CN102597211A - 用于输送气体到藻类培养物中的系统和方法 - Google Patents

Abstract

根据本发明实施方案的光生物反应器间歇性地输送营养物气体到光生物应器培养基。在一些实施方案中，根据工作循环或定时模式输送一种或多种气体。根据一些实施方案，使用二氧化碳的间歇性导入在光生物反应器中生长藻类。在其它实施方案中，完全地或部分地从光生物反应器的培养基上方的液面上空间向光生物反应器中生长的藻类供给二氧化碳。

Description

用于输送气体到藻类培养物中的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2009年3月19日递交、序列号为61/161,723的美国临时专利申请的优先权，将其通过引用结合在本文中。

技术领域

本发明的实施方案总体上涉及用于输送气体到光生物反应器中的系统和方法，更具体地涉及定期和/或间歇地输送气体到光生物反应器中。

背景技术

通过可再生能源生产生物燃料如生物柴油、生物乙醇和/或生物汽油可以提供大量的益处。增加的成本、增加的提取难度以及现有化石燃料储量的耗竭激励了替代燃料供给的开发。已作出努力开发可再生能源燃料，如来自玉米粒的乙醇或来自卡诺拉、油菜籽和其它来源的生物柴油。能够从食品加工厂材料得到的生物燃料的量通常有限，且底层的食物商品价格增加通常对发展中国家的食物可供量和发达国家的食品价格造成负面影响。

正在作出努力以通过非食物材料产生生物燃料，如通过木浆、玉米秸秆或甘蔗渣产生纤维素乙醇。藻类和其它光合微生物可以为生物燃料合成提供原料。

发明内容

根据本发明的实施方案，可以通过在预定持续期中导入一种或多种气体到培养物中来生长微生物的培养物，其中该持续期不长于在生长和/或间歇性地输送藻类期间的时间的90％。工作循环指相对于一种或多种气体供给的关闭时间百分比的一种或多种气体供给的开启时间的百分比。

根据本发明的一些实施方案，在封闭式光生物反应器顶部的自由空间产生液体培养基和气体之间的界面，其可控制以交换期望的气体成分。例如，二氧化碳或氧可以从自由空间交换到培养基中，且溶解的气体可以从培养基传输到自由空间中。另外，气体的输送和回收可以增加培养物的生长，减少滞后时间，同时降低生长培养物的成本。增加的调节气体输入的效率可以带来更好的生长、更好的控制和降低的能量消耗。

根据本发明的一些实施方案，以在时间上和/或空间上进行控制的方式将一种或多种气体导入光生物反应器。根据该实施方案，间歇性导入气体到光生物反应器中可以涉及喷射一种或多种气体到光生物反应器中，其中间歇性地导入一种或多种气体。在一些实施方案中，时间间歇性的气体到光生物反应器中的导入可随着时间改变。空间间歇性的气体到光生物反应器中的导入的其它实施方案可以涉及改变硬件的几何形状，改变气体导入的位置和/或气泡的大小和导入的频率。其它实施方案同时使用这些间歇性方法来导入一种或多种气体到光生物反应器中。在本发明的其它实施方案中，可以再捕集和/或重用导入到培养基中的二氧化碳。这些实施方案可以带来成本节约、增加的鲁棒性、更好的生长、更好的控制和降低的能量消耗。

虽然公开了多种实施方案，通过示出和描述本发明的示意性实施方案的下述具体实施方式，本发明的其它实施方案将对本领域技术人员明晰可见。相应地，附图和具体实施方式应视为本质上是示意性的而非限制性的。

附图说明

图1示出根据本发明实施方案的使用用于气体输送的喷射系统的光生物反应器系统。

图2示出根据本发明实施方案光生物反应器系统的剖视图，该光生物反应器系统使用用于气体输送的喷射系统。

图3示出根据本发明实施方案的具有集成式喷射的光生物反应器系统。

图4是示出根据本发明实施方案的光反应器中纯水的pH相对于二氧化碳气体浓度的图表。

图5示出根据本发明实施方案的具有集成式喷射的光生物反应器系统。

图6A-6D表示根据本发明实施方案的导入一种或多种气体到光生物反应器中的示例模式。

图7A示出根据本发明实施方案的实验条件的柱状图，其包括气体百分比、工作循环和气体随时间的流量。

图7B表示根据本发明实施方案的在不同气体输送条件下对照藻类培养物和实验藻类培养物随时间的pH水平和干物质量的图表。

图8示出流程图，其示出根据本发明实施方案的用于确定一个或多个光生物反应器的气体输送的方法。

图9示出流程图，其示出根据本发明实施方案的用于确定一个或多个光生物反应器的二氧化碳输送的方法。

图10A和10B示出根据本发明实施方案的与输送空气和二氧化碳到一个或多个光生物反应器对应的定时模式。

图11表示流程图，其示出根据本发明实施方案的用于开环系统中的气体输送的方法。

图12表示流程图，其示出根据本发明实施方案的用于闭环系统中的气体输送的方法。

图13示出根据本发明实施方案的使用可变气体流速的光生物反应器系统。

图14示出根据本发明实施方案的仅使用二氧化碳输送的光生物反应器系统。

图15示出根据本发明实施方案的以恒定气体输送比率操作的光生物反应器系统。

图16示出根据本发明实施方案的用于捕获和再循环来自系统的排气的光生物反应器系统。

图17是示出根据本发明实施方案的仅使用二氧化碳输送的光生物反应器系统随时间产生的干物质量和pH的图表。

图18示出根据本发明实施方案的具有多种气体输送的光生物反应器系统。

图19示出根据本发明实施方案的具有二氧化碳输送、混合装置和流量控制器的光生物反应器系统。

图20示出根据本发明实施方案的配置为输送气体到多个光生物反应器系统的系统。

图21示出根据本发明实施方案的配置为输送气体到多个光生物反应器系统的替代系统。

图22示出根据本发明实施方案的配置为输送气体到多个光生物反应器系统的又一替代系统。

图23示出根据本发明实施方案的配置为直接输送气体到光生物反应器系统的自由空间的系统。

图24示出根据本发明实施方案的配置为直接输送气体到光生物反应器系统的自由空间和/或间歇性地输送气体到培养物的培养基中的系统。

图25示出根据本发明实施方案的具有不同水平的自由空间和培养物培养基的光生物反应器系统的剖视图。

图26示出根据本发明实施方案的在不同内部气体供给压力下具有不同水平的自由空间的两个光生物反应器系统的剖视图。

图27示出根据本发明实施方案的配置用于间歇性气体输送的光生物反应器袋的孔和装配。

图28示出根据本发明实施方案的在喷射期间在光生物反应器系统内的流体运动。

图29示出根据本发明实施方案的生长相对于时间的图表，其示出减少的喷射对生长的影响。

图30示出根据本发明实施方案的用于生物反应器控制的反馈和/或前馈系统。

图31示出根据本发明实施方案的光生物反应器系统。

图32示出根据本发明实施方案的对不具有扩散动力学的光生物反应器使用动态建模仿真得出的空气流速。

图33示出根据本发明实施方案的对不具有扩散动力学的光生物反应器使用动态建模仿真得出的受控二氧化碳输入流速。

图34示出根据本发明实施方案的对不具有扩散动力学的光生物反应器使用动态建模仿真得出的二氧化碳液面上浓度。

图35示出根据本发明实施方案的对具有一些扩散动力学的光生物反应器使用动态建模仿真得出的空气流速。

图36示出根据本发明实施方案的对具有一些扩散动力学的光生物反应器使用动态建模仿真得出的受控二氧化碳输入流速。

图37示出根据本发明实施方案的对具有一些扩散动力学的光生物反应器使用动态建模仿真的二氧化碳液面上浓度。

图38示出根据本发明实施方案的示出开启时间的百分比相对于间歇性和连续喷射的时间的图表。

图39示出根据本发明实施方案的示出间歇性和连续喷射随时间的碳捕获效率的图表。

图40示出根据本发明实施方案的示出间歇性和连续喷射随时间每天在每英尺长度(per linear foot)袋上的二氧化碳输送克数的图表。

图41示出根据本发明实施方案的示出在白天时间段期间的pH和与喷射流量相比输送的二氧化碳百分比和PAR的图表。

图42示出根据本发明实施方案的示出在最多一天的时间上pH和与喷射流量相比输送的二氧化碳百分比和PAR的另一个图表。

图43示出根据本发明实施方案的示出在夜间时间段期间的pH和与喷射流量相比输送的二氧化碳百分比和PAR的另一个图表。

图44示出根据本发明实施方案的示出在几天时间上的培养物密度的另一个图表，其比较用于二氧化碳输送的间歇性和连续喷射。

图45示出根据本发明实施方案的示出在十二小时时间段上的pH、到液面上空间的流量和PAR的图表，在该时间段期间，二氧化碳仅间歇性地输送到光生物反应器的液面上空间而不喷射到光生物反应器中。

图46示出根据本发明实施方案的示出在几天的时间段上单位为克每升的藻类培养物密度的图表，其比较仅间歇性地将二氧化碳输送到光生物反应器的液面上空间的光生物反应器和将二氧化碳连续地喷射到光生物反应器中的光生物反应器。

虽然本发明可具有各种修改和替代形式，具体实施方案是作为示例在附图中示出和并在下文中详述的。然而，并不意图将本发明限制于所描述的特定实施方案。相反，本发明旨在覆盖落在本发明和本公开的范围内的所有修改、等价和替代。

具体实施方式

生长作为生物柴油原料的藻类涉及在封闭式生物反应器内生长藻类。常常将通常形式为二氧化碳(CO₂)的碳添加到生物反应器培养基中以支持光合作用。类似地，光合作用的过程释放溶解于培养基中的氧(O₂)。由于空气中相对低的二氧化碳含量，依赖于暴露于环境空气中以便接收来自空气的二氧化碳并排出释放的氧到空气中的开放式生物反应器通常不能产生足够的碳以支持有效的藻类生长。将二氧化碳直接鼓泡到生物反应器培养基中通常涉及吸收到培养基中的相对低的二氧化碳，从而与通过藻类生长产生的能量相比，提供二氧化碳通常需要更多能量。另外，使用复杂的膜接触器以促进二氧化碳到培养基中的吸收通常涉及相对高的开销，这通常还需要比通过藻类生长产生的能量的价值更高的成本。

在下面各节中，描述了各种示例系统和方法以便详述各种实施方案。本领域技术人员可以理解，实施各种实施方案不需要使用本文阐述的所有或甚至部分具体细节，而是可以通过常规实验修改时间、系统部件和其它具体细节。

本发明的实施方案包括输送和/或捕获用于生长培养物的各种气体的系统和方法。在一些实施方案中，该系统和方法输送和/或捕获用于在光生物反应器中生长培养物的各种气体。培养物可以是微生物；例如，培养物可以是藻类培养物。根据本发明实施方案的系统通过设计用于输送和/或捕获光生物反应器的各种气体的网络供应单个或多个光生物反应器。

研究者们正在探索生长藻类以作为生物柴油的原料。在很多设计中，藻类在由玻璃或塑料组成的封闭式反应器内生长。适用于生长藻类和其它微生物的封闭式系统生物反应器的示例在2007年10月12日递交并于2008年7月3日作为美国专利申请公开2008/0160591号公布的序列号为11/871,728的美国专利申请中描述，其通过引用整体结合在本文中。

本文中的一些实施方案涉及通过允许培养基的自由表面暴露在大气下，导入二氧化碳到藻类生长的培养基或水中。典型的空气包含约0.038％体积的二氧化碳。虽然这种配置相对容易实现，但其不允许将很多碳添加到培养基中，且因此藻类生长的效率在这种情况下可能不够高。

光生物反应器可以用于生长藻类。生长在生物反应器中的藻类具有各种需要。例如，如果控制很多系统变量的浓度，则可以获得提高的生长性能。检查导入藻类培养物的培养基的各种气体的量。在一个示例中，添加到培养基中的二氧化碳可以直接控制光生物反应器系统中的培养物的生产率和/或生长。一些光生物反应器系统使用简单喷射输送二氧化碳到培养基中；通常，一些光生物反应器系统具有很差的摄取利用，这会浪费气体，而其它光生物反应器使用复杂且昂贵的系统，这些系统成本过高而难以大批量生产。

藻类或光合微生物可以在光生物反应器中生长。微生物包括但不限于眼点拟微绿球藻(Nannochloropsis oculata)，微绿球藻(Nannochloropsisgaditana)，微拟球藻(Nannochloropsis salina)，四肩突四鞭藻(Tetraselmissuecica)，周氏扁藻(Tetraselmis chuii)，微藻(Nannochloropsis sp.)，海水小球藻(Chlorella salina)，原始小球藻(Chlorella protothecoides)，椭圆小球藻(Chlorella ellipsoidea)，杜氏藻(Dunaliella tertiolecta)，杜氏盐藻(Dunaliella salina)，三角褐指藻(Phaeodactulum tricornutum)，布朗葡萄藻(Botrycoccus braunii)，浮水小球藻(Chlorella emersonii)，极微小球藻(Chlorella minutissima)，蛋白核小球藻(Chlorellapyrenoidosa)，小球藻(Chlorella sorokiniana)，小球藻(Chlorella vulgaris)，隐藻(Chroomonas salina)，隐秘小环藻(Cyclotella cryptica)，小环藻(Cyclotella sp.)，细小裸藻(Euglena gracilis)，纳尔逊裸甲藻(Gymnodinium nelsoni)，雨生红球藻(Haematococcus pluvialis)，球等鞭金藻(Isochrysis galbana)，单壳缝藻(Monoraphidium minutum)，单针藻(Monoraphidium sp.)，新绿球藻(Neochloris oleoabundans)，硅藻(Nitzschia laevis)，单针藻(Onoraphidium sp.)，鲁兹巴夫藻(Pavlovalutheri)，三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)，紫球藻(Porphyridiumcruentum)，斜生栅藻(Scenedesmus obliquuus)，四尾栅藻(Scenedesmusquadricaula)，栅藻(Scenedesmus sp.)，杆状裂丝藻(Stichococcusbacillaris)，钝顶螺旋藻(Spirulina platensis)，和海链藻(Thalassiosira sp.)。这些培养物可以单独生长，或作为组合培养物生长。

本发明的实施方案包括光生物反应器系统，其特点是通过使用能够高效、具成本效益地输送各种气体到生物反应器的系统，提供改进的或最优化的生物质生长、油生产、能量消耗、二氧化碳利用效率和/或其它重要的操作度量。根据本发明的一些实施方案，将反应器中液体-气体界面的自由表面用于导入二氧化碳和其它气体到培养基中。在其它实施方案中，间歇性地例如通过喷射将气体导入光生物反应器中。这种用于生长培养物的过程可以具有显著的能量和成本节约。根据本发明的实施方案，间歇性气体导入包括时间上的间歇性气体导入和/或气体收集，其中导入随着时间改变，和/或空间上的间歇性气体导入，其中一种或多种气体的导入随着在生物反应器系统内的位置改变。

在其它实施方案中，光生物反应器系统增加水或培养物的培养基中的碳含量。例如，可以通过鼓泡或喷射气体二氧化碳到培养基或水中来实现碳含量增加。例如，二氧化碳可以按纯粹的形式或与其它气体例如空气混合喷射到培养基中。形成的气泡将从培养基中浮出且一部分二氧化碳将被吸收到培养基中，将碳添加到培养基或水中。根据这种实施方案，可以通过改变二氧化碳与或不与其它气体一起的导入，调节或改变培养基和水的pH。通常，二氧化碳气泡在到达系统内的培养基表面之前没有足够的时间被吸收。在很多情况下，很小的一部分二氧化碳被吸收，而未吸收的二氧化碳通过培养基或水表面或排放的空气排出，造成相对低的摄取效率。通常，在这种情况下预处理和泵送二氧化碳气体的成本相对较高。

在气泡到达自由表面之前，气泡在培养物系统的培养基中的停留时间增加。例如，可以在培养基从顶部向底部流动的垂直定向的管道底部注入作为气泡的二氧化碳，从而培养基在管道中的平均速度近似地相同于或稍慢于气泡上升的速度。虽然这增加了气泡在培养基中的停留时间，但能量消耗在连续地泵送流体上，因此注入气泡到逆流中的成本通常较高。

图1示出用于生长微生物的光生物反应器102的气体输送系统100的示意图。反应器102由膜袋组成，并可以包括具有孔110的气体输送管道109。生物反应器102可以部分地加注有培养基和微生物的混合物，并可以在培养基104的自由表面105上方具有一定体积的气体103。微生物在光照下使用光合作用进行生长，该光通常为阳光，但也可以由人造光源如电灯提供。微生物需要各种不同营养物以进行生长，一种营养物是碳，通常通过将二氧化碳溶解到质104中以输送到微生物。

在一些实施方案中，培养基104可以包括但不限于水、大量营养物和微量营养物，且可选地包括盐。例如，如果培养基预期用于生长通常生长在盐水中的微生物，则将盐添加到培养基中。在一些实施方案中，典型的盐浓度量级为千分之15-36(ppt)，但可以取决于有机体的需要改变。在其它实施方案中，大量营养物可以包括但不限于氮和磷酸盐。根据本发明的实施方案，可以添加量级为约0.05-0.05克/升的大量营养物浓度。微量营养物浓度可以包括但不限于痕量金属，如锌、铁和铜。可以添加例如量级为约20-3000微克/升浓度的微量营养物浓度。

可以用多种不同方式将碳添加到培养基中。一种方法是添加化学形式为糖(例如蔗糖)或醇类(例如乙醇)的碳。以此方式生长微生物通常称为异养(heterotrophic)。在光生物反应器中生长的微生物使用二氧化碳自养地生长。混养生长涉及向微生物例如藻类提供来自二氧化碳以及其它碳来源的碳。本发明的实施方案允许微生物的自养和/或混养生长。

在本发明的一些实施方案中，通过有孔或无孔膜导入二氧化碳，该膜允许二氧化碳从膜的一侧渗透到膜另一侧的培养基中。2008年6月9日递交的美国专利临时申请61/059,863号详细阐述了结合塑料膜光生物反应器使用膜。

有孔膜具有微孔，该微孔允许膜一侧的气体跨过孔形成气泡。这允许膜另一侧的液体直接接触气体。气体混合物中气体和培养基中的气体的分压差异使得气体混合物中的气体从膜的一侧扩散到另一侧，直到分压差异达到平衡。由于气体和液体之间的这些界面仅出现在膜中有孔的地方，在每单位面积基础上气体到培养基的扩散速率或相反总体上小于用气体和液体的连续界面在类似条件下可以达到的程度。

无孔膜通过允许二氧化碳或其它气体有效地溶解到膜中，然后通过膜扩散并溶解到培养基中来工作。在一些实施方案中，一种有孔膜可以是硅橡胶膜，其可以有效地用于添加二氧化碳到培养基中。类似于有孔膜，气体通过无孔膜的扩散速率倾向于小于自由表面在相当条件下可以达到的程度。

虽然使用膜可以是使二氧化碳进入培养基的非常有效的方法，但膜较昂贵、难以处理，且渗透性小于用纯液体/气体界面获得的程度。此外，将膜集成到光生物反应器中会使制造过程复杂化，产生潜在地更加昂贵且可能较不耐用的产品。

可以用具有期望浓度的气体进行喷射以将二氧化碳导入培养基。图2示出反应器200的横截面，其中具有喷射管110。可以向喷射管110供给来自一个或多个加压气体源的气体。图3示出类似的系统300。图3示出用于保持培养基和微生物(例如藻类)的反应器袋104、至少一个喷射管110、加压二氧化碳源305和用于通过管道或管101、307、308、309供给一种或多种气体(例如二氧化碳)的空气压缩机303。压力调节器395可以用于控制输送二氧化碳的压力。控制阀396可以用于打开和关闭输送的二氧化碳的供给。孔或节流阀304可以用于控制气体的流速。在本发明的一些实施方案中，空气压力可以由一个或多个压力调节器301控制，且可选地，由用于打开和关闭空气供给的空气控制阀302控制。孔或节流阀304可以用于在空气控制阀打开时控制空气的流量。二氧化碳控制阀396和空气控制阀302可以协同操作或独立操作，以对系统的气体供给提供灵活性。节流阀304可以是手动、被动或电子控制阀。在一个实施方案中，节流阀为质量流量控制器(MFC)。

在本发明的一些实施方案中，当控制阀302处在“开启”位置时，加压气体流至输送管(例如喷射管109)并从输送管110中的孔流出。一旦到管109外，气体就形成气泡，该气泡在培养基中上升直至到达袋102的自由表面界面105。在一些实施方案中，一个或多个输送管109可以按各种不同方式制造并由各种不同材料制成。例如，输送管109可以包括具有孔的管道或管，该孔可以通过打孔、机械加工、激光打孔或通过其它手段产生；多孔岩石；由各种材料模制而成的起泡器；内在地多孔的天然材料；和/或在其中具有小孔的塑料膜管。在一些实施方案中，输送管109由具有小孔的塑料膜形成，所述小孔可通过手动打孔形成或使用激光形成。

当气泡在培养基中上升期间，如果二氧化碳气体的分压高于在培养基中溶解的二氧化碳的等价分压，则二氧化碳将从气体扩散并吸收到培养基中。对于给定的培养基和温度，扩散到培养基中的二氧化碳的量是气泡中的气体的分压、培养基中的等价分压、气泡的表面积、气泡在培养基中的停留时间、气泡在培养基中的移动或运动，和其它因素，如出现在培养基中的气泡的数量的函数。到达培养基表面的气泡通常破裂，然后气泡中的气体与培养基上方的气体合并。然后气体和培养基之间的扩散继续，直至分压和等价分压达到平衡。

在很多生物反应器中，培养基的深度足够浅，从而气泡上升到表面的时间非常短。在一些实施方案中，生物反应器具有约十二英寸的培养基深度，且气泡可以在1至2秒内上升到表面。该短时间段通常不允许很多二氧化碳扩散到培养基中，且会造成二氧化碳使用的低效率，除非可以按某种方式捕获和重用二氧化碳。此外，可能消耗相当多的能量以将包含二氧化碳的气体混合物升高至喷射压力。

通过增加气泡到达表面的时间，可以使用富集二氧化碳的气体的较大部分。这可以通过向气泡在其中上升的培养基施加向下的流量来实现。该向下的流量反作用于上升气泡的移动，且通过仔细的设计，可以将流量设定在与气泡上升速率匹配的速率，因此有效地使气泡朝向表面具有很低的速度或没有净速度。虽然这的确增加了二氧化碳利用效率，但其能量成本对于商品产品例如基于微生物的运输燃料来说过高。

根据本发明的其它实施方案，可以出于其它原因将气体导入到培养基中。例如，生物反应器可能使用特定的气体输送方法以减少来自悬浮液的培养物沉淀。另外，用于搅拌培养物的方法可以用于最小化死物质或死微生物的累积并对培养物的负面影响。搅拌可以增加营养物的可供量并减少培养物死亡，且还减少死物质在生物反应器底部的累积。在其它实施方案中，造成搅拌的气体输送可以用于混合营养物，减少温度、pH和/或会影响培养基的其它条件的分层。造成搅拌的气体输送(例如喷射)可以是减少培养基中溶解的氧量的有效方法。

由于关联于喷射的成本，在本发明的一些实施方案中，可以按更加受限和/或时间上受控的方式将气体输送到一个或多个培养物。例如，可以按需执行气体的喷射。在其它实施方案中，光生物反应器允许气体在附加的时间中保持悬浮在培养基上方，显著地允许气体在更长时间中从培养基上方的空间扩散到培养基中。根据这种实施方案，气体通过液体-气体界面或自由表面的传输，以及气体输送的定时和控制及其化学成分可以增强培养基中的二氧化碳吸收。

如图3所示，气泡在培养基中上升到生物反应器的顶部，在该处收集气体103。产生自由表面105，在该处气体可以扩散到生物反应器中。取决于生物反应器300，气体可以在培养基上方驻留在生物反应器300内，其中气体可以扩散到培养基中直至达到期望的结果。这种方法可以有效地以增加的摄取效率和减少的能量使二氧化碳进入培养基。根据本发明的实施方案，这种方法可以称为使用自由表面。在一些实施方案中，二氧化碳从气泡中的气体以上升通过培养基的形式或作为在培养基上方收集的气体扩散的速率是二氧化碳的分压和液体培养基中的气体的等价分压之间的差异的函数。例如，在海平面和25℃的环境条件下，大气近似地包含0.038％的二氧化碳，并具有约为38.5Pa的分压。

在本发明的其它实施方案中，扩散入或扩散出培养基的二氧化碳的总量是可用表面积和气体中的二氧化碳和培养基中的二氧化碳在培养基/气体界面处的分压差异的函数。例如，较大的培养基/气体界面面积可以具有较高的二氧化碳传输速率。在给定温度和盐度下给定培养基中的pH和二氧化碳的量是气体和生物反应器中的培养基中的二氧化碳的分压的函数。这些变量中的每个可以由生物反应器中的培养基和液面上空间之间的界面面积影响。在一些实施方案中，在生物反应器中生长的微生物消耗来自培养基的二氧化碳并释放氧到培养基中。这种实施方案的系统不一定平衡。在这种实施方案中，改变自由表面105的面积会通过影响二氧化碳进入和离开培养基的相对速率来影响培养基中的pH。因此改变表面积可以控制培养基和培养物的pH，即使将恒定浓度的二氧化碳用于气体输送(例如喷射)，或用作留在封闭式光生物反应器中的培养基上方的自由空间中的气体。

下面的公式可以用于确定包含指定浓度二氧化碳的在其自由表面上方的气体平衡时蒸馏水的pH。根据本发明的实施方案，这些公式用于评估、监视，和/或编程光生物反应器中的气体输送。例如，这些公式中的一个或多个可以用于编程光生物反应器系统，以保持恒定的pH，其中保持恒定的pH可以是调节到系统的二氧化碳或其它气体输送的函数。

temp_C:＝16       P_atm:＝1·atm

temp_K:＝(temp_C+273.15)·K

Conc_CO2:＝0％，.001％，.100％

P_CO2(Conc_CO2):＝P_atm·Conc_CO2

C_CO2:＝2400·K

$k_{\mathrm{CO}2\_298K}=29.412\frac{\mathrm{liter}\·\mathrm{atm}}{\mathrm{mol}}$

$k_{\mathrm{CO}2\_\mathrm{temp}}=k_{\mathrm{CO}2\_298K}{e}^{[-C_{\mathrm{CO}2}(\frac{1}{{\mathrm{temp}}_K}-\frac{1}{298\·K})]}$

$\mathrm{CO}2\left({\mathrm{Conc}}_{\mathrm{CO}2}\right):=\frac{P_{\mathrm{CO}2}\left({\mathrm{Conc}}_{\mathrm{CO}2}\right)}{k_{\mathrm{CO}2\_\mathrm{temp}}}$

$\mathrm{pH}\left({\mathrm{Conc}}_{\mathrm{CO}2}\right):=-\log \left(\sqrt{{4.45\·10}^{-7}\·\mathrm{CO}2\left({\mathrm{Conc}}_{\mathrm{CO}2}\right)\·\frac{\mathrm{liter}}{\mathrm{mol}}}\right)$

其中：

temp_C＝单位为摄氏度的培养基温度；

temp_K＝单位为开氏度的培养基温度；

P_atm＝大气压力(atm：大气压力)；

Conc_CO2＝喷射/自由表面气体中的CO₂体积浓度；

P_CO2(Conc_CO2)＝气体中的CO₂分压；

C_CO2＝CO2在水中的溶解度的温度相关性系数；

k_{CO2_298K}＝298K下CO₂在水中的亨利常数(liter：升；mol：摩尔)；

k_{CO2_temp}＝给定温度下CO₂在水中的亨利常数；

CO₂(Conc_CO2)＝与气体平衡时水中的CO₂浓度；

pH(Conc_CO2)＝与气体平衡时水的pH。

图4示出图表，其反映平衡时的气体中的二氧化碳体积浓度和蒸馏水的pH之间的相关性。该公式可以对于有其它化学成分例如盐的不同培养基改变。培养基中的压力差异或温度改变可以改变该公式。

根据本发明的一些实施方案，如果可供给到培养基中的二氧化碳的量超出可以消耗的量，则基于输送到系统的气体和在培养基的自由表面上方捕集的气体中的二氧化碳的浓度，为该系统提供时间以平衡到预定pH或朝向期望的pH移动。如果系统没有能力供给所需量的二氧化碳，则可能存在不足量且培养基pH会上升。替代地，系统可以具有一定的自调节能力，因为通过藻类减少培养基中的碳会影响等价分压，且因此使得更多二氧化碳扩散到培养基中。然而，该自调节不能如期望的那样强，且培养基的pH可能上升高于用于微生物的给定生长的预定水平。

实现到培养基的自由表面二氧化碳输送的一种方式涉及间歇性地例如通过喷射将气体输送到培养基中。因此，可以减少能量消耗，且可以实现整个过程上的更有利的净能量返回(net energy return)。如果可以使用较小的设备和/或如果可以在多个生物反应器上实现减少的设备使用，则减少的能量消耗可以产生降低的操作成本和降低的资本成本。例如，设备减少可以包括消除或减少下述的尺寸：压缩机、洗涤设备、阀，和/或其它相关设备。这种自由表面设计可以通过减少废气产生较高的二氧化碳摄取效率；例如，排出的二氧化碳可以再循环和再输送到培养基中以生长培养物。根据本发明的实施方案，由表面设计增加力能学(energetics)并允许碳截存以便现在或以后使用。

图5示出配置用于间歇性输送气体到微生物培养物的生物反应器。根据本发明的一些实施方案，系统500通过连接构件107、309输送至少两种气体成分，二氧化碳305和空气303到阀(例如电磁阀)302。这种输送由转子流量计401和阀302调节；转子流量计401可以是例如手动、定时或自动的。与转子流量计401流体连通的构件107也与输送构件308流体连通，该输送构件输送气体到生物反应器的培养基104中。根据本发明的实施方案，二氧化碳305可以在输送308到生物反应器之前和空气303预混合。图6A-6D示出用于输送气体到生物反应器的一些工作循环或输送模式。图6A示出空气和二氧化碳的输送定时，其中空气的输送按相对规律的周期以相对固定的持续期发生，而二氧化碳的输送与空气的输送异步。虽然描述了二氧化碳和空气的输送，本领域技术人员应理解，基于本公开，类似的输送定时循环可以用于其它类型的气体。图6B示出对于任何给定循环首先输送空气，随后输送二氧化碳，以对每个循环实现期望的二氧化碳分压。图6C示出具有不规则输送周期的一种或多种气体的同步输送。图6D示出一种气体(例如二氧化碳)的示例输送，其中与一种或多种其它气体(例如空气)相比较不频繁地输送该气体。

图7A示出根据本发明实施方案的实验条件的图表，该实验条件包括二氧化碳百分比浓度、工作循环(在其间气体输送为“打开”的时间百分比)和气体打开时的气体流速。图7B是根据本发明实施方案的图表，其示出对照和实验藻类培养物在不同的气体输送条件下随时间的pH水平和干物质量(g/L)。

图8示出根据本发明实施方案的流程图800，其示出用于确定一个或多个光生物反应器的二氧化碳输送的方法。对于给定系统，可以识别最小气体输送需要。工作循环是定时模式，表示在其间气体输送打开相对于关闭的时间百分比。气体输送强度由流速表示。根据本发明的一些实施方案，光生物反应器系统使用所需的最少喷射量来最小化制备及可能的再处理喷射气体的能量消耗和成本。在流程图800中，对满足特定约束所需的气体输送量进行估计。在框801中计算对培养物搅拌的气体输送需要的估计。在框802中计算用于混合的气体输送的估计。在框803中计算用于去除溶解氧的气体输送的估计。框803和804根据本发明的实施方案计算用于二氧化碳添加和最优培养物生长的气体输送。可选地，可以在框805处添加考虑会影响气体输送量的更多因素的附加框。在框806，根据本发明的实施方案，气体输送需要设定为匹配或近似要求最频繁和/或最长时间的气体输送需要，从而可以满足特定培养物的所有需要。

图9示出流程图900，其示出根据本发明的实施方案基于一个或多个光生物反应器的二氧化碳需求确定气体输送的方法。根据本发明的这种实施方案，确定自由空间中的二氧化碳需要(框903)用于确定光生物反应器系统的气体需要(框904)。当使用自由表面方法以导入二氧化碳或其它气体到培养基中时，在很多情况下可以消除连续的气体导入。例如，根据本发明的实施方案，可以发送信号到一个或多个气体驱动器(框905)，指令进行间歇性气体输送而不是连续气体输送。事实上，在不需要通过喷射或直接输送进行气体输送以提供任何其它功能，如去除溶解的O2或进行混合的情况下，反应器中的气体输送可以长时间关闭。例如，光生物反应器中的气体输送可以关闭一小时到若干小时。图9示出图8的框中的一个内的典型算法。流程图900表示控制到生物反应器的二氧化碳输送的一种方式，其中框901表示生物反应器的预设的pH。基于期望的pH 901设定点，算法902用于确定液面上空间的二氧化碳浓度903，且根据本发明的实施方案基于903中确定的浓度，类似于图8所示的框803确定气体输送的流速904。由气体驱动器905接收影响反应器907的信号。传感器(908，例如pH)可以用于测量特定参数(例如pH)，且可以类似于图8所示的框806设定输送。

输送气体到生物反应器可以用于多种功能，包括但不限于将微生物(例如藻类)保持在悬浮液中，将不同的气体扩散到培养基中，和去除培养基中的溶解氧。在一些实施方案中，微生物可能需要搅拌到培养物以保持悬浮液。在一些实施方案中，不同的藻类菌株可能需要频繁喷射或培养基搅拌以将其保持在悬浮液中，但可以不需要用于在夜间去除溶解氧或添加二氧化碳那样多的喷射。在其它情况下，藻类可能需要二氧化碳输送的频率、流速和/或流量持续期的增加，以在高光照、长日照和高培养物密度时期期间去除溶解氧。

图10A和10B示出根据本发明实施方案的用于输送一种或多种气体到培养物中的附加定时模式，其中在每个循环中，二氧化碳输送跟随在空气输送之后。图10A示出间歇性导入二氧化碳(实心柱)和空气(空心柱)两种气体的图表。在该气体输送模式下，二氧化碳在较短时间段中导入并在和空气不同的时间导入。图10B示出用于导入气体到培养物中的替代模式。根据本发明的该实施方案，二氧化碳的初始导入长于二氧化碳的三次后续添加。本领域技术人员基于本文公开可以理解可用于间歇性输送气体到光生物反应器的宽范围的气体输送定时模式。根据本发明的一些实施方案，气体输送需要取决于混合培养基的需要。在这种情况下，有利的是大部分时间中和空气或其它气体一起输送气体，并在循环结束时作为混合物或作为浓缩的或纯的二氧化碳选择性地添加二氧化碳。

图11示出框图1100，其示出根据本发明实施方案的光生物反应器控制。在该图中，根据本发明的实施方案，开环控制器1105可以考虑若干因素和/或变量(例如1101、1102、1103、1104)以确定气体输送速率。有多种控制算法可用于控制到系统的自由表面和/或间歇性气体输送。一种方法涉及不使用反馈传感器，而是依赖于具有最优气体浓度的预定水平和气体输送时间(例如历史输送模式(去年，上月，上周)，太阳位置的历史数据等，1102)的开环模型(1100)或查找表(1103)。例如，开环控制器可以使用存储的历史数据、来自互联网或其它来源的数据，或可以使用在设施处的简单的全局传感器，如温度或阳光(参见图11)。图12示出根据本发明实施方案的闭环气体输送系统和二氧化碳控制器的图1200。在该图中，用于pH控制的算法1202为预定pH确定自由空间中的二氧化碳的浓度(框1203)。可以确定二氧化碳和其它气体如空气的流速(框1204)。基于确定的速率，可以发送信号到驱动器(框1205)以控制到反应器的气体输送(框1208)。另外，系统中的条件可以由传感器1209测量，以调节气体的输送速率并作为反馈控制的方法，其中传感器信号(框1209)反馈到pH控制算法中(框1202)并可选地反馈到确定液面上空间中的二氧化碳浓度的算法中(框1203)。

特定实施方案包括分组为控制器族群的控制器。在其它实施方案中，用能够接收反馈变量的反馈控制器控制到自由表面的气体输送(例如1206)。一些实施方案包括辅助控制培养基pH的pH传感器。根据这种实施方案，改变二氧化碳水平以保持恒定的pH。例如，根据本发明的实施方案，图12所示的过程可以用于基于检测到的pH和pH设定点(或设定范围)控制到光生物反应器的二氧化碳输送。

根据本发明的一些实施方案，基于规则的或启发式的控制方案可以用于开发生物反应器系统的控制器。例如，可以组合各实施方案以具有用于调节到生物反应器系统的气体输送的开环和/或闭环控制器。传感器的大量组合可以用于开环和闭环控制。可用于开环控制的一些信号包括但不限于温度、光合有效辐射(PAR)、培养物密度、pH、光照条件、湿度，及自由表面和液面上空间的变化。反馈信号中的一些可以包括但不限于pH、光学密度、营养物水平、溶解氧水平和碳水平。根据本发明的实施方案，控制器可以是中断驱动的，可以按固定频率操作，或可以按根据周期、脉冲宽度和/或总体持续期改变的频率操作。

虽然可以通过定时开启和关闭仅具有开启和关闭状态的阀来控制气体混合物中的二氧化碳浓度，期望的是控制导入反应器的气体如二氧化碳、空气和任何其它气体的流速。图13示出生物反应器系统1300，其中生物反应器能够具有可变的气体输送流速。质量流量控制器1301、1303可以在通过管道307、308将气体输送到系统时连续地调节各种气体的流速。特定实施方案可以包括用于调节系统的一个或多个流量控制器1301、1303的控制器1302。控制器可以被编程和/或具有存储的数据以控制生物反应器系统的条件(例如pH)。另外，控制器1302可操作地连接到一个或多个流量控制器1301，以便控制输送到生物反应器的一种或多种气体的比率，且可选地，以便以独立的时间间隔输送气体的预定混合物或输送一种或多种气体中的一种。在该系统1300中，排气通过单独的开口106离开液面上空间103。

图14示出根据本发明实施方案的具有多气体输送的光生物反应器系统1400。根据本发明的实施方案，在气体输送系统中输送的气体1401可以是预混合气体。

在其它实施方案中，可以通过调节气体输送定时来控制pH。如图15所示，光生物反应器以恒定的比率输送一种或多种气体，并在输送到生物反应器103之前在预混合器1502中进行预混合。如图所示，根据本发明的实施方案，气体305、101通过管道1503、107导入到混合构件1502(例如混合阀)，然后按气体的预定比率通过阀302经由管道1501输送到生物反应器103。

在一些实施方案中，除了输送期望量的二氧化碳之外，可以根据操作条件控制气体输送。例如，可以根据混合培养基的需要来控制气体输送。存在这样的情况，其中通过排气口106离开生物反应器的气体含有足够的二氧化碳以抵消收集和再循环或存储二氧化碳的成本。图16示出能够在液面上空间中(或在培养基自由表面上方)捕获一种或多种气体和/或能够重用捕获的气体的光生物反应器系统。在图16中，一种或多种气体101、305通过例如为软管或管道的管道306、309导入生物反应器。二氧化碳可以存储在箱1602中或通过阀302和/或流量控制器1301输送。另外，系统103的液面上空间中累积的气体可以离开可选地由调节器301(例如压力调节器)调节的端口1605。调节器可以和气体分离器1601流体连通，允许部分气体分离1604并捕获其它气体以进行重用(例如二氧化碳)。然后，根据本发明的实施方案，来自箱1601的捕获气体可以流经管道1607到泵306，以通过管道1603输送到气体存储箱1602进行重用。

根据本发明的一些实施方案，光生物反应器气体输送系统仅使用二氧化碳而不使用其它气体。这种系统的一个优点是，液面上空间中的气体将为二氧化碳和氧。只会有两种气体离开生物反应器端口106或在这种系统中通过再循环端口1605进行再循环。根据本发明的实施方案，在离开生物反应器的气体中氮气的缺乏可以有助于分离二氧化碳以进行重用。根据本发明的一些实施方案，使用图16所示的系统时在入口处仅有二氧化碳305而没有其它气体。此外，有利的是仅使用二氧化碳和如果含任何氧也只含很少氧的另一种气体，例如经处理的烟道气。这可以允许该系统用期望的二氧化碳的浓度运行，而仍然具有非常低的氧浓度，这对于最大化的生长来说是期望的。

图17表示使用仅输送二氧化碳到生物反应器的系统获得的数据产生的图表。该图表示出藻类光生物反应器的pH和干物质的每日测量值。如该图表所示，这种设置可以带来相对低的pH。其它种类的藻类或其它微生物可能对低pH不敏感且可以耐受这样的条件。然而，该测试示出了仅使用到光生物反应器的二氧化碳输送的光生物反应器的生活力(viability)。根据本发明的其它实施方案，向培养基供给化学物质或其它营养物以抵消有时由较高二氧化碳浓度输送造成的低pH。

在其它实施方案中，光生物反应器系统使用气体的组合，例如：空气、二氧化碳和/或惰性气体，如氮。根据本发明的实施方案，这种气体组合减少系统中的溶解氧的量。另外，根据本发明的实施方案，由于较低量的用于去除溶解氧的气体输送(例如喷射)，培养物中降低水平的氧导致较低的能量消耗。在本发明的一些实施方案中，到系统的气体输送包括但不限于空气、二氧化碳和惰性气体，如氮。这种气体或气体组合可以按固定持续期、以时间间隔和/或改变的浓度输送。替代地，这些气体的输送的持续期、时间间隔或浓度可以改变，以便提供更灵活的控制。图18示出光生物反应器1800系统，其中气体303、305、1802和1804导入到光生物反应器102中。各种控制器或阀可以用于输送一种或多种气体到系统中。可选地，可以导入惰性气体1802。质量流量控制器可以用于控制一种或多种气体的输送，但可以使用大量不同的阀门系统，如电磁阀以得到良好性能。

在其它实施方案中，系统可以设计为用多种气体的组合操作，每种气体具有在不同的时间和/或在不同的生物反应器条件下更有利的不同属性(例如浓度、混合、工作循环)。根据这些实施方案，空气、二氧化碳和其它气体的相对浓度可以固定或随时间改变，以对系统提供更加灵活的控制。在图18的系统1800中，构件1801可以是流量控制器，例如质量流量控制器，其用于由一个或多个控制器1302控制的一种或多种气体。另外，可以通过一个或多个管道和/或管路和/或软管107、309、1301、308、1803、1805对系统执行气体到光生物反应室103的输入。一种或多种气体的输入308可以是单个输入管道或一个以上输入管道。本领域技术人员基于本文的公开可以理解，根据本发明的实施方案，存在硬件、控制器、阀、气体输送方法和用于配置系统以实现到生物反应器的间歇性气体输送的方法的大量不同的组合。

在本发明的其它实施方案中，光生物反应器系统用二氧化碳和惰性气体例如氮操作。这种系统的一个优点是使用变化的二氧化碳和惰性气体浓度调节pH因此消除系统中附加的氧的能力。这种系统的实施方案可以用图18的系统实现，其中二氧化碳305和惰性气体1802可以选择作为到生物反应器103的唯一气体输送。根据本发明的实施方案，控制器1302可以用于控制流量和/或调节质量流量控制器1801以在这种系统中输送气体。

根据本发明的实施方案，质量流量控制器能够对于任何给定气体从零流量(关闭位置)到最大流量(完全开启位置)连续可变地控制每种气体的流速。在一些实施方案中，可以在每个管道上使用质量流量控制器1801，或在每个管道上使用固定的孔然后用电子控制压力调节器或类似改变该管路上游的压力，以实现每种气体的可变流速。在其它实施方案中，可以使用可变转速泵或压缩机。根据本发明的一些实施方案，用质量流量控制器实现二氧化碳的可变流量控制，并用电磁阀实现空气流量控制。可以用通过有孔膜的喷射将气体导入光生物反应器；该有孔膜可以用于限制气体进入培养物悬浮液培养基的通流面积。

根据本发明实施方案的系统可以设计有混合阀或其它硬件，该混合阀或其它硬件可以产生具有恒定浓度的二氧化碳和混合物中的其它气体的气体混合物。然后可以通过控制到反应器的气体混合物的流量来控制pH。如图19所示，可以使用简单的开关阀或类似于质量流量控制器那样连续地调节流速的装置来控制流量。在一些实施方案中，可以取决于系统的需要用改变的比率和浓度在混合箱1901中预混合输送到生物反应器的气体，且可以在输入到生物反应器102之前用质量流量控制器1301控制流量。

在一些实施方案中，气体的间歇性输送可以允许共享或多路复用尺寸适合于一个生物反应器或生物反应器集合的空气和其它气体供给硬件，以供给多个生物反应器或生物反应器集合。通过将压缩机或压气机从一个生物反应器集合切换到另一个生物反应器集合，尺寸适合于一个生物反应器集合的阀门压缩机可以服务于附加的生物反应器。替代地，具有较大气体存储箱的较小的压缩机可以用于间歇性气体输送。图20示出气体输送系统2000，其中一个压缩机通过分配器构件2001服务于多个生物反应器102。分配器2001可以是例如阀。管道和/或软管可以同时或以预定浓度和定时模式将一种或多种气体输送到一个或多个生物反应器。分配器构件2001可以可操作地连接到一个或多个质量流量控制器、流量控制器和/或其它阀1801。如图21所示，多生物反应器系统2100包括混合阀1502，该混合阀用于在输送到分配器构件2001之前预混合各种气体。气体的混合可以取决于特定生物反应器在特定时间的需要而改变。根据本发明的实施方案，多生物反应器系统的给定生物反应器中的微生物生长可以处于不同的生长阶段(例如培养物生长的第一阶段至最后阶段)或处于类似的生长阶段。

如图22所示，多个生物反应器102可以由单个管道或软管2201流体连通地连接，然后可操作地连接到一种气体或多种气体的来源。该单个管道或软管2201可以链接到输送一种气体和/或多种气体到多个生物反应器102的各种管道或软管2203。可选地，每个生物反应器可以具有调节构件301，用于调节一种或多种气体到每个生物反应器的输送。在此，分配器构件(类似于参考图21所示)可以由单个的电磁阀301替代，该电磁阀控制空气和/或其它气体到每个反应器或反应器集合体的流量。另外，到多生物反应器系统中的每个生物反应器的气体输送可以预混合，从而每个生物反应器按预定工作循环的预定时间表接收气体。根据本发明的其它实施方案，用根据需要向生物反应器供给空气的马达实现气体输送控制。

图23示出生物反应器，其具有添加到生物反应器的液面上空间或上部区域(例如在培养基的上部中和/或在自由表面上方)的气体。根据这种实施方案，可以输送二氧化碳和/或其它气体，而不通过培养基喷射。入口108可以通过一个或多个端口108直接供给气体，该端口可以但不必高于反应器103中的培养基液面。以此方式直接供给一种或多种气体到培养基上方的液面上空间可以降低供给压力，从而降低系统的能量需求；如果需要，该方法还可以最小化对培养基的搅拌。任何上述系统都可以单独地或与输送一种或多种气体到生物反应器的底部区域(例如培养基下方)组合地将一种或多种气体输送到系统的顶部。图24示出具有一种或多种气体到生物反应器的双端口输入308、2401的系统，其中可以将气体同时或以不同时间和浓度输送到生物反应器的顶部或底部。根据本发明的实施方案，流量的调节可以通过阀302实现，该阀可操作地连接到一个或多个控制器1301、1302。

在其它实施方案中，可以确定生物反应器系统的表面积以控制二氧化碳和其它气体到培养基中的扩散。根据这种实施方案，可以取决于系统的需要改变自由表面积。对于具有非均匀横截面的任何生物反应器，表面积可以是培养基深度的函数。根据本发明的实施方案，通过控制生物反应器中的培养基深度，可以控制表面积。图25示出大致为三角形的生物反应器的横截面。在培养基水平104上升和表面积减小时，面容比下降。如果培养基液面降低，则表面积增加且培养基体积减小，造成面容比增加。

在其它实施方案中，如果使用基于膜的生物反应器或类似，则可以调节生物反应器内部的压力，改变水位特征，这会影响培养基-气体界面的表面积。根据本发明的一些实施方案，可以通过控制生物反应器内部的压力来控制培养基的pH。图26示出两个生物反应器由于浸没在池(例如热池；2605)中同时系链2604至池的底部而产生的压力(例如背压；2601，2602)差异。如图所示，自由表面105上方的气体量(例如液面上空间，103)可以由于压力的改变而改变。根据本发明的一些实施方案，可以改变二氧化碳和/或其它气体的供给压力以控制光生物反应器103内的压力，且因此控制液面上空间中气体到培养基的表面积的大小。根据本发明的实施方案，以此方式改变内部压力还允许通过控制液面上空间中气体到培养基的表面积以增加或减小二氧化碳到培养基中的扩散速率，监视和/或控制pH。

根据本发明的一些实施方案，光生物反应器用减小的流量和降低的能量需要提供空间上的间歇性喷射，而产生相同或改进的培养结果。在一个实施方案中，生物反应器不沿着其整个长度输送气体或者进行喷射，而是通过在长度方向上有间隔地隔开的成组的一个或多个孔来输送气体。图27示出在基于膜的光生物反应器中使用的气泡管2701的示意图。气泡管2701在一段(例如3英寸)中具有孔，然后(例如在接下来的9英寸中)没有孔。与具有规则间隔孔的管相比，所示的气泡管2701模式以减少的气体和能量需要产生类似或更好的混合。图28示出使用该模式在袋中产生的对流的照片，在其上叠加有现有管道。在一个实验中，在加注有水的反应器内使用锯末以示出流体的移动。进行空间上间歇性喷射的生物反应器的部分优点包括：减少的能量、较低的操作成本、较低的资本成本(至少部分地由于气体输送设备的尺寸减小)及在一些系统中更好的混合能力。

图29示出实验数据，其中低流量的空间上间歇性喷射袋与标准的间隔孔间歇性喷射袋进行比较。图29表示对生长进行的各种测试(在改变的喷射条件下时间(观察日期)相关的光学密度、减少的喷射(虚线)和完全喷射(实线))的图表。

在本发明的一些实施方案中，在生长光合微生物时，生长的副产物之一是氧。虽然这可以是有价值的联产物且可以捕获以用于使用，但由微生物产生的氧会溶解在培养基中并可能累积到过饱和水平，远高于在这些条件下通常出现在培养基中水平。高水平的溶解氧会阻止光合微生物的生长。从培养基中去除溶解氧的方法包括但不限于，添加化学物质到培养基中、振摇或搅拌培养基、在培养基上抽出真空或较低压力，和喷射。根据特定实施方案，喷射可以是最简单和最经济的方案。例如，与用主要为空气的气体混合物进行喷射相比，用在其中具有较低氧分压或不具有氧分压的气体进行喷射甚至可以更加有效。

根据本发明的一些实施方案，光生物反应器系统具有开放式光生物反应器，该反应器具有部分地封闭的室，其中气体可以累积并扩散到培养基中。该室可以尺寸适合于允许将二氧化碳分配到培养基中。在一些实施方案中，封闭部分可以覆盖生物反应器中的培养基的自由表面的大部分或仅一部分。

根据本发明的一个实施方案，通过预混合大气空气与二氧化碳以在气体混合物中实现期望的二氧化碳分压，并输送预混合的气体到生物反应器系统，可以缩减生物反应器系统硬件的尺寸和/或成本。根据这种实施方案，气体输送可以是连续的或间歇性的。如果气体输送是间歇性的，则可以按固定时间表或固定工作循环进行输送，其中开启时间和关闭时间是恒定的。输送气体到生物反应器的其它实施方案包括气体输送，其中开启和关闭时间预编程为时刻、日期、生物反应器的物理位置(例如海拔、维度和/或经度)或这些参数的组合的函数。在一些实施方案中，这种参数可以在编程后固定，例如生物反应器系统可以事先编程若干年，从而该系统不依赖于反馈或当前信息，而是可以依赖于预定参数(例如通过历史数据确定的参数)。

根据本发明的其它实施方案，光生物反应器系统能够接收用或不用实际反馈获得的实时信息。例如，生物反应器系统的控制器可以配置为接收天气信息，如当前条件或将来条件的预测。在一些实施方案中，恒定浓度气体输送系统可以使用来自本地传感器的实际反馈数据以控制和最终调节输送到生物反应器的流速和/或时间。

在一些实施方案中，可以采用使用恒定浓度的一种或多种气体的系统，其中二氧化碳的浓度处在较高水平以便当需求处在其最高水平时输送足够水平的二氧化碳。根据这种实施方案，可以在大部分时间中输送过量的气体。为了补偿输送到生物反应器的过量的气体，捕集箱可以流体连接到生物反应器系统的液面上空间以回收排气，例如未使用的二氧化碳。

根据本发明的其它实施方案，生物反应器使用可在分配到生物反应器之前调节的预混合气体。例如，可以在夜间(例如在培养物生长减少时)减少输送到系统的二氧化碳，或可以根据季节改变或本地生长条件来调节气体输送，本地生长条件可以包括但不限于温度、环境照明和/或压力波动。如上文详述，可以通过开环模型使用事先收集的信息确定预混合气体中的浓度，该信息如从网络捕获的信息，包括但不限于本地天气条件或通过传感器收集的其它信息或其组合。

根据本发明的其它实施方案，生物反应器系统单独地输送各气体到生物反应器。在这种系统中，空气、二氧化碳、惰性气体或其它气体的流独立地输送到生物反应器。本发明的实施方案可以使用控制器来确定生物反应器需要的二氧化碳中的碳量，以便在一个或多个状态中遵循指令轨迹。例如，该轨迹可以是用于以恒定pH(例如，约6.5至约8.0的pH)操作生物反应器的恒定值，或白天用一个pH，夜间用另一个pH。所使用的基于模型的控制器的细节在名称为“Model Based Controls forUse with Bioreactors(用于生物反应器的基于模型的控制)”的2008年6月26日递交的临时专利申请61/076,103号中详细阐明，其通过引用整体结合在本文中。

在本发明的一些实施方案中，上述基于模型的控制器可以扩展为包括气体/培养基界面的动力学，从而该模型可以用于确定液面上空间中的气体应为何种成分，以便影响培养基的期望的碳含量(pH)。在这些实施方案中的部分中，可以类似地包括二氧化碳扩散的动力学，以作为例如表面积、生物反应器的液面上空间的二氧化碳分压、培养基中的二氧化碳的等价分压、温度、培养基和气体移动的函数。

根据本发明的其它实施方案，气体输送系统对照设定点测量pH并确定是否需要任何校正，且如果需要，则确定调节气体输送以在生物反应器系统中实现设定点的方向和幅度。在一个实施方案中，可以计算误差(例如期望的pH减去测量得到的pH)，且如果结果的绝对值大于预定量，则可以开始校正。如果误差小于预定量，则不需要执行校正操作，且碳的反馈项将为零。如果误差大于或等于预定量(这也称为“死区”)，则识别出对系统进行调节的需要。

在其它实施方案中，如果误差的绝对值过大，则如果在培养基中存在过多的碳与其中没有出现足够碳的情形相比，校正操作可以不同。如果存在过多的碳(这可能表现为低于期望的pH)，需要对于是否开始校正操作作出判断。这通过评估误差的幅度来进行。如果误差的绝对值小于特定的量，则可以通过不进行操作并允许光合作用用尽藻类培养物中的碳，升高pH以更好地服务于系统。如果误差的幅度足够大从而pH显著地减小，则需要去除部分碳。根据本发明的实施方案，在这种情况下为了升高pH，可以将气体输送到光生物反应室，该气体为百分之百的空气，随后在预定的较晚时间为二氧化碳，或输入气体中的二氧化碳的浓度可以减少。

根据本发明的一些实施方案，自动化二氧化碳的导入；根据本发明的其它实施方案，手动进行二氧化碳的导入。该校正可以作为简单的反馈方案进行，其中碳的量成比例于误差(P控制器)，或基于成比例于误差的项和成比例于误差的积分的另一个项(PI控制器)。在这种实施方案中，可以使用比例控制器。因为存在考虑生长的开环项，该项只需要考虑进行校正所需的量。在这种实施方案中，可以确定和使用比例项。其它实施方案使用有限拍(deadbeat)”式控制器，该控制器能够计算在预定量的时间(例如一个时间步长)中校正误差所需的浓度。例如，可以通过在操作时微调控制器来确定一个比例项。在一个示例系统中，可以计算出闭环项的所需碳量并将其添加到开环项中以得到期望添加到生物反应器系统中的碳总量。

存在控制反应器的多种不同方式以最优化二氧化碳摄取效率或最小化所需的硬件、耐久性等：

恒定浓度预混合气体：在一个实施方案中，从硬件角度的手段可以是预混合大气空气和CO₂以在气体混合物中实现期望的CO₂分压，并始终使用该气体进行喷射。喷射可以是连续的或可以是间歇性的。如果喷射是间歇性的，则其可以按固定时间表进行，其中开启和关闭时间的持续期是恒定的。稍微复杂一些的系统可以使开启和关闭时间为时刻的函数、日期、反应器的物理位置(海拔和经度)等或其中的两个或多个的任意组合的函数。在该情况下，所有这些参数是固定参数，其可以事先编程(若干年)且不依赖于任何反馈或当前信息。该系统的更加复杂的版本可以包括不用实际反馈而可以获得的更加当前的信息。其示例可以包括接收天气信息，该信息可以包括当前条件且还可以包括预测。该恒定浓度系统甚至可以通过使用来自本地传感器的实际反馈而变得更加复杂。当然，可以将上述这些的任意组合放在一起。

该系统的限制是，需要使用可处理最坏情况的CO₂需求的气体浓度，意味着大部分时间中浓度会大于所需，且除非存在捕获和回收排气的装置，CO₂的使用将很高。同时，由于不分离CO₂的导入和空气的喷射，会有在不需要CO₂时添加CO₂的时间，因此再次使用多于所需的CO₂。优点是，气体可以在中心点预混合并通过该点分配，极大地降低成本。

可变浓度预混合气体：上述系统可以设计为使得可以在进行分配之前事先调节预混合气体的浓度。例如可以在夜间减少，或对于季节或本地生长条件，包括温度环境照明等调节CO₂的量。如上所述，预混合气体中的浓度可以单独地通过仅使用事先已放在表中的信息的开环模型确定，其可以使用来自网络的信息，可以使用本地天气条件，可以使用来自传感器的反馈信息，和这些的任意组合。

独立的空气和CO ₂ 输送：有利的可以是不预混合气体并独立地控制空气、CO₂和到袋的任何气体的流量。

下面更详细地描述一种系统：

确定生长所需的CO ₂ 的量：此处详述用于控制反应器的实施方案使用基于模型的控制器来预先确定反应器需要的碳量，以便在一个或多个状态中遵循指令轨迹。该轨迹可以是恒定值，例如可以是期望如在这些实验那样以7.3的恒定pH操作反应器，或可以期望使pH保持在7.3并允许其在夜间上升。

上文所述的基于模型的控制器可以扩展为包括气体/培养基界面的动力学，从而该模型可以用于确定液面上空间中的气体应具有何种成分以便影响培养基的期望的碳含量(pH)。这些模型类似地可以包括二氧化碳到培养基中的扩散的动力学，该动力学作为表面积、液面上空间中的二氧化碳的分压、培养基中的CO₂的等价分压、温度、培养基和气体移动等的函数。

确定是否pH在控制下：该实施方案中出现的下一步骤是，系统对照设定点比较测量得到的pH并确定是否需要任何校正，且如果是，则确定校正的方向和幅度。这通过计算误差(期望的pH-测量得到的pH)并查看是否其绝对值大于死区来进行。如果其小于死区，则不需要校正操作且碳的反馈项为零。如果误差大于或等于死区，则需要进行校正。

如果需要校正pH，则确定需要添加或去除多少碳：如果误差的绝对值过大，则在培养基中存在过多碳与碳不足的情况相比校正操作将不同。如果存在过多碳(pH低于期望)，则需要作出是否应进行校正的判断。这通过评估误差的幅度来进行。如果误差的绝对值小于特定量，则最好不执行任何操作并让光合作用用尽碳，升高pH。如果误差的幅度足够大，使得pH处于危险的低水平，则需要去除一部分碳且这将通过仅向系统喷射空气来实现。存在在此可以执行的大量细微方法以影响结果。其示例包括可以喷射100％的空气，然后仅在最后时刻添加CO₂。替代地，可以仅降低气体混合物中的CO₂浓度。这不会很快地升高pH，但将更加可控且可以最小化超过期望pH的风险。(可以通过对于正误差和负误差具有不同的死区来覆盖要对其进行操作的误差小于期望的第一种情况)。

如果pH过高，则需要添加更多碳。该校正可以作为简单的反馈问题进行，其中碳的量成比例于误差(P控制器)，或基于成比例于误差的项和成比例于误差的积分的另一个项(PI控制器)。在该情况下，仅使用比例控制器。因为存在考虑生长的开环项，该项只需要考虑进行校正所需的量。在该情况下，确定和使用比例项。然而，这可以用有限拍式控制器进行，该控制器计算在预定量的时间中(在有限拍的情况下为1个时间步长，但这不可能，除非使用非常长的时间步长)校正误差所需的浓度。通过在其进行操作时微调控制器来选择已在使用的比例项。

找出所需的碳的总量：一旦已计算出闭环项的所需碳量，则可以将其添加到开环项中以得出期望添加的碳的总量。

确定需要何种喷射以得到该碳量：一旦计算出期望添加到培养基中的碳量，则需要算法来确定气体应具有何种成分以便实现该碳量。同样，基于模型的控制是用于该目的的优选方法。

与对喷射的其它需求调和：最后，需要考虑对于喷射的其它考虑事项。有可能控制器确定不需要执行任何操作以便保持期望的pH，而需要喷射以混合培养基。在该情况下，必须忽略pH控制器且将喷射设定为同时满足其它需要而仍然保持pH控制的值。

图31示出根据本发明实施方案的光生物反应器系统。根据本发明的实施方案，使用用于液面上空间(例如液面上)浓度(不包括扩散动力学)的动态建模方法，假定气泡通过培养基而不扩散，且仅取代液面上的气体。这发生的速率由α确定，该α进而是喷射速率的函数。液面上CO₂气体浓度的状态方程是：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}{X}_{{\mathrm{CO}}_2\left(H\right)}=\frac{w_{\mathrm{sp}\arg e\left(\mathrm{SLM}\right)}}{m_{H\left(\mathrm{SL}\right)}}(X_{{\mathrm{CO}}_2\left(T\right)}-X_{{\mathrm{CO}}_2\left(H\right)})$

$X_{{\mathrm{CO}}_2\left(T\right)}\left(t\right)=X_{{\mathrm{CO}}_2\left(m\right)}(t-{\mathrm{\τ}}_d)$

变量及其表示的值在图31中描述。假定在当CO₂浓度在来源处改变时，即和当其压入平板式光生物反应器(例如，

)时之间存在传输延迟。该延迟由τ_d表示。在图32-34中示出示例仿真，其中w_sparge＝50(w_sparge：w_喷射)(标准升每分钟-SLM)，m_H＝50(标准升-SL)，和τ_d＝0.3(秒)，对此水平轴线表示单位为秒的时间。图32示出根据本发明实施方案的使用不具有扩散动力学的光生物反应器的动态建模仿真中的空气流速。图33示出根据本发明实施方案的使用不具有扩散动力学的光生物反应器的动态建模仿真中的受控二氧化碳输入流速。图34示出根据本发明实施方案的使用不具有扩散动力学的光生物反应器的动态建模仿真中的二氧化碳液面上浓度。当CO₂ MFC关闭时，CO₂浓度等于其在空气中的浓度，即

类似地，当CO₂ MFC开启至5SLM时，最终液面上浓度为

根据本发明的实施方案，可以执行另一个仿真以考虑气泡和培养基之间及液面上空间表面和培养基之间的一些扩散动力学。假定气泡和培养基之间的扩散为表面处的气泡的CO₂浓度即

的函数。在其上升时气泡气体浓度的动力学蕴含在一状态中，该状态对管中的气泡CO₂浓度，即

和表面处的气泡CO₂浓度，即

之间的差异建模。描述气体传输机制的微分方程由下述给出：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}{X}_{{\mathrm{CO}}_2\left(H\right)}={\mathrm{\α}}_{{\mathrm{CO}}_2(\mathrm{SB}\→H)}\left(w_{\mathrm{sp}\arg e}\right)(X_{{\mathrm{CO}}_2\left(\mathrm{SB}\right)}-X_{{\mathrm{CO}}_2\left(H\right)})+{\mathrm{\α}}_{{\mathrm{CO}}_2(M\→H)}\left(w_{\mathrm{sp}\arg e}\right)(X_{{\mathrm{CO}}_2\left(M\right)}-X_{{\mathrm{CO}}_2\left(H\right)})$

$\frac{d}{\mathrm{dt}}{X}_{{\mathrm{CO}}_2\left(\mathrm{SB}\right)}={\mathrm{\α}}_{{\mathrm{CO}}_2(T\→\mathrm{SB})}\left(w_{\mathrm{sp}\arg e}\right)(X_{{\mathrm{CO}}_2\left(T\right)}-X_{{\mathrm{CO}}_2\left(\mathrm{SB}\right)})+{\mathrm{\α}}_{{\mathrm{CO}}_2(M\→\mathrm{SB})}\left(w_{\mathrm{sp}\arg e}\right)(X_{{\mathrm{CO}}_2\left(M\right)}-X_{{\mathrm{CO}}_2\left(\mathrm{SB}\right)})$

$\frac{d}{\mathrm{dt}}{X}_{{\mathrm{CO}}_2\left(M\right)}={\mathrm{\α}}_{{\mathrm{CO}}_2(\mathrm{SB}\→M)}\left(w_{\mathrm{sp}\arg e}\right)(X_{{\mathrm{CO}}_2\left(\mathrm{SB}\right)}-X_{{\mathrm{CO}}_2\left(M\right)})+{\mathrm{\α}}_{{\mathrm{CO}}_2(H\→M)}\left(w_{\mathrm{sp}\arg e}\right)(X_{{\mathrm{CO}}_2\left(H\right)}-X_{{\mathrm{CO}}_2\left(M\right)})-w_{{\mathrm{CO}}_2\mathrm{consumed}}$

$X_{{\mathrm{CO}}_2\left(T\right)}\left(t\right)=X_{{\mathrm{CO}}_2\left(m\right)}(t-{\mathrm{\τ}}_d)$

的方程中的最后一项，即

表示由于微藻生长从培养基中去除CO₂(浓度)的速率，其可以从在2009年6月26日递交的PCT/US2009/048976号PCT专利申请中描述的生长模型中得出，该申请2010年1月7日作为国际公布WO 2010/002745 A1号公布，其内容通过引用结合在本文中。当前仿真的值由表1给出。

表1

所得出的仿真由图35-37示出，其中横轴表示单位为秒的时间。图35示出根据本发明实施方案的使用用于具有一些扩散动力学的光生物反应器的动态建模仿真中的空气流速。图36示出根据本发明实施方案的使用具有一些扩散动力学的光生物反应器的动态建模仿真中的受控二氧化碳输入流速。图37示出根据本发明实施方案的使用用于具有一些扩散动力学的光生物反应器的动态建模仿真中的二氧化碳液面上浓度。该仿真示出表面气泡和液面上空间首先分别达到平衡，这可以由气体-液体扩散的缺乏解释。培养基用更长的时间达到平衡。这些条件是表1中的参数的函数。在那时，假设CO₂液面上空间浓度等于CO₂输入浓度所用时间与CO₂液面上空间浓度等于溶解培养基CO₂浓度所用时间相比相对较小。根据本发明的实施方案，如在参考图32-34描述的第一方法中所述达到相同的平衡值。

图38-46示出根据本发明实施方案的涉及到光生物反应器的间歇性气体输送的实验数据。图38示出图表，其示出根据本发明实施方案的开启时间相对于间歇性和连续喷射的时间的百分比。图38示出间歇性喷射显著地减少压气机用于喷射的时间量(例如低至用于连续喷射的时间的0.5％，或只在白天进行的连续喷射的1％)。

图39示出图表，其示出根据本发明实施方案的间歇性和连续喷射的随时间的碳捕获效率。图40示出图表，其示出根据本发明实施方案的间歇性和连续喷射的每天随时间的每英尺长度袋上输送的二氧化碳克数。图39和40示出间歇性喷射提高二氧化碳使用效率，根据本发明的实施方案，与连续喷射的平均值0.5％相比碳捕获效率高至22％。

图41示出图表，其示出根据本发明实施方案的在白天时间段期间与喷射流量和PAR相比的pH和输送的二氧化碳百分比。图41示出根据本发明的实施方案，间歇性喷射能够在白天期间有效地将pH控制在设定范围。图42示出另一个图表，其示出根据本发明实施方案的在一天的大部分时间中与喷射流量和PAR相比的pH和输送的二氧化碳百分比。

图43示出另一个图表，其示出根据本发明实施方案的在夜间时间段期间与喷射流量和PAR相比的pH和输送的二氧化碳百分比。图43示出根据本发明的实施方案，间歇性喷射能够在夜间期间有效地将pH控制在设定范围。

图44示出另一个图表，其示出根据本发明实施方案的对用于二氧化碳输送的间歇性和连续喷射进行比较的在若干天上的培养物密度。图44示出间歇性喷射不会显著地降低藻类培养物的生长速率。

图45示出图表，其示出根据本发明实施方案的pH、到液面上空间的流量和在十二小时时间段中的PAR，在该时间段期间，二氧化碳间歇性地仅输送到光生物反应器的液面上空间而不喷射到光生物反应器中。图46示出图表，其示出根据本发明实施方案的在十一天的时期中的单位为克每升的藻类培养物密度，对其中二氧化碳仅间歇性地输送到光生物反应器的液面上空间的光生物反应器与其中二氧化碳连续地喷射到光生物反应器中的光生物反应器进行比较。图45和46的图表示出根据本发明的实施方案，液面上空间直接输送和/或直接供给到液面上空间能够在过程期间保持培养基中的pH水平，而只有很少的二氧化碳或能量使用，造成培养物生长。

可以对上述示例实施方案做出各种修改和补充而不脱离本发明的范围。例如，虽然上述实施方案引用了特定特征，但本发明的范围还包括具有不同特征组合的实施方案和不包括所有所述特征的实施方案。因此，本发明的范围旨在包括落在本申请权利要求及其所有等价的范围内的所有这种替代、修改和变化。

Claims (28)

1.一种用于在光生物反应器中导入二氧化碳的方法，所述光生物反应器具有培养基和相邻于所述培养基的液面上空间，所述方法包括：

确定所述培养基中的二氧化碳不足；和

基于所述确定，根据工作循环输送二氧化碳到所述光生物反应器中，其中所述工作循环包括开启时间和关闭时间，其中在所述开启时间期间将供给二氧化碳输送到所述光生物反应器且排出已在所述液面上空间中的至少一部分气体，以及其中在所述关闭时间期间驻留在所述液面上空间中的二氧化碳扩散到培养基中。

2.一种用于在生物反应器中生长微生物的方法，包括：

在所述生物反应器中生长微生物的培养物；和

在预定持续期中导入一种或多种气体到所述生物反应器中，其中所述持续期不长于工作循环的90％。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述微生物包括藻类。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，导入一种或多种气体包括通过喷射一种或多种气体到所述微生物的培养物中来导入一种或多种气体。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，喷射器可操作地连接到控制器系统，其中所述控制器系统可操作地连接到反馈中继系统以确定所述培养物的生理条件。

6.一种用于在光生物反应器中生长藻类培养物的方法，包括：

在所述光生物反应器中生长藻类的培养物；和

在预定持续期中导入一种或多种气体到所述生物反应器中，其中所述持续期不长于生长的工作循环的90％。

7.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述一种或多种气体包括二氧化碳、空气或惰性气体。

8.一种用于导入一种或多种气体到光生物反应器中的控制系统，包括：

闭环控制器，其能够接收来自一个或多个传感器的信号；和

所述一个或多个传感器，能够接收二氧化碳浓度、O₂浓度、空气水平、培养物密度、培养物温度和pH中的一个或多个的数据。

9.一种光生物反应器，包括：

一个或多个控制器，其用于控制一种或多种气体到所述光生物反应器的输送；

一个或多个喷射器，其用于输送所述一种或多种气体到所述光生物反应器；

所述一个或多个控制器能够接收来自一个或多个传感器的信号；

所述一个或多个传感器能够接收二氧化碳浓度、O₂浓度、惰性气体水平、空气水平、光学密度和pH中的一个或多个的数据；

一个或多个阀，其用于输送所述一种或多种气体，其中所述一个或多个阀能够从完全开启位置改变到完全关闭位置，且其中所述一个或多个阀可操作地连接到所述一个或多个控制器；

一个或多个压力调节器，其可操作地连接到所述一个或多个阀和所述一个或多个控制器；和

可选的一个或多个流量控制装置。

10.根据权利要求9所述的光生物反应器，其特征在于，所述一个或多个喷射器包括用于输送二氧化碳的至少一个喷射器和用于输送空气的至少一个喷射器。

11.根据权利要求9所述的光生物反应器，其特征在于，所述一个或多个喷射器同时打开、同时关闭，或以改变的时间间隔打开和关闭，其中一个或多个喷射器在不同的工作循环期间从打开或关闭循环。

12.一种用于一个或多个光生物反应器的控制系统，包括：

一个或多个控制器，其能够接收来自所述一个或多个光生物反应器的一个或多个传感器的信号；

所述一个或多个传感器能够接收二氧化碳浓度、O₂浓度、惰性气体水平、空气水平、光学密度和pH中的一个或多个的数据；和

分配器，其可操作地连接到所述一个或多个控制器以输送一种或多种气体到所述一个或多个光生物反应器，其中所述分配器可操作地连接到一个或多个阀，且其中所述分配器通过所述一个或多个阀输送所述一种或多种气体到所述一个或多个光生物反应器。

13.根据权利要求12所述的控制系统，其特征在于，所述分配器还包括能够输送气体的混合物到所述一个或多个光生物反应器的分配器。

14.根据权利要求12所述的控制系统，其特征在于，所述分配器还包括用于同时或以预定时间间隔输送一种或多种气体到光生物反应器的分配器，其中预定时间间隔包括类似的时间间隔或改变的时间间隔，但其中所述一种或多种气体不连续地输送到所述一个或多个光生物反应器。

15.根据权利要求12所述的控制系统，其特征在于，所述一个或多个阀包括手动控制的阀、定时器控制的阀、电子控制的阀、被动控制的阀、传感器控制的阀或其组合。

16.根据权利要求12所述的控制系统，其特征在于，所述一个或多个传感器接收所述一个或多个光生物反应器的一个或多个培养基和自由空间中的二氧化碳浓度、O₂浓度、惰性气体水平、空气水平、光学密度和pH中的一个或多个的数据。

17.根据权利要求16所述的控制系统，其特征在于，所述分配器基于由所述传感器接收的数据分配所述一种或多种气体。

18.一种用于在光生物反应器中生长微生物的方法，包括：

在光生物反应器的培养基中生长微生物的培养物；

评估所述培养基的pH；和

基于培养基的pH调节所述微生物的培养物的自由表面积。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括在预定持续期中间歇性地导入二氧化碳、惰性气体或空气中的一个或多个到所述培养物中，其中基于培养基的pH，所述持续期不长于工作循环的90％。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述微生物包括藻类。

21.一种用于在基于膜的光生物反应器中生长微生物的方法，包括：

在光生物反应器的培养基中生长微生物的培养物；

评估所述培养基的pH；和

基于所述培养基的pH，调节所述培养基和所述培养基上方的液面上空间之间的表面积。

22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，通过改变所述光生物反应器上的背压调节所述膜的表面积。

23.一种用于一个或多个光生物反应器的控制系统，包括：

一个或多个控制器，其能够指令输送一种或多种气体到一个或多个光生物反应器；

所述一个或多个控制器编程至用于所述一个或多个光生物反应器的二氧化碳浓度、O₂浓度、惰性气体、空气水平和pH中至少一个的预定水平；

所述一个或多个控制器编程为接收来自所述一个或多个光生物反应器的二氧化碳浓度、O₂浓度、空气水平、惰性气体水平和pH中的一个或多个的数据；和

分配器，其可操作地连接到所述一个或多个控制器以基于所述预定水平和从所述一个或多个光生物反应器接收的数据，输送所述一种或多种气体到所述一个或多个光生物反应器。

24.根据权利要求23所述的控制系统，其特征在于，所述分配器可操作地连接到一个或多个阀，其中所述分配器通过所述一个或多个阀输送所述一种或多种气体到所述一个或多个光生物反应器。

25.根据权利要求23所述的控制系统，其特征在于，所述一个或多个光生物反应器设定至二氧化碳浓度、O₂浓度、惰性气体水平、空气水平和pH中至少一个的不同的预定水平。

26.根据权利要求23所述的控制系统，其特征在于，所述一种或多种气体中的一个或多个在被输送到所述一个或多个光生物反应器之前混合。

27.一种用于在光生物反应器中生长藻类的方法，包括：

在光生物反应器中生长藻类的培养物；和

在预定持续期中导入一种或多种气体到所述光生物反应器的自由空间中，其中所述持续期不长于生长的工作循环的90％。

28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，搅拌所述光生物反应器中的培养基，但不通过喷射气体的方式。

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