低，但在开放的以及未加控制的环境中的藻类生长导致低的藻类生产率。这种开放式池塘技术使藻类的生长和收集费用极高，这是因为大量的稀释藻类水需要使用很大的搅拌器、泵和离心设备。此外，由于藻类生产率很低以及较大的平地需求，这种方法充其量也就只能用于1％的美国发电厂(Sheehan等人1998)。另一方面。MITI的方法对土地有严格的限制，其集中在非常昂贵的使用光纤进行光线传导的闭合型藻类生物反应器。在这些受控的环境中，虽然可达到更高的生产率，但藻类生物的生长速度没有高到足以抵消所用昂贵系统的投资成本。

典型的传统光生物反应器有几种形式，比如圆柱形反应器或管式反应器，例如Yoger等人在美国专利No.5,958,761中教导的。当在水平方向时，这些反应器通常需要外部能量进行混合(比如泵)，因而明显增加了投资及操作费用。在该方向，光合作用所产生的氧气被截留在系统中，因此导致了藻类生物繁殖的下降。其他已知的光生物反应器是竖直取向并气动搅拌。许多这样的光生物反应器以“气泡柱”形式进行操作，这一点将在以后进行说明。某些已知的光生物的反应器设计依靠人工光源进行操作，比如依靠荧光灯进行操作(如Kodo等人在美国专利No.6,083,740号中所述的)。不使用太阳能而只依靠人工光源的光生物反应器可能需要巨大的能源输入。

许多传统的光生物反应器包括圆柱形藻类光生物反应器，其可归类为“气泡柱式”，或“气升式反应器”。气泡柱式通常为大直径的透明容器，其中充有悬浮藻类的液体介质，反应器的底部有鼓入气体。由于反应器内没有可再现地形成的准确限定的流线，所以很难控制该系统的混合性能，这可导致低的传质系数、光调节效果差以及低的生产率。气升式反应器通常由竖直取向的同心管状容器组成，气体从内管的底部鼓入。在内管底部所建立的压力梯度形成了环形液流(向上通过内管并在管间向下)。外管是由透明材料制造的，而内管通常是不透明的。因此，当在管间流动时，藻类暴露在光下，当在内管中流动时，藻类生物处于黑暗之中。这种明一暗交替循环是由反应器的几何结构(高度、管径)以及操作参数(比如气体流量)所决定的。与气泡柱式相比，气升式反应器具有更高的传质系数，和更高的藻类生产率。然而，在气升式反应器内控制流动模式以实现所需的混合程度和光调节效果是困难的或不实际的。此外，在室外大规模的藻类生长中，由于反应器几何尺寸的限制，这两种圆柱形光生物反应器的生产率都很低，这是由于光线反射以及自遮蔽效应(一个反应柱遮敝另一个反应柱)相关的因素造成的。

发明概述

本发明的某些实施方案和方面涉及到光生物反应器、使用光生物反应器的气体处理系统和方法、控制和操作光生物反应器及光生物反应器系统的方法和系统、预适应(pre-adapted)藻类株以及生产这种藻类株的方法和系统、集成的燃烧/气体处理/含碳燃料循环方法和系统。

在第一组实施方案中，公开了一系列光生物反应器设备、光生物反应器系统以及气体处理系统。在第一实施方案中，公开了一种气体处理系统，该气体处理系统包括在其中含有液体介质的光生物反应器，所述液体介质中含有至少一种光合有机体，该光生物反应器至少一部分被构造得可将光传递到光合有机体上，该光生物反应器包括构造以连接到待处理气体源的入口，构造和安置以使光生物反应器内的液体介质流动的液体循环器，和构造以将处理的气体从光生物反应器释放的出口；和计算机执行系统，配置该计算机执行系统以进行光生物反应器内液体流动模式的模拟，并根据模拟计算出光合有机体暴露在强度足以驱动光合作用的光下的第一暴露间隔和光合有机体暴露在黑暗或强度不足以驱动光合作用的光下的第二暴露间隔，同时控制生物反应器内液体介质的流量，从而得到光合有机体选定的第一暴露间隔和第二暴露间隔。

在另一个实施方案中，公开了具有光生物反应器的气体处理系统，该光生物反应器包括建立在光生物反应器内含有至少一种光合有机体的液体介质流动的装置；将至少一部分光生物反应器和至少一种光合有机体暴露在能够驱动光合作用的光源下的装置；计算光合有机体暴露在强度足以驱动光合作用的光下的第一暴露间隔和光合有机体暴露在黑暗或强度不足以驱动光合作用的光下的第二暴露间隔的装置，其中需要所述暴露间隔以得到光生物反应器内的光合有机体选定的生长速度；和基于在计算步骤中确定的暴露间隔控制光生物反应器中液体介质流动的装置。

在另一实施方案中，公开了光生物反应器设备，该光生物反应器设备包括至少第一、第二和第三流体互连导管，至少一个所述导管对于波长能够驱动光合作用的光至少是部分透明的，所述导管合在一起提供流动回路，使得包含于光生物反应器的液体介质从流动回路内的起始区域依次流经第一、第二、第三导管并返回到起始区域；第一、第二及第三导管被构造和排列得使至少一个导管与水平面形成的角度与至少一个另外的导管与水平面所形成的角度不同，和其中至少一个导管与水平面所形成的角度大于10°并小于90°。

在另一实施方案中，公开了光生物反应器系统，该光生物反应器系统包括光生物反应器，该光生物反应器包括在其中含有液体介质的至少第一和第二流体互连导管，其中至少一个所述导管的至少一部分可透过波长能驱动光合作用的光，构造和安置以将气体流引入第一导管中的第一气体分配器，构造和安置以将气体流引入第二导管中的第二气体分配器，和构造以从光生物反应器释放气体的至少一个出口；和控制器，配置所述控制器以控制待被光生物反应器处理的气体总流量以及气体在第一分配器和第二分配器之间的分配，从而使第一导管中的液体流动以与第一导管中气泡流动的方向相反的方向流动，并使第二导管中的液体以与第二导管中气泡流动的方向相同的方向流动。

在另一个实施方案中，公开了一种光生物反应器设备，该光生物反应设备包括伸长的外壳，该伸长的外壳具有基本上水平的纵轴和至少部分透过波长能驱动光合作用的光的至少一个表面；置于伸长的外壳内的伸长的内室，所述伸长内室具有基本上与外壳的纵轴相对齐的纵轴，伸长的外壳与伸长的内室共同限定在端部被密封的环形容器，其中所述环形容器提供流动回路，其能使包含于光生物反应器中的液体介质从流动回路内的起点开始依次流经伸长内室的外周并返回到起点区域。

在另一实施方案中，公开了一种光生物反应器设备，该光生物反应器设备包括其中含有液体介质的容器，所述液体介质含有至少一种光合有机体，该容器外壁的至少一部分可至少部分地透过波长能够驱动光合作用的光，该容器外壁内表面至少一部分涂有一层生物相容物质，该生物相容物质在最高至少约45℃的温度时仍为固体，和该生物相容物质的熔化温度低于其涂敷容器外壁的熔化温度。

在另一个实施方案中，公开了一种包括光生物反应器和气体处理设备的气体处理系统，其中气体处理设备与光生物反应器流体连通，构造所述处理系统以能够从气体中至少部分除去选自SO_x、汞以及含汞化合物的至少一种物质。

在另一系列实施方案中，公开了使用光生物反应器的方法以及控制和操作光生物反应器和光生物反应器系统的方法。在一个实施方案中，公开了用光生物反应器进行气体处理的方法，所述方法包括在光生物反应器可建立含有至少一种光合有机体的液体介质的流动；将至少一部分光生物反应器以及至少一种光合有机体暴露在能驱动光合作用的光源下；计算使光生物反应器中光合有机体达到预定的生长速度所需的第一暴露间隔和第二暴露间隔，其中在第一暴露间隔内光合有机体暴露在其强度足以驱动光合作用的光下，在第二暴露间隔内光合有机体暴露在黑暗或强度不足以驱动光合作用的光下；并基于计算步骤中得到的暴露间隔来控制光生物反应器内的液体介质的流动。

在另一个实施方案中，公开了用光生物反应器处理气体的方法，该方法包括建立光生物反应器内含有至少一种光合有机体的液体介质的流动；使至少一部分光生物反应器以及至少一种光合有机体暴露在能驱动光合作用的光下；对光生物反应器中液体的流动模式进行模拟，并根据模拟的结果来确定第一暴露间隔和第二暴露间隔，其中在第一暴露间隔内光合有机体暴露在其强度能够驱动光合作用的光线下，在第二暴露间隔内光合有机体暴露在黑暗或强度下足以驱动光合作用的光下；根据第一暴露间隔和第二暴露间隔计算光生物反应器中光合有机体的预定生长速度；并控制光生物反应器内的液体介质的流动，从而使光合有机体达到选定的第一暴露间隔和第二暴露间隔，以便达到计算步骤所确定的所需预定生长速度。

在另一个实施方案中，公开了操作光生物反应器的方法，该方法包括将待被光生物反应器处理的第一气体流引入到第一气体分配器中，并将待被光生物反应器处理的第二气体流引入到第二气体分配器中，其中构造和安置第一气体分配器以将气体流引入到光生物反应的第一导管中，构造和安置第二气体分配器以将气体流引入到光生物反应器的第二导管中；使第一导管中的液体流动，所述液体流动的方向与引入到第一导管中第一气体流所形成的气泡流动方向相反；和引起第二导管中的液体流动，所述液体流动的方向与引入到第二导管的第二气体流所形成的气泡流动方向是相同的。

在另一个实施方案中，公开了用光生物反应器系统处理气体的方法，该方法包括使气体通过光生物反应器；在光生物反应器中从气体中至少部分除去至少一种物质；使气体流过与光生物反应器流体连通的气体处理设备；在气体处理设备中从气体中至少部分除去选自以下的至少一种物质：SO_x、汞、以及含汞化合物。

在另一系列实施方案中，公开了预适应藻类株以及生产这些菌株的方法和系统。在第一实施方案中，公开了一种方法，谊方法包括将其中含有至少一种光合有机体的液体介质暴露在一组预定的生长条件下，选择这组预定的生长条件以模拟光合有机体随后在光生物反应器中所处的条件，从而以这组预定的生长条件对光合有机体进行预先调节；收集经过预先调节的光合有机体；和将至少一部分所收集的光合有机体移植到光生物反应器中。

在另一个实施方案中，公开了一种使光生物反应器系统的操作更加方便的方法，该方法包括提供至少一种光合有机体，该光合有机体通过暴露在一组预定的生长条件下而预先调节，选自谊组预定的生长条件以模拟光合有机体随后在光生物反应器系统中所处的条件。

在另一系列实施方案中，公开了集成化燃烧/气体处理/含碳燃料循环方法和系统。在这样的一个实施方案中，公开了一种集成化燃烧方法，该方法包括使用燃烧装置燃烧燃料，以生成热的燃烧气体流；将热的燃烧气体流送入干燥器，并在干燥器中冷却；冷却后的燃烧气体流送至其中含有液体介质的光生物反应器入口，其中液体介质含有至少一种光合有机体；使用光合有机体至少部分除去燃烧气体中的至少一种物质，所述至少一种物质被该生物体用于自身的生长和繁殖；将至少一部含有至少一种光合有机体的液体介质从光生物反应器中取出，并使用在进料步骤进入有热的燃烧气体的干燥器干燥在取出步骤取出的液体介质，从而产生所需的藻类生物质；和将干燥的藻类生物质用作为燃料和/或生产燃烧步骤所用的燃料。

图示简介

通过本文后面对本发明的非限制性实施方案进行详细的说明可清楚地表明本发明的其他优势、新特点及使用情况；这些非限制性实施方案是结合本文所附图形进行说明的，本文所附图形是示意性的，并不是按比例绘制的。在这些图形中，相同或基本相似的部分通常用相同的附图标记或名称表示。为了清晰起见，并非每个图形中的每个组成部分都加上了标识，同样，并非显示的本发明每一实施方案中的每种组成部分都加上了标识，这些图解说明不一定会使本领域的普通技术人员理解本发明。当本技术说明与通过引证被并入本文的文献含有相冲突的内容时，应以本文中的内容为准。

附图中：

图1是根据本发明某一实施方案的管式三角形光生物反应器的截面示意图。

图2是根据本发明的一个实施方案，多光生物反应器气体处理队列的正视示意图，其中该气体处理队列使用10个平行排列的如图1所示的光生物反应器。

图3是根据本发明的一个实施方案的环形光生物反应器的右侧透视示意图。

图3a是图3所示环形光生物反应器沿线3a-3a的截面图。

图4a～图4g是各种光生物反应器结构的示意性截面图。

图5a～图5g是各种环形光生物反应器结构的示意性截面图。

图6a是根据本发明一个实施方案的光生物反应系统的示意图，该光生物反应器系统使用了图1的光生物反应器；并包括计算机执行控制系统。

图6b是藻类的生长曲线图。

图7a是流程框图，该流程框图表明了操作图6a所示光生物反应器系统中计算机执行控制系统的方法的一个实施方案。

图7b是流程框图，该流程框图表明了操作图6a所示光生物反应器系统中计算机执行控制系统的方法的另一个实施方案。

图8是流程框图，该流程框图表明了根据本发明一个实施方案的藻类培养物进行预先调节的方法的一个实施方案。

图9是根据本发明的一个实施方案的集成化燃烧方法的工艺流程图。

本发明的详细说明

本发明的某些实施方案和方面涉及光生物反应器设备，并涉及使用光生物反应器设备作为能从气体流中至少部分地除去某些不希望污染物的气体处理方法和系统的一部分的方法，其中所述光生物反应器含有液体介质，该液体介质中至少含有一种光合有机体。在某些实施方案中，此处所提供的光生物反应器设备、使用这些设备的方法、和/或气体处理系统和方法可用作为集成化燃烧方法和系统的一部分，其中在光生物反应器中所用的光合有机体至少部分地将燃烧气体中所含的某些污染化合物除去，比如CO₂和/或NO_x；并然后从光生物反应器中收集这些光合有机体，并处理用作燃烧装置(比如发电厂发电机和/或焚烧炉)的燃料源。本发明的某些实施方案的这些用途可提供对燃烧燃料所含的碳进行再循环的有效方式(即在光生物反应器中将燃烧气体中的CO₂转化成生物质)，由此降低二氧化碳的排放和对化石燃料的需求。在某些实施方案中，光生物反应器设备可以与辅助性气体处理设备联合使用，从而有效地脱除其他典型燃烧气体/烟道气中的污染物，比如SO_x、汞和/或含汞化合物。

在某些实施方案中，在光生物反应器的操作过程中使用控制系统和控制方法，配置该控制系统和控制方法以能自动地、实时地对操作参数进行优化和/或调整，从而对特定的环境操作条件达到所需的或优化的光调节效果和/或生长速度。另一方面，本发明还涉及对于特定的环境和/或操作条件预选、适应、和预先调节一种或多种光合有机体的方法和系统，其中所述特定环境和/或操作条件为这些光合有机体随后在使用期间在气体处理系统的光合生物反应器设备中所处的环境和/或操作条件。

本发明的某些方面涉及光生物反应器结构以及使用光生物反应器的方法和系统。本文所用的“光生物反应器”是指含有或构造以含有包含至少一种光合有机体的液体介质、并具有或者能够驱动光合作用的光源或具有至少一部分能够透过波长可以驱动光合作用的光线(即波长约在400～700纳米的光线)的至少一个表面。本发明所用的优选光生物反应器包括封闭的生物反应器系统，封闭的生物系统与诸如池塘、其他开放的水体、开放的储罐、开放的沟渠等的开放生物反应器恰好相反。

本文中所用的“光合有机体”或“生物质”包括所有能光合生长力的生物体，比如能在液相中生长的植物细胞以及单细胞或多细胞形式的微生物(包括藻类生物和眼虫藻)。这些术语还包括人工修饰的生物体或基因操作的生物体。虽然本发明上下文中公开的某些光生物反应器特别适合于培养藻类或具有光合作用的细菌，并且使用藻类生物作为光合有机体在下文中讨论本发明某些实施方案的特点和能力，但应该理解，代替藻类或除藻类之外可以使用其它的光合有机体。对于使用一种或多种藻类的实施方案而言，可在单个光生物反应器或光生物反应器的各种组合中培养各种种类的藻类(比如绿藻、螺旋藻、杜氏藻属生物、porphyridum等)。

当用于光生物反应器的某些表面或某些组件时，短语“至少可部分透过光线”以及“其结构可传播光线”是指对于暴露的至少一定水平的入射光能，这些表面或组件能够使足够的光线透过，以驱动光合有机体内的光合作用。

图1所示的是基于本发明某一方面的环形回路光生物反应器设备100的示例性实施方案。光生物反应器100含有三个流体互连的导管102、104和106，这三个导管一起提供流动回路，该流动回路可使光生物反应器中所含的液体介质108依次从流动回路内的起始区域(如集液管或贮液槽110)通过围绕回路的该三个导管并返回到起始区域。虽然在说明性的实施方案中，环形回路光生物反应器含有形成循环流动回路的三个流体互连导管，在其他实施方案中，例如在下面将要说明的图3和图4所示的实施方案中，光生物反应器可含有形成流动回路的四个或更多流体互连导管，和/或可以以不同于图中所示的三角形几何之外的几何排列。在另外其它的实施方案中，本发明的某些优势可通过使用仅包括二个流体互连导管的光生物反应器实现，或在另外的其它实施方案中，使用仅包括一个导管的光生物反应器实现。

如图所示，环形导管102、104和106通过集液管110、112和114流体互连，每个导管的末端以密封方式连接。正如本领域技术人员所知道的，在其他实施方案中可使用其他的连接装置互连含有液体介质的导管，或者作为替代方案，流动回路可由单根环形导管形成，其弯曲或以其它方式形成三角形或形成流动回路的其它形状。

当上下文中用于根据本发明提供的能够容纳和/或输送气体和/或液体的导管、室或其他结构，术语“流体互连”是指这些导管、容器或其它结构为整体结构或直接或间接地连在一起，如此以至少部分液体密封的方式提供从一个导管等通向与其流体互连的其他导管的连续流动通道。在上下文中，如果在两个导管间存在液体和/或气体流动，或可以在两个导管间建立液体和/或气体流动，则这两个导管等可以是“流体互连的”(即，甚至即使在两个导管存在阀门，并在需要时可以关闭阀门从而切断其间的液体流动，这两个导管仍然是“流体互连的”。

正如下面将要更详细说明的，在操作期间，光生物反应器中所含的液体介质通常含有水或盐水溶液(比如海水或微咸水)，所述水或盐水溶液含有足够的养分促进液体介质中存在的藻类和/或其它光合有机体的存活力和生长。正如下面将要说明的，使用含有从当地获得的微咸水、海水或其它非饮用水的液体介质通常具有优势，光生物反应器将在这种液体介质中操作，同时其中所含的藻类起源于所述液体介质或适应这种液体介质。适用于维持藻类生长或其它光合有机体培养或其所需的液体介质的组成、养分等是本领域所共知的。正如本领域技术人员所理解的，在本发明不同实施方案的各种形式中可以使用多种液体介质。例如，Rogers L.J.和Gallon J.R.的《藻类生物化学和蓝藻细菌》(Clarendon出版社，牛津，1988年)、Burlew John S.的《藻类生物培养：从实验室到中试装置》(华盛顿卡内基学院，出版物600，华盛顿特区，1961年，此后称为“Burlew 1961”)以及Round F.E.的《藻类生物学》(圣马丁出版社，纽约，1965年)对可能适用的液体介质组分和养分进行了详细的讨论，所有这些文献在此通过引证被并入本文。

在操作期间，光生物反应器100应充有足够的液体介质108，使得填充液位116高于导管102和导管104连接节的低端结合点118，以使得液体介质在操作期间循环回路流动(比如以箭头120所指的方向)。正如本文下面将要更加详细说明的，在某些实施方案中，使用气体注入装置和液体流动装置可使液体按逆时针方向或按顺时针方向流动，或在其它实施方案中，使液体保持基本上不流动。正如下面将要更加详细说明的说明性实施方案中，光生物反应器100使用进料气体引入装置和包括两个气体分配器122和124的引起液体流动装置，构造这些装置以产生上升并通过沿导管102和104的许多气泡，从而引起液体流动。

在优选实施方案中，构造光生物反应器设备100以与自然光源结合使用，比如与太阳光128结合使用。在这样一个实施方案中，导管102、104和106得至少一个应该至少部分透过波长能够驱动光合作用的光线。在说明的实施方案中，导管102包括至少对太阳光128至少部分透明的“太阳能嵌板”管，导管104和106至少部分不透过太阳光。在某些实施方案中，基本上整个导管104和106都不透过太阳光128，因此形成了“黑暗的管”。

对于其中导管102至少部分透过太阳光128的实施方案而言，导管102可由各种适于制造生物反应器的透明或半透明材料制成。一些例子包括但不限于多种透明或半透明的聚合物材料，比如聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯等等。可选择地，导管102可由玻璃或由树脂支撑的玻璃纤维制成。优选，导管102以及不透明的导管104和106具有足够刚性，从而能够自支撑并能够承受在操作过程中通常预期的力而不会发生坍塌或实质性变形。不透明的导管如104和/或106可由如上所述的制造导管102的类似材料制成，但不同之处在于，当需要它们是不透明的时候，这些材料应该是不透明的，或涂敷有阻光材料。如下面将要更详细说明的，在对本发明中某些光生物反应器进行设计时所要考虑的一个重要方面是在光生物反应器内提供所需的光调节水平(即将光合有机体交替暴露在足以驱动光合作用的光线下以及暴露在黑暗条件下或暴露在不足以驱动光合作用的光线下的暴露间隔模式)。通过使至少一个导管(比如导管104和/或106)的至少一部分不透明，则在流动回路中建立黑暗间隔，这样有助于在光生物反应器中建立藻类暴露在光线/黑暗下的所需比值，从而改进生长和性能。

虽然所示的导管102、104和106含有直的线性段，但在可选实施方案中，如果需要的话，一个或多个导管可以是弓形的、螺旋形的或其它非直线形状的。而在某些实施方案中，管状导管102、104和106可有各种各样的截面形状例如正方形、矩形、椭圆形、三角形等，如优选实施方案中所示的，每个导管包括一定长度截面形状基本为圆形的管。此外，如果需要的话，导管102、104和106中的一个或多个(尤其中太阳能嵌板导管102)可在其中具有各种扰流和/或增强混合的部件，从而提高导管内的湍流度和/或气-液界面混合。正如下面将要更详细说明的，这样可以例如得到改善的短期“闪光”光调节，和/或在待处理气体直接注入光生物反应器(如图1所示)的实施方案中得到改善的气体在液体介质中的扩散吸收。这些加强流动效果的措施可包括单不限于导管102内的翅片、挡板或其它导流元件，和/或可以包括使导管102沿其长度具有螺旋卷绕。

对于某些实施方案而言(尤其是诸如燃烧气体、烟道气等待处理气体被直接在透明导管的底部如导管102注入到光生物反应器的实施方案)，在某些情况下，通过使光生物反应器具有一定的几何形状和结构形式可以改进光生物反应器的性能，这一点将在下面进行说明。

如图所示，将气体分配器122构造并安置于集液管110内，以将待处理的气体引入到导管102的最下端，这样可形成多个气泡126，气泡126沿导管内表面的部分130上升并穿过导管102内含有的液体介质108，导管内表面的部分130直接与导管外表面的部分132相邻，而部分132最直接与太阳光128相对。这种结构连同导管102与水平面之间所形成的角度α₁可以使分配器122将气体引入到导管102的下端，使多个气泡上升并穿过液体介质，在导管102内引起流动，特征在于，沿导管102的长度具有多个环流涡旋134和/或湍动涡流。这些环流涡旋和/或湍动涡流可以增强导管102内气泡与液体之间的混合和/或延长接触时间，并提供从邻近导管102的内表面130的见光区到接近于导管102内表面136的黑暗区的藻类循环，从而提供相对较高频率光调节效果的“闪光”，这对生长和生产非常有利(即将CO₂转化成生物质)。这种效果以及本发明中控制及使用这种效果的装置将在以下对图6a、图7a和图7b的说明中进行更详细的论述。环流涡旋134和/或湍动涡流能够导致更佳光调节效果的原因被认为是，随着藻类生物在光生物反应器内生长，液体介质的光密度会增大，因而缩短了光线在液体介质中的有效传播深度；因此，在导管102中与太阳光128入射的内表面130相距足够远的区域内，光线的强度不足以驱动光合作用。

在如图所示的这种结构中，布置气体分配器122和透光导管102使气泡126沿导管的光最直接入射的区域上升，这种结构的其它优点包括清洁性和热缓冲性。例如，当气泡126沿导管102的内表面130上升时，这些气泡对导管的内表面进行了有效的冲刷或清洁，因而降低了藻类在内表面上的积累和/或清除附着在内表面上的藻类。此外，由于气泡还能将至少一部分照射到导管102上的太阳光反射出去，所以这些气泡可作用以影响光生物反应器内的液体介质的热缓冲度。在某些实施方案中，为了增强气泡的冲刷和/或热缓冲效应，还可以选用多个具有中等浮力、任选透明或半透明的微球(例如直径在0.5～3毫米的小球)。这些漂浮的颗粒被导管102中的液流所携带，从而形成了另外的冲刷和/或热缓冲效应和/或另外的“闪光”光调节效果。

本文中所用的“环流涡旋”是指相对稳定的液体环流模式(即涡旋134)，这种涡旋与液体的主体流动方向(即120)相重叠。这种环流涡旋与特征为已完全发展为湍流的湍动涡流之间的区别在于，即使导管中的流动在未达到完全湍流的情况下，也可能存在环流涡旋。此外，湍动涡流形成的位置通常相对随机且其是无规形成的，并且对于特定的涡流持续时间较短。正如下面将要说明的，使用常规的流体动力学计算和本领域技术人员所用的模拟方法，可确定光生物反应器内的几何结构以及液体和/或气体的流量的选择，以建立这些环流涡旋和/或湍动涡流。

虽然在将气体直接注入光生物反应器的一些实施方案中，可使用一个气体分配器或扩散器(即分配器122)，但在某些优选实施方案中，本发明中的光生物反应器包括两个气体分配器122和124，将每个气体分配器构造并安置于光生物反应器之内，以在向上导管如导管102和导管104的底部注入气泡。正如本领域技术人员将会理解的，分配器122释放出的气泡流向上流动穿过导管102，分配器124释放出的气泡流向上流动穿过导管104(分别以箭头138和140所指的方向)，每股气泡流都具有建立液体绕流动回路流动的方向的驱动力，但其方向与另一气泡流建立的相反。因此，通过控制光生物反应器建立的处理气体的总流量以及导向气体分配器122和气体分配器124之间总流量分布或相对比例，能在光生物反应器内形成各种压差，这些压差由导管102和导管104中气体滞留量的差别所控制，如图所示的，通过控制这些压差可使液体介质主体或者沿逆时针方向流动，或者沿顺时针方向流动；或，在相对液体注入速度之间达到适当平衡时，使得液体介质的主体在流动回路中不会产生任何绕流动回路的流动。

简单地说，液体介质的流体动力学是由注入气体分配器122和124的气体流速之比所控制的。例如，如果注入到光生物反应器中的所有气体流动都注入一个气体分配器，这会建立绕流动回路的最大总液体流量。另一方面，正如前面所述的，在一定分配比例下，液体介质将保持停滞不动。因此，通过控制气体总流量以及注入每个分配器122和124的总流速的相对比可以重复地控制液体介质主体的流量、气体和液体在每个导管102和104中的停留时间以及在光生物反应器内建立特定的液体流动模式(比如环流涡旋)。

这种结构对于给定的气体总流量可对液体总流量和液体流动模式进行更灵活的控制，并可在不必改变进入光生物反应器气体总流量的情况下改变光生物反应器内液体流速和液体流动模式。

因此，正如以下结合图6a所更加详细说明的，如图所示，对这种气体分配器气体光生物反应器的分配器的气体注入速度进行控制，可利于在无需液体循环辅助设备比如泵的情况下在两个水平上控制和操纵光生物反应器内的流体动力学，从而能控制和优化光调节(即通过控制光/黑暗循环使藻类维持最大的连续繁殖和生长)。这种能控制光调节的两级流体动力学控制包括：(1)控制绕流动回路的总液体流量，这样可以控制藻类在导管102中暴露在光线下的以及在导管104和106中处于黑暗下的相对停留时间和频率；(2)建立并控制太阳能嵌板管102中的环流涡旋和/或湍动涡流，其中藻类经历更高频率的光/黑暗暴露变化，从而形成例如“闪光”效应。可以调节这种光生物反应器内的液体流量以使藻类在导管102中具有宽范围的停留时间(比如几秒至几分钟)。

所示的双气体分配器气体注入实施方案的另一优势是，在注入气体的某一导管中，气体相对于液体主体流动的方向会与注入气体的其它导管中的方向相反。换句话说就是，如图1所示，导管104中气体流动方向140与液体主体流动方向120是相同的，而在导管102中，气体流动方向138与液体主体流动方向120是相反的。重要的是，通过在至少一个导管中使气体流动的方向与液体流动方向相反，可以显著地提高被注入气体中污染物成分(比如CO₂、NO_x)与液体介质之间的有效传质率。

这一点对于在光生物反应器中脱除NO_x尤为重要。已经表明，在用来脱除NO_x的气泡柱式和气升式光生物反应器中，对流型气升式反应器脱除NO_x的能力比气液流动方向相同的反应器高3倍(见Nagase、Hiroyasu、Kaoru、Eguchi、Ken-Ichi Yoshihara和Kazuhira Miyamoto在《发酵和生物工程》杂志(Journal of Fermentation andBioengineering)上发表的“在气泡柱式及气升式反应器中微藻类吸收氮氧化物的改进(Improvement of Microalgal NO_x Removal in BubbleColumn and Airlift Reactors)”一文，86期，No.4，1998，421～423页，此后在本文中称为“Hiroyasu等人1998”)。由于这种效果对于脱除NO_x更加重要，正如本发明背景技术中提到的，吸收和脱除速度是由扩散过程决定的，同时由于藻类在有光线环境中和黑暗环境(即在光合作用过程和呼吸过程)中都能处理NO_x，所以即使在液体流动方向120与图1所示方向相反的情况下，即在导管102中气体流动方向和液体流动方向相同，和导管104中气体流动方向与液体流动方向相反的情况下，光生物反应器仍能得到相似的NO_x脱除效果。在本说明书中，化学式“NO_x”是指含有选自：NO和NO₂的至少一种的任何气体化合物。

本文中所用的术语“气体分配器”或“分配器”指构造以将多个小气泡引入到液体中的合适装置和结构。在某些优选实施方案中，分配器包括构造已将气体分散成平均直径约在0.3毫米级别或更小的细微气泡的气体分散器，从而提供最大的气-液接触界面面积。各种适用的气体分配器和分散器可商业购买到，这些气体分配器和分散器是本领域技术人员所共知的。

在图1所示的实施方案中，待处理的气体通过分配器122和124被注入到光生物反应器100中，这些气体穿过光生物反应器一次，并经过气体出口141从光生物反应器中释放出去。在某些实施方案中，可提供过滤器142，例如平均孔径小于藻类的平均直径的疏水性过滤器，以避免藻类通过气体出口141被带出到光生物反应器之外。在该实施方案或可选实施方案中，正如本领域技术人员所清楚的，也可使用其它众所周知的能够减少气体出口管144中泡沫并降低藻类通过气体出口流失的装置。正如本领域技术人员应该清楚的，以及本文下面将要更加详细说明的，光生物反应器各个导管和组成部件的具体长度、直径、方向等，以及特定的气体注入速度、液体循环速度等因素，将取决于光生物反应器应用的具体用途以及待处理气体的组成和量。通过本文所提供的指导以及化学工程、生化工程和生化反应器设计领域技术人员可得到的知识和信息，在使用不超过常规工程和实验的情况下不需要创造性劳动，就可以容易地选定适合于某一具体用途的这些尺寸和操作条件等。

此外，正如下面在图2的说明中所述的，以及本领域技术人员应理解的，在某些实施方案中，光生物反应器100可包括多个相同或相似的光生物反应器，这些光生物反应器通过并连、串连或并串连结合的方式连接在一起；从而例如提高系统(比如多个光生物反应器的并连结构)的能力和/或提高对气体流中某一特定组分的脱除程度(例如，对于光生物反应器的气体出口与同一光生物反应器和/或其后面的光生物反应器的气体入口串连的配置)。本文所述的本发明光生物反应器设备的所有配置和排列方式均在本发明范围之内。

虽然光生物反应器100被记载为使用自然的太阳光128，在可选实施方案中，可使用波长能驱动光合作用的人造光源替代天然太阳光或作为天然太阳光的补充。例如，可以配置使用太阳光和人造光源的光生物反应器，以在白天使用太阳光，在夜晚使用人造光源，这样可增加光生物反应器在一天中通过光合作用将二氧化碳转化成生物质的时间总量。

由于不同种类的藻类优化生长和繁殖所需暴露于光的条件不同，所以在某些实施方案中，尤其使用敏感性藻类那些，在根据本发明的光生物反应器的结构中可以使用光调节设备或装置。当暴露在紫外线下时，某些种类的藻类或生长速度大大降低，或者死亡。如果光生物反应器所使用的具体藻类物种对紫外线敏感，则导管102外表面132的某些部分或者可选择地导管的整个外表面和/或内表面可覆盖一种或多种滤光器，这些滤光器可降低不希望辐射的传播。这种滤光器可以容易地设计，以使藻类生长所需波长的光谱波长进入光生物反应器，同时又能阻挡或降低光谱的有害部分进入光生物反应器。这种滤光技术已在其它方面(比如汽车涂层和居室窗户涂层)实现了商业化。适用于本发明目的的滤光器可以包括透明聚合物膜滤光器，例如SOLUS^TM滤光器(宾西法尼亚州Conshohocken的Corporate Energy公司制造)。本领域普通技术人员很容易了解适用于上文所述情况的各种其它滤光器及遮光/滤光装置。在某些实施方案中，尤其对用于炎热气候的光生物反应器而言，可以使用包括红外滤光器的滤光器作为作为温度控制装置的一部分(有关温度控制策略和装置，本文将在以下对图6a的说明中进行更详细的描述)，这样可减少输入光生物反应器系统的热量，从而减小液体介质的温度上升。

正如前面所述的，得到所需或优化的光生物反应器性能的特定几何结构、尺寸、液体和气体流速等将取决于利用光生物反应器的特定应用以及光生物反应器的特定环境和操作条件。虽然本领域的普通技术人员通过使用本说明书中的教导、本领域中的常规知识和技术、以及容易得到的信息、以及利用不会造成不当负担的不超过常规实验水平的试验，就可对于特定的应用，选择合适的配置、尺寸、流量、材料等，下面所给出的某些示例性和/或优选参数，更具体地说就是，在本说明书结尾部分的实例中所给出的，只用于说明性非限制性目的。

在某些实施方案中，为了更利于促进环流涡旋和/或所需的液体流动模式、气泡轨迹等的形成，可以配置光生物反应器如图1所示的光生物反应器100，使得角α₁和α₂彼此不同。优选，至少一个导管与水平面所形成的角度大于10°并小于90°，更优选大于15°并小于75°，在某些实施方案中，约为45°。优选，在上述范围内的角度和值包括由水平面与其中发生光合作用的透光导管所形成的角度(比如水平面与导管102所形成的角度α₁)。在所示的实施方案中，导管106的纵轴基本上是水平的。在某些优选实施方案中，α₂大于α₁，在所示的实施方案中，α₂相对于水平面约为90°。

在某些优选实施方案中，由于导管102的外表面132作为光生物反应器的主要“太阳能嵌板”，所以光生物反应器相对于入射阳光128的位置使得导管102面向阳光的外表面132与垂至于入射光线的平面所形成的角度小于导管104和106的面对太阳的表面146和148分别与垂至于入射光线的平面所形成的角度。在这种结构中，太阳能吸收表面132所处的位置可使阳光最直射到该表面上，从而提高太阳能的吸收和效率。

对于给定的所需液体介质循环速度下，选择导管102和104的长度足以提供足够的气-液接触时间，以便在气体和液体介质之间达到所需的传质水平。优化的接触时间取决于多种因素，尤其取决于藻类的生长速度、碳和氮的吸收速度、进料气的组成和流量以及液体介质的流量。当导管106不透明时，导管106应该具有足够的长度，以为藻类提供所需量的黑暗和停留时间，但导管106也应该足够短，以避免在正常操作期间内，当液体以所需的流量流过导管时，藻类沉降并沉积在导管的底表面上。在某些优选实施方案中，导管102、104和106中的至少一个的长度约在0.5米至8米之间，在某些实施方案中，长度在1.5米至3米之间。

导管102、104和106的内径或最小截面尺寸都类似地取决于多种所需的操作条件和参数，并应该根据具体的应用需要进行选择。一般而言，适合的导管104内径取决于例如流过气体分配器的气体注入流量、气泡的尺寸、以及气体分散器的尺寸等。如果导管104的内径太小，则从气体分配器124出来的气泡会合并成较大的气泡，从而导致CO₂、NO_x等从气相进入液相的传质水平下降，并由此导致脱除污染物的效率降低。

导管106的内径取决于液体介质的流量、和藻类在光生物反应器中的沉降特性、以及所需的光-黑暗暴露间隔。在通常情况下，选择导管106的内径使其不应太大，如果导管106的内径太大，则液体和藻类在该导管中的停留时间会过长，这样藻类便有时间沉积并聚集在导管106的底部和/或在给定的流动回路循环中有太长时间未暴露于光，从而导致光生物反应器的太阳能效率降低。

在选定导管104和106的长度后，导管102的长度是固定的，即由几何结构决定。然而，正如前面有关导管104的说明中所述的，在选择导管102的长度时也涉及与导管104相似的考虑。关于导管102的内径，可以需要该内径比导管104和106的内径多少大一些(例如是导管104或106内径的约125％～约400％)，这样便于足够的暴露时间，并有利于建立环流涡旋134。一般而言，导管102的直径取决于太阳辐射128的强度、藻类的浓度、液体介质的光密度、气体流速以及在操作期间导管内所需的混合和液体介质的流动模式。在某些实施方案中，导管102、104和106的至少一个的截面直径约在1～50厘米之间。在某些优选实施方案中，至少一个这些直径约在2.5～15厘米之间。

作为一个特定的实例，本发明构造和利用的一个光生物反应器包括图1所示的三角形管式生物反应器，其中流体互连导管的截面形状为圆形。示例性生物反应器具有约为45°的角α₁，约为90°的角α₂，和水平取向的导管106。垂直导管(104)长度为2.2米，直径为5厘米，水平导管(106)长度为1.5米，直径为5厘米，斜置导管(102)的长度为2.6米，直径为10厘米。该光生物反应器被用来脱除进料气体混合物中的CO₂和NO_x，其中进料气体混合物包括7～15％的CO₂、150～350ppm的NO_x、2～10％的氧气，其余为N₂，总气体流量为715毫升/分钟。该生物反应器中液体介质的总体积约为10升，分配器出来的平均气泡直径约为0.3毫米。藻类(杜氏属藻类(Dunalliella))的浓度保持在约1克(干重)/升液体介质。在上述条件下，可实现90％的CO₂减少、98％和71％的NO_x(分别在光照和黑暗条件下)减少，该光生物反应器的太阳能效率约为19.6％。

通过液体介质入口/出口管150和152可方便地收集藻类、调节藻类浓度以及添加液体介质，如在对图6所示的操作光生物反应器的控制系统的说明中更详细地解释的。控制藻类的浓度对于使藻类维护在所需的生长和繁殖水平以及在导管102内实现所需的光调节效果而言都是十分重要的。正如以下将要说明的，藻类被定期或连续地加以收集，从而在操作过程中使藻类维持在所需的浓度范围之内。根据优选的方法，藻类的收集是以半连续方式进行的，就是说在给定时间内只将部分藻类从光生物反应器取出。为收集藻类，气体分配器停止工作，从而使藻类沉积在集液管110、112和导管106中。然后通过管道150和152将富含藻类的液体介质抽出。在某些实施方案中，在管线150、152中的一条管道处于开放状态时，将新鲜的、不含藻类的液体介质通过另一条管道注入，这样可将富含藻类的介质冲到光生物反应器之外，同时又向光生物反应器内补充了新鲜的介质。在任何情况下，在开始注入气体之前，将基本上等于被抽出的富含藻类介质的体积的不含藻类的新鲜介质加入到光生物反应器中。如图9中所表明的，收集的藻类中所含的水和营养成份可以被提取出来并再循环到光生物反应器的液体介质中。这样可最小化光生物反应器的废物和所用的水，从而降低对环境造成的影响和减少操作成本。

某些种类的藻类比水轻，所以倾向于浮在水面上。对于使用这种藻类的光生物反应器的实施方案而言，可以改变上述藻类收集过程，使得在气体分配器停止工作后，应使藻类有足够的时间漂浮到光生物反应器的顶部并进入到集液管114中。在这样实施方案中，液体介质的出口/入口管线(未在图中表明)应位于集液管114中，从而便于取出富含藻类的液体介质而进行收集。

在本发明的光生物反应器设备的某些实施方案中，通过至少在内表面的至少一部分上涂覆一层生物相容材料可以降低或消除藻类附着导致的透明导管的内表面上形成污垢，并清洁和再生光生物反应器的内表面，这种生物相容材料在正常操作温度(比如在到达约45℃时)下为固体，其熔化温度比其涂覆的表面的熔化温度低。优选，这样的生物相容材料还应是透明的或半透明的，这样这些材料就不会过度地降低它们所涂覆表面的透明度。适用物质的例子包括各种蜡和琼脂。在这种实施方案的一个变化中，在使用后和在再次使用前可使用蒸汽对光生物反应器进行手动或自动消毒/清洗。该消毒/清洗过程可包括熔化并除去前面所述的那层涂料，从而清除其上附着的任何藻类残余物。在再次使用之前，可涂覆新的涂层，这样可使光生物反应器的透明部分在长期的使用和再使用后保持清洁和透明。

现参照图2，图2所示的实施方案含有多个光生物反应器100(图中所示的有10个光生物反应器)，这些光生物反应器平行排列，形成了光生物反应器队列200，该队列的气体脱除能力是光生物反应器100的N倍(其中N是平行排列的光生物反应器的数量)。平行队列200表现出了本发明管式光生物反应器设备的独特优势，换句话就是，光生物反应器系统的能力随所用光生物反应器单元的数量线性放大。包括10个光生物反应器单元100的光生物反应器队列200可共享共同的气体分配器202和204，和共同的液体介质集液管/贮槽206和208，该队列占地面积可小到约1.5平方米或更低。如图中所示的，为了清楚起见，单个的光生物反应器单元100彼此之间的距离大于实际系统中通常的距离。同样，为了清楚起见，图中只表明光生物反应器中的少量气泡，并且贮槽206和208被表示为透明的，尽管在实际情况中贮槽不必是透明的，而且通常也不是透明的。应该设计贮槽206和208以最小化或消除可导致藻类沉降和死亡的停滞液体区域。在某些优选系统中，光生物反应器单元100在集液管206和208上的间隔基本上达到了最小距离，以将光生物反应器之间的集液槽内的开放空间降低到最小。可选择地，在某些实施方案中，贮槽206和208不包括简单的导管式的集液管，而是如图所示的，可以包括具有多个空腔的实体结构，这些空腔位于光生物反应器的各个导管与集液管的结合处，这些空腔促进单个光生物反应器单元的导管之间的流体连通，但防止相邻的光生物反应器之间的流体连通。

图3和图3a的所示的是光生物反应器300的另一实施方案，这一光生物反应器与前面所述的管式光生物反应器100具有相似的几何形状和性能特征，同时提供增加的平行光生物反应器队列200的气体脱除能力，同时又具有单个的整体化结构。光生物反应器设备300包括伸长的外壳302，当外壳302水平放置时，具有基本处于水平状态的纵轴304，并包括太阳能嵌板表面132，其至少部分透过波长能够驱动光合作用的光。光生物反应器300还包括位于伸长外壳302之内的伸长的内室306，内室306的纵轴与纵轴304基本上对齐(如图所示，共直线)。

伸长外壳302和伸长内室306共同限定了环形容器308，该容器的在其端部由端壁310和312密封。环形容器308提供了流动回路，可使包含于光生物反应器内的液体介质108流动(比如按箭头120所指的方向流动)，使得液体介质依次从流动回路的起始区域(如区域312)开始流动，沿伸长内室306的外周并再返回到起始区域。环形空间314、316和318形成了三个液体互连导管，类似于图1所示光生物反应器单元100的导管102、104和106。优选，弯角320、322和324有些圆形化，以避免在绕流动回路循环期间藻类细胞受到机械伤害。

在用于上面说明的内室纵轴与外壳纵轴间基本上对齐时，“基本上对齐”是指这两纵轴之间足够平行且间距很窄，使得内室和外壳沿光生物反应器的长度沿其任何表面不会发生接触或相交。在某些优选实施方案中，内室306的截面形状与外壳308的截面形状相似或基本相同，只是在尺寸上按比例缩小。内室与外壳的相对尺寸、关于彼此的相对间距和对齐，以及外壳和内室的形状和方向，所有的这些因素决定由结构形成的流体互连导管314、316和318的尺寸和间隔，所有这些因素可根据前面所述光生物反应器100的类似因素进行选择和设计。同样，光生物反应器300各个区域和部分的制造材料以及相对透明度也可以考虑前面所述光生物反应器100的公开进行选择。例如，为了清楚起见，虽然图3中除了端表面310之外的光生物反应器300的所有表面都被示为透明的，但在某些实施方案中，限定流动导管316和/或318的内表面和/或外表面可是不透明的。在某些实施方案中，只有太阳能嵌板表面132至少部分透过入射光。

使用至少一个气体气配器可利于绕光生物反应器300的流动回路建立液体介质的循环，所述气体分配器被配置以将气体流引入到环形容器的流动回路中。在所示的实施方案中，气体通过伸长的管状气体分配器321和323被引入到导管314和316中，这两个气体分配器沿光生物反应器300的长度延伸。处理的气体经气体出口管141离开光生物反应器300。

可选择光生物反应器300的长度，以提供所需的气体处理总量，光生物反应器300的长度通常只受限于光生物反应器300放置场地的形状/几何尺寸和/或单元的制造及运输方面的限制。

图4a～图4g表明的是光生物反应器100和/或光生物反应器300在其它实施方案中的各种可选形状和结构。图4a表明的是梯形结构，在示例性实施方案中，其可具有两个太阳能嵌板导管402和404，和两个黑暗导管406和408。

图4b表明的是前面所示的直角三角形光生物反应器100和300的可选三角形结构。在示例性实施方案中，导管410和412可配置为太阳能嵌板导管，而导管414作为黑暗管。

余下的图4c～图4g表明的是本发明者所想到的其它结构形式。图4e所示的结构具有分段的、非水平的、没有气体分配器的底部导管，这种结构可安装在不规则的或凸起的地形上。图4f中的实施方案表明了具有至少一个包括弯曲或弧形管和/或表面的导管的结构。

图5a～图5f表明的是前面所示光生物反应器300截面的多种可选结构。在图5a～图5f所示的每种结构中，内室的截面形状不同于外壳的截面形状，从而提供流动回路，所述流动回路具有可用于建立所需循环流动以及相应光调节特性的导管形状和尺寸。

在其它方面，本发明提供使用光生物反应器处理气体的系统和方法，包括对光生物反应器内液体流速和流动模式进行监测和控制的方法，以建立和优化光合有机体连续及交替暴露于光线和黑暗暴露的时间，由此在操作期间提供所需的或优化的光调节。已知的是，藻类过长地暴露在光线下可造成称为光抑制的生命力和生长受限，和在生长期内，藻类暴露于光线和黑暗时间时，可改善藻类的生长和生产力(光调节效应)。(见“Burlew1961”、Wu X.和Merchuk J.C.《化学工程科学》(Chem.Eng.Sci.56：3527-3538，2001)上发表的“光合作用和光抑制过程的液体力学集成模型”，56：3527-3538，2001年(此后被称为“Wu和Merchuk 2001”该文献在此通过引入被并入本文)、Merchuk J.C.等人在《生物技术和生物工程》(Biotechnology and Bioengineering)上发表的“红微藻Porphyridium生长过程中的明-暗循环(Light-dark cyclesin the growth of the red microalga Porphyridium sp.)”，59：705-713，1998、Marra J.在Mar.Biol.上发表的“浮游生物对混合层中垂直运动的光合作用响应(Phytoplankton Phosynthetic Response to VerticalMovement in A Mixed Layer)”，46：203，1978年)。如图6a所示的，本发明的某些方面提供气体处理系统，该气体处理系统含有一个或多个光生物反应器，并含有控制系统以对光生物反应器的各种环境和性能条件和/或操作参数进行控制和/或监测，并执行引发和控制光调节的方法。

参考图6a，图6a表明的是气体处理系统600，该气体处理系统包括光生物反应器100、多个监测和控制装置，以及包括计算机执行系统602的控制系统，其中监测和控制装置将在以后进行更详细的说明，和其中配置计算机执行系统602以对光生物反应器内的各种操作参数和流量进行控制，从而提供光线/黑暗暴露间隔以及频率的所需或优化水平，由此得到所需或优化的光调节水平。

在某些实施方案中，如以下在图7a和图7b的说明中所更加详细论述的，配置计算机执行系统602以通过以下控制光调节：对光生物反应器内的液体流动模式进行模拟；并根据模拟结果计算光合有机体暴露在强度足以驱动光合作用的光的暴露间隔以及暴露在黑暗或强度不足以驱动光合作用的光的暴露间隔；同时控制光生物反应器内的液体介质的流动，以得到所需的或优化的暴露间隔，提供所需的或优化的光调节。同样，正如以下将要更详细说明的，在某些实施方案中，计算机执行系统通过使用为光/黑暗暴露间隔函数的藻类的生长速度的数学模型也可以确定所需或优化的光/黑暗暴露间隔，本文将在以后对数学模型进行更详细的说明。

正如本文前面所用的，光合有机体暴露在光或黑暗条件下的“暴露间隔”是指在特定的时期(比如管式流动回路光生物反应器内的液体介质流过整个流动回路所需的时间)内暴露在这些条件下的时间长度和频率。具体而言，正如以下将详细说明的，在某些优选实施方案中，计算机执行系统602通过计算“暴露间隔”来确定：随着液体介质中的藻类围绕光生物反应器的流动回路被携带，藻类暴露在驱动光合作用所需阈值之上和之下的光强下的平均时间，以及暴露在光和黑暗时期的频率。

应该理解的是，虽然本发明当前的这一方面是通过光生物反应器100进行示范性说明的，但在其它实施方案中，本文所述的光调节控制方法和控制系统可用于本文所述的其它光生物反应器或其它常规的光生物反应器。在某些实施方案中，具有与光生物反应器相似结构的光生物反应器是优选的，这是因为光生物反应器100在太阳能嵌板管，比如管102中建立特征为环流涡旋134和/或湍动涡流的液体流动的能力，这可有效地使导管102中的藻类以相对较高的频率在光线强度足以驱动光合作用的导管区域(比如邻近表面132的)与光线强度不足以驱动光合作用远离该表面的其它导管区域之间循环。例如，根据导管102内液体介质流动和气泡流动的相对速度，可以提供大于100次循环/秒或小于1次循环/秒的光调节频率(即光暗转换频率)。发现这种在光合作用过程中的高频“闪光”效果有利于多种藻类的生长和生产力(见“Burlew1961”)。此外，在某些实施方案中，导管104和106或全部或部分不透明，以使藻类更长时间地处于黑暗下，这也可对藻类的生产力有益。

在对本发明中光生物反应器系统600的光调节控制方法和控制系统进行说明之前，本文将对光生物反应器系统中的各种传感器和控制器进行说明。使用传统的硬件或软件执行的计算机和/或电子控制系统以及各种电子传感器可以实现对光生物反应器内某些物理-化学条件的控制。

例如，在操作过程中将光生物反应器100内的液体介质的温度控制在适于或优化生产力的范围内是十分重要的。当然，操作所需的这些特定温度范围将取决于光生物反应器系统内所用藻类物种的特性。一般而言，希望液体介质的温度保持在约5℃～约45℃，更优选的情况是将温度保持在约15℃～约37℃，最理想的情况是将温度保持在约15℃～约25℃。例如，使用小球藻(chlorella algae)的光生物反应器的合适的温度操作条件可在白天将液体介质的温度控制在约30℃，在夜间约20℃。

在某些实施方案中，气体处理系统600可用一种或多种方法控制液体介质的温度。例如，可通过控制进入气体分配器122和124的待处理气体的入口温度和/或通过直接冷却光生物反应器100的辅助冷却系统，控制液体介质的温度。例如通过温度传感器604和606，可在整个光生物反应器100中的一处或多处监测液体介质的温度。分别通过温度传感器610和612可分别对从气源608进入气体分配器122和124的进料气体的温度进行监测。在某些实施方案中，来自气源608的进料气体在注入光生物反应器100之前经过换热器，比如经过图9所示的藻类干燥器912。在某些实施方案中，根据温度传感器604和606所测得的液体介质温度，计算机执行控制系统602可控制这种换热器系统，从而提高或降低进入气体分配器122和124的气体温度，并由此提高或降低液体介质的温度。

正如前面所述的以及下面将要更详细说明的，通过使用在接近藻类将暴露于的操作点的实际温度的条件下具有优化生产力的藻类，可以减少对光生物反应器系统的冷却和/或加热的需要。如前面所述，除了可以通过用换热器装置改变进料气体温度来控制液体介质温度外，在某些其它实施方案中，尤其是在炎热气候中操作光生物反应器设备时，可以使用如上所述的红外滤光器将热能阻挡在光生物反应器之外，或者使用辅助冷却系统来降低温度，比如使用一套外部喷洒器向光生物反应器的外面喷水。

通过pH值探头614可以监测液体介质的pH值。例如，对特定的藻类物种而言，通过与液体介质出入口150/或152流体连通的一个或多个注入口，可向其中可控地注入pH值调节化学品例如盐酸和氢氧化钠，将pH控制在所需的水平。

系统600还可带有各种探头和检测器来测量进入气体分配器的进料气体压力(例如压力检测器616和618)，并带有流量计来测量气体流量(620，622)，和光生物反应器流动回路中的液体主体流量(流量计624)。正如下面将要更加详细说明的，通过在光生物反应器内建立所需的液体流动模式可以对气体流量和液体流量进行控制，这样至少部分地促进所需的或优化的光调节。决定进入光生物反应器100总气体流动的第二个控制因素是所需的通过光生物反应器脱除污染物的程度，比如CO₂和/或NO_x。例如，如图所示的系统600包括合适的气体组成监测装置626和628，以分别监测进料气体和处理气体中各种气体的浓度，比如CO₂、NO_x、O₂等。可以调节或控制气体进入流量和/或到分配器的分布，以通过光生物反应器系统得到所需的脱除污染物的水平。

正如前面所述的，为了保持光生物反应器内的藻类浓度在适于长期操作和生产的范围内，有必要收集至少部分藻类，并向光生物反应器内补充新鲜的、不含藻类的介质，以调节光生物反应器内的藻类浓度。如图6b所示的，在生长条件下，藻类的浓度(y轴)将随时间呈指数增长至某一点629，之后，藻类浓度的增长将趋于平缓，藻类的繁殖和生长有所下降。在某些优选实施方案中，光生物反应器内藻类的浓度维持在操作范围630之内，该操作范围邻近藻类仍log方式增长的浓度上限。如本领域技术人员可以理解的，给定种类的藻类的特定生长曲线对不同的种类是不同的，即使对同一种藻类而言，在不同的操作条件和环境因素(比如液体介质组成、生长温度、进料气组成等)下，藻类的生长曲线也是不同的。正如下面将要更加详细说明的，在某些实施方案中，本发明教导了使用预调节或预适应藻类的光生物反应器系统的应用，其中的藻类针对本发明中光生物反应器气体处理系统中的预期的操作条件下的生长进行了优化。在任何情况下，应配置光生物反应器控制系统602以保持的合适的藻类浓度范围，应针对具体应用通过常规的试验和优化确定。这些常规试验和优化过程可在试验室规模光生物反应器系统中或在自动化细胞培养控制系统中进行，这一点将在以下进行更详细地说明。

如前面所述的，一旦确定了所需的藻类浓度范围，可以配置控制系统602以通过测定液体介质内的藻类浓度、收集藻类以及向系统中补充新鲜的液体介质而将藻类浓度控制该范围之内，其中本文之前已详细说明了藻类的收集过程。为了确定光生物反应器内藻类的浓度，可提供浊度仪和/或分光光度计632(或其它适用的光密度或光吸收测量装置)。例如，分光光度计可用来连续地测定液体介质的光密度，并根据如“Hiroyasu等人1998”所述的标准方法将光密度转化成藻类浓度。

一般而言，如果需要的话，为维持养分水平和控制pH值及其它因素的化学品可直接自动地加入到光生物反应器内的液相中。也可以配置计算机执行控制系统602以通过控制与光生物反应器相连或在其内的换热器系统或热控制系统来控制光生物反应器内液相的温度，或在可选的实施方案中，从光生物反应器中取出液体介质并使其通过例如在温控水浴(未在图中表明)中的换热器。

正如前面所述的，光生物反应器气体处理系统600的某些优选实施方案中包括计算机执行的控制系统602，配置该控制系统602以对光生物反应器100内的液体流动模式进行控制，从而实现所需的光调节特性，并由此提供所需的藻类平均生长速度，例如可达到的最大平均生长速度。在某些实施方案中，光调节控制系统和方法使用两种数学模型来确定优化光调节所需的或优化的液体流动模式。第一数学模型包括作为暴露在光暗条件下的暴露顺序和间隔的函数模拟藻类的生长速度；第二数学模型包括作为系统结构和几何形状以及液体介质的流量的函数模拟光生物反应器内液体流动模式(对于液体的流动由注入气体所驱动的系统而言，为气体注入光生物反应器的速度)。图7a和图7b概述了使用计算机执行控制系统602执行上述光调节控制方案多种可行方法中的两种。

关于上述被计算机执行控制系统602用来优化光调节的数学模型，在某些实施方案中，将暴露在光/暗条件下的暴露间隔(光调节)与平均生长速度关联起来的第一种数学模型可以基于文献中所提出的数学模型(见“Wu和Merchuk 2001”)。该数学模型基于藻类细胞中的光合作用过程分成三种基本模式的假设：(1)活性；(2)休息；(3)光抑制。藻类在上述三种模式中每一状态下的数量份分别用X₁、X₂和X₃表示(其中X₁+X₂+X₃＝1)。

该数学模型认为，在正常条件下，活性的藻类培养物达到光饱和，转化为光抑制，为了优化生产力，必需以预定的间隔休息。在光抑制和休息模式下，藻类不能利用光固定碳。因此，在光抑制和休息期间暴露于光基本上是浪费的，因为其不能用于光合作用和固碳，实际上对培养物的生命力是有害的。所述的数学模型提供了一系列基于时间的微分方程，这些微分方程描述了藻类培养物在活性、休息以及光抑制模式间进行转换的动态过程：

$\frac{{\mathrm{dX}}_1}{\mathrm{dt}}={-\mathrm{\αIX}}_1+\mathrm{\γ}{X}_2+{\mathrm{\δX}}_3$ 方程1

$\frac{{\mathrm{dX}}_2}{\mathrm{dt}}={\mathrm{\αIX}}_1-{\mathrm{\γX}}_2{-\mathrm{\βIX}}_2$ 方程2

$\frac{{\mathrm{dX}}_3}{\mathrm{dt}}-=\mathrm{\βI}{X}_2-{\mathrm{\δ\χ}}_3$ 方程3

而X₁+X₂+X₃＝1       方程4

和，μ＝K^γX₂-Me    方程5

在这些方程中，α是将藻类培养物从X₁部分转变成X₂部分的光子利用的速度常数，β是从X₂部分转化X₃部分的速度常数，γ是从X₂模式转化成X₁模式的速度常数，δ是从X₃转化成X₁的速度常数，μ是特定生长速度，Me是维持系数，k是从X₂转化成X₁的光合生产的无量纲产率。

在诸如光生物反应器100的光生物反应器设备中，光照强度I是时间的复合函数，该光照强度取决于液体动力学、暴露的光强以及光生物反应器100内的藻类浓度。

如以下将要更加详细说明的，通过使用光生物反应器内流体动力学的摸拟，可以确定作为时间函数的光照强度(即当藻类流过光生物反应器时照射强度的时间历史)。一旦确定该参数，和一旦确定常数α、β、γ、δ和Me，则对于给定的绕流动回路的光照历史，可以确定特定生长速度μ。使用解微分方程各种数值方法，可以求出上述微分方程的解。这些数值解法可通过解方程软件易于进行，其中的解方程软件可通过普通商业渠道购买或由应用数学的普通技术人员容易地编写。

虽然可以通过在实际生产规模的光生物反应器100中进行受控试验，并通过模型与试验数据的拟合来确定上述数学模型中的各项常数，但在某些实施方案中，为了简便和准确，还是希望使用试验室规模的光生物反应器系统来精确地直接控制培养物的参数，比如暴露间隔、频率以及光照强度。例如，对于其中藻类培养物在整个培养过程中暴露在强度基本相同的光下，并暴露基本相同的光/暗暴露循环(即其中连续的光/黑暗暴露循环基本上是相同的)的光生物反应器系统而言，那么可能得到上述方程的准稳态解析解(见“Wu和Merchuk 2001”)。

例如，这些实验型光生物反应器系统可包括自动化细胞培养系统中的微型光生物反应器，其中藻类细胞在微型光生物反应器中规则恒定的频率暴露在以精确控制的光和黑暗暴露间隔。可选地，可以使用实验规模的薄膜型管式回路反应器，其具有可提供确切可重复的光/暗暴露比的流体流动，如Wu和Merchuk 2001中公开的。在这些准稳态条件下，一个循环中的平均特定生长速度由以下方程得到(见“Wu和Merchuk2001”)

$\stackrel{\_}{u}=\frac{\mathrm{k\γ}}{t_c}{{{\∫}_0}^{\mathrm{tc}}X}_2\left(t\right)\mathrm{dt}-\mathrm{Me}$

$=\frac{\mathrm{k\γ}}{t_c}[{{\∫}_0}^{\mathrm{tc}}{X}_{2,}l\left(t\right)\mathrm{dt}+{S_{t1}}^{\mathrm{tc}}{X}_{2,}d\left(t\right)\mathrm{dt}]-\mathrm{Me}$

$=\frac{\mathrm{k\γ}}{t_c}[\frac{c}{b}\mathrm{te}+\frac{c_1}{A}(s-1)+\frac{c_2}{B}(n-1)+(\frac{c}{b}+c_{1}s+c_{2}n)\frac{u-1}{\mathrm{u\γ}}]-\mathrm{Me}$ 方程6

其中a＝αI+βI+γ+δ、b＝αβI²+δγ+αIβ+βIδ、c＝αIδ，和

$A=-\frac{a+\sqrt{a^2-4b}}{2},$ $B=-\frac{a-\sqrt{a^2-4b}}{2}.$

$C_1=-\frac{\mathrm{BC}(u-1)(n-v)+\mathrm{aIb}(n-u)(v-1)+c(\mathrm{aI}+\mathrm{\βI}+\mathrm{\γ})(n-1)(u-v)}{b[B(s-u)(n-V)-A(n-u)(s-v)+(\mathrm{aI}+\mathrm{\βI}+\mathrm{\γ})(s-n)(u-v)]}$

$C_2=-\frac{\mathrm{AC}(u-1)(s-v)+\mathrm{aIb}(s-u)(v-1)+c(\mathrm{aI}+\mathrm{\βI}+v)(s-1)(u-v)}{b[B(s-u)(n-v)-A(n-u)(s-v)+(\mathrm{aI}+\mathrm{\βI}+v)(s-n)(u-v)]}$

其中S＝e^At1、n＝e^Bt2、u＝e^vtd、v＝e^δtd。

在这些方程中，t是时间，t₁是循环过程中藻类暴露在其强度能够驱动光合作用的光下的时间，t_d是循环过程中藻类暴露在黑暗或强度不足以驱动光合作用的光线下的时间，t_c是总的循环时间(即t₁+t_d)。

说明解析的上述方程可以曲线拟合到作为时间的函数的藻类生长速度试验数据，从而确定各常数的值(如“Wu和Merchuk 2001”所记载的)。例如，使用上述方法，“Wu和Merchuk 2001”确定了海洋红藻Porphyridium SP(UTEX637)培养中方程1～5中的下列常数值为：

表1-可调整的参数值和具有95％可信度的暴露间隔

参数	数值	95％可信度的暴露间隔
			α	0.001935μEm<sup>-2</sup>	-0.00189-0.00576
β	5.7848X10<sup>-7</sup>μEm<sup>-2</sup>	-0.000343-0.00034
			γ	0.1460S<sup>-1</sup>	-0.133-0.425
δ	0.0004796S<sup>-1</sup>	-0.284-0.285
			k	0.0003647(无量	-0.000531-0.00126

	纲)
			Me	0.05908h<sup>-1</sup>	-0.0126-0.131

计算机执行控制系统602使用数学模型来确定光生物反应器内的液体流动模式，这一液体流动模式是液体流量和/或气体注入总流量在分配器122和124之间分配的函数，该数学模型可包括可通过商业渠道购买的Computational Fluid Dynamics(CFD)软件包，比如FLUENT^TM、或FIDAP^TM(Fluent Incorporated，Lebanon，NH)、或其它已知的软件包，或定制的软件程序，其提供Navier-Stokes运动方程的三维解(见Doering Charles R.和J.D.Gibbon所著的Applied Analysis of theNavier-Stokes Equations of Motion，剑桥大学出版社，2001年出版，该文献在此通过引证被并入本文)。流体力学领域和流体动力学计算领域中的普通技术人员可以很容易地设计出这样的流体流动模拟，和单独地或与计算机编程领域的普通技术人员联合可编制出执行这些模拟的软件。在这些模拟中，可以使用有限元数学方法，并且可以使用各种容易得到的通用目的或流体流动特定的有限元软件包执行这种计算(例如可从宾西法尼亚州匹斯堡的ALGOR公司得到一个或多个这样的软件包(例如ALGOR公司的“Professional Fluid Flow”软件包))。

图6a所示的光生物反应器系统600中使用了光生物反应器100，CFD模拟由计算机执行控制系统602执行，优选，该模拟过程可以确定藻类在绕流动回路的每次流动(即在由光生物反应器100的导管106、104和102构成的流动路线中流动时，藻类所进行的每次循环)中藻类暴露在光线及黑暗下的时间和频率(即光调节模式)。在某些优选实施方案中，CFD模型可解释光生物反应器的物理几何形状以及各个流动起点和流动减小，从而确定光生物反应器100的三个导管中每个导管内液体介质的主体流动和液体流动模式。可以选用中等密度至高密度的有限元网格间距(grid spacing)来确定和解析处于藻类级别的流体流线，例如确定10个藻类细胞直径级别的流体流线。CFD模拟的结果是所希望的流线，该流线表明了藻类细胞在流体驱动下进入或离开光和黑暗区域以及光生物反应器的路线。根据这些流线可以确定藻类在流过流动回路过程中从暴露在从光亮到黑暗的时间和频率，并且上述的细胞生长/光调节模型可利用该光亮相对于时间的关系，以绕流动回路的平均生长速度。

如果需要，可以对光生物反应器中实际流动的轨迹进行观察研究，从而对CFD模拟结果进行实验验证。这些研究过程可采用模拟藻类细胞的悬浮微球进行。在某一具体实施方案中，可配置并安置激光以形成穿过光生物反应器活跃区域(即导管102)的纵向干涉光束。可使该激光照亮平面的位置代表“光”和“黑暗”区域之间的界面。可以调节其位置以表示导管中各种希望的光-黑暗过渡深度，所述导管是在光生物反应器操作期间可存在的藻类深度和照亮强度范围内希望的。在一个实施方案中，清洁的二氧化硅和荧光微球(可从加州Palo Alto的DukeScientific Corporation购买)可用作为藻类粒子的模型。应对应于希望在光生物反应器中使用的藻类的特定株，选择微球的直径和密度。当荧光微球穿过激光面时，这些微球会散射激光束，并形成可检测的“闪光”。安置摄像机以记录下这些闪光，闪光之间的时间可用来测定粒子在两个区域(即见光亮区和黑暗区)的每一个中停留的时间。如果需要得到各个荧光微球在照亮导管横截面中实际位置的更详细信息，还可建立第二个激光面，以可视化对与上述纵向光束垂直的表面内的流动。

现在参考图7a和图7b，说明两种可替换的控制和优化光生物反应器系统600内光调节的计算及控制方法。这两种方法相似，不同之处主要在于收敛所用的计算参数不同(即图7a中方法使用的光亮/黑暗暴露间隔，和图7b中方法使用的预计生长速度)。

现在参考图7a，其中公开了在气体处理系统的光生物反应器中建立和控制光调节的实施方案。初始步骤702是任选的模型拟合步骤，如上所述，该步骤可以使用中试级或微型自动化细胞培养和测试系统以离线方式进行。任选的步骤702包括根据前面以及“Wu和Merchuk 2001”所述的，通过将模型方程拟合到相对于光亮/黑暗暴露间隔的试验生长速度数据，确定各个可调节参数的适当值，所述可调节参数包括生长速度/上述光调节数学模型常数。

在步骤704中，例如使用分光光度计632，对光生物反应器100内的细胞浓度进行测量。在步骤706中，使用光强度测量装置(比如光度计)633对入射到活性导管102上的光强度进行测量。在步骤708中，根据已知的标准方法(比如“Burlew1961”中所述的)，可将测量的细胞浓度和照亮强度一起用于计算光线在管状导管102中的穿透深度。

在步骤710中，进行数学计算，以由生长速率/光调节数学模型计算：达到所需的平均生长速度例如可得到的最大生长速度(即，系统给定的不可调节的操作限制)所需的预定光亮/黑暗暴露间隔(光亮/黑暗暴露的时间以及频率)。

在步骤712中，计算机执行控制系统602对液体介质的流动进行模拟(比如CFD模拟)，并针对特定的气体总流量和气体在分配器122和124之间的流量分布确定光生物反应器内的流线和流动模式。根据模拟，可以确定藻类在绕流动回路流动时实际的光亮/黑暗暴露间隔和藻类的光调节。该控制系统通过确定藻类何时处于导管内与光照表面132的距离不超过在步骤708确定的光线穿透深度的区域内而确定液体介质内的藻类物质何时暴露在光线之下，其中在所述区域中藻类会暴露在强度高于足以驱动光合作用的光下(即，大于使得藻类处于如上所述的生长/光调节模型的“活性”光合模式所需的)。使用研究光生物反应器模型系统中藻类生长与光线强度之间关系的常规实验可以确定某一特定类型的藻类或藻类混合物的活性光合作用所需的准确的光线强度和相应的穿透深度。

在步骤714中，得到所需平均生长速度所需的在步骤710中确定的暴露间隔和光调节特性与如步骤712所确定的在光生物反应器中主要的实际的光亮/黑暗暴露间隔和光调节特性进行比较。然后以不同的气体流量和不同的气体流量分布重复进行步骤712，直至步骤710和步骤712所确定的暴露间隔之差最小化，且模拟收敛。

在这点上，在步骤716中，计算机执行控制系统602通过例如调节气体流量以及气体在分配器122、124之间的分布来调节和控制光生物反应器内的液体流量和液体流动模式(比如环流涡旋)，以与步骤714中所确定的优化值匹配。

图7b所示的可替换的光调节确定和控制方法与图7a所示的方法相似，除了不是将CFD和生长速度/光调节数学模型收敛于计算的光亮/黑暗暴露间隔，而是配置所述系统以进行模拟从而确定达到所需的预定生长速度(即由生长速度/调节模型)所需的流动参数。

步骤702、704、706、708、712和716基本上可以按图7a所示方法相同地执行。然而，在当前的方法中，由步骤712的CFD模拟所确定的实际光亮/黑暗暴露间隔和光调节数据随后在步骤710’使用，以利用生长速度/光调节数学模型计算预计平均生长速度，该生长速度会源自于这种光亮/黑暗暴露特性。然后使用不同的气体流量和不同的气体分布重复进行步骤712，并在步骤710中确定新的预计平均生长速度。配置该计算步骤以调节712中的值，从而在步骤714中收敛于如步骤710’所确定的所需平均生长速度，例如可达到的最大生长速度。一旦确定可以导致这种所需预计生长速度的气体流量和气体分布，那么计算机执行控制系统602将这些气体流量和气体分布应用于光生物反应器，从而在步骤716的系统中引起所需的液体流体力学。

应该理解的是，上述光调节控制方法和系统可以有利地在建立优化光调节效果的条件下使光生物反应器进行自动操作。有利地，可以配置该系统以连续地从各个传感器接收输入，并执行上述的方法，从而以基本实时的方式(即与系统计算同步的方式)对光调节进行优化。这样可使系统对可以改变系统内光调节性质和程度的环境条件的变化做出快速、稳定的响应。例如，在某一具体的实施方案中和在一示例性的情况下，计算机执行控制系统602可以快速、适当地调节气体的流量和分布，并由此调节光生物反应器内液体的流动模式和光调节，从而对光照的瞬间变化能够快速地做出响应，比如在光生物反应器系统操作期间内瞬间通过云的遮盖。

上述的计算方法、步骤、模拟、算法、系统以及系统单元可通过计算机执行系统加以实现，比如通过下述计算机执行系统的各种实施方案。上述的方法、步骤、系统以及系统单元并不将其执行局限于本文所述的特定计算机系统，这是因为可是使用许多其它的机械系统。

该计算机执行系统可以是光生物反应器的一部分，或在操作上与光生物反应器相连，在某些实施方案中，如上所述，配置和/或编程该计算机执行系统以调节和控制光生物反应器的操作参数，并分析和计算值。在某些实施方案中，该计算机执行系统可以发送和接收控制信号，从而设定和/或控制光生物反应器和任选的其它系统设备的操作参数。在其它实施方案中，计算机执行系统可以与光生物反应器相互分开和/或位于远离光生物反应器的地方，并可以被配置以通过间接的和/或便携式装备从一个或多个远程光生物反应器设备接收数据，比如通过诸如磁盘的便携式电子数据存储装置或通过诸如互连网或局域网的计算机网络通讯来接收数据。

参考图6a，计算机执行控制系统602可包括几种已知的元件和电路，其中包括处理器单元(即处理器)、存储系统、输入输出装置及接口(比如互连装置)以及其它元件，比如传递电路(比如一条或多条母线)、视频及音频数据输入/输出子系统、专用硬件以及其它元件和电路，如以下更详细说明的。此外，该计算机控制系统可以是多处理器计算机系统或可以包括通过计算机网络相连的多个计算机。

计算机执行控制系统602可包括处理器，例如通过商业渠道可购买到的处理器，比如X86系列处理器、英特尔公司生产的Celeron和奔腾处理器、AMD和Cyrix公司生产的类似处理器、摩托罗拉公司生产的680X0系列微处理器以及IBM公司生产的PowerPC微处理器。众多其它的处理器也是可用的，该计算机控制系统并不局限于特定的处理器。

处理器通常执行称为操作系统的程序，例如WindowsNT、Windows95、Windows98、UNIX、Linux、DOS、VMS、MacOS以及OS8，操作系统控制其它计算程序的执行，并提供调度、故障排除、输入/输出控制、统计、编译、存储分配、数据管理及存储器管理、通讯控制及相关的功能。处理器和操作系统共同形成了计算机平台，对其编写高级编程语言的应用程序。计算机执行控制系统602并不局限于特定的计算机平台。

计算机执行控制系统602可包括存储系统，存储系统通常包括计算机可读和可写的非易失性记录介质，例如磁盘、光盘、闪存和磁带。这样的记录介质是可以移动的介质，比如是软盘、读/写CD、存储棒，或也可以是永久性的介质，例如是硬盘驱动器。

这样的记录介质通常以二进制形式(即被翻译成1和0序列的形式)存储信号。记录介质盘(比如磁盘或光盘)具有多个记录道，这种信号通常以二进制形式存储在记录道上，即以一种被翻译1和0序列的形式。这些信号可定义微处理器所要执行的软件程序，比如应用程序；或者这些信号定义由应用程序处理的信息。

计算机执行控制系统602中的存储系统还可包括集成电路存储元件，这些集成电路存储元件通常是易失性、随机访问存储元件，例如动态随机访问存储器(DRAM)或静态存储器(SRAM)。一般而言，在操作过程中，处理器会使程序和数据从非易失性记录介质中读取到集成电路存储元件中，与非易失性记录介质相比，集成电路存储单元一般可使处理器更快速地访问程序指令和数据。

处理器一般根据程序指令处理在集成电路存储元件中的数据，然后在处理过程完成后将处理过的数据复制到非易失性记录介质上。有多种已知的机制可对非易失记录介质与集成电路存储单元间的数据移动进行管理，上述关于图6a、图7a和图7b说明的执行这些方法、步骤、系统和系统元素的计算机执行控制系统602并不局限于此。计算机执行控制系统602并不局限于特定的存储系统。

前面所述存储系统的至少一部分可被用来存储一种或多种数据结构(比如查找表)或前面所述的方程。例如，至少一部分非易失性记录介质将存储至少一部分数据库，该数据库包括一种或多种这样的数据结构。该数据库可以是任何类型的数据库，比如是包括一个或多个平面文件(fiat-file)数据结构的文件系统，其中数据被组织成由定界符隔开的数据单元，其中数据被组织成存储于表格中的数据单元的关系数据库，其中数据被组织于存储为对象的数据单元的面向对象数据库，其它类型的数据库，或者其组合。

计算机执行控制系统602可包括视频和音频数据I/O子系统。该子系统的音频部分可包括模-数(A/D)转换器，该转换器接收模拟音频信息并将其转化成数字信息。可使用已知的压缩系统对这些数字信息进行压缩，将这些数字信息存储在硬盘上以便在其它时间使用。该I/O子系统的典型的视频部分可包括本领域已知的多种视频图像压缩器/解压器。这些压缩器/解压器将模拟视频信息转化成压缩的数字信息，反之亦然。这些压缩的数字信息可存储在硬盘上以便在以后的时间使用。

计算机执行控制系统602可包括一个或多个输出设备。示例性输出设备包括阴极射线管(CRT)显示器603、液晶显示器(LCD)和其它视频输出设备、打印机、诸如调制解调器或网络接口的通讯设备、诸如记录盘和磁带的存储设备以及诸如扬声器的音频输出设备。

计算机执行控制系统602还可包括一个或多个输入设备。示例性输入设备包括键盘、小键盘、跟踪球、鼠标、笔和输入板(pen and tablet)、前面所述的通讯设备、以及诸如音频和视频记录设备和传感器的数据输入设备。计算机执行控制系统602并不局限于本文所述的特定输入设备或输出设备。

计算机执行控制系统602可包括经过特定编程的专用硬件，例如专用集成电路(ASIC)。可以配置这些专用硬件以执行一种或多种前面所述的方法、步骤、模拟、算法、系统以及系统元素。

计算机执行控制系统602及其元件可使用一种或多种适合的计算机编程语言进行编程。这些语言可包括过程化编程语言比如C语言、Pascal语言、Fortran语言和BASIC语言，面向对象的编程语言比如C⁺⁺语言、Java语言和Eiffel语言，以及其它语言比如是脚本语言或甚至汇编语言。

这些方法、步骤、模拟、算法、系统和系统元素可使任何适合的编程语言实现，包括过程化编程语言、面向对象的编程语言、其它语言以及其组合，这些编程语言可被这种计算机控制系统执行。这些方法、步骤、模拟、算法、系统和系统元素可作为独立的计算机程序模块执行，或者作为单独的计算机程序独立地执行。这此模块和程序可在不同的计算机上执行。

上述的方法、步骤、模拟、算法、系统和系统元素可以在软件、硬件或固件中、或这三种的任意组合中，作为如上所述的计算机执行控制系统的一部分、或者作为独立的构件执行。

这些方法、步骤、模拟、算法、系统和系统元素可以单独或共同作为计算机程序产品而执行，所述计算机程序产品作为计算机可读介质上的计算机可读信号而有形地具体化，所述计算机可读介质比如为非易失性记录介质、集成电路存储单元或这其组合。对于每一种这样的方法、步骤、模拟、算法、系统或系统元素而言，这样的计算机程序产品可包括在计算机可读介质上有形的具体化的计算机可读信号，例如这些信号将指令定义为一个或多个程序的一部分，结果当计算机执行这些程序时，会指示计算机执行所述方法、步骤、模拟、算法、系统或系统元素。

在另一组实施方案中，本发明还提供针对在使用期间在全规模光生物反应器中预期经受的特定环境和操作条件，预适应和预调节藻类或其它光合有机体的方法。正如前面所述的，通过使用天然的藻类株和物种或对光生物反应器系统所用的条件和地点十分适应的藻类株和物种，可以提高从气体流中脱除CO₂、NO_x和/或其它污染物组分的光生物反应器系统中所用藻类的生产力和长期可靠性。

正如本领域所知的(见例如Morita M.、Y.Watanabe以及H.Saiki在Trans IchemE(79期，C部分，2001年9月)上发表的“Instructionof Microalgal Biomass Production for Practically Higher PhotosyntheticPerformance Using a Photobioreactor”)，已经处于某一特定条件下并在该条件下增殖的藻类可以在类似的条件下具有更好的适应性，并适于长期生长和生产。本发明提供对藻类进行可重复生产地和可预期的预调节和预适应藻类培养物，以在一组特定的操作条件下提高它们的长期存活性和生产力，并防止接种这种藻类的光生物反应器随时间推移具有污染并优于光生物反应器中的藻类培养物的其它不希望的藻类株。

在许多当前的光生物反应器系统中，在未经过严格消毒以及未与外界环境隔离的光生物反应器中，所选用的所需藻类株很难存活。造成这一问题的原因是这种光生物反应器所用的藻类株没有完全适应所用条件或没有在所用条件下得到优化，而环境中的其它本地藻类株更适于针对当地环境进行调节，以至于如果它们能污染光生物反应器，则这些特有藻类株将占优势并最终取代所需的藻类。通过以下所述的本发明的适应法则可以缓解和/或消除这些现象。使用该法则以及由该法则所生成的藻类株不仅可以提高藻类培养物在实际光生物反应器系统中的生产力和寿命，从而降低投资和操作成本，而且还由于分别在操作前省去了消毒以及使光生物反应器系统与环境隔离的过程而降低了操作费用。

图8表明了这种藻类适应及预调节方法的一个示例性实施方案。开始在步骤802中，选择一种或多种藻类物种，这些藻类物种被认为至少可以与光生物反应器具体安装地点所预期的环境条件相容，优选，很好地适用于光生物反应器具体安装地点所预期的环境条件。在步骤804中，在中试级或微型光生物反应器系统中，含有来自步骤802的藻类物种的藻类培养物暴露在一组受控的环境、介质、生长等条件下，特定选择这组受控条件以模拟藻类在操作期间在光生物反应器中所暴露的条件。在步骤806，藻类培养物在所选的模拟条件下生长和增殖足够长的时间，以使得发生藻类的多代自然选择和适应。根据所选的藻类物种，该时间可从几天到几星期，到长达几个月。在适应过程结束时，在步骤808收获已适应的藻类，并提供给光生物反应器系统的操作人员，从而用所述藻类接种光生物反应器，以对光生物反应器进行种植。

在某些实施方案中，在适应步骤804所用的中试级光生物反应器可以与确定前面所述生长/光调节数学模型中的模型常数所用的那些相似或相同。例如，可以使用“Wu和Merchuk 2001”中所述的小容量薄膜管式光生物反应器。

在特别优选的实施方案中，步骤804是使用现有的或特制的自动化细胞培养和测试系统进行和实现的，优选使用可以作为光生物反应器操作的多个精确控制的微型生物反应器，从而能用系统对藻类培养物进行精确的多参数控制和优化。本文中所用的“自动化细胞培养和测试系统”是指具有至少一个光生物反应器的装置或设备，其能控制和监测至少一项环境和操作参数，优选多项环境和操作参数。特别优选的自动化细胞培养和测试系统具有至少一个更优选多个光生物反应器，其中光生物反应器的培养体积为1毫升～约1升。如所提供的或经过适当修改后可能适用的自动化细胞培养和测试系统是可得到的，并记载于例如：(Vunjak-Novakovic G.de Luis J.，Searbg N.，Freed L.E.在Ann.NYAcademy of Science上发表的“Microgravity Studies of Cells andTissues”(特邀部分，正在出版)；Searbg N.D.，J.Vandendriesche，L.Sun，L.Kundakovic，C.Preda，I.Berzin以及G.Vunjak-Novakovic在ICES Proceeding上发表的“Space Life Support From the CellularPerspective”一文(2001年提交，此后称为“Searbg等人2001”)；5,424,209号美国专利；5,612,188号美国专利；2003/0040104号美国专利申请；2002/0146817号美国专利申请；以及WO01/68257号国际专利申请，上述专利和出版物以及“Searbg等人2001”在此通过引用被并入本文)。

在某些优选结构中，这种自动化细胞培养及测试系统包括计算机过程控制和监测系统，该系统可对诸如温度、光暴露间隔和频率、养分含量水平、养分流动和混合等生长条件进行监测和调整。某些实施方案还具有在线视频显微观察和自动采样功能。这种自动化细胞培养和测试系统通过对各种生长参数进行自主控制而对藻类系统进行多维的适应和优化。

在一具体实施方案中，正如前面所述的，配置自动化细胞培养和测试系统以使藻类培养物暴露在预期的条件下：液体介质组成；液体介质温度；液体介质温度波动幅度、频率和暴露间隔；pH值；pH值波动；光线强度；光线强度的变化；光亮和黑暗暴露时间以及光亮/黑暗转换频率和模式；进料气体组成；进料气体组成变化；进料气体温度；进料气体温度波动；以及其它因素。

在一个示例性实施方案中，利用穿过变速遮光轮而照射到自动化细胞培养和测试系统的微型光生物反应器以得到适当的光调节频率和光亮/黑暗时间的光源，模拟了光生物反应器中光照部分的湍动涡流和/或环流涡旋所建立的高频率光亮/黑暗循环光调节过程，其中变速遮光轮上装有可互换具有机械加工狭缝的盘。在一个实例中，模拟每秒1次循环、10次循环以及100次循环的光调节光亮/黑暗间隔频率。正如前面所述的，每个适应步骤806应该经历足够长的时间，以发生多代适应。在其中预适应杜氏属藻类的特定实施方案中，每次适应步骤806进行至少3天以发生多代适应。

图9表明的是进行集成燃烧方法的集成系统，其中燃烧气体用光生物反应器系统进行处理，以用生物反应器系统减少污染物并生产生物质，所述生物质可用作燃烧装置的燃料。可以有利地利用集成系统900以降低燃烧设备排放到大气中的污染物的水平，以及在某些实施方案中降低燃烧设备燃烧的诸如煤炭、石油、天然气等的化石燃料的量。这样的系统能有利地用来处理燃烧装置排放出的气体，比如燃烧化石燃料(例如煤炭、石油和天然气)的发电厂、工业焚烧装置、工业炉和加热器、内燃机等。在某些实施方案中，集成的气体处理/生物质生产系统900可显著地降低燃烧装置对化石燃料的总体需求，同时，该系统还可显著地降低作为环境污染物排放的CO₂和/或NO_x的量。

集成系统900包括一个或多个光生物反应器或光生物反应器队列902、904和906。在某些实施方案中，这些光生物反应器与图1、图2、和图6a或图3和图3a所示的光生物反应器在设计和结构上可以是相似的或相同的。在可替换的实施方案中，可使用本发明其它实施方案的光生物反应器或可使用传统的光生物反应器。除了系统900使用本发明中光生物反应器的实施方案外(在这些实施方案中，光生物反应器是本发明的光生物反应器，而不是传统的光生物反应器)，图9所示的单元操作可以是传统的设计，或是传统设计的直接适应或扩展，和化学工程领域中的普通技术人员使用常规的工程和设计原理就可以选择和设计的。

在所示的示例性系统中，可以选择的是，发电厂设备908产生的高温烟道气任选地在压缩机910中压缩，并穿过包括干燥器912的换热器，换热器的功能将在下面进行说明。配置换热器912，并是可以控制的，以将高温烟道气冷却到注入光生物反应器队列902、904和906所需的温度。这些气体在穿过光生物反应器的过程中被藻类或其它光合有机体处理，从而脱除气体中的一种或多种污染物，比如CO₂和/或NO_x。在一个实施方案中，含有浓度低于烟道气的CO₂和/或NO_x的处理气体，经气体出口914、916和918排入大气。

正如前面所述的，光生物反应器中所含的藻类或其它光合有机体可以将烟道气中的CO₂用于自身的生长和增殖，从而生成生物质。正如前面所述的，为了在光生物反应器中维持优化的藻类或其它光合有机体的水平，这些比如以湿藻类的形式的生物质将定期地通过液体介质出口管921、922和924从光生物反应器中取出。

由此湿藻类被送入干燥器912，正如前面所述的，高温烟道气也进入干燥器912。在干燥器中，高温烟道气被用来将湿藻类中的至少一部分水分蒸发掉，从而产生干燥的藻类生物质，这些干燥的生物质通过管926取出。在某些实施方案中，除了干燥藻类并冷却进入光生物反应器之前的烟道气体流之外，干燥器912还有利地用于对烟道气体流进行加湿，从而降低气体流中的微粒水平。由于微粒是光生物反应器的潜在污染物和\或能够造成光生物反应器内气体分配器的阻塞，所以在进入光生物反应器之前除去微粒是有益的。

从进入干燥器912的湿藻类中脱除下来的水分通过管928进入冷凝器930，以产生可用于制备光生物反应器新鲜液体介质的水。在所示的实施方案中，从冷凝器930所回收的水(在A中)在任选地经过过滤而除去在干燥器912中所积累的颗粒物质后，或经其它处理而除掉可能的污染物后，可通过水泵932将其输送到介质储罐934，该储罐中的物料构成了光生物反应器的液体介质。

从干燥器912中取出的干燥生物质可直接用作设备908中燃料装置的固体燃料和/或被转化成燃料级油品(比如“生物柴油”)和/或可燃性有机燃料气。用于制造油品或生产燃料气的藻类生物质可在热解过程和/或热化学液化过程中分解，以从藻类生产油品和/或可燃性气体。从藻类生物质生产燃料级油品和燃料气的这些方法是本领域中所共知的(例如见Dote、Yutaka在Fuel.上发表的“Recovery of liquid fuel fromhydrocarbon rich microalgae by thermochemical liquefaction”(73：第12期，1994年)；Ben-Zion Ginzburg的“Liquid Fuel(Oil)FromHalophilic Algae：A renewable Source of Non-Polluting Energy，Renewable Energy”第三期，第2/3号，249-252页，1993年；BenemannJohn R.和Oswald William J的“Final report to the DOE：System anEconomic Analysis of Microalgae Ponds for Conversion of CO2 toBiomass”，DOE/PC/93204-T5，1996年3月；和“Sheehan等人1998”，以上文献在此通过引用被并入本文)。

在某些实施方案中，尤其是涉及按照规定要求经过光生物反应器处理的气体需要经某一特定高度的烟囱释放到大气中(即不能按以前所述的将处理后的气体直接排放到大气中)的燃烧装备的实施方案中，处理的气体流936可注入到烟囱938的底部，以排放到大气中。在某些实施方案中，处理的气体流936的温度不足以使其有效地排出烟囱938。在这样的实施方案中，经冷却处理的烟道气936可穿过换热器940，以在进入烟囱前将气体流温度升高到适当的水平。在一个这样的实施方案中，经过冷却和处理的烟道气体流936在换热器940中通过燃烧装置所释放出的高温烟道气加热，所述高温烟道气作为热源进料于换热器940。

正如从以上说明显而易见的，集成的光生物反应器气体处理系统900可以提供基于生物技术的空气污染控制，并为燃烧化石燃料的装置提供了能源再生方案，比如为发电装置。光生物反应器系统可包括排放控制装置和再生系统，所述排放控制装置和再生系统可除去对人体和环境有害的气体和其它污染物，比如除去微粒。此外，集成的光生物反应器系统提供可作为可再生能源的生物质，从而降低燃烧化石燃料的需求。

此外，在某些实施方案中，集成的光生物反应器燃烧气体处理系统900可包括一个或多个与光生物反应器流体连通的其它气体处理设备，这些气体处理设备作为集成系统的一部分。例如，当前所用的控制烟道气中汞和/或含汞化合物的有效技术是使用活性碳或二氧化硅注入(例如，见“Mercury Study Report to Congress”，EPA-452/R-97-010，第VIII期，1997年)(此后称为“EPA，1997”)，其通过引用并入本文)。然而，这项技术对温度的依赖性很大。目前，该项技术的有效应用需要在利用之前对烟道气进行实质性的冷却。在传统燃烧装置中，这需要额外的投资和操作成本来安装烟道气冷却装置。

有利地，由于在集成系统900内通过在干燥器912中利用烟道气干燥藻类而已经冷却了烟道气，所以脱除汞和含汞化合物的装置和处理可容易并有利地集成到冷却的烟道气流动通道中，在光生物反应器的上游942和/或光生物反应器的下游944。在每种情况下，在集成系统900内生成的降温烟道气与已知的汞控制技术高度相容，并得到多种污染物(NO_x、CO₂、汞)的控制系统。

同样，已知的各种基于沉降的SO_x脱除技术也要求冷却烟道气(如，见EPA，1997)。因此，与前面所述的汞脱除技术相同，这种SO_x沉降和脱除技术可以在与上述汞脱除系统相近的位置上(如942和944)安装在集成系统900内，并与光生物反应器流体连通。

通过以下的实施例可更全面地理解本发明这些实施方案和其它实施方案所具有的功能和优点。下面的实施例虽然表明了本发明的某些实施方案，但这些实例并不以实例的方式指定了本发明的全部范围。

实施例1：使用含有三个三角形管式光生物反应器的三光生物反应器模块脱除CO₂和NO_x。

当前实施例所用模块中的每个光生物反应器单元都包括3个横截面为圆形的由透明聚碳酸酯构成的导管，如图1所示的组装，其中α₁＝45°，α₂＝90°。在该三角形结构中，竖直管的长度为2.2米，直径为5厘米，水平管的长度为1.5米，直径为5厘米，斜管的长度为2.6米，直径为10厘米。该光生物反应器模块包括3个并行排列的调整的单元，与图2所示的相似。该光生物反应器模块占地0.45平方米。

使用气体混合物(验证的AGA气体)，模拟烟道气组成(见“Hiroyasu等人1998”)。模块中的每个10升光生物反应器的气体总流量为715毫升/分钟。气体在将气体注入竖直导管的气体分配器与将气体注入斜管的气体分配器之间的分配比为50∶50。平均气泡直径为0.3毫米。使用烟道气分析仪(QUINTOX^TM，Keison Products，Grants Pass，Oregon)测量生物反应器入口和出口的CO₂和NO_x组成。

应用于斜管的光源为“SUNSHINE^TM”全光谱灯光，光照强度为390瓦/平方米。使用TES光度计测量光线的照射强度(TES ElectricalElectronic Corp.，Taipei，Taiwan)。光循环为12小时光-12小时黑暗。温度维持在26℃。

藻类的热值用根据Burlew 1961的微氧弹热量计进行测量。

使用Dunaliella parva(UTEX)微藻类作为模型。特殊选择这种藻类的因为是它在大规模生产过程证实的记录、对烟道气组成的耐受性，以及能生成高质量的生物燃料。

所用的介质为改性的F/2，含有：22克/升的氯化钠、16克/升的人造海水海盐(INSTANT OCEAN^，Aquarium Systems，Inc.MentorOH)、0.425克/升硝酸钠、5克/升氯化镁、4克/升硫酸钠、1毫升金属溶液/升介质(见下面的物料溶液的组成)+5毫升维生素溶液(见下面的物料溶液的组成)/升介质。液体介质的pH维持在pH8。

物料溶液组成：

金属溶液-微量金属物料溶液(螯合的)/升

乙二胺四乙酸钠  4.160克

6水合三氯化铁   3.150克

5水合硫酸铜     0.010克

7水合硫酸锌     0.022克

6水合二氯化钴   0.010克

4水合二氯化锰   0.180克

2水合钼酸钠     0.006克

维生素溶液-维生素物料溶液/升

维生素B₁₂       0.0005克

盐酸维生素B₁    0.1克

维生素H         0.0005克

使用在680纳米的分光光度计测量值计算细胞密度(见“Hiroyasu等人1998”)。

在这些实验条件下，实现下述性能：

脱除了90％的CO₂(在光的存在下)；

脱除了98％和71％的NO_x(分别在光亮和黑暗下)；

太能能效率为19.6％。

实施例2-5：脱除发电厂烟道气中的污染物并生产藻类生物质的光生物反应器队列

所有以下实施例均涉及250兆瓦的燃煤电厂，该电厂的烟道气体流量为781,250标准立方英尺/分钟(SCFM)，耗煤量为5,556吨/天。烟道气含有二氧化碳(14％体积)、NO_x(250ppm)以及洗涤后水平的SO_x(200ppm，US1990清洁空气修正案中规定)。假设每天12小时的阳光，太阳辐射的平均值为6.5千瓦时/平方米/天，表示美国西南部的典型水平(US Department of Energy)。根据实施例1中的数据和文献值(“Burlew1961”)，假定藻类的太阳能效率为20％。根据实施例1中的数据和文献值(“Sheehan等人1998”、“Hiroyasu等人1998”)，假定藻类白天脱除CO₂和NO_x的效率分别为90％和98％，夜间分别为0％和75％。生物柴油的生产能力为3.6桶(bbl)/吨藻类物质(干重)(“Sheehan等人1998”)。表2列出了不同能力和操作规范下的系统尺寸和性能。

表2：例2-5的尺寸和生产能力结果

施例	占地面积(平方千米)	所处理的烟道气占所产生烟道气总量的％	生物反应器操作模式(小时/天)	总体脱除的二氧化碳％	二氧化碳脱除量(吨/年)
							0.45	11	12	5	81,000
	0.45	11	24	5	81,000
							0.45	100	24	5	81,000
	1.3	33	12	15	244,000
施例	总体脱除的NO<sub>x</sub>％<sup>＊＊</sup>	NO<sub>x</sub>脱除量(吨/年)	藻类生物质的生产量(吨(干重)/年)	生物柴油的生产(桶/年)	可再生能源的发电量<sup>＊＊＊</sup>(兆瓦)
							6	170	31,000	111,600	7
	9	290	31,000	111,	7

				600
							85	2,600	31,000	111,600	7
	17	520	95,000	342,000	22

^＊：基于二氧化碳的消除

^＊＊：基于NO_x的消除

^＊＊＊：假定发电厂的效率为35％

虽然本文对本发明的几个实施方案进行了图解说明和描述，但本领域的普通技术人员会很容易地认识到，各种其它的装置和结构也能实现本文所述功能和/或取得本文所述的结果或优点，每种这样的变化和修改均被认为在本发明的范围之内。更一般而言，本领域的技术人员会很容易地认识到，本文所述的所有参数、尺寸、材料以及结构是示例性的，实际的参数、尺寸、材料和结构将取决于使用本发明教导的具体应用。

本领域的技术人员将认识到或有能力使用不超过常规的实验方法确定，本文所述发明的具体实施方案的等同物。因此，应该理解的是，前面所述的实施方案只是以举例的方式给出的，并且在本文所附权利要求及其等同物的范围内，本发明可以以本文具体所述的之外的方式实现。本发明设计本文所述的各个单独的特性、系统、材料和/或方法。此外，只要在这些特性、系统、材料和/或方法不相互冲突，这些特性、系统、材料和/或方法中的两种或多种的任意组合均在本发明的范围之内。在权利要求书(以及上述说明书)中，所有的过渡性词语或涵盖性词语，例如“包含”、“包括”、“带有”、“具有”、“含有”、“由...构成”、“由...形成”、“由...制成”等应被理解为开放性的词语，即这些词语意味着“包括...，但不限于...”。只有“由...组成”和“基本上由...组成”这些过渡性词语或涵盖性词语被分别认为是封闭性或半封闭性词语。

Claims (108)

1.一种使用光生物反应器处理气体的方法，所述方法包括：

在先生物反应器内建立液体介质的流动，所述液体介质含有至少一种光合有机体；

使至少一部分光生物反应器和至少一种光合有机体暴露在能够驱动光合作用的光源下；

计算光合有机体暴露在其强度足以驱动光合作用的光线下的第一暴露间隔以及暴露在黑暗条件下或暴露在其强度不足以驱动光合作用的光线下的第二暴露间隔，以使光合有机体在光生物反应器内达到所选定的生长速度；

根据计算步骤所确定的暴露间隔控制光生物反应器内的液体介质流动。

2.如权利要求1所述的使用光生物反应器处理气体的方法，其中选定的生长速度是可达到的最大生长速度。

3.权利要求1所述的使用光生物反应器处理气体的方法还包括：

将所要处理的气体流引入到光生物反应器中；

使用光生物反应器从气体中至少部分脱除CO₂和/或NO_x。

4.如权利要求3所述的使用光生物反应器处理气体的方法，其中在引入步骤中引入的气体包括由发电设备和/或焚烧炉所产生的燃料气体。

5.如权利要求1所述的使用光生物反应器处理气体的方法，其中在控制步骤中，使用计算机执行系统控制液体介质的流动，配置所述计算机执行系统以对光生物反应器内液体流动模式进行模拟，并根据模拟结果确定光合有机体暴露在其强度足以驱动光合作用的光线下的计算的第一实际暴露间隔和暴露在黑暗条件下或暴露在其强度不足以驱动光合作用的光线下的计算的第二实际暴露间隔，并在光生物反应器内建立液体介质的流动，选择所述光生物反应器以最小化计算的第一实际暴露间隔和第二实际暴露间隔与计算步骤中计算出的第一暴露间隔和第二暴露间隔之间的差。

6.如权利要求5所述的使用光生物反应器处理气体的方法，其中光生物反应器内液体流动模式的特点是存在环流涡旋和湍动涡流中的至少一种。

7.如权利要求5所述的使用光生物反应器处理气体的方法，其中达到计算步骤计算出的选定的生长速度所需的第一暴露间隔和第二暴露间隔通过数学模型加以确定，所述数学模型对交替暴露在其强度足以驱动光合作用光线以及暴露在其强度不足以驱动光合作用光线下的光合有机体的生长速度进行模拟。

8.权利要求7所述的使用光生物反应器处理气体的方法，在计算步骤之前还包括：

通过用生长速度相对于暴露间隔数据曲线拟合所述数学模型所用的至少一个方程确定所述至少一个方程的至少一项可调节参数，所述暴露间隔相对于生长速度数据是使用中试级生物反应器产生的，所述中试级生物反应器含有包括至少一种光合有机体的液体介质。

9.如权利要求8所述的使用光生物反应器处理气体的方法，其中中试级光生物反应器包括自动化细胞培养和测试系统，所述自动化细胞培养和测试系统包括至少一个培养室，所述培养室包括体积为1毫升～1升的光生物反应器。

10.如权利要求5所述的使用光生物反应器处理气体的方法，其中进一步配置控制步骤中所用的计算机执行系统，以接收来自至少一个传感器的信号，配置所述传感器以在操作期间监测光生物反应器的至少一项环境或性能条件。

11.如权利要求10所述的使用光生物反应器处理气体的方法，其中进一步配置计算机执行系统以使用来自至少一个传感器的至少一个信号确定计算的第一实际暴露间隔和计算的第二实际暴露间隔。

12.如权利要求11所述的使用光生物反应器处理气体的方法，其中配置至少一个传感器以监测选自以下的至少一个条件：照射到光生物反应器上的光线强度、光生物反应器内液体介质的光密度和/或浊度、输入光生物反应器的气体流速、光生物反应器内的液体介质流量、光生物反应器内液体介质的温度；以及

供应到光生物反应器的气体流温度。

13.如权利要求12所述的使用光生物反应器处理气体的方法，其中配置计算机执行系统以基本上以实时方式得知来自光生物反应器内液体介质流动控制中至少一个传感器的至少一个信号的变化。

14.如权利要求5所述的使用光生物反应器处理气体的方法，其中所述光生物反应器至少包括第一和第二流体互连导管，构造和安置以将气体流引入所述第一导管的第一气体分配器、和构造和安置以将气体流引入所述第二导管的第二气体分配器，和其中

进一步配置所述计算机执行系统以通过控制待被光生物反应器处理的气体的总流量以及气体的总流量在所述第一气体分配器和所述第二气体分配器之间的分配来控制光生物反应器内的液体介质流动。

15.如权利要求14所述的使用光生物反应器处理气体的方法，其中进一步配置所述计算机执行系统以控制气体的总流量以及气体总流量在所述第一气体分配器和所述第二气体分配器之间的分配，从而使所述第一导管中的液体以与所述第一导管中的气泡流动方向相反的方向流动，并使所述第二导管中的液体以与所述第二导管中的气泡流动方向相同的方向流动。

16.如权利要求1所述的使用光生物反应器处理气体的方法，其中

所述光生物反应器至少包括第一、第二和第三流体互连导管，其中至少一个导管至少部分透过能够驱动光合作用的光源发出的光线，这些导管共同形成了流动回路，使得包含于所述光生物反应器中的液体介质从流动回路的起始区域顺序流动经过所述第一、第二和第三导管并回到起始区域，其中

其中构造和排列所述第一、第二和第三导管使得至少一个导管与水平面形成角度，所述角度不同于至少另一个导管与水平面所形成的角度，和其中

至少一个导管与水平面所形成的角度大于10°并小于90°。

17.如权利要求16所述的使用光生物反应器处理气体的方法，其中所述流体互连的第一、第二和第三导管的每一个包括具有基本上圆形截面的伸长的管。

18.如权利要求1所述的使用光生物反应器处理气体的方法，其中所述建立步骤包括：

将待被光生物反应器处理的第一气体流引入第一气体分配器，其中构造并安置第一气体分配器以将所述气体流引入光生物反应器的第一导管中；

将待被光生物反应器处理的第二气体流引入第二气体分配器，其中构造并安置第二气体分配器以将所述气体流引入光生物反应器的第二导管中；

使液体介质在所述第一导管内流动，所述液体介质的流动方向与引入所述第一导管的第一气体流所形成的气泡流动方向相反；

使液体介质在所述第二导管内流动，所述液体介质的流动方向与引入第二导管的第二气体流所形成的气泡流动方向相同。

19.如权利要求1所述的使用光生物反应器处理气体的方法，其中所述光生物反应器包括：

伸长的外壳，所述伸长外壳具有基本水平的纵轴和至少一个表面，所述至少一个表面至少部分透过能够驱动光合作用的光源发出的光线；

位于所述伸长外壳之内的伸长的内室，具有基本上与所述伸长外壳的纵轴对齐的纵轴，其中所述伸长外壳和所述伸长内室共同形成端部被封闭的环形容器，及其中环形容器提供流动回路，所述流动回路可使包含于光生物反应器的液体介质从流动回路的起始区域沿所述伸长内室的周边顺序流动，并返回起始区域。

20.如权利要求1所述的使用光生物反应器处理气体的方法，其中所述光生物反应器包括：

含有液体介质的容器，所述容器外壁的至少一部分被构造成至少部分透过可以驱动光合作用的光源发出的光线，其中

容器外壁的至少部分内表面上覆盖有一层生物相容物质，所述生物相容物质在温度达到至少45℃时为固体，并且所述生物相容物质的熔化温度低于其所覆盖的容器外壁的熔化温度。

21.如权利要求1所述的使用光生物反应器处理气体的方法，其中所述光生物反应器内的至少一种光合有机体包括藻类。

22.如权利要求1所述的使用光生物反应器处理气体的方法，其中能够驱动光合作用的光源包括太阳。

23.一种使用光生物反应器处理气体的方法，所述方法包括：

在所述光生物反应器内建立液体介质的流动，所述液体介质包含至少一种光合有机体；

将至少部分所述光生物反应器和所述至少一种光合有机体暴露于能驱动光合作用的光源；

对光生物反应器内的液体流动方式进行模拟，并根据模拟确定光合有机体暴露在其强度足以驱动光合作用的光线下的第一暴露间隔和暴露在黑暗条件下或暴露在其强度不足以驱动光合作用的光线下第二暴露间隔；

根据第一暴露间隔和第二暴露间隔计算光合有机体在光生物反应器中的预计生长速度；

控制光生物反应器中液体介质的流动，从而达到光合有机体所选的第一暴露间隔和所选的第二暴露间隔，实现计算步骤中确定的所需预计生长速度。

24.如权利要求23所述的使用光生物反应器处理气体的方法，其中所述光生物反应器内液体流动模式的特点是至少存在环流涡旋和湍动涡流中的一种。

25.如权利要求23所述的使用光生物反应器处理气体的方法，其中所需的预计生长速度是可实现的最大生长速度。

26.如权利要求23所述的使用光生物反应器处理气体的方法，其中在计算步骤中根据第一暴露间隔和第二暴露间隔所计算出来的预计生长速度是通过使用数学模型确定的，所述数学模型模拟光合有机体交替暴露在其强度足以驱动光合作用的光线以及其强度不足以驱动光合作用的光线下的生长速度。

27.权利要求26所述的使用光生物反应器处理气体的方法，在计算步骤之前还包括：

通过用生长速度相对于暴露间隔的数据曲线拟合所述数学模型所用的至少一个方程，确定所述至少一个方程的至少一项可调节参数，所述暴露间隔相对于生长速度的数据是使用中试级生物反应器产生的，所述中试级生物反应器包括含有至少一种光合有机体的液体介质。

28.一种气体处理系统，所述系统包括：

含有液体介质的光生物反应器，其中的液体介质含有至少一种光合有机体，构造光生物反应器的至少一部分以将光线传播到光合有机体上，所述光生物反应器包括构造成可与待处理气体相连的入口、构造和安置以在光生物反应器内建立液体介质流动的流体循环器、以及构造以将处理后气体释放出光生物反应器的出口；

计算机执行系统，配置所述计算机执行系统以对光生物反应器内的液体流动模式进行模拟，并根据模拟结果计算光合有机体暴露在其强度足以驱动光合作用的光线下的第一暴露间隔和所述生物体暴露在黑暗条件下或暴露在其强度不足以驱动光合作用的光线下的第二暴露间隔，并控制光生物反应器内液体介质的流动，从而达到光合有机体所选定的第一暴露间隔和所选定的第二暴露间隔。

29.如权利要求28所述的气体处理系统，其中所述光生物反应器内的液体流动模式的特点是存在环流涡旋和湍动涡流中的至少一种。

30.如权利要求28所述的气体处理系统，其中所述光生物反应器包括至少一个气体入口，构造和安置所述气体入口以将待处理的气体流引入到光生物反应器中，其中液体介质中所含的光合有机体一旦暴露在气体流就能够从气体流中至少部分脱除CO₂和/或NO_x。

31.如权利要求30所述的气体处理系统，其中所述至少一个气体入口与发电厂设备和/或焚烧炉产生的燃烧气体源流体连通。

32.如权利要求28所述的气体处理系统，其中所选定的第一暴露间隔和所选定的第二暴露间隔是可使光合有机体达到所需的平均生长速度的那些，所述平均生长速度由数学模型来确定，所述数学模型模拟光合有机体交替暴露在其强度足以驱动光合作用的光线下以及其强度不足以驱动光合作用的光线下的生长速度。

33.如权利要求32所述的气体处理系统，其中所选定的光合有机体的平均生长速度是最大生长速度。

34.如权利要求28所述的气体处理系统，其中进一步构造计算机执行系统以使用数学模型计算光合有机体在光生物反应器内达到所希望的生长速度所需的将光合有机体暴露在其强度能够驱动光合作用的光线下的第一选定暴露间隔以及所述生物体暴露在黑暗条件下或暴露在其强度不足以驱动光合作用的光线下的第二选定暴露间隔，所述数学模型模拟光合有机体交替暴露在其强度足以驱动光合作用的光线以及其强度不足以驱动光合作用的光线下的生长速度，并在光生物反应器内建立液体介质的流动，选择所述生物反应器以最小化通过模拟液体流动模式计算出的第一暴露间隔和第二暴露间隔与模拟光合有机体生长速度的数学模型计算出的第一选定暴露间隔和第二选定暴露间隔之间的差。

35.权利要求32所述的气体处理系统，还包括：

至少一个传感器，配置所述传感器以在操作期间监测光生物反应器的至少一项环境或性能条件；

进一步配置所述计算机执行系统，以接收来自至少一个传感器的信号。

36.如权利要求35所述的气体处理系统，其中进一步配置所述计算机执行系统以使用来自至少一个传感器的至少一个信号从液体流动模式的模拟计算第一暴露间隔和第二暴露间隔。

37.如权利要求36所述的气体处理系统，其中配置至少一个传感器监测选自以下的至少一个条件：照射到光生物反应器上的光强度、光生物反应器内液体介质的光密度和/或浊度、气体进入光生物反应器的流量、光生物反应器内的液体介质流量、光生物反应器内液体介质的温度以及供给到光生物反应器的气体流的温度。

38.如权利要求37所述的气体处理系统，其中配置所述计算机执行系统以基本上以实时方式得知来自光生物反应器内液体介质流动控制中至少一个传感器的至少一个信号的变化。

39.如权利要求32所述的气体处理系统，其中所述光生物反应器至少包括第一和第二流体互连导管、构造和安置以将气体流引入所述第一导管的第一气体分配器、和构造和安置以将气体流引入所述第二导管的第二气体分配器，和其中

进一步配置所述计算机执行系统以通过控制待被光生物反应器处理的气体的总流量以及气体的总流量在所述第一气体分配器和所述第二气体分配器之间的分配，来控制光生物反应器内的液体介质流动。

40.如权利要求39所述的气体处理系统，其中进一步配置所述计算机执行系统以控制气体的总流量以及气体总流量在所述第一气体分配器和所述第二气体分配器之间的分配，从而使所述第一导管中的液体以与所述第一导管中的气泡流动方向相反的方向流动，并使所述第二导管中的液体以与所述第二导管中的气泡流动方向相同的方向流动。

41.如权利要求28所述的气体处理系统，其中

所述光生物反应器至少包括第一、第二和第三流体互连导管，其中至少一个导管至少部分透光，这些导管共同形成了流动回路，使得包含于所述光生物反应器中的液体介质从流动回路的起始区域顺序流动经过所述第一、第二和第三导管并回到起始区域，其中

构造和排列所述第一、第二和第三导管使得至少一个导管与水平面形成角度，所述角度不同于至少另一个导管与水平面所形成的角度，和其中

至少一个导管与水平面所形成的角度大于10°并小于90°。

42.如权利要求41所述的气体处理系统，其中所述流体互连的第一、第二和第三导管的每一个包括具有基本上圆形截面的伸长的管。

43.如权利要求28所述的气体处理系统，其中所述光生物反应器包括：

伸长的外壳，所述伸长外壳具有基本水平的纵轴和至少一个表面，所述至少一个表面至少部分透光；

位于所述伸长外壳之内的伸长的内室，具有基本上与所述外壳的纵轴对齐的纵轴，其中所述伸长外壳和所述伸长内室共同形成端部被封闭的环形容器，及其中环形容器提供流动回路，所述流动回路可使包含于光生物反应器的液体介质从流动回路的起始区域沿所述伸长内室的周边顺序流动，并返回起始区域。

44.如权利要求28所述的气体处理系统，其中所述光生物反应器包括：

含有液体介质的容器，所述容器外壁的至少一部分被构造成至少部分透光，其中

所述容器外壁的至少部分内表面上覆盖有一层生物相客物质，所述生物相容物质在温度达到至少45℃时为固体，并且所述生物相容物质的熔化温度低于其所覆盖的容器外壁的熔化温度。

45.如权利要求28所述的气体处理系统，其中光生物反应器内的至少一种光合有机体包括藻类。

46.一种使用光生物反应器处理气体的系统，所述系统包括：

根据计算步骤所确定的暴露间隔控制光生物反应器内的液体介质流动；

在光生物反应器内建立液体介质流动的装置，所述液体介质含有至少一种光合有机体；

使至少一部分光生物反应器和至少一种光合有机体暴露在能够驱动光合作用的光源下的装置；

计算装置，所述计算装置计算使光生物反应器内的光合有机体达到所选定的生长速度所需要的将光合有机体暴露在其强度足以驱动光合作用的光线下的第一暴露间隔以及暴露在黑暗条件下或暴露在其强度不足以驱动光合作用的光线下的第二暴露间隔；

根据计算步骤所确定的暴露间隔控制光生物反应器内的液体介质流动的装置。

47.一种光生物反应器设备，所述设备包括：

至少第一、第二和第三流体互连导管，其中至少一个导管至少部分透过波长能够驱动光合作用的光，这些导管共同形成了流动回路，使得包含于所述光生物反应器中的液体介质从流动回路的起始区域顺序流动经过所述第一、第二和第三导管并回到起始区域，

其中构造和排列所述第一、第二和第三导管使得至少一个导管与水平面形成角度，所述角度不同于至少另一个导管与水平面所形成的角度，和其中

至少一个导管与水平面所形成的角度大于10°并小于90°。

48.如权利要求47中的光生物反应器设备，其中所述起始区域包括集液管，所述集液管与第一导管的一端和第三导管的一端流体相连。

49.权利要求48中的光生物反应器设备，还包括第二集液管，第二集液管与第二导管的一端和第三导管的另一端流体相连。

50.如权利要求49所述的光生物反应器设备，其中所述第一集液管和第二集液管具有伸长的端部，并与多根流体互连导管流体连通；这些导管形成了多个流动回路，每个流动回路中至少包括彼此相互流体连接的第一、第二和第三流体互连导管，使得含于每个流动回路中的液体介质能够顺序地从第一集液管经第一导管到达并通过第二导管，进入第二集液管，再通过第三导管，从而液体返回到第一集液管中。

51.权利要求50所述的光生物反应器设备，还包括：

第一气体分配器，所述气体分配器位于第一集液管内，并沿第一集液管的长度延伸，构造并安置所述第一气体分配器以将气体流引入到形成多个流动回路的多个第一导管中；

和第二气体分配器，所述气体分配器位于第二集液管内，并沿第二集液管的长度延伸，构造和安置所述第二气体分配器以将气体流引入到形成多个流动回路的多个第二导管中；

构造以将气体释放出光生物反应器的至少一个出口。

52.如权利要求47所述的光生物反应器设备，其中每个第一、第二和第三导管包括一定长度具有基本上圆形横截面形状的管。

53.如权利要求52所述的光生物反应器设备，其中所述第一导管的至少一部分能够至少部分透过能够驱动光合作用的光线。

54.如权利要求53所述的光生物反应器设备，其中所述第二和第三导管中的至少一个导管的至少一部分不能透过波长能够驱动光合作用的光线。

55.如权利要求54所述的光生物反应器设备，其中所述第二和第三导管中各有至少一部分不能透过波长能够驱动光合作用的光线。

56.如权利要求54所述的光生物反应器设备，其中所述第一导管与水平面形成大于10°小于90°的角度。

57.如权利要求56所述的光生物反应器设备，其中所述第三导管基本处于水平状态，和其中所述第一导管和第三导管之间所形成的角度大于10°并小于90°。

58.如权利要求57所述的光生物反应器设备，其中在操作期间，相对于太阳光的位置安置光生物反应器，使得所述第一导管面向阳光的外表面与垂直于入射阳光方向的平面所形成的角度小于所述第二导管和第三导管面向阳光的表面与垂至于入射阳光方向的表面之间所形成的角度。

59.权利要求58所述的光生物反应器设备，还包括气体分配器，构造和安置所述气体分配器以将气体流引入到第一导管的最下端，以生成多个气泡，这些气泡沿与第一导管最直接面对入射阳光的外表面部分直接相邻的内表面部分向上运动，并穿过含于第一导管内的液体介质。

60.如权利要求59所述的光生物反应器设备，其中构造和安置所述气体分配器以将气体流引入到第一导管的最下端，使得多个气泡向上运动，并穿过含于第一导管内的液体介质，以在第一导管内引起液体流动，所述液体流动的特点是具有多个环流涡旋和/或湍动涡流。

61.如权利要求56所述的光生物反应器设备，其中所述第三导管基本处于水平状态，和其中所述第二导管与水平面所形成的角度大于第一导管与水平面之间所形成的角度。

62.如权利要求61所述的光生物反应器设备，其中所述第二导管与水平面所形成的角度为90°。

63.如权利要求52所述的光生物反应器设备，其中至少一个所述第一、第二和第三导管的长度为0.5米～8米。

64.如权利要求63所述的光生物反应器设备，其中所述至少一个所述第一、第二和第三导管的长度为1.5米～3米。

65.如权利要求52所述的光生物反应器设备，其中至少一个所述第一、第二和第三导管的截面直径为1厘米～50厘米。

66.如权利要求65所述的光生物反应器设备，其中至少一个所述第一、第二和第三导管的截面直径为2.5厘米～15厘米。

67.如权利要求47所述的光生物反应器设备，其中至少一个所述导管与水平面形成的角度大于15°，并小于75°。

68.如权利要求67所述的光生物反应器设备，其中至少一个导管与水平面所形成的角度为45°。

69.权利要求47所述的光生物反应器设备，还包括：

第一气体分配器，构造和安置所述第一气体分配器以将气体流引放到第一导管中；

第二气体分配器，构造和安置所述第二气体分配器以将气体流引放到第二导管中；和

构造以将气体释放出光生物反应器的至少一个出口。

70.如权利要求69所述的光生物反应器设备，其中所述光生物反应器设备由控制器控制，配置所述控制器以控制待被光生物反应器处理的气体总流量，并控制所述气体总流量在第一气体分配器和第二气体分配器之间的分配，从而使所述第一导管中的液体以与所述第一导管中的气泡流动方向相反的方向流动，并使所述第二导管中的液体以与所述第二导管中的气泡流动方向相同的方向流动。

71.如权利要求47所述的光生物反应器设备，其中所述光生物反应器设备由伸长的外壳和伸长的内室构成；所述伸长的外壳具有基本水平的纵轴和至少一个至少部分透光的表面，所述伸长的内室置于伸长的外壳之内并具有基本上与伸长外壳的纵轴对齐的纵轴，其中所述伸长的外壳和伸长的内室共同限定了在端部被密封的环形容器，其中所述环形容器提供了第一、第二和第三流体互连导管。

72.一种光生物反应器系统，所述光生物反应器系统包括：

光生物反应器，所述光生物反应器包括：

至少在其中含有液体介质的第一和第二流体互连导管，至少一个所述导管至少部分透过波长可以驱动光合作用的光线；

第一气体分配器，构造和安置所述气体分配器以将气体流引入到第一导管中；

第二气体分配器，构造和安置所述气体分配器以将气体流引入到第二导管中；

构造以将气体释放出光生物反应器的至少一个出口；

控制器，配置所述控制器以控制待被光生物反应器处理的气体总流量，并控制气体总流量在第一气体分配器和第二气体分配器之间的分配，从而使所述第一导管中的液体以与所述第一导管中的气泡流动方向相反的方向流动，并使所述第二导管中的液体以与所述第二导管中的气泡流动方向相同的方向流动。

73.如权利要求72所述的光生物反应器系统，其中所述光生物反应器包括与所述第一、第二导管流体互连的第三导管，所述第一、第二和第三导管共同提供流动回路，所述流动回路可使液体介质从流动回路的起始区域依次流过第一、第二和第三导管并回到起始区域。

74.如权利要求73所述的光生物反应器系统，其中进一步配置所述控制器以控制待被光生物反应器处理的气体总流量，并控制气体总流量在第一气体分配器和第二气体分配器之间的分配，从而使液体在预定的方向和预定的流量在第一、第二和第三导管中并通过流动回路流动。

75.如权利要求74所述的光生物反应器系统，其中配置所述控制器以控制待被光生物反应器处理的气体总流量，并控制气体总流量在第一气体分配器和第二气体分配器之间的分配，从而使液体在至少一个所述第一、第二和第三导管中流动，所述导管对于在光生物反应器的操作期间所暴露于的能够驱动光合作用的光线至少部分是透明的，从而产生其特性为多个环流涡旋的/或湍动涡流的液体流动。

76.如权利要求75所述的光生物反应器系统，其中所述液体介质包括至少一种光合有机体，和其中配置所述控制器以控制待被光生物反应器处理的气体总流量，并控制气体总流量在第一气体分配器和第二气体分配器之间的分配，从而在光生物反应器的操作期间内引起具有总流速和流动模式的液体流动，所述液体流动可为液体介质中的光合有机体提供所需的暴露于其强度足以驱动光合作用的光线下以及暴露在黑暗或强度不足以驱动光合作用的光线下的预定模式。

77.如权利要求72所述的光生物反应器系统，其中所述第一和第二流体互连导管包括每个具有基本上圆形界面形状的流体互连的第一和第二伸长的管。

78.如权利要求72所述的光生物反应器系统，其中所述光生物反应器包括：

伸长的外壳，所述伸长的外壳具有基本上水平的纵轴和至少一个至少部分透光的表面；和

伸长的内室，所述伸长的内室置于伸长的外壳之内并具有基本上与伸长外壳的纵轴对齐的纵轴；

其中所述伸长的外壳和伸长的内室共同限定在端部被密封的环形容器；和其中

所述环形容器提供第一和第二流体互连导管和与所述第一和第二导管流体互连的至少第三导管，以提供流动回路，所述流动回路能使液体介质从流动回路内的起始区域开始沿伸长内室的外周流动并回到起始区域。

79.如权利要求72所述的光生物反应器系统，其中至少一个所述第一气体分配器和第二气体分配与其中含有CO₂和/或NO_x的燃烧气体源流体连通。

80.如权利要求79所述的光生物反应器系统，其中从光生物反应器的至少一个出口所释放出的气体含有比燃烧气体低的CO₂和/或NO_x浓度。

81.权利要求72所述的光生物反应器系统，还包括：

与至少一个第一气体分配器、第二气体分配器和至少一个出口流体连通相连的气体处理设备，

配置气体处理设备以能从气体中至少部分除去选自以下的至少一种物质：SO_x、汞、以及含汞化合物。

82.一种操作光生物反应器的方法，所述方法包括：

将待被光生物反应器处理的第一气体流引入第一气体分配器，其中构造和安置所述第一气体分配器以将所述气体流引入到光生物反应器的第一导管中；

将待被光生物反应器处理的第二气体流引入第二气体分配器，其中构造和安置所述第二气体分配器以将所述气体流引入到光生物反应器的第二导管中；

使在第一导管内的液体介质以与引入第一导管的第一气体流形成的气泡流动方向相反的方向流动；和

使在第二导管内的液体介质以与引入第二导管的第二气体流所形成的气泡流动方向相同的方向流动。

83.一种方法，所述方法包括：

使其中含有至少一种光合有机体的液体介质暴露在一组预定的生长条件下，选择这组预定的生长条件以模拟光合有机体随后在光生物反应器中所处的条件，从而以预定的生长条件预先调节光合有机体；

收获在暴露步骤中预先调节的光合有机体；

用至少一部分收获的光合有机体接种光生物反应器。

84.如权利要求83所述的方法，其中使用自动化细胞培养和测试系统进行曝光步骤，所述自动化细胞培养和测试系统包括至少一个培养室，所述培养室包括具有1毫升～1升内部容积的光生物反应器。

85.如权利要求83所述的方法，其中被用来模拟光合有机体随后在光生物反应器中所处条件的一组预定生长条件包括选自以下的至少一个条件：

液体介质组成、液体介质温度、液体介质温度波动幅度、频率、和间隔、pH、光强度、暴露在光线和黑暗下的间隔、进料气体组成以及进料气体温度。

86.一种使光生物反应器系统操作更加方便的方法，所述方法包括：

提供至少一种光合有机体，所述生物体已在一组预定的生长条件下预先调节，其中选择这组预定的生长条件以模拟在操作期间光合有机体在光生物反应器中所处的条件。

87.一种光生物反应器设备，所述光生物反应器设备包括：

伸长的外壳，所述伸长外壳具有基本水平的纵轴和至少部分透过波长能够驱动光合作用的光线的至少一个表面；

伸长的内室，所述伸长内室位于伸长外壳之内并具有基本上与伸长的外壳的纵轴对齐的纵轴；

所述伸长的外壳和伸长的内室共同限定了在端部被密封的环形容器；

所述环形容器提供流动回路，所述流动回路可使包含于光生物反应器内的液体介质依次从流动回路内的起始区域沿伸长内室的外周流动并返回起始区域。

88.权利要求87所述的光生物反应器设备，还包括：

至少一个气体分配器，构造和安置所述气体分配器以将气体流引入到环形容器的流动回路中；

构造以将气体释放出光生物反应器的至少一个出口。

89.如权利要求88所述的光生物反应器设备，其中所述气体分配器位于流动回路内的起始区域。

90.权利要求89所述的光生物反应器设备，还包括：

第二气体分配器，构造和安置所述气体分配器以将气体流在流动回路内不同于所述第一气体分配器位置的位置处引入到流动回路中。

91.如权利要求87所述的光生物反应器设备，其中所述伸长的外壳垂直于其纵轴的截面形状为三角形。

92.如权利要求91所述的光生物反应器设备，其中置于伸长外壳之内的伸长内室垂直于其纵轴的截面形状为三角形。

93.如权利要求92所述的光生物反应器设备，其中所述伸长外壳的纵轴与伸长内室的纵轴同线，和其中所述伸长内室的截面形状基本上与伸长外壳的截面形状相同，但是尺寸上成比例地较小。

94.一种光生物反应器设备，所述光生物反应器设备包括：

其中含有液体介质的容器，所述液体介质含有至少一种光合有机体，所述容器外壁的至少一部分能至少部分透过波长能够驱动光合作用的光线，其中

所述容器外壁内表面的至少一部分涂敷有一层生物相容物质，这层生物相容物质在最高至少45°的温度下为固体并且其熔化温度低于其所涂敷的容器外壁的熔化温度。

95.如权利要求94所述的光生物反应器设备，其中所述生物相容物质选自蜡和琼脂。

96.一种集成式燃烧方法，所述方法包括：

使用燃烧装置燃烧一种燃料，以生成热的燃烧气体流；

将热的燃烧气体流进料于干燥器，并在干燥器中冷却燃烧气体流；

将冷却后的燃烧气体流送至光生物反应器入口，所述光生物反应器含有液体介质，所述液体介质含有至少一种光合有机体；

使用这些光合有机体至少部分地从燃烧气体中除去至少一种物质，所述至少一种物质被所述有机体用于自身的生长和增殖；

从光生物反应器中取出至少一部分含有至少一种光合有机体的液体介质；

在干燥器步骤中使用具有热的燃烧气体的干燥器的进料对取出步骤中取出的液体介质进行干燥，从而生成干燥的藻类生物质产品；

将干燥的藻类生物质产品用作燃料和/或用以生产燃烧步骤所燃烧的燃料。

97.如权利要求96所述的集成式燃烧方法，其中所述燃烧装置包括发电和/或焚烧设备，或者部分由发电和/或焚烧设备构成。

98.如权利要求96所述的集成式燃烧方法，其中在至少部分除去步骤中从燃烧气体中至少部分除去的至少一种物质包括CO₂和/或NO_x。

99.权利要求96所述的集成式燃烧方法，在至少部分除去步骤之后还包括：

通过光生物反应器的气体出口释放处理的气体。

100.如权利要求99所述的方法，其中从光生物反应器的气体出口释的处理气体直接或间接地被导向烟囱的入口。

101.如权利要求100所述的集成式燃烧方法，其中从光生物反应器气体出口所释放的处理的气体通过换热器，在燃烧气体进入光生物反应器入口之前以及热的燃烧气体进入干燥器之前和/或之后，通过使热的燃烧气体通过换热器给换热器供热。

102.权利要求99所述的集成式燃烧方法，还包括：

在进料步骤之后和至少部分除去步骤之前和/或之后：

使用与光生物反应器流体连通的气体处理设备从气体中至少部分除去选自以下的至少一种物质：SO_x、汞及含汞化合物。

103.如权利要求96所述的集成式燃烧方法，其中所述干燥的藻类生物质产品被用来生产包括油和/或有机可燃气体的至少一种燃料产品。

104.一种使用光生物反应器系统处理气体的方法，所述方法包括：

使气体通过封闭的含有至少一种光合有机体的光生物反应器；

使至少一部分光生物反应器以及至少一种光合有机体暴露在强度足以驱动至少一种光合有机体的光合作用的光线下；

使用至少一种光合有机体在光生物反应器中从气体中至少部分除去至少一种物质；

使气体流过与光生物反应器流体连通的气体处理设备；

在气体处理设备中，从气体中至少部分除去包括SO_x和/或汞和/或含汞化合物的至少一种物质。

105.如权利要求104所述的使用光生物反应器系统处理气体的方法，其中在光生物反应器中从气体中至少部分除去的至少一种物质包括CO₂和/或NO_x。

106.如权利要求104所述的使用光生物反应器系统处理气体的方法，其中在气体处理设备中从气体中至少部分除去的至少一种物质包括汞和/或含汞化合物。

107.一种气体处理系统，所述系统包括：

光生物反应器，所述光生物反应器包括含有至少一种光合有机体的液体介质，并包括构造以使气体流入光生物反应器的入口、构造以使气体流出光生物反应器的第一出口、和构造以使液体介质流出光生物反应器的第二出口；

干燥器，所述干燥器包括构造以使气体流入干燥器的第一入口、构造以使气体流出干燥器的第一出口、构造以使液体介质从光生物反应器的第二出口流入干燥器的第二入口、构造以使液体介质蒸发形成的蒸汽流出干燥器的第二出口，其中所述液体介质通过干燥器的第二入口进入到干燥器中；

与光生物反应器流体连通相连并与干燥器第一出口在下游流体连通相连的气体处理设备，所述气体处理设备构造得能从进入气体处理设备的气体中至少部分地除去包括SO_x和/或汞和/或含汞化合物的至少一种物质。

108.如权利要求107所述的气体处理系统，其中所述气体处理设备构造得能从进入气体处理设备的气体中至少部分地除去汞和/或含汞化合物。

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