CN103608103A - 用于光生物反应器系统的光能供应器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光生物反应器系统，其包括供应原料处理子系统、反应器子系统、产物物料处理子系统和太阳能供应子系统。反应器子系统包括构造成用于容纳反应混合物的光生物反应器，反应混合物在暴露于光合有效光辐射下时能有效地进行光合作用，反应混合物包括光合作用反应试剂。供应原料处理子系统构造成给反应器提供供应原料，供应原料包括光合作用反应试剂中的至少一种。产物物料处理子系统构造成用于接收从反应器排出的反应区产物并对所接收的反应区产物进行液体成分的分离。太阳能供应子系统包括至少一个太阳能收集器，其中，至少一个太阳能收集器中的每一个都安装在光生物反应器上并包括构造成用于接收入射太阳辐射的太阳能收集器表面，以便提供至少一个太阳能收集器表面来限定总的连接至光生物反应器的太阳能收集器的表面面积，其中，至少一个太阳能收集器中的每一个都可操作地联接至能量供应组件，能量供应组件构造成用于传输源自所接收的入射太阳辐射的能量并将能量供应给其它子系统中的至少一个。总的连接至光生物反应器的太阳能收集器的表面面积至少为75平方米。

Description

用于光生物反应器系统的光能供应器
技术领域
本发明涉及利用入射太阳辐射的光生物反应器。
背景技术
为了生产燃料源，已广泛栽培光养生物。工业生产中排放的废气也已通过为光养生物提供在光合作用中需要消耗的二氧化碳而被用来促进光养生物的生长。通过提供用于此类用途的废气，可降低对环境的影响并且可同时生成潜在的有用的燃料源。然而，对于将此工艺引入现有设备中而言，要使此工艺更具经济吸引力，则还存在挑战。
发明内容
在一个方面中，本发明提供一种光生物反应器系统，其包括供应原料处理子系统、反应器子系统、产物物料处理子系统和太阳能供应子系统。所述反应器子系统包括构造成用于容纳反应混合物的光生物反应器，所述反应混合物在暴露于光合有效光辐射（photosynthetically active light radiation）下时能有效地进行光合作用，其中，所述反应混合物包括光合作用反应试剂。所述供应原料处理子系统构造成给所述光生物反应器提供供应原料，所述供应原料包括所述光合作用反应试剂中的至少一种。所述产物物料处理子系统构造成用于接收从所述光生物反应器排出的反应区产物并对所接收的反应区产物进行液体成分的分离。所述太阳能供应子系统包括至少一个太阳能收集器，其中，所述至少一个太阳能收集器中的每一个都安装在所述光生物反应器上并包括构造成用于接收入射太阳辐射的太阳能收集器表面，以便提供至少一个太阳能收集器表面来限定总的连接至光生物反应器的太阳能收集器的表面面积，其中，所述至少一个太阳能收集器中的每一个都可操作地联接至能量供应组件，所述能量供应组件构造成用于传输源自所接收的入射太阳辐射的能量并将所述能量供应给其它子系统中的至少一个。所述总的连接至光生物反应器的太阳能收集器的表面面积至少为75平方米。
在另一方面中，本发明提供一种光生物反应器系统，其包括供应原料处理子系统、反应器子系统、产物物料处理子系统和太阳能供应子系统。所述反应器子系统包括构造成用于容纳反应混合物的光生物反应器，所述反应混合物在暴露于光合有效光辐射下时能有效地进行光合作用，其中，所述反应混合物包括光合作用反应试剂。所述供应原料处理子系统构造成给所述光生物反应器提供供应原料，所述供应原料包括所述光合作用反应试剂中的至少一种。所述产物物料处理子系统构造成用于接收从所述光生物反应器排出的反应区产物并对所接收的反应区产物进行液体成分的分离。所述太阳能供应子系统包括至少一个太阳能收集器，其中，所述至少一个太阳能收集器中的每一个都安装在所述光生物反应器的有效安装表面上并且包括构造成用于接收入射太阳辐射的太阳能收集器表面，其中，所述至少一个太阳能收集器中的每一个都可操作地联接至能量供应组件，所述能量供应组件构造成用于传输源自所接收的入射太阳辐射的能量并将所述能量供应给其它子系统中的至少一个。所述有效安装表面相对于竖直方向定向在45度的范围内。
在另一方面中，本发明提供一种光生物反应器，其包括容器和多个有效光传输组件。所述容器构造成用于容纳反应区中的反应混合物，其中，所述反应混合物在暴露于光合有效光辐射下时能有效地进行光合作用，并且所述反应混合物包括光合作用反应试剂，其中，所述反应区具有至少3000升的容积。所述多个有效光传输组件构造成给所述光生物反应器的所述反应区供应光能，从而使得在所述反应区的至少80%内的所述反应混合物暴露于光合有效光辐射下，其中，所述有效光传输组件中的每一个都安装至所述反应区并从所述光生物反应器的内表面的有效部分向所述反应区内延伸有效距离，其中所述有效距离小于5米。
在另一方面中，本发明提供一种光生物反应器系统，其包括供应原料处理子系统、反应器子系统、产物物料处理子系统和太阳能供应子系统。所述反应器子系统包括构造成用于容纳反应混合物的光生物反应器，所述反应混合物在暴露于光合有效光辐射下时能有效地进行光合作用，其中，所述反应混合物包括光合作用反应试剂。所述供应原料处理子系统构造成给反应器提供供应原料，其中，所述供应原料包括所述光合作用反应试剂中的至少一种。所述产物物料处理子系统构造成用于接收从所述反应器排出的反应区产物并实现对所接收的反应区产物进行液体成分的分离。所述太阳能供应子系统包括至少一个太阳能收集器，其中，所述至少一个太阳能收集器中的每一个都包括构造成用于接收入射太阳辐射的太阳能收集器表面，并且所述太阳能供应子系统还包括多个沿竖直方向隔开的能量供应组件，其中，所述沿竖直方向隔开的能量供应组件中的每一个都构造成用于传输源自所接收的入射太阳辐射的能量并将所述能量供应至其它子系统中的至少一个，其中，所述至少一个太阳能收集器中的每一个都可操作地联接至所述沿竖直方向隔开的能量供应组件中的至少一个。所述沿竖直方向隔开的能量供应组件中的每一个都从所述光生物反应器的内表面的有效部分延伸到所述反应区内，其中，所述光生物反应器的内表面限定了包括反应区的空间。所述沿竖直方向隔开的能量供应组件中的每一个都相对于其它所述沿竖直方向隔开的能量供应组件设置在不同的竖直位置。
附图说明
现在将结合以下附图来描述本发明优选实施例的工艺：
图1是光生物反应器系统的实施例的框图；
图2是在可在光生物反应器系统的实施例中操作的工艺的实施例的工艺流程图；以及
图3是可在光生物反应器系统的实施例中操作的工艺的另一实施例的工艺流程图；
图4是包括多个太阳能收集器的光生物反应器系统的实施例的示意图；
图5是包括太阳能收集器的光生物反应器系统的实施例的示意图，该太阳能收集器包括滤光器/反射镜组件1006，该滤光器/反射镜组件1006过滤太阳能收集器所接收的入射太阳辐射，以提供为光源目的而接收的入射太阳辐射部分和为发电目的而接收的入射太阳辐射部分；
图6是包括太阳能收集器的光生物反应器系统的另一实施例的示意图，该太阳能收集器包括滤光器/反射镜组件1006，该滤光器/反射镜组件1006过滤太阳能收集器所接收的入射太阳辐射，以提供为光源目的而接收的入射太阳辐射部分和为发电目的而接收的入射太阳辐射部分；
图7是包括多个太阳能收集器的光生物反应器系统的另一实施例的示意图；以及
图8是本发明的工艺的实施例的流体通道的一部分的示意图。
具体实施方式
在本说明书的全文中，当提及“一些实施例”时其含义是：结合一些实施例所描述的特定特征、构造或特性并非必然就是指这些实施例。此外，可依任何适当的方式相互组合所述特定特征、构造或特性。
“光养生物”是在水性介质内接收光能时能通过光合营养生长的生物，诸如植物细胞和微生物等。光养生物可为单细胞或多细胞。在一些实施例中，例如，光养生物是经人工改良或基因改造的生物。在一些实施例中，例如，光养生物是藻类。在一些实施例中，例如，藻类是微藻类（microalgae）。
“光养生物质”是至少一种光养生物。在一些实施例中，例如，光养生物质包括多于一种品种的光养生物。
“反应区10”限定光养生物质生长的空间。在一些实施例中，例如，在光生物反应器12内提供反应区10。在一些实施例中，例如，反应区内的压力为大气压力。
“光生物反应器12”是为光养生物质的生长提供适当环境的任何构造、配置、土地或区域。可通过为光养生物质提供利用光能生长所需的空间从而作为光生物反应器12的特定构造的实例包括，但不局限于贮罐、池塘、槽、渠、池、管、管道、渠道和水道。此类光生物反应器可为开放式、封闭式、部分封闭式、覆盖式或部分覆盖式。在一些实施例中，例如，光生物反应器12是开放式池塘，在这种情况下池塘可从周围环境不受控制地接收原料和光能。在其它实施例中，例如，光生物反应器12是被覆盖或被部分覆盖的池塘，在这种情况下至少部分阻碍池塘从周围环境接收原料。光生物反应器12包括含有反应混合物的反应区10。在一些实施例中，光生物反应器12被构造成接收光养试剂（在某些实施例中，还可选地包括补充养分）的供应，并且还被构造成可排放出反应区10内生长的光养生物质。就此而言，在一些实施例中，光生物反应器12包括用于接收光养试剂和补充养分的供应的一个或多个入口，并且还包括回收或收获反应区10内生长的生物质的一个或多个出口。在一些实施例中，例如，一个或多个入口被构造成可按照周期性的或断续的时间间隔暂时封闭。在一些实施例中，例如，一个或多个出口被构造成可按照周期性的或断续的时间间隔暂时密封或实质上密封。光生物反应器12被构造成容纳在暴露于光合有效光辐射下能有效地进行光合作用的反应混合物。光生物反应器12还被构造成在其内为照射光养生物质而提供光合有效光辐射（例如可由太阳或其它光源发射出的波长介于约400～700nm的光）。使反应混合物暴露于光合有效光辐射下可使光养生物质产生光合作用并生长。在一些实施例中，例如，通过置于光生物反应器12内的人造光源14提供光辐射。例如，适当的人造光源包括沉入式光纤、光导、发光二极管（LED）、LED灯带和荧光灯。本领域已知的任何LED灯带均可适用于光生物反应器12。在使用沉入式LED的一些实例中，为该LED供应电力的能源例如包括诸如风、光伏电池、燃料电池等替代能源。光生物反应器12的外部或内部可使用荧光灯作为备用系统。在一些实施例中，例如，所提供的光来自于自然光源16，该光是从光生物反应器12的外部发射的并且穿过传输构件。在一些实施例中，例如，传输构件是光生物反应器12外壳结构的一部分，其至少能部分地使光合有效光辐射透过，并且被构造成能将光传输至反应区10以被光养生物质接收。在一些实施例中，例如，自然光被太阳能收集器接收、经选择性波长滤光器过滤、然后经光纤材料或光导件传输至反应区10。在一些实施例中，例如，通过自然光源和人造光源这二者来提供光生物反应器12内的光合有效光辐射。
“水性介质”是一种包括水的环境。在一些实施例中，例如，水性介质还包括有助于光养生物质存活和生长的充足养分。在一些实施例中，例如，补充养分可包括例如NOx和SOx中其一或二者。适当的水性介质已详述于以下文献中：Rogers,L.J.和Gallon J.R.的“Biochemistry of the Algae and Cyanobacteria”（藻类和蓝藻细菌的生物化学），牛津Clarendon出版社1988；Burlew,John S.的“Algal Culture:From Laboratory to Pilot Plant”（藻类培养：从实验室到试验工厂），Carnegie学院华盛顿出版社600，华盛顿特区1961（下文称为“Burles1961”）；以及Round,F.E.，The Biology of the Algae（藻类生物学），纽约圣玛丁出版社1965；上述文献分别以引用方式并入本文。一种被称为“Bold基础培养基”的适当的补充营养成分已详述于Bold,H.C.1949，The morphology of Chlamydomonas chlamydogama sp.nov.Bull.Torrey Bot.Club.76:101-8（衣藻属chlamydogama种的形态学）（也可参见Bischoff,H.W.和Bold,H.C.1963，Phycological Studies IV.Some soil algae from Enchanted Rock and related algal species（藻类研究IV.来自着魔岩和相关藻类的一些土壤藻），德州大学出版社，6318：1～95；以及Stein,J.（编辑），Handbook of Phycological Methods,Culture methods and growth measurements（藻类法、培养法和生长测定手册），剑桥大学出版社第7～24页）。
本发明提供一种光生物反应器系统100。图2和图3示出了在光生物反应器系统100的实施例中操作的培养光养生物质的示例性工艺。
反应区10包括在暴露于光合有效光辐射下能有效地进行光合作用的反应混合物。反应混合物包括光合作用反应试剂。光合作用反应试剂包括光养生物质原料、二氧化碳和水。在一些实施例中，反应区包括置于水性介质内的光养生物质和二氧化碳。在反应区内，光养生物质被设置成与二氧化碳和水两者进行质量传递交换。
光生物反应器系统100包括原料供应子系统110、反应器子系统120、产物物料处理子系统130、以及太阳能供应子系统140。
原料供应子系统110构造成将原料111供应至反应器子系统120的反应区10。原料供应子系统所供应的原料包括一种或多种光合作用反应试剂。在一些实施例中，所供应的光合作用反应试剂包括水和二氧化碳。在一些实施例中，水和二氧化碳中的每一种单独引入到反应器子系统120中。在其它实施例中，水和二氧化碳以水性混合物的形式引入。所供应的光合作用反应试剂限定了供应原料处理子系统的各个工艺物料成分。在一些实施例中，例如，所供应的原料还包括补充营养物供料42。
在一些实施例中，例如，供应至反应区10的二氧化碳是气态排放物18。就此而言，在一些实施例中，通过气态排放物产生过程20供应二氧化碳，因此，通过气态排放物产生过程20产生气态排放物18来实现所述供应。气态排放物18包括二氧化碳。气态排放物产生过程20包括实现气态排放物的产生的任何过程。在一些实施例中，例如，气态排放物产生过程20是在燃烧设备中实现的燃烧过程。在这些实施例中的一些实施例中，例如，使用诸如煤炭、石油或天然气等矿物燃料进行燃烧过程。例如，燃烧设备是矿物燃料电厂、工业焚烧设备、工业炉、工业用加热器或内燃机中的任何一种。在一些实施例中，例如，燃烧设备是水泥窑。
反应区供给物料22被供应至反应区10，从而使供给物料22中的二氧化碳被接收到反应区10内。在所述工艺的至少一些操作期间，至少一部分的反应区供给物料22是通过由气态排放物产生过程20排放的气态排放物18供应的。供应至反应区供给物料22的任何气态排放物18被供应作为反应区用气态排放物供料24。应当理解的是，并非全部气态排放物18都必需供应至反应区用气态排放物供料24，或至少不是在所述工艺实施的整个时间段内气态排放物18都必需供应至反应区用气态排放物供料24。反应区用气态排放物供料24包括二氧化碳。在一些实施例中，例如，基于气态排放物18的总体积计算，气态排放物18包含的二氧化碳的浓度为至少2%（体积）。就此而言，在一些实施例中，例如，基于反应区用气态排放物供料24的总体积计算，反应区用气态排放物供料24包含的二氧化碳的浓度为至少2%（体积）。一些实施例中，例如，基于气态排放物18的总体积计算，气态排放物18包含的二氧化碳的浓度为至少4%（体积）。就此而言，在一些实施例中，例如，基于反应区用气态排放物供料24的总体积计算，反应区用气态排放物供料24包含的二氧化碳的浓度为至少4%（体积）。在一些实施例中，例如，反应区用气态排放物供料24还包括NOx和SOx中的一者或二者。
在一些实施例中，例如，反应区用气态排放物供料24是气态排放物产生过程20所产生的气态排放物18的至少一部分。在某些情况下，反应区用气态排放物供料24是气态排放物产生过程20所产生的气态排放物18。
在一些实施例中，例如，至少一部分由气态排放物产生过程20所产生的气态排放物18作为分流气态排放物60被供应至另一操作单元62。分流气态排放物60包括二氧化碳。所述另一操作单元对分流气态排放物60进行转化，从而降低其对环境的影响。在一些实施例中，例如，所述另一操作单元62是烟筒。
在一些实施例中，例如，在将反应区供给物料22供应至反应区10之前冷却反应区供给物料22，使得反应区供给物料22的温度趋近适于光养生物质生长的温度。在一些实施例中，例如，供应至反应区供给物料22的反应区用气态排放物供料24的温度被设定于110至150℃之间。在一些实施例中，例如，反应区用气态排放物供料24的温度为约132℃。在一些实施例中，反应区用气态排放物供料24的温度被设置成远高于上述温度，并且在一些实施例中，例如来自炼钢厂的反应区用气态排放物供料24的温度超过500℃。在一些实施例中，例如，供应有反应区用气态排放物供料24的反应区供给物料22被冷却至介于20℃和50℃之间（例如约30℃）。供应较高温度的反应区供给物料22可能会阻碍反应区10内的光养生物质的生长，甚至会杀死反应区10内的光养生物质。在这些实施例中的一些实施例中，在冷却反应区供给物料22时，在换热器26（例如冷凝器）内冷凝反应区用气态排放物供料24中的任何水蒸汽的至少一部分、并使冷凝产物与反应区供给物料22分离而成为水性物料70。在一些实施例中，形成的水性物料70被转移至容器28（将在下文中说明），在容器28中，水性物料70提供了用于供应至反应区10的补充水性物质供料44。在一些实施例中，冷凝作用产生从反应区供给物料22至传热介质30的热传递，因此传热介质30的温度上升而产生了被加热的传热介质30，然后被加热的传热介质30被供应至（例如流向）干燥机32（将在下文中说明），进行从被加热的传热介质30至中间浓缩反应区产物34的热传递，以干燥中间浓缩反应区产物34，由此产生最终的反应区产物36。在一些实施例中，例如，从干燥机32排放之后，传热介质30被再循环至换热器26。适当的传热介质30的实例包括导热油和乙二醇溶液。
就反应区供给物料22而言，反应区供给物料22是流体。在一些实施例中，例如，反应区供给物料22是气态物料。在一些实施例中，例如，反应区供给物料22包括置于液态物料内的气态物料。在一些实施例中，例如，液态物料是水性材料。在这些实施例中的一些实施例中，例如，至少一部分的气态物料溶解于液态物料内。在这些实施例中的一些实施例中，例如，至少一部分的气态物料被设置成分散于液态物料内的气体分散体。在这些实施例中的一些实施例中，例如，在实施所述工艺的至少一些阶段里，反应区供给物料22中的气态物料含有由反应区用气态排放物供料24供应的二氧化碳。在这些实施例中的一些实施例中，例如，反应区供给物料22以物料流的方式被供应至反应区10。
在一些实施例中，例如，反应区供给物料22以一股或多股反应区供给物料流的方式被供应至反应区10。例如，所述一股或多股反应区供给物料流分别流经各自的反应区供给物料流体通道。在这些实施例中的一些实施例中，当存在多于一股反应区供给物料流时，反应区供给物料流之间具有不同的物料组成。在一些实施例中，例如，反应区供给物料流22包括反应区用气态排放物供料24的物料流。在一些实施例中，例如，反应区供给物料流22是反应区用气态排放物供料24的物料流。
在一些实施例中，例如，反应区供给物料22向反应区10的供应可导致反应区10内至少一部分的光养生物质被搅动。就此而言，在一些实施例中，例如，反应区供给物料22被引入反应区10中较低的部分。在一些实施例中，例如，反应区供给物料22自反应区10的下方引入，因而可导致反应区10的内容物被混合。在这些实施例中的一些实施例中，例如，所导致的混合（或搅动）可使反应区10内任何两点之间的光养生物质浓度的任何差异均低于20%。在一些实施例中，例如，反应区10内任何两点之间的光养生物质浓度的任何差异低于10%。在这些实施例中的一些实施例中，例如，所导致的混合可使得反应区10内产生均质的悬浮液。在这些使用光生物反应器12的实施例中，就这些实施例中的一些实施例而言，例如，反应区供给物料22的供应被构造成可与光生物反应器12协同操作，使得置于反应区10内的至少一部分光养生物质产生所需的搅动。
进一步针对反应区供给物料22向反应区10的供应导致置于反应区10内的至少一部分光养生物质被搅动的这些实施例而言，在这些实施例中的一些实施例中，例如，反应区供给物料22在被引入反应区10之前流经诸如喷头（sparger）40等注气机构。在这些实施例中的一些实施例中，例如，喷头40使供应至反应区10的反应区供给物料22形成含有被夹带于液相内的微气泡的气-液混合物，以使光养生物质与反应区供给物料22中的二氧化碳（以及在一些实施例中，例如SOx和NOx中的一者或两者）之间形成的界面接触面积最大化。这有助于光养生物质有效地吸收光合作用所需的二氧化碳（以及在一些实施例中吸收其它气体成分），因而可促使光养生物质的生长速率达到最佳化。另外，在一些实施例中，例如，喷头40使反应区供给物料22形成较大的气泡，气泡搅动反应区10内的光养生物质，从而促进反应区10内各成分的混合。适当的喷头40的实例为密苏里州哥伦比亚市Enviornmental Dynamics公司的EDI FlexAirTMT-系列91X1003型号的喷管。在一些实施例中，例如，此喷头40被置于光生物反应器12内，光生物反应器12具有6000升容积的反应区10，并且藻类浓度介于0.8克/升至1.5克/升之间，而且反应区供给物料22是以介于10立方英尺/分钟至20立方英尺/分钟之间的流速以及约68英寸水柱的压力来供应的气态流体流。
关于喷头40，在一些实施例中，例如，在考虑反应区10的压头（fluid head）的情况下设计喷头40，使得以能促进光养生物质对二氧化碳的吸收达到最佳化的方式向反应区10供应反应区供给物料22。就此而言，调节气泡的尺寸，使得气泡小到足以促进光养生物质对反应区供给物料中的二氧化碳的吸收达到最佳。同时，气泡的尺寸要大到足以使得至少一部分气泡上升通过反应区10的整个高度，同时减少反应区供给物料22“鼓泡式穿过”反应区10而未被光养生物质吸收就被释放的情况。在一些实施例中，为了促进最佳气泡尺寸的实现，在喷头40的上游利用压力调节器控制反应区供给物料22的压力。
就反应区10置于光生物反应器12内的实施例而言，在这些实施例中的一些实施例中，例如，喷头40被置于光生物反应器12的外部（参见图3）。在其它实施例中，例如，喷头40被置于光生物反应器12内。在这些实施例中的一些实施例中，例如，喷头40从光生物反应器12的底部（并且在光生物反应器12内）延伸。
在一些实施例中，例如，以使反应区供给物料22流经至少70英寸的反应区深度（竖直范围）的压力来供应反应区供给物料22。在一些实施例中，例如，所述深度为至少10英尺。在一些实施例中，例如，所述深度为至少20英尺。在一些实施例中，例如，所述深度为至少30英尺。在这些实施例中的一些实施例中，例如，当气态排放物产生过程20产生气态排放物18并且至少一部分气态排放物18供应至反应区供给物料22（作为反应区用气态排放物供料24）时，实现反应区供给物料22的供应。在这些实施例中的一些实施例中，例如，在被供应至反应区10之前增加反应区用气态排放物供料24（不论就其本身还是作为反应区供给物料流22的一部分）的物料流的压力。在一些实施例中，例如，至少部分利用原动机（prime mover）38增加所述压力。就这些实施例而言，所述压力的增加至少部分归因于原动机38。就反应区用气态排放物供料24是反应区供给物料流22的一部分、并且反应区供给物料包括液态物料的实施例而言，适当的原动机38的实例为泵。就通过气流增加所述压力的实施例而言，适当的原动机38的实例包括鼓风机、压缩机和空气泵。在其它实施例中，例如，通过射流泵或喷射器增加所述压力。就通过射流泵或喷射器增加所述压力的实施例而言，在这些实施例中的一些实施例中，例如，反应区用气态排放物供料24被供应至射流泵或喷射器，并且利用文丘里效应从另一流动流体（即“动力流体流”（motive fluid flow））向气态排放物反应区传递压力能，从而增加反应区供给物料流22的反应区用气态排放物供料24成分内的压力。就此而言，在一些实施例中，例如，参见图8，提供动力流体流700，其中动力流体流700的原料具有动力流压力PM1，其中PM1高于反应区用气态排放物供料24的压力（PE）。通过使动力流体流700从上游流道部分702流至中间下游流道部分704，而使动力流体流700的压力从PM1降低至PM2。第一中间下游流道部分704的特征为：相对于上游流道部分702具有较小的横截面积。此外，PM2低于PE。当动力流体流700的压力降低至PM2时，动力流体流700与反应区用气态排放物供料24之间产生流体连通，由此，响应于反应区用气态排放物供料24与动力流体流700之间的压差，反应区用气态排放物供料24被引导为在中间下游流道部分704内与动力流体流700混合，从而产生源自反应区用气态排放物供料的流体24A。源自反应区用气态排放物供料的流体24A（其包括反应区用气态排放物供料）的压力被升高至PM3，使得反应区二氧化碳供料2402的压力也被升高至PM3，其中PM3高于PE。通过使源自反应区用气态排放物供料的流体24A从中间下游流道部分704流至“动能向静压能转换”的下游流道部分706，可使压力升高。所述“动能向静压能转换”的下游流道部分706的横截面积大于中间下游流道部分704的横截面积。源自反应区用气态排放物供料的流体24A（其包括反应区用气态排放物供料24）的压力设置成高于PE并且足以使流体24A的原料流（作为反应区供给物料流22的至少一部分）通过反应区10的至少70英寸的深度。在一些实施例中，例如，流道的收缩喷嘴部分限定第一中间下游流道部分704，而流道的扩张喷嘴部分限定所述“动能向静压能转换”的下游流道部分706。在一些实施例中，例如，第一中间下游流道部分704和“动能向静压能转换”的下游流道部分706的组合由文氏喷嘴（venture nozzle）所限定。在一些实施例中，例如，第一中间下游流道部分704和“动能向静压能转换”的下游流道部分706的组合被置于喷射器或射流泵内。在这些实施例中的一些实施例中，例如，所述动力流体流包含液体水性物料，并且，就此而言，流体24A包含液体和气体原料的组合。就此而言，在一些实施例中，例如，源自反应区用气态排放物供料的流体24A包含气态物料在液态物料内的分散体，其中气态物料的分散体包括反应区用气态排放物供料24中的二氧化碳。或者，在这些实施例中的一些实施例中，例如，动力流体流是另一种气体流，例如空气流，并且流体24A是空气流。流体24A的原料（作为反应区供给物料流22的至少一部分）以压力高于PE并且足以通过反应区10的至少70英寸深度的方式被供应至反应区10。该压力的升高被设计为克服反应区10内的压头。
在一些实施例中，例如，向反应区10供应补充营养物供料42。在一些实施例中，例如，通过诸如计量泵之类的泵来供应补充营养物供料42。在其它实施例中，例如，补充营养物供料42被手动供应至反应区10。反应区10内的营养物被光养生物质所处理或消耗，以及在一些情况下优选的是，再补充已被处理或消耗的营养物。一种适当的营养组合物为“Bold氏基础培养基”，其已描述于Bold,H.C.1949，The morphology of Chlamydomonas chlamydogama sp.（衣藻属chlamydogama种的形态学），Nov.Bull.Torr.Bot.Club.76：101～8（也可参见Bischoff,H.W.和Bold,H.C.1963，Phycological Studies IV.Some soil algae from Enchanted Rock and related algal species（藻类研究IV.来自着魔岩和相关藻类的一些土壤藻），德州大学出版社，6318：1～95；以及Stein,J.（编辑）Handbook of Phycological Methods,Culture methods and growth measurements（藻类法、培养法和生长测定手册），剑桥大学出版社，第7～24页）。补充营养物供料42用于补充反应区内的营养物，如补充“Bold氏基础培养基”或者其一种或多种溶解的成分。就此而言，在一些实施例中，例如，补充营养物供料42包括“Bold氏基础培养基”。在一些实施例中，例如，补充营养物供料42包括“Bold氏基础培养基”的一种或多种溶解的成分，诸如NaNO3、CaCl2、MgSO4、KH2PO4、NaCl等，或其溶解的组成成分中的其它物质。
在这些实施例中的一些实施例中，控制向反应区10供应补充营养物供料42的供应速率以匹配反应区10内光养生物质的所需生长速率。在一些实施例中，例如，通过测量反应区10内的pH、NO3浓度以及传导率的任意组合来监控对营养物添加所做的调节。
在一些实施例中，例如，补充水性物质供料44被供应至反应区10，以便补充光生物反应器12的反应区10内的水分。在一些实施例中，例如，所述补充水性物料是水。在一些实施例中，例如，补充水性物质供料44包含下列物料中的至少一种：（a）在反应区供给物料22被供应至反应区10之前经受冷却时，从反应区供给物料22中冷凝出的水性物料70；以及（b）从排放的含光养生物质的产物58（参见下文）中分离出的水性物料。在一些实施例中，例如，补充水性物质供料44来自诸如城市供水等独立的来源。
在一些实施例中，例如，通过泵281供应补充水性物质供料44。在这些实施例中的一些实施例中，例如，补充水性物质供料44被持续供应至反应区10，反应区10在一些实施例中通过溢流方式使至少一些含生物质的产物58排出（从反应区10排出，参见下文）。
在一些实施例中，例如，至少一部分补充水性物质供料44是由容器28供应的（将于下文作进一步说明）。回收由所述过程排出的水性物料中的至少一部分，并将其供应至容器28以提供容器28盛放的补充水性物料。
参照图3，在一些实施例中，补充营养物供料42及补充水性物质供料44在被供应至反应区10之前，通过喷头40被供应至反应区供给物料22。在反应区10被置于光生物反应器12内的实施例中的一些实施例中，例如，喷头40被置于光生物反应器12的外部。在一些实施例中，优选的是，在喷头40内混合反应区供给物料22、补充营养物供料42和补充水性物质供料44，因为这样会使得这些成分能比分开供应反应区供给物料22、补充营养物供料42和补充水性物质供料44时获得更好的混合效果。另一方面，借助于掺混的混合物内反应区供给物料22中的气态物料的饱和极限来限制反应区供给物料22向反应区10的供应速率。由于此折衷方法，当向反应区10提供经调节的二氧化碳供应所需的响应时间相对不那么紧迫时（这取决于所使用的光养生物的生物需求），此类实施例更为合适。
在一些实施例中，例如，将至少一部分补充营养物供料42与容器28内的补充水性物料相混合，以提供富含营养物的补充水性物质供料44，富含营养物的补充水性物质供料44被直接供应至反应区10或与喷头40内的反应区供给物料22相混合。在一些实施例中，例如，通过泵281直接或间接供应富含营养物的补充水性物质供料。
反应器子系统120包括被构造成用于容纳反应混合物的光生物反应器12。反应混合物限定了反应器子系统的各个工艺物料成分。反应器子系统120被构造成在光生物反应器12的反应区10中将反应混合物暴露于光合有效光辐射下以进行光合作用。光合作用促使光养生物质生长。光生物反应器12包括至少一个用于接收来自原料供应子系统110的供应原料的入口和至少一个用于将反应区产物500从光生物反应器12排出以便供应给产物物料处理子系统130的出口。
在一些实施例中，例如，光生物反应器12或多个光生物反应器12被构造成使得光养生物质的二氧化碳吸收度达到最佳化并降低能量需求。就此而言，这个（或这些）光生物反应器被构造成可延长二氧化碳于反应区10内的驻留时间。另外，使二氧化碳的水平移动距离最小化，从而降低能量消耗。为此目的，这个（或这些）光生物反应器12相对较高并且占地面积（footprint）较小，从而在节约能量的同时延长二氧化碳的驻留时间。
置于反应区10内的反应混合物被暴露于光合有效光辐射下以进行光合作用。反应混合物包括光合作用反应试剂。光合作用促使光养生物质生长。在一些实施例中，在进行反应区供给物料22的供应的同时使反应混合物暴露于光合有效光辐射下。
在一些实施例中，例如，光合有效光辐射的特征在于波长介于400～700nm之间。
在一些实施例中，例如，控制所提供的光的强度，以匹配反应区10内光养生物质所需的生长速率。在一些实施例中，根据对反应区10内光养生物质生长速率的测定来调节所提供的光的强度。在一些实施例中，根据向反应区供给物料22供应二氧化碳的摩尔速率来调节所提供的光的强度。
在一些实施例中，例如，根据反应区10的条件来提供预定波长的光。已经说过，通常，所述光是由蓝光光源和红光光源按1：4的比例提供的。此比例根据所使用的光养生物而有所不同。此外，当需要模拟每日循环时可改变所述比例。例如，当模拟黎明或黄昏时，提供更多的红光，而当模拟中午状况时则提供更多的蓝光。此外，可改变此比例以通过提供更多的蓝光来模拟人工回收循环。
已发现，蓝光会促进藻类细胞内部结构的重建（在一段快速生长之后藻类细胞内部结构可能会变得受损），而红光则促进藻类的生长。另外，已发现，只要提供足够的二氧化碳（以及在一些实施例中，提供其它营养物），从光谱中排除绿光可使藻类在甚至超过先前已被确定为藻类在水中的“饱和点”的情况下仍在反应区10内持续地生长。
在一些实施例中，例如，光养生物质的生长速率取决于可用的反应区用气态排放物供料24。其继而限定了使光养生物质生长速率最大化所需的营养物、水和光强度。在一些实施例中，例如，反应器子系统120包括控制器，例如采用计算机的系统，以用于监视和控制反应器子系统120的各个元件的操作，这些元件包括灯、阀门、传感器、鼓风机、风扇、气闸、泵等。
产物物料处理子系统130构造成用于接收从光生物反应器12排出的反应区产物500并对所接收的反应区产物500进行液体成分的分离。反应区产物500包括含光养生物质的产物58。就此而言，反应区产物500的排出实现了对光养生物质的收集。在一些实施例中，例如，反应区产物500还包括反应区气态排放产物80。排出的反应区产物500限定了产物物料处理子系统130的各个工艺物料成分。
如上所述，通过排出含光养生物质的产物58来回收或收集光养生物质。含光养生物质的产物58包括反应区10的内容物的至少一部分。就反应区10置于光生物反应器12内的实施例而言，在这些实施例中的一些实施例中，反应区10内的光养生物质悬浮液的上部部分从光生物反应器12溢流（例如光养生物质经由光生物反应器12的溢流口排出），从而提供作为溢流物59的含光养生物质的产物58。在光养生物质包含藻类的这些实施例中，以与藻类生长速率相匹配的速率来排放产物58，以减轻反应区10内的藻类所受的冲击。就一些实施例而言，例如，通过补充水性物质供料44的供应速率来控制产物58的排放，这会影响从光生物反应器12置换作为光生物反应器12的溢流物的含光养生物质的产物58。在其它实施例中，例如，利用置于与光生物反应器12出口流体连通的流道内的阀门来控制产物58的排放。
在一些实施例中，例如，连续地排放所述产物。在其它实施例中，例如，定期地排放所述产物。在一些实施例中，例如，将所述产物的排放设计为使得含光养生物质的产物58内的生物质的浓度维持在相对较低的浓度。在光养生物质包含藻类的实施例中，就一些实施例而言，优选的是，以较低的浓度排放产物58以减轻反应区10内的藻类的生长速率发生突然改变的程度。这种突然改变可能会造成藻类受到冲击，从而导致在较长的时间内产量较低。在一些实施例中，当光养生物质是藻类，更具体而言是斜生栅藻（scenedesmus obliquus）时，在含光养生物质的产物58内这种藻的浓度可在0.5至3克/升之间。所排放的藻类产物58的所需浓度视不同藻株而定，因而其浓度范围随着藻株不同而变化。就此而言，在一些实施例中，优选的是，在反应区内维持预定的水含量以促进光养生物质的最优生长，也可以通过控制对补充水性物质供料44的供应来获得这种效果。
含光养生物质的产物58包含水。在一些实施例中，例如，含光养生物质的产物58被供应至分离器52，以从含光养生物质的产物58移除至少一部分的水，从而得到中间浓度的含光养生物质的产物34及回收的水性物料72（一般是水）。在一些实施例中，例如，分离器52是高速离心分离器52。分离器52的其它适当的实例包括倾析器、沉降器或沉降池、絮凝装置、或浮选装置。在一些实施例中，回收的水性物料72被供应至容器28，例如用于供所述工艺再利用的容器。
在一些实施例中，例如，在排出产物58之后并且在将所排出的产物58供应至分离器52之前，含光养生物质的产物58被供应至收集池54。收集池54既起到光生物反应器12和分离器52之间的缓冲器的作用，而且在收集池54从多个光生物反应器接收不同的生物质株时还起到混合容器的作用。就后一种情况而言，采用根据要由生物质株的混合物制备的燃料类型或等级而设计的一套预定的特征，可定制生物质株的混合物。
如上所述，容器28提供用于反应区10的补充水性物质供料44的来源。在一些实施例中，由于含光养生物质的终产物36中含有水分以及由于在干燥机32内的蒸发，因而会产生水分损失。从所述工艺收集（回收）的装在容器28内的补充水性物料可被供应至反应区10，作为补充水性物质供料44。在一些实施例中，例如，补充水性物质供料44通过泵被供应至反应区10。在其它实施例中，若实施所述工艺的系统的工艺设备配置容许的话，可通过重力进行所述供应。如上所述，从所述工艺收集的补充水性物料包含下列物料中的至少一种：（a）在反应区供给物料22被供应至反应区10之前将反应区供给物料22冷凝时，从反应区供给物料22中冷凝出的水性物料70；以及（b）从含光养生物质的产物58中分离出的水性物料72。在一些实施例中，例如，补充水性物质供料44被供应至反应区10，从而通过提高反应区10的内容物的上液位来实现产物58的溢流。在一些实施例中，例如，补充水性物质供料44被供应至反应区10，从而通过稀释反应区的内容物来获得反应区的光养生物质的所需预定浓度。
如上所述，可被用作容器28（可容纳从所述工艺收集的水性物料）的具体构造的实例包括但不局限于贮罐、池塘、槽、渠、池、管、管道、渠道和水道。
在一些实施例中，例如，在由气态排放物产生过程20产生气态排放物18的同时实施补充水性物质供料向反应区10的供应。在一些实施例中，例如，在将反应区用气态排放物供料24供应至反应区供给物料22的同时实施补充水性物质供料向反应区10的供应。在一些实施例中，例如，在将反应区供给物料22供应至反应区10的同时实施补充水性物质供料向反应区10的供应。在一些实施例中，例如，在实施补充水性物质供料向反应区10的供应的同时将置于水性介质内的富含二氧化碳的光养生物质暴露于光合有效光辐射下。
在一些实施例中，例如，当光生物反应器12内的反应区10内容物的上液位变得低于预定最低液位时，启动（已从所述工艺回收的）补充水性物质供料44向反应区10的供应、或增加补充水性物质供料44向反应区10的供应摩尔速率。在这些实施例中的一些实施例中，例如，提供液位传感器76以用于检测光生物反应器内的反应区10内容物的上液位的位置，并且将代表反应区10内容物的上液位的信号传输到控制器。在控制器将来自液位传感器76的代表反应区10内容物的上液位的接收信号与预定低液位值进行比较，并且确认反应区内容物的实测上液位低于预定低液位值时，控制器启动补充水性物质供料44的供应、或增加补充水性物质供料44的供应摩尔速率。当通过泵281将补充水性物质供料44供应至反应区10时，控制器驱动泵281，从而启动补充水性物质供料44向反应区10的供应、或增加补充水性物质供料44向反应区10的供应速率。当通过重力进行补充水性物质供料44向反应区10的供应时，控制器使控制阀门打开，从而启动补充水性物质供料44向反应区10的供应、或增加补充水性物质供料44向反应区10的供应摩尔速率。例如，对反应区10内容物的上液位的位置的控制与那些从反应区10的较低部分进行收集的实施例中的一些实施例的操作相关。在通过溢流进行收集的这些实施例中的一些实施例中，对反应区10的内容物的上液位的位置的控制与光生物反应器12的“播种期（seeding stage）”的操作过程有关。
在一些实施例中，补充水性物质供料44向反应区10的供应取决于藻类浓度。就此而言，可通过细胞计数器（例如上述的细胞计数器）来检测反应区内的藻类摩尔浓度。检测到的藻类摩尔浓度被传输至控制器，并且当控制器确认所检测到的藻类摩尔浓度超过预定的藻类浓度上限值并且当通过泵281将补充水性物质供料44供应至反应区10时，控制器驱动泵281，从而启动补充水性物质供料44向反应区10的供应。当通过重力进行补充水性物质供料44向反应区10的供应时，控制器通过使控制阀门打开而作出响应，从而启动补充水性物质供料44向反应区10的供应、或增加补充水性物质供料44的供应摩尔速率。
在一些实施例中，例如，利用置于与光生物反应器12出口流体连通的流道内的阀门441控制产物58的排放，通过细胞计数器（例如上述的细胞计数器）来检测反应区内的藻类摩尔浓度。检测到的藻类摩尔浓度被传输至控制器，当控制器确认所检测到的藻类摩尔浓度超过预定的藻类浓度上限值时，控制器通过使阀门打开而作出响应，从而使产物58从反应区10排出的摩尔速率增加。
在一些实施例中，例如，提供额外的补充水来源68来缓解补充水性物质供料44不足的情况，以弥补实施工艺期间所损失的水分。就此而言，在一些实施例中，例如，补充水性物质供料44在喷头40内与反应区供给物料22相混合。相反，在一些实施例中，例如，提供用于从容器28向排水沟66进行排放的设施以缓解从所述工艺回收的水性物料超过补充需求的情况。
含中间浓度的光养生物质的产物34被供应至干燥机32，干燥机32为含中间浓度的光养生物质的产物34提供热量从而蒸发含中间浓度的光养生物质的产物34中的至少一部分水，由此得到含光养生物质的终产物36。如上所述，在一些实施例中，供给含中间浓度的光养生物质的产物34的热量是由传热介质30提供的，传热介质30已经用于在反应区供给物料22被供应至反应区10之前对反应区供给物料22进行冷却。通过进行这种冷却，热量从反应区供给物料22传递至传热介质30，从而使传热介质30的温度升高。在此类实施例中，含中间浓度的光养生物质的产物34处于相对较暖的温度，并且从含中间浓度的光养生物质的产物34蒸发水分所需的热量不太多，因而使用传热介质30作为热源来干燥含中间浓度的光养生物质的产物34是可行的。如上所述，在加热含中间浓度的光养生物质的产物34之后，已失去一些能量因而变得处于较低温度的传热介质30再循环至换热器26，以冷却反应区供给物料22。干燥机32所需的热量取决于含中间浓度的光养生物质的产物34向干燥机32的供应速率。通过控制器调整（换热器26的）冷却需求和（干燥机32的）加热需求，以便通过对反应区供给物料22的流速和温度以及通过从光生物反应器排出产物58所得到的产物58的生产速率进行监控来平衡这两种操作。
在一些实施例中，在从反应区用气态排放物供料24向反应区供给物料22的供应速率发生改变时起经过显著的延时（例如在某些情况中为超过三（3）小时，有时甚至为更长的时间）之后，实现了由反应区用气态排放物供料24向反应区供给物料22的供应速率改变而导致的光养生物质生长速率的改变。比较而言，基于反应区用气态排放物供料24向反应区供给物料22的供应速率改变而导致的传热介质30的热值的改变能够更快地实现。就此而言，在一些实施例中，提供热缓冲器，以用于储存任何过量热能（以传热介质30的形式），以及为干燥机32对反应区用气态排放物供料24的变化的热传递特性响应引入一段延时。在一些实施例中，例如，热缓冲器是传热介质贮存罐。选择性地，在将反应区用气态排放物供料24供应至反应区进给物料22的过渡期内，可能需要外部热源来补充干燥机32所需的热量。为了适应光养生物质生长速率的变化，或者为了适应所述工艺的启动或关闭，可能需要使用热缓冲器或额外的热量。例如，若光养生物质的生长减缓或停止，则干燥机32可通过使用缓冲器内的储热而继续运转直至储热被耗尽；或者，在一些实施例中，使用第二热源。
参照图4至图7，太阳能供应子系统140包括至少一个太阳能收集器142，至少一个太阳能收集器142中的每一个都包括构造成用于接收入射太阳辐射的太阳能收集器表面。
太阳能收集器142的实例包括抛物面收集器、菲涅耳透镜和卡塞格伦光学系统。
至少一个太阳能收集器142中的每一个都可操作地与能量供应组件144相联接，能量供应组件144构造成用于供应源自所接收的入射太阳辐射的能量并将能量供应至其它子系统110、120和130中的至少一个。
在一些实施例中，例如，就至少一个太阳能收集器142中的至少一个而言，可操作地与太阳能收集器142相联接的能量供应组件144包括光传输组件146，光传输组件146构造成用于将源自所接收的入射太阳辐射的至少一部分的光能供应至置于光生物反应器12的反应区10内的反应混合物，从而使反应混合物暴露于光合有效光辐射下。在一些实施例中，例如，太阳能收集器142通过光纤可操作地与光传输组件146相联接。示例性的光传输组件包括波导件、光导件、液体光导件、光管和光纤。
在一些实施例中，例如，光传输组件146包括一个或多个光波导件（或“光导件”）。就此而言，通过光纤使一个或多个光波导件中的每一个都可操作地联接至太阳能收集器表面，以传输用于向置于光生物反应器12的反应区10内的反应混合物供应的所接收的入射太阳辐射的至少一部分，从而使反应混合物暴露于光合有效光辐射下。
在一些实施例中，例如，参照图5和图6，太阳能供应子系统140包括用于至少一个太阳能收集器142中的至少一个的滤光组件148。滤光组件148构造成过滤所接收的入射太阳辐射并给反应区10提供所需波长的光。例如，过滤包括使用常规反射镜的过滤。就此而言，通过太阳能收集器142给光传输组件146提供经过滤的光。
在一些实施例中，例如，除了源自所接收的入射太阳辐射的光以外，光传输组件146还包括高功率LED阵列，高功率LED阵列能够提供特定波长的光以根据需要对阳光加以补充、或者在黑暗期间（例如夜间）为反应区10提供全部所需的光。在一些实施例中，就光导件而言，例如，使透明的传热介质（例如乙二醇溶液）在光生物反应器12内的光导件中循环，以调节光导件内的温度，并且在一些情况下，提供传热介质以使光导件的热量受控地消散并进入反应区10内。在一些实施例中，例如，可根据针对气态排放物18所观察到的趋势来预测LED的功率需求，并继而对所述功率需求加以控制，这是因为这些观察到的趋势有助于预测光养生物质未来的生长速率。
在一些实施例中，例如，参照图5和图6，就至少一个太阳能收集器142中的至少一个而言，可操作地联接至太阳能收集器142的能量供应组件144包括能量转换和供应组件148，能量转换和供应组件148构造成用于将所接收的入射太阳辐射的至少一部分转换成电力并传输该电力来给一个或多个电力负载供电，一个或多个电力负载中的每一个都构造成给其它子系统110、120和130中的至少一个提供能量。在一些实施例中，例如，给其它子系统中的至少一个提供能量包括给其它子系统110、120和130中的至少一个的各个工艺物料成分提供能量。在一些实施例中，例如，能量转换和供应组件148包括电联接至一个或多个电力负载的光伏电池。
可选择地，在一些实施例中，能量转换和供应组件148构造成将所接收的入射太阳辐射的至少一部分转换成热能并将该热能提供给其它子系统110、120和130中的至少一个的一个或多个散热器（heat sink）。就此而言，在一些实施例中，例如，能量转换和供应组件包括太阳能加热器，太阳能加热器用于吸收入射太阳辐射并将所接收的入射太阳辐射转换成太阳能加热器的工作流体的热能。然后，经过加热的工作流体被供应至设置在其它子系统110、120和130中的至少一个中的诸如干燥机32等各种散热器中。
在一些实施例中，例如，由能量转换和供应组件148供电而驱动的电力负载是人造光源202，人造光源202构造成给反应区10供应光合有效光辐射，从而使反应混合物暴露于光合有效光辐射下。就人造光源而言，例如，适当的人造光源包括沉入式光纤、发光二极管（“LED”，包括沉入式LED）、LED灯带和荧光灯。在一些实施例中，例如，光传输组件146包括一个或多个人造光源202。
在一些实施例中，例如，由能量转换和供应组件供电而驱动的电力负载是反应器子系统120的电力负载，诸如反应器子系统120的灯、阀门、传感器、鼓风机、风扇、气闸和泵中的任何一个。
在一些实施例中，例如，由能量转换和供应组件供电而驱动的电力负载是产物物料处理子系统130的电力负载，诸如产物物料处理子系统130的灯、阀门、传感器、鼓风机、风扇、气闸和泵中的任何一个。
在一些实施例中，例如，参照图5和图6，太阳能供应子系统140包括滤光器/反射镜组件1006（例如包括干涉滤光器/反射镜组件、电介质椭圆镜和分色镜滤光器中的任何一个），该滤光器/反射镜组件1006过滤太阳能收集器所接收的入射太阳辐射，以提供为光源目的而接收的入射太阳辐射部分和为发电目的而接收的入射太阳辐射部分。为光源目的而接收的入射太阳辐射部分具有在反应区10内的反应混合物暴露于其下时进行光合作用所需的波长。在一些实施例中，例如，为光源目的而接收的入射太阳辐射部分具有介于400～700nm之间的波长。在一些实施例中，例如，为光源目的而接收的入射太阳辐射部分是可见光。利用光传输组件146将为光源目的而接收的入射太阳辐射部分传输至反应区。为发电目的而接收的入射太阳辐射部分被传输至能量转换和供应组件，以便被转换成电力来驱动一个或多个电力负载，或转换成热能来传输给散热器。
参照图5，在一些实施例中，例如，太阳能收集器142包括反射抛物面1008。干涉滤光器/反射镜组件1006利用支架1010安装在反射抛物面1008上并由反射抛物面1008支撑。光伏电池148安装在干涉滤光器/反射镜组件1006的后面以接收为发电目的而接收的入射太阳辐射部分。抛物面1008构造成将照射在抛物面1008上的入射太阳辐射反射（利用抛物面的焦点）在干涉滤光器/反射镜组件1006上。在一些实施例中，例如，干涉滤光器/反射镜组件1006是反射可见光同时传输红外光的冷光镜。干涉滤光器/反射镜组件1006构造成将入射太阳辐射中的为光源目的而接收的入射太阳辐射部分（其被抛物面1008反射）反射、聚焦和集中在光传输组件146上，光传输组件146将所接收的为光源目的而接收的入射太阳辐射部分传输至反应区10。干涉滤光器/反射镜组件1006还构造成允许为发电目的而接收的入射太阳辐射部分传输至光伏电池148。光伏电池148将所接收的为发电目的而接收的入射太阳辐射部分转换成电力来驱动其它子系统110、120和130中的至少一个的一个或多个电力负载。例如，一个或多个电力负载包括LED灯202。例如，一个或多个电力负载包括用于将含碳气体供应至反应区的原动机204（诸如鼓风机或风扇等）。例如，一个或多个电力负载包括用于干燥从反应区10回收的含光养生物质的干燥机206。
图6示出了另一种构造。在该构造中，光传输组件146从干涉滤光器/反射镜组件1006的后面延伸，并且光伏电池148相对于抛物面1008定位，以接收从干涉滤光器/反射镜组件1006反射而来的被聚焦和集中的为发电目的而接收的入射太阳辐射部分。
在另一方面中，参照图4至图7，至少一个太阳能收集器142中的至少一个安装在光生物反应器12上，从而提供至少一个安装（连接）至光生物反应器的太阳能收集器的表面1422来限定总的连接至光生物反应器的太阳能收集器的表面面积，其中，总的连接至光生物反应器的太阳能收集器的表面面积至少为50平方米。在一些实施例中，例如，总的连接至光生物反应器的太阳能收集器的表面面积至少为75平方米。在一些实施例中，例如，总的连接至光生物反应器的太阳能收集器的表面面积至少为100平方米。在一些实施例中，例如，总的连接至光生物反应器的太阳能收集器的表面面积至少为150平方米。在一些实施例中，例如，总的连接至光生物反应器的太阳能收集器的表面面积至少为250平方米，并且由多个太阳能收集器限定总的连接至光生物反应器的太阳能收集器的表面面积。
在另一方面中，参照图4，太阳能供应子系统140包括至少一个太阳能收集器142，并且至少一个太阳能收集器142中的每一个都安装在光生物反应器12的有效安装表面122上并包括构造成用于接收入射太阳辐射的太阳能收集器表面1422。在一些实施例中，例如，至少一个太阳能收集器是多个太阳能收集器。有效安装表面相对于竖直方向定向在45度的范围内。在一些实施例中，例如，有效安装表面相对于竖直方向定向在25度的范围内。在一些实施例中，例如，有效安装表面相对于竖直方向定向在15度的范围内。在一些实施例中，例如，有效安装表面相对于竖直方向定向在5度的范围内。在一些实施例中，例如，光生物反应器系统设置在赤道以北至少25度（北纬）的地方或设置在赤道以南至少25度（南纬）的地方。在一些实施例中，例如，至少一个太阳能收集器中的每一个都安装在光生物反应器12上并包括构造成用于接收入射太阳辐射的太阳能收集器表面，从而提供至少一个太阳能收集器表面来限定总的连接至光生物反应器的太阳能收集器的表面面积，其中，总的连接至光生物反应器的太阳能收集器的表面面积至少为50平方米。在一些实施例中，例如，总的连接至光生物反应器的太阳能收集器的表面面积至少为75平方米。在一些实施例中，例如，总的连接至光生物反应器的太阳能收集器的表面面积至少为100平方米。在一些实施例中，例如，总的连接至光生物反应器的太阳能收集器的表面面积至少为150平方米。在一些实施例中，例如，总的连接至光生物反应器的太阳能收集器的表面面积至少为250平方米。在一些实施例中，例如，至少一个太阳能收集器为多个太阳能收集器，并且由多个太阳能收集器限定总的连接至光生物反应器的太阳能收集器的表面面积。在一些实施例中，例如，太阳能收集器142包括反射抛物面1008。在一些实施例中，例如，干涉滤光器/反射镜组件1006利用支架1010安装在反射抛物面1008上并由反射抛物面1008支撑。抛物面1008构造成将照射在抛物面1008上的入射太阳辐射反射（利用抛物面焦点）在干涉滤光器/反射镜组件1006上。干涉滤光器/反射镜组件1006过滤由太阳能收集器所接收的入射太阳辐射来提供为光源目的而接收的入射太阳辐射部分。干涉滤光器/反射镜组件1006构造成将入射太阳辐射中的为光源目的而接收的入射太阳辐射部分（其被抛物面1008反射）反射、聚焦和集中在光传输组件146上，光传输组件146将所接收的为光源目的而接收的入射太阳辐射部分传输至反应区10，同时过滤掉某些无用或基本上无用的波长（例如，红外波长）的入射太阳辐射（其被抛物面1008反射），以便当反应区10内的反应混合物暴露于经过滤的为光源目的而接收的入射太阳辐射部分时进行光合作用，从而减少无用或基本上无用的光对反应区的加热，以实现光合作用。在一些实施例中，例如，干涉滤光器/反射镜组件1006是反射可见光同时传输红外光的冷光镜。在一些实施例中，过滤的结果是，还可提供为发电目的而接收的入射太阳辐射部分。在通过过滤来提供为发电目的而接收的入射太阳辐射部分的一些实施例中，光伏电池安装在干涉滤光器/反射镜组件1006的后面以接收为发电目的而接收的入射太阳辐射部分。光伏电池将所接收的为发电目的而接收的入射太阳辐射部分转换成电力来驱动其它子系统110、120和130中的至少一个的一个或多个电力负载。
在另一方面中，参照图7，提供了多个有效光传输组件146A，并且多个有效光传输组件146A构造成给光生物反应器12的反应区10供应光能，从而使得在反应区的至少80%内的反应混合物暴露于光合有效光辐射下。在一些实施例中，例如，所提供的多个有效光传输组件146A构造成给光生物反应器12的反应区10供应光能，从而使得在反应区的至少90%内的反应混合物暴露于光合有效光辐射下。有效光传输组件146A中的每一个都安装至反应区10（限定在光生物反应器12内）并从光生物反应器12的内表面的有效部分124向反应区10内延伸有效距离，其中反应区的容积大于3000升。在一些实施例中，反应区的容积大于5000升。有效距离小于五（5）米。在一些实施例中，例如，有效距离小于三（3）米。示例性的光传输组件包括波导件、光导件、液体光导件、光管和光纤。在一些实施例中，有效光传输组件146A包括诸如LED等人造光源。就此而言，在一些实施例中，例如，有效光传输组件146A包括用于给反应区10供应光能的LED。在一些实施例中，例如，由有效光传输组件146A所传输的光能的至少一部分源自由至少一个太阳能收集器142所接收的入射太阳辐射。在一些实施例中，例如，太阳能收集器142包括用于接收入射太阳辐射并将所接收的入射太阳辐射的至少一部分供应至光传输组件146A的反射抛物面1008。在一些实施例中，例如，干涉滤光器/反射镜组件1006利用支架1010安装在反射抛物面1008上并由反射抛物面1008支撑。抛物面1008构造成将照射在抛物面1008上的入射太阳辐射反射（利用抛物面焦点）在干涉滤光器/反射镜组件1006上。干涉滤光器/反射镜组件1006过滤由太阳能收集器所接收的入射太阳辐射来提供为光源目的而接收的入射太阳辐射部分。干涉滤光器/反射镜组件1006构造成将入射太阳辐射中的为光源目的而接收的入射太阳辐射部分（其被抛物面1008反射）反射、聚焦和集中在光传输组件146A上，光传输组件146将所接收的为光源目的而接收的入射太阳辐射部分传输至反应区10，同时过滤掉某些无用或基本上无用的波长（例如，红外波长）的入射太阳辐射（其被抛物面1008反射），以便当反应区10内的反应混合物暴露于其下时进行光合作用，从而减少无用或基本上无用的光对反应区的加热，以便当反应区10内的反应混合物暴露于经过滤的为光源目的而接收的入射太阳辐射部分时进行光合作用。在一些实施例中，例如，干涉滤光器/反射镜组件1006是反射可见光同时传输红外光的冷光镜。在一些实施例中，过滤的结果是，还可提供为发电目的而接收的入射太阳辐射部分。在通过过滤而提供为发电目的而接收的入射太阳辐射部分的一些实施例中，光伏电池安装在干涉滤光器/反射镜组件1006的后面以接收为发电目的而接收的入射太阳辐射部分。光伏电池将所接收的为发电目的而接收的入射太阳辐射部分转换成电力来驱动其它子系统110、120和130中的至少一个的一个或多个电力负载。
在另一方面中，参照图4和图7，太阳能供应子系统140包括多个太阳能收集器。多个太阳能收集器中的每一个都包括构造成用于接收入射太阳辐射的太阳能收集器表面。太阳能供应子系统还包括多个沿竖直方向隔开的能量供应组件（在本例中为光传输组件146或146A）。沿竖直方向隔开的能量供应组件中的每一个都构造成用于传输源自所接收的入射太阳辐射的能量并将能量供应至其它子系统110、120和130中的至少一个。多个太阳能收集器中的每一个都可操作地联接至沿竖直方向隔开的能量供应组件中的至少一个。沿竖直方向隔开的能量供应组件中的每一个都从光生物反应器12的内表面的有效部分延伸到反应区10内。光生物反应器12的内表面限定了包括反应区10的空间。沿竖直方向隔开的能量供应组件中的每一个都相对于其它沿竖直方向隔开的能量供应组件设置在不同的竖直位置。在一些实施例中，例如，就能量供应组件中的至少两个而言，能量供应组件包括光传输组件，光传输组件构造成用于传输源自所接收的入射太阳辐射的至少一部分的光能并将光能供应至置于光生物反应器12的反应区10内的反应混合物，从而使反应混合物暴露于光合有效光辐射下。
在一些实施例中，例如，沿竖直方向隔开的能量传输装置中的每一个都从（光生物反应器12的）内表面的有效部分延伸到反应区内，从而提供多个内表面有效部分。内表面有效部分中的每一个都相对于其它内表面有效部分设置在不同的竖直位置。在一些实施例中，例如，内表面有效部分中的每一个都相对于竖直方向定向在45度的范围内。在一些实施例中，例如，沿竖直方向隔开的能量供应组件中的每一个都安装在光生物反应器上。在一些实施例中，例如，就至少一个太阳能收集器中的至少一个而言，可操作地联接至太阳能收集器的至少一个能量供应组件中的至少一个包括光传输组件，光传输组件构造成用于传输源自所接收的入射太阳辐射的至少一部分的光能并将光能供应给置于光生物反应器12的反应区10内的反应混合物，从而使反应混合物暴露于光合有效光辐射下。在一些实施例中，例如，光生物反应器12包括反应区10，反应区10具有大于反应区10的直径或宽度的最小深度。
为了帮助对本发明的全面理解，用于解释目的的上述说明中提及了许多细节。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，这些具体的细节对于实施本发明来说并非必需。虽然针对所述示例性实施例的实施描述了某些尺寸和材料，但是也可使用在本发明范围内的其它适合的尺寸和/或材料。所有这些修改和变化，包括所有在技术上合适的目前和将来的适当变化，都应被认为是在本发明的领域和范围内。在此通过引用的方式完整地并入全部所提及的参考文献。

Claims (22)

1.一种光生物反应器系统，包括：
供应原料处理子系统；
反应器子系统，其包括构造成用于容纳反应混合物的光生物反应器，所述反应混合物在暴露于光合有效光辐射下时能有效地进行光合作用，所述反应混合物包括光合作用反应试剂，
其中，所述供应原料处理子系统构造成给所述光生物反应器提供供应原料，所述供应原料包括所述光合作用反应试剂中的至少一种；
产物物料处理子系统，其构造成用于接收从所述光生物反应器排出的反应区产物并对所接收的反应区产物进行液体成分的分离；以及
太阳能供应子系统，其包括至少一个太阳能收集器，其中，所述至少一个太阳能收集器中的每一个都安装在所述光生物反应器上并且包括构造成用于接收入射太阳辐射的太阳能收集器表面，以便提供至少一个太阳能收集器表面来限定总的连接至光生物反应器的太阳能收集器的表面面积，其中，所述至少一个太阳能收集器中的每一个都可操作地联接至能量供应组件，所述能量供应组件构造成用于传输源自所接收的入射太阳辐射的能量并将所述能量供应给其它子系统中的至少一个，
其中，所述总的连接至光生物反应器的太阳能收集器的表面面积至少为75平方米。
2.根据权利要求1所述的光生物反应器系统，
其中，所述光合作用反应试剂包括光养生物质原料、二氧化碳和水。
3.根据权利要求1所述的光生物反应器系统，
其中，就所述至少一个太阳能收集器中的至少一个而言，所述能量供应组件包括能量转换和供应组件，所述能量转换和供应组件构造成用于将所接收的入射太阳辐射的至少一部分转换成电力并传输所述电力来给一个或多个电力负载供电，所述一个或多个电力负载中的每一个都构造成给其它子系统中的至少一个提供能量。
4.根据权利要求3所述的光生物反应器系统，
其中，给其它子系统中的至少一个提供能量包括给其它子系统中的至少一个的各个工艺物料成分提供能量；
由所述供应原料处理子系统所提供的所述光合作用反应试剂限定了所述供应原料处理子系统的各个工艺物料成分；
反应区内的所述光合作用反应试剂限定了所述反应器子系统的各个工艺物料成分；并且
从所述光生物反应器排出的所述反应区产物限定了所述产物物料处理子系统的各个工艺物料成分。
5.根据权利要求3所述的光生物反应器系统，
其中，就所述至少一个太阳能收集器中的至少一个而言，所述各个能量转换和供应组件包括与所述一个或多个电力负载电联接的光伏电池。
6.根据权利要求1所述的光生物反应器系统，
其中，就所述至少一个太阳能收集器中的至少一个而言，可操作地与所述太阳能收集器相联接的所述能量供应组件包括光传输组件，所述光传输组件构造成用于传输源自所接收的入射太阳辐射的至少一部分的光能并将所述光能供应给置于所述光生物反应器的所述反应区内的所述反应混合物，从而使所述反应混合物暴露于光合有效光辐射下。
7.一种光生物反应器系统，包括：
供应原料处理子系统；
反应器子系统，其包括构造成用于容纳反应混合物的光生物反应器，所述反应混合物在暴露于光合有效光辐射下时能有效地进行光合作用，所述反应混合物包括光合作用反应试剂，
其中，所述供应原料处理子系统构造成给所述光生物反应器提供供应原料，所述供应原料包括所述光合作用反应试剂中的至少一种；
产物物料处理子系统，其构造成用于接收从所述光生物反应器排出的反应区产物并对所接收的反应区产物进行液体成分的分离；以及
太阳能供应子系统，其包括至少一个太阳能收集器，其中，所述至少一个太阳能收集器中的每一个都安装在所述光生物反应器的有效安装表面上并且包括构造成用于接收入射太阳辐射的太阳能收集器表面，其中，所述至少一个太阳能收集器中的每一个都可操作地联接至能量供应组件，所述能量供应组件构造成用于传输源自所接收的入射太阳辐射的能量并将所述能量供应给其它子系统中的至少一个，
其中，所述有效安装表面相对于竖直方向定向在45度的范围内。
8.根据权利要求8所述的光生物反应器系统，
其中，所述有效安装表面相对于竖直方向定向在25度的范围内。
9.根据权利要求8所述的光生物反应器系统，
其中，所述有效安装表面相对于竖直方向定向在15度的范围内。
10.根据权利要求8所述的光生物反应器系统，
其中，所述有效安装表面相对于竖直方向定向在5度的范围内。
11.根据权利要求8所述的光生物反应器系统，
其中，所述光生物反应器系统设置在赤道以北至少25度的地方或设置在赤道以南至少25度的地方。
12.根据权利要求8所述的光生物反应器系统；
其中，就所述至少一个太阳能收集器中的至少一个而言，可操作地与所述太阳能收集器相联接的所述能量供应组件包括光传输组件，所述光传输组件构造成用于传输源自所接收的入射太阳辐射的至少一部分的光能并将所述光能供应给置于所述光生物反应器的所述反应区内的所述反应混合物，从而使所述反应混合物暴露于光合有效光辐射下。
13.根据权利要求8所述的光生物反应器系统；
其中，所述至少一个太阳能收集器中的每一个都安装在所述光生物反应器上并包括构造成用于接收入射太阳辐射的太阳能收集器表面，以便提供至少一个太阳能收集器表面来限定总的连接至光生物反应器的太阳能收集器的表面面积，其中，所述总的连接至光生物反应器的太阳能收集器的表面面积至少为75平方米。
14.一种光生物反应器系统，包括：
光生物反应器，其构造成用于容纳反应区中的反应混合物，其中，所述反应混合物在暴露于光合有效光辐射下时能有效地进行光合作用，并且所述反应混合物包括光合作用反应试剂，其中，所述反应区具有至少3000升的容积；以及
多个有效光传输组件，其构造成给所述光生物反应器的所述反应区供应光能，从而使得在所述反应区的至少80%内的所述反应混合物暴露于光合有效光辐射下，其中，所述有效光传输组件中的每一个都安装至所述反应区并从所述光生物反应器的内表面的有效部分向所述反应区内延伸有效距离，其中所述有效距离小于5米。
15.根据权利要求15所述的光生物反应器系统；
其中，由所述光传输组件供应的所述光能的至少一部分能够从安装在所述光生物反应器上的太阳能收集器所接收的入射太阳辐射中获得。
16.一种光生物反应器系统，包括：
供应原料处理子系统；
反应器子系统，其包括构造成用于容纳反应混合物的光生物反应器，所述反应混合物在暴露于光合有效光辐射下时能有效地进行光合作用，所述反应混合物包括光合作用反应试剂，
其中，所述供应原料处理子系统构造成给所述光生物反应器提供供应原料，所述供应原料包括所述光合作用反应试剂中的至少一种；
产物物料处理子系统，其构造成用于接收从所述光生物反应器排出的反应区产物并对所接收的反应区产物进行液体成分的分离；以及
太阳能供应子系统，其包括至少一个太阳能收集器，其中，所述至少一个太阳能收集器中的每一个都包括构造成用于接收入射太阳辐射的太阳能收集器表面，并且所述太阳能供应子系统还包括多个沿竖直方向隔开的能量供应组件，其中，所述沿竖直方向隔开的能量供应组件中的每一个都构造成用于传输源自所接收的入射太阳辐射的能量并将所述能量供应至其它子系统中的至少一个，其中，所述至少一个太阳能收集器中的每一个都可操作地联接至所述沿竖直方向隔开的能量供应组件中的至少一个，
其中，所述沿竖直方向隔开的能量供应组件中的每一个都从所述光生物反应器的内表面的有效部分延伸到反应区内，所述光生物反应器的内表面限定了包括所述反应区的空间，并且
所述沿竖直方向隔开的能量供应组件中的每一个都相对于其它沿竖直方向隔开的能量供应组件设置在不同的竖直位置。
17.根据权利要求17所述的光生物反应器系统，
其中，所述沿竖直方向隔开的能量供应组件中的每一个都从所述光生物反应器的内表面的有效部分延伸到所述反应区内，从而提供多个内表面有效部分，并且所述多个内表面有效部分中的每一个都相对于其它内表面有效部分设置在不同的竖直位置。
18.根据权利要求18所述的光生物反应器系统；
其中，所述内表面有效部分中的每一个都相对于竖直方向定向在45度的范围内。
19.根据权利要求18所述的光生物反应器系统；
其中，所述沿竖直方向隔开的能量传输装置中的每一个都安装在所述光生物反应器上。
20.根据权利要求17所述的光生物反应器系统；
其中，就所述至少一个太阳能收集器中的至少一个而言，可操作地与所述太阳能收集器相联接的所述至少一个能量供应组件中的至少一个包括光传输组件，所述光传输组件构造成用于传输源自所接收的入射太阳辐射的至少一部分的光能并将所述光能供应给置于所述光生物反应器的所述反应区内的所述反应混合物，从而使所述反应混合物暴露于光合有效光辐射下。
21.根据权利要求18所述的光生物反应器系统；
其中，就所述至少一个太阳能收集器中的至少一个而言，可操作地与所述太阳能收集器相联接的所述至少一个能量供应组件中的至少一个包括光传输组件，所述光传输组件构造成用于传输源自所接收的入射太阳辐射的至少一部分的光能并将所述光能供应给置于所述光生物反应器的所述反应区内的所述反应混合物，从而使所述反应混合物暴露于光合有效光辐射下。
22.根据权利要求17所述的光生物反应器系统；
其中，所述光生物反应器包括反应区，所述反应区具有大于所述反应区的直径或宽度的最小深度。
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