CN101356261A - 用于生物质生产的系统、装置和方法 - Google Patents

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Abstract

用于培养生物质的系统、装置和方法。生物反应器系统可操作用于培养光合生物。所述生物反应器系统包括生物反应器和照明系统。所述照明系统包括一个或多个发光基质，其被设置成照明保留在所述生物反应器内的多种光合生物的至少一些。

Description

用于生物质生产的系统、装置和方法
相关申请的交叉参考
本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2005年12月9日提交的美国临时专利申请号60/749,243，和于2006年2月14日提交的美国临时专利申请号60/773,183的利益，其中将这两个临时申请通过参考完整地结合于此。
背景
领域
本公开内容通常涉及生物反应器领域，更具体地，涉及光生物反应器系统、装置和方法，其整合光源以培养生物质、光合生物、活细胞、生物活性物质等。
相关技术描述
对于培养和收获生物质，诸如例如，哺乳动物、动物、植物和昆虫细胞以及各种细菌、藻类、浮游生物和原生动物的物种，存在多种方法和技术。这些方法和技术包括户外系统和封闭系统。
例如，藻类生物质典型地在户外系统(例如，池塘、沟渠、湖泊等)中培养，所述系统受到污染。这些户外系统进一步受到不能基本上控制在培养藻类中所涉及的各种工艺参数(例如，温度、入射光强度、流速、压力、营养等)的限制。
备选地，生物质在称为生物反应器的密闭系统中培养。这些密闭系统允许更好地控制工艺参数，但是典型地设置和运转成本更高。另外，这些密闭系统受到它们为在其中培养的密集群体的光合生物提供充分的光的能力的限制。
生物质具有许多有益的和商业用途，包括，例如，用作污染控制剂、肥料、食品增补剂、化妆品添加剂、颜料添加剂、和能源，这里只指出一些。例如，藻类生物质用于废水处理设备中以捕获肥料。藻类生物质还用于制备生物燃料。
生物燃料，诸如生物柴油，可以用于现有的柴油机和压缩点火的装置，在这种情形下，需要对发动机和/或燃料递送系统进行很少或不进行修改。生物燃料典型地是无毒的和可生物降解的，因此它们提供环境安全和廉价的备选燃料。生物燃料的应用可以帮助减少污染，以及钻探、泵吸和运输基于石油(fossil)的柴油机燃料的环境影响。
生物燃料已经由一些公司和政府机构在使用，诸如美国邮局、陆军和空军、林业部、综合服务部门、和农业研究服务部。在全美国一些运输系统和校车系统已经开始使用生物燃料。特别地，建筑公司将非常受益于生物燃料的使用，原因在于大部分的建筑设备是柴油机推动的，例如，水泥卡车、装卸卡车、推土机、撒布机、前装载机、起重机、反铲挖土机、分类机、以及所有大小的发电机。另外，生物燃料可以用于其它的工业中，诸如农业、农场、发电厂、采矿业、铁路、和/或海运应用。由于它们通常是无毒的和可生物降解的性质，生物燃料还可以有效用于海运环境的应用中，替代驱动柴油机-驱动的海运发动机。例如，生物燃料可以用于海洋中的石油溢出物净化，和用于清除由这些溢出物感染的野生动植物和植物生命体。生物燃料还可以有效用作溶剂，以去除颜料，或者清除用于储存基于石油的产品的箱罐中的淤泥。此外，生物燃料具有有效的润滑剂性质，并且可以用于多种机器中。例如，当用于柴油机-驱动的发动机中时，生物燃料的润滑特性可以延长柴油机-驱动的发动机的运转寿命。
例如，用于培养光合生物的典型生物反应器使用恒定强度的光源。在光生物反应器中培养生物质，诸如例如藻类的关键因素是提供并且控制光合过程所必需的光。如果光强度太高或者曝露时间太长，藻类的生长都会受到抑制。此外，随着在所述生物反应器中藻类细胞的密度的增加，更接近光源的藻类细胞限制更远的那些藻类细胞吸收光的能力。
生物反应器的商业接受性取决于许多因素，诸如例如，制造成本，运转成本，可靠性，耐用性，和可量测性。生物反应器的商业接受性还取决于它们增加生物质产量，同时减少生物质生产的成本的能力。因此，可以理想地具有为生物反应器提供光和保持在反应器中培养的生物质的光合作用过程的新方法。
本发明公开内容旨在克服上文所述的一个或多个缺点，并且进一步提供相关的优点。
简述
在一个方面中，本发明公开内容涉及用于培养光合生物的生物反应器。所述生物反应器包括容器和第一照明系统。
所述容器包括外表面和内表面。在一些实施方案中，所述内表面限定一个分离的空间，其被设置成保留多种光合生物体和培养基。
所述第一照明系统容纳在容器的分离的空间中。在一些实施方案中，所述照明系统包括一个或多个发光基质，每个具有第一表面和与第一表面相对的第二表面。所述一个或多个发光基质被设置成向在所述分离的空间中保留的多种光合生物中的至少一些，从所述第一表面提供第一个量的光和从所述第二表面提供第二个量的光。
在另一个方面中，本发明公开内容涉及为在生物反应器内的液体培养基中的多种光合生物中的基本(substantial)部分提供光能的方法。
所述方法包括，提供生物反应器外壳结构，所述外壳结构具有外表面和内表面。在一些实施方案中，所述内表面限定被设置成容纳多种光合生物和液体培养基的分离的空间。所述方法可以进一步包括提供多种光能-供应基质。在一些实施方案中，每种光能-供应基质包括第一侧面和与所述第一侧面相对的第二侧面。在一些实施方案中，所述第一和第二侧面包括一个或多个光-能-供应元件，所述元件形成光-能-供应区域部分。所述光能-供应基质容纳在所述生物反应器的分离的空间内。所述方法可以进一步包括垂直混合包含在液体培养基中的光合生物。在一些实施方案中，所述方法可以进一步包括向在所述生物反应器中的多种光合生物中的基本部分从所述光能-供应基质提供有效量的光能。
在另一个方面中，本发明公开内容涉及光合作用生物质培养系统。所述光合作用生物质培养系统包括生物反应器和控制器。所述控制器被设置成自动控制与培养光合作用生物质相关的至少一个工艺变量。
所述生物反应器包括具有外表面和内表面的结构，和照明系统。在一些实施方案中，所述内表面限定被设置而保留混悬在培养基中的光合作用生物质的分离的空间。所述照明系统容纳在该结构的分离的空间中，并且可以包括一种或多种发光元件，所述发光元件包括发光区。在一些实施方案中，所述发光区形成发光区与反应器体积界面的部分。
在另一个方面中，本发明公开内容涉及一种生物反应器，其被设置而增加位于所述生物反应器内的光合生物的光曝露。所述生物反应器包括至少第一和第二水平面，其分别用于支持光合生物的第一和第二表面层。在一些实施方案中，第一水平面与第二水平面物理分隔。所述生物反应器还包括照明系统，其安排而将第一个量的光导向第一表面层的光合生物，并且进一步安排其将第二个量的光导向第二表面层的光合生物。
在另一个方面中，本发明公开内容涉及增加发光区与光生物反应器的光生物反应器-体积界面的比例。所述方法包括将排出流引入光生物反应器，所述光生物反应器包括具有限定光生物反应器体积的内表面的结构。
所述方法进一步包括将排出流分离，以将一部分排出流引入包括第一个量的藻类的光生物反应器的第一区域，并且将另一部分排出流引入包括第二个量的藻类的光生物反应器的第二区域。
所述方法还可以包括将来自光源的光导向光生物反应器中的至少一些藻类，以促进藻类的光合反应，所述光源包括一个或多个发光元件，所述发光元件包括发光区域，所述发光区域形成发光区域与光生物反应器-体积界面的部分。
在另一个方面中，本发明公开内容涉及用于从藻类生产生物燃料的生物系统。所述系统包括生物反应器、控制系统和光源。
所述生物反应器包括照明系统，其被安排而将一定量的光导向位于所述生物反应器内的至少一些藻类，所述藻类和照明系统分别定向于生物反应器内，以增加藻类的光合作用过程。
所述控制系统与生物反应器耦合，以监视和/或控制生物反应器内的至少一种环境条件。在一些实施方案中，光源光耦合到照明系统上。
在另一个方面中，本发明公开内容涉及在生物反应器中培养藻类的方法。所述方法包括将第一种藻类和第二种藻类一起放置于生物反应器的一部分中，其中所述第一种藻类包括第一光吸收能力，并且所述第二种藻类包括第二光吸收能力。该方法进一步包括将光可控地导向第一和第二种藻类。
在还有的另一个方面中，本发明公开内容涉及用于从藻类提取液体的生物系统。所述系统包括生物反应器、控制系统、光源、提取系统、入口和出口。
所述生物反应器包括照明系统，其被安排而将一定量的光导向放置于生物反应器内部的至少一些藻类上，所述藻类和照明系统分别定向于生物反应器内，以增加藻类的光合作用过程。所述生物反应器还包括与生物反应器耦合的控制系统，以监视和/或控制在所述生物反应器内的至少一种环境条件。
光源光耦合到照明系统上。提取系统是可操作的，以从来自至少一些藻类的藻类提取，例如，液体、医药化合物、和/或标记的化合物。入口与生物反应器耦合，并且被设置成接收排出流。出口是可操作的，以排出至少一些藻类。在一些实施方案中，出口耦合到提取系统上，以向其中引入至少一些藻类。
附图一些视图的简述
在附图中，相同的参考数字标识相似的元件或操作。在附图中元件的大小和相对位置不必按比例绘制。例如，许多元件和角的形状不是按比例绘制，并且这些元件中的一些任意地放大和安置，以提高附图的易辨认性。此外，如绘制的元件的具体形状，并不意欲传达关于所述具体元件的实际形状的任何信息，并且仅是出于在附图中容易识别而选择。
图1A是按照一个举例说明性实施方案的生物反应器的等比例顶视图。
图1B是显示按照一个示例性实施方案的生物反应器系统的功能性方块图。
图2是按照一个举例说明性实施方案的生物反应器的装配分解图。
图3是按照一个举例说明性实施方案的生物反应器的装配分解图。
图4是按照一个举例说明性实施方案的生物反应器的顶视、装配分解的剖面图。
图5是按照一个举例说明性实施方案的生物反应器的光系统部件和喷射系统的等比例顶视图。
图6是按照一个举例说明性实施方案的生物反应器的发光基质的等比例顶视图。
图7是按照一个举例说明性实施方案的生物反应器的示意图。
图8是按照一个举例说明性实施方案的生物反应器的照明系统的示意图。
图9是将光能提供给在按照一个举例说明性实施方案的生物反应器内的液体培养基中的多种光合生物的基本部分的方法的流程图。
图10是提高按照一个举例说明性实施方案的光生物反应器的发光区域与光反应器-体积界面的比例的方法的流程图。
详述
在下述描述中，包含特别具体的详细描述，以提供对各个公开的实施方案的透彻理解。然而，相关领域的技术人员应该认识到，实施方案可以不用一种或多种这些具体的详细描述，或者使用其它方法、成分、物质等而实施。在其它情形中，与生物反应器相关的公知结构，排出物流进出生物反应器的转移，不同类型的生物质(例如，藻类等)的光合作用和脂质提取工艺，包括光学转换装置、光纤的光纤光学网络、包括太阳能点阵单元和太阳能收集器机械的太阳能收集系统，监视和收集生物质(例如，藻类等)以提取用于生物燃料目的的油、和/或将处理的生物质(例如，藻类等)转化成原料的方法，没有进行显示或详细描述，以避免对本叙述的混淆。
除非上下文另外需要，在贯穿整个说明书和后附的权利要求中，词语“包括(comprise)”及其变体，诸如“包括(comprises)”和“包括(comprising)”以开放的、综合性的意义解释，其类似于“包括，但不限于”。
在整个说明书中提及“一个实施方案”，或“实施方案”，或“在另一个实施方案中”意指，结合所述实施方案描述的具体提及的性质、结构或特征包括在至少一个实施方案中。因此，短语“在一个实施方案中”或“在实施方案中”或“在另一个实施方案中”在整个说明书中许多地方的出现不必都是指同一个实施方案。此外，具体的性质、结构或特征可以以任何适当的方式与一个或多个实施方案结合。
应该注意，当用于本说明书和后附的权利要求时，单数形式“一个(a)”“一个(an)”和“所述(the)”包括复数指示物，除非内容另外清楚地指明。因此，例如，提及包括“光源”的生物反应器包括单个光源，或者两个或更多个光源。还应该注意到，术语“or(或者)”以其包括“和/或”的意思使用，除非内容另外清楚地指明。
当用于本文和权利要求时，术语“生物反应器”一般是指能够支持生物活性环境的任何系统、装置或结构。生物反应器的实例包括发酵罐、光生物反应器、搅拌罐反应器、气升式反应器(airlift reactors)、空气作用混合的反应器、流化床反应器、固定薄膜反应器、中空-纤维反应器、旋转细胞培养反应器、填充层反应器、大型生物反应器和微型生物反应器等，或它们的组合。
在一些实施方案中，所述生物反应器是指在细胞培养的情形中培养细胞或组织的装置或系统，诸如一次性使用的室或包，其称为CELLBAG
Figure A20068005072600171
由Panacea溶液公司制备，并且其可以用于由威伍生物技术有限公司(WaveBiotechs，LLC)开发的系统。在另一个实施方案中，所述生物反应器可以是特别设计用于快速培养、转化和/或降解有机结构的垃圾埋填器(landfill)。在另一个实施方案中，所述生物反应器包括球体和位于球体外面的镜子，其中球体的形状将包含在其中的藻类的表面和体积比例最大化，并且将来自光源的光如阳光提供到球体内的波导最大化。
在一些实施方案中，所述两个或多个生物反应器可以耦合在一起成为多反应器系统。在其它实施方案中，所述两个或多个生物反应器可以并行和/或串联地耦合。
当用于本文和权利要求时，术语“生物质”一般是指任何生物物质。“生物质”的实例包括光合生物、活细胞、生物活性物质、植物物质、活的和/或最近活的生物物质，等等。“生物质”的其它实例包括哺乳动物、动物、植物和昆虫细胞，以及细菌、藻类、浮游生物和原生动物的许多物种。
本文提供的标题只是出于方便，并不是解释本发明的范围或意思。
图1A显示用于培养光合生物的示例性生物反应器系统10。系统10包括生物反应器12，外壳(housing)结构14、16和支持结构20。系统10可以进一步包括侧面结构22。
参考图1B，生物传感器系统10还可以包括控制系统200，其可操作而控制递送至生物反应器12的电压、电流和/或功率，以及自动控制至少一个工艺变量和/或应激变量，所述应激变量改变或影响生物体的生长和/或发育(例如，改变应激变量而诱导营养匮乏、氮-不足、硅-不足、pH、CO2水平、氧气水平、鼓泡程度、或影响生物体的生长和/或发育的其它条件)。在一些实施方案中，生物反应器12可以在严格的环境条件下运行，所述严格的环境条件要求控制一个或多个与培养和/或生长光合作用生物质相关的工艺变量。例如，生物反应器系统10可以包括一个或多个子系统，用于控制气体流速(例如，空气、氧气、CO2等)、排出流、温度、pH平衡、营养供给、其它生物体胁迫，等等。
控制系统200可以包括一个或多个控制器202，诸如微处理器，数字信号处理器(DSP)(未显示)，专用集成电路(ASIC)(未显示)等。控制系统200还可以包括一个或多个存储器，例如，随机存取存储器(RAM)204，只读存储器(ROM)206等，所述存储器通过一条或多条总线而与控制器202耦合。控制系统200还可以包括一个或多个输入装置208(例如，显示器、触摸屏显示器等)。控制系统200还可以包括离散的和/或集成的电路元件210，以控制电压、电流和/或功率。在一些实施方案中，控制器200被设置成基于测量的光密度而控制与一种或多种发光基质34相关的光强度、照明强度、发光模式、峰值发射波长、脉冲持续时间(on-pulse duration)、和脉冲频率中的至少一种。
生物反应器系统10还包括多个控制器系统200，传感器212，以及机械搅拌器214，和/或过滤系统等。这些装置可以通过中央控制系统200控制和操作。在一些实施方案中，一个或多个传感器212是可操作的，以确定下列各项中的至少一项：温度、压力、光强度、光密度、气体含量、pH、液面、鼓泡气体流速、盐度、荧光、吸收、混合、和湍流，并且控制器200可以被设置成基于感应到的温度、压力、光强度、光密度、气体含量、pH、液面、鼓泡气体流速、盐度、荧光、吸收、搅拌或湍流而控制下列各项中的至少一项：照明强度、照明模式、峰值发射波长、脉冲持续时间、和脉冲频率。
生物反应器系统10还可以包括与检测器协作的子系统和/或装置，并且可能控制操作方面，诸如温度，盐度，pH，CO2水平，O2水平，营养水平，和/或光供应等。在一些实施方案中，生物反应器系统10可以包括提高或降低单个的或以任何组合的每个方面或参数的能力，例如，温度可以升高或降低，气体水平可以升高或降低(例如，CO2，O2，等)，pH、营养水平、照明和光可以升高或降低。光可以是自然的或人造的。一些普通照明控制方面包括控制在例如在生物反应器12中的藻类实体的部分上操作的光的持续时间，循环所述光(以包括光亮和黑暗期间)，例如人造光，以延长藻类在白天时间后的生长，控制光的波长，控制照明模式，和/或控制光的强度。
生物反应器系统10还可以包括二氧化碳回收系统216，用于从例如工业来源(例如，工业工厂、油田、煤矿等)的废气中回收、处理、提取、利用、净化、清洁和/或纯化二氧化碳供应。
生物反应器系统10还可以包括一个或多个营养供应系统218，太阳能供应系统220和热交换系统222。
营养供应系统218可以包括一个或多个排出流和/或营养流，或者是一个或多个排出流和/或营养流的一部分。排出物通常视为流出的东西，如流出水体的细流，例如，这包括但不限于，从废水处理厂排出的废水，脱盐厂的废盐水，和/或核电厂的冷却水。在藻类培养的情形中，排出流包含为在生物反应器12的内部和/外部存在的藻类提供养分的营养物。在一个实施方案中，排出流包括来自废水处理厂(例如，下水道、垃圾、动物、屠宰场、卫生间、户外厕所、移动卫生间废物、等等)的生物废物或废污泥。这样的排出流(包括由这些废物内的细菌产生的CO2)可以导向藻类，在这种情形下，藻类从排出流中去除氮、磷酸盐和二氧化碳(CO2)。在另一个实施方案中，排出流包括来自发电厂的废气。藻类去除废气中的CO2和各种氮化合物(NOx)。在每一个前述的实施方案中，藻类使用CO2，特别地，用于光合作用过程。藻类在光合作用期间产生的氧气可以用来，例如，进一步促进在废物排出流中的细菌生长和CO2生产。此外，应该理解，排出流可以用许多其它的营养物和/或生物物质接种，以刺激和提高藻类的生长速率、光合作用过程和总体培养。
太阳能供应系统220可以收集和/或供应阳光，以及将光线导向生物反应器12中。在一些实施方案中，太阳能供应系统220包括太阳能收集器和太阳能集中器，其包括设置和放置以收集和集中阳光的多个光学元件。
热交换系统222典型地控制和/或保持生物反应器12内恒温(我们可以在生长周期结束时改变温度，即，降低温度以使藻类应激，促进油的生产等)。在一些实施方案中，热交换系统222和控制系统200操作以保持生物反应器12内恒温，从而维持内部的生物过程。
生物反应器系统10还可以包括生物质和/或油回收系统224，和生物燃料生产系统226。
生物质和/或油回收系统224可以采用藻油回收系统的形式，并且还可以包括提取系统，诸如挤压装置或离心装置，以从光能生物体(例如，藻类等)提取例如液体、医药化合物、和/或标记的化合物。使光能生物体产生医药化合物和/或标记的化合物(例如，同位素标记的化合物等)的方法和技术是本领域公知的。
提取系统可以位于生物反应器12的内部或外部。另外或者备选地，提取系统可以包括提取剂，其选自化学溶剂、超临界气体或液体、己烷、丙酮、液态石油产品和伯醇。在其它实施方案中，提取系统包括从藻类遗传学、化学、酶促、或生物提取或促进从藻类提取液体的方式。
在一些实施方案中，转化系统可以是与提取系统可操作地耦合的，以接收脂质并将脂质转化成生物燃料。在一个实施方案中，转化系统包括酯基转移催化剂和醇。在其它实施方案中，转化系统包括用于将脂质遗传学、化学、酶促或生物转化成生物燃料的备选装置。
在一些实施方案中，可以使用各种酶，以在提取之前分解藻类细胞结构，由此促进后续的提取步骤，例如，将物理提取过程中诸如挤压或离心装置中所需要的能量减到最小。
生物燃料生产系统226可以包括从生物质加工和/或精炼生物燃料的公知的各种技术。例如，可以使用催化裂解方法而生产其它理想的燃料产品和/或副产品(bi-product)。催化裂解将生物燃料中的复杂的烃分解成更简单的分子，以产生更高质量和更大量的更轻、更理想的燃料产品，同时还减少生物燃料中的残渣的量。催化裂解方法将生物燃料中的烃化合物的分子结构重排，以将重烃原料转化成更轻的级分，诸如煤油、汽油、LPG、民用燃料油和石化原料。
例如，催化裂解是其中催化物质促进重烃分子转化成轻烃产物的过程。与热裂解过程相比，催化裂解过程可以是有利的，原因在于，例如，与热裂解相比，在更加不剧烈的操作条件下可以获得提高质量的燃料产量。三种类型的催化裂解过程是流体催化裂解(FCC)，移动床催化裂解，和塞摩福流动床催化裂化(TCC)。催化裂解方法是非常灵活的，并且可以调整操作参数，以满足改变的产品的需要。除了裂解，催化活性包括脱氢、氢化和异构化作用，如在，例如，美国专利号5,637,207中所述。
生物柴油和从如藻类生产生物柴油可以用于多种应用。这样的应用包括生物柴油的生产，和随后精炼成其它燃料，包括可以用作或者作为喷气机燃料(例如，煤油)的成分。这样的生产可以使用催化裂解或从由藻类产生的生物燃料产生这样的燃料的任何其它已知的方法而发生。在一个实施方案中，这样的精炼作为用于从藻类提取生物燃料的相同系统的一部分而发生。在另一个实施方案中，生物燃料通过卡车、管道或其它方式运输到第二地点，在第二地点发生将所述生物燃料精炼成其它燃料诸如上文提及的那些。
在一些实施方案中，系统10采取被设置成从藻类生产生物燃料的生物系统的形式。所述生物系统包括生物反应器12，其具有照明系统，该照明系统被排列而将一定量的光导向位于生物反应器12内部的至少一些藻类上。藻类可以通过排出流引入生物反应器12，或者藻类可以在引入排出物之前就存在于生物反应器12内，或者可以在引入排出物或营养流之前、与之同时或之后接种。在生物反应器12中可以放置至少一个或多个滤器，以从排出流过滤非藻类类型的颗粒，和/或基于藻类的一些特征或物理性质而分离藻类。
照明系统可以安置在生物反应器12内，以提高藻类的光合作用速率，并且因此增加藻类的脂质产率。所述生物系统还可以包括控制系统200，其与生物反应器12耦合和/或位于生物反应器12内，以监视和/或控制生物反应器12内的至少一种环境条件，例如，温度、湿度、排出流流速等。在一些实施方案中，控制系统200控制位于生物反应器12的第一区域内的一个或多个传感器212(例如温度传感器)。在一些实施方案中，恰好在藻类进入生物反应器12之前或者恰好在藻类进入生物反应器12之后，光密度测量装置测量至少一些藻类的具体的重力和/或浓度。
光源光耦合到照明系统上。在一个实施方案中，光源是多个LEDs，其将人造光导向至少一些藻类。在另一个实施方案中，光源是收集阳光的太阳能收集器。太阳能收集器与照明系统耦合，其包括光纤光波导网和光学开关，以将太阳能收集器收集的光的至少一部分发送、引导和最后发射到生物反应器内的至少一些藻类上。
在另一个实施方案中，所述生物反应器包括可以在人造光和自然光之间转换的一个或多个光源。在这样的一个实施方案中，所述系统可以被设置成在可获得太阳光的时间里利用自然光，并且当太阳输出量低于预先确定的水平时，自动或人工转换到人造光。此外，一个、两个或多个光源可以实施自然和人造发光，或第一光源可以提供人造光源，而第二光源可以提供自然光。备选地，一个或多个光源可以在不同水平面上同时操作，以将生物体(例如，藻类)的光可用性最大化。
在一些实施方案中，搅拌系统安排在生物系统内，以搅拌、循环或者另外处理水、藻类、排出的营养流、废气、或它们的一些组合。搅拌系统可以这样设置，以致藻类连续混合，其中至少一些藻类曝露于光，而另一些藻类不曝露于光(例如，其余的藻类置于黑暗周期)。搅拌系统可以操作，以有利地减少提供光的光合作用表面积比上生物反应器12内部藻类的体积的量，然而仍然获得理想的脂质产量(备选地，在我们目前的设计中，我们通过开/关光源而提供光照/黑暗循环)。
在各种应用中，包括生物反应器12和提取系统224，以及任选地用于精炼或加工生物燃料的系统226的生物系统，可以附着到废物处理设备上，以致所述生物系统将来自废物处理设备的排出流用作藻类的营养源，其后来收获为可以用作废物处理设备的内源的生物燃料。
在其它应用中，包括生物反应器12和提取系统224，以及任选地用于精炼或加工生物燃料的系统226的生物系统，可以集成到汽车、火车、飞机、轮船、或具有内燃发动机的任何其它交通工具上。在这样的应用中，例如，由发动机产生的CO2可以由回收系统216用作藻类的营养源，并且由发动机产生的热可以用来促进藻类生长(例如，通过集成热电装置，以将热转化成电，为生物反应器的光源供电)。
在其它实施方案中，包括生物反应器12和提取系统224，以及任选地用于精炼或加工生物燃料的系统226的生物系统，可以与发电厂合作使用。在这样的实施方案中，在发电厂产生的多余的热可以用来加热和干燥所收获的藻类。在某些实施方案中，特别在其中所收获的藻类具有大于约70％的烃含量的实施方案中，所收获的藻类可以直接用作发电厂的燃料，无需任何提取、精炼或加工步骤。
在其它实施方案中，以便携式生物系统形式的系统10可以投降在灾区，作为为紧急应用提供燃料的装置，所述生物系统包括生物反应器12和提取系统224，以及任选地用于精炼或加工生物染料的系统226。
尽管自从至少在20世纪60年代末期，培养和收获用于生物燃料或生物柴油、原料、和/或其它目的的藻类(广义上叫作生物质)就已经广为人知，但是在这一技术中存在复兴的兴趣，部分是由于上涨的石油成本。显微镜可见的藻类(以下叫作微藻)视为极好的光合作用体，并且许多物种生长迅速，富含脂质，特别是油。微藻的一些物种是非常富含油，以致油占大于50％的微藻实体。例如，微藻的这些和其它令人感兴趣的性质和特点在Olivier Danielo，Biofutur，No.255(2005年5月)的“An Algae-Based Fuel(基于藻类的燃料)”中讨论。
通常已知生产高百分比的油的两种类型的微藻是布朗产烃葡萄藻(Botryococcus braunil)(通常缩写为“Bp”)和硅藻(Diatbms)。硅藻是单细胞藻类，通常属于硅藻科，并且在颜色上典型地为褐色到金黄色。硅藻的细胞壁由硅形成。
全世界大约有100,000个已知的藻类物种，并且据估计每年发现大于400个新物种。藻类主要通过它们的细胞结构，色素组成，养料储备的性质，和鞭毛的存在、数量和结构而区分。藻门(界)包括，例如，蓝/绿藻(蓝藻门(Cyanophyta))，类眼虫鞭毛藻(eugienids)(裸藻门(Euglenophyta))，黄/绿和金黄/褐藻(金藻门(Chrysophyta))，甲藻(dinoflagellates)和相似的类型(甲藻门(Pyrrophyta))，红藻(红藻门(Rhodophyta))，绿藻(绿藻门(Chlorophyta))，和褐藻(褐藻门(Phaeophyta))。
在生物燃料的生产中，已知微藻生长更快，并且与用于生产生物燃料的其它陆生植物如油菜籽、小麦或玉米相比，可以合成多达30倍更多的油。确定微藻的生物燃料产量或生产力的一个主要因素是曝露于太阳光的藻类的量。
许多类型的藻类生产副产品，诸如着色剂、多不饱和脂肪酸和生物活性的化合物。这些和其它的藻类副产品可以有效用于食品产品、医药品、补充物和药草以及个人卫生产品中。在一个实施方案中，在脂质提取后残留的藻类副产品用于生产动物饲料。
在本文所述的系统、装置和方法的许多实施方案中的一些实施方案中，所用的藻类可以进行遗传修饰，例如，增加藻类的油含量，增加藻类的生长速率，改变藻类的一个或多个生长要求(诸如，光、温度和营养要求)，提高藻类的CO2吸收率，提高藻类去除来自废物排出流的污染物的能力(例如，氮和磷化合物)，增加藻类的氢生产，和/或促进从藻类的油提取。参见，例如，美国专利号5,559,220；5,661,017；5,365,018；5,585,544；6,027,900；以及美国专利申请公布号2005/241017。
参考图2，3，4，和5，生物反应器12可以包括至少一个容器24，其具有外表面26和内表面28。在一些实施方案中，内表面28限定分离的空间30，所述分离的空间30被设置成保留生物质，光合生物，活细胞，生物活性物质等。例如，由容器24的内表面28限定的分离的公开30可以用来保留多种光合生物和培养基。
生物反应器12可以采取多种形状、大小和结构构型，并且包括多种物质。例如，生物反应器12可以采用圆柱形、管状、长方体、多面体、球形、正方体、锥体形状等，以及其它对称的和不对称的形状。在一些实施方案中，生物反应器12可以包括基本上任何形状的横截面，包括圆形、三角形、正方形、矩形、多边形等，以及其它对称和不对称的形状。在一些实施方案中，生物反应器12可以采取包封的容器32的形状，所述包封的容器32具有一个或多个围套(enclosure)和/或隔室，其能够保持和/或进行化学过程，诸如例如，培养光合生物，有机物质，生物活性物质等。
在用于制备生物反应器12的容器24的材料中，实例包括半透明的和透明的材料、光导材料、玻璃、塑料、聚合物材料等，或它们的组合或复合物，以及其它材料，诸如不锈钢、芳纶等，或它们的组合或复合物。
在一些实施方案中，容器24可以包括一个或多个透明的或半透明的材料，以允许光透过外表面到达保留在所述分离的空间中的多种光合生物和培养基。在另一些实施方案中，容器24的基本部分包括透明或半透明的材料。透明或半透明材料的实例包括玻璃、PYREX玻璃、有机玻璃、丙烯酸树脂、聚甲基丙烯酸酯、塑料、聚合物等，或它们的组合或复合物。
生物反应器12还可以包括第一照明系统32。在一些实施方案中，所述第一照明系统32容纳在容器24的分离的空间30内。所述第一照明系统32可以包括一种或多种发光基质34。在一些实施方案中，每个发光基质34具有第一表面36和与第一表面相对的第二表面38。所述一个或多个发光基质34可以提供来自第一表面36的第一个量的光，和来自第二表面38的第二个量的光，供应到保留在所述分离的空间内的多种光合生物的至少一些上。在一些实施方案中，所述一个或多个发光基质34被设置成提供至少第一和第二发光模式。所述第一照明系统32还可以进一步包括至少第一照明强度水平和与第一照明强度水平不同的第二照明强度水平。在一些实施方案中，所述第二个量的光具有与所述第一个量的光不同的以下至少一个：光强度、照明强度、发光模式、峰值发射波长、脉冲(on-pulse)持续时间和脉冲频率。在一些其它的实施方案中，所述第二个量的光与所述第一个量的光相同。
在一些实施方案中，生物反应器12可以包括容纳在生物反应器12的内部30中的一个或多个镜式和/或反射表面。在一些实施方案中，生物反应器12的内表面28的一部分可以包括镜式和/或反射表面，诸如例如，膜、涂层、光学活性涂层、镜式的和/或反射的基质等。在另一些实施方案中，框架结构14，16可以在邻近容器24的外表面26的部分包括一个或多个镜式和/或反射表面。
在一些实施方案中，所述一个或多个镜式和/或反射表面可以被设置成将由照明系统32发射的光最大化。
发光基质34可以包括单个发光表面，或者可以包括具有多个发光表面的多个侧面排列。所述发光基质34可以采用多种形状和大小。在一些实施方案中，所述发光基质34可以包括基本上任何形状的横截面，包括圆形、三角形、正方形、矩形、多边形等，以及其它对称的和不对称的形状。
所述一个或多个发光基质34可以包括多个发光二极管(LEDs)。包括有机发光二极管(OLEDs)的LEDs采用多种形式和类型，包括，例如，标准的、高强度的、超亮的、低电流类型的等。所发射光的“颜色”和/或峰值发射波长谱通常取决于所用的半导体物质的组成和/或条件，并且可以包括在红外、可见、近紫外和远紫外光谱中的峰值发射波长。典型地，LED的颜色由所发射的光的最大波长决定。例如，红色LEDS具有从约625nm到约660nm范围内的最大发射。LEDs颜色的实例包括棕黄色、蓝色、红色、绿色、白色、黄色、桔红色、紫外等。LEDS的其它实例包括二色、三色等。
某些生物质，例如植物、藻类等，包括两种类型的叶绿素，叶绿素a和b。每种类型典型地具有特征性吸收谱。在一些情形中，某些生物质的光合作用谱与例如叶绿素的吸收谱相关(但不同)。例如，叶绿素a的吸收谱可以包括在约430nm和662nm的最大吸收，并且叶绿素b的吸收谱可以包括在约453nm和642nm的最大吸收。在一些实施方案中，所述一种或多种发光基质34可以被设置成提供与叶绿素a和叶绿素b的吸收谱相关的一个或多个最大发射。
多个发光二极管(LEDs)可以采取，例如，至少一个发光二极管(LED)阵列的形式。在一些实施方案中，多个发光二极管(LEDs)可以采取多个二维发光二极管(LED)阵列或至少一个三维发光二极管(LED)阵列的形式。
例如，LEDs的阵列可以使用倒装晶片(flip-chip)排列安置。倒装晶片是一种安置不需要芯片之间的电线连接的排列的集成电路(IC)芯片类型。因此，可以不使用典型地连接芯片/具有连接元件的基质的电线或导线，以减少所述一种或多种发光基质34的性质。
在一些实施方案中，替代电线连接，焊接珠或其它元件可以安置或者存放到芯片衬垫上，以致当将所述芯片倒置安置在所述发光基质34内部或其上时，在所述发光基质34和所述芯片的传导线之间建立电连接。
在一些实施方案中，所述多个发光二极管(LEDs)包括从约450nm到约660nm范围内的峰值发射波长，从约10μs到约10s范围内的脉冲持续时间，和从约1μs到约10s的脉冲频率。
在一些实施方案中，所述一个或多个发光基质34包括多个光波导，以提供在位于所述生物反应器的外部的光源和容纳在所述分离的空间30内的第一照明系统32之间的光通讯。在一些实施方案中，所述光波导采取多条光纤的形式。
在一些实施方案中，第一照明系统32还可以在所述容器24的外表面26上包括至少一个光波导，其与第一照明系统32光耦合。所述至少一个光波导可以被设置成提供太阳能能源和容纳在所述分离的空间30内的第一照明系统32之间的光通讯。所述太阳能能源可以包括太阳能收集器和太阳能集中器，其与太阳能收集器和第一照明系统32光耦合。所述太阳能集中器可以被设置成集中由所述太阳能收集器提供的能量，并且向容纳在所述分离的空间30内的第一照明系统32提供集中的太阳能。
在一些实施方案中，所述一个或多个发光基质34包封在具有第一折射率(n1)的培养基和具有第二折射率(n2)的生长培养基中，以致在从约440nm到约660nm范围内的光谱选择的给定的波长下，在n1和n2之间的差异小于约1。具有第一折射率(n1)的培养基的实例包括矿物油(矿物还作用来冷却LEDs，并且在面板密封失败的情形中，防止水进入电子组件)，等等。
在一些实施方案中，控制器200被设置成基于测量的光密度，控制与所述发光基质相关的光强度、照明强度、发光模式、峰值发射波长、脉冲持续时间、和脉冲频率中的至少一种。
所述一个或多个发光基质34可以被设置成为保留在所述分离的空间30内的多种光合生物的基本部分供应有效量的光。在一些实施方案中，有效量的光包括足以维持具有大于约0.1g/l到约15g/l的光密度(OD)值的生物质浓度的量。光密度可以通过在一个面板表面上具有LED，并且在另一个面板表面上具有直接相对的光学传感器(或者这可以是在培养基内的分离的装置)而确定。对于每个藻类物种，采用生长的样品，并且通过过滤藻类和称重过滤所得物而确定浓度水平。样品以三种不同浓度水平的最小值而采用，并且这些值与在培养基内部的面板或装置之间的光学读数相对应，并且使用数据产生算法。然后，光密度可以使用生物反应器控制系统进行光学监视和操作。
在一些实施方案中，光的有效量包括足以维持光合生物的密度大于每升培养基1g光合生物的量。在一些实施方案中，光的有效量包括足以维持光合生物的密度大于每升培养基5g光合生物的量。在一些实施方案中，光的有效量包括足以维持光合生物的密度在每升培养基约1g光合生物到每升培养基约15g光合生物范围内的量。在另一些其它的实施方案中，光的有效量包括足以维持光合生物的密度在每升培养基约10g光合生物到每升培养基约12g光合生物范围内的量。在一些实施方案中，生物反应器12还可以包括传导探头70。生物反应器12还可以进一步包括一种或多个传感器，其包括溶解氧传感器72，74，pH传感器76，78，水平传感器68，CO2传感器，氧气传感器等。生物反应器12还可以包括一个或多个热电偶6。生物反应器12还可以包括，例如，入口和/或出口端口48，和入口和/或出口导管40，42，44，用于向生物反应器12或从生物反应器12提供或者排出加工元件、养分、气体、生物物质等。
培养基可以用于淡水、河口、盐水或海生细菌或藻类物种和/或其它微生物或浮游生物。培养基可以由盐如氯化钠和/或硫酸镁，大量营养素如含氮和磷的化合物，微量营养素如痕量金属，例如含钼化合物和/或维生素如维生素B12组成。培养基可以改良或者改变，以适应不同的物种和/或将培养物种的特征最优化，所述特征诸如生长速率、蛋白质生产、脂质生产和烃生产。
生物反应器10还可以包括第二照明系统，其与容器的外表面26相邻。所述第二照明系统可以包括至少一个发光基质34，其被设置成向保留在所述分离的空间30内的多种光合生物中的至少一些提供光，并且放置在最接近容器24内表面26的部分。在一些实施方案中，所述第二照明系统包括位于框架结构14的一侧的至少一个发光基质，和位于框架结构16的一侧的至少一个发光基质。
如在图6中所示，在一些实施方案中，所述一个或多个发光基质34采取光-能-供应基质34a的形式，所述光-能-供应基质34a具有第一侧面92和与第一侧面92相对的第二侧面94，第一和第二侧面92，94包括一个或多个光-能-供应元件92，其形成光-能-供应区域96的部分。在一些实施方案中，每个光-能-供应基质34a可以被包封、覆盖、层压、和/或包含在具有第一折射率(n1)的培养基中，并且培养基具有第二折射率(n2)，以致在从约440nm到约660nm范围内的光谱选择的给定的波长处，n1和n2之间的差异小于约1。
在一些实施方案中，光-能-供应基质34a包括多个光源92，其安放在柔软的透明基底上，形成光-能-供应区域96的一部分。光源92可以是电线连接的或安放到在所述柔软的透明基底上的倒装晶片排列中。在一些实施方案中，光-能-供应基质34a可以包括多个光波导，以提供在位于所述生物反应器的外部的光源和容纳在所述生物反应器的分离的空间内的多个光-能-供应基质之间的光通讯。在一些实施方案中，发光基质34可以是多孔的和亲水的。
在一些实施方案中，生物反应器系统10可以采取光合作用生物质培养系统的形式。所述生物质培养系统包括控制器200和生物反应器12，所述控制器200被设置成自动控制与培养光合作用生物质相关的至少一个工艺变量。生物反应器12包括结构24和照明系统32。
结构24包括外表面26和内表面28，内表面28限定分离的空间30，其包括被设置成保留混悬在培养基中的光合作用生物质的体积。照明系统32容纳在结构24的分离的空间30内。在一些实施方案中，照明系统32包括一个或多个发光元件34，其包括在其侧面94，98的每个侧面上的发光区域96，所述发光区域96形成发光区域96与反应器-体积界面的部分。在一些实施方案中，发光区域与生物反应器体积比例在约0.005m2/L到约0.1m2/L的范围内。所述发光元件可以采取多个二维发光二极管(LED)阵列或至少一个三维发光二极管(LED)阵列的形式。
所述光合作用生物质培养系统可以包括一个或多个传感器212，其可操作以测定下列各项中的至少一种：温度、压力、光强度、密度、气体含量、pH、液面、鼓泡气体流速、盐度、荧光、吸收、搅拌、湍流等。
控制器200被设置成自动控制选自下列各项的至少一个工艺变量：生物反应器内部温度、生物反应器压力、pH水平、营养流、培养基流、气体流、二氧化碳气体流、氧气流、光供应等。
在一些实施方案中，生物反应器12包括一个或多个排出流，其提供在生物反应器12的外部和/或内部之间的气体、液体等的流通。在一些实施方案中，生物反应器12可以采取包封系统的形式，其中没有排出流在连续的基础上进出。
如在图7和8中所示，生物反应器100可以被设置成增加位于生物反应器100内的光合生物的光曝露。例如，所述生物反应器可以包括至少所述生物反应器100的第一水平面106，用于支持光合生物的第一表面层104，和所述生物反应器100的第二水平面110，用于支持光合生物的第二表面层108。在一些实施方案中，所述第一水平面106与第二水平面110物理分隔。在一些实施方案中，放置在生物反应器100内的结构隔离物分隔各自的水平面106，110。
生物反应器100还可以包括照明系统，其包括多个光发射器118，其排列以将第一个量的光导向光合生物的第一表面层104，并且进一步排列以将第二个量的光导向光合生物的第二表面层108。在一些实施方案中，光合生物的第一表面层104包括来自第一门的藻类，并且光合生物的第二表面层108包括来自第二门的藻类。在另一些实施方案中，光合生物的第一和第二表面层104，108包括来自同一门的藻类。
所述照明系统包括多个发光二极管(LEDs)。在一些实施方案中，所述照明系统包括多个光纤波导。所述照明系统将人造光导向在所述生物反应器内的各自的光合生物表面层104，108。
在一些实施方案中，所述照明系统被设置成将自然光导向所述生物反应器内的各自的光合生物表面层104，108。生物反应器100还可以包括太阳能收集系统204，以接收太阳光，其中所述照明系统将至少一部分太阳光导向在所述生物反应器内的各自的光合生物表面层104，108。
例如，生物反应器可以是包封的容器，其中进行化学过程，例如，光合作用，所述化学过程包括生物体、有机物质、生化活性物质等。在一个实施方案中，所述生物反应器是由不锈钢、芳纶或等价材料制成的圆柱体装置。在另一个实施方案中，所述生物反应器是三角形的生物反应器，与美国Massachutes剑桥绿色燃料技术公司(GreenFuels TechnologyCoproration of Cambridge)生产的那种相似。在另一个实施方案中，所述生物反应器是指用于在细胞培养情形中培养细胞或组织的装置或系统，诸如一次性的室或袋，其称为CELLBAG
Figure A20068005072600301
，由Panacea溶液公司制备，并且可用于由威伍生物技术有限公司开发的系统。在另一个实施方案中，所述生物反应器可以是专门设计的用于快速培养、转化和/或降解有机结构的垃圾填筑地(landfill)。在另一个实施方案中，所述生物反应器包括球体和位于球体外部的镜子，其中球体形状将其中包含的藻类的表面与体积比例最大化，并且镜子将光，诸如太阳光，反射到球体内部。
生物反应器通常需要在严格的环境条件下操纵。因此，存在许多零件、组件和/或包括生物反应器的子系统，例如用于控制气体(例如，空气、氧气、CO2等)进出所述生物反应器、排出流、流速、温度、pH平衡等的子系统。应该理解，所述生物反应器可以使用多个传感器、控制器、机械搅拌器、和/或过滤系统等。这些装置可以通过中央控制系统控制和操作。应该理解，取决于所述生物反应器的位置和/或目的，生物反应器的设计和构型可能是复杂的和变化的。
在一个实施方案中，所述生物反应器包括子系统和/或装置，其与监视器协作，并且可能控制操纵方面，诸如温度、盐度、pH、CO2水平、O2水平、营养水平、和/或光。在其它方面，所述生物反应器可以包括提高或降低单个的或以任何组合的每个方面或参数的能力，例如温度可以升高或降低，气体水平可以升高或降低(例如，CO2，O2，等)，pH、营养水平、光等可以升高或降低。光可以是自然的或人造的。一些普通照明控制方面包括控制在生物反应器12中的藻类的部分上操作的光的持续时间，循环所述光(以包括光亮和黑暗期间)，例如人造光，以延长藻类在白天时间后的生长，控制光的波长，和/或控制光的强度。除此之外，这些方面在下文更详细地描述。
在一些实施方案中，生物反应器100可操作用于处理微藻。依据一个示例性的实施方案，生物反应器100可以包括许多个水平面、通道或管102。在许多实施方案中，水平面102可以包括叠放的藻类面板。微藻的第一表面层104在第一水平面106上光合合成，微藻的第二表面层108在第二水平面110上光合合成，等等。尽管只示例了两个水平面102，但是应该理解，生物反应器100可以具有“1-n”个水平面102，其中n大于2。
在一个实施方案中，能源112将微藻流114导向生物反应器100，在其中所述微藻被导向不同的水平面102。微藻可以基于许多标准而分开，诸如微藻的具体的密度、大小、和/或类型。另外，富含CO2的废气116可以导向生物反应器100，以富集微藻，并且为发生光合作用提供必需量的CO2，以及辅助从废气中去除CO2和其它气体。
在另一个实施方案中，将藻类接种或者预先放置在生物反应器100中。将排出流导向生物反应器100，以给藻类提供养分。所述排出流可以是上述废水流。另外或者备选地，富含CO2的废气可以导向生物反应器100，以富集微藻，并且为发生光合作用提供必需量的CO2。
藻类在其中培养的生物反应器100的通道102，可以具有多种构型和/或横截形状。例如，第一通道可以在某些地方是狭窄的，在另一些地方是宽的，以控制透到藻类上的光的量。例如，可以排列狭窄的通道，以为藻类提供黑暗循环，而宽通道允许藻类覆盖更大的表面积，以致更多的藻类曝露于光。
光合作用过程需要黑暗和光照循环。黑暗循环是藻类处理光的光子所必需的。在光照循环过程中，藻类吸收光的光子。通过举例的方式，当光的光子被吸收时，这发生在约10-14到10-10秒范围内，藻类花费约10-6秒实施光合作用，并且重新使自己准备好吸收另一个光子。因此，通道102和/或照明系统可以排列在生物反应器100中，以有利地控制光照和黑暗循环，从而提高其中的藻类的光合作用效率。
在一些实施方案中，许多个光发射器118排列在生物反应器100中，其位于最接近微藻表面层104，108的各个位置。光发射器118可以是发光二极管(LEDs)，其将人造光，诸如可见光或紫外光发射到微藻的表面层104，108上。在一个实施方案中，光发射器118是由光科学公司(Light SciencesCorporation)开发的LEDs。所述LEDs被隔开、定向、和/或另外被设置成将微藻中的光合作用过程最大化。例如，邻近放置的LEDs可以这样排列，以不同的角度引导不同波长的光，可以沿着所述通道或水平面102圆周排列，可以具有不同的扩散和/或分散特征，不同的光强度等。此外，至少一些光发射器118可以放置在管或通道102的内部部分或外部部分的外侧。在一些实施方案中，许多个光发射器118排列在生物反应器100内，位于微藻表面层104，108内的不同位置。
在另一个实施方案中，光发射器118是光纤波导，例如，其从LED’s接收人造光。在这个实施方案中，不同列的LEDs可以提供光波长不同的光。因此，第一组光纤波导可以接收第一波长的光，而第二组光纤波导可以接收第二波长的光。从LEDs发射的光的波长可以进行选择，以至少近似对应藻类的吸收能力，从而增加光合作用和/或生长过程。LEDs的电源可以来自铅板(grid)或者来自光电元件，如下述。关于光纤波导和光纤网络的其它详情通常在下文关于本发明另外的和/或备选实施方案的讨论中提供。
在另一个实施方案中，光发射器118是排列在板片上的LEDs，并且所述板片可以卷成通过其培养藻类的管或通道102。另外或者备选地，LEDs排列在透明管或线圈上。这些所谓的灯管纵向放置在管或通道102内，以致藻类沿着管102流动，那么更多的藻类细胞将曝露于来自多个灯管的光。因此，这种排列操作以增加在生物反应器100内的藻类的光合作用表面积。
在另一个实施方案中，多个LEDs耦合到或者放置在管或通道102的外部，并且定向以将光导入管或通道102内。另外或者备选地，所述管或通道102可以用在其内表面上的反射涂层作衬里，或者由反射材料制成。此外，当需要时，由LEDs产生的热可以通过生物反应器100发送到藻类和/或流出流。
图8显示依据一个示例性的实施方案，用于处理在多个水平面或通道202内的微藻的生物反应器200。出于简洁和清楚的目的，微藻的表面层，废气和生物反应器结构特征没有显示。生物反应器200支持太阳能收集系统204，用于收集太阳光并将所述光导入生物反应器200。在一个实施方案中，太阳能收集系统204与光纤电缆系统耦合，所述光纤电缆系统能够接收并且将太阳光发送到生物反应器200内，例如，如在美国专利号5,561,447中详细描述的那样。
在一个实施方案中，太阳能收集系统204包括内部的透明盖，以吸收光线并反射红外光，或者备选地，包括滤光器，以基本上滤去不需要波长的光，诸如具有在红外波长范围内的波长的光。依据一个实施方案，所述盖或滤光器可以放置在太阳能收集器外壳206内部，其可以放置在生物反应器200的顶部或者最接近生物反应器200。在另一个实施方案中，太阳能收集器外壳206远离生物反应器200放置，并且与光纤电缆或波导208耦合，其可以在地下发送到生物反应器200。另外，太阳能收集系统204可以包括固定部分210和旋转部分212。固定部分210可以安装在生物反应器200上。太阳能收集器外壳206与旋转部分212耦合，并且可控地旋转、倾斜、和/或回转(swiveled)(例如，达到6个自由度)，以致可以收集需要量的太阳能。
多个太阳能收集元件或光电元件排列在外壳206内一个框架中，并且朝向透明盖，以接收透过透明盖的光线。每个太阳能收集器元件包括透镜，如菲涅耳透镜，其安装在镜式的、漏斗形的收集器上，其又与至少一个光纤波导208耦合。光纤波导208可以成束或者独立地发送到生物反应器200的不同部分，以选择性地将光线导向放置在其中的微藻。在一个实施方案中，将具有棱镜盖的光色散部件与光纤波导208的输出端耦合，用于选择性地将光线散射到微藻的部分。
光纤波导208典型地包括由包层材料包绕的核心，其中光线通过所述核心传播。所述核心典型地由透明的硅石(例如，玻璃)或聚合物材料(例如，塑料)制成。在一个实施方案中，光纤波导208由分子改造的电学-光学聚合物制成，所述电学-光学聚合物可以从Lumera公司(LumeraCorporation)商购。
控制系统200可以用于引导光线通过光纤波导208，其通过选择性控制排列在光线网络上的许多个光学开关而进行。光纤开关214通常操作重新引导、指导、和/或阻断光线通过光纤网络传播。
光学开关通常可以分成下述几类：(1)光-机械开关，其包括微电子机械系统(MEMS)开关；(2)热-光开关；(3)液晶和聚合物中的液晶开关；(4)凝胶/油-基“泡沫”开关；(5)电全息开关；和其它开关，如声-光开关；半导体光学放大器(SOA)；和铁-磁开关。这些光学开关的结构和操作在，例如，Amy Dugan等，The Optical Switching Spectrum：APrimer onWavelength Switching Technologies(光学转换光谱：波长转换技术的入门)，Telecomm.Mag.；和Roland Len，Introduction to All Optical SwitchingTechnologies(所有光学转换技术的介绍)，第1卷，(2003年1月30日)中描述。
应该明白并且理解，用于太阳能收集系统204的光学开关可以按照任何前述的原理操作，或者可以按照不同的原理操作。在一个示例性的实施方案中，所述光学开关是由OKI
Figure A20068005072600351
光学零件公司(OKI
Figure A20068005072600352
 Optical ComponentsCompany)开发的“电吸收(EA)光学开关”。在另一个示例性的实施方案中，所述光学开关是由TRW公司开发的“有效的线性化半导体光学开关”(ELSOM)。在另一个示例性的实施方案中，所述光学开关是由朗讯技术公司微电子组(Microetectronics Group of Lucent Technologies，Inc.)开发的“铌酸锂(LiNbO3)光学开关”。在另一个示例性的实施方案中，所述光学开关是由Lumera公司开发的离散的、电光学开关。所述光学开关可以包括放大器或再生器，以调节光、电信号和/或光信号。
控制系统200提供引起至少一些光纤波导208以连续离散的时间发射光(例如，在藻类区域上扫描的光)和/或以变化的强度发射光的控制信号。应该理解，至少在一个实施方案中和在任何离散的时间时刻，至少一个光纤波导208可以处于发光状态，同时另一个光纤波导208处于不发光状态。应该理解，所述控制系统可以程序控制，以在生物反应器200内的微藻的至少各个不同部分上实现光的理想的发射顺序。
在实施方案中，其中藻类的多层包括叠放的藻类面板，具有CO2鼓泡作为养料，并且用于搅拌、人工照明的装置，诸如包含在所述面板内的LEDs或与太阳能收集装置连接的光纤原料，可以与藻类的吸收光谱匹配。所述面板可以是水平或垂直叠放的。
图9显示示例性方法600，其用于将光能提供给在生物反应器12内的液体培养基中的多种光合生物的基本部分。
在602，所述方法包括提供生物反应器外壳结构24，其具有外表面26和内表面28，内表面28限定分离的空间30，所述分离的空间30被设置成容纳多种光合生物和液体培养基。
在604，所述方法包括提供多个光-能-供应基质34。在一些实施方案中，所述多个光-能-供应基质34包括第一侧面36和与第一侧面36相对的第二侧面38。在一些实施方案中，所述第一和第二侧面36，38包括一个或多个光-能-供应元件92，其形成光-能-供应区域96的一部分，所述多个光-能-供应基质34容纳在生物反应器12的分离的空间30内。
在一些实施方案中，提供多个光-能-供应基质34包括提供足够量的所述一个或多个光-能-供应元件92，所述元件92形成光-能-供应区域96的一部分，以致光-能-供应区域96与所述生物反应器的分离的空间的体积比例大于约0.005m2/L。
在606，所述方法还包括垂直混合包含在液体生长培养基内的光合生物。垂直混合可以包括使用循环气或机械搅拌器或搅拌系统。所述方法还可以包括轴向混合包含在液体生长培养基内的光合生物。在一些实施方案中，所述方法还可以包括在光合作用期间搅拌在液体生长培养基中的光合生物。在一些实施方案中，一个或多个气体鼓泡器82可以用来提供包含在液体生长培养基中的光合生物的垂直和/或轴向混合。
在608，所述方法还包括从光-能-供应基质34为生物反应器12中的多种光合生物的基本部分提供有效量的光能。在一些实施方案中，从光-能-供应基质34提供有效量的光能包括足以维持生物质浓度在约0.1g/l到约17.5g/l的量。在一些实施方案中，从光-能-供应基质34提供有效量的光能包括足以维持光合生物的密度大于每升培养基约10g光合生物的量。所述方法还包括使光合生物应激，以影响，例如，脂质含量。应激的实例包括，参见，例如，Spoehr和Milner：1949，Plant Physiology(植物生理)24，120-149。特别地，氮缺乏减慢生长速率，并且导致高的油含量：1Tornabene等：1983，Enzyme and Microbial Technology(酶和微生物技术)，435-440；2-Lewin：1985，Production of hydrocarbons by mocro-algae：isolation andcharacterization of new and potentially useful algal stains(通过微藻生产烃：分离和特征性描述新的潜在有效的藻类株系)，SER1/CP-231-2700，43-51；3-Zhekisheva等：2002，Journal ofPhycology(藻类学杂志)，325-331。硅藻属中的硅缺乏产生相似的结果：Tadros和Johansen：1988，Journal ofPhycotogy(藻类学杂志)，445-452。在一些实施方案中，所述方法还包括温度应激所述光合生物。
图10显示示例性方法700，其用于增加发光区域与光生物反应器的光生物反应器体积界面的比例。
在702，所述方法包括将排出流导向生物反应器12。光生物反应器100包括具有限定光生物反应器体积的内部的结构。
在704，所述方法包括将排出流分离，以将一部分排出流导向具有第一个量的藻类104的生物反应器100的一个区域106，并且将另一部分排出流导向具有第二个量的藻类108的生物反应器100的另一个区域110。在一些实施方案中，所述排出流包括第一个量和第二个量的藻类。在一些实施方案中，所述第一个量的藻类104是第一种类型的藻类，并且第二个量的藻类108是不同的类型的藻类。
在706，所述方法还包括将来自具有一定的发光区域与生物反应器100的光生物反应器体积界面120的比例的光源的光导向在生物反应器100中的藻类104，108的至少一些，以促进藻类中的光合反应。权利要求10的方法，其中引导来自光源的光包括引导来自光纤网络的自然光。引导来自光源的光可以包括引导来自发光二极管(LED)的光。所述方法还可以包括在太阳能收集器中接收太阳光。在一些实施方案中，所述方法还包括在光合作用期间搅拌藻类。
在一些实施方案中，提高发光区域与光生物反应器-体积界面的比例还可以包括增加光密度/光合生物。
上述各个实施方案可以结合提供其它的实施方案。在本说明书中提及和/或在申请数据表上列出的所有的美国专利、美国专利申请公布、美国专利申请、外国专利、外国专利申请和非专利公布，通过引用完全结合于此，其包括但不限于：美国专利号5,581,447和美国专利号5,637,207，其通过引用完全结合于此。
各个实施方案的方面可以修改，如果需要，以使用不同专利、申请和公布的系统、电路和观念，以提供其它的实施方案，包括本文确定的那些专利和申请。尽管一些实施方案可以包括上文讨论的所有的照明系统、储存库、容器和其它结构，其它实施方案可以省略照明系统、储存库、容器或其它结构中的一些。然而，其它的实施方案可以使用通常上述的照明系统、储存库、容器和结构中的另外一些。甚至其它的实施方案可以省略上述照明系统、储存库、容器和结构中的一些，而使用通常上述照明系统、储存库、容器中的另外一些。
本领域的技术人员应该容易理解，本发明公开内容包括结合光源的系统、装置和方法，以通过本文所述的任何系统、装置和/或方法而培养和/或生长生物质、光合生物、活细胞、生物活性物质等。
这些和其它的改变可以依据上述详细叙述而进行。通常，在后附的权利要求中，所用的术语不应该解释为对在说明书和权利要求中公开的具体实施方案的限制，而是应该解释为包括依据权利要求操作的所有的系统、装置和/或方法。因此，本发明不受公开内容的限制，相反，其范围应该完全由后附的权利要求所确定。

Claims (75)

1.一种用于培养光合生物的生物反应器，其包括：
具有外表面和内表面的容器，所述内表面限定分离的空间，所述分离的空间被设置成保留多种光合生物和培养基；和
第一照明系统，其容纳在所述容器的分离的空间内，所述第一照明系统包括一个或多个发光基质，每个基质具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，所述一个或多个发光基质被设置成将来自所述第一表面的第一个量的光和来自所述第二表面的第二个量的光供应给保留在所述分离的空间内的多种光合生物中的至少一些。
2.权利要求1的生物反应器，其中所述第二个量的光具有与所述第一个量的光不同的下列各项中的至少一个：光强度、照明强度、发光模式、峰值发射波长、脉冲持续时间和脉冲频率。
3.权利要求1的生物反应器，其中所述第二个量的光与所述第一个量的光相同。
4.权利要求1的生物反应器，其中所述一个或多个发光基质被设置成将有效量的光供应给保留在所述分离的空间内的多种光合生物的基本部分。
5.权利要求4的生物反应器，其中所述有效量的光包括足以保持具有大于约0.1g/l到约17.5g/l的光密度(OD)值的生物质浓度的量。
6.权利要求4的生物反应器，其中有效量的光包括足以保持光合生物密度大于每升培养基1g光合生物的量。
7.权利要求4的生物反应器，其中有效量的光包括足以保持光合生物密度大于每升培养基5g光合生物的量。
8.权利要求4的生物反应器，其中有效量的光包括足以保持光合生物密度在每升培养基约1g光合生物到每升培养基约15g光合生物的范围内的量。
9.权利要求4的生物反应器，其中有效量的光包括足以保持光合生物密度在每升培养基约10g光合生物到每升培养基约12g光合生物的范围内的量。
10.权利要求1的生物反应器，其中所述一个或多个发光基质被设置成提供一定量的光，所述光包括与叶绿素a和叶绿素b的吸收光谱相关的一个或多个最大发射。
11.权利要求1的生物反应器，其中所述一个或多个发光基质包括多个发光二极管(LEDs)。
12.权利要求11的生物反应器，其中所述多个发光二极管(LEDs)包括：
在约440nm到约660nm范围内的峰值发射波长；
在约1μs到约10s范围内的脉冲持续时间；和
在约1μs到约10s范围内的脉冲频率。
13.权利要求1的生物反应器，其中所述一个或多个发光基质包括以至少一个发光二极管(LED)阵列形式的多个发光二极管(LEDs)。
14.权利要求1的生物反应器，其中所述一个或多个发光基质中的至少一个包括多个光波导，以提供在位于所述生物反应器外部的光源和容纳在所述分离的空间内的第一照明系统之间的光通讯。
15.权利要求1的生物反应器，其中所述一个或多个发光基质中的至少一个包括多条光纤。
16.权利要求1的生物反应器，其中所述第一照明系统还包括：
至少第一照明强度水平和与所述第一照明强度水平不同的第二照明强度水平；并且
其中所述一个或多个发光基质被设置成提供至少第一和第二发光模式。
17.权利要求1的生物反应器，其中所述第一照明系统还包括：
至少一个光波导，其在所述容器的外表面上，与所述第一照明系统光耦合，所述至少一个光波导被设置成提供在太阳能源和容纳在所述分离的空间内的第一照明系统之间的光通讯。
18.权利要求1的生物反应器，其中所述第一照明系统还包括：
太阳能收集器；和
太阳能集中器，其与所述太阳能收集器和所述第一照明系统光耦合，所述太阳能集中器被设置成将由所述太阳能收集器提供的太阳能集中，并且被设置成向容纳在所述分离的空间内的所述第一照明系统提供集中的太阳能。
19.权利要求1的生物反应器，其中所述一个或多个发光基质被包封在具有第一折射率(n1)的培养基和具有第二折射率(n2)的生长培养基中，以致在从约440nm到约660nm范围内的光谱选择的给定的波长下，在n1和n2之间的差异小于约1。
20.权利要求1的生物反应器，其还包括：
控制器，其被设置成基于测量的光合生物和培养基的光密度，控制与所述发光基质相关的光强度、照明强度、发光模式、峰值发射波长、脉冲持续时间、和脉冲频率中的至少一种。
21.权利要求1的生物反应器，其还包括：
一个或多个传感器，其可操作以确定温度、压力、光强度、光密度、气体含量、pH、液面和鼓泡气体流速中的至少一项；和
控制器，其被设置成基于感应到的温度、压力、光强度、光密度、气体含量、pH、液面、或鼓泡气体流速，而控制照明强度、照明模式、峰值发射波长、脉冲持续时间、和脉冲频率中的至少一项。
22.权利要求1的生物反应器，其中所述光合生物选自包括原核藻类和真核藻类的组。
23.权利要求1的生物反应器，其中所述光合生物选自一种或多种微藻。
24.权利要求1的生物反应器，其还包括：
至少一个气体来源，其与所述分离的空间流通。
25.权利要求1的生物反应器，其还包括：
第二照明系统，其邻近所述容器的外表面，所述第二照明系统包括至少一个发光基质，其被设置成向保留在所述分离的空间内的多种光合生物的至少一些提供光，并且位于最接近所述容器的内表面的部分。
26.权利要求1的生物反应器，其中所述容器的基本部分包括透明的或半透明的材料，所述材料允许光从所述外表面透到保留在所述分离的空间内的多种光合生物和培养基上。
27.权利要求1的生物反应器，其中所述容器的基本部分包括选择下列各项的透明的或半透明的材料：玻璃、PYREX
Figure A2006800507260004C1
玻璃、有机玻璃、丙烯酸树脂、聚甲基丙烯酸酯、塑料、或聚合物、或它们的组合或复合物。
28.一种向在生物反应器内的液体生长培养基中的多种光合生物的基本部分提供光能的方法，其包括：
提供具有内表面的生物反应器外壳结构，所述内表面限定分离的空间，所述分离的空间被设置成容纳多种光合生物和液体生长培养基；
提供多个光-能-供应基质，其具有第一侧面和与所述第一侧面相对的第二侧面，所述第一和第二侧面包括一个或多个光-能-供应元件，所述元件形成光-能-供应区域的一部分，所述多个光-能-供应基质容纳在所述生物反应器的分离的空间内；
垂直搅拌包含在液体生长培养基中的所述光合生物；和
从所述光-能-供应基质向所述生物反应器中的多种光合生物的基本部分提供有效量的光能。
29.权利要求28的方法，其中提供多个光-能-供应基质包括提供多个发光二极管(LEDs)，其可操作以发出在约440nm到约660nm范围内的峰值发射波长，在约1μs到约10s范围内的脉冲持续时间，和在约1μs到约10s范围内的脉冲频率。
30.权利要求28的方法，其中提供多个光-能-供应基质包括提供包括多个光波导的多个光-能-供应基质，所述光波导与位于所述生物反应器外部的光源和容纳在所述生物反应器分离的空间内的所述多个光-能-供应基质光耦合。
31.权利要求28的方法，其中提供多个光-能-供应基质包括提供多个这样的光-能-供应基质，其每一个包括具有第一折射率(n1)的表面涂层，以致在从约440nm到约660nm范围内的光谱选择的给定的波长下，在所述第一折射率(n1)和培养基的第二折射率(n2)之间的差异小于约1。
32.权利要求28的方法，其中提供多个光-能-供应基质包括提供足够量的所述一个或多个光-能-供应元件，所述元件形成光-能-供应区域的一部分，以致光-能-供应区域与所述生物反应器的分离的空间的体积的比例大于约.005m2/L。
33.权利要求28的方法，其中从所述光-能-供应基质提供有效量的光能包括足以维持具有大于约0.1g/l到约17.5g/l的光密度(OD)值的生物质浓度的量。
34.权利要求28的方法，其中从所述光-能-供应基质提供有效量的光能包括足以维持每升培养基大于约10g(干质量)光合生物的光合生物密度的量。
35.权利要求28的方法，其还包括：
轴向混合包含在所述液体生长培养基内的所述光合生物。
36.权利要求28的方法，其还包括：
在光合作用期间搅拌在所述液体生长培养基中的所述光合生物。
37.一种光合作用生物质培养系统，其包括：
控制器，其被设置成自动控制与培养光合作用生物质相关的至少一个工艺变量；和
生物反应器，其包括：
具有外表面和内表面的结构，所述内表面限定分离的空间，所述分离的空间被设置成保留混悬在培养基中的光合作用生物质；和
容纳在所述结构的分离的空间内的照明系统，所述照明系统包括一个或多个发光元件，所述发光元件包括发光区域，所述发光区域形成发光区域与反应器体积界面的一部分。
38.权利要求37的系统，其中所述发光区域与生物反应器体积比例在约.005m2/L到约0.1m2/L的范围内。
39.权利要求37的系统，其中一个或多个发光元件采取多个二维发光二极管(LED)阵列的形式。
40.权利要求37的系统，其中所述一个或多个发光元件采取至少一个三维发光二极管(LED)阵列的形式。
41.权利要求37的系统，其还包括：
一个或多个传感器，其可操作以确定下列各项中的至少一项：温度、压力、光强度、密度、气体含量、pH、液面、鼓泡气体流速、盐度、荧光、吸收、混合和湍流。
42.权利要求37的系统，其中所述至少一个工艺变量包括下列各项中的至少一项：生物反应器内部温度、生物反应器压力、pH水平、养分流、培养基流、气体流、二氧化碳气体流、氧气流、光供应。
43.一种生物反应器，其被设置成增加放置在所述生物反应器中的光
合生物的光曝露，所述生物反应器包括：
至少第一水平面，其支持第一表面层的光合生物；
第二水平面，其支持第二表面层的光合生物，所述第一水平面与所述第二水平面物理分开；和
照明系统，其被安排而将第一个量的光导向所述第一表面层的光合生物，并且进一步被安排而将第二个量的光导向所述第二表面层的光合生物。
44.权利要求43的生物反应器，其中所述第一表面层的光合生物包括来自第一门的藻类，并且所述第二表面层的光合生物包括来自第二门的藻类。
45.权利要求43的生物反应器，其中所述第一和第二表面层的光合生物包括来自同一门的藻类。
46.权利要求43的生物反应器，其中与所述第二水平面物理分开的所述第一水平面包括位于所述生物反应器内部的结构隔离物，以分离所述各个水平面。
47.权利要求43的生物反应器，其中所述照明系统包括多个发光二极管(LEDs)。
48.权利要求43的生物反应器，其中所述照明系统包括多个光纤波导。
49.权利要求43的生物反应器，其中所述照明系统将人造光导向在所述生物反应器中的各自表面层的光合生物。
50.权利要求43的生物反应器，其中所述照明系统将自然光导向在所述生物反应器中的各自表面层的光合生物。
51.权利要求43的生物反应器，其还包括：
与所述照明系统耦合的太阳能收集器系统，所述太阳能收集器被设置成接收太阳光；其中所述照明系统将所接收的太阳光的至少一部分导向在所述生物反应器中的各自表面层的光合生物。
52.一种增加光生物反应器的发光区域与光生物反应器体积界面的比例的方法，所述方法包括：
将排出流导向所述光生物反应器，所述光生物反应器包括具有内表面的结构，所述内表面限定光生物反应器的体积；
将所述排出流分开，以将一部分排出流导向所述光生物反应器的第一区域，并且将另一部分排出流导向所述光生物反应器的第二区域，所述第一区域包括第一个量的藻类，所述第二区域包括第二个量的藻类；和
将来自光源的光导向在所述生物反应器中的至少一些藻类，以促进在所述藻类中的光合反应，所述光源包括一个或多个发光元件，所述元件包括第一和第二发光区域，所述第一和第二发光区域形成发光区域与光生物反应器体积界面的一部分。
53.权利要求52的方法，其中所述排出流包括第一个量和第二个量的藻类。
54.权利要求52的方法，其中所述第一个量的藻类是第一类型的藻类，并且所述第二个量的藻类是不同的类型的藻类。
55.权利要求52的方法，其还包括：
在光合作用期间搅拌所述藻类。
56.权利要求52的方法，其中引导来自光源的光包括引导来自光纤网络的自然光。
57.权利要求52的方法，其中引导来自光源的光包括引导来自发光二极管(LED)的光。
58.权利要求52的方法，其还包括：
在太阳能收集器中接收太阳光。
59.一种用于从藻类生产生物燃料的生物系统，所述系统包括：
生物反应器，其具有照明系统，所述照明系统被安排而将一定量的光导向放置在所述生物反应器内的至少一些藻类，所述藻类和照明系统分别定向所述生物反应器内，以提高所述藻类的光合作用过程；
与所述生物反应器耦合的控制系统，以监视和/或控制所述生物反应器内的至少一个环境条件；和
光源，其与所述照明系统光耦合。
60.权利要求59的生物系统，其还包括：
提取系统，其与所述生物反应器耦合，以从在所述生物反应器内的藻类提取脂质、医药化合物、和/或标记的化合物。
61.权利要求60的生物系统，其中所述提取系统包括至少一次压榨，以从所述藻类提取(urge)脂质。
62.权利要求60的生物系统，其中所述提取系统包括离心机。
63.权利要求60的生物系统，其中所述提取系统包括选自由下列各项组成的组的提取剂：化学溶剂、超临界气体或液体、己烷、丙酮、液体石油产品、和伯醇。
64.权利要求59的生物系统，其还包括：
转化系统，其用于将脂质转化成生物燃料，其中所述转化系统接收来自所述提取系统的脂质。
65.权利要求64的生物系统，其中所述转化系统包括酯基转移催化剂和醇。
66.权利要求59的生物系统，其还包括：
温度传感器，其放置在所述生物反应器的第一区域内。
67.权利要求66的生物系统，其中所述控制系统监视并且控制所述温度传感器。
68.权利要求59的生物系统，其还包括：
光密度测量装置，以测量所述藻类的浓度。
69.权利要求59的生物系统，其中所述光源包括多个发光二极管。
70.权利要求59的生物系统，其中所述光源包括太阳能收集器。
71.权利要求59的生物系统，其中所述照明系统包括光纤波导网络和光学开关，其中所述网络与所述太阳能收集器耦合。
72.权利要求59的生物系统，其还包括：
至少一个或多个滤器，其排列在所述生物反应器内，用于从包含至少一些藻类的排出流中滤去颗粒。
73.一种在生物反应器中培养藻类的方法，所述方法包括：
将第一物种和第二物种的藻类一起放置在所述生物反应器的一部分中，其中所述第一物种包括第一光吸收能力，并且所述第二物种包括第二光吸收能力；并且
可控地将光导向所述第一和第二物种的藻类。
74.权利要求73的方法，其中引导光包括引导具有第一波长的光。
75.权利要求73的方法，其中引导具有第一波长的光包括可控地选择所述光的波长，以增加在所述第一和第二物种的藻类中的许多光合反应。
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