CN102245754A - 太阳能生物工厂、光生物反应器、被动热调节系统以及用于生产产品的方法 - Google Patents

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Abstract

在此所描述的本发明涉及用于以有成本效益的方式培养捕获光的生物体的光生物反应器、方法、组件以及这类装置的用途。不同的实施方案提供了在光生物反应器装置中使用选定的微生物的被动热调节系统以及用于从这些生物中以生物方式生产不同的燃料和化学品产物的方法。另外的实施方案提供了能够将捕获光的生物体培养至面积产率为3.3g/m2/hr的太阳能生物工厂系统。进一步的实施方案是针对能够将捕获光的生物体培养至OD730为约14g/L DCW的光生物反应器。这类实施方案合并了多个被动热调节系统。

Description

太阳能生物工厂、光生物反应器、被动热调节系统以及用于生产产品的方法
相关申请
本申请要求于2008年12月11日提交的美国临时申请号61/201,548以及于2009年5月21日提交的美国临时申请号61/216,949的权益。上述申请的全部传授的内容通过引用结合在此。
发明领域
本披露在此总体上涉及太阳能生物工厂、光生物反应器装置、光生物反应器、用于培养捕获光的生物体的系统以及方法(使用这些生物体来以生物方式生产感兴趣的基于碳的产品)。
背景
化石燃料的燃烧被认为已经导致大气二氧化碳(CO2)浓度升高。基于土地使用的变化以及连续地燃烧化石燃料，预计二氧化碳的水平仅在60年内将翻倍。二氧化碳浓度以及其他温室气体的增加被认为将热量保存在大气内，这导致了更高的全球温度。隔离(长期捕获并且储存二氧化碳)已经很久以来被认为是缓解这个问题的一种方法。然而，其前提条件是光以及二氧化碳构成了被消耗的物质的绝大多数，直接将环境中的二氧化碳转化为有价值的产物(例如燃料、化学品、药物、以及它们的前体)，代表了用来降低二氧化碳的影响的一种替代方案以及改进的方法，同时维持了我们的现代社会所要求的核心工业以及商业产品。
植物以及其他捕获光的生物体是主要的方法，通过该方法将二氧化碳从大气中去除。通过光合作用，生物体在捕获二氧化碳的同时使用了太阳能，可以制造重要的代谢前体，这些代谢前体能够以超过90％的量被转化成生物质(Sheehan John，Dunahay Terri，Benemann John R.，Roessler Paul，″A Look Back at the U.S.Departmentof Energy′s Aquatic Species Program：Biodiesel from Algae，″1998，NERL/TP-580-24190)。上述方法企图增加藻类生物质的产量并且潜在地将该生物质用作燃料。(Reed T.B.and Gaur S.″A Survey ofBiomass Gasification″NREL，2001)。已经另外地证实的是加入一个小子集的基因可以使捕获光的生物体能够生产乙醇。具体地讲，已经实现了在蓝细菌中表达来自运动发酵单孢菌(Z.mobilis)的乙醇脱氢酶II以及丙酮酸脱羧酶，这导致低水平的乙醇产量(美国专利6,699,696)。虽然如此，生产藻类以及从捕获光的生物体生产产品的能力已经完全让位于需要具有商业可行性的效率以及因此对环境或废物二氧化碳产生显著的影响(美国专利6,699,696；Sheehan John，Dunahay Terri，Benemann John R.，Roessler Paul，″A Look Back at theU.S.Department of Energy′s Aquatic Species Program：Biodiesel fromAlgae，″1998，NERL/TP-580-24190)。
使用藻类作为隔离二氧化碳或转化为产品的方法的一个主要的限制是开发高效的并且有成本效益的生长系统。水生生物(例如藻类、牡蛎类、以及龙虾类)已经被主要地培养在开放系统中。这种方法允许这些生物体利用半自然的环境同时将运行费用保持在有可能更低的水平。已经对高达4km2的开放的藻池进行了研究，虽然它需要低的基本开支，最终还是具有低的生产率(由于这些系统还遭受到许多问题)。由于本身是一个开放系统，这些培养的生物体被暴露于多种外源生物，这些外源生物可以是共生性的、竞争性的、或病原性的。共生性生物可以改变培养的生物体，这仅通过将它们暴露于一个不同组的条件，。机会性物种可以与所希望的生物体竞争空间、营养物、等。另外，病原性侵入物能够以所希望的生物体为食或将它们杀死。除了这些复杂的因素，开放系统难以与环境改变(包括温度、浑浊度、pH、盐度、以及日晒程度)隔离。这些困难指出了为了藻类以及类似生物体的生长开发出一种封闭的、可控的系统的需要。
毫不出人意料地，已经开发了多种封闭的光生物反应器。典型地，这些是圆柱形的或管状的(即，美国专利号5,958,761，美国专利申请号2007/0048859)。这些生物反应器通常要求混合器件、增加成本、并且易于积累氧(O2)(这抑制了藻类生长)。
如WO 2007/011343中所讨论的，许多常规的光生物反应器包括圆柱形的藻类光生物反应器，这些光生物反应器可以被分类为或者是“泡罩塔”亦或是“气提式反应器”。垂直的光生物反应器(它作为“泡罩塔”进行操作)是具有藻类悬浮体的大直径的柱子，其中气体从底部鼓泡进入。使用鼓泡作为在大直径柱中进行混合的方法被认为是低效率的，提供了较低的净产率，因为培养物的某些元件仍然是光照不足的并且因为气体的大的泡没有递送必需的前体。一种替代的垂直反应器是气提式生物反应器，其中使用两个同心的管状容器(其中空气在内管的底部鼓泡)，该内管是不透明的。该压力引起内管中向上流动以及外部分中向下流动，该外部分被做成半透明的。这些反应器比其他反应器具有更好的传质系数以及藻类产率(尽管控制流动仍然是一个困难)。在开发封闭式生物反应器中高效的混合以及气体分布是关键问题并且至今这类高效生物反应器还不存在。
管状生物反应器(当水平地定向时)典型地要求额外的能量来提供混合(例如，泵)，因此显著地增加了固定资产以及运营成本。在这个方向上，可以容易地将通过光合作用产生的O2捕获在该系统中，因此引起藻类增殖的显著地降低。其他已知的光生物反应器是垂直地定向的并且气动地进行搅拌。许多这类光生物反应器以“泡罩塔”的方式进行操作。
所有封闭式生物反应器还需要光(或者来自太阳亦或是人造衍生的(美国专利号6,083,740))。通过半透明的管材，典型地使得阳光穿透性成为可能，该管材(具有较细的直径)能够更彻底地饱和藻类。一些已知的光生物反应器设计依赖于人工照明(例如，荧光灯，(如美国专利号6,083,740中由Kodo等人所述))，并且可以另外地通过当今存在的任何光源来提供。不使用太阳能但作为替代仅依赖于人造光源的光生物反应器可能需要大量的能量输入，增加了成本，并且导致这些系统(以独立的方式)是不实用的。使用自然的日光要求低成本装置以允许适当地穿透该培养物，同时将该培养物维持在适当的温度下。
此外，因为几何学设计约束条件，在大规模的、户外藻类生产期间，由于与光反射作用以及自遮蔽作用(其中一个柱子遮蔽另一个柱子)相关的因素，两种类型的圆柱形光生物反应器可能遭受低产率。遮蔽问题导致了垂直的生物反应器设计的低效率，导致了低的土地使用。
已经披露了几种平板型光生物反应器设计来培养微藻：SamsonR & Leduy A(1985)Multistage continuous cultivation of blue-greenalga Spirulina maxima in the flat tank photobioreactors with recycle.Can.J.Chem.Eng.63：105-112；Ramos de Ortega and Roux J.C.(1986)Production of Chlorella biomass in different types of flat bioreactors intemperate zones.Biomass 10：141-156；Tredici M.R.and Materassi R.(1992)From open ponds to vertical alveolar panels：the Italianexperience in the development of reactors for the mass cultivation ofphotoautotrophic microorganisms.J.Appl.Phycol.4：221-31.TrediciM.R.，Carlozzi P.，Zittelli G.C.and Materassi R.(1991)A verticalalveolar panel(VAP)for outdoor mass cultivation of microalgae andCyanobacteria.Bioresource Technol.38：153-159；Hu Q.and RichmondA.(1996)Productivity and photosynthetic efficiency of Spirulinaplatensis as affected by light intensity，algal density and rate of mixingin a flat plate photobioreactor.J.Appl.Phycol.8：139-145；Hu Q，Yair Z.and Richmond A.(1998)Combined effects of light intensity，light-pathand culture density on output rate of Spirulina platensis(Cyanobacteria).European Journal of Phycology 33：165-171；Hu et al.WO2007/098150，然而，至今为止没有设计或系统已经被成功地按比例放大来以商业规模高效地生长生物体。
许多不同的光生物反应器构型已经被描述在文献中，包括平板、泡罩塔、管状反应器以及针对提高表面积与体积的比率从而最大程度地将阳光和CO2转化为生物质或其他产品(例如藻油)的多种环状设计。相对于控制温度、pH、营养物以及限制污染而言与开放式水沟相比较这些反应器具有显著的优点(参见Pulz，O.“Photobioreactors：Production systems for phototrophicmicroorganisms”，Appl.Microbiol Biotechnol(2001)57：287-293)。对于它们的采用的主要的限制是成本与收益的比较(当它涉及正在生产的产品时)。然而，已经在光生物反应器中生产出有价值的产品(例如类胡萝卜素)，用于燃料的生物质的生产至今还没有在经济上被证明可行。
这项技术(当它涉及封闭的光生物反应器时)以多种方式实现了温度控制，包括外部和内部的热交换器、将冷却水直接地喷射在表面上、使用冷却的或加热的喷雾气体以及将反应器直接地浸没在大池的水(它被分开地进行温度控制)中(参见Molina Grima，E.et al“Photobioreactors：light regime，mass transfer，and scale-up”，J.ofBiotechnology(1999)70：231-247；Hu，Q.et al“A flat inclinedphotobioreactor for outdoor mass cultivation of photoautotrophs”Biotechnology and Bioengineering(1996)51：51-60以及Hu，Q.WO2007/098150 A2“Photobioreactor and uses therefor”)。现在，能够被大规模实施的有成本效益的热调节系统还不存在。
因此所需要的是一种整合的光生物反应器系统，该系统对于培养捕获光的生物体是规模可变的、低成本的、并且高效的。
概述
在不同的实施方案中，描述了一种太阳能生物工厂，该生物工厂可以包含多个光生物反应器，这些光生物反应器使得其内部生长的生物体的足够的生产率能够具有商业可行性。所披露的是装置、使用这些装置的方法、用于生长捕获光的生物体的方法(其中使用光、水以及二氧化碳通过这些装置以及系统来生长捕获光的生物体)。这类光生物反应器装置、系统以及方法被优化以捕获光，同时保持低成本、规模可变的，并且实现生物体的高效生长。这些方法还提供了使用和操作一种太阳能工厂、适合于在光生物反应器装置中进行培养的捕获光的生物体以及用于培养这些生物体的方法。在不同的实施方案中，使用生长在该太阳能生物工厂的光生物反应器装置中的这类生物体来生产生物质以及化学中间体以及以生物方式生产的最终产品，例如燃料、化学品以及药物试剂。
此外，还可以将该光生物反应器适配以在指定的区域内最大程度地生产不同的所希望的最终产品，同时将土地的使用降至最低。因此，在另外的实施方案中，本发明提供了一种光生物反应器，该光生物反应器能够将捕获光的生物体培养至面积产率为至少约3.3g/m2/hr。在进一步的实施方案中，本发明提供了一种光生物反应器，该光生物反应器能够生产0.45g/m2/hr的EtOH或不同的其他燃料以及化学品。在更优选的实施方案中，本发明提供了一种光生物反应器，该光生物反应器能够以所希望的面积产率生产不同的燃料以及化学品，它将土地使用降至最低并且将产品输出升至最高以用于商业规模(例如，20g/m2/天或1-1.5g/m2/hr)。
为了解决对于热调节的需要，所提供的是被设计用来以经济并且高效的方式被动地调节热积累以及分散的系统、方法以及光生物反应器、光生物反应器组件以及装置。在不同的方面，在此所提供的是一种光生物反应器，包括：一个反应器，其中该反应器的表面的至少一部分是至少半透明的；以及一个被动温度调节系统，该系统被适配以包括用来至少降低对于光生物反应器的冷却、加热或它们的一种组合中至少一项的要求的一个装置。在不同的实施方案中，对于嗜热生物该被动热调节系统将光生物反应器的温度调节在约52℃至约65℃之间(优选地在56℃至60℃之间)，并且对于嗜温生物为约37℃。
另外的实施方案提供了多种被动热调节系统，它们管理入射的太阳辐射。在某些方面，该光生物反应器包含一种表面涂层装置。部分地，该表面涂层反射热量。该光生物反应器进一步包括用来产生光的漫反射的一种地面涂层或装置。该涂层或装置选择性地捕获IR来作为热量。
还有其他的实施方案包括用来允许热量保存或将热损失降至最低的一种可旋转的机构。
替代实施方案将该光生物反应器装备有用来调节光生物反应器组件的斜度的一种实时自适应控制系统。
在另一个实施方案中，该光生物反应器被这样设计从而随着时间的过去将热量积累降至最低。未用于驱动生物过程的光将造成对该光生物反应器进行加热(如不同的输入可以实现的一样)。光生物反应器被设计穿过一个或多个系统(包括阻断红外光、允许进行蒸发冷却、控制再利用率、以及使用热交换)以随着时间的过去缓解热量的积累。
在其他实施方案中提供了一种光生物反应器组件，包括：一个反应器结构；一个温室结构，该结构被配置从而为该反应器结构提供一个温室环境，该反应器结构和该温室结构相对于彼此被间隔开以提供对该光生物反应器的温度控制。
在生产周期期间，该光生物反应器进一步包括选自以下各项的至少一种微生物：一种嗜热生物、一种嗜温生物或它们的一种组合。可以维持最佳的条件以在这一年的不同时间期间生产感兴趣的不同的产品。取决于地理位置，可以在较温暖的温度下(例如，夏季)使用嗜热生物。类似地，可以在较冷的气候下(例如，冬季)使用嗜温生物。作为替代方案，可以将嗜热生物用于冬季，还可以将嗜温生物用于夏季(尽管不是最佳的)。光生物反应器可以提供对于这些微生物的最佳条件来生产产品(例如，燃料以及化学品)。光生物反应器对温度进行调节以优化生产率。光生物反应器能够连续地分离产品。光生物反应器还能够生产稳定产率以及产量的产品。光生物反应器的不同方面通过从捕获光的生物体直接生产燃料以及化学品来允许至少降低的生物质浓度。优选地，避免了从感兴趣的产品中分离生物质。
在某些方面，本发明还提供了一种用于生产燃料或化学品的方法，包括：
(a)使用一种光生物反应器，其中该光生物反应器的表面的至少一部分是至少半透明的；以及一种被动热调节系统，该系统被适配以包括用来降低对光生物反应器的冷却、加热或它们的一种组合中至少一项的要求的一种装置；
(b)将至少一种生物体引入该光生物反应器中，这至少一种生物体选自：嗜温生物、嗜热生物或它们的一种组合；
(c)在该光生物反应器中培养该生物体，由此这些生物体利用光和CO2来生产燃料或化学品；并且
(d)从该光生物反应器中移去这些燃料或化学品。
本方法进一步包括使用一种组件，该组件包括用来优化产率并且优选地，保持最佳产率的一个实时自适应控制系统。
还提供的是一种用来生产感兴趣的基于碳的产品的方法，包括：
(a)在包含增加的N、P和/或Fe浓度的培养基中对捕获光的生物体进行培养；
(b)在光生物反应器中将培养过的培养基进行混合和循环，该光生物反应器包括至少一个板件，该板件具有多个通道，生物体被培养在这些通道中；
由此，将生物体培养至密度为6-10g/L DCW以生产产品。
在此所讨论的是不同的生物体，例如可以用于该光生物反应器中的工程化的生物体、光养生物体、自养生物体、异养生物体以及超级光捕获生物体。在不同的实施方案中，这些生物体被适应以在适合用于生产感兴趣的产品(例如生物质以及化学中间体以及生物方式生产的最终产品(例如燃料、化学品以及药物试剂))的条件下在液体培养基中进行光合作用。
附图简要说明
图1描绘了处于平板设计形式的一种热成型的光生物反应器。
图2描绘了该光生物反应器的一个放大的底部分，其特征是一个可移开的鼓泡器。
图3是光生物反应器上的反射性掩护式支架的一个照片表示。
图4是光生物反应器上的反射性掩护式支架的一个照片表示。
图5是沿着图1中所展示的光生物反应器的宽度的一部分的一个截面视图。
图6展示了混合对光/暗周期时间的影响。
图7是以流体联通方式相连接的多个光生物反应器组件的一个说明，每个光生物反应器的特征是一个内部的降液管，该降液管提供了培养基的循环以及培养物的混合。
图8是多层通道的一个横截面。其侧视图示于图8的底部分。
图9是在如图8中所展示的光生物反应器中的培养基中进行培养的一个放大的截面视图。
图10描绘了一个1,000英亩太阳能生物工厂的按比例的鸟瞰视图，该生物工厂结合了该平板型光生物反应器装置。
图11是用于设计生产率的美国日晒量的一个地图。
图12是最佳的热量与可变的温度操作以及外部加热/冷却储存器相结合的一个图形表示。
图13是使用固定温度的嗜温生物或嗜热生物的光生物反应器上的热负载的表格(净正值表示外部冷却并且净负值表示外部加热)。
图14是一个简图，该简图展示了具有散射器顶部的光生物反应器的一个安排。
图15是光生物反应器温室的一个展示。
图16是倾斜的光生物反应器安排的一个展示。在底部分，显示了光生物反应器的一个鸟瞰视图，该光生物反应器具有由侧板覆盖的增加的表面积。
图17是一个图形表示，该图形表示显示了对于以下两种情况用于将一个实例反应器冷却到所希望的操作温度的风扇功率：嗜温生物(所希望的温度为约37℃)以及嗜热生物(所希望的温度为约58℃)。
图18用图形方式显示了在培养基中移去EDTA的影响。
图19显示了培养基中不同的铁来源的影响。
图20比较了最佳培养基与A+培养基相对比对生长的影响。
图21显示了在增加量的N、P以及Fe下接种物的生长的变化。
图22是在接种到该光生物反应器装置中之后蓝藻培养物生长至约10g/L的一个图形表示。
图23是一个热管理进展的图。
缩写以及术语
提供了术语以及方法的以下解释用来更好地描述本披露并且用来指导指导本领域的普通技术人员进行本披露的实践。如在此所使用的，“包含”是指“包括”并且单数形式“一”或“一个”或“该”包括复数引用词(除非上下文清楚地另外指出)。例如，提及“包含一个细胞”包括一个或多个这类细胞。术语“或“是指所说明的替代元件中一个单一的元件，或两个或多个元件的一种组合(除非上下文清楚地另外指出)。
除非另外说明，否则在此所使用的技术以及科学术语具有与本披露所属领域的普通技术人员所通常理解的相同的含义。尽管可以将与在此所描述的那些类似或等效的方法以及材料用于实践或检验本披露，适合的方法以及材料在下面进行描述。材料、方法、以及实例仅是说明性的，并非旨在进行限制。本披露的其他特征从下面的具体说明以及权利要求中是清楚的。
如在此所使用的“生物燃料”是从生物来源得到的任何燃料。
“产品”、“感兴趣的产品”或“感兴趣的基于碳的产品”是指由于在足以生产这些碳产品的条件下在CO2以及光的存在下培养捕获光的生物体从而生产生物学的糖、烃产品、燃料、生物燃料、碳的固体形式、或药物试剂。生物质也在该术语的范围内。这些产品可以被进一步收集、处理或分离。这些产品可以被分泌。该术语的范围内包括醇类，例如乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇、脂肪醇类、脂肪酸酯类、乙基酯类、蜡酯类；烃类以及烷类例如，丙烷、辛烷、柴油、喷射推进剂8(JP8)；聚合物类例如对苯二酸酯、1，3-丙二醇、1，4-丁二醇、多元醇类、聚羟基烷酸酯类(PHA)、聚-β-羟基丁酸酯(PHB)、丙烯酸酯、己二酸、ε-己内酯、异戊二烯、己内酰胺、橡胶；日用化学品类例如，乳酸酯、二十二碳六烯酸(DHA)、3-羟基丙酸酯、γ-戊内酯、赖氨酸、丝氨酸、天冬氨酸酯、天冬氨酸、山梨糖醇、抗坏血酸盐、抗坏血酸、异戊烯醇、羊毛脂甾醇、ω-3DHA、番茄红素、衣康酸酯、1，3-丁二烯、乙烯、丙烯、琥珀酸酯、柠檬酸酯、柠檬酸、谷氨酸酯、苹果酸酯、3-羟基丙酸(HPA)、乳酸、THF、γ-丁内酯、吡咯烷酮、羟基丁酸酯、谷氨酸、乙酰丙酸、丙烯酸、丙二酸；专用的化学品例如，类胡萝卜素、类异戊二烯、衣康酸；药物以及药物中间体例如7-氨基去乙酰氧基头孢烷酸(7-ADCA)/头孢菌素、红霉素、聚酮类、他汀类、紫杉醇、多西他赛、萜烯类、肽类、类固醇类、ω-脂肪酸类以及感兴趣的其他这类适合的产品。这类产品在以下各项的情况中是有用的：生物燃料、工业以及专用化学品(作为用于制造另外的产品的中间体，例如营养性添加物类、保健品类(neutraceuticals)、聚合物类、石蜡替换物类、个人护理产品类以及药物类)。
自养生物体：自养生物体类(或自养型生物体)是从简单的无机分子以及外部能源(例如，光(光自养生物)或无机化合物的化学反应)生产出复杂的有机化合物的生物体。
光养型生物体：光养型生物体类(光能自养型生物体)是进行光合作用的生物体，例如真核植物、藻类、原生物以及原核的蓝细菌、绿色硫细菌、绿色非硫细菌、紫色硫细菌、以及紫色非硫细菌。光能自养型生物体还包括用来进行光合作用的工程化的生物体以及超级光捕获生物体。
异养生物体：异养生物体类(或异养型生物体)是多种生物体，它们与自养生物不同，不能从光或者从无机化学品直接地得到能量，并且所以必须以有机碳底物为食。通过分解它们所消耗的有机分子，它们得到了化学能。异养生物包括动物类、真菌类、以及多种类型的细菌。
捕获光的生物体：捕获光的生物体类(或捕获光的生物体类)是多种生物体，它们仅使用光或与其他能源相组合来驱动细胞的活动。这包括光能自养生物体、光养生物体、被工程化以具有使用光来为它们的活动的一些或全部提供动力的能力的异养生物体，以及工程化的光自养生物体/光能自养生物体。
生物体：这个术语被用于此处用来包括自养生物体、光养生物体、异养生物体、工程化的捕获光的生物体，并且处于细胞水平(例如，单细胞以及多细胞)。
烃：总体上是指一种化合物，该化合物由元素碳(C)、任选地氧(O)、以及氢(H)组成。主要存在三种类型的烃类，例如芳香族烃类、饱和烃类以及不饱和烃类。该术语还包括燃料类、生物燃料类、塑料类、蜡类、溶剂类以及油类。
生物合成途径：也称为“代谢途径”，是指用于将一个化学种类转化(转变)成另一种种类的一组同化或异化的生物化学反应。例如，烃生物合成途径是指这样一组生物化学反应，这些反应将输入物和/或代谢物转化成烃产品样的中间体并且然后转化成烃或烃产品。同化途径包括从较小的分子构建较大的分子(一个需要能量的过程)。异化途径包括分解较大的分子(通常释放能量)。
纤维素：纤维素[(C6H10O5)n]是β-葡萄糖的一种长链聚合物多糖碳水化合物。它形成植物的主要结构部件并且不能被人类消化。纤维素是植物细胞壁中的常见材料。它以几乎纯的形式仅天然地出现在棉花纤维中；与木素以及任何半纤维素相结合，可以在所有植物材料中找到它。
表面活性剂类：表面活性剂类是能够降低它们溶于其中的液体的表面张力的物质。它们典型地由一个可溶于水的头部以及一个烃链或尾部组成。该可溶于水的基团是亲水性的并且可以是或者离子的亦或是非离子的，并且该烃链是疏水性的。
光生物反应器：光生物反应器装置、生物反应器或反应器被可互换地使用用来描述支持生物活性环境的一个装置、器件或系统。例如，生物反应器可以是一个容器，其中进行涉及生物体内光合作用的化学过程，或生物化学活性物质是从这类生物体得到。这类生物反应器可以支持或者需氧生物亦或厌氧生物的活动。这些生物反应器通常是圆柱形的，尺寸的范围从数升至数立方米，并且通常是由不锈钢制造的。被适配以允许在培养生物体中使用光能的生物反应器典型地被称为光生物反应器并且通常使用透明材料(例如，玻璃或塑料)从而允许光进入到该生物反应器的内部。基于操作的模式，可以将生物反应器分类为批量型、分批补料型或连续型(例如，连续搅拌槽反应器形式)。生物反应器的一个实例是化学恒定器。生长在光生物反应器中的生物体可以是悬浮的亦或固定的。不同的创造性实施方案是针对光生物反应器装置设计的并且是针对在太阳能生物工厂(如贯穿全文所描述的)中使用光生物反应器装置的方法以及系统。用于此处的某些光生物反应器装置包括一个封闭的生物反应器系统，它与开放的生物反应器(例如池塘或其他开放的水体、开放的罐、开放的通道、等)相对。
光：术语“光”总体上是指阳光但可以是太阳的或来自人造光源(包括白炽灯、LED、光纤、金属卤化物、氖、卤素和荧光灯以及日光(例如近红外，以及波长总体上在约400-700nm之间))的。
PAR：术语“PAR”是光合的活性辐射的缩写并且以μE/m2/s来测量。
“波纹板”、“薄片”、“反应器”或“室”是指在其中生产并且循环培养物的物理容器，并且该容器可以使用塑料材料(例如，聚丙烯、聚乙烯、聚丙烯酸酯以及聚碳酸酯板材)来制造。这些板材可以被纵向地分区并且可以形成通道。波纹可以是不同几何构型的，例如矩形的、梯形的、三角形的、圆形的、等。该板件可以是透明的或至少是半透明的。
通道：通道总体上是指其中生物体循环导致光合作用的波纹板或平板型光生物反应器的各分区之间的区域。虽然通道形状以及尺寸可以改变，通道的一个示例性的尺寸为10mm x 10mm x 1m。通道还可以包括允许空气或CO2与培养基进行混合的一个开口(aperature)。
培养基：术语“液体培养基”、“液体培养基类”或“培养基”总体上是指用于培养被包含在该光生物反应器装置内的生物体的组合物，典型地包括：例如，在藻类和/或其他捕获光的生物体的情况下，是水或盐溶液(例如，海水或盐味水)以及用于促使这类生物体生存并且生长的足够的营养物。如以下所讨论的，使用包含盐味水、海水、或其他非饮用水(它们是从该光生物反应器装置将被操作的地方得到的，并且被包含在其中的生物体从这个地方得到或适应这个地方)的液体培养基通常是有利的。培养基还包括氮源，该氮源可以包括但不限于硝酸盐、脲、氨以及铵盐、尿酸、以及氨基酸。所要求的或适合用于维持正在生长的捕获光的生物体的培养物(例如，发酵培养基)的具体的液体培养基组合物、营养物、等在本领域中是熟知的。潜在地，如本领域普通技术人员所应当理解的，可以将多种多样的液体培养基(其中当培养时生物体能够进行生产的任何培养基)以多种形式用于不同的实施方案。这样一种培养基还可以包括适当的盐、矿物质、金属、以及其他营养物。然而，应当了解的是多种发酵条件是适合的并且可以由本领域的普通技术人员进行选择。潜在地，例如适当的液体培养基组分以及营养物被详细讨论如下：Rogers，LJ.and Gallon J.R.″Biochemistry of the Algaeand Cyanobacteria，″Clarendon Press Oxford，1988；Burlew，John S.″Algal Culture：From Laboratory to Pilot Plant.″Carnegie Institution ofWashington Publication 600.Washington，D.C.，1961(以下称″Burlew1961″)；以及Round，F.E.The Biology of the Algae.St Martin′s Press，New York，1965；它们的每一项都通过引用结合在此)。
鼓泡器：鼓泡器或气体鼓泡器是指例如能够将多个小气泡引入液体或液体培养基的任何适合的机构或器件。
“捕获光的生物体”是指能够进行光合作用的所有生物(自然的或工程化的)，例如光能自养型生物(即，植物、藻类、以及光合细菌)。
“气孔”是指这样一个点，在该点处通过例如鼓泡来引入气体(例如CO2以及空气)。
“液体歧管”是指该光生物反应器的一部分，在该部分或者引入液体(“液体引入型歧管”)亦或在该部分将液体返回(“液体返回型歧管”)。
“被动”是指通过使用无量的或相对少量的功率输入使用空气(例如环境空气)来实现温度控制。在一些实施方案中，可以使用功率输入来吹动空气并且操作温度控制系统。在一个实施方案中，可以从一个pV太阳能板件或其他电源(优选地位于该反应器附近)来得到该功率输入。
贯穿本说明书以及权利要求，词语“包括”或变体例如“包括了”或“包括有”将被理解为是指包括所说明的整体或整体的组，但不排除其他另外的整体或整体的组。
实施方案的详细描述
光生物反应器装置&光捕获
在某些方面，本发明提供了一种高效的、低成本的、高表面积的捕获光的装置，该装置是规模可变的并且易于在开放的空间内(例如，如图1中所示的示例性的光生物反应器装置)实施。该光生物反应器装置被适配以通过板件100来捕获光。因为不同类型的捕获光的生物体可能要求不同的用于最佳生长以及繁殖的光暴露条件，根据不同的实施方案对于构建光生物反应器装置可以作出另外的改变以捕获光。
在某些实施方案中，该光生物反应器装置与自然的日光一起使用，然而，在替代实施方案中，替代自然的日光或除了自然的日光之外还可以使用人工光源(该光源以能够驱动光合作用的多种波长来提供光)。例如，对一个光生物反应器装置进行配置以在日间的时间期间内使用日光并且在夜间使用人造光，从而增加该光生物反应器装置可以通过使用光合生物将光、CO2以及水转化成产物的日间的过程期间时间的总量。
对于每个光生物反应器设计确定光对生产率的影响。在优选的实施方案中，通常将光生物反应器板件100置于使用选定的光捕获生物体的最佳生长条件的所希望的光强度下。在不同的实施方案中，该光强度是在20μE/m2/s与5000μE/m2/s之间。在其他实施方案中，使用小于2000μE/m2/s的光强度，并且在一个另外的实施方案中，使用小于500μE/m2/s的光强度。在某些条件下，光穿透通过板件100或至少部分地穿透以控制板件100中光穿透的深度。本发明的光生物反应器板件100将该培养物暴露于“暗区”(这些暗区在常规的管状柱中是更明显的)时间降至最低。优选地，对该光生物反应器板件内的混合以及流动进行控制，这样使得优化的，并且优选地，最佳的光/暗循环得以实现从而使生物反应器的效率增加至最大。典型地，这要求将生物体在通道200的顶层与底层之间进行循环，其中循环时间短于1秒。优选地，基本上消除了可能使该培养物遭受较差混合以及保留时间接近于分钟时间范围的暗区。在不同的方面，光生物反应器板件100的至少一个表面捕获光，这允许最大限度地捕获光以使产率最佳。
该光生物反应器能够以不同的尺寸、形状以及设计进行展示。在优选的实施方案中，板件100是一种波纹板，该波纹板具有一种平板设计，该平板设计包括多个平行的通道200。这些通道200允许培养物连续地流动穿过，同时为板件100提供了结构支撑。例如，通过热压成形可以实现另外的结构支撑物(例如，椭圆形的接触平面105)。板件100可以是不同的形状以及尺寸并且通常被设计以允许希望量的光穿透通道200。光生物反应器板件100的一个有用的特征是允许波长在400-700nm之间的可见光谱进入通道200以使生物的PAR最佳同时滤出光谱中不想要的波长。
用于光生物反应器装置中的某些生物体可以是对紫外光或辐射敏感的，因此，板件100的外表面的某些部分，或可替代地，整个板件(外表面和内表面)可以覆盖有一个或多个滤光片，该一个或多个滤光片可以减少或禁止不希望的辐射的传送。这类滤光片被整合到光生物反应器装置的设计中从而允许生物体生长所要求的光谱的波长而禁止或减少光谱中有害部分的进入。一种这样的光学滤光片包括一种透明的聚合物薄膜的光学滤光片(例如，SOLUSTM)。应当认识到熟练的技术人员可以将广泛多样的其他光学滤光片以及光的阻断/过滤机构用于这个目的。
在一个替代实施方案中，可以使用反射性的聚合物或材料(例如，箔片、聚酯薄膜(例如Mylar
Figure BPA00001387884500171
))来将光反射到板件100上(如图2中所示)。在这类实施方案中，将聚酯薄膜放置在下面或沿着板件100的多侧进行放置以将PAR反射回来(穿过通道200)。
在其他实施方案中，可以使用多种材料来反射光谱、过滤紫外线或以交替的波长重新发射。可以使用多种聚合物(例如McDonaldSA等人Nat Mater 2005 4(2)：138-42中所描述的那些)来收获800nm以上的光。可以找到将UV光转化成可见光的多种聚合物。通过收获800nm以上的光并且在400-450nm(这是叶绿素A的峰值吸光度)下重新发射，这些聚合物具有“增白作用”。它们具有良好的热稳定性(＞300℃)以及较高的荧光量子产量(＞0.8)。可以使用聚合物(例如，在此所描述的那些)来将UV光转化为以典型地被叶绿素吸收的光谱发射的光。
存在多种其他的这类具有良好的光稳定性的UV-至-可见聚合物。它们包括例如4，4-双(5-甲基-2-苯并噁唑基)乙烯(HostaluxKS-N)；1，4-双(苯并噁唑基-2-基)萘(Hostalux KCB)；2，5-双-(5-叔丁基苯并噁唑-2-基)噻吩(Uvitex OB)；2，2′-(4，4′-二苯酚乙烯基)二苯并噁唑；(Uvitex OB-1)；1，1′-二苯基-4，4′-双(2-(甲氧苯基)乙烯基)(Uvitex 127)。聚合物的选择是取决于它的光学性能、热学性能、可用度以及成本。
还可以通过本领域普通技术人员熟知的技术将这些聚合物共聚。参见Liu MO Mat Letters 2006 60(17-18)2132-2137。
在本发明的某些方面，可以用任何低成本的稳定的建筑材料(例如允许光穿过该板件以驱动生物体中的光合作用的塑料(聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、氯化的PVC))来构建光生物反应器。例如，这类材料可以由以下各项来制造：聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚丙烯酸酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、热塑性塑料、玻璃、树脂负载的玻璃纤维或有机玻璃、等。在某些实施方案中，使用反射红外辐射的材料(包括但不限于石英)。可以将这些材料相互交织或替代或除了用于封闭板件100的其他材料之外进行使用。
塑料材料的其他实例是LDPE、线型低密度聚乙烯(LLDPE)、纤维增强型LDPE、高密度聚乙烯(HDPE)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、单层尼龙、聚酯(PET)、乙烯乙酸乙烯酯(EVA)、聚偏二氯乙烯(polyvinyledine chloride)(PVLC)、乙烯乙烯醇(EVA)、聚苯乙烯(PS)以及本领域已知的任何其他透明的塑料。作为替代方案，因为一些塑料材料与某些想要的输出产物发生反应从而可能具有不希望的影响，可以使用多种材料(例如不与产物发生反应的那些，例如半透明的材料)来构建该光生物反应器装置。另外，可以使用上述材料的任何组合来生成多层的杂化聚合物。可以根据结构的完整性来改变材料的厚度从而降低构造光生物反应器以及在该光生物反应器中生长的选择的光合生物的材料成本。
当选择光生物反应器构建材料时，应当考虑多种因素例如规模可变性、柔性以及耐久性。例如，这些材料应当经历不同的热量、压力，并且允许光周期、剪切应力限制所要求的扰动。在一些实施方案中，使用防止细胞附着的材料，例如生物膜、生物相容性材料、聚合物，降低的镁离子浓度的培养基(Walach，Marek R.，ApplMicrobiol Biotechnol.Nov 24，2004)。还应当考虑易于清理积累在该光生物反应器的外面的微粒以及其他不希望的材料。
光生物反应器材料在厚度方面可以不同，这取决于这些生物体的接收PAR的能力。一个优选的实例是具有约1.0-2.0mm厚度的一种波纹的聚碳酸酯板件100。更有选地，可以用于板件100中的厚度是约0.10mm-100mm、0.25mm-50mm或1.0mm-5.0mm。在这类厚度下，该光生物反应器装置内的中等程度量的扰动应当对它的结构完整性具有较少的影响，同时在通道200内提供了希望水平的流动。
为了引入液体并且将该液体返回到该光生物反应器装置中，在本发明的某些方面，将歧管(130，140)连接到该板件100上。用于将这些歧管与该光生物反应器连接到一起的一个优选的实施方案是热塑料焊接，对于所使用的材料持续适当的时间、压力以及温度的粘合剂或环氧树脂组合。作为替代方案，该板件以及多个歧管被一起挤出或热成型。
板件100以及歧管(130，140)的表面可以是平的或具有轮廓的以最佳地来控制PAR。在一个实施方案中，整个光生物反应器装置可以使用同一种材料(包括封闭该板件100的不同的歧管)。
在优选的实施方案中，该反应器结构具有部分如图5中所示的截面。该截面如图1中所指示进行安置(参见带有箭头的线，该箭头指示观察方向)。该反应器优选地通过热成型双片工艺来形成。在这个实现方式中，该反应器没有被分割成不同的通道，而是具有一个宽的上流(升液管510)以及下流区域(内部的降液管520)以允许增强交叉混合。存在将上流区域与下游区域分隔开的一个结合条带530。反应器的上流区域与下流区域之间的分开典型地延伸到该反应器的活性区域的长度上。它还典型地用于将上部薄片与下部薄片结合到一起。在这个图中，左侧是下流侧。另外，可以将椭圆形接触平面105包括在该反应器各处以局部地加强该反应器避免在来自培养物的静水压下发生鼓胀。顶壁和底壁是波曲状的(与平板型生物反应器不同)。这种波纹提供了几个优点：它进一步加强了这些壁以允许更薄的塑料板材，它在反应器的外面提供了增加的表面积，这改善了离开反应器的热传递(例如当冷却的空气沿着它吹动时)，并且它提供了培养物的增加的暴露的表面积，该暴露的表面积与塔顶上的光散射器相结合可以降低培养物所暴露的光强度。因为该反应器流动典型地是由气提方式来驱动的，并且可以在小于垂直的角度来操作该反应器，被引入底部管座中的气泡倾向于增加顶表面上的波的峰值。因此，在相对于谷区域的峰区域中可以预期更好的混合以及光-暗周期。优选地将这些反应器壁垂直地隔开这样使得对于所希望的操作OD，大部分的PAR光被吸收于培养物中并且少量的PAR被传送并且穿过反应器底部消失掉。以超过这个量来间隔这些壁可能产生无收益的暗体积。因为反应器的谷区域中的混合不优于峰区域，垂直的反应器空隙(即，反应器结构的底部薄片的顶表面与顶部薄片的底表面之间的垂直距离)在谷区域中是典型地更小的从而减少了与减少的混合的区域相关的反应器的体积。但是谷区域中最小的垂直反应器间隙仍然被设计是足以捕获大多数的PAR辐射的。通过热成型过程，可以平滑地实现反应器内的所有转变，这增强了反应器的清洁能力、减少了污染问题。
享有以前段落中所述的优点的本发明的另一个实施方案是一个光生物反应器，该光生物反应器包含用来包含培养基的一种反应器结构。该反应器结构包括一个顶部薄片以及一个底部薄片，它们被连接到一起从而形成用来包含培养基的反应器体积。沿着反应器结构的至少一部分宽度(即，横截面宽度，如例如图3中所示)的垂直的反应器间隙反复地增加和减少。优选地，沿着该反应器结构的至少一部分宽度的垂直的反应器间隙反复地减至最小以及增至最大。更优选地，沿着该反应器结构的至少一部分宽度的该垂直的反应器间隙重复地减至最小和增至最大，同时不小于选定的最小垂直反应器间隙从而使得对于操作OD，基本上所有(典型地，至少50％、更典型地，至少75％，甚至更典型地，至少90％，然而甚至更典型地，至少95％)的通过顶部薄板传送的PAR光被吸收于培养物中。甚至更优选地，沿着该反应器结构的至少一部分宽度的该垂直的反应器间隙周期性地减至最小和增至最大，同时不小于选定的最小垂直反应器间隙从而使得对于操作OD，基本上所有(典型地，至少50％、更典型地，至少75％，甚至更典型地，至少90％，然而甚至更典型地，至少95％)的通过顶部薄板传送的PAR光被吸收于培养物中。然而甚至更优选地，沿着该反应器结构的至少一部分宽度的垂直反应器间隙在最小垂直反应器间隙与最大垂直的反应器间隙之间周期性地改变，其中最小垂直的反应器间隙被提供在底部薄板的槽中(即，底部薄板的内表面的槽)并且最小垂直反应器间隙是这样选择的从而使得对于操作OD，基本上所有(典型地，至少50％、更典型地，至少75％，甚至更典型地，至少90％，然而甚至更典型地，至少95％)的通过顶部薄板传送的PAR光被吸收于培养物中然而甚至更优选地，沿着该反应器结构的至少一部分宽度的垂直反应器间隙在最小垂直反应器间隙与最大垂直的反应器间隙之间周期性地改变，其中最小垂直的反应器间隙被提供在底部薄板的槽中，最大垂直反应器间隙被提供在底部薄板的峰处并且最小垂直反应器间隙是这样选择的从而使得对于操作OD，基本上所有(典型地，至少50％、更典型地，至少75％，甚至更典型地，至少90％，然而甚至更典型地，至少95％)的通过顶部薄板传送的PAR光被吸收于培养物中。最优选地，沿着该反应器结构的至少一部分宽度的垂直反应器间隙在最小垂直反应器间隙与最大垂直的反应器间隙之间周期性地改变，其中最小垂直的反应器间隙被提供在底部薄板的槽中，最大垂直反应器间隙被提供在底部薄板的峰处并且最小垂直反应器间隙是这样选择的从而使得对于操作OD，基本上所有(典型地，至少50％、更典型地，至少75％，甚至更典型地，至少90％，然而甚至更典型地，至少95％)的通过顶部薄板传送的PAR光被吸收于培养物中，底部薄板的槽被垂直地定位在顶部薄板的槽的下面并且底部薄板的峰被垂直地定位在顶部薄片的峰的下面。进一步，优选地，底部薄板和/或顶部薄板的表面平滑地改变。典型地，最大垂直反应器间隙是最小垂直反应器间隙的1至10倍之间。更典型地，最大垂直反应器间隙是最小垂直反应器间隙的1至5倍之间。并且，典型地，底部薄片的顺序的峰之间的距离是最小垂直反应器间隙的1至10倍之间。更典型地，底部薄片的顺序的峰之间的距离是最小垂直反应器间隙的1至5倍之间。并且，典型地，垂直反应器间隙增加并且减少至少3倍，更典型地至少5倍，甚至更典型地在5至100倍之间，并且还甚至更典型地在5至50倍之间。进一步地，该顶部薄板和底部薄板可以沿着薄板的长度进行连接从而将反应器体积分成上流体积(升液管)和下流体积(内部的降液管)。
在本发明的另一个实施方案中，在以前的段落中所述的反应器结构可以是如在此所述的光生物反应器组件的一部分和/或包括如在此所述的一种被动热调节系统。例如，这些另外的实施方案之一是一种光生物反应器组件，它包括如以前段落中所描述的一个反应器结构，以及一个温室结构，该结构被配置从而为该反应器结构提供一个温室环境，该反应器结构和该温室结构相对于彼此被间隔开以提供对该光生物反应器的温度控制。这些另外的实施方案的另一个实例是一个光生物反应器组件，该组件包括一个反应器结构，以及一个温室结构，该温室结构被配置从而为该反应器结构提供一个温室环境，该反应器结构和该温室结构相对于彼此被间隔开以提供对该光生物反应器的温度控制，其中该反应器结构包括两个间隔开的如以前段落中所述的反应器并且该温室结构包括被安排在这些反应器之间的一个散射器顶部元件。
在进一步的设计中，该光生物反应器具有一种柔性的装配件设计，这有助于粘合剂黏合、超声焊接或插入物/功能性的成对的薄片的热压成形(如图1所示)。光生物反应器可以顺从不同的尺寸，例如实验室尺寸(约1.6x4)’约8L容量或中试/商用(约4x6)’约25L容量。
进一步地，进行有限元分析以优化结构堆叠模式、降低材料厚度和消耗并且检验热膨胀&光生物反应器附着。另外，流体流动以及传质分析(例如，计算流体动力学)产生了可视的内部流动模式并且证实了穿过挡板&反应器-至-反应器接头的体积流速。
在不同的实施方案中，光生物反应器装置在一个角度被升高以根据多种因素来最佳地捕获光(这取决于例如光强度以及地理位置)。优选地，该角度是相对于地面约10至30度。在优选的实施方案中，板件100的一端被固定或枢转在底座上从而可以自由转动，例如从而在日间的过程期间跟随光源。该作用是为了产生高效的PAR、最佳地暴露于光下、在日间期间跟踪太阳能的来源并且贯穿全年以提供最大的生物量产量。处于30度倾斜的光生物反应器设计可以提供相当均匀的年日晒量(例如，在美国西南部)。
用于气提的气泡
可以使用不同的设计来最佳地捕获光并且高效地将气体传送到捕获光的生物体，这些生物体是针对通过使用光生物反应器装置以及与CO2适当的混合将细胞生长和/或产率增至最大。
将一个低成本高效混合系统整合到该光生物反应器装置中。在不同的方面，气泡允许二氧化碳摄入与氧气去除的更高效的气体交换。使用空气以及气泡实现了质扩散、聚合以及泵送，其中另外的优点是有成本效益。在某些实施方案中，将碳源(例如含有CO2的烟气)鼓泡进入该光生物反应器中并且通过排气口115将排放的气体(例如O2)从该系统中移去。在一个优选的具有波纹板100的光生物反应器设计中，空气泡以及气体(例如CO2)是适合用来在最小的流体动力下提供培养物和培养基的最佳的混合以及循环。此外，这类充气对培养物产生较小的伤害。气泡像一种机构一样(例如，类似一种气提泵)来起作用，将培养物循环而不需要辅助的泵送。气泡是通过鼓泡空气以及CO2穿过一个鼓泡器110来产生的，这些气泡相对快速地上升到顶部歧管140中。优选地，通过以最佳的尺寸引发气泡，可以改善气泡的特性。
在不同的实施方案中，用于高效地混合的气提消除了大的循环泵送，这导致了显著的固定资产以及运营成本的节省。如图6中所示，与简单的液体泵送相比较在促进径向混合方面空气泡是有效的多的。可以通过非常低的功率输入实现小于200ms的光/暗(L/D)循环时间。在某些实施方案中，优选的气提设计提供了足够的液体速度从而获得纯气泡流动方案。在实例2中，所示的用来获得光/暗周期时间为100-150毫秒数量级，同时使用合理水平的混合功率的数据显示出，与因为泵送液体所造成的紊流混合相关的混合相比较由空气泡上升所驱动的流动中的空气泡所引起的混合是更有利的。在不同的实施方案中，将80W/m2数量级的日晒转化成产品是优选的并且因此优选的是使用相对小部分的转化的能量来混合培养物。因此，空气泡提供了比相同功率下的泵送高效的多的混合，同时允许使用相对于转化成产品的能量的一个适当量的总混合能量。动力可以通过其他装置以及不同的适合的泵来提供并且对于本领域的普通技术人员而言是已知的。
根据光生物反应器装置中液体培养基流动和气泡流动的相对速度，并且控制该流动速率，可以实现光调节频率为每秒更多或更少的周期。在一个实例中，已经发现在光合作用期间高频率“闪光”的作用对于藻类的许多种类的生长以及生产率是非常有利的(Burlew1961)。因此将该光生物反应器装置配置有光调节可以提供另外的或更长期的将该生物体暴露于黑暗的，休息期并且可以增加生产率。
在某些其他实施方案中，该光生物反应器装置装备有用来调节液体流动方向的控制器。例如，使用气体鼓泡器110通过开口120将气体进料到液体培养基中，该气体鼓泡器被配置以产生上升至顶部歧管140的多个气泡，由此引起液体流动。在更优选的实施方案中，气体鼓泡器110被配置并且定位在通道200的底部用来引入二氧化碳从而由不同尺寸的上升至包含在通道200内的液体培养基的表面的气泡来产生循环以及混合。气泡的速度可能会影响气-液界面。在某些情况下，气泡可以收集并且作为结果为该液体流提供增加的表面积以增加光的捕获(图8)。另外，因为气泡是内在地不稳定的，所以考虑了多种稳定方法(例如加入表面活性剂)。
在某些实施方案中，在所希望的压力下(例如5L/m)将空气鼓泡进入开口120中，在那里气泡向上升起穿过培养基并且在空气-液体界面处破裂。在鼓泡的气体产生向上的压力或升力并且迫使培养基向上朝向该液体返回歧管140之后，通过降液管520将培养物循环返回至液体引入歧管130中。在某些情况下，可以包括一个泵用于足够的液体速度并且用来维持所希望的两相流动方案。在某些实例中，可以安排降液管520中的尺寸以及流动以将培养物的保留时间降至最低从而将总产率增至最大并且将浪费性的副反应(例如在非最佳光暴露的条件下的呼吸作用)降至最低。另外，降液管520可以是光生物反应器的一个内部亦或外部特征。在光生物反应器内降液管提供了内部循环。图7显示了处于流体连通的多个整合的光生物反应器，每一个具有一个内部降液管520。内部降液管的一个显著的优点是能够培养捕获光的生物体并且在维持暴露于光源下传送到下一个光生物反应器单元中由此增加生产率。另外的优点包括一种装置，在该装置中该降液管被完全整合到一个单一的单位中，降低了复杂性、元件以及成本。
将所希望量的光暴露于该光生物反应器并且以特定的间隔将气体鼓泡，该间隔是细胞生产率的函数。保留时间由通道的高度、初始速度、以及被注入通道中的气体的压力来控制。泵送速率被定义为每一气泡移动通道的距离以将反应器保持在稳定状态的保留时间气体的流动速率。气泡达到了混合以及质扩增的所希望的结果，但是总体上，这些气泡将相当快地上升到通道的表面。不同直径的空气泡(它们上升至通道的顶部)的通道保留时间的部分的研究表明最佳气泡尺寸为约0.5mm至约2mm。在不同的实施方案中，在所希望的初始直径(例如至约1mm)下产生气泡，然而，气泡尺寸可以显著地改变。作为替代方案，所希望的初始气泡尺寸可以是更大的从而在通道中产生培养物的更大的表面积以更好地捕获光。
在某些实例中，培养基可以与通道200中鼓泡的空气逆流地移动但是可以将这类向下移动的培养基流动降至最低。这样，在循环期间培养物可以经历并流和逆流的气体交换。
在不同的实施方案中，该光生物反应器是处于一个特定的角度。例如，该光生物反应器倾斜最佳值可以是30°(图8)。在美国西南部，这已经显示提供了相当均匀的年日晒量。改变或调节该光生物反应器装置的角度可以改善性能。可以根据一组指令和/或计算和/或响应于来自不同的传感器的数值(例如温度传感器或光强度传感器)手动地或自动地进行该角度的改变。可以将光生物反应器装置的定位的实时控制容易地作为计算机实现的控制策略的一部分。
在某些实施方案中，由于倾斜，可以需要补充的泵送，而在其他实施方案中，该气提泵是足以提供所需要的用于循环的泵送的。由于与提升机管路相关的增加的压力损失，在增加泵送方面额外的提升机高度可能不是有效的。增加提升机管路直径以减少压力损失可以导致对于这些细胞的显著的死体积。
光生物反应器的操作
该生物反应器组件被连接到一个气体引入歧管110上以将空气以及气体(约1％-3％CO2)鼓泡到每个通道200中。板件100还被连接到一个液体引入歧管130上，在该歧管处培养物和培养基被引导穿过进口160(任选地通过蠕动泵)进入板件100中。空气泡和CO2培养物与该培养物进行混合并且通过通道200至一个液体返回歧管140。该返回歧管140可以包括用于排出O2的一个气体排气口115。作为替代方案，任选地可以通过泵将培养物循环穿过热交换器并且穿过一个探头模块来测量OD、pH以及温度。可以通过排水阀来使培养物转向。可以通过一个用于分离或收集的提取阀来释放产品。该返回歧管还可以连接到分离器、收集器或冷凝器上。可以从该液相亦或气相中去除或提取感兴趣的所希望的产物。可以通过这种机构或通过一种分离机构来收集任何这样的产物。
在不同的实施方案中，可以相对容易地以模块方式将该光生物反应器装置的多个单位组装在一起。一种多个光生物反应器的装置组件的实例示于图10中。在初始鼓泡空气以及气体之后，使用由鼓泡的空气以及空气泡所产生的空气升力，一个第一板件100的液体返回歧管140(顶部)的高压将培养物移动到一个第二板件100的低压的液体引入歧管130(底部)中。可以组装一系列的板件以利用这个有成本效益的并且高效的压力梯度。
不同的控制点调节该光生物反应器组件的操作。例如，温度是由本发明的温度管理系统来控制的。另外，pH可以由CO2的浓度来控制。可以对光密度进行控制以维持最佳的细胞浓度并且营养物曲线可以是基于前馈控制的。可以控制用来维持卫生的操作以及空气流动的最小的超压以实现传质和汽提。
关于控制仪器，仪器的定位度数以及大的太阳能场地的总体的自动化结构被优化并且将仪器减至最少或进行合并以在最低水平的数据集中到中央计算机系统的可能下实现低成本但可靠的自动化。
循环以及培养基再利用
在不同的实施方案中，通过如以前所述的气泡将培养物从通道200的底部向上移动到通道200的顶部(液体返回歧管140)的高度并且然后通过连接通道200的液体引入歧管130的降液管520向下分散，并且随后返回到该通道200中。在其他优选的实施方案中，将在液体返回歧管140处收集的培养物再利用并且通过单独的板件100进行重复循环。
在某些实施方案中，将不同的管道整合到该光生物反应器装置中。例如，可以将培养基通过不同的管道从而通过热交换器或水槽来调节温度。管道可以阻挡光从而使生物体经历光/暗周期。可以将气体泵送通过管道(例如耐压缩管道)至不同的进口。可以用多种适合的材料(例如，氯化的PVC、铜、不锈钢或黄铜)来构建管道。当反应器布局使用光时，这些材料可以是不透明的，并且这样，可以使用本领域已知的任何管道或流体管路材料。使用对生物污垢、光抑制或发酵中通常使用的那些具有抗性的管材。
管道的内径或最小内截面尺寸将取决于多种多样的所希望的操作条件以及参数并且应当基于特定应用的需要来进行选择。总体上，导管的适当的内径可以取决于例如，所希望的体积容量或生产能力、湍流对细胞的影响(尽管某些细胞被认为是完全耐受性的)，以及材料对于生物膜的耐受性。
此外，当培养物在光生物反应器中时，加入某一体积的水或其他液体以补偿没有另外地再循环通过该系统的培养基/水的蒸发的损失。可以通过液体引入歧管130上的进口160加入水以及其他液体。相比之下，流出液在被过滤之后可以被移去并且可以将所希望的物质虹吸出来至一个单独的收集器中。
污垢可能损害总体的无菌性以及光生物反应器装置及其部件的效率。为了减少或避免这种情况，在一些实施方案中该光生物反应器装置是可以容易地清洁的并且是尽可能光滑的。因此，在不同的实施方案中，选定的材料以及器件是对于生物污垢具有耐受性的以实现自净作用。
输入源-CO2和水再循环&去除
设计了光生物反应器系统来产生所希望的基于碳的产品，包括生物质以及化学中间体以及以生物方式生产的最终产品，例如燃料、化学品和药物试剂以及来自最少输入(光、水以及二氧化碳)的其他化合物(图9)。可以使用来自多种来源(包括环境空气、浓缩的来源、以及工业来源)的输入气体。可以从一个来源(在该来源中二氧化碳将另外地被发射到大气中)来提供二氧化碳。在某些实施方案中，所使用的气体来自其中二氧化碳浓度是显著地高于大气中所发现的浓度的(0.03％)一个来源。具体地说，可以在流出物、烟气或煤炭厂、炼油厂、水泥厂、蒸馏厂、酿酒厂、天然气厂、酿酒厂、制药厂、化学加工厂、产生多于环境二氧化碳的任何工厂以及类似工厂的废气流中找到这类浓度的二氧化碳。来自一个实例煤炭厂的废气是在50℃-55℃下，并且组成为10.9％CO2、0.01％CO、9％H2、3.01％CH4、3.0％O2、0.106％SO2、74％N2。不同元素的浓度可以基于操作参数并且在不同设备之间进行改变。
可以适配整合的太阳能生物工厂来处理这类被放出的气体并且为燃烧化石燃料的设备(例如发电设备)提供了控制空气污染以及可再生能源解决方案。太阳能生物工厂还包括排放物控制器件以及可以从环境中移去不希望的气体以及其他污染物的再生系统。
目前来自发电厂和不同的其他来源的碳捕获与隔离(CCS)是费用高昂并且能量密集的工作，然而，整合的太阳能生物工厂提供了对于CCS的一个替代方案，并且提供了用于大规模地将二氧化碳转化为燃料以及化学品的方法。因此，本方法提供了说明或更优选地接受碳信用，包括：使用二氧化碳、光以及水在光生物反应器或光生物反应器组件中培养捕获光的生物体；测量被光生物反应器所捕获的二氧化碳的输入、使用或减少；并且基于二氧化碳的输入、使用或减少确定碳信用的量。
与对于废气流当它释放时的情况相比较，进口处的气体可以是在相同的、更大的、或更小的压力下。可以使用高于环境的压力来使流体在适当时在光生物反应器装置内移动。
在某些实施方案中，被鼓泡进入光生物反应器通道200中的气体与培养基一起并流地移动。在通过通道200之后，该气体通过气体排放口115离开该室。这些出口可以直接地释放到大气中或连接到气体管道上。在一些实施方案中，这些气体管道重新连接到气体进口上以允许气体再循环。在一些实施方案中，再循环的气体管道还具有一个系统以允许分离气相中的元素。这些出口和管道还可以被调节从而在光生物反应器中维持所希望的压力和浓度。
在不存在管道、再循环、或收集系统的情况下，气体被直接地释放到环境中。在不同的方面，氧气是主要地从光生物反应器中排放的并且因此没有积累。
在气体被再循环的情况下，从该光生物反应器中移去的在0至100％之间任何处的气体都可以被返回，其中剩余的被直接释放到环境中。可以控制所释放的量以达到所希望的反应器条件。未释放的量定义了再利用率。在一些实施方案中，不是所有的气体都被再利用这样使得可以去除对于实现最大产率有害的多种元素(例如，氧)。该再利用可以是在将气体元素分离成一个或多个组分之前或之后。因为这样的再利用不必将气体称为批量的而是称为与从光生物发生器中移去的气体的相对量。然后将再利用的气体与适当的反应器系统的气体进口处的气体以某种比例进行共混以实现所希望的反应器条件。
在太阳能生物工厂中有用的水可以是无盐的、低盐的、有盐味的、海水、或高盐的。可以从多种自然存储(例如，湖、河、池塘、等)或从处理过的流中得到水。
在太阳能生物工厂中存在多种公认的优点，像例如它优化了土地使用、优异的(优选最大的)光捕获以及分布、有效地控制了热量、低成本、在封闭的培养环境中、具有灵活的设计、规模可变的并且易于构建、良好的体积、最佳的混合、有成本效益的泵送方法、需要最少输入并且它避免了需要另外的步骤来将生物质转化成它们的组分糖类。来自原料的焦点已经转移到可再生的和更低成本的生物质的来源，例如，使用非淀粉、非食物相关的生物质(例如，树、草、以及废物)。这些生物质来源的最大的组分是纤维素、半纤维素、以及木素。与太阳能生物工厂系统相比较对这些来源的关注仍然是不足的，因为它们使用多个步骤来水解生物质、机械研磨、稀酸热化学预处理以及其他这类方法来将生物质转化成它们的组分糖类。太阳能生物工厂可以通过捕获光的生物体使用光、二氧化碳、和水作为输入物来实现高效的生产率。
光生物反应器按比例放大
图10表示部分地由多个光生物反应器装置组成的新的太阳能生物工厂的一个示意性的鸟瞰图。用于成本竞争性地生产生物燃料的规模可变的设计应当是低成本、易于构造、组装并且需要相当地更低的固定资产成本和维护费用。在不同的实施方案中，该光生物反应器装置的规模可变到大致任何体积(例如1至90,000L)，易于以流体联通的方式连接到分开的容器或反应器中，以允许容易地组装一个复杂光生物反应器设计。在不同的实施方案中，该光生物反应器是约10L至约1,000L。
在本发明的某些方面，该光生物反应器被配置成一个特定的大小(例如，4ft x 8ft(“单元”))。这类单独的单元是流体联通的并且被配置以覆盖200m2作为一个循环单位。更优选地，这些循环单位被模块化地组装成1000英亩产生27.5MM Gal(如图10中所示)。
可以使用单一的光生物反应器单位作为相同的基本建筑模块以全规模地消除按比例放大的风险。例如，多个光生物反应器单位(大致4ft x 8ft)被连接到一起成为一个40’模块以简化物流和安装。大致60个光生物反应器可以覆盖约2000平方英尺(200m2)。0.4英亩的工业单位包括全部的处理功能并且被简单地放大以增加容量。商业生产单位可以包括2500个工业单位，覆盖大致1,000英亩(2kmx 2km)。通过规模化，例如它能够生产27.5MM加仑的EtOH。可以基于土地以及CO2利用率将工业单位放大到任何想要的尺寸。
可以将蒸馏厂安置在附近以收集、处理或精炼最终产品。
可以将太阳能生物工厂安置在多个地点，优选地在烟气来源附近(在这里强度随地点和土地面积而改变时，光是无处不在的)，优选地紧靠水源。在不同的实施方案中，该光生物反应器装置在是地面上方的或在地面上的或甚至在海上的。
在本发明的不同方面，该太阳能生物工厂可以是开放的亦或封闭的。
在某些实施方案中，该太阳能生物工厂是一种封闭系统。在不同的实施方案中，可以是无菌的并且克服了通常的光穿透限制。在替代实施方案中，将水槽放置在该光生物反应器装置附近以调节温度。例如，可以使培养物循环通过水槽。
光生物反应器生物质产率
该太阳能生物工厂还提供了多种方法以实现生物体产率(如通过生产所希望的产物来进行测量)，它包括单元本身。
从太阳能生物工厂系统中的工程化的捕获光的生物体中生产的希望水平的产品可以是商业上有用的。例如，太阳能生物工厂系统中的工程化的捕获光的生物体将光、水和二氧化碳转化从而以约1g/L/12小时日生产生物燃料、生物质或生物化学品，或在某些实施方案中，约2.5g/L/12小时日或更高。类似地，该太阳能生物工厂系统中的工程化的捕获光的生物体将光、水以及二氧化碳转化从而以约5g/L/12hr天或更高来生产化学品、感兴趣的基于碳的产品或药物试剂。
在某些优选的实施方案中，该光生物反应器生产约10g/L DCW生物质，或约13.7g/L DCW的生物质。在一个实例中，在5L实验室原型波纹的平板型光生物反应器中已经证明了79g/m2/24小时的面积产率。
该光生物反应器系统提供了补偿相关资本成本的高面积产率。优秀的面积产率是通过以下各项来实现的：通过控制生长环境来优化细胞培养密度，优化CO2注入速率以及传质，优化混合以实现最高光合效率/生物体，通过生物体吸收作用来实现最大程度地消除暴晒的光，实现最大程度地消除CO2以及初始产物分离。
具体地，美国西南部具有足够的太阳暴晒以驱动最大面积产率达到约＞25,000gal/英亩/年乙醇或约＞15,000gal/英亩/年柴油，虽然美国的大多数地方具有适合具有成本效益地生产商品燃料或高价值化学品的暴晒率(图11)。
此外，在美国西南地区CO2也是可以容易地得到的，它被计算以支持大规模商业运用本发明从而生产120Bn gal/年乙醇，或70Bngal/年柴油。
温度控制&热平衡
在不同的实施方案中，重要的是在操作过程中控制光生物反应器装置内的温度以培养生物体。总体上，光生物反应器装置内的液体培养基的温度应当被维持在约5℃至约60℃之间，约30℃至约60℃之间，并且在一些实施方案中，在约37℃至约60℃之间。根据光生物反应器装置中所使用的生物体，可以容易地调节和维持温度以使生长、循环和产率最佳。
当使用太阳能输入时，红外线(如果没有另外的反射或转化红外线是不可用的)将产生热量。其他的光输入(这些输入没有被使用或反射)还可以提供热量，但不具有相同的大小。可以使用多种方法从而能够进行温度调节。输入气体代表另一种可能的热源。如果使用的二氧化碳是来自工厂的废气，它们温度典型地是约50℃至60℃，并且因此代表一个第二热源。对于发酵或培养所必需的机械装置还可以是另一种热源。这些细胞过程被认为是净吸热的并且因此未显著地作出贡献。因为细胞需要特定的温度范围以发挥最佳功能，对于反应器的温度控制是重要的。基于反应器的总热量需要以及被使用的不同的其他方法可以使用多种方法来控制光生物反应器的温度。例如，如果将红外线的贡献排除，反应器系统不再需要使用热交换器或其他装置的主动冷却，但可以仅通过流体控制以及蒸发来进行维持。
冷却的其他方法包括蒸发冷却、减少气体再循环(例如，需要在较低(环境)温度下将更多的外部流体加入，或热交换器。可以使用热交换器来将生物过程维持在恒定的温度下。当温度可能低于约40℃至约60℃时可以使用热交换器以及流体来补偿蒸发损失。
当排除对于一个单独操作设备的需要时，可以使用蒸发冷却技术。在一些实施方案中，这可以包括使用分配管或喷雾将冷却水分配到光生物反应器的顶部表面上并且任选地将水收集到位于光生物反应器的底部的托盘中。可以使用减少的再循环，但是具有较高的成本(前提条件是需要潜在地大供给量的水)。作为另一个替代方案，可以将二氧化碳以干冰形式进行存储并且用于冷却的目的。
各种封闭的光生物反应器系统的缺点是大量的水消耗以及潜在的使用蒸发冷却塔、风扇、循环泵以及相关的电费成本。在某些方面，太阳能生物工厂在减少冷却负荷以及电负荷方面是有利的。例如，可以将光生物反应器板件100分层在顶部以产生多层的板件(如图8的下部所示)。在不同的实施方案中，将水循环穿过一组选择的少数通道350，而其他的通道300保持空的。在这类实施方案中，将培养物仅循环通过一个板件100的通道200。例如，这类实施方案的变体有可能替代这些循环水的通道(例如，每4个通道中的一个)以及改变板件的层来调节温度。
在不同的实施方案中，嗜热生物被用于在60℃下运行的光生物反应器中，该温度允许在最热的夏季条件下通过无任何辅助下的被动辐射以及自然对流将100％的热量排出。在优选的实施方案中，在无外部热源下还可以使用在60℃下的低品位热能来驱动EtOH蒸馏。在其他实施方案中，在日间使用池塘或类似物中的水来吸收热量并且在夜间进行被动地或主动地冷却。其他的选项是使用材料来减少或拒绝热量或在夜间需要的其他适合的隔离方法。在优选的实施方案中，包括一种单一生物体的培养物运行一整年。替代实施方案允许在冬季使用嗜温生物并且在夏季使用嗜热生物以优化过程。
可以在60℃下在操作期间以及在35℃下在夜间“冷却”操作期间将嗜热生物培养在光生物反应器装置中。替代方案可以是在50℃下运行光生物反应器。可以在37℃下在操作期间以及在15℃下在夜间“冷却”操作期间培养嗜温生物体。另一种方法是在春季、夏季以及秋季在该光生物反应器中培养嗜热生物体，并且在冬季培养嗜温生物体。
在某些实施方案中，使用热储存器系统来储存日间期间的热量以及夜间的冷量。优选地，将所要求的外部加热/冷却的量降至最低但是可以设计光生物反应器装置以仅需要外部加热。
在某些实施方案中，被光生物反应器吸收和排斥的太阳能随着给定的日间的过程并且在这一年的不同时间点进行改变。
在其他实施方案中，光生物反应器系统可以包括一个热源、一个冷却源或两者的一个组合。在多种条件下，例如在温度降低的夜间，加热是优选的。
在某些方面，考虑了各种因素(例如太阳辐射输入量，例如纬度/经度、日期、时间、板倾斜角度、地球的轨道和大气以及对反射损失的调节)将热量加入到光生物反应器系统中。在其他方面，该输出的热量是自然对流或辐射。
在其他方面，排热以及非PAR光子利用的替代方案包括将具有聚光pV性能的光散射色素(MIT)、热电偶、压电偶(热膨胀等)、选择性涂层等、泵、传感器以及控制系统整合到该系统中。系统整合中的各种部件包括例如使用水槽来进行热调节。
光生物反应器&被动热调节
本发明的不同实施方案涉及用于将CO2转化成感兴趣的多种产品的过程。一个新的特征是整合一个被动热调节系统以避免光生物反应器中所使用的昂贵的热交换实现方式。
在封闭的光生物反应器中使用被动热调节系统对于使用感兴趣的多种宿主细胞来生产燃料以及化学品具有独特的优点。它具有能够生长工程化的光养型菌株的另外的优点。
通过消除昂贵的并且低效率的分离、生物质的化学转化，从日光和CO2直接生产化学品或燃料产品的能力显著地提高了过程的经济性，并且还避免了为大量的生物质副产品开发新市场的需要。优化了最终产品的表达同时允许从培养液中直接地分离该产品(即，连续地移去产物)的光生物反应器显著地增加了经济性这样使得封闭的光生物反应器的增加的资本成本被证明是完全正确的。
所推荐的太阳能生物工厂的某些实施方案克服了所有这些限制：光子转化效率、过热、辐射以及对流损失、过度冷却、低产率或甚至在下一个日光周期的开始时长时间的滞后以及在极端条件下导致对培养物以及光生物反应器本身具有多方面损害的冷冻以及首次允许仅使用日光以及CO2(以及少量的额外营养物)成本竞争性地生产燃料以及化学品从而使用工程化的光养生物唯一地或基本上唯一地使用被动加热和冷却同时消除了冷却和加热的外部来源来生产最终产品(燃料以及化学品)。在某些实施方案中，本发明进一步连续地分离最终产品，其中生产的培养物被高效地固定在光生物反应器中这消除了昂贵的分离以及对相对低浓度的生物质的处理(例如，低于20g/L、低于10g/L并且尤其是低于5g/L)。使用自然加热和冷却来通过优化的光生物反应器装置动态地管理热负荷而不是用外部实用工具来交换被培养物吸收的热量，该装置结合一个实时自适应控制系统以基于多壁塑料板来连续地调节光生物反应器单位的斜度，多壁塑料板能够贯穿日间以及夜间以控制的方式吸收日光和热量以调节温度从而维持最佳产率。为了实现这个目标，这些光生物反应器单位具有工程化的表面涂层，包括但不限于一个侧面上的反射性热屏。另外的特征包括一个地面涂层或材料(例如，砂)，该地面涂层或材料产生可见光的漫反射同时选择性地捕获IR作为热量以限制日间期间光生物反应器的热获取量同时通过旋转该光生物反应器板件至面向地面(以反射屏朝向上方以将辐射损失减至最低)允许在夜间保存该光生物反应器的热量。这些特征以及其他实施方案在以下更详细地进行描述。当考虑以被动方式管理入射的太阳辐射的光生物反应器的一般性概念时，应当认识到的是多种变体是可能的，这对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。非限制性的实例包括：分散在塑料中以排斥UV的色素、分散在塑料中以将不能使用的波长上移成可见光的荧光色素(例如，UV至PAR的移动)、例如与光电材料相结合从而用光谱的一部分来发电的有机太阳能聚能器的色素、用于排斥热量的IR反射涂层、以及IR吸收性材料作为地面涂层从而在日间用作被动散热器(在夜间可以使用它来释放热量)。
选择薄膜pV涂层来转化光谱的多个部分，光谱的这多个部分不能被光养生物高效地转化或低效地转化，从而生成杂交的燃料和电光生物反应器。
在不同的方面，这些材料(例如用于组装光生物反应器的丙烯酸树脂)适合具有某些特征，根据相对于光强度的改变可以展示这些特征。例如，在较高的光强度下该材料可以变成更加半透明的或甚至不透明的，并且排斥了过量的光，由此排斥了过量的热。相反，在较低光强度下该材料可以变成更加透明的或甚至清澈的。在优选的实施方案中，色素、染料或薄膜被合并到丙烯酸树脂中。在不同的实施方案中，在光生物反应器制造过程期间将着色的丙烯酸树脂板件挤出。类似地，被适配以对多种其他参数(例如，温度波动、气候模式、pH改变)敏感的的材料是在本发明的范围内的。
光合有效辐射
可以基于目标的生物质或化学品或燃料产品的确切的组成在最大光子转化效率下将大致20％-25％的PAR(光合有效辐射)或10％的总阳光光谱转化为有用的化学能(Pirt，J.“The thermodynamicefficiency(quantum demand)and dynamics of photosynthetic growth”，New Phytol.(1986)102：3-37)。某些光养型培养物选择性地反射IR波长的某一部分(IR 750nm以上的约40％)(Gitelson，A.et al“Photic volume in photobioreactors supporting ultrahigh populationdensities of the photoautotroph Spirulina platensis”Applied andEnvironmental Microbiology(1996)62：1570-1573)。因此，到达光生物反应器的大批的入射阳光被最终转化成热量，该热量必须被移去以维持最佳培养条件并且甚至避免由于过热造成的培养物的全部损失。在夜间发生相反的作用，这时辐射和对流损失导致培养物体积的冷却。过度的冷却将损害培养物，导致低产率或甚至在下一个日光周期的开始时长期滞后并且在极端条件下导致对培养物以及光生物反应器本身具有多方面损害的冷冻。为了保护以防止这两种情况，典型地需要加热和冷却两者来控制光生物反应器温度。这些热增益和损失的含义被进一步详述于图13(该图显示净吸收的热)和图12(该图显示热流量的整合)中。所涉及的这些热流量的大小基本上限于将目前的封闭式光生物反应器技术应用于非常温和气候的地区或可能有效地使用便宜的废热(该废热可能是地方性可获得的(例如，来自电厂或提供CO2的工厂))的小单位。在温暖的日间，1000英亩设备的冷却需求可能是与600MW电厂的需求类似的数量级。显然，这表示了在接收良好的日光但没有非常显著的冷却水资源的地区中对于大规模应用的显著的挑战。使用热交换流与相关的存储、泵、冷却塔、热交换表面以及补充的热能一起计算这些热流的成本对于采用封闭式光生物反应器技术来生产大量的燃料和化学品产物而言是一个巨大的障碍。
光生物反应器被动热管理
该被动热调节系统可以被应用于不同的光生物反应器，包括平板、泡罩塔、管状反应器以及针对管理冷却和加热的多种环状设计。光生物反应器的许多设计的变体被考虑在本发明的范围内。优选地，通过使光生物反应器的表面积最大化来捕获光，最大量的光被暴露并且被这些微生物捕获用来生产感兴趣的产品。以下提供的是一个这样的光生物反应器设计。
在不同的实施方案中，光生物反应器可以用廉价的材料(例如，丙烯酸树脂或聚碳酸酯)来制造。例如，这类材料可以被挤出成为多个平行的通道并且被焊接到管座组件(header assembly)上从而形成一个单个的板。作为替代方案，该系列的通道和管座组件可以被共同挤出从而形成一个板件。在该板件内形成通道的壁提供了结构的完整性以及能够抗冲击和抗气候的支撑。在一个实施方案中，反应器体积可以说约5升。在其他实施方案中，该反应器的体积可以是约15至约25升或更大。
在不同的实施方案中，可以将多个光生物反应器以流体联通的方式对齐来制造一个太阳能生物工厂。这些光生物反应器可以被设定在一个角度，无论怎样从0至90°(这取决于不同的条件)。例如在日间操作期间，光生物反应器处于90°角度主要地用于散射捕获的光以减少过量的光以及光抑制同时减少随后温度增加的可能性。对于夜间操作，这些光生物反应器处于0°角从而在缺少光的情况下维持温度。
在某些实施方案中，使用实时地方天气跟踪控制系统以预测即将到来的天气的方式来快速调节这些光生物反应器的斜度。该系统可以使用国家天气服务地方预报以及最近的地方天气模式来管理该光生物反应器场地的热负荷以及光合需要(例如太阳辐射暴露、荫蔽、辐射以及对流损失、以及地面反射)。该软件控制系统响应于地方天气改变，例如云量以及雨量、风速以及日光强度，相应地控制光生物反应器的斜度。当不希望的天气条件接近时，该被动热管理系统可以将太阳能生物工厂切换成保存模式，由此保护培养物并且减少内部能量损失。在优选的实施方案中，光生物反应器斜度可能具有移动到水平的或接近水平的位置的能力，从而降低了辐射损失并且在寒冷的天气并且特别是在夜间期间维持内部的热质的热量。吸收并且存储在地面中的热量将被包含在水平或接近于水平的位置中，并且将提供额外的被动能量。
该控制器与集中数据的中心相联通用来交换天气观察并且用来接收热管理指令。控制器指令是由实时地方天气来驱动的。可以使用历史上热管理的记录来优化将来的计算。
重要的是，这种智能的、集中的热管理系统能够降低或更优选地消除对于补充的加热和/或冷却的需要，由此显著地减低了能量消耗。该系统将多个气象站和先进的步进式电机结合并且控制网络中心设计中的技术。它还可以与热管理数据中心联通，在该中心处使用一种复杂的斜度方案来适应热负荷并且优化对于地方天气的光合效率。
另外，烟气注入可以提供适当的冷冻保护以及补充的加热(如果需要的话)。预期的是由烟气提供的另外补充的热量将是大于约1W m-2但小于约10W m-2。在将系统的效率最大化并且最大程度地使用被动热管理的任何情况下，所希望的是将任何补充加热和冷却限制到小于约10W m-2更优选地小于约5W m-2并且最优选地小于约3W m-2。
图14是北-南定向的多个光生物反应器的侧视图。在不同的实施方案中，光生物反应器包含连接到至少一个第二光生物反应器上的一个顶盖400。在某些实施方案中，在整个日间该顶盖散射光，照射东西朝向的生物光反应器。另外，该顶盖还在这些反应器的周围产生一个温室环境以达到所希望的温度。在优选的实施方案中，两个光生物反应器之间所希望的距离在光生物反应器之间提供了一个间隙或烟囱350(其中在顶部和底部500具有可调节的封闭)用于被动温度控制。存在一种任选的风扇300配置(用于通过烟囱抽出空气来进行另外的温度控制)。
图15是光生物反应器组件的另一个实施方案的侧视图。在这个实施方案中，至少两个侧薄片700将每个光生物反应器封闭在一个温室环境中。每个光生物反应器与侧面薄片700之间的间隙产生一个烟囱350，当将顶部/底部封闭打开时，该烟囱冷却该光生物反应器。通过烟囱的冷却作用可以是被动式的或由风扇300来驱动的。可以将光生物反应器侧壁成形以增加面积从而降低光强度并且增加传热面积。这些侧面薄片还可以是发散的以展开光线。
图16(上部分)是光生物反应器组件的另一个实施方案的侧视图。在这个实施方案中，至少两个侧薄片700将每个光生物反应器封闭在一个温室环境中。每个光生物反应器与侧面薄片700之间的间隙产生一个烟囱350，当将顶部/底部封闭500打开时，该烟囱冷却该光生物反应器。通过烟囱350的冷却作用可以是被动式的或由风扇300来驱动的。可以将光生物反应器侧壁100成形以增加面积从而降低光强度并且增加传热面积(图16(下部分))。这些侧面薄片700还可以是发散的以展开光线(用于强度控制)。侧面薄片700和反应器壁100可以进行表面处理从而优选地通过/反射特定波长来进行强度和热控制。侧面薄片700和反应器壁100可以由波长特异性吸收染料来制造。可以将这些侧面薄片以及反应器壁成形以改变表面积从而增强热传递并且改变照射到培养基上的光强度。
在图16的实施方案中，可以对于特定的季节或贯穿整个日间改变反应器倾斜角度，从而改善被动热管理的控制。可以将一个辐射屏应于到该反应器(侧面薄片或反应器壁)的背面用于热管理控制。可以将一个热绝缘层应用到该反应器(侧面薄片或反应器壁)的背面用于热管理控制。可以旋转该板件以在夜间面对地面从而将辐射到天空中的损失降至最低。可以将单独的行旋转到不同的角度以优化光强度和热控制。基于季节，不是必须要使用所有的行。
在某些实施方案中，这些侧面薄片和反应器壁可以由具有高光学清澈度的材料(例如，丙烯酸树脂或聚碳酸酯)制成。在一个实施方案中，可以将减反射的涂层应用到这些侧面薄片和/或反应器壁上。还可以将在IR中具有吸收性的染料包括在这些材料中。在其他实施方案中，可以加入热致变色的染料(一旦该薄片达到某一温度，这些染料就变暗)。
该漫射器顶盖可以由丙烯酸树脂或聚碳酸酯来构建(其中加入表面处理或薄膜来使它具有漫射性)。在某些实施方案中，可以使用在IR中具有吸收性的染料来构建该漫射体顶盖。一些实施方案可以包括热致变色的染料(一旦该漫射器顶盖元件达到某一温度，这些染料将变暗)。
烟囱和间隔：在一些实施方案中，这些侧面薄片被间隔离开反应器壁约1英寸，但是间隔可以范围从约0.5至约2英寸。
关于可调节的封闭(顶部和底部)，在一些实施方案中这些可以是被电驱动的。在其他实施方案中，这些可以由热致动器以液压方式来驱动，并且因此是完全被动式的。
关于风扇，在一些实施方案中它们可以是每个反应器上的单独的小风扇，或供应一小组的反应器的较大的风扇。在一些实施方案中，这些风扇可以由光伏板来提供电力。
被动式热调节的几个优点包括在具有低固定资产成本的新的被动冷却方案下照射光生物反应器，这允许生物体在广泛的环境范围内维持最大的产率；以模块化阵列的方式使用多个光生物反应器，该阵列可以被扩展而对从约100至约10,000英亩的土地区域不造成显著地改变；使用主要输入项(例如从关键性部分(例如，化石燃料能量生产以及水泥生产)释放出的浓的CO2)来直接地将CO2排放物转化成所希望的输出产品；定位太阳能生物工厂的能力(例如靠近CO2来源或管道线)，从而在该具有最小寄生负荷的设备中将CO2分配降至最低。优选的光生物反应器设计将被优化以确保最佳或最大的光捕获、混合、CO2注入以及燃料分离同时将能量需求降至最低。
在一些实施方案中，这些光生物反应器能够在环境的约5℃至约10℃内实现被动热控制。
在一些实施方案中，光生物反应器包括至少两种不同的生物体。一种耐热性蓝细菌、植物或藻类或另一种嗜热性菌株可以适应温度谱(该温度谱被设想用于太阳能转化过程中整年的热整合)。作为替代方案，还可以使用嗜热菌株与嗜温菌株的混合物。
在其他实施方案中，披露这些方法以使用光生物反应器从而能够在不适于耕种的土地上生产基于碳的产品。光生物反应器和过程设计被优化以确保将日光高效地转化成燃料。先进的生物加工以及光学设计原理被运用以优化光分配、传质和传热以及混合从而使产率最大化。
优选地，光生物反应器设计、原型以及制造设计满足小于约$20/m2土地面积的成本目标的工艺要求从而允许一种可规模可变的解决方案(可以将该方案在大面积上运用)。可制造性的设计(DFM)的概念是能够低成本、可靠地大批量生产的一个特别的焦点。发展了发酵营养物控制策略，这些策略与生物体工程化紧密结合以确保在固定的碳上最终产品的最大产量。
在不同的实施方案中，通过碳流量控制的菌株优化与本发明的光生物反应器的组合已经增加乙醇输出至每日面积产率水平超过成熟的基于纤维素的过程所设计的那些情况(＞3.5g/m2/日)。
用来生产柴油燃料的一个实例中试工厂可能占用约1英亩的不适于耕种的土地并且可以生产约25加仑的柴油/天。柴油过程原型中试工厂可以在如下的操作环境中起作用：
从浓缩的工业CO2来源以面积产率为约20g/m2/天生产连续的、控制链长度的柴油，其中净水用量小于约5gal/gal燃料；
在＞5％光子能量捕获效率下进行＞30天的连续生产；
可以独立于成本根据能量按比例放大的整合的生产平台，它在没有补助下与当前的化石来源相竞争；并且
通过使用烟气或其他浓的CO2来源通过将废物CO2转化成有价值的液体燃料，这样的方法弥补了常规发电的影响。
这种高效率、整合的方法降低或消除了昂贵的并且耗费的中间体和处理过程，这导致了非常高的净正值的能量比率。该被动热管理降低或消除了对于外部冷却源的需要，这导致较少的(如果有的话)蒸发的水损失。
在某些方面，由竞争的生物体造成的污染对于高效碳转化存在疑问。在实验室规模下，该光生物反应器可以被消毒并且想单一培养模式下运行。所开发的生物体工程化策略或按比例放大处理的方法可以帮助在全规模下将污染的问题降至最低。因此，可以个别地或以多阵列的方式将光生物反应器灭菌。
允许在最大范围的地点内对温度进行严格控制并且将水和寄生电力消耗降至最低的被动热设计对于该技术的成功是重要的。在模拟的以及真实的户外条件下通过进行胁迫和生命周期测试来考虑当前的被动热设计概念的进一步改进。
优选地，可以将光生物反应器安置在经受显著的日光辐射以及大的温度转变的环境中。
夜间操作
在夜间进行操作可以显著增加至潜在地两倍的总产率。因此，还可以考虑用人造光来操作太阳能生物工厂。所考虑的是可以使用适合于该太阳能生物工厂的不同的人造光源(例如，荧光灯)。这类太阳能生物工厂可能利用来自格栅的电能从而在夜间驱动生物过程。
在另一个实施方案中，可以使用多种输入项，这些输入项在缺少人造光的情况下不能另外地被用在夜间。来自浓的来源的二氧化碳可以被浓缩并且存储，优选地以干冰状态，从而允许冷却以及冷凝自由气体分布。可以优选地使用来自同一浓缩来源(例如煤炭工厂)但是在夜间的非峰值时间(例如12-4AM)的用于这个目的的电力。
在另一个实施方案中，该细胞系统可以在其中具有两种生物元件(在同一细胞中或在多个细胞中)，其中在日间它是光驱动的并且在夜间是由存储的或另外的得到的输入项来驱动的。例如，细胞可以收获光并且在日间转化成中间体并且在夜间该同一个或不同的细胞可以将该中间体转化成一种所希望的最终产品。
在不同季节期间的操作
图13指示了光生物反应器的净热负荷，对于在65℃下操作的嗜热生物以及在37℃下操作的嗜温生物两者它是不同季节的函数。在净负值负载的情况下，必须提供补充的加热。可以捕获约10-20Wm-2的太阳能作为化学能(燃料)并且因此将要求在基本上零成本下的废热以确保正的总能量平衡。给定了在电厂可以得到的废热的量，这将设备的潜在尺寸限制到小于1英亩/MW操作容量。在需要冷却的情况下(吸收的净热量为正值)，这将需要大量的冷却水。具有冷却要求为100W m-2的1000英亩设备需要400MW的冷却(与600MW电厂单位相类似的数量级)。这样的巨大的冷却水要求将限制在大规模下潜在地应用光生物反应器技术。
因此，被动热调节可以避免这种需要或至少降低对水的依赖性并且将需要用来循环或泵送水的能量输入降至最低。
图12显示了在日间的过程中被吸收到光生物反应器中的净热量。显示的数据是这一年的不同时间期间的操作。日间和夜间的平均地方温度被显示出来，表明在反应器正在进行操作的环境条件中大的变化。指示出了整合的热流量。显示了对于1000英亩工厂的需要用来在日间吸收热量(然后该热量被用于在夜间加热反应器)的缓冲储存器的大小。过量的每日热量值是负数表明甚至在使用缓冲储存器之后，根据年内的时间以及操作温度还需要约5至约35W m-2的外部热量。假设从发电厂可以得到典型的废热，这将设备的大小限制到约1英亩/MW电厂能力，而至少10英亩可以被等级为1MW的同一发电厂的典型的CO2排放物所支持。热量整合的优化显著地将外部加热和冷却降至最低，但是需要生产能够在宽范围的温度以及大的缓冲储存器下操作的菌株。
模块化的并且大批量制造的光生物反应器是本发明的构造块。优选地，光生物反应器被设计用于运用在预制的组件中，可以使用最少的熟练工人容易地安装这些组件。多壁(多个皮)的挤出的聚碳酸酯或丙烯酸树脂(PMMA)薄片提供了用于辐射和绝缘的隔板或屏的衬底、和反射薄膜技术、以及用于光合生物生长的管道。更优选地，该光生物反应器被连接(多级成型、振动或激光焊接)到专有的管座以及鼓泡器机构上。整个组件卡扣成为一种重量轻的、结构性的基质(例如，增强的碳纤维或铝)并且固定到一个单轴线的倾斜物上，该倾斜物覆盖该步进式电机并且控制该机构。该单轴线倾斜物用作多个光生物反应器组件的机械支撑并且被适配以实时方式进行调节从而优化光合效率并且调节荫蔽从而管理热负荷。
被系统地间隔开的光生物反应器组件进行结合从而形成一个几何学上优化的模块化场地。子域设计几何学地优化了布局从而使收获的太阳能最大化并且使不希望的热效应最小化。
光生物反应器被动热管理&天气跟踪技术
使用实时地方天气跟踪控制系统以预测即将到来的天气的方式来快速调节这些光生物反应器的斜度。该系统可以使用国家天气服务地方预报以及最近的地方天气模式来管理该光生物反应器场地的热负荷以及光合需要(例如太阳辐射暴露、荫蔽、辐射以及对流损失、以及地面反射)。该软件控制系统响应于地方天气改变，例如云量以及雨量、风速以及日光强度，相应地控制光生物反应器的斜度。当不希望的天气条件接近时，该被动热管理系统可以将工厂切换成保存模式，由此保护培养物并且减少内部能量损失。光生物反应器斜度可能具有移动到水平的或接近水平的位置的能力，从而降低了辐射损失并且在寒冷的天气并且特别是在夜间期间维持内部的热质的热量。吸收并且存储在地面中的热量可以被包含在水平或接近于水平的位置中，并且可以提供额外的被动能量。
该控制器与集中数据的中心相联通用来交换天气观察并且用来接收热管理指令。控制器指令是由实时地方天气来驱动的。可以使用历史上热管理的记录来优化将来的计算。
这种智能的、集中的热管理系统将降低或消除对于补充的加热和/或冷却的需要，由此减低了能量消耗。该系统将多个气象站和先进的步进式电机结合并且控制网络中心设计中的技术。它与热管理数据中心联通，在该中心处使用一种倾斜方案来适应热负荷并且优化对于地方天气的光合效率。
烟气注入可以提供适当的冷冻保护以及补充的加热(如果需要的话)。预期的是由烟气提供的补充的热量将是大于约1W m-2但小于约10W m-2。在将系统的效率最大化并且最大程度地使用被动热管理的任何情况下，所希望的是将任何补充加热和冷却限制到小于约10W m-2更优选地小于约5W m-2并且最优选地小于约3W m-2。
图17是一个图形表示，该图形表示显示了对于以下两种情况用于将一个实例反应器冷却到所希望的操作温度的风扇功率：嗜温生物(所希望的温度为约37℃)以及嗜热生物(所希望的温度为约58℃)。该图显示用于实例的倾斜的温室(以30度倾斜，朝向南方)的一种解决方案。在太阳正午时对于夏季日间(约七月中旬)进行计算，以推定平均日晒量。具体地说，该图形表示显示了对于以下两种情况有多少风扇功率被用于该实例配置从而将该反应器冷却到所希望的操作温度：嗜温生物(所希望的温度为约37℃)以及嗜热生物(所希望的温度为约58℃)。X轴显示了所希望的操作温度与环境温度之间的差异。值得注意的是嗜温生物和嗜热生物的情况基本上是以展示结果的方式失败的。当环境温度更低时，该“差异”更大并且风扇功率的量降低。在这个实例中，该图指示只要环境温度高于10℃低于操作温度，该系统就能被动地运行。
可以使用空气优选地环境空气来获得对光生物反应器的温度控制。在实例的系统中，使用小于约10W/m2的功率输入来获得冷却(例如，用于吹动空气并且操作温度控制系统)，并且优选地小于约5W/m2。例如，在其中人们可能需要在正午时排斥数量级约500W/m2的热量的系统中，输入功率是约1％的有待排斥的热负荷。在一个实现方式中，可以从定位在反应器附近的pV太阳能板件中获得该功率。pV板件典型地生产约130W/m2。例如，如果pV板件提供5W/m2功率，该PV板件的面积可能是小于4％的地面面积。在这种实现方式中，可以从反应器局部的多个来源来获得冷却作用，从而将下部构造减至最小。基于空气的冷却系统提供的优点是更大的位置独立性。
培养基
在操作期间包含在光生物反应器装置的腔内的液体培养基可以包括与足够的营养物混合的水或盐水溶液(例如，海水或盐味水)用来促进包含在其中的捕获光的生物体的生存和生长。取决于这种生物体，使用包含盐味水、海水、或其他非饮用水(它们是从该光生物反应器装置将被操作的地方得到的，并且被包含在其中的生物体从这个地方得到或适应这个地方)的液体培养基是有利的。
具体地说，生物体被添加了一种或多种氮源。在一个实施方案中，该氮源是以下各项的一种或多种：脲、尿酸、铵、铵盐、硝酸盐或一种或多种氨基酸。在某些实施方案中，该氮源是氨。在一个替代实施方案中，氮源是通过气体进口来提供的，它可以采取N2、NO、NOx等中一种或多种的形式。
必须的或适合用于维持藻类或其他捕获光是生物体培养物生长的具体的液体培养基构成、营养物、等(例如，液体BG-11培养基，A+)总体上是本领域已知的。潜在地，可以将广泛多样的液体培养基以不同的形式用于太阳能生物工厂的不同实施方案，如本领域的普通技术人员所应当理解的。例如，适当的液体培养基组分以及营养物在以下各项中被详细讨论：Rogers，LJ.and Gallon J.R.″Biochemistry of the Algae and Cyanobacteria，″Clarendon Press Oxford，1988；Burlew，John S.″Algal Culture：From Laboratory to Pilot Plant.″Carnegie Institution of Washington Publication 600.Washington，D.C.，1961(以下称“Burlew 1961”)；以及Round，F.E.The Biology of theAlgae.St Martin′s Press，New York，1965；Golden SS et al.(1987)″Genetic engineering of the Cyanobacteria chromosome″MethodsEnzymol 153：215-231以及在S.S.Golden and L.A.Sherman，J.Bacteriology 158：36(1984)，上面各项通过引用结合在此)。
增强的培养基构成被描述于实例3、4和5中。在不同的实施方案中，本发明提供了一种培养基构成(如实例4中所提出的)。另外的实施方案包括培养基中增加量的N、P和/或Fe用来提高捕获光的生物体的生长。
在光生物反应器装置的操作期间，用足够的液体培养基填充板件100从而允许在操作期间循环液体培养基(例如，在一个方向上)。在一些实施方案中，该板件的体积的至少某一部分被留下未填充液体培养基。
所考虑的是某些情况(例如培养基中低pH、高EtOH或有机酸)可能致使光生物反应器的环境对培养生物体是严酷的。
培养基的pH
可以通过pH探头来监测液体培养基的pH。对于特定的生物体可以通过调节CO2或化学品(例如，铵、tris、脲、HEPES、盐酸以及氢氧化钠)将培养基的pH控制在所希望的水平下。优选地，控制将酸性的CO2加入到光生物反应器中以匹配产物的生产从而在平衡的生长或生产条件下维持稳定的pH。选择培养基中的氮源作为用来提供pH控制的一种方法是重要的。另外，蒸发的量以及适当的加入新流体提供了用来提供pH控制的另一种方法。
总体上，用于营养物水平维持以及pH控制的化学品以及其他因子可以被自动地直接地加入到光生物反应器装置内的液相中(如果想要的话)。该计算机控制系统还可以被配置以通过控制该光生物反应器装置内的或与其连接的热交换系统或其他温度控制系统之一或两者来控制该光生物反应器装置内的液相温度，或在替代实施方案中，从该光生物反应器装置中移去液体培养基并且通过例如温度控制的水浴或水槽中的一个热交换器。
光密度
可以在对于给定的生物体适当的某些波长下测量液体培养基的光密度。这些波长(它们假设与生物质浓度是线性相关的)总体上是本领域中熟知的。可以使用分光光度计测量来计算细胞密度(参见，Hiroyasu等人，1998)。可以使用这类读数来监测生物体浓度从而确保适当的细胞活性以及对希望的细胞群体提出挑战的潜在的信号(例如，非最佳的培养基情况，改变的pH、高浓度的毒性物质、以及存在外源性生物体)。
操作条件以及细胞群控制
在不同的实施方案中，在太阳能生物工厂、系统以及方法中培养工程化的生物体。在这类实施方案中，为了将光生物反应器装置内的生物体的浓度保持在适合用于长期操作以及产率的范围内，可以收获一部分生物体并且该光生物反应器装置可以添加有新鲜的、无生物体的培养基(或具有低浓度的以前收获的培养基)来调节光生物反应器装置内的生物体的浓度。浓度可以随着时间指数地增加(指数生长期)到达某一点，此后浓度将趋向于平稳并且繁殖和生长将降低。在某些实施方案中，光生物反应器装置内的浓度被保持在操作范围内，该范围在生物体仍然处于指数生长状态的浓度的上端附近。如本领域的普通技术人员所应当理解的，表征给定生物种类的特定的生长曲线在种类之间并且甚至在生物体的给定的种类内可以是不同的，可以根据操作和环境因素以及随着任何遗传修饰(可以通过插入外源性核酸或者通过进化过程来做出这些基因修饰)的不同而不同(例如，液体培养基构成，生长温度、气体进料构成、等)。
通过如早期描述的进口装置以及出口装置可以有助于收获生物体、调节浓度、并且引入额外的液体培养基。从维持希望水平的生长以及繁殖以及在管道内提供希望水平的光调节这两者的观点来看控制生物体的浓度是重要的。生物体可以被周期性地或连续地收获以在操作期间维持所希望的浓度范围。
根据一个方法，收获以半连续的方式发生，即在给定的时间下从该光生物反应器装置仅移去一部分生物体。为了收获生物体，从光生物反应器中移去包含生物体的培养基并且允许沉降这样使得该生物体的密度将允许它沉降到该室的底部，在那里可以容易地移去该生物体。另外，在某些实施方案中可以使用絮凝剂(引起生物体团聚并且沉降的化学品)以协助收获。一些有用的絮凝剂包括粘土(例如，具有粒径＜2μm)、硫酸铝或聚丙烯酰胺。沉降之后，可以通过这些通道的底部或通过不同的出口将生物体抽出。可以将包含在收获的细胞中的水和营养物提取出来并且再循环到该光生物反应器装置的液体培养基供应中。这个步骤可以减少该光生物反应器装置以及总体系统的废物以及用水，由此降低环境影响以及操作成本。在某些情况下，可以在收获前使用过滤(例如，使用聚合物膜、陶瓷膜或金属膜的微滤或超滤)、离心(例如，倾析器或高速盘式离心机)或浮选法从培养基中分离细胞。然后可以通过本领域中任何已知的方法(例如，提取细胞膜来生产生物柴油、糖化聚合物部分来生产乙醇、以及燃烧生物质来产生能量、等)来处理这些移去的细胞。
在一些实施方案中，通过将光生物反应器装置作为化学恒定器(其中流体被不断地流动并且保持在封闭的环内)来维持，将细胞浓度保持恒定。通过这种方法(这种方法对于本领域普通技术人员是已知的)，当使用本领域任何已知的方法来处理时，可以容易地移去死亡的或将死的细胞。
在某些实施方案中，太阳能生物工厂被适配以与多个传感器、多个控制器、多个可编程的逻辑控制器以及一个控制系统一起使用，网络到一起用于该光生物反应器装置中。这类控制系统是本领域熟知的并且因此可以由熟练的业内人士进行改进或适配。
这些太阳能生物工厂系统以及方法可以在该光生物反应器装置内配置有用来测量进料到这些鼓泡器中的进料气体的压力的不同的探头以及监视器(例如，一个或多个压力监视器)以及用来测量气体流动速率的一个或多个流量计，以及用来测量大批的液体流动速率的一个或多个流量计。可以控制气体和液体流动速率(至少部分地)从而通过在该光生物反应器装置内诱导所希望的液体流动模式促进希望水平或最佳水平的光调节。指示进料到光生物反应器装置中的气体的总流量的另一个控制因素可以是由该光生物反应器装置移去的污染物(例如，CO2和/或NOx)的所希望的水平。例如，这个系统包括用来监测在进料气体以及处理过的气体中不同气体(例如CO2、NOx、O2、等)的浓度的适当的气体构成监测装置。可以调节和控制气体进口流动速率和/或到鼓泡器上的分配以由该太阳能生物工厂系统产生希望水平的污染物去除。
生物体
在此所述的太阳能生物工厂系统以及方法的不同实施方案能够在任何捕获光的生物体中将光、水以及二氧化碳转化成生物质、生物燃料、化学中间体、化学品、药物试剂以及以生物方式生产的化学品。捕获光的生物体包括自养生物体、光养生物体、异养生物体、以及被工程化以下调或敲除内源性基因的表达，表达一个或多个异源基因、过量表达一个或多个与光合作用或其中心代谢相关的内源基因的生物体。
植物包括但不限于以下的属：拟南芥属、甜菜属、大豆属、麻风树属、芒属、黍属、虉草属、杨属、甘蔗属、柳属、希蒙得木属以及玉蜀黍属。藻类以及蓝细菌包括但不限于以下的属：刺菊石属、刺球藻属、曲壳藻属、曲壳藻、集星藻属、辐绿藻属、辐环藻属、辐射鼓藻属、双金藻属、前沟藻属、双环藻属、双肋藻属、叉节藻属、分须藻属、双眉藻属、鱼腥藻属、项圈藻属、长点藻属、纤维藻属、锚藻属、异菱藻属、虚幻球藻属、束丝藻属、隐球藻属、隐毛藻属、隐杆藻属、梨囊藻属、顶丝藻属、四棘鼓藻属、节旋藻属、囊绿藻属、星杆藻属、绿星球藻属、旋体藻属、沟链藻属、棍形藻属、巴尔比亚藻属、似竹鼓藻属、红毛菜属、基壁藻属、串珠藻属、骈胞藻属、双棘丝藻属、盘苔属、拟气球藻属、气球藻属、丛粒藻属、球葡萄藻属、咸胞藻属、短纹藻属、短毛藻属、Brebissonia、毛鞘藻属、柱杆状藻属、拟柱杆状藻属、美壁藻属、眉藻属、马鞍藻属、盒管藻属、四鞭藻属、链藻属、Cavinula、顶刺藻属、Centronella、角藻属、角毛藻属、Chaetochloris、硬毛藻属、Chaetonella、毛丝藻属、楣毛藻属、胶毛藻属、毛球藻属、管孢藻属、轮藻属、Characiochloris、拟小椿藻属、小椿藻属、轮藻目、缘胞藻、厚胞藻属、盖毛藻属、衣囊藻属、衣藻属、拟衣藻属、衣粘藻属、Chlamydonephris、绿囊藻属、拟绿囊藻属、小球藻属、绿囊藻属、绿辐藻属、绿壶藻属、绿球藻属、绿胶藻属、绿梭藻属、绿带藻属、拟衣藻属、Chlorophysema、绿藻门、绿胶囊藻属、背包藻属、绿囊藻属、色植藻属、单鞭金藻属、拟色球藻属、色球藻属、色指藻属、蓝隐藻属、色盒藻属、金变形藻属、金网藻属、金星藻属、金囊藻属、金囊藻、金毛藻属、金色藻属、金颗藻属、Chrysocrinus、Chrysolepidomonas、Chrysolykos、Chrysonebula、金藻门、金钟藻属、Chrysosaccus、金球藻、金环藻属、Clodophora、月形藻属、拟新月藻属、新月藻属、胶球藻属、卵形藻属、空星藻、空星藻属、腔球藻亚属、集绿藻属、集球藻属、集囊藻属、柄裸藻属、鞘毛藻属、四鞭藻、拟弯枝藻属、弯枝藻属、Conjugatophyta、Conochaete、Coronastrum、鼓藻属、Cosmioneis、胶球鼓藻属、Crateriportula、杯形藻属、发毛针藻属、十字藻属、十字藻、Cryptoaulax、隐藻属、隐藻门、栉水母门、蓝网藻属、Cyanonephron、蓝载藻属、蓝藻门、隐杆藻、Cyanothomonas、环胞藻属、环管藻属、小环藻属、筒球藻属、柱胞鼓藻属、筒孢藻属、筒柱藻属、波缘藻属、桥弯藻属、桥弯菱形藻属、胞甲藻属、蓝纤维藻属、单板藻属、细齿藻属、Dermatochrysis、皮果藻属、包皮藻属、缢带藻属、角丝鼓藻属、卵园鼓球藻属、带线藻属、Desmosiphon、长刺藻属、Diacronema、等半藻属、等片藻属、等隔藻属、双细胞藻属、双须藻属、叉球藻属、Dicranochaete、网绿藻属、球网藻属、胶网藻属、Didymocystis、Didymogenes、双楔藻属、Dilabifilum、双形藻属、钟罩藻属、球甲藻属、双绿藻属、双壁藻属、双十藻属、Distrionella、基纹鼓藻属、竹枝藻属、杜氏藻属、异形藻属、延胞藻属、纺锤藻属、Ellerbeckia、内丝藻属、浒苔属、内枝藻属、翼内茧藻、石囊藻属、附金藻属、附钟藻属、窝纹藻属、独球藻属、拟凹顶鼓藻属、凹顶鼓藻属、立方藻属、真卵形藻属、空球藻属、裸藻属、裸藻门、短缝藻属、真眼点藻纲、双鞭藻属、误解藻属、菲斯藻属、脆杆藻属、Fragilariforma、被刺藻属、肋缝藻属、Curcilla、双胞藻属、曲膝鼓藻属、灰色藻、灰色藻门、拟光甲藻属、光甲藻属、粘球藻属、Gloeochaete、Gloeochrysis、Gloeococcus、胶囊藻属、Gloeodendron、胶胞藻属、Gloeoplax、粘杆藻亚属、胶丝藻属、粘毛藻属、Gloiodictyon、多芒藻属、拟多芒藻属、孢根藻属、楔桥弯藻属、异极藻属、囊球藻属、棒形鼓藻属、Gongrosia、链瘤藻属、角绿藻属、盘藻属、膝口藻属、粒绿藻属、拟粒囊藻属、Groenbladia、裸甲藻属、缢丝鼓藻属、布纹藻属、红球藻属、哥胞藻属、Hallassia、双尖藻属、Hannaea、菱板藻属、软管藻属、Haplotaenium、定鞭藻属、斯藻属、混沟甲藻属、Hemitoma、茸壳藻属、异毛藻属、异丝藻属、Hibberdia、胭脂藻属、隐鞭藻属、浩罗藻、须藻属、管鞘藻属、皮襟藻属、Hyalobrachion、Hyalocardium、明盘藻属、透明梭藻属、园丝鼓藻属、Hydrianum、水胞藻属、水鞘藻属、水伞藻属、水网藻属、水生藻属、水树藻属、蓝枝藻属、膜胞藻属、细绿藻属、墫氏藻属、肾粒藻属、Karayevia、Kathablepharis、下甲藻属、金杯藻属、角球藻属、蹄形藻属、克里藻属、Kolbesia、Koliella、Komarekia、Korshikoviella、Kraskella、顶棘藻属、金瓶藻属、丽枝藻属、鱼子菜属、鳞孔藻属、钩端螺旋体属、Lobococcus、Lobocystis、叶衣藻属、泥生藻属、鞘丝藻属、Malleochloris、鱼鳞藻属、Mantoniella、射星藻属、Martyana、鞭鞘藻属、胸隔藻属、直链藻属、平裂藻属、Mesostigma、中带鼓藻属、微芒藻属、微星鼓藻属、微毛藻属、微鞘藻属、微囊藻属、Microglena、微单胞菌属、微孢子属、小丛藻属、柄球藻属、单鞭金藻属、蒜头藻属、Monomastix、单针藻属、礁膜属、转板藻属、拟转板藻属、喙绿藻属、Myromecia、叠粘藻属、瓶丝藻类、微绿球藻属、类球藻属、舟形藻属、Neglectella、长蓖藻属、Nephroclamys、肾形藻属、Nephrodiella、肾爿藻属、梭形鼓藻属、丽藻属、拟丽藻属、菱形藻属、节球藻属、念珠藻属、棕鞭藻属、鞘藻属、寡胶毛藻属、棘接鼓藻属、Oocardium、卵囊藻属、棒槌藻属、黄管藻属、Orthoseira、颤藻属、Oxyneis、厚枝藻属、四集藻属、Palmodictyon、空球藻属、革耳属、Paralia、巴喧氏藻属、Paulschulzia、盘星藻属、口沟藻、平藻属、指藻属、海网藻属、柱形鼓藻属、袋鞭藻属、多甲藻、多甲藻属、Peronia、石藻属、壳衣藻属、裸藻属、Phaeaster、褐皮藻属、褐藻门、褐球藻属、褐枝藻属、席藻属、叶楯藻属、Phyllariochloris、Phyllocardium、Phyllomitas、羽纹藻属、黑孢藻属、Placoneis、游丝藻属、浮球藻属、Planothidium、织线藻属、杂球藻属、Pleurastrum、宽球藻属、侧枝藻属、双盘藻属、斜纹藻属、侧链藻属、宽带鼓藻属、Pocillomonas、Podohedra、多毛藻目、多胶毛藻属、多角藻属、多突藻属、多角绿藻属、Polyepidomonas、Polytaenia、衣藻属、Polytomella、紫球藻属、Posteriochromonas、深绿枝藻、深绿枝藻属、绿枝藻门、溪菜属、原绿藻门、原绿丝藻属、原皮藻属、原管藻属、朴罗藻属、土栖藻属、Psammodictyon、Psammothidium、假鱼腥藻属、似内枝藻属、拟四鞭藻属、Pseudochate、伪小桩藻属、伪胶球藻属、溪流伪胶网藻、假金杯藻属、伪瘤皮藻属、假并联藻属、假球囊藻属、假角星鼓藻属、假十字脆杆藻亚属、假四星藻属、翼膜藻属、Punctastruata、塔衣藻属、塔胞藻属、甲藻门、四绿藻属、四球藻属、并联藻属、辐球藻属、辐丝藻属、尖头藻属、Raphidocelis、针丝藻属、针胞藻属、瑞氏藻属、杆皮藻亚属、杆胞藻属、根枝藻属、红胞藻属、红藻门、弯楔藻属、棒杆藻属、胶须藻属、浅罗氏藻属、Rossithidium、弯柱鼓藻属、栅藻属、Scherffelia、Schizochlamydella、裂壁藻属、裂线藻属、裂须藻属、弓形藻属、Scolioneis、螺翼藻属、Scotiellopsis、斯氏藻属、伪枝藻属、月牙藻属、月绿藻属、Sellaphora、Semiorbis、褐胞藻属、拟铁囊藻属、simonsenia、管线藻属、Sirocladium、链膝藻属、骨条藻属、群星藻属、拟配藻属、球囊藻属、拟球藻属、Sphaerodinium、环藻属、瘤接鼓藻属、刺胞藻属、水绵属、螺带鼓藻属、螺旋藻属、椎葚藻属、顶接鼓藻属、Sporotetras、泡沫藻属、角星鼓藻属、交叉鼓藻属、辐节藻属、十字脆杆藻亚属、十字脆杆藻、长羽藻属、Stephanocostis、冠盘藻属、冠孔藻属、冠球藻属、裂丝藻属、粘胶藻、毛枝藻属、真枝藻属、柄球藻属、斯特克藻属、陀螺藻属、Stylochrysalis、柄甲藻属、Styloyxis、绿柄球藻属、双菱藻属、Sykidion、束藻属、聚球藻属、聚胞藻属、针杆藻属、聚赭胞藻属、黄群藻属、平板藻属、Tabularia、泰林鼓藻、切孢藻属、裂顶鼓藻属、四球藻属、四环藻属、四链藻属、Tetraedriella、四角藻属、四爿藻属、四孢藻属、四星藻属、海链藻属、丛毛藻属、胸甲藻属、红索藻属、鸟巢藻属、小单歧藻、囊裸藻属、Trachydiscus、共球藻属、桔色藻属、四棘藻属、黄丝藻属、束毛藻属、胶毛藻属、小箍藻属、盘杆藻属、丝藻属、辐球藻属、尾丝藻属、尾管藻属、尾孢藻、Uva、周泡藻属、无隔藻属、团藻属、Volvulina、韦斯藻属、网甲藻属、多棘鼓藻属、黄藻门、异球藻属、双星藻属、拟双星藻属、以及膝接藻属。
绿色非硫细菌包括但不限于以下的属：
绿屈挠菌属、绿丝菌属、绿颤细菌属、螺丝菌属、爬管菌属、玫瑰弯菌属、以及热微菌属。
绿硫细菌包括但不限于以下的属：绿菌属、绿硫菌属、以及突柄绿菌属。
紫硫细菌包括但不限于以下的属：异着色菌属、着色菌属、盐着色菌属、等着色菌属、海洋着色菌属、小红卵菌属、热着色菌属、荚硫菌属、硫红球菌属、以及囊硫菌属。
紫色非硫细菌包括但不限于以下的属：褐螺菌属、Rhodobaca、红杆菌属、红微菌属、红球形菌属、红假单胞菌属、红海菌属、红螺菌属、Rodovibrio、以及玫瑰螺菌属。
在不同的实施方案中，工程化的生物被修饰以包括一种工程化的核酸，该核酸编码一种由该工程化的细胞所表达的异源蛋白，引起在该工程化的细胞内过量表达一种内源性的蛋白，引起在该工程化的细胞中下调内源性的蛋白，或引起在该工程化的细胞中基因敲除。在光生物反应器装置和系统(该系统可以被优化以在该光生物反应器装置内在所希望的特定的操作条件下进行生长)中选择、修饰以及使用这类生物体被更具体地描述于可以通常拥有的美国临时专利申请系列号60/971,224、60/987,046、60/987,058、60/987,056、60/987,055、60/987,054、60/987,053、60/987,052、60/987,051、60/987,050、60/987,049中，这些申请通过引用结合在此。
在某些实施方案中，可以用外源的DNA、工程化的核酸、被工程化以下调或敲除外源基因的表达、表达异源基因、过量表达与光合作用相关的内源基因的生物体来转化光自养型生物体。在不同的实施方案中，工程化的捕获光的生物包括：拟南芥、柳枝稷、巨芒、以及玉蜀黍(植物类)、布朗葡萄藻、莱茵衣藻以及杜氏盐藻(藻类)、蓝藻属PCC 7002、蓝藻属PCC 7942、集胞藻PCC 6803、以及嗜热蓝细菌聚球藻(Thermosynechococcus elongatus)BP-1(蓝细菌)、绿硫细菌(绿硫细菌)、橙色绿屈挠菌(绿色无硫细菌)、微温着色菌以及酒色着色菌(紫色硫细菌)、深红红螺菌、荚膜红细菌、以及沼泽红假单胞菌(紫色无硫细菌)。
还可以将其他生物体(例如异养生物体)工程化以提供光自养的特性。得到的工程化的生物体可以将光、水以及二氧化碳转化成生物质以及感兴趣的基于碳的产物。这类生物体包括但不限于：醋化醋杆菌、醋杆菌、枯草芽孢杆菌、芽胞杆菌、纺锤状梭菌、热纤维梭菌、梭菌、大肠杆菌、埃希氏菌、产黄青霉菌、青霉菌、巴斯得毕赤酵母、毕赤酵母、酿酒酵母、酵母菌、粟酒裂殖酵母、裂殖酵母、荧光假单胞菌、假单胞菌、鼠伤寒沙门菌、沙门氏菌、嗜热栖热菌、栖热菌、运动发酵单胞菌以及发酵单胞菌。
分离产物并且从气相中移去产物
这个太阳能生物工厂是针对能够最大程度地生产高产的生物体。这个目的的关键要素是能够捕获所制造的东西。除了生物质之外，可以生产多种生物燃料、生物化学品、药物、以及其他产物。这些产物中的一些(包括但不限于乙醇、丁醇、丁酸、丙烷、丙醇、以及甲醇)具有足够低的沸点从而它们将有可能存在于在约50℃下给定操作的气流中。这样，该气流表示用于收集这些产物的一种简化的方法。独立于再循环的存在或缺失，该气流将包含处理来自它的来源的流出气体，来自这些生物体的废气(例如，氧气)以及潜在的气态产物。可以通过本领域熟知的多种方法将这些组分分离出来。
与分馏中的情况类似，可以通过将气体冷却并且在对于乙醇适当的点进行收集从而捕获化合物(例如乙醇)。可以用金属并且通过变压吸附操作来捕获气体(例如氧气)。
移去这类化合物可以独立于所使用的装置而发生。可能发生的任何再循环应当是在移去所希望的化合物之后。被移去的化合物可以是足够纯的亦或在商业使用之前经受另外的纯化。
太阳能热量导致EtOH富集到吹扫空气中，这适合用于在光生物反应器中进行捕获(例如，在液体返回歧管140中)。在ASPEN以及实验室尺寸下开发了基于蒸馏和/或冷凝方案的乙醇纯化作用。回收能量的消耗被认为是比得上常规EtOH回收最好的情况。
特别应当注意的是如在传统的工厂中一样从它们的生产载体中分离生物燃料代表了一种非常显著的资本支出的来源。通过将它基本上结合到该过程中，太阳能生物工厂可以显著地降低操作费用。
从液相中移去产物
在气相中未发现的产物将在液相中以混合的形式被发现。产物本身可以是固体(例如，重烃类)或液相(例如，中范围的烃类)，但可以从液体培养基中被分离出来。因为菌株发育将导致分泌的产物，可以考虑在光生物反应器中进行简单的重力倾析。将粗倾析流泵入中心工厂以将固体抛光和脱水成最终产品的规格。
在从液相中移去感兴趣的产物时，将一定量的细胞核培养基混合物移去，然后使该混合物通过分离过程来分离所希望的产物。这将独立于产物来完成。然后通过本领域熟知的方法来分离具有不同特性的不同产物。可以通过沉降、离心以及过滤来分离固体。通过多种技术来收集亲水性或其他水溶性物质，包括但不限于蒸馏。可以通过两相系统来分离疏水性物质(包括但不限于烷类、烯类、炔类、脂肪族醇类、脂肪醛类、脂肪酸类、脂肪酸酯类、乙酯类以及其他疏水性或有机物质)。还考虑气相提取水溶性物质以从水性培养基中回收有机物质。
在某些实施方案中，捕获光的生物体生长在光生物反应器装置中，该装置具有通过进口装置连续供应的输入以及通过出口装置连续移去产物。批量、分批补料、以及连续发酵是本领域中常见的并且熟知的，并且可以在Thomas D.Brock中在Biotechnology：ATextbook of Industrial Microbiology，Second Edition(1989)SinauerAssociates，Inc.，Sunderland，Mass.，or Deshpande，Mukund V.，Appl.Biochem.Biotechnol(1992)，36：227中找到多个实例。
使用太阳能生物工厂、系统以及方法的实施方案，可以在太阳能生物工厂中从细胞中分泌、释放、移去或提取感兴趣的产物。在一个实施方案中，将产物从生物体排泄、分泌或释放到培养基中用于如上所述的提取。在其中最终产物是从生物体释放的实施方案中，可以使用连续的过程，例如分批进料，以及连续发酵。在这种方法中，能够以多种方式来组装光生物反应器装置，该装置具有生产希望的产物的生物体。
在一个实施方案中，该反应器是大批量地连续地操作的，其中一部分培养基被移去并且保持在较少搅拌的环境中这样使得水性产物将自己分离出来，将产物移去并且将剩余物返回到发酵室中。在另一个实施方案中，该反应器以批量进料的方式进行操作。
在其中产物没有分离进入水相的实施方案中，将培养基移去并且使用适当的分离技术(例如，层析、蒸馏、等)。在低环境温度下通过蒸馏进行分离是有利的。
为了处理生物质，最佳生物质密度是在光密度(OD730)下测量的并且经受从例如对木质纤维素生物质进行初级分级分离或糖化作用得到的处理流，典型地该生物质可能是高度复杂的浆料，这些浆料是难以处理和分离的。这类浆料通常包含实质水平(10％w/w-20％w/w)的不可溶的木质纤维素固体以及连同典型地以较低水平存在的多种其他可溶的组分(有机酸以及无机酸类、醛类、酚醛树脂、等)一起的高浓度的可溶的生物质糖类(＞10％-20％)。使用已知的分离过程技术(例如这类浆料的固/液(S/L)分离)用来大批地或初步S/L分离，以及用于次级的/精制的S/L分离。使用其他分离技术来回收产物并且促进生物/催化，例如将能够与生物/催化步骤原位结合的反应性的分离方案、用来从部分净化的液体中移去较小的悬浮颗粒或高分子量化合物的技术、以及使用膜分离系统来从净化的生物质水解产物液体中分离和回收特定的组分(例如，特定的糖类或有机酸类)或多类的组分(例如，混合的糖类或混合的酚醛树脂)。
作为替代方案，产物没有被生物体分泌。在这个实施方案中，使用分批进料或批量发酵方法。在这类情况下，如上指明的在连续地暴露于输入项(光、水、以及二氧化碳)下来培养细胞直至反应室被细胞和产物饱和。将培养物的全体的一个显著的部分移去，将这些细胞溶解，并且通过适当的分离技术来分离产物(例如，层析法、蒸馏、过滤、离心、超滤、微滤、等、或它们的组合)。可以使得到的生物质经历清洗步骤，将液体加入到分离的发酵上清液中。
可以使用已知的分离技术来分离所希望的产物(例如小分子药物以及生物制品)。示例性的分离技术包括凝胶电泳，包括但不限于等电聚焦以及毛细管电泳法、双向电泳、分选，包括但不限于荧光激活分选技术；层析法，包括但不限于HPLC、FPLC、尺寸排阻(凝胶过滤)层析、亲和层析、离子交换层析法、疏水作用层析、免疫亲和层析法、以及反相层析法、配体-受体结合，例如生物素-亲和素、生物素-链霉抗生物素蛋白、麦芽糖-麦芽糖结合蛋白(MBP)、钙-钙结合肽、适体-目标结合、拉链密码(zip code)杂交、等。分离技术的详细讨论可以在除了其他地方之外在Rapley；Sambrook etal.；Sambrook and Russell；Ausbel et al.；Molecular Probes Handbook；Pierce Applications Handbook；Capillary Electrophoresis：Theory andPractice，P.Grossman and J.Colburn，eds.，Academic Press(1992)；Wenz and Schroth，PCT International Publication No.WO 01/92579；M.Ladisch，Bioseparations Engineering：Principles，Practice，andEconomics，John Wiley & Sons(2001)；以及Liebler，Introduction toProteomics，Humana Press(2002)中找到。
在此被提供用于不溶于水的产物的一个示例性分离过程是一个两相(双相)分离过程。这个过程包括在足以生产脂肪酸衍生物以及其他疏水性化合物的条件下使这些基因工程化的生产宿主发酵，这允许将衍生物收集到有机相中并且从水性的发酵液中分离该有机相。这种方法可以以批量和连续发酵设置的方式来实践。
两相分离使用相对不混溶的脂肪酸衍生物以有助于分离。不混溶是指化合物相对地不能溶于水中并且通过化合物分配系数来进行定义。分配系数(P)被定义为有机相中化合物的平衡浓度(在两相系统中有机相通常是在生产过程期间由脂肪酸衍生物形成的相，然而，在一些实例中，可以提供有机相(例如用于促进产物分离的一层辛烷))除以水相(即，发酵液)中处于平衡状态下的浓度。当描述一个两相系统时，通常以logP方式来讨论P。具有logP为10的化合物将分配10∶1到有机相中，而logP为0.1的化合物将分配10∶1到水相中。本领域普通技术人员应当理解是是通过选择发酵液以及有机相(这样使得被生产的脂肪酸衍生物具有高logP值)，该脂肪酸衍生物将分开进入有机相(甚至在发酵容器中在非常低浓度下)。
基本上存在3种类型的烃化合物：(1)芳香族烃产物，它具有至少一个芳环；(2)饱和的烃产物，它缺少双键、三键或芳键；以及(3)不饱和的烃产物，在碳原子之间它具有一个或多个双键或三键。可以进一步将“烃产物”定义为由C、H、以及任选地O构成的化学品化合物(具有碳主链和附连到其上的氢和氧的原子)。氧可以被单键地或双键地连接到主链上并且可以连接氢。在醚和酯的情况下，可以将氧结合到主链中，并且通过两个单键连接到碳链上。可以将一个单一的碳原子附连到一个或多个氧原子上。烃产物还可以包括附连到生物试剂(包括蛋白、辅酶A以及乙酰辅酶A)上的上述化合物。烃产物包括但不限于烃类、醇类、醛类、羧酸类、醚类、酯类、类胡萝卜素类、以及酮类。
烃产物还包括烷类、烯类、炔类、二烯类、异戊二烯类、醇类、醛类、羧酸类、表面活性剂类、蜡酯类、聚合物的化学品[聚邻苯二甲酸碳酸酯(PPC)、聚酯碳酸酯(PEC)、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚羟基烷酸酯(PHA)、聚-β-羟基丁酸酯(PHB)、聚丙交酯(PLA)、以及聚己酸内酯(PCL)]、单体的化学品[丙二醇、乙二醇、以及1，3-丙二醇、乙烯、乙酸、丁酸、3-羟基丙酸(3-HPA)、丙烯酸、以及丙二酸]、以及它们的组合。在一些实施方案中，这些烃产物是烷类、醇类、表面活性剂类、蜡酯类以及它们的组合。其他的烃产物包括脂肪酸类、乙酰辅酶A结合的烃类、乙酰辅酶A结合的碳水化合物类以及聚酮化合物中间体。
使用太阳能生物工厂系统以及方法，可以使捕获光的生物体生长从而在大范围的尺寸下生产烃产物以及中间体。可以被生产的具体的烷类包括例如乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷、庚烷、辛烷、壬烷、癸烷、十一烷、十二烷、十三烷、十四烷、十五烷、十六烷、十七烷、以及十八烷。在不同实施方案中，这些烃产物是辛烷、癸烷、十二烷、十四烷、以及十六烷。烃前体(例如可以被生产的醇类)包括例如乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、己醇、庚醇、辛醇、壬醇、癸醇、十一醇、十二烷醇、十三烷醇、十四烷醇、十五烷醇、十六烷醇、十七醇、以及十八烷醇。在其他实施方案中，醇是从以下各项中选择的：乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、己醇、庚醇、辛醇、壬醇、以及癸醇。
另外地可以将烃类生产为生物燃料。生物燃料是从生物来源得到任何燃料(最近地活生物体或它们的代谢副产物)。生物燃料可以被进一步定义为从活的生物体的代谢产物中得到的燃料。在不同的实施方案中，所生产的生物燃料包括但不限于生物柴油、生物原油、乙醇、石油、丁醇、以及丙烷。
在化学过程中、在化妆品以及药物中、在食品工业中以及在农业中，表面活性剂被用于多种产物，包括洗涤剂和清洁剂，并且还被用作用于纺织品、皮革和纸张的助剂。此外，可以使用它们来帮助提取和分离原油，这些原油被发现难以进入环境或作为水乳液。存在4种类型的表面活性剂，它们的特征是不同的用途。阴离子型表面活性剂具有洗涤剂样的活性并且总体上用于清洁的应用。阳离子型表面活性剂包含长链烃类并且通常用于处理蛋白以及合成的聚合物或是织物软化剂以及护发剂的组分。两性的表面活性剂还包括长链的烃类并且典型地被用于洗发剂中。非离子型表面活性剂总体上被用于清洗产品中。
碳的固体形式包括例如煤、石墨、单层石墨、水泥、纳米碳管、碳黑、金刚石、以及珍珠。纯碳固体可以包括例如煤和金刚石这样的物质。
可以被生产的药物包括例如基于类异戊二烯的紫杉酚以及青蒿素、或奥塞米韦。
检测以及分析
总体上，可以通过任何标准的分析方法来分析从太阳能生物工厂生产的感兴趣的产物，例如气相层析法(GC)、质谱法(MS)、气相层析-质谱法(GCMS)、以及液相层析-质谱法(LCMS)、高效液相色谱法(HPLC)、毛细管电泳法、基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱法(MALDI-TOF MS)、核磁共振法(NMR)、近红外(NIR)光谱法、黏度测量法(Knothe，G.，R.O.Dunn，and M.O.Bagby.1997.Biodiesel：The use of vegetable oils and their derivatives asalternative diesel fuels.Am.Chem.Soc.Symp.Series 666：172-208)、用于确定自由脂肪酸的滴定法(Komers，K.，F.Skopal，and R.Stloukal.1997.Determination of the neutralization number for biodiesel fuelproduction.Fett/Lipid 99(2)：52-54)、酶的方法(Bailer，J.，and K.deHueber.1991.Determination of saponifiable glycerol in“bio-diesel.”Fresenius J.Anal.Chem.340(3)：186)、基于物理特性的方法、湿化学法等可以被用来分析由太阳能生物工厂所使用的生物体所生产的产物的水平以及身份。
燃料&化学品的生产
本发明或随后的相关版本将被用于从不同的微生物生产株来生产商业产品(例如，乙醇、烷类、葡萄糖、等)。本发明还将产生可以被更广泛地用于其他光养生产系统(该系统目标是多种高附加值的产品，这些产品可以由藻类、微藻、以及蓝细菌来生产)的有价值的控制密码以及软件。因此本发明对于任何生产系统具有广泛的价值，这些系统具有在阳光过程中使用阳光的目的，该过程需要管理热负荷同时限制对外部加热和冷却装置的需要以维持温度控制用于生存以及最佳性能。
在不同方面，本发明提出了一种光生物反应器，该光生物反应器能够将捕获光的生物培养至OD730为约14g/L DCW。优选地，该PBR能够将捕获光的生物体培养至OD730为大约至少2-5g/L、5-10g/L或10-20g/L DCW。
在其他方面，本发明提出了一种光生物反应器，该光生物反应器能够将捕获光的生物培养至DCW产率为3.5g/m2/hr。
优选的实施方案包括一种光生物反应器，该光生物反应器包括一种被动热调节系统。
在此所引用的参考文献讨论了光生物反应器以及相关温度控制(使用水浴、池塘、水喷雾、基于烟气的温度控制或内部的和外部的热交换器)的一般性概念。没有事物建议被动温度控制作为一个策略来调节光养生物体的生长条件从而将日间和夜间两者的条件优化。被动加热和冷却被用于大量的静态情况下(例如，使用多种适应性特征的建筑物)(参见例如“Passive Solar Heating and Cooling”，网站为亚利桑那州太阳中心http://www.azsolarcenter.com/technology/pas-3.html)。可调节的光跟踪还被用于集中太阳能热工厂以将阳光跟踪和聚焦到一个中心点上从而在适合的高温下捕获热量以产生电力或将水热裂解以用于产生氢气(参见例如eSolar的网站http://www.esolar.com)。本领域中所使用的系统中没有任何一个表明通过在实时基础上调节取向来使用微生物将有可能调节反应器内的培养条件。一个参考文献表明当与使用固定倾斜角度相比较时，一年调节平板反应器的倾斜角度两次或四次可以通过优化反应器中的光照方案来提高产率。在全年中与固定倾斜角度相比较调节倾斜角度两次时产率提高了大致7％并且当调节倾斜角度四次时产率提高了几乎15％(Hu，Q.，Faiman，D.andRichmond，A.“Optimal tilt angles of enclosed reactors for growingphotoautotrophic microorganisms outdoors”Journal of Fermentationand Bioengineering(1997)85：230-236)。同一个参考文献提供了使用恒温器以及冷却水供应管以及喷洒器来控制温度的设计图。该参考文献实际上传授了被动控制的用途。一个新特征是整合被动热控制系统来控制生长条件从而至少降低但更优选地消除基本上所有外部的冷却和加热装置因此克服对于在封闭的反应器中高效地培养光自养生物体的一个最大的障碍。
以下实例是说明性的并且对于该传授的内容是非限制性的。
实例1
以下展示了一种示例性的光生物反应器、一种被开发用来研究流体和气体力学、传质特性以及细胞生长特性的原型。将一个Sunlite
Figure BPA00001387884500641
SLT多壁聚碳酸酯薄片(FarmTek)切割成特定的尺寸。每个分区尺寸为约10mm x 10mm。使用丙烯酸树脂管(McMaster)在顶部和底部水平地将该薄片加帽。在底部帽附近组装分离的鼓泡管。在每个垂直的分区的中心，打一个孔。然后在该管与光生物反应器室之间的界面处将同样打孔的鼓泡管粘合在一起直至它被密封。
将一个热交换器连接到该光生物反应器组件上并且使用1/10hp离心泵以在光生物反应器内循环流体。通过一个半英寸球阀来控制流速。将热交换器连接到一个循环的加热器/冷却器单位上以将温度保持恒定在37℃。使用具有0.2μ过滤器的蠕动泵(Cole Palmer)来将培养基泵送入该光生物反应器中。将pH和D.O.探头(NeponsetControls)安装到该反应器组件上以监控OD、pH以及温度。用CO2来控制pH并且通过使用电磁阀和LabVIEW软件来控制CO2进入光生物反应器。由空气压缩机来供应空气。还将冷凝器安装在气体出口上以控制来自该生物反应器的蒸发损失。
该生物反应器配置还包括被安装在该生物反应器组件之上的2-8英寸任何地方的超高输入的荧光照明。该灯组合具有8个T-5 54瓦的灯泡，长度48”。被安装的这些灯泡中6个是6500k冷白色并且另外两个灯泡是300k暖白色；每个具有流明输出为5,000/灯泡。将Mylar
Figure BPA00001387884500651
薄片放置在该组件下面。该生物反应器组件被倾斜30度角度。
在实际现场条件下对上述的光生物反应器组件进行构建和测试。所推荐的是构建一种“沙箱”，该沙箱使用不同的地面覆盖物(针对夜间或寒冷的时间期间的被动加热优化了热吸收、散射反射以及热储存)；并且在该空间内安装足够的光生物反应器这样使得边缘效应将被消除。然后这些光生物反应器可以装备有简单的手动可调节的斜度以证实预期的表面涂层以及处理与倾斜控制相结合确实可以被用于在最少的外部加热和冷却下有效地控制温度。
4’x 8’多壁PALRAM聚碳酸酯薄片是从FarmTek(www.farmtek.com；1440 Field of Dreams Way，Dyersville，IA52040)在线购买的。
DEGLAS IMPACT 8mm双层薄片(颜色透明0119：47.25”宽 x 8′长)以及DEGLAS IMPACT 16mm双层薄片(颜色透明0119：47.25”宽 x 8′长丙烯酸树脂薄片)是从Evonik Cyro Canada，Inc(www.evonik.com；180 Attwell Drive，Suite 101，Toronto，ON，M9W6A9)购买的。
从Sheffield Plastics公司(一家Bayer MaterialScience公司(www.sheffieldplastics.com；www.bayerimsa.com；www.bayersheeteurope.com；119 Salisbury Road，Sheffield，MA01257))收到Makrolon multi UV 2/10-10.5、Makrolon multi UV3/16-16、Makrolon multi UV 3X/16-25薄片样品。
各自尺寸的丙烯酸树脂管材是从McMaster-Carr(www.mcmaster.com；200 New Canton Way Robbinsville，NJ08691-2343)在线购买的。
泵、热交换器以及探头是从标准设备供应商(例如，VWR，ColeParmer，Fisher)处购买的。
Mylar反射薄片来自International Plastics公司(3052 NE HarrisonSt.，Issaquah，WA 98029)。
实例2
混合的影响：空气泡对比液体泵
将光生物反应器保持在37℃的恒定温度下。
Figure BPA00001387884500671
实例3
培养基的研究&优化
进行了一系列的研究以确定允许蓝藻PCC 7002达到浓度为至少10g/L细胞干重(DCW)的培养基中所需要的营养物的类型以及数量。以前公开的A+培养基没有被广泛地研究并且可以支持的细胞生长的量还不知道。A+培养基成分被提供于下表中：
Figure BPA00001387884500681
通过对A+培养基进行改进，用蓝藻PCC 7002接种该培养基并且然后相对于烧瓶中的培养期来跟踪光密度从而进行研究。然后以任何变量的形式对由这些改变所引起的生长进行比较。在一些情况下还测定DCW。然后使用这个数据来制造一个优化的培养基，该培养基可以支持生长达到至少15g/L DCW。
A+被用作培养基研究的初始的起点。在发现了改进方案之后，可以在该改进的培养基上进行研究。通过所支持的生长来测量培养基中的改进。每项研究中使用新鲜制备的培养基。这有助于避免在存储期间经常在培养基中看到的沉淀。用于每个实验的接种物是通过将一个单一的蓝藻PCC 7002克隆接种到气泡管并且生长数天来制造的。然后将来自该气泡管的样品接种到具有10mL每种类型的培养基的125mL烧瓶中。然后测量每个烧瓶的起始光密度以及其中装有培养物的烧瓶的重量。将所有的烧瓶放置在Infors摇床中(150RPM、37℃以及2.0％CO2)。
通过加入过滤器灭菌的MilliQ水每天对蒸发损失进行校正。所加入的水的量通过每天发生的重量改变来确定。在校正蒸发并且通过摇动每个烧瓶进行充分混合之后，取出100μl的培养物。然后将样品稀释并且在SpectraMax上(在730nm波长下)进行光密度(OD)测量。进行稀释以实现OD在0.04-0.40的范围之间，因为这是被认为在测量中具有最佳精确度的范围。其前提条件是这些稀释被完成达到所希望的范围并且通过用OD除以3.0可以获得相对于细胞干重(DCW以g/L)的大致的转化率。然后将以OD的形式的生长对时间作图并且进行比较来看看变量中每个改变是如何影响生长的。
消泡剂选择研究
在200μl/L的浓度下将4种类型的消泡剂加入烧瓶中。然后将这些样品生长过夜并且比较生长速率。然后拍摄显微镜图片以确定不同的消泡剂对蓝细菌有什么影响(如果有的话)。消泡剂选择研究的结果可以见于表1中。
表1：不同消泡剂的影响：光密度对于时间
Figure BPA00001387884500691
选择抑制剂3965作为最佳消泡剂。这是由于它的减少的倍增时间，以及当与A+和抑制剂3965进行比较时在显微镜下已经看到MCA 222稍微地不益于健康。
表2显示了PO4/EDTA检验的结果。这项研究改变了培养基中KH2PO4的浓度并且它还研究了移去EDTA的影响。对光密度相对于培养时间进行记录和比较。
表2：改变的KH2PO4和EDTA的浓度的影响：光密度相对于时间
Figure BPA00001387884500701
表中所显示的数据以及表2表明EDTA可以是培养基的一种必要组分并且它不可以被移去。逐步增加的磷酸盐的水平对细胞生长没有显著的影响。生长曲线显示在培养时间为100小时处的营养物限制。这意味着在这项细胞耗尽磷酸盐之前它们正在耗尽另一种必要营养物。参见图18。
铁来源检验
用不同来源的铁来生长培养物。所使用的来源是：三氯化铁(A+铁来源)、柠檬酸铁以及硫酸亚铁。表3显示不同铁来源的数据。
表3：不同的铁来源对细胞生长的影响：光密度相对于时间
  时间(hr)：   FeCl3   FeCl3   柠檬酸铁   柠檬酸铁   FeSO4   FeSO4
  0   0.127   0.124   0.114   0.12   0.128   0.121
  21.3   2   1.83   2.08   2.39   2.36   2.32
  73.3   7.12   7.08   12.56   12.64   12.8   12.2
  94.05   7.92   7.8   13.28   13.68   13.88   13.8
  115.55   9.08   9.04   15.56   15.24   15.68   14.96
  135.8   8.84   9.96   14.88   14.84   14.88   15.88
这个数据的图可以见于图19中。
当与FeCl3相比较时，铁来源柠檬酸铁和硫酸铁两者显示类似的对生长的正作用。作出决定以转换到柠檬酸铁作为铁来源，因为它性能超过FeCl3，并且与FeSO4不同，它包含螯合剂。该研究和EDTA研究清楚地显示出培养基中螯合剂的益处。
当与A+相比较时，具有2X氮、铁以及磷酸盐的培养基(JB 2.0)显示在生长方面显著的改善。仅将JB 2.0的平均值与A+平均值进行比较导致了示于表4中的数据。(用于JB 2.0的培养基方案示于实例4中)。
表4：JB 2.0与A+相比较：光密度相对于时间
Figure BPA00001387884500711
在100小时左右在生长速率方面，A+具有显著的下降，而JB 2.0不受干扰地连续生长直至139小时。这可能归因于营养物限制，该营养物限制最终形成于A+培养基中，在2X氮、磷酸盐以及铁JB 2.0培养基中并不出现(图20)。
氮、磷酸盐以及铁这三个变量被鉴定为在培养基中被首先耗尽的主要营养源。
NPFe细胞干重
  测试   细胞干重(g/L)
  1A 2X NPFe   7.83
  1B 2X NPFe   7.61
  2A 4X NPFe   11.83
  2B 4X NPFe   12
  3A 6X NPFe   11.39
  3B 6X NPFe   12.39
在具有2X氮、磷酸盐、以及铁的培养基达到营养物限制之前，它生长到OD约为25。在该点处它变成萎黄病并且停止生长。4X和6X的量继续生长至OD为40。这是培养基方案JB 2.1(它具有4X的氮、磷酸盐以及铁的浓度(图21))的基础。
实例4
增强的培养基构成
下表列出了用于产生1升培养基的步骤。
维生素B12应当在4℃下被保存在暗处。所有其他液体母液可以在室温下被非无菌保存。在塑料称量船中称出18.0克的NaCl并且将它倒入一个2升刻度量筒中。使用另一个塑料称量船，称出600mgKCl并且将它加入该2L量筒中。将4克NaNO3加入该量筒中。加入MilliQ H2O的所希望的最终体积的一半(对于1L批次为500mL)。将该量筒置于搅拌板上，加入磁力搅拌器并且充分混合。在加入以下组分期间使培养基保持混合状态。从以前制备的500g/L MgSO47H2O的母液中取10mL加到该培养基中。从以前制备的50g/LKH2PO4的母液中，加4mL到该培养基中。从过滤的17.76g/L CaCl2的母液中，加15mL到该培养基中。对于过滤的CaCl2的需要是为了帮助在存储期间防止沉淀。从3g/l NaEDTAtetra的母液中取10mL加入到该培养基中。从3.52g/l柠檬酸铁(0.1N HCl中)的母液中，加入4mL到该培养基中。从1M Tris(pH 8.2)的母液中，加入8.25mL。将1mL P1金属加入到该培养基中。P1金属溶液的组分可以在下面见到。将1mL 4mg/L维生素B12加入到该培养基中。在已经将所有上述组分加入并且混合之后，用MilliQ H2O将量筒中的体积升高到1升刻度处。在这个加入之后，使该培养基混合1分钟。使用0.22μM孔径滤器来将培养基过滤杀菌进入高压釜的1升瓶中。可以使用灭菌技术。将培养基的pH保持在7.9-8.0之内。高于8.0可能引起沉淀。
实例5
在增强的培养基组合物中培养蓝藻PCC 7002
在连续照明下将蓝藻PCC 7002(ATCC)接种在光生物反应器装置中的JB 2.1加上1g/L柠檬酸的培养基中并且在该光生物反应器装置中用包含1％CO2的空气进行鼓泡并且对生长情况进行监测。
反应器详细情况：空气流速约1VVM(“40”在转子流量计上)，空气25psig，CO230psig。
CFP#3
Figure BPA00001387884500741
CFP#2
Figure BPA00001387884500742
这个实验的结果生产了约10g/L(DCW)的蓝藻。
实例6
培养基因修饰的蓝藻PCC 7002
pJB5的构建
pJB5基础质粒被设计为一个用于重组在蓝藻PCC 7002中的空的表达载体。两个同源性区域，上游同源性区域(UHR)以及下游同源性区域(DHR)被设计为位于该构建体的侧翼。对于UHR和DHR，这些500bp区域的同源性对应地相应于位置3301-3800和3801-4300(Genbank登陆号NC_005025)。该aadA启动子、基因序列、以及终止子被设计出来从而为整合的构建体提供大观霉素和链霉素耐受性。例如，pJB5被设计具有aph2卡那霉素耐受性盒启动子以及核糖体结合位点(RBS)。这个启动子以及RBS的下游、限制性内切核酸酶识别位点被设计出来并且用来插入NdeI以及EcoRI，连同XhoI、BamH、SpeI以及PacI的位点。紧跟着EcoRI位点，包括了来自运动发酵单胞菌丙酮酸脱羧酶基因(pdc)的终止子。方便的XbaI限制性酶切位点位于UHR和DHR的侧翼，允许切割旨在用于与该载体的其余部分重组的DNA。通过DNA2.0(Menlo Park，CA)来构建pJB5。
使用以下实验方案将感兴趣的pJB5-基因构建体克隆到蓝藻PCC 7002中。在30℃下在1％CO2下在孵育的摇床烧瓶中将蓝细菌7002从克隆生长48小时至如Frigaard NU等人(2004)“Geneinactivation in the cyanobacterium Synechococcus sp.PCC 7002 and thegreen sulfur bacterium Chlorobium tepidum using in vitro-made DNAconstructs and natural transformation”Methods Mol Biol 274：325-340中所述的优化的培养基中OD730为1。将500μL培养物加入试管中，该试管具有对于每个构建体30μL的1-5μg从Qiagen Qiaprep SpinMiniprep试剂盒(Valencia，CA)预制备的DNA。在1％CO2的鼓泡(以大致1vvm(体积气体/体积液体/分钟))4小时下孵育细胞。将200μL细胞铺于优化的1.5％琼脂的培养基平板上并且在30℃下在低光照下生长两天。基于平板琼脂的总体积加入10μg/mL大观霉素(为在每个平板上琼脂下面的浓溶液)。在7至10天可以看到具有抗性的克隆。关于微生物工程化以及培养的进一步的细节参见WO2009/111513。
在连续照明下将基因修饰的蓝藻PCC 7002接种于增强的培养基中并且在本发明的光生物反应器中用含有1％CO2的空气鼓泡并且对生长情况进行监测。
下面是培养在本发明的光生物反应器中的蓝藻PCC 7002的一个表。
  时间   OD   DCW   日产率
  0   0.199   0.333689   g/m2/hr
  19.75   3.58   6.0030488   0.57
  25   5.86   9.8262195   1.46
  42.5   13.7   22.972561   1.50
  66.6   22.4   37.560976   1.21
  91   30   50.304878   1.04
  115   34.2   57.347561   0.59
实例7
乙醇生产模型
为了计算产率，作出以下假设：
辐射：总太阳辐射的光合有效辐射(PAR)分数是基于NREL1991-2005数据集在地面上历史平均PAR的约47％，假设未来的辐射特征将与历史值相一致；
生产：产率与辐射强度呈线性，文献记载的光子利用率是8光子/固定到生物质中的CO2(Pirt，SJ 1983，Biotechnol Bioeng，25：1915-1922)，攻击光生物反应器系统的85％的PAR进入培养物中，进入光生物反应器的85％的PAR光子是可以用于转化的，当培养物未处于操作温度下15％散失到光抑制&辐射中，估计3天的培养物生长接着8周的生产；在线生产95％，估计5％的光合能量专门用于细胞维护(Pirt SJ 1965 Proc Roy Soc 163：224-231)。
在该培养以及气提速率下基于乙醇浓度的计算乙醇产率的方法：
该生物反应器培养物中乙醇浓度是两个量的函数：
(a)生产率(kp)：生产率是液体中乙醇浓度的增加与时间的比率，即：
Figure BPA00001387884500761
(b)气提速率(s)：由于乙醇的挥发，它应当是以蒸汽的形式连续地离开液体。该比率(在该比率下它离开反应器)是液体中乙醇浓度以及多种其他因素(例如温度、气流、等)的函数。为了我们的目的，将所有其他因素保持固定因此我们可以认为乙醇散失的速率仅取决于液体浓度，即：
Figure BPA00001387884500771
结合这两个方程，我们可以写出：
Figure BPA00001387884500772
注意在以上方程中，生产率kp是时间独立的，这明显是错误的。实际上，它应当通过培养物的密度以及照明方案而依赖于时间。然而，只要我们将生产率kp处理成测量之间的平均生产率就可以使该关系生效。
该方程式是一个基本的一阶方程式，并且可以被容易地解出从而得到：
Figure BPA00001387884500773
注意这给出一个生产率，该生产率是对于进行实验的入射光强度以每单位时间乙醇浓度的方式给出的。必须将这个值乘以反应器体积以获得以每单位时间乙醇的克数计的生产率。然后可以将单位转换成适合的时间单位，例如天而不是小时。例如，在我们的实例中，我们以h^(-1)的单位来定义气提速率以及体积V包括的我们的反应器以及0.5m^2的面积。因此我们的生产率(以克/平方米/天计)是在进行实验的入射光强度下通过2kp V*24给出的。
虽然参考其举例的实施方案已经具体地显示并且描述了本发明，本领域的普通技术人员应当理解的是可以在其中进行形式以及细节方面的多种改变而不偏离由随附的权利要求所包括的本发明的范围。

Claims (46)

1.一种光生物反应器组件，包括：
一个反应器结构；
一个温室结构，该温室结构被配置从而为该反应器结构提供一个温室环境，该反应器结构与该温室结构相对于彼此被间隔开从而提供对该光生物反应器的温度控制。
2.如权利要求1所述的光生物反应器组件，其中该反应器结构包括两个间隔开的反应器并且该温室结构包括被安排在这些反应器之间的一个漫射器顶部元件。
3.如权利要求2所述的光生物反应器组件，其中每个反应器的表面的至少一部分是至少半透明的。
4.如权利要求2所述的光生物反应器组件，其中该漫射器顶部元件将光线进行漫射以照射这些间隔开的反应器。
5.如权利要求1所述的光生物反应器组件，其中该反应器结构包括一个反应器并且该温室结构包括通过将该反应器置于其间而间隔开的至少两个薄片。
6.如权利要求5所述的光生物反应器组件，其中该反应器的表面的至少一部分是至少半透明的。
7.如权利要求5所述的光生物反应器组件，其中这些薄片将光线进行漫射以照射该反应器。
8.如权利要求5所述的光生物反应器组件，其中至少一个薄片包括一种辐射防护材料。
9.如权利要求1所述的光生物反应器组件，其中温度控制被维持在环境的10℃之内。
10.如权利要求1所述的光生物反应器组件，其中温度控制被维持在环境的5℃之内。
11.如权利要求1所述的光生物反应器组件，进一步包括用于允许使用周围的空气来控制温度的烟囱装置。
12.在一种光生物反应器中，其改进在于提供烟囱装置来使用周围的空气从而提供了对该光生物反应器的温度控制。
13.一种用于生产燃料或化学品的方法，包括：
(a)使用一种光生物反应器，该光生物反应器进一步包括：
一个反应器，其中该反应器的表面的至少一部分是至少半透明的；
一个被动热调节系统，该系统被适配以包括用来减少要求对于该光反应器的冷却、加热或它们的一种组合的至少一项的装置；
(b)将至少一种生物体引入该光生物反应器的反应器中，这至少一种生物体选自以下各项：嗜温生物、嗜热生物或它们的一种组合；
(c)在该光生物反应器的反应器中培养该生物体，由此这些生物体利用光和CO2来生产燃料或化学品；并且
(d)从该光生物反应器中移去这些燃料或化学品。
14.如权利要求13所述的方法，进一步包括以至少约0.4g/m2/hr的面积生产率来生产这些燃料或化学品。
15.如权利要求13所述的方法，进一步包括使用包括一种实时自适应控制系统的一种组件来维持最佳的生产率。
16.如权利要求13所述的方法，其中该生物体是重组体或转基因的。
17.一种光生物反应器组件，包括：
一个反应器，其中该反应器的表面的至少一部分是至少半透明的；以及
一个被动热调节系统，该系统被适配以包括用来至少减少要求对于该光反应器的冷却、加热或它们的一种组合的至少一项的装置。
18.如权利要求17所述的光生物反应器组件，其中用来减少冷却的该装置包括最少的用量水。
19.如权利要求17所述的光生物反应器组件，其中该被动热调节系统将该光生物反应器的温度调节在约25℃至约60℃之间。
20.如权利要求17所述的光生物反应器组件，其中该被动热调节系统管理入射的太阳辐射。
21.如权利要求17所述的光生物反应器组件，进一步包括一种表面涂层。
22.如权利要求21所述的光生物反应器组件，其中该表面涂层反射热量。
23.如权利要求17所述的光生物反应器组件，进一步包括用来产生光的漫反射的一种地面涂层或装置。
24.如权利要求17所述的光生物反应器组件，其中该涂层或装置选择性地捕获IR作为热量。
25.如权利要求17所述的光生物反应器组件，进一步包括一种可转动的机构以允许保存热量或将热损失降至最低。
26.如权利要求17所述的光生物反应器组件，其中该反应器包含一种嗜热生物、一种嗜温生物或它们的一种组合。
27.如权利要求26所述的光生物反应器组件，其中该反应器包含该嗜热生物。
28.如权利要求26所述的光生物反应器组件，其中该反应器包含该嗜温生物。
29.如权利要求26所述的光生物反应器组件，其中该嗜热生物和/或嗜温生物生产了选自燃料以及化学品的多种产物。
30.如权利要求17所述的光生物反应器组件，其中该光生物反应器连续地分离这些产物。
31.如权利要求17所述的光生物反应器组件，其中这些产物的生产导致了降低的生物质浓度。
32.如权利要求17所述的光生物反应器组件，其中一个生物质浓度是小于20g/L、10g/L或5g/L。
33.如权利要求17所述的光生物反应器组件，进一步包括一个实时自适应控制系统以调节一个光生物反应器组件的斜度。
34.如权利要求17所述的光生物反应器组件，其中该光生物反应器对温度进行调节以维持最佳的生产率。
35.一种太阳能生物工厂，该太阳能生物工厂包括如权利要求17所述的光生物反应器。
36.一种光生物反应器，该光生物反应器能够将捕获光的生物培养至OD730为约14g/L DCW。
37.一种光生物反应器，该光生物反应器能够将捕获光的生物体培养至面积产率为至少约3.5g/m2/hr。
38.一种光生物反应器，该光生物反应器能够将捕获光的生物体培养至光学的细胞密度为至少2-5g/L、5-10g/L或10-20g/LDCW。
39.如权利要求37或38所述的光生物反应器，其中该光生物反应器将在限定的时间期间内生产产品所使用的土地的面积降至最低。
40.如权利要求37或38所述的光生物反应器，其中该光生物反应器是模块化的、规模可变的和/或低成本的。
41.一种用于培养捕获光的生物体的培养基组合物，包括NaCl、KCl、NaNO3、MgSO4(无水的或含水的)、KH2PO4、CaCl2、NaEDTAtetra、柠檬酸铁、Tris维生素B12(氰钴胺素)、H3BO3、MnCl2(无水的或含水的)、ZnCl、MoO3、CuSO4(无水的或含水的)、CoCl2(无水的或含水的)以及水。
42.用于培养捕获光的生物体的培养基组合物，进一步包括增加的量的N、P或Fe中至少一个。
43.如权利要求41或42所述的培养基组合物，其中该组合物将蓝细菌或藻类培养至光学的细胞密度为至少2-5g/L、5-10g/L或10-20g/L DCW。
44.一种用于培养捕获光的生物体的培养基组合物，通过结合以下各项来获得：NaCl、KCl、NaNO3、MgSO4(无水的或含水的)、KH2PO4、CaCl2、NaEDTAtetra、柠檬酸铁、Tris维生素B12(氰钴胺素)、H3BO3、MnCl2(无水的或含水的)、ZnCl、MoO3、CuSO4(无水的或含水的)、CoCl2(无水的或含水的)以及水。
45.一种用来接收碳信用的方法，包括：在以前的权利要求中任何一项所述的光生物反应器或光生物反应器组件中使用二氧化碳、光以及水来培养捕获光的生物体；对二氧化碳的输入、使用或减少进行测量；并且基于二氧化碳的输入、使用或减少来确定碳信用的量。
46.如权利要求1所述的光生物反应器组件，其中该反应器结构是热成型的。
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