CN101636484A - 一种改进的漫射光可扩展表面积水支撑式光生物反应器 - Google Patents

一种改进的漫射光可扩展表面积水支撑式光生物反应器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于高效生产光合微生物(例如微藻和蓝细菌)的可扩展性的光生物反应器系统。在诸多实施方案中，该系统可以包括：使用扩展的表面积以减小光强度和提高光合效率，用于以低成本提供结构和热量调节的外置水池，当部分没入水中时连接在一起而形成横截面为三角形或其它形状的柔性塑料或复合材料的腔室单元，使用正向的气体浮力和压力以保持光生物反应器腔室的结构完整性，以及使用优化漫射光分布的结构。其它实施方案涉及由塑料薄膜构成的空气管，其在每个光生物反应器腔室的底部，以向反应腔室提供鼓泡。该光生物反应器系统的设计还包含如下方法：气体交换、温度控制、抽气、抽液体、过滤、培养基循环、以及收获。对于生物燃料的生产，该光生物反应器系统可以包含分置的生长光生物反应器和第二压力反应器。

Description

一种改进的漫射光可扩展表面积水支撑式光生物反应器
相关申请
本申请是2007年10月12日提交的美国专利申请No.11/871,728的继续申请，并根据35 USC 119(e)，要求如下美国临时专利申请的优先权：2006年12月20日提交的60/877,997，2007年1月3日提交的60/878,506，和2007年3月9日提交的60/894,082，在此每个专利申请的内容以引用的方式并入。
技术领域
本发明涉及用于经济的、高密度的、高度可扩展性的封闭的光生物反应器的方法和装置，所述光生物反应器用于培养支持生物燃料和其它燃料生产的藻类。在优选的实施方案中，为了支持藻类的生长，设计光生物反应器的结构以优化太阳光的利用。其它实施方案涉及设计光生物反应器系统的元件以优化系统的温度控制，使藻类的密度和产出率最大化，并使光生物反应器的组成材料、结构以及运行的成本最低化。
背景技术
对化石燃料至电力传输和电网的依赖正引起多重的并发的能源危机。煤、石油和天然气造成全球变暖和气候变化，同时造成地缘政治的不稳定和能源的不安全。为了解决这些问题，近来很多发达国家和发展中国家已经转向生物燃料。
遗憾的是，从植物来源获得生物燃料呈现其窘境。种植任一英亩的能源作物有可能排挤一英亩的粮食作物，这转而引起了基本的主要粮食的价格上涨。农业使用了可观数量的能源，其中很多以化石燃料的形式供给，因而降低了生物燃料作物的总的碳平衡。此外，大多数的能源作物的产出率相当低。一英亩玉米每年仅仅产出大约350加仑乙醇，一英亩大豆每年可以产出大约50加仑生物柴油。最后，使用农业边缘土地种植能源作物则由于缺少能够支持作物生长的足够的水而受到限制。
需要将这样的能源作物转化为可持续的能源基础设施：其能够在另外不常用的土地上有效地种植，同时能源输入最小。传统的陆地作物不能提供全面的解决方案。但是，微藻有希望解决生物燃料的各限制因素。封闭系统的光生物反应器可以设置在其他不常用的土地上，其可以降低与粮食作物的竞争并将蒸发导致的失水降至最低。按照规模而言，藻类的生物燃料的产出率潜在地超过了土壤植物的产出率(参见，例如，Natl.RenewableEnergy Laboratory，″A Look Back at the U.S.Department of Energy′s AquaticSpecies Program：Biodiesel from Algae，″NREL/TP-580-24190，July 1998)。藻类细胞的生长能够快速地取代其所汲取的养料，有希望一年收割一次。作为额外的好处，微藻能够利用化石燃料发电厂的富含二氧化碳的烟气以及其它的工业废气，因此降低了从发电厂、啤酒厂、葡萄酒厂等排到大气中的温室气体的数量。
就目前情况而言，尚未有为生产生物燃料目的而建造的商业规模的微藻农场。传统的工业光生物反应器尚未能重复出实验室规模的光生物反应器所能达到的高细胞密度。为了在与石油可竞争的基础上生产微藻能源作物，必须在光生物反应器内种植极高密度的培养物，其可最大限度地利用可用的太阳光。此外，必须使用于建造这些光生物反应器的材料成本合算。传统封闭的光生物反应器由昂贵的玻璃和钢组件以及复杂的水泵和流量分配系统制成，其将不能实现堪与化石燃料竞争的生物原油成本目标。此类系统在从实验室规模装置到商业规模生产的规模放大方面也不佳(例如，Grima et al.，J.Applied Phycology 12：355-68，2000)。本领域需要经济有效的封闭系统的光生物反应器，其能够种植高密度的藻类培养物，其设计能够优化太阳光的利用，并且能够生产出堪与化石燃料竞争的价格水准的生物燃料。
发明内容
本发明通过提供用于经济有效的封闭系统的光生物反应器的方法、装置和组合物，满足了本领域尚未解决的需求，所述光生物反应器能够种植高密度的藻类培养物，其设计能够优化太阳光的利用，并且能够生产出堪与化石燃料成本竞争的生物燃料。该光生物反应器还可以用于生产除燃料之外的其它产品，例如蛋白质、淀粉、其它碳水化合物、维生素、类胡萝卜素、叶黄素以及纤维素基材料。
下面将详细讨论一些实施方案，其关于改进的漫射光可扩展表面积水支撑式光生物反应器的设计。本领域技术人员将会认识到，在此公开的设计可以被修改以优化系统的特定特征，并且所有这些修改被认为在本发明的范围之内。
在诸多实施方案中，光生物反应器可以包含一个或多个封闭的光生物反应器腔室。优选地，该腔室由廉价的柔性塑料薄膜组成，所述塑料薄膜例如可以热焊接在一起以形成密封的腔室。连接的方式并不限制，并且可以使用其它已知的连接方法，例如使用粘结剂。在本发明的范围内，考虑了各种各样的腔室的设计。然而，在优选的设计中，所述腔室包含一系列管状结构，其在顶部和底部连接以形成连续的腔室。该管状结构可以排成大体上平行的阵列，并且单个管从顶部到底部可以是垂直的或者可选地，可以是倾斜的(半垂直)。光生物反应器内的管状元件的排列和腔室的排列优选这样的设计：使得管内的藻类对漫射的太阳光的暴露最大化。
可选的设计可以包含平行的薄片，所述薄片以热焊接或者不同地，以一系列的点焊接相互连接，所述点焊接其可以以相邻的列交错状排列。薄片之间的内部空间形成了腔室，所述腔室容许流体和空气泡围绕点焊接循环。
在其它优选的实施方案中，光生物反应器的腔室可以在其底部包含一个或多个塑料薄膜空气管。可以设计空气管以将小直径的空气泡注入腔室内的藻类生长培养基中。所述空气泡可以具有多重功能，例如连续混合腔室的内含物质，提供CO2气体以支持藻类生长，以及清洁腔室的塑料表面以使藻类或其它生物污垢的粘附最小化。该清洁腔室表面的机制还将增加透过表面的光线透射，并在环境光线条件下提高光合成的效率。
在更优选的实施方案中，可以将该光生物反应器腔室浸入到水池中，以提供对腔室结构的支撑并改善腔室内流体的热调节。在一些实施方案中，水池的加热或者冷却例如可以通过这样的方式：将冷却水循环通过水池、将热泵机组连接至水池、将热烟气或热水循环通过水池、或者易于加热或冷却液体的其它任何已知的方法。此外，水池内大量的水本身作为散热介质将会起到调节温度日变化的作用。在优选的实施方案中，水池本身例如可以封闭在塑料覆盖物中以减少水池的水汽蒸发。
在一些实施方案中，该光生物反应器腔室可以在腔室的顶部包含一个或多个气袋。例如，在管状设计中，沿着腔室顶部敷设并连续附有垂直或半垂直排列管件的管子，可以含有空气。该气袋可以用来收集因藻类光合作用产生的氧气。优选地，可以将收集的氧气提供给附近的发电厂，例如在整体煤气化联合循环(IGCC)工艺中以提高燃烧效率。如前面所述，该气袋还可以用于收集过量的CO2和/或其它气体，所述气体可能穿过管子中的液体培养基。此外，通过向腔室提供浮力，腔室顶部的气道将进一步支撑在该水池中的腔室结构。
还有其它的实施方案，其包含的机制是泵送或其它方式，所述方式使藻类和生长培养基循环通过光生物反应器腔室。下文描述了以低剪切空气置换泵方式，但不限于该方式的优选泵送机制。
在诸多实施方案中，可以使用一些分系统以连续监视和提高光生物反应器的性能。可以使用任何已知的技术，例如可商购的探测器、电极、其它传感设备以及一体化的计算机控制系统，来监视各种内部和外部条件，例如环境和光生物反应器腔室的温度、太阳辐射、生长培养基的pH、藻类细胞密度、生长培养基中各种养分和所产废物的浓度、以及任何其它状况。优选地，可以将光生物反应器条件的连续监视提供给远程，例如，将实时监视数据提供到互联网上。诸如加热、冷却、遮光、pH调节、养分输入、CO2流量、以及各种其它支持功能的反馈计算机控制机制，可以自动地调节或者可选地可通过操作员控制，。
藻类含有用于合成生物柴油、乙醇或其它生物燃料的脂质和/或碳水化合物。可以通过一些可选的方法从光生物反应器中收获或收集藻类。在一些实施方案中，可以使用连续作业收获系统，其中将腔室中藻类被选中的部分不断地从系统中移除。在其它的实施方案中，可以使用批处理系统收集藻类。可以使用多种已知的技术将藻类从生长培养基中分离，例如使用连续作业离心和/或过滤系统。在诸多实施方案中，在收获之前为了进行各种处理，可以将高密度的藻类培养物分流至单独的腔室或者池槽。例如，可以在收获之前使藻类受到一些环境冲击(温度、pH、光、盐度、一定浓度的一种或多种化学物质或调节性化合物)以增加脂质产量。一种简单的间接激发脂质产量的方法是：通过CO2控制pH，使藻类生长至最大的细胞密度，然后在培养基中的氮耗尽之后停止CO2控制。
可以在该光生物反应器中种植任何已知种类的藻类或光合微生物。在优选的实施方案中，可以单独地种植以下微生物种类或其混合物：司西四鞭毛藻(Tetraselmis suecica)，UTEX 2286和NREL/Hawaii TETRA 01，大四鞭毛藻(Tetraselmis chuii)，眼点微拟球藻(Nannochloropsis oculata)UTEX2164，CCMP 525，微拟球藻属(Nannochloropsis sp.)UTEX 2341，盐生微拟球藻(Nannochloropsis salina)NANNO 01 NREL/Hawaii，CCMP 1776、1777、1776，海水小球藻(Chlorella salina)SAG 8.86，原壳小球藻(Chlorellaprotothecoides)UTEX 25，椭圆小球藻(Chlorella ellipsoidea)UTEX 20或杜氏盐藻(Dunaliella tertiolecta)的几个品系(UTEX LB999，DCCBC5，ATCC30929)以及盐生杜氏藻(Dunaliella salina)。可以预料，根据环境温度、光强度、海拔、季节、地理位置、水矿化度或其它因素，可以选择不同的藻类品种进行种植。
一些实施方案涉及将藻类组分转化为生物燃料的方法、组合物和/或装置。本发明并不限于生产生物燃料的任何特定技术，本发明可以利用任何已知的从藻类脂质、碳水化合物或其它组分生产生物燃料的方法。(参见，例如美国专利Nos.5,354,878；6,015,440；6,712,867；6,768,015；6,822,105；6,979,426以及7,135,308。)在一个示例性实施方案中，如Mark T.Machacek和Thomas Gordon Smith的序列号为60/952,443的临时专利申请(题目为“Continuous Algal Biodiesel Production Facility”，于2007年7月27日提交)所公开，可以在不进行藻类脂质初步分离或提取的情况下将藻类的甘油三酯转化为生物燃料，该临时专利申请的内容在此以引用的方式并入。
附图说明
下面的附图构成本说明书的一部分，其包含在本说明书中用以进一步说明本发明的某些方面。参照这些附图中的一个或多个，并结合在此提供的具体实施方案的详细描述，可以更好地理解本发明。
图1是光生物反应器系统的示意图。
图2是光生物反应器腔室的构建——将两片塑料薄膜连同塑料薄膜的空气管部分连接在一起。
图3(A)焊管机和(B)得到的焊接图案
图4(A)交错焊接机，(B)得到的焊接图案和(C)放大的部分。
图5(A)隔板孔位置示意图，(B)板孔闭合和(C)隔板闭合。
图6终端立焊位置
图7进气硬塑料管和插入操作
图8围绕光生物反应器腔室的四边的多余塑料的切除
图9将两个气袋热焊接至顶部的示意图
图10不同的支撑系统的示意图(A)线，(B)土堤，(C)内部框架，(D)气囊结构
图11在可选的气袋设计中的单个的三角形光生物反应器腔室的横截面
图12具有直管设计的光生物反应器腔室
图13(A)连接至外部水池底部的垂直的光生物反应器腔室的横截面，(B)能够连接至外部水池底部的垂直的光生物反应器腔室的焊接示意图。
图14微坑状光生物反应器腔室设计图解。
具体实施方案
在此所用的“一种”可以表示一个或多于一个物品。
在此所用的“和”和“或”可以指合取的或分开的，即是指“和/或”。
在此所用的“大约”表示在数值的正负10％以内。例如，“大约100”是指在90和110之间的任何数字。
光生物反应器
本领域技术人员将会理解，在此以及下文中讨论的方法、组合物和装置仅仅是示例性的，并不意味着对所要求保护主题的范围进行限制。具体而言，任何的尺寸、浓度、成分、时间、温度和/或其它数字或数值仅仅是示例性的，并且可以理解，在实施本发明时，在所要求保护主题的范围内，可以使用每一个的可选的值。
本发明的诸多实施方案涉及高扩展性的、低成本的光生物反应器，其设计用以高密度种植光合微生物。在具体的实施方案中，该光合微生物是微藻。高密度的藻类培养容许经济地生产生物燃料，其成本堪与石油基运输燃料竞争。通过使暴露于漫射光的表面最大化，最有效地利用到达光生物反应器表面的光线。通过将整个光生物反应器腔室浸入到水池中，可以使用廉价的柔性塑料，其结构将受到外部水的支撑以及光生物反应器腔室顶部内侧的正向浮力的空气室的支撑。通过将分配气泡的空气分布器建在塑料薄膜型光生物反应器中，生成紊流以混合光生物反应器腔室的内含物，并使暴露于光线的藻类细胞的数目最大化。
图1示出了示例性的封闭的光生物反应器系统。封闭的光生物反应器腔室(110)被水池(115)环绕。可以通过加热系统(120)或冷却系统(125)主动加热和冷却水池(115)中的水以保持某一温度范围，或者通过位于控制箱(130)中的控制器来设定某一温度。可以证明，以这种方式主动维持温度是能源密集型的，并且可以使用下文中所讨论的交替的加热和冷却机制。通过使用低剪切泵(135)，可以使光生物反应器腔室(110)内的光合微生物循环通过光生物反应器腔室。多个光生物反应器腔室中的流体全部流入一个公用集箱(140)，该公用集箱通过重力的方式将其供给低剪切泵的入口。然后低剪切泵的出口将流体引导通过过滤系统(145)。在这个位置，可以将代谢产物、细菌等从藻类培养物中除去以保持培养物的整体健康。在藻类培养物流入另一个公用集箱(150)之前，其经过一个接合处，该接合处将通过培养基混合站(155)向藻类液流提供新鲜的培养基。这补充了过滤处理(145)期间可能已经损耗的任何流体，以维持光生物反应器中恒定的体积。然后藻类培养物再次进入封闭的光生物反应器腔室(110)。在公用空气集箱(170)中还有经过滤的空气源(160)连同经过滤的CO2源(165)。可以通过焊接至光生物反应器腔室底部的薄膜管的方式，将该空气/CO2混合物沿着封闭的光生物反应器腔室的整个长度输送。该薄膜管具有多个切入或穿入的孔，该孔容许气泡形成，由此将该气体混合物传送至藻类培养基。通过压力调节器(175)来调节鼓泡气体引起的封闭的光生物反应器腔室中的压力。本领域技术人员将认识到，图1所公开的光生物反应器系统涉及一个优选的实施方案，在要求保护主题的范围内，可以使用该光生物反应器系统的其它等同组件和排列。
光生物反应器腔室
将在该系统中生长的光合微生物保持在一个封闭的光生物反应器腔室内。在优选的实施方案中，该腔室包含通过热焊接固定在一起的两片柔性的塑料薄膜。其还可以包含塑料薄膜管。尽管该光生物反应器腔室的尺寸可以变化，一个非限制性腔室尺寸的例子是内部高度66厘米并且长度为100米。下面的实施例1提供了示例性光生物反应器腔室的额外的细节。
如实施例1中所讨论，一个示例性的光生物反应器腔室可以包含一系列的连续的管子，其在顶部和底部连接在一起并相互大致平行地排列。在不同的实施方案中，该管子可以与地面以一个角度倾斜，或者可选地，大体垂直。该腔室还可以在腔室的底部包含一个空气管，可以设计该空气管以向那些管子提供连续的小直径鼓泡流。优选地，所述鼓泡向培养基提供二氧化碳并且所述鼓泡可以包含富含CO2的气体，例如发电厂的烟气。将鼓泡引入到管子中还可以起到擦洗管子内侧的作用，以使干扰光穿透至生长培养基的藻类或其它生物薄膜物质的附着，达到最小化。
在优选的实施方案中，可以将腔室浸入水池中以提供改善的热调节和对腔室结构的浮力支撑。可以通过位于腔室顶部的一个或多个气袋提供额外的结构支撑。可以提供进一步的压力以增加管子内部的压力。通过空气管在腔室的底部引入的空气泡连同光合作用产生的氧气，将上升并聚集在腔室的顶部。因此，在白天，腔室顶部的空气富含氧气，并且可以收集并用于提高例如IGCC工厂的燃烧效率。在更优选的实施方案中，如实施例1中所描述，光生物反应器腔室可以成对地附在一起。成对的腔室以相互间成一定角度排列(图10)，为光生物反应器系统提供进一步的结构支撑。
泵和过滤器
当连接至整体的光生物反应器系统时，可以将培养基出口管连接至低剪切泵。本领域中已知有各种实例的低剪切泵，例如排气泵、隔膜泵、容积泵和离心泵，并且它们可以从商业来源获得(例如，Wanner Engineering，Minneapolis，MN；PendoTech，Princeton，NJ；Levitronix，Waltham，MA；Graco，Minneapolis，MN)。
可以将低剪切横流膜式过滤器，连接至泵的生长培养基的出口管。该过滤器将细胞(滤渣)与生长培养基(滤液)分离。通过过滤器上的空气泵生产真空，由此将生长培养基吸进过滤室。液泵沿着过滤室的横轴产生一个压力差，将滤过膜跨越该轴设置。这提供了产生低剪切培养基过滤单元的机理；所述过滤单元不会伤害生长在光生物反应器中光合微生物的脆弱细胞膜或细胞壁。尽管可以将系统设为在24小时期间过滤多达100％的培养基，但在任何给定的时间内，只有一小部分生长培养基被过滤。将根据如下因素设定过滤单元的实际流速：将要种植在光生物反应器中的所需光合微生物的物种和/或品系容许的剪切应力水平、具体藻类物种的生长速率以及所选的藻类细胞的收获速率。
一旦滤出光生物反应器，可以将生长培养基传送至循环室，在此将其消毒并将其输送通过一个过滤器，以除去任何否则可能伤害培养物生长的颗粒。在重新添加到光生物反应器腔室之前，可以向该使用过的生长培养基中补给耗尽的养分。
对整个过滤/培养基循环单元进行设定，使循环培养基的再注入与培养基的滤出速率相同，由此维持光生物反应器腔室单元内的恒定的流体水平。
光生物反应器腔室单元的排列
可以将上述题为“光生物反应器腔室”部分所描述的每一个光生物反应器腔室单元，在其顶部与一个相同并邻近的光生物反应器腔室单元连接，在其底部与另一个相同并邻近的光生物反应器腔室单元连接。可以将该连接的腔室单元设置一个角度。由此顶部相互固定的两个腔室单元，其横截面视图类似于一个三角形(图9)，并且该三角形的顶点是连接的顶部。
可以通过在每一个光生物反应器腔室单元顶部存在的气袋，以及通过其它方法的物理支撑(例如通过腔室内可调节的压力提供的室壁的张力)，维持光生物反应器腔室形状结构。一个非限定性的示例性支撑方法包含，从光生物反应器的一端至另一端的绷紧的金属线(图10A)。另一个非限定性的例子是制作一个土堤，将每一个腔室单元依附其安置(图10B)。另一个非限定性的例子是放置一个三角形框架(图10C)，其由金属、热固塑料、混凝土、砖或本领域已知的任何其它材料构成，将光生物反应器腔室单元依附其安置。另一个非限定性的例子是在顶部连接的两个光生物反应器的顶点下面放置一个封闭管(图10D)，其由塑料薄膜构成，并充满空气。
通过以一个角度放置光生物反应器腔室单元，该光生物反应器系统的有效光合作用表面积将超出系统安装给定的占地面积数量。在一个非限定性的实施方案中，将光生物反应器腔室单元以与地面60至90度的角度放置，由此可以超出给定的地表面积。通过将表面积扩展至上面所述的程度，由此该光生物反应器能够种植的生物量显著多于相同数量土地上的平板反应器所能够种植的生物量。
通过调节光生物反应器腔室单元角度而扩展表面积的一个必然的结果是，光线变得更加发散，这是因为光线以非直射的角度透过腔室单元。这有助于微藻的生长，因为对于支持光合作用而言，漫射光系统通常比集中的直射光更有效(例如，Alton et al.，Global Change Biology，12：776-87，2007；Smart，J.Applied Ecology，11：997-1006；1974)。此外，由于光的漫射，光抑制现象(其中作为对过量的直射光的反应，光合作用和生长被关闭)下降。
水池
可以将排列成角度的光生物反应器腔室单元与水池接触放置。在一个非限定性的例子中，将光生物反应器腔室浸入水池，以使外部水充满围绕光生物反应器腔室单元的空间。该外部水池起到数个作用，包括：温度调节、对光生物反应器腔室单元进行结构支撑、或光漫射。
外部围墙可以围绕整个光生物反应器系统，以使外部水池被包含在其中。用于围墙的一种示例性的非限定性材料可以是夯土，尽管可以使用本领域已知的任何其它材料(包括但不限于，木材、混凝土、水泥、砖、热固塑料或金属)。
一旦完成围墙和水池造景，可以使用底衬以覆盖光生物反应器范围内的全部地表，以防止水从水池至地面被吸收。用于底衬的一个非限定性的示例性材料可以是塑料薄膜，尽管可以使用任何其它的已知材料，例如混凝土、水泥、热固塑料、金属或密封的粘土。
可以将杀菌剂化合物添加到外部池水中，以确保污染的藻类、细菌、真菌或微生物物种不侵染外部水体，并因此降低其光学透明度。可选地，可以使外部水池中的水通过高流速、高剪切的过滤单元过滤，以除去任何污染微生物。
温度控制
外部水池中的水提供了热质，其有助于光生物反应器腔室保持在一个恒定的温度范围，所述温度范围是生长在光生物反应器系统中的光合微生物的物种和品系的最适温度范围。为了加热水，可以将来自附近的工业热源(例如发电厂或工厂)的低级的废热加至外部水池。也可以使用外部加热系统直接将水加热，所述外部加热系统使水在加热器和外部水池之间循环。一个冷却水池中的水的选择，可以是从既存的水体(例如湖泊、河流或海洋)抽取冷水。将新鲜较冷的水加至外部水池，将水池中较暖的水放回至水体中。
一个既加热又冷却外部池水的非限定性的方法可以是使之穿过管道，所述管道在光生物反应器系统下面、在距地表下方4英尺至400英尺的水平面处进行挖掘。该范围内的土壤的温度通常大约为57华氏度。该系统可以既用于在热天使水冷却，当环境温度变得极低时又可以使水变暖。可选地，可以将热泵连接至光生物反应器系统，使用地温差作为散热器。
可以向该光生物反应器系统添加一个覆盖外部水池和光生物反应器腔室单元的塑料顶层。该顶层包含一层相对薄的塑料薄膜。通过添加该顶层，将水分蒸发损耗降至最低。该顶层可以包含两层密封在一起的塑料薄膜，其可以充有热空气或冷空气而作为整个系统热调节的方法。此外，该空气可以包含染料或烟幕，通过空气的变色可以减少从大气空气到光生物反应器系统的热传递。
所述顶层还可以浸渍有染料或其它添加剂，其阻挡光谱中的紫外线部分，减少紫外线引起的光合微生物和光生物反应器腔室单元中塑料薄膜的损伤。可选地，所述顶层可以包含涂层或浸渍有染料或其它添加剂，其可使光谱的光合作用的无效部分(例如绿光)的波长位移至光合作用有效的光波部分(红光或蓝光)。所述顶层还可以包含另外的涂层或浸渍有添加剂，其可阻挡红外辐射以减少从阳光中进入该系统的热量。
在某些实施方案中，可以在水池的底部放置叶轮系统。可以向水中添加胶体物质，允许其沉淀至池底。当太阳到达最高点时，可以起动叶轮以在池水中产生紊流，由此使胶体物质悬浮。然后该物质慢慢絮凝，因此阻挡了一些一天中最亮部分的太阳光，由此减少了来自过量的直射太阳光和/或热量对藻类或光生物反应器材料的损伤。该胶体物质可以包含，例如，红粘土，其可最大限度地反射光谱中红外部分的光线。以这种方式通过最小化能量输入，可以将正午高温的不利影响降至最小化。
控制器和传感器
在优选的实施方案中，可以在光生物反应器腔室单元每一端的传感器接口处设置多种传感器，其可监视能够影响藻类生长的各种不同环境条件。所用传感器可以包括：溶解二氧化碳传感器、溶解氧传感器、流体温度传感器、图像捕捉单元、pH传感器、分光光度测定浊度传感器、电导传感器、溶解固体传感器、以及荧光传感器。该传感器清单并非是排他的，可以使用本领域已知的其它传感器。此类已知的传感器可以监视，例如，盐度或者各种离子种类(例如钙离子、镁离子、磷酸根、钠离子、钾离子、氯离子、硝酸根等)的浓度。
传感器可以将数据传输至中央计算机控制单元，所述中央计算机控制单元可提供即时的环境测量。针对给定的环境测量，可以调节光生物反应器的各种输入(例如生长培养基、二氧化碳、其它养分、气压、泵流量、酸性或碱性溶液)。例如，当pH水平升至不是最适于光合微生物生长的碱性水平时，可以向空气流中添加二氧化碳以使生长培养基更具酸性。或者，可以通过减少CO2输入或通过向培养基中添加碱基物质，来调节过度的酸性。
泵入封闭的空气管和作为通过光生物反应器腔室单元的鼓泡的空气，可以包含氮气、环境空气、二氧化碳、来自工业生产的废气、固定的燃烧室的燃烧排气、发电厂的烟气、或任何其它可选的气体来源。可以根据所选择的在光生物反应器系统中种植的光合微生物确定气体的比例、压力、和预处理。从光生物反应器腔室单元泵出的排气含有高浓度的氧气，可以储存于外部的容器中。可以将氧气收集并出售给其它的工业生产(例如IGCC)使用。
可选的光生物反应器腔室设计
在可选的实施方案中，光生物反应器腔室可以包含两层柔性塑料，例如聚乙烯。可以将上层折叠成类似波纹的形状(“手风琴风格”)。塑料中的每一个折叠是一个单独的光生物反应器腔室(图11)。通过将两层热焊接在一起(尽管可以使用本领域中已知的连接塑料薄片的任何其它方法)，可以将折叠的顶层连接至塑料底层。从剖视图来看，这产生了一系列连接至塑料底层的突起(图11)。一旦充满生长培养基并外部环绕有液体，该突起呈大致的三角形，其由于外部和内部液体区域的压力相等而保持相对刚性。根据所用材料和根据具体位置和物种所选的尺寸，其它可以形成的可能的形状是矩形、直线形、梯形、圆顶形和拱形。此外，由于气袋的浮力，位于每一个光生物反应器部分的指状物或者伸长物上面的气隙，为结构提供了向上的张力。
根据具体位置的环境条件和所选的藻类或蓝细菌种类，可以改变光生物反应器的尺寸。下面给出了用于设置在沙漠或其它干旱地区的示例性尺寸，其中例如，所种植的物种是：微拟球藻属(Nannochloropsis sp.)，眼点微拟球藻(Nannochloropsis oculata)，盐生微拟球藻(Nannochloropsis salina)，司西四鞭毛藻(Tetraselmis suecica)，大四鞭毛藻(Tetraselmis chuii)，原壳小球藻(Chlorella protothecoides)和椭圆小球藻(Chlorella ellipsoidea)以及杜氏盐藻(Dunaliella tertiolecta)的几个品系。每一个光生物反应器腔室的高度为8英尺(包含1英寸的气隙高度和7英寸的光生物反应器液体高度)，底部宽度为2英寸并且长度为100米。在该设计中，相邻的指状光生物反应器的焊缝相互接触，并且逐渐变窄，从指状物的底部2英寸至顶部1英寸。因此该光生物反应器腔室，截面呈三角形。
如图12所示，一个光生物反应器腔室设计的可选的实施方案是生成垂直的管子焊接而非斜纹管子焊接。垂直设计还增加了光生物反应器腔室整体结构的刚性。
另一个光生物反应器设计的可选的实施方案是制作一组塑料薄膜的光生物反应器腔室，其直立并垂直于外部水池的底面。通过包括但不限于焊接、利用重力、利用塑铁的方法，将这些腔室锚定至底面。这些腔室包含两层连接在一起的塑料薄膜，从而形成一个封闭的舱室。这些袋子上部的空气鼓泡的正向浮力，可使它们保持直立。为了水平扩展该设计，如图13A所示，将更多的光生物反应器腔室，平行于第一个腔室放置成一排。
该设计的一个优点是涉及的焊接数目较少，因此降低了焊接失败的几率，并且降低了制造成本。如图13B所示，除了腔室单元的顶部、底部和侧面的焊接，以及鼓泡空气管顶部和底部的焊接，沿着腔袋长度，还有一系列的间歇焊接。
如图14所示，另一个光生物反应器腔室设计的可选的实施方案是，将两片塑料薄膜的上部、下部和两侧连接在一起，并通过使用布满腔袋表面的交替点焊，使腔室具有刚性的结构，同时产生微坑状外观。
该设计的另一个优点是没有管状焊接，这容许培养物在光生物反应器系统内的更大的分散。这又为微生物创造了更健康的生长环境。
该设计的运作类似于第一个实施方案中描述的腔室，尽管它们比第一个实施方案中所述设计制成的长的斜管具有更少的焊接点。点焊微坑的设置可以为上升气泡的向上运动提供阻碍，因此增加了所述气泡的停留时间，并可优化气体交换，或者可选地，当充有培养基时，其可用于控制腔室单元的形状。
设计在接种期间的优点
在传统的光生物反应器设计中，接种过程可能遭遇种种问题。例如，以少量的接种物开始培养导致所选的接种物种，被细菌、真菌、原生动物或其它不需要的藻类物种胜出的几率较大，或者可导致藻类繁殖期间最严重的问题之一——光抑制。然而，以大量的接种物开始，需要很大的光生物反应器养殖场而显著增加了系统的成本。
使用柔性光生物反应器腔室的设计，可以在接种之前将光生物反应器腔室放气，因此它们占据了较小的体积。在这种情况下，在系统中加入小量的接种物，提供了所需藻类比例较大的起始浓度。随着培养物生长和密度增加，可以向光生物反应器腔室中添加额外的生长培养基。因此该光生物反应器腔室能够随着培养物生长而扩展。在其它的变形设计中，系统中光生物反应器腔室的数目可以随着培养物的生长而增加。
这在早期的指数生长阶段可能是重要的。生物群落的种群增长通常遵循S形曲线，开始是迟滞期，此时它们逐步适应新环境，接着是指数生长期，之后是种群密度保持在相对恒定水平的平稳期。在起始的迟滞期和指数生长期的早期，培养物处于被细菌或其它不需要的物种在竞争中胜出的高风险。因此使用较小体积的反应器开始接种过程，并且在培养物密度增加时扩大体积，可以确保所需的物种在光生物反应器中占据支配地位。一旦实现了高密度，来自其它物种污染和竞争的风险就相当低了。此外，随着种群生长，光生物反应器腔室的体积按比例扩大，也起到了延长指数生长期和延缓平稳期到来的作用，这可增加藻类培养物的产出率。类似地，在生长阶段将光生物反应器腔室可每隔一段时间增加一次，以使生长曲线随着整个系统的加大，达到最大化。
光合微生物
该光生物反应器系统设计为非物种依赖性。可以调节系统的设置、构造、尺寸、子系统和容量，以容许多种光合微生物生长。一个示例性的微生物是原壳小球藻，其是一种能够在光养(光合的)和异养(以外部碳源为生)模式之间转换的非游动性绿藻。该微生物还具有在其细胞质中积累大量中性脂质的能力，所述脂质可以用作生物燃料生产的原料。但是，本领域技术人员将认识到，多种藻类或其它光合微生物已经发现并被表征，而且在可选的实施方案中，为了支持生物燃料的生产，任何此类的已知物种都可以在光生物反应器中种植。非限定性的示例性物种包括：微拟球藻属(Nannochloropsis sp.)、盐生微拟球藻(Nannochloropsis salina)、眼点微拟球藻(Nannochloropsis occulata)、司西四鞭毛藻(Tetraselmis suecica)、大四鞭毛藻(Tetraselmis chuii)、布朗葡萄藻(Botrycoccus braunii)、小球藻属(Chlorella sp.)、椭圆小球藻(Chlorella ellipsoidea)、浮水小球藻(Chlorellaemersonii)、微小小球藻(Chlorella minutissima)、原壳小球藻(Chlorellaprotothecoides)、蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)、海水小球藻(Chlorellasalina)、禾草小球藻(Chlorella sorokiniana)、普通小球藻(Chlorella vulgaris)、盐生隐藻(Chroomonas salina)、隐秘小环藻(Cyclotella cryptica)、小环藻属(Cyclotella sp.)、盐生杜氏藻(Dunaliella salina)、巴氏杜氏藻(Dunaliellabardawil)、杜氏盐藻(Dunaliella tertiolecta)、纤细眼虫(Euglena gracilis)、尼氏裸甲藻(Gymnodinium nelsoni)、雨生红球藻(Haematococcus pluvialis)、球等鞭金藻(Isochrysis galbana)、小单壳缝藻(Monoraphidium minutum)、单壳缝藻属(Monoraphidium sp.)、微小绿藻属(Nannochloris sp.)、Neochlorisoleoabundans藻、左弯菱形藻(Nitzschia laevis)、Onoraphidium sp.藻、鲁兹帕夫藻(Pavlova lutheri)、三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)、紫球藻(Porphyridium cruentum)、斜生栅藻(Scenedesmus obliquus)、四尾栅藻(Scenedesmus quadricaula)、栅藻属(Scenedesmus sp.)、骨条藻(Skeletonema)、杆裂丝藻(Stichococcus bacillaris)、钝顶螺旋藻(Spirulina platensis)、或者海链藻(Thalassiosirasp.)。
在本领域中，已经开发并已知有多种生长培养基，并且在各个实施方案中，可以使用优选最适于所选藻类或微生物物种的任何此类的已知生长培养基。在一个示例性实施方案中，所用生长培养基为Guillard f/2培养基的改进型(Guillard，1960，J.Protozoo1.7：262-68；Guillard，1975，In Smith andChanley，Eds.Culture of Marine Invertegrate Animals，Plenum Press，New York；Guillard and Ryther，1962，Can.J.Microbiol.8：229-39)，其包含：22g/L NaCl，16g/L水族箱合成海盐(Instant Ocean Aquarium Salt，Aquarium SystemsInc.，Mentor，OH)，420mg/L NaNO3，20mg/L NaH2PO4.H2O，4.36mg/LNa2EDTA，3.15mg/L FeCl3.6H2O，180μg/L MnCl2.4H2O，22μg/LZnSO4.7H2O，10μg/L CuSO4.5H2O，10μg/L CoCl2.6H2O，6.3 10μg/LNa2MoO4.2H2O，100μg/L维生素B1-HCl，0.5μg/L生物素以及0.5μg/L维生素B12。用于种植微拟球藻属(Nannochloropsis sp.)、眼点微拟球藻(Nannochloropsis oculata)、盐生微拟球藻(Nannochloropsis salina)、司西四鞭毛藻(Tetraselmis suecica)、大四鞭毛藻(Tetraselmis chuii)、海水小球藻(Chlorella salina)、和杜氏盐藻(Dunaliella tertiolecta)几个品系该培养物的培养基，在一些情况下，添加有NaHCO3或Tris缓冲液，有或没有维生素，并且在某些情况下添加有KNO3而非NaNO3。其它用于培养藻类或其它微生物的培养基组合物，是本领域中已知的(但不限于)(参见，例如，Provasoliet al，Archiv fur Mikrobiologie 25：392-428，1957；Harrison & Taylor，J.Phycol.16：28-35，1980；Keller et al.，J.Phycol.23：633-38，1987)。
可以在相同的单元或在低剪切过滤单元中，收获在光生物反应器中生长的藻类或其它微生物，然后转移至可暴露或不暴露于光线的单独压力反应器中。可以将这样的压力生物反应器放置在光生物反应器腔室单元下面的囊袋中，或者将其放置在光生物反应器系统外部单独的生物反应器中。在某些实施方案中，在收获和转化成生物燃料之前，可以将藻类或其它微生物进行增加脂质产量的处理。例如，对于兼性的异养生物如原壳小球藻(Chlorella protothecoides)，可以将碳源底物(例如磨碎的干玉米或任何其它经济的碳水化合物源)添加给细胞。该底物可刺激细胞内中性脂质的快速形成，所述中性脂质可以收集用于生物燃料的生产。在其它的情况下，可以使藻类承受设计的环境压力条件以提高脂质产量，例如氮饥饿或处于其它营养缺陷条件。根据所用培养基和施压的藻类类型，耗尽的培养基中的氮的数量可以在正常数量的0至75％内变化。在可选的实施方案中，还可以将二氧化碳的耗尽用于藻类施压。对于不同的藻类，可以使用不同类型的压力因素或其组合以提高脂质产量。
除了氮耗尽或短缺，有很多其它的压力因素，例如：光线、温度、二氧化碳、磷、铁、NaCl、硫、硅、和钼酸盐。另一个实施方案是用含有受限数量的含氮化合物的生长培养基，进行培养基的循环和置换。例如，置换生长培养基可以含有0至75％的任何值的含氮化合物，以诱导氮短缺状态从而用于脂质生产和/或储存油料积累。
当使用含硝酸根(NO3 -)的化合物作为氮源时，实现氮短缺或氮饥饿类似状态的另一种方法是限制生长培养基中的钼酸盐。为了融入氨基酸等有机化合物，NO3 -必须被还原为NH4 +。NO3 -首先被硝酸盐还原酶(NR)转化为亚硝酸根(NO2 -)，然后亚硝酸根(NO2 -)立即被亚硝酸盐还原酶(NiR)转化为铵离子(NH4 +)。钼(Mo)是NR酶的辅助因子。钼不足的一个结果是NR酶的活性降低，以及由此导致氮短缺或饥饿。
一个在生物反应器中刺激藻类产油的简单方法是种植例如司西四鞭毛藻(Tetraselmis suecica)或不同品系的微拟球藻(Nannochloropsis)等物种，它们在生长时积累脂质。另一个简单的方法是，例如，在由CO2控制pH的稳定状态下种植这些物种。一旦达到最大生长，不再提供额外的CO2控制，由此藻类产生可转化为生物燃料的脂质。上升的pH是脂质生产的指针。该程序可以在批量生产的一个单独的阶段完成。可选地，其也可以是一个光生物反应器腔室中的连续或半连续生长的一个两阶段程序，并在其它的光生物反应器腔室中发生CO2添加的中断。脂质的数量在0至80％之间变化。
另一个方法是通过沉降、絮凝或离心收获并脱水藻类生物体，然后用不同数量的氮或其它限制性因素进行生长培养基的替换。
在诸多实施方案中，可以在光生物反应器中培养多种光合物种，每一种在气候和环境条件最适于其生长时，在培养物中占据支配地位。例如，可以将微拟球藻属或眼点微拟球藻或盐生微拟球藻或司西四鞭毛藻或大四鞭毛藻、以及海水小球藻一起培养。在太阳光照和环境温度达到最大的夏季月份，四鞭毛藻可以在培养物中占据支配地位。在较温暖的秋季和春季月份，海水小球藻可以在培养物中占据支配地位。在寒冷的冬季月份，微拟球藻能够在很低的温度下繁荣生长，可以使其在与其它物种的竞争中胜出。因此，每一个物种可以在一年中的所有时间存在，但是不同物种的比例可以随季节变化。
藻类的遗传工程改造
在某些实施方案中，可以对用于生产生物柴油或其它生物燃料的藻类进行遗传工程改造(转基因)，以使其含有一个或多个独立的核酸序列，所述核酸序列可以提高脂质产量，或者可以提供用于藻类培养、生长、收获或使用的其它所需的特征。藻类物种稳定转化的方法和含有所用独立的核酸的组合物在本领域中广为熟知，并且在本发明的实施中可以使用任何的此类方法和组合物。所用的示例性的转化方法可以包括：微粒轰击、电穿孔、原生质体融合、PEG介导的原生质体转化、DNA包覆的碳化硅须晶、或使用病毒介导的转化、或在含有将要转化至藻类细胞的DNA的溶液中用玻璃珠振荡原生质体(参见，例如，Sanford et al.，1993，Meth.Enzymol.217：483-509；Dunahay et al.，1997，Meth.Molec.Biol.62：503-9；美国专利Nos.5,270,175；5,661,017，在此以参考文献的方式并入)。
例如，美国专利No.5,661,017公开了含叶绿素C藻类的藻类转化方法，例如Bacillariophyceae、Chrysophyceae、Phaeophyceae、Xanthophyceae、Raphidophyceae、Prymnesiophyceae、Cryptophyceae、Cyclotella、Navicula、Cylindrotheca、Phaeodactylum、Amphora、Chaetoceros、Nitzschia或Thalassiosira。还公开了含有所用核酸(例如乙酰辅酶A羧化酶)的组合物。
在诸多实施方案中，为了筛选被转化的藻类，可以将选择性标记插入至分离的核酸或载体中。使用的选择性标记可以包括(但不限于)：新霉素磷酸转移酶、氨基糖苷磷酸转移酶、氨基糖苷乙酰转移酶、氯霉素乙酰转移酶、潮霉素B磷酸转移酶、博来霉素结合蛋白、草安膦乙酰转移酶、溴草腈水解酶、抗草甘膦的5-烯醇式丙酮酸-3-磷酸莽草酸合酶、抗小穗宁麻素的核糖体蛋白S14、抗吐跟碱的核糖体蛋白S14、抗磺酰脲类的乙酰乳酸合酶、抗咪唑啉酮的乙酰乳酸合酶、抗链霉素的16S核糖体RNA、抗大观霉素的16S核糖体RNA、抗红霉素的23S核糖体RNA或抗甲基苯并咪唑的微管蛋白。
增强转基因表达的核酸调控序列是已知的，例如隐秘小环藻的乙酰辅酶A羧化酶的5’端非翻译的调控序列，隐秘小环藻的乙酰辅酶A羧化酶的3’端非翻译的调控序列，以及它们的组合。此外，可以将α-微管蛋白的基因或与该物种共有的组成型表达的任何其它基因，置于要转化给藻类的基因的前面，以实现高水平的表达。
迄今，调节藻类脂质生产的代谢途径尚未被完全表征。清楚的是，某些环境条件可以触发代谢中的开关以提高脂质产量。在原理上，触发机制可以通过一个或一些基因或蛋白(例如，转录因子、蛋白激酶或磷酸酶、受体蛋白、信号转导蛋白、激素、细胞因子、或其它的调控元件)的活性来调节。已经有建议：转化可催化脂质合成的限速步骤的酶，例如乙酰辅酶A羧化酶，可提高藻类中的脂质产量(参见，例如，Dunahay et al.，″Manipulation of microalgal lipid production using genetic engineering，″inApplied Biochemistry and Biotechnology，Humana Press，Totowa NJ，2007)。
然而，可能更有效的似乎是改变涉及脂质产出的全部级联的酶，以创造出在不延缓生物体生长过程的情况下，能产出大量脂质的“新的”藻类微生物。
优选的实施方案
在诸多实施方案中，要求保护的方法、组合物和装置可以包含：
一种光生物反应器，其中，基于对建造在光生物反应器系统内的计算机控制传感器网络的响应，环境空气流的额外入口可以被打开或关闭，其中所述入口可以添加二氧化碳或来自内燃原动机的废气。
一种光生物反应器，其中，基于对增加的碱性的响应，可以添加额外的二氧化碳或来自内燃原动机的废气，其可以作为调节光生物反应器的pH水平和使其保持最适于微藻生长的一个手段。
一种光生物反应器，其中，基于对光生物反应器培养基内所溶解二氧化碳的平衡设定的响应，可以添加额外的二氧化碳或来自内燃原动机的废气。
一种光生物反应器，其中，将下列气体的组合鼓泡通过光生物反应器培养基：发电厂烟气、二氧化碳、环境空气、氮气、工业内燃室的废气和/或来自其它工业生物反应器的废气。
一种光生物反应器，其中，光生物反应器系统的顶层和光生物反应器腔室的顶层由玻璃制成。
一种光生物反应器，其中，将荧光传感器固定在光生物反应器腔室的内部，并将荧光传感器的叶绿素荧光测量结果传送至中央控制单元和/或集散控制单元。
一种光生物反应器，其中，将图像捕获单元固定在光生物反应器腔室内部，并将图像传输至中央控制单元和/或集散控制单元用于图像分析。
一种光生物反应器，其中，中央或集散控制单元接受来自光生物反应器腔室内部的各个传感器的数据，并向人类操作员或自动反馈系统发送信号，以改变光生物反应器系统内部的环境条件，例如，当光生物反应器培养基变得过冷时增加温度，当光生物反应器培养基变得过碱时降低pH，当溶解的二氧化碳水平变得过低时增加鼓泡通过光生物反应器培养基的二氧化碳的比例，等等。
一种光生物反应器，其中，将环境传感器布满于光生物反应器腔室并通过电线、无线发射器和/或纤维光缆连接，并将数据传输至中央或集散控制单元。
一种光生物反应器，其中，将环境传感器布满于指状的光生物反应器腔室并通过无线传输数据，并将数据传输至中央和/或集散控制单元。
一种光生物反应器，其中，通过从外部水池移除液体，在外置于光生物反应器系统的热交换器对液体加热或冷却，然后再将液体放回至外部水池，来调节光生物反应器腔室内部的温度。
一种光生物反应器，其中，通过漂浮在外部水池中的管子来调节温度，其中已通过外置于光生物反应器系统的热交换器进行加热或冷却的热交换流体，通过所述管子。
一种光生物反应器，其中，通过在外部水池底部的管子来调节温度，其中已通过外置于光生物反应器系统的热交换器进行加热或冷却的热交换流体，通过所述管子。
一种光生物反应器，其中，通过其下填充有液体的囊袋内所漂浮的管子来调节温度，其中已通过外置于光生物反应器系统的热交换器进行加热或冷却的热交换流体，通过所述管子。
一种光生物反应器，其中，通过位于光生物反应器腔室最顶部的气袋收集过量的氧气和其它废气，然后用外置空气泵抽取并在外部存储以作为高纯度的氧气出售。
一种光生物反应器，其中，仅使用低剪切泵将培养基泵入系统或泵出系统。
一种光生物反应器，其中，为了将生物代谢物、异种微生物和其它杂质过滤出培养基，通常以连续或半连续的方式，每天将多达90％的(或多或少)培养基抽出。
一种光生物反应器，其中，有一个单独的培养基循环系统，其在所述培养基返回至光生物反应器系统之前，可将污染物过滤出培养基，并可杀死不需要的生物生长物，以及可将代谢物调节至合适的水平。
一种光生物反应器，其中，为了控制温度和创造一个平面，可将外部的填充有液体的囊袋，放置于光生物反应器腔室的下面。
一种光生物反应器，其中，额外的囊袋还起第二生物反应器的作用，可以将从光生物反应器系统收获的微生物转移至其中，并且还可以将额外的囊袋用作所需微藻的异养生长的第二生物反应器，或者其中可以发生养分的限制或耗尽以引发培养的细胞中油类的积累。
一种光生物反应器，其中，额外的囊袋含有腔室，可以将从光生物反应器系统收获的微生物转移至其中，并且还可以将其用作所需培养物的异养生长的第二生物反应器，或者其中可以发生养分的限制或耗尽以引发培养的细胞中油类的积累。
一种光生物反应器，其中，通过控制流体静压力而非气体浮力来保持结构的形状。
一种光生物反应器，其中，可以将多个柔性的平行管的每一个当作一个单独的光生物反应器。
一种光生物反应器，其中，可以将光生物反应器腔室的一些或全部串联，以增加光生物反应器的表观全长。
一种光生物反应器，其中，可以通过外部的传焰管或通过相邻或附近的光生物反应器腔室之间的内部通道，将光生物反应器腔室进行串联。
一种光生物反应器，其中，可以通过外部传焰管和/或集箱，或通过内部通道，或通过内部集箱，将光生物反应器腔室进行并联。
一种光生物反应器，其中，在沿着光生物反应器的长度的特定位置或沿着单个柔性光生物反应器筒管的长度的特定位置，抽取培养物和/或添加新鲜培养基。
一种光生物反应器，其中，为了诱导可增加脂质含量的营养压力条件，沿着光生物反应器的长度的特定位置或沿着单个柔性光生物反应器筒管的长度的特定位置，可添加或以不同浓度添加某些养分。
一种光生物反应器，其中，通过搅拌而非空气注入的方法，使培养物通过透光区循环。
一种光生物反应器，其中，以周期性间隔向培养物中添加新鲜的培养基，以稀释培养物并随着细胞繁殖而保持恒定密度。
一种光生物反应器，其包含一个生长阶段的光生物反应器和一个压力阶段的生物反应器，所述压力阶段的生物反应器特别用于脂质的积累，以生产生物燃料。
一种光生物反应器，其中，压力生物反应器与用于生长的光生物反应器之间相互邻近，其利用太阳光进行微藻细胞的自养培养。
一种光生物反应器，其中，生长和压力生物反应器包含一个单独的通道，其由过滤装置隔离，并且通过该通道，泵流将藻类细胞推经生长和脂质积累的不同阶段，以使在准备收获它们时，它们到达连续系统的末端。
一种光生物反应器，其中，生物反应器通道的压力阶段部分，位于该通道的光生物反应器部分的下游，并在黑暗中以异养的方式运行。
一种光生物反应器，其中，生物反应器的压力部分，是位于邻近光生物反应器的塔状结构，并在黑暗中以异养的方式运行。
实施例
下面所包含的实施例用以说明本发明优选的实施方案。本领域技术人员应该理解，按照本发明人所发现代表性技术进行构思撰写的实施例所公开的技术，在本发明的实施中运行良好，并因此被认为构成了其实施的优选方式。但是，根据本发明的公开，本领域技术人员应该理解，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对公开的具体实施方案做很多改变并可仍然获得同样或类似的结果。
实施例1：光生物反应器构建和使用
光生物反应器构建
设计并建造一个示例性的光生物反应器。在如图2所示的示例性实施方案中，将一张高26厘米，长20米的塑料薄膜平放在桌子上。然后将旋转式穿孔机沿着塑料薄膜的长度碾过薄片的中点。如此在塑料薄膜上每隔2厘米制作直径0.25mm的孔。然后将塑料薄膜对折为两半，孔在折线下方5毫米，以形成空气管。
然后将该空气管置于两张塑料薄膜之间，每一片塑料薄膜高91厘米长20米。塑料空气管的底部与两张大的塑料薄膜的底部齐平。
下一步使用为该程序特别设计的脉冲热焊机。该机器包含上台板和下台板(图3A)。上台板上下移动，而下台板保持静止。可以将塑料薄膜手动送入焊机，所述焊机每次焊接光生物反应器系统有76厘米。上台板包含两个69厘米的制作水平顶焊的水平加热元件，两个69厘米的制作水平底焊的水平加热元件，以及5个倾斜31度角的倾斜的垂直加热元件。下台板包含与上述上台板中的每一个加热元件对准的相应的加热元件。该焊机由气动活塞控制，当启动时，所述气动活塞向焊接元件施加相等的压力。在焊接期间以及焊接后的冷却期间，焊机保持该压力。然后释放压力并收缩台板。根据具体使用的材料和焊接工的设定，通常焊接时间大约4-10秒。在可选的实施方案中，可以设计类似的机器以利用自动化代替手动输入薄膜。
随着机器压制薄膜，其在距离薄膜底部6.35厘米处沿着塑料薄膜长度制作连续的水平热焊。同时在距离塑料薄膜顶部19厘米处沿着腔袋长度，同时对上部进行水平焊接。使用特别用于该用途的焊机，将塑料薄膜的中部顺序焊接成末端开口的倾斜的管子(图3B)。所述焊机包含有固定至台板的5个平行的焊接元件，其加速了制作光生物反应器腔室的过程。管子脉冲焊机形成5个平行的倾斜的部分焊接，所述焊接并不到达光生物反应器腔室底部或顶部的焊缝。在距离塑料薄膜顶部38厘米和距离塑料薄膜底部18厘米处，进行倾斜的部分焊接。以倾斜31度角设置管子焊缝。在该热焊机中，总共进行26次压制，以在光生物反应器腔室20米的长度上制作总共130处焊缝。
使用该焊机如此制作了总共130个管子，其依次包含130处管子焊缝。当增加光生物反应器的末端的竖直端时，制作额外的2个管子。因此，在示例性实施方案中，一个20米长的光生物反应器腔室包含132个倾斜的管子。
为了在填充和加压时使反应器具有最适宜的形状，使用交错焊机(图4A)以沿着外部塑料薄膜和空气管的长度，焊接3厘米高的锯齿状焊缝。沿着光生物反应器腔室的长度，制作起始的“锯齿”焊缝。该“锯齿”焊缝的顶部在距离塑料薄膜底部7.6厘米处开始，在距离塑料薄膜底部6.6厘米处终止。然后将腔袋翻转并在相反方向上沿着相同的长度，进行相同的焊接，以制作与“正向锯齿”图案重叠的“反向锯齿”图案。一旦完成，其图案类似于锯齿状(图4C)。为了制作该焊接，操作人员应该根据所用材料和其它条件，施加适宜的4-10秒钟的压力，之后对塑料制品以等量的接触时间施加等量的压力。
可选地，可以使用恒温焊机制作锯齿状图案，所述恒温焊接的焊头被加工或形成有锯齿状或类似图案。图4A示出了这样的一个例子。
然后在距离塑料薄膜顶部28厘米处沿着腔袋的长度，用交错焊机制作锯齿状图案的焊缝。该焊缝并非连续并且因此容许空气和液体经过焊缝之间的空隙，但它向光生物反应器腔室中最上层的气袋提供了结构支撑。
然后在光生物反应器图5A所示的位置上，打7个安装塑料隔板的孔。每一个隔板(图5C)具有内径32毫米的孔。
然后将塑料隔板(图5C)安装至光生物反应器腔室。将隔板置于光生物反应器腔室内部，使得有螺纹的部分露在外面。将硬垫圈放置在有螺纹的部分上方，所述硬垫圈以其软的一侧贴塑料隔板放置。然后将塑料螺母紧紧拧在螺纹上。将一个盖罩放在开口上面，以确保在运输和安装期间，灰尘和微生物不能进入隔板。一个可选的固定方法是，将隔板直接热焊接至塑料薄膜。
如图5A所示，然后用直线带状脉冲焊机，以对所用材料合适量的时间和压力，对空气出口部分焊接。在外部塑料薄膜的图5A所示的点上进行打孔，围绕该孔的边缘放置高温热熔胶的微珠。然后将板口(图5B)固定于该孔，并在适当的位置保持几秒钟，以确保胶水的均匀分布。该板口是光生物反应器腔室的空气出口。可以使用包括焊接和粘结剂在内的其它固定方法，将板口连接至塑料薄膜。
在光生物反应器腔室终端的这一点上，用直线带状脉冲焊机，以对所用材料合适量的时间和压力，制作最终的倾斜焊接。这些制作终端和最后两个管子的终端焊接，如图6所示。
然后将包含内径1厘米长度10厘米的硬塑料进气管，在空气管的入口固定(图7)。为此，将一片矩形的塑料从该部分(在此处切割掉4层塑料)切割掉(图7)。该切割恰好终止于垂直焊缝的末端。将进气的硬塑料管插入进空气管至7.5厘米处。将足量的高温热熔胶施加至硬塑料管和光生物反应器腔室之间的界面，并在适当的位置轻握5秒钟以确保其密封。
如图8所示，将多余的塑料围绕光生物反应器切割掉。这产生了单个完整的光生物反应器腔室。应该注意的是，在整个光生物反应器系统中，只有一些光生物反应器腔室需要7个用于传感器测量和样品收集的隔板。大多数腔袋将只需要进气管，用于排气的板口以及两个隔板配件(一个用于液体进入，一个用于液体流出)。
将光生物反应器腔室配对，并且沿着两个腔袋长度进行最终热封，以将它们在顶部连接(图9)。然后将成对的光生物反应器腔室预备好，以放置在光生物反应器系统中。
光生物反应器腔室的材料应该是柔性、耐久和透明的。在优选的实施方案中，腔室材料包含多层复合材料聚合物，其包含一层尼龙塑料薄膜，所述尼龙塑料薄膜以其任一面与一层粘结剂粘结层和一层低密度聚乙烯层(LDPE)相结合。当进行加热和施压时，所述粘结剂可将LDPE和尼龙进行粘合。
根据光合微生物的种类以及按照光循环、剪切应力限制等所要求的相应紊流水平，尼龙-LDPE塑料薄膜的厚度可以变化。尼龙-LDPE薄膜的优选例子是，千分之三点五英寸厚。在该厚度，光生物反应器腔室内的适度紊流，对薄膜结构的完整性影响甚微。可用于示例性实施方案实施的其它厚度是，千分之一点五英寸、千分之二点五英寸、千分之五英寸、千分之七英寸和千分之十英寸。这些厚度为光生物反应器腔室内的各种水平的紊流，提供了足够的结构完整性。
可以使用的塑料薄膜的其它例子有：单层LDPE、线性低密度聚乙烯(LLDPE)、纤维强化型LDPE、高密度聚乙烯(HDPE)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、单层尼龙、聚酯(PET)、乙烯醋酸乙烯酯(EVA)、聚偏二氯乙烯(PVLC)、乙烯乙烯醇共聚物(EVA)、聚苯乙烯(PS)，以及本领域已知的任何其它透明的塑料薄膜。此外，可以任何组合使用上述塑料薄膜，以制作多层型杂化聚合物。上述薄膜的厚度，可以根据所选的种植在光生物反应器系统中的光合微生物的种类而变化。为了降低构建光生物反应器中腔袋材料的成本，优选地，所选厚度为容许结构完整性的最小厚度。
用于连接塑料薄膜的优选的实施方案是使用恒热焊机，其可设定适于所用材料的合适时间、压力和温度。压制时间取决于塑料薄膜的厚度、所用材料和层的数目。
在示例性实施方案中使用的将塑料薄膜连接在一起的脉冲焊机，其包括一个贯穿有千分之一英寸厚、68.5厘米长镍铬合金条的30伏的脉冲焊结部件。一个将两张千分之五英寸厚的尼龙-LDPE五层聚合物薄膜，连接在一起的非限制性的示例性设定是：压力为50磅每平方英寸，持续时间为4至10秒钟。
当填充有生长培养基时，光生物反应器腔室单元膨胀，并且平行的垂直热焊缝之间的区域凸起，由此产生了顶部和底部开口的一系列的管子。这样，连续的流体穿过该光生物反应器腔室，同时由于热焊接和光生物反应器腔室内相对于周围水压力的较高压力能够提供结构支撑，所以，该光生物反应器腔室还具有刚性的结构。
将生长培养基保持在锯齿状热焊缝略微靠下的水平，所述锯齿状热焊缝位于顶部热焊缝下方。以足以阻止生长培养基进入密封的空气管的压力将空气泵入空气管，并将气泡从每一个穿孔中鼓出。然后鼓泡在培养基中上升，并在气液界面上破裂。
上部的气袋(其由鼓泡提供)提供了增加光生物反应器腔室单元的结构完整性的正向浮力。因此重要的是上部气袋的体积要大于密封的空气管，否则密封的空气管将竞争性地上浮腔室单元。如果不使用外部水池，可以增加光生物反应器腔室内部的生长培养基的内部流体静压力，以保持光生物反应器腔室的结构刚性。
可以以微坑的形式将额外的热焊接施加至平行的垂直管子，作为用于产生更长过程的鼓泡上升的方法。这有助于延长鼓泡的停留并因此使每一给定量的鼓泡的气体交换最大化。
另一个制造所需的鼓泡过程的方法是，将热风枪应用于管子的外部，以制造类似折皱的塑料变形。这些折皱同样减缓了鼓泡的上升，并增加了每一给定量的鼓泡的气体交换。该效果也可以通过给塑料薄膜在真空中形成折皱来实现。
将以横截面为三角形排列(图10)的光生物反应器腔室成对地连接在一起(图9)，并放置于用于热调节和结构支撑的水池中。所述水池被上述的外部围墙围绕。按照上面的详细描述部分的描述，将泵、传感器和控制系统集成至系统中。
实施例2.藻类培养
将眼点微拟球藻、微拟球藻、司西四鞭毛藻、大四鞭毛藻、海水小球藻、或杜氏盐藻接种至实施例1中描述的示例性光生物反应器中。将杜氏盐藻藻类培养物在光生物反应器系统中培养并生长。杜氏盐藻可实现多达但并不限于每毫升四千五百万个细胞(1.5-2.3g/L)的细胞密度。
将在具有类似特征的不同光生物反应器中生长的藻类，收获并从藻类中提取脂质。使用连续酯交换工艺，将甘油三酯转化成生物柴油。
实施例3.通过养分限制来提高脂质产量
将司西四鞭毛藻在添加有0.5g-2g/L的NaHCO3，pH为7.2-7.5的f/2培养基中生长5-8天，直至最大细胞密度达到10-62×106细胞/ml的范围。在不同的连续CO2(1-2％)的搅拌下，其干重可达到1.4-11g/L。根据需要，添加NaNO3和NaH2PO4.H2O。达到最大细胞密度后，不再通入额外的CO2。在达到最大细胞密度和停止供应CO224小时后，中性脂质形成。pH从7.5上升至10-11。pH的上升是脂质产生的标志。
使用Nile Red.荧光测量，来监视24小时后的脂质形成动态。将藻类样品稀释至在750nm波长下光学密度为0.1。将35μL溶于DMSO的Nile Red加入至3.5ml的稀释藻类，直至终浓度为1μg/ml。将样品完全混合并在室温下培育5分钟后(对其它物种可能需要更长的培育时间)，通过在激发波长525nm处、发射波长在540至800nm范围内用Perkin Elmer LS55荧光计，进行读数。中性脂质发射波长为580-600nm。通过薄层层析，分析所积累的脂质类型。通过气相色谱法，确定脂肪酸甲酯的总量。

Claims (50)

1.一种封闭系统的光生物反应器，包含一个或多个被水池围绕的封闭的光生物反应器腔室，所述光生物反应器能够生长光合微生物。
2.权利要求1所述的光生物反应器，其中所述光生物反应器腔室包含柔性、透明的塑料或复合材料薄膜。
3.权利要求1所述的光生物反应器，其中所述光生物反应器设计为通过向光生物反应器腔室提供漫射光而提高光合效率。
4.权利要求1所述的光生物反应器，其中所述光生物反应器腔室暴露于光线的表面积大于该光生物反应器的占地面积。
5.权利要求2所述的光生物反应器，其中通过水池中的水、光生物反应器腔室中的气袋的正向浮力、和/或塑料或复合材料薄膜上的结构性热焊接，为光生物反应器腔室提供结构支撑。
6.权利要求1所述的光生物反应器，还包含使藻类和生长培养基循环通过腔室的低剪切泵。
7.权利要求1所述的光生物反应器，还包含低剪切过滤器。
8.权利要求1所述的光生物反应器，还包含在光生物反应器腔室中的生长培养基和光合微生物。
9.权利要求5所述的光生物反应器，其中将所述腔室以相互间成一个角度放置，并将其与相邻腔室在顶部和底部处固定，以从横截面看形成手风琴形状。
10.权利要求1所述的光生物反应器，还包含围绕水池的围墙，水池下面的底衬和水池上面的塑料顶层，以减少水池的水损耗。
11.权利要求10所述的光生物反应器，其中水池中的水提供了降低光生物反应器腔室温度波动的热质。
12.权利要求8所述的光生物反应器，其中所述光合微生物是微藻或蓝细菌，并且选自下列物种：眼点微拟球藻、盐生微拟球藻、微拟球藻属、司西四鞭毛藻、大四鞭毛藻、布朗葡萄藻、小球藻属、椭圆小球藻、浮水小球藻、微小小球藻、原壳小球藻、蛋白核小球藻、海水小球藻、禾草小球藻、普通小球藻、盐生隐藻、隐秘小环藻、小环藻属、盐生杜氏藻、巴氏杜氏藻、杜氏盐藻、纤细眼虫、尼氏裸甲藻、雨生红球藻、球等鞭金藻、小单壳缝藻、单壳缝藻属、微小绿藻属、Neochloris oleoabundans藻、左弯菱形藻、Onoraphidium sp.藻、鲁兹帕夫藻、三角褐指藻、紫球藻、斜生栅藻、四尾栅藻、栅藻属、骨条藻、杆裂丝藻、钝顶螺旋藻、以及海链藻。
13.权利要求2所述的光生物反应器，其中所述光生物反应器腔室包含连接在一起的塑料薄膜的底层和顶层，在该腔室顶部具有气袋以提供正向浮力，其中通过结构张力保持光生物反应器腔室的形状。
14.权利要求5所述的光生物反应器，其中气袋收集通过光合作用产生的氧气并且其中收集富含氧气的空气，以提高发电厂或燃烧室的燃烧效率。
15.权利要求10所述的光生物反应器，其中顶层塑料含有染料、涂层或添加剂，以阻挡部分或全部的紫外光或红外光的透射，同时容许可见光的透射以支持光合作用。
16.权利要求1所述的光生物反应器，还包含一个或多个传感器接口，每一个传感器接口含有选自下列的一个或多个传感器：溶解二氧化碳传感器、溶解氧传感器、pH传感器、温度传感器、浊度传感器、溶解固体传感器以及荧光传感器，其中将来自一个或多个传感器的信号传输至中央控制单元。
17.权利要求16所述的光生物反应器，其中中央控制单元通过响应传感器的信号，来调节一个或多个控制单元发挥其功能，以控制光生物反应器腔室内的一个或多个环境条件。
18.权利要求1所述的光生物反应器，还包含一个第二生物反应器，可以将收获的微生物运送至所述第二生物反应器，并将收获的微生物经受条件处理以提高脂质产量。
19.权利要求1所述的光生物反应器，其中当向腔室接种新的培养物时，光生物反应器腔室的流体的体积可以增加或减小。
20.权利要求12所述的光生物反应器，其中在光生物反应器腔室中保持多种藻类。
21.权利要求2所述的光生物反应器，其中光生物反应器腔室内的压力可以调节，以控制光生物反应器腔室的尺寸和形状。
22.一种封闭系统的光生物反应器，包含一个或多个封闭的光生物反应器腔室，所述光生物反应器腔室由柔性、透明的塑料或复合材料薄膜组成，每一个光生物反应器腔室的底部有由塑料薄膜组成的空气管，以向腔室提供空气鼓泡。
23.权利要求22所述的光生物反应器，其中提供给空气管的空气含有二氧化碳，所述二氧化碳选自下列来源：大气二氧化碳、二氧化碳罐、发电厂的废气、或燃烧室的废气。
24.权利要求22所述的光生物反应器，其中，为了从光生物反应器的生长培养基中除去溶解氧，提供给空气管的气体的氧气含量按体积计在0至2％之间。
25.权利要求23所述的光生物反应器，其中可以控制二氧化碳的浓度，以调节光生物反应器腔室中的生长培养基的pH。
26.一种制备生物燃料的方法，包含下列步骤：
a.在封闭系统的光生物反应器的生长培养基中种植光合微生物，所述光生物反应器包含被水池围绕的一个或多个封闭的光生物反应器腔室；
b.以连续、半连续或批处理方式的方法收获光合微生物；和
c.将来自光合微生物的脂质或碳水化合物转换成生物燃料。
27.权利要求26所述的方法，其中所述光合微生物是藻类。
28.权利要求27所述的方法，其中使所述藻类承受环境压力，以提高脂质产量。
29.权利要求28所述的方法，其中使所述藻类承受两种或多种不同环境压力的组合，以提高脂质产量。
30.权利要求28所述的方法，其中所述环境压力为二氧化碳耗尽。
31.权利要求29所述的方法，其中不向光生物反应器腔室提供二氧化碳。
32.权利要求28所述的方法，其中所述环境压力为氮耗尽。
33.权利要求28所述的方法，其中所述环境压力为减少或增加光照。
34.权利要求26所述的方法，还包含向光生物反应器腔室提供漫射光，以提高光合效率。
35.权利要求26所述的方法，其中所述光合微生物是微藻或蓝细菌，并且选自下列物种：眼点微拟球藻、盐生微拟球藻、微拟球藻属、司西四鞭毛藻、大四鞭毛藻、布朗葡萄藻、小球藻属、椭圆小球藻、浮水小球藻、微小小球藻、原壳小球藻、蛋白核小球藻、海水小球藻、禾草小球藻、普通小球藻、盐生隐藻、隐秘小环藻、小环藻属、盐生杜氏藻、巴氏杜氏藻、杜氏盐藻、纤细眼虫、尼氏裸甲藻、雨生红球藻、球等鞭金藻、小单壳缝藻、单壳缝藻属、微小绿藻属、Neochloris oleoabundans藻、左弯菱形藻、Onoraphidium sp.藻、鲁兹帕夫藻、三角褐指藻、紫球藻、斜生栅藻、四尾栅藻栅藻属、骨条藻、杆裂丝藻、钝顶螺旋藻、以及海链藻。
36.权利要求26所述的方法，其中所述光合微生物是原壳小球藻或司西四鞭毛藻。
37.权利要求27所述的方法，其中在光生物反应器腔室内保持多种藻类。
38.权利要求26所述的方法，其中所述光生物反应器腔室包含柔性、透明的塑料或复合材料的薄膜。
39.权利要求38所述的方法，其中所述光生物反应器腔室包含位于每一个光生物反应器腔室底部的由塑料薄膜组成的空气管，以向腔室提供空气鼓泡。
40.权利要求37所述的方法，其中提供给空气管的空气含有二氧化碳，所述二氧化碳选自下列来源：大气二氧化碳、二氧化碳罐、发电厂的废气、或燃烧室的废气。
41.权利要求40所述的方法，其中可以控制二氧化碳的浓度，以调节光生物反应器腔室中的生长培养基的pH。
42.权利要求26所述的方法，其中水池中的水提供了降低光生物反应器腔室温度波动的热质。
43.权利要求42所述的方法，还包含向封闭系统的光生物反应器，提供外部热源或冷源。
44.权利要求39所述的方法，其中在位于光生物反应器腔室顶部的气袋中，收集来自空气管的过量气体或通过光合作用产生的氧气。
45.权利要求44所述的方法，还包含从气袋中移除富含氧气的空气，用于提高发电厂或燃烧室的燃烧效率。
46.权利要求44所述的方法，还包含在封闭系统的光生物反应器的一端从气袋排放气体。
47.权利要求44所述的方法，还包含沿着封闭系统的光生物反应器的长度从气袋排放气体，以降低生长培养基中的氧气浓度。
48.权利要求46所述的方法，其中废气从水下排放。
49.权利要求48所述的方法，还包含通过水面下的排气口的深度，来调节封闭的光生物反应器腔室中的气压。
50.权利要求26所述的方法，还包含泵送生长培养基通过光生物反应器腔室，其中所述生长培养基从光生物反应器的一端离开，并被泵送至光生物反应器的另一端，以产生通过光生物反应器腔室的单向流动。
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