CN108603154A - 光生物反应器装置和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了用于生产生物质和修复环境污染的光生物反应器装置和单元。所述生物反应器装置包括：(i)光生物反应器单元，其包括第一膜层和第二膜层，所述两个膜层被布置成使得所述第一膜层的至少一部分直接黏合到所述第二膜层的至少一部分以在所述第一膜层和所述第二膜层的非黏合部分周围形成限定边界，由此限定能够包含流体的所述光生物反应器单元，其中所述第一层和所述第二层中的至少一个是半透明的，并且其中所述第一膜层和所述第二膜层的至少一部分能够渗透气体。穿过所述第一膜层和/或所述第二膜层的氧气的渗透系数适当地不小于约100Barrer、典型地不小于约300Barrer、并且适当地不小于约500Barrer。所述光生物反应器单元还包括用于使所述流体能够循环通过所述单元的入口和出口端口。提供了包括所述装置的系统以及使用所述装置来生产生物质、修复废水以及去除大气污染物的方法。

Description

光生物反应器装置和方法
技术领域
本发明涉及光生物反应器装置，所述光生物反应器装置可以用于生成生物质并且辅助环境修复。这种装置还可以从环境中去除如二氧化碳和氧化氮等气体并且可以生成氧气。
背景技术
由于全球远离依赖于基于矿物燃料的能源转变，因此生物质对于能源生成、化学品的生产和其它工业和环境应用变得越来越重要。源自于非食物来源的生物质特别受关注，因为它可能比其它类型的玉米和大豆等陆基农业生物质更快产生，并且一旦收获，可以对其进行处理(例如，通过发酵或提纯)来产生如生物柴油、乙醇、丁醇和甲烷(生物气)等生物燃料和/或产生珍贵的化学品和营养素。
US2014/186909描述了一种由透明(或半透明)柔性聚合物薄膜制成的光生物反应器囊，所述光生物反应器囊被分为与流体分配结构连通的多个相邻通道。
GB2339763描述了一种由透明材料制成的光生物反应器，所述光生物反应器包括具有入口和出口的柔性袋和限定多个导管的多个线性密封件。柔性袋由非渗透性塑料或聚合物制成。
US2015/0230420涉及一种光生物反应器以及配备有这种光生物反应器的生物气单元，所述生物气单元将透明管道系统用于培养悬浮液的流通，所述透明管道系统被配置成液位的形式以便在若干液位之上实现培养。
DE102012013587涉及一种光生物反应器，所述光生物反应器包括限定由壁界定的反应器腔的一次性袋和布置在所述壁的紧邻区域中的光源。
US2014/0093924描述了具有光合微生物、自发酵微生物的平板生物膜光生物反应器系统，所述光合微生物、自发酵性微生物形成生物膜并且通过光合作用和随后的自发酵来制成化学产品。
WO2015/116963涉及生物反应器，所述生物反应器限定除了允许引入气体和/或营养素的至少一个开口之外基本上闭合的系统。气体和/或营养素被引入的方式为提供生物反应器中的细胞培养的混合和通气。
US2009/305389描述了光生物反应器，所述光生物反应器包括柔性外袋，所述光生物反应器具有位于所述外袋内部的膜管，从而允许将高浓度二氧化碳引入到其内包含的介质中。
US2011/312084描述了光生物反应器，所述光生物反应器包括呈薄膜、板或如管道等圆柱体的形式的丙烯酸类聚合物。
需要能够生成大量生物质来满足当前能源和环境挑战的新的高度可扩展且低成本的生物反应器，此外，存在对促进安装简易性、具有相对低的运行成本并且可以有助于如温室气体的吸收或污染水源的处理等环境修复的光生物反应器的需求。如将在以下公开中变得明显的，本发明寻求解决这些或其它问题。
发明内容
本发明的第一方面提供了一种光生物反应器装置，所述光生物反应器装置包括：
(i)光生物反应器单元，其包括第一膜层和第二膜层，所述两个膜层被布置成使得所述第一膜层的至少一部分直接黏合到所述第二膜层的至少一部分以在所述第一膜层和所述第二膜层的非黏合部分周围形成限定边界，由此限定能够包含流体的光生物反应器单元，
其中所述第一层和所述第二层中的至少一个是半透明的，并且
其中所述第一膜层和所述第二膜层的至少一部分能够渗透气体，其中穿过所述第一膜层和/或所述第二膜层的氧气的渗透系数适当地不小于约100Barrer、典型地不小于约300Barrer、并且适当地不小于约400Barrer；以及
(ii)用于使所述流体能够循环通过所述单元的入口和出口端口。
根据本发明的实施例，基本上全部的所述第一膜层能够渗透气体。在替代性实施例中，所述第二膜层能够渗透气体，任选地基本上全部的所述第一膜层和所述第二膜层都能够渗透气体。
在本发明的一个实施例中，穿过所述第一膜层和/或所述第二膜层的氧气的渗透系数适当地不小于约至少500Barrer、至少650Barrer、至少750Barrer、适当地至少820Barrer。适当地，所述第一膜层和所述第二膜层的至少一部分能够渗透二氧化碳，并且二氧化碳渗透性的渗透系数选自于以下各项：不小于至少1000Barrer、至少2000Barrer、至少2200Barrer、至少2500Barrer、至少2800Barrer、至少2900Barrer、至少3000Barrer、至少3100Barrer、至少3200Barrer、至少3300Barrer、至少3400Barrer、至少3500Barrer、至少3600Barrer、至少3700Barrer、至少3800Barrer、适当地至少3820Barrer。在本发明的具体实施例中，所述第一膜层和/或所述第二膜层的至少一部分能够渗透其它气体，包括但不限于氧化氮和甲烷。
在本发明的实施例中，所述第一膜层和/或所述第二膜层中的至少一个包括选自于以下各项之一的适当半透明或甚至基本上透明的材料：硅酮、聚硅氧烷、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、氟硅酮以及有机硅酮。在具体实施例中，所述材料包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)或其弹性体。
在本发明的实施例中，至少一个光合微生物包括在所述单元内。适当地，所述光合微生物选自于以下各项：红球藻属(Haematococcus sp.)、雨生红球藻(Haematococcuspluvialis)、小球藻属(Chlorela sp.)、自养小球藻(Chlorela autotraphica)、寻常小球藻(Chlorela vulgaris)、栅藻属(Scenedesmus sp.)、聚球藻属(Synechococcus sp.)、长链聚球藻(Synechococcus elongatus)、集胞藻属(Synechocystis sp.)、节旋藻属(Arthrospira sp.)、钝顶节旋藻(Arthrospira platensis)、极大节旋藻(Arthrospiramaxima)、螺旋藻属(Spirulina sp.)、衣藻属(Chlamydomonas sp.)、莱菌衣藻(Chlamydomonas reinhardti)、群动盖丝藻属(Geitlerinema sp.)、木氏藻属(Lyngbyasp.)、拟甲色球藻属(Chroococcidiopsis sp.)、眉藻属(Calothrix sp.)、蓝丝菌藻属(Cyanothece sp.)、颤藻属(Oscilatoria sp.)、粘杆藻属(Gloeothece sp.)、鞘藻属(Microcoleus sp.)、微囊藻属(Microcystis sp.)、念珠藻属(Nostoc sp.)以及鱼腥藻属(Anabaena sp.)。任选地，所述光合微生物选自于盐生杜氏藻属(Dunaliela salina)和海洋聚球藻属(Synechococcus marinus)。
在一个实施例中，所述光生物反应器单元进一步包括至少一个流动控制结构。任选地，所述光生物反应器单元进一步包括至少一个生物支撑件。
在具体实施例中，所述光生物反应器进一步包括辅助系统，所述辅助系统与所述光生物反应器单元流体连通。典型地，所述辅助系统包括由以下各项组成的组中的至少一项或多项：导管；贮存器；泵；阀；生物质分离器；照明系统；温度控制系统；传感器；以及计算机/CPU控制器。
在一个实施例中，所述装置包括多个光生物反应器单元。任选地，所述多个光生物反应器单元彼此流体连通并且被布置成阵列。适当地，光生物反应器单元的所述阵列可以被串联配置或替代性地并联配置。
本发明的第二方面提供了一种光生物反应器系统，所述光生物反应器系统包括：
(a)至少一个光生物反应器单元，其包括第一膜层和第二膜层，所述两个膜层被布置成使得所述第一膜层的至少一部分直接黏合到所述第二膜层的至少一部分以在所述第一膜层和所述第二膜层的非黏合部分周围形成限定边界，由此限定能够包含流体的光生物反应器单元，
其中所述第一层和所述第二层中的至少一个是半透明的，并且
其中所述第一膜层和所述第二膜层的至少一部分能够渗透气体，其中穿过所述第一膜层和/或所述第二膜层的氧气的渗透系数适当地不小于约100Barrer、典型地不小于约300Barrer、并且适当地不小于约400Barrer；以及
用于使所述流体能够循环通过所述单元的入口和出口端口；
(b)流体贮存器，其与所述至少一个光生物反应器单元的所述入口和出口端口流体连通；
(c)用于维持贯穿所述系统的流体循环的泵；以及
(d)生物质收集器。
本发明的第三方面提供了一种用于制造生物质的方法，所述方法包括：在如上所陈述的装置内培养光合微生物，以及从所述装置收获所述生物质。
本发明的第四方面提供了一种用于制造生物质的方法，所述方法包括：在如上所陈述的系统内培养光合微生物，以及从所述系统收获所述生物质。
本发明的第五方面提供了一种用于处理废水的方法，所述方法包括：在如上所陈述的装置内培养光合微生物，使废水穿过所述装置，从而使得装置内的所述光合微生物从所述废水中去除或修复毒素。
本发明的第六方面提供了一种用于去除大气污染物的方法，所述方法包括：在如上所陈述的装置内培养光合微生物，将所述装置暴露于包括所述污染物的大气，从而使得装置内的所述光合微生物从所述大气中去除或修复污染物。
本发明的第七方面提供了一种光生物反应器装置，所述光生物反应器装置包括：
(I)光生物反应器单元，其包括第一膜层和第二膜层，所述两个膜层被布置成使得所述第一膜层的至少一部分直接黏合到所述第二膜层的至少一部分以在所述第一膜层和所述第二膜层的非黏合部分周围形成限定边界，由此限定能够包含流体的光生物反应器单元，
其中所述第一层和所述第二层中的至少一个是半透明的，并且
其中所述第一膜层和所述第二膜层的至少一部分包括聚硅氧烷；以及
(II)用于使所述流体能够循环通过所述单元的入口和出口端口。
在本发明的具体实施例中，所述聚硅氧烷包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)或其弹性体。
在第八方面中，本发明提供了一种光生物反应器装置，所述光生物反应器装置包括：
(i)光生物反应器单元，其包括第一膜层和第二膜层，所述两个膜层被布置成使得所述第一膜层的至少一部分直接黏合到所述第二膜层的至少一部分以在所述第一膜层和所述第二膜层的非黏合部分周围形成限定边界，由此限定能够包含流体的光生物反应器单元，
其中所述第一层和所述第二层中的至少一个是半透明的，并且
其中所述第一膜层和所述第二膜层的至少一部分能够渗透气体，其中穿过所述第一膜层和/或所述第二膜层的二氧化碳的渗透系数选自于以下各项：不小于至少1000Barrer、至少2000Barrer、至少2200Barrer、至少2500Barrer、至少2800Barrer、至少2900Barrer、至少3000Barrer、至少3100Barrer、至少3200Barrer、至少3300Barrer、至少3400Barrer、至少3500Barrer、至少3600Barrer、至少3700Barrer、至少3800Barrer、适当地至少3820Barrer；以及
(ii)用于使所述流体能够循环通过所述单元的入口和出口端口。
将了解的是，本发明的方面和实施例可以经受未在上文明确陈述但在本文中详细描述的特征的另外组合。
附图说明
参照附图对本发明进行进一步展示，在附图中：
图1示出了根据本发明的实施例的装置的截面视图(图27a的截面A)，所述装置具有由三重阴影线表示的第一膜层和第二膜层。
图2示出了根据本发明的实施例的装置的截面视图(图27a的截面A)，其中第一层和第二层均为膜层，并且其中附加部件位于由这两层形成的单元内部。反方向上的单个阴影线指示附加部件。
图3示出了根据本发明的实施例的单元的截面视图，其中第一层和第二层均为膜层，并且其中生物支撑件包覆这两层的内表面。灰色填充颜色表示生物支撑件涂层。
图4示出了根据本发明的实施例的单元的截面视图，其中第一层和第二层均为膜层，并且其中用生物支撑件包覆一个膜层的内表面。虚线填充/小十字指示多孔附加部件。
图5示出了根据本发明的实施例的具有第一膜层和第二膜层的单元的截面视图，其中附加部件位于由这两个膜层形成的单元内部，并且其中用生物支撑件在两侧上包覆所述附加部件。
图6示出了根据本发明的实施例的具有第一膜层和第二膜层的单元的截面视图，其中附加部件位于由这两个膜层形成的单元内部，并且其中用生物支撑件在一侧/表面上包覆所述附加部件。
图7示出了根据本发明的实施例的具有第一膜层和第二膜层的单元的截面视图，其中每个膜层的内表面与多孔附加部件接触。
图8示出了根据本发明的实施例的具有第一膜层和第二膜层的单元的截面视图，其中一个膜层的内表面与多孔附加部件接触。
图9示出了根据本发明的实施例的具有第一膜层和第二膜层的单元的截面视图，其中多孔附加部件位于由这两个膜层形成的单元内部。
图10示出了根据本发明的实施例的单元的简单前视图流线型版本，所述单元具有带有位于相对侧上的入口和出口的一个流体导管。
图11示出了根据本发明的实施例的装置的简单前视图流线型版本，所述装置具有带有位于所述装置的相对侧上的入口和出口的两个流体导管和单个控制结构。
图12示出了根据本发明的实施例的装置的前视图流线型版本，所述装置具有多个流体导管。中央部分具有线性和流线型流动控制结构两者。
图13示出了根据本发明的实施例的装置的前视图流线型版本，所述装置具有创建多个不同路径的多个圆形流动控制结构。
图14示出了被配置成增加装置的表面积的布置。存在向外径向突出的多个部分，所述多个部分各自包括如图12中所描述的流动控制结构。
图15示出了根据本发明的实施例的装置的图示，其中入口和出口被定位成在装置的同一侧上彼此相邻。存在线性控制流动结构，所述线性控制流动结构在口袋内形成单个通道。
图16还示出了根据本发明的实施例的装置的版本，其中入口和出口被定位成在装置的同一侧上彼此相邻。在所述装置的这个前视图图示中，中心部分具有创建分叉通道的线性和流线型流动控制结构。
图17示出了根据本发明的实施例的线性装置，所述线性装置具有带有位于相对侧上的入口和出口的一个流体导管。
图18示出了根据本发明的实施例的线性装置，所述线性装置具有带有位于所述装置的相对侧上的入口和出口的两个流体导管和中央部分中的单个控制结构。
图19示出了根据本发明的实施例的装置，所述装置包括创建多个不同路径的多个圆形流动控制结构。
图20示出了根据本发明的实施例的具有四个分支的装置的版本，这四个分支具有用作入口和出口两者的多个开口。
图21示出了根据本发明的实施例的具有创建多个通道的多个突出部分的布置。
图22示出了根据本发明的实施例的线性U形装置，所述线性U形装置具有由线性流动控制结构创建的单个通道。入口和出口均位于装置的同一侧上。
图23a示出了根据本发明的实施例的矩形装置，所述矩形装置具有沿着由多个控制结构创建的弯曲路径的单个流体导管，所述单个流体导管具有位于所述装置的相对侧上的入口和出口。
图23b示出了根据本发明的实施例的矩形装置，所述矩形装置具有沿着由多个控制结构创建的弯曲、曲折路径的单个流体导管。入口和出口均位于装置的同一侧上。
图24是根据本发明的实施例的包括流线型和插入装置的多个装置的模块化阵列的实例。
图25是根据本发明的实施例的包括线性装置的多个装置的模块化阵列的实例。
图26是根据本发明的实施例的被配置成占据矩形空间的多个装置的模块化阵列的实例。在此图示中示出的每个单独装置是本发明的范围内的装置。
图27a示出了根据本发明的实施例的穿过装置的图示的平面截面A和B，并且包括所述附图以帮助理解本文中提供的其它附图。
图27b示出了根据本发明的实施例的穿过装置的图示的平面截面C，所述装置具有自身折叠并且因此黏合来形成单元的一个单个膜层。
图27c示出了根据本发明的实施例的穿过具有中央控制结构的装置的图示的平面截面D，并且包括所述附图以帮助理解本文中提供的其它附图。
图28a示出了根据本发明的实施例的单元的截面视图(图27a的截面B)，所述单元具有通过胶水界面而黏合在一起的第一膜层和第二膜层。
图28b示出了根据本发明的实施例的具有第一膜层和第二膜层的单元的截面视图(图27a的截面B)，所述第一膜层和所述第二膜层具有处于其间的结构部件，其中膜通过胶水界面而黏合到结构部件的相对表面。
图29a示出了根据本发明的实施例的单元的截面视图(图27c的截面D)，所述单元具有通过胶水界面而黏合在一起的第一膜层和第二膜层。中央黏合形成创建两个流体导管的控制结构。
图29b示出了根据本发明的实施例的具有第一膜层和第二膜层的单元的截面视图(图27c截面D)，所述第一膜层和所述第二膜层具有处于其间的结构部件，其中膜通过胶水界面而黏合到结构部件的相对表面。中央黏合形成创建两个流体导管的控制结构。
图30示出了表示黏合技术的混合成分的根据本发明的实施例的装置的截面视图(图27c的截面D)。
图31示出了根据本发明的实施例的装置的截面视图(图27c的截面D)，其中人造光源被嵌入所述装置内部并且具体地嵌入位于第一膜层与第二膜层之间的控制结构内部(由单个和虚线阴影线指示)。
图32a示出了根据本发明的实施例的装置的截面视图(图27b的截面C)，其中所述单元由通过胶水界面在一端处自身折叠和黏合的单个管状形状的膜层挤压构成。
图32b示出了根据图32a的装置的截面视图(图27b的截面C)，所述装置具有折叠构型和插入通过胶水界面黏合到自身的膜中的结构部件。
图33a示出了根据本发明的实施例的具有第一膜层和第二膜层的单元的截面视图，其中附加部件位于由这两个膜层形成的单元内部。
图33b示出了根据图33a的单元的截面视图，所述单元具有插入通过胶水界面黏合的膜之间的结构部件。
图34示出了根据本发明的实施例的具有第一膜层和第二膜层的单元的截面视图，并且表示通过膜层的气体渗透的方向。
图35示出了根据本发明的实施例的辅助系统的示意图，所述辅助系统控制单个装置的生物质的生成和收获。
图36是使用根据本发明的实施例的装置(在连续或批量基础上)生成和收获生物质的循环的图示。
图37是使用根据本发明的实施例的装置(在连续或批量基础上)生成和收获生物质的循环的图示。
图38示出了根据本发明的实施例的装置的截面视图(图27a的截面B)，其中所述单元由单个管状形状的膜层挤压构成。
图39示出了根据本发明的实施例的装置的截面视图(图27a的截面A)，所述装置具有膜层和非膜层。
图40示出了根据本发明的实施例的在实例中描述的系统的示意图。
图41a以图表的形式示出了用于第一实验运行(运行A)的液体介质中氧气浓度的实例的结果。
图41b以图表的形式示出了用于第二实验运行(运行B)的液体介质中氧气浓度的实例的结果。
具体实施方式
本文中引用的所有参考通过引用以其全部内容结合在此。除非另外限定，本文中所使用的所有技术性术语和科学性术语都具有与本发明所属领域的技术人员通常理解的含义相同的含义。
本发明的发明人已经开发了适用于生成生物质的气体可渗透光生物反应器装置。有利地，生物质可以在装置内持续生成并且可以被持续收获。可以例如通过以下方式增加或优化所生成的生物质的量：通过以模块化方式组合多个单元或通过优化装置及其部件的形状和/或厚度或通过利用不同的微生物。此外，本发明的实施例还可以用于促进如氧气和/或二氧化碳等气体在外部大气与用于生长微生物的单元内的液体介质之间的受控转移。
对本发明的实施例进行优化以使所述单元内包含的光合微生物的光合效率最大化，并且因此使生物质的生成效率最大化。
在进一步阐述本发明之前，提供了将帮助理解本发明的一些定义。
如本文中所使用的，术语“包括”意味着必定包括任何所陈述的元件并且也可以任选地包括其它元件。“基本上由……组成”意味着除了将实质上影响所列元件的基本特征和新颖特征的元件之外必定包括任何所陈述的元件并且也可以任选地包括其它元件。“由……组成”意味着除了那些列出的元件之外的所有元件。由这些术语中的每个术语限定的实施例在本发明的范围内。
如技术人员将知道的，术语“光合作用”是指在绿色植物和其它光合生物(包括包含藻类和蓝藻细菌的光合微生物)中发生的生化过程。光合作用过程利用光将二氧化碳和水转化为代谢物和氧气。如本文中所使用的，术语“光合微生物”是指能够进行光合作用的任何微生物。如本文中所使用的，相关术语“光营养的”和“光能合成的”与“光合作用的”同义，并且这两个术语可以在本文中可互换地使用。
如本文中所使用的，术语“半透明的(translucent)”具有其在本领域的普通含义，并且指允许光穿过从而引起光线的任意内部散射的透光材料。所述术语与“半透明的(semi-transparent)”同义。
如本文中所使用的，术语“透明的”具有其在本领域的普通含义，并且指允许可见光穿过的材料，从而使得可以在材料的另一侧上清楚地看见物体，换言之，它可以被描述为“光学透明的”。本文中所描述的所有膜和非膜材料、附加部件、控制结构、涂层和其它材料可以是基本上半透明的或基本上透明的。
如本文中所使用的，术语“可渗透的”或“气体可渗透的”意味着允许气体(具体地讲，氧气(O2)、二氧化碳(CO2)、氮气(N2)和任选地甲烷(CH4))在任一方向或两个方向上从材料的一侧转移到另一层。如本文中所使用的，相关术语“可呼吸的”和“半渗透的”与“可渗透的”同义，并且这两个术语可以在本文中可互换地使用。典型地，材料呈片材、薄膜或膜的形式。渗透与渗透物(比如气体)的浓度梯度、材料的绝对渗透率和膜材料中渗透物品种的扩散率直接相关。
穿过特定材料的气体的渗透率在本文中以Barrer度量。Barrer度量由给定压力驱动的穿过具有一定厚度的材料的区域的气体流动的速率。Barrer通常在23℃(+-2℃)下进行计算并且被定义为：
将了解的是，Barrer是当前用途中最常见的气体渗透率的度量，并且尤其与气体可渗透膜相关，然而渗透率还可以由其它单位限定，其实例包括kmol.m.m-2.s-1.kPa-1、m3.m.m-2.s-1.kPa-1或kg.m.m-2.s-1.kPa-1。ISO 15105-1指定了用于在差动压力下确定单层塑料薄膜或片材或多层结构的气体传输速率的两种方法。一种方法使用压力传感器，而另一种方法使用气体色层谱，以便测量穿透测试样品的气体量。气体渗透率的其它等效度量对于技术人员是已知的并且将容易与本文中所描述的Barrer度量等效。
如本文中所使用的，术语“多孔的”和“无孔的”是指作为对渗透物穿透材料的机制进行分类的手段的材料的孔隙率。如果气体粒子通过穿过微孔结构的直接移动而迁移，则膜材料被称为多孔的，并且如果渗透物品种通过更复杂的物理/化学机制从膜的一侧到另一侧的传输发生，则这些膜材料被称为无孔的。
如本文中所使用的，术语“生物质”是指任何活的或死的微生物，包括微生物的任何部分(包括由微生物排出的代谢物和副产物)。在本发明的上下文中，术语“生物质”具体地包括如上所述的光合作用的合成产物。
如本文中所使用的，术语“吸水率”具有其在本领域中的通常含义并且是对通过毛细管作用吸收和传递水和其它液体的材料的倾向的度量。相关术语“吸湿性”还指物体从周围环境吸水和保水的能力。这两个术语可以在本文中可互换地使用。
如本文中所使用的，术语“生物膜”是指一组微生物，其中细胞相互附着在表面上。
如本文中所使用的，术语“口袋(pocket)”还指“单元(unit)”，并且这两个术语可以在本文中可互换地使用。
如本文中所使用的，“装置”可以由一个“单元”或“口袋”构成，或者可以包括多个“单元”或“口袋”的阵列或组合。
如本文中所使用的，术语“流体”是指可流动的材料、典型地所述单元以及因此本发明的装置内包括的液体和适当的液体介质。
如本文中所使用的，术语“液体介质”具有其在本领域的通常含义并且是用于生长微生物并且包含微生物的液体。液体介质可以包括以下各项中的一项或多项：淡水、盐水、生理盐水、卤水、海水、废水、营养素、磷酸盐、硝酸盐、维生素、矿物质、微量营养素、金属、微生物生长介质、BG11生长介质和微生物。
类似地，相关术语“水通道”“流体通道”“流体导管”“流体介质导管”和“液体介质通道”是同义的，并且这些术语可以在本文中可互换地使用。
如本文中所使用的，相关术语“光生物转换器”和“光生物反应器”是同义的，并且这两个术语可以在本文中可互换地使用。
外层
根据本发明的一个实施例，提供了一种装置，所述装置包括单元，所述单元包括是膜层的外层。一个膜层可以是柔性的，尽管根据典型实施例，这两个膜层都是柔性的。这些膜层之一的至少一部分以及任选地第一膜层和第二膜层两者都具有高度渗透性以跨膜传输气体。穿过膜的氧气的渗透系数不小于约100Barrer、典型地约300Barrer和适当地约400Barrer。在本发明的具体实施例中，穿过膜的氧气的渗透系数不小于约500Barrer并且可能更高。穿过膜的二氧化碳的渗透系数不小于约1000Barrer、适当地约2500Barrer和典型地约3000Barrer。在本发明的具体实施例中，穿过膜的二氧化碳的渗透系数不小于约3200Barrer。如在此上下文中所使用的，短语“至少一部分”意味着具有允许气体穿过单元的外层的足够大小的层的区域。气体通常是氧气和二氧化碳，但并不限于此，并且可以包括氮气、氧化氮、氧化硫和/或者甲烷。
所述装置可以从单个方向或从多个方向被照亮。如果所述装置被定位成使得它主要从单个方向接收光，并且一个(第一)膜层与另一个(第二)膜层相比不太透明或不太半透明，则第一膜层可以处于面向主要光源的装置的一侧上。在具体实施例中，第一膜层位于背离光源的装置的一侧上。
典型地，膜层至少是半透明的，并且是适当地基本上透明的。
典型地，膜层包括一种或多种气体可渗透材料。重要的是，气体可渗透材料不可渗透液体，这用于防止单元内部的液体介质渗漏到单元外部。气体可渗透材料可以是多孔的(包括微孔结构气体可渗透材料)或无孔的。如果气体粒子可以通过穿过微孔结构的直接移动而迁移，则气体可渗透材料被称为多孔的。如果气体可渗透材料是多孔的，则重要的是它基本上不可渗透液体。适当地，气体可渗透材料是无孔的，这还用于避免液体穿过气体可渗透材料渗透并且用于避免可能与材料的孔隙率相关的较低透明度。
气体可渗透材料可以是聚合物，比如化学优化的气体可渗透聚合物。化学优化的聚合物可能比对应的未改性聚合物更具优势，因为它们可能更便宜、更抗撕裂、具疏水性、抗静电、更透明、更易于制作、不易碎、更具弹性、更能够渗透气体并且选择性地渗透特定气体。对聚合物进行的化学改性可以通过以下方式以本领域技术人员将知晓的任何方式进行：比如通过改变单体的化学成分、主干链、侧链、端基和/或使用不同的固化剂、交联剂、填料、硫化工艺、制造工艺、制作工艺和其它方法。
膜层可以包括任何适合的气体可渗透材料，包括但不限于：硅酮、聚硅氧烷、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、氟硅酮、有机硅酮、纤维素(包括植物纤维素和细菌纤维素)、醋酸纤维素(赛璐珞)、硝化纤维素和纤维素酯。
在适合的实施例中，膜层包括聚硅氧烷、任选地优化的聚硅氧烷。聚硅氧烷可以被化学改性或机械改性。典型地，膜层包括聚硅氧烷弹性体。已经发现，聚硅氧烷是用于气体可渗透膜的良好候选项，这也归功于Si-O键进入聚合物结构中，这促进了较高的键旋转，从而增加了链移动性，因此增加了渗透率水平。聚硅氧烷弹性体(如硅酮橡胶)也是柔性材料、耐紫外线辐射材料和弹性材料。
在实施例中，膜层包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、适当地优化的聚二甲基硅氧烷。典型地，膜层包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性体。聚二甲基硅氧烷(PDMS)可以采用弹性体、树脂或流体的形式。PDMS弹性体使用交联剂而形成。PDMS是典型的气体可渗透材料，因为其非常高的氧气和二氧化碳渗透性、其透光度和其抗紫外线辐射性。这些弹性体通常不支持微生物在其表面上生长，并且所以避免了不受控制的生物膜生长和/或可能降低装置生成生物质的功效的生物污损(遮光)。任选地，可以通过利用如下所述的生物支撑件及/或者附加部件来促进生物膜生长。此外，聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性体是柔性材料和弹性材料。
可以对聚二甲基硅氧烷(PDMS)进行化学改性或机械改性以增加其气体渗透率和/或改变其特性。PDMS弹性体通常具有以下特性：至少350Barrer、至少400Barrer、至少450Barrer、至少550Barrer、至少650Barrer、至少750Barrer、适当地至少820Barrer的透氧性以及至少2000Barrer、至少2500Barrer、至少2600Barrer、至少2700Barrer、至少2800Barrer、至少2900Barrer、至少3000Barrer、至少3100Barrer、至少3200Barrer、至少3300Barrer、至少3400Barrer、至少3500Barrer、至少3600Barrer、至少3700Barrer、至少3800Barrer、适当地至少3820Barrer的二氧化碳渗透性。本发明的实施例中使用的PDMS的特性可以通过与以下各项相关的、但不限于以下各项的化学干预、机械干预以及过程驱动干预进行优化：聚合物链的摩尔质量(Mm)、聚合物的分散率(分散率是重均摩尔质量与数均摩尔质量的比率)、固化过程中热处理的温度和持续时间、交联剂与PDMS的比例、交联剂化学成分、可能影响交联过程中末端链环的PDMS结构形成的方式的不同端基(比如甲基-、羟基-和端乙烯基PDMS)。
在另一个实施例中，膜层包括细菌纤维素。虽然细菌纤维素具有与植物纤维素相同的分子式，但是细菌纤维素具有显著不同的大分子特性和特征。通常，细菌纤维素因不含半纤维素或者木质素而更具化学纯。此外，由于在成型过程中的高可塑性，因此细菌纤维素可以在各种各样的基板上生产并且可以生长为几乎任何形状。此外，细菌纤维素与植物纤维素相比具有更多的结晶结构并且形成了特有的薄带状微纤维，所述特有的薄带状微纤维显著小于植物纤维素中的特有的薄带状微纤维，从而使得细菌纤维素更加多孔。技术人员将知道被设计成用于优化纤维素生产的许多细菌系统，比如可以被表达为例如大肠杆菌的醋酸杆菌属(Acetobacter sp.)、褐球固氮菌属(Azotbacter sp.)、根瘤菌属(Rhizobiumsp.)、假单胞菌属(Pseudomonas sp.)、沙门氏菌属(Salmonella sp.)、以及产碱杆菌属(Alcaligenes sp.)的纤维素生物合成系统。细菌纤维素可以被处理成使得其表面提供化学界面以能够与分子黏合。
第二层还可以是如上文限定的膜层，即，气体可渗透层，或者可以由包括如天然材料或合成材料等任何适合的材料的非膜层构成。适当地，第二层至少是半透明的，并且通常是透明的。第二层是适当地可呼吸的。
在典型实施例中，第一层和第二层均是如本文中限定的气体可渗透膜层。
在第二层是非膜层的实施例中，所述第二层可以被或已经被处理或机加工成具有具有粗糙或多孔的表面。这使微生物能够附着到材料上并且促使生物膜在层的内表面上发展。
非膜层可以由任何适合的材料构成。所述材料可以被或可能已经被处理或改进以产生粗糙或多孔的表面。
在适当的实施例中，第一层和第二层通过粘合和/或热压黏合在一起。热压在预定时间段利用热量和压力的应用以形成焊接。本领域技术人员将熟悉此应用的适合的热压技术。将第一层和第二层的部分黏合在一起所需的精确的温度和持续时间将取决于构成这两层的具体材料。可替代地或另外地，胶水界面可以用于将这两层的部分黏合在一起；一旦涂覆在这些层上，就可以利用热压技术使胶水界面固化，或者可以在室温下自发固化，或者可以单独使用热量或压力固化。如本文中所使用的，术语“胶水界面”还包括非结晶(非硫化)聚合物的使用，所述非结晶(非硫化)聚合物可以用热压或湿压使这两层黏合。如本文中所使用的，相关术语“胶水界面”、“粘合剂”和“粘合剂界面”都是同义的，并且这三个术语可以在本文中可互换地使用。
胶水界面厚度根据其成分、材料和层材料而变化。适当地，胶水界面厚度不少于10微米、适当地20微米、典型地50微米。典型地，胶水界面厚度不超过5mm、任选地1mm、适当地600微米、典型地200微米。
更具体地，如果第一层和第二层均由聚硅氧烷和/或二甲基聚硅氧烷(PDMS)构成，则这两层可以通过使用硅酮粘合剂而黏合在一起，所述硅酮粘合剂可以呈粘性液体凝胶形式、层形式、层带形式和/或可以包括可以在低于或高于22℃下固化的所有类型的硅酮粘合剂。在将硅酮粘合剂涂覆在这两层上之后，黏合区域通常被按压如由硅酮粘合剂的类型所指示的确定时间段，并且如果所使用的硅酮粘合剂的类型还需要加热固化，则在如所利用的硅酮粘合剂的类型所指示的确定温度下和确定时间段内进行加热。
可能的硅酮粘合剂的类型包括但不限于：硅酮胶水和硅酮粘合剂层，比如厚度在0.20mm与0.60mm之间的VVB Birzer ADT-X(在1N/cm2与15N/cm2之间的压力下和在140℃到180℃之间的温度下使用热压黏合30秒到60秒)、厚度在25微米与100微米之间的AdhesivesResearch IS-7876硅酮转移粘合剂(在压力和高于5℃的温度下黏合的压敏粘合剂)。可替代地，硅酮粘合剂界面可以由未固化的聚硅氧烷和/或二甲基聚硅氧烷(PDMS)薄层构成，所述未固化的聚硅氧烷和/或二甲基聚硅氧烷(PDMS)薄层可以与其交联剂混合，并且迅速地涂覆在这些层上的预期黏合区域，然后进行按压和加热固化，从而将这两侧黏合在一起。
在一些实施例中，“胶水界面”和/或“硅酮粘合剂”可以用于在流体导管通常位于的区域中将这两层黏合在一起。这种黏合将创建控制结构以控制液体介质的流动，从而将这些流体导管分成或转向成多个导管。控制结构/黏合区域增加了装置的结构完整性，促进了液体介质流动，并且当单元因流体压力膨胀时增强了对装置体积、厚度和形状的控制。
在一些实施例中，“结构部件”可以被放置在黏合区域上的这两层之间以增强整体单元结构并且当单元膨胀时更好地控制单元厚度和形状。这些结构部件的厚度将与预期单元厚度相等，并且它们的长度和轮廓形状将至少部分地遵循预期黏合轮廓和形状。结构部件可以通过粘合和/或热压而黏合到这两层上。将第一层和第二层的部分黏合到结构部件所需的精确的温度和持续时间将取决于这两层和所述结构部件所使用的具体材料。可替代地或另外地，胶水界面可以用于将这两层的部分黏合到结构部件上。
结构部件的材料可以包括但不限于：如硅酮、聚硅氧烷、聚硅氧烷弹性体、聚二甲基硅氧烷(PDMS)和PDMS弹性体等柔性聚合物和包括光学透明的刚性聚合物的刚性聚合物。
可替代地或另外地，胶水界面可以用于将这两层的部分与这两层之间的结构部件一起黏合在期望黏合区域上。一旦胶水界面被涂覆在层和结构部件上，胶水界面就可以利用热压技术而固化或可以在室温下自发固化或可以单独使用热量和压力固化。
在一些实施例中，使用或不使用胶水界面黏合到这两层上的结构部件可以用于在流体导管通常位于的区域中将这两层黏合在一起。这种黏合创建了控制结构以控制液体介质的流动，从而将所述流体导管分成多个流体导管。控制结构/结构部件黏合区域增加了装置的结构完整性，促进了液体介质流动，和/或当单元因流体压力膨胀时增强了对装置体积、厚度和形状的控制。
胶水界面和结构部件是适当地半透明的和典型地透明的。
在适当的实施例中，所述单元可以由自身折叠的单片气体可渗透膜层制成，并且所述单片的两端可以被黏合，由此限定单元。黏合方法与如上所述的方法相同。折叠层的两侧之间可能存在其它黏合以创建如上所述的控制结构。经折叠的边缘可以用作到安装结构或歧管的固定点；经折叠的边缘还可以被夹紧或以其它方式加固。
在实施例中，所述单元可以由被挤压成管状形状的单层气体可渗透膜制成。在此实施例中，无需黏合端部，因为它已经在两侧上闭合，由此限定所述单元。然而，同一挤压层的两侧之间可以存在黏合以创建如上所述的控制结构。所述边缘可以用作到安装结构的固定点；经折叠的边缘还可以被夹紧或加固。
附加部件
在一些实施例中，本发明的装置包括位于口袋或单元内的附加部件(例如，14、16等)。这个部件的主要目的是为微生物提供附着的表面，由此形成生物膜。
这个部件可以包括任何适当的材料。所述材料可以被或可能已经被处理或改进(例如，被机加工或被包覆)以产生粗糙或多孔的表面。可替代地，附加部件可以是完全多孔的，包括如海绵材料、蛋白质、支架矩阵或网状物等任何合适的多孔材料。
附加部件可以被定位在所述装置的单元内的任何地方。在一些实施例中，附加部件与所述装置的外层中的一者或两者的内部接触。所述部件可以覆盖这些层的整个内部表面或仅其一部分。
附加部件至少是适当地半透明的和典型地透明的。
在一些实施例中，可以用生物支撑件在一侧或两侧上包覆附加部件。在这种布置中，微生物附着到生物支撑件上，而不是附着到附加部件的表面上，因此附加部件无需是多孔的或具有粗糙或多孔的表面；所述附加部件可以由可以支持涂层的任何材料制成。
生物支撑件
在实施例中，本发明的装置进一步包括位于由第一层和第二层形成的口袋内的生物支撑件。所述生物支撑件是为附着的光合微生物提供物理结构或化学界面的一种材料。可以对生物支撑件进行改进以使微生物能够附着。
生物支撑件任选地包括如蛋白质涂层和/或化学涂层等涂层。典型地，生物支撑件涂层的厚度不少于0.1nm、适当地0.5nm、任选地不小于约50nm。在实施例中，生物支撑件涂层的厚度为1nm。在本发明的一些实施例中，生物支撑件的厚度可以高达30微米并且甚至多达50微米。
适当地，生物支撑件至少是半透明的和典型地透明的。
如以上提及的，光可以从单个方向或从多个方向到达装置。位于装置内的光合微生物可以被吸引到(例如，经由趋光性)距主光源最近的装置的一侧，并且可以附着到装置的一侧的内表面上，从而形成生物膜。然而，这可能不是希望的，因为在最靠近主光源的装置的一部分的内表面上形成生物膜可能阻止光到达装置的其它部分。所述装置的生物支撑件部件的存在允许控制装置内微生物生长的位置，并且促进在理想位置中的生长。生物支撑件部件可以用于促进生物膜在装置的区域中形成，这将允许光穿过装置的最佳通路，并且因此促进装置内包含的光合微生物的最大光合效率，并且因此使生物质的生成和再生效率最大化。口袋内生物支撑件的位置可以根据装置的具体构成和布置而变化。例如，生物支撑件可以被定位成与第一层和第二层中的任一者或两者的内表面靠近或接触。所述生物支撑件可以部分地或完全地覆盖这两层中的任一者或两者的内表面。可替代地，生物支撑件可以被居中定位在口袋内(即，不与第一层和第二层的内表面接触)。在典型实施例中，如果光主要从单个方向到达装置，则生物支撑件用于提高在距主光源最远的相对侧上的生长和生物膜形成。
在包括如上文所讨论的附加部件聚合物或多孔部件的本发明的实施例中，附加部件可以由生物支撑件部分地或完全地包覆。
微生物
可以设想，装置的单元内包含的微生物能够进行光合作用。能够进行光合作用的任何微生物在本文中被称为光合微生物。在适当的实施例中，光合微生物选自于以下各项：微藻(比如绿藻、蓝绿藻、金藻和红藻)、浮游植物、鞭毛藻、硅藻、细菌和如螺旋藻属等蓝细菌。微生物可以是野生型或转基因菌株。根据本发明的实施例的单个装置可以包括一种或多种不同类型的微生物。
典型地，至少一种微生物是红球藻属、雨生红球藻、小球藻属、自养小球藻、寻常小球藻、栅藻属、聚球藻属、长链聚球藻、集胞藻属、节旋藻属、钝顶节旋藻、极大节旋藻、螺旋藻属、衣藻属、莱菌衣藻、群动盖丝藻属、木氏藻属、拟甲色球藻属、眉藻属、蓝丝菌藻属、颤藻属、粘杆藻属、鞘藻属、微囊藻属、念珠藻属、鱼腥藻属。
在穿过装置中的通道的液体介质包括盐水的实施例中，盐生杜氏藻属和海洋聚球藻属是典型的微生物。
用于防止微生物生长和附着的涂层
为了控制微生物粘合和生长以在装置内形成生物膜的位置和所述微生物不生长的位置，本文中描述的装置的任何部件或其一部分可以包覆有疏水性、亲水性或抗菌涂层或者可以被机加工或以其它方式物理地或化学地转化成具有疏水性、亲水性或抗菌特征。如在此上下文中所使用的，术语“部分”意味着足够量的部件来为所述部件提供疏水性、亲水性或抗菌特征。
抗菌剂可以具有如粗糙表面等物理改性或如涂层等化学改性。
适合的抗微生物剂包括有机硅烷、银、银合金、铜和铜合金。
典型的疏水性涂层包括TeflonTM、PTFE、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、石墨烯和碳纳米管。如技术人员将知道的，还可以例如使用碳氟化合物创建“超疏水性”表面。
亲水性涂层还可以防止微生物附着和生物膜形成。适当地，这种亲水性涂层基于如甘氨酸、甜菜碱和硫代甜菜碱等高度水合的两性离子。
这些涂层防止位于单元内的微生物吸附到部件的内表面上。以此方式，可以控制装置内微生物生长和附着发生的位置。这有利于优化光穿过装置的通路，这通过位于装置内的光合微生物引起最佳光合作用，并且因此使生物质生成最佳。以此方式控制微生物生长和生物质形成的位置还帮助和促进从装置中最佳收获生物质。
例如，可能希望阻止微生物附着在膜层内部并且形成生物膜，因为生物膜的形成可能阻止光到达装置的口袋内部。这在膜层被定位在距光源最近的装置的一侧上的实施例中可能是特别重要的。因此，在本发明的典型实施例中，膜层内部的至少一部分(即，由这两个外层形成的口袋内部的膜层的一侧)包覆有疏水性、亲水性或抗菌涂层或者可以被机加工或以其它方式物理地或化学地转化成具有疏水性、亲水性或抗菌特征，以便防止微生物生长和附着。
在其它合适的实施例中，第二层的内表面可以包覆有疏水性、亲水性或抗菌涂层包覆或者可以可以被机加工或以其它方式物理地或化学地转化成具有疏水性、亲水性或抗菌特征。
在光主要从一个方向到达装置的实例中，典型的是促进微生物在位于距主光源最远的外层的内表面上生长。
流体导管
具有入口(1)和出口(2)的适合作为用于引导液体介质和水的通道一个或多个流体导管被布置在单元内以优化穿过所述单元的流体流速。在具体实施例中，这些流体导管可以包括液体介质导管。适当地，但非限制性的，流体速率不小于约1ml/min、典型地50ml/min、以及任选地200ml/min。取决于系统的大小和构型，高达30L/min、适当地10L/min、以及约1L/min的流速都是有可能的。流体速度可以根据在给定时间处装置内包含的光合微生物的光合活性而变化，所述光合活性可能取决于如温度和光强度等外部因素。
此外，流体流速可以随着流体通道的宽度和厚度以及装置的安装取向而变化。
保持恒定的低速率还帮助防止微生物附着在膜层上和/或附着在不专门地旨在支持生物膜形成的附加部件上。流体流速可以随非常小和/或非常大的时间段(秒、分、小时、天)而动态地改变。
在典型实施例中，一个或多个流体导管被配置成引导流动并且促进液体介质在单元与液体介质源之间交换。
这通过控制结构适当地实现，所述控制结构被定位在单元内并且对穿过单元的液体介质的通路形成屏障，由此形成限定的通道。控制结构可以由任何适合的半透明材料或更典型的透明材料制成。可替代地或另外地，控制结构可以通过黏合这两个外层的离散区域而形成。可以使用热压或胶水界面实现这种黏合。控制结构/黏合区域增加了装置的结构完整性，促进了液体介质流动，当单元因液体压力膨胀时增加了对装置厚度和形状的控制。
可替代地或另外地，控制结构可以通过将这两个外层的离散的内部区域黏合到结构部件而形成。可以使用热压或胶水界面实现这种黏合。控制结构/结构部件黏合区域增加了装置的结构完整性，促进了液体介质流动，当单元因液体压力膨胀时增加了对装置体积、厚度和形状的控制。
流体导管的布置创建了空间，液体介质流动在所述空间中被优化。流体导管还可以贯穿单元均匀地分配液体介质，从而维持类似的液体介质流速。在适当的实施例中，一个或多个流体导管被配置成允许从单元中移除微生物/生物质和/或允许具有微生物的液体介质流过照亮路径。流体导管的优化配置还促进装置内的温度控制。在下文中详细地例示通道的具体布置。
装置(或包括多个单元的模块)经由一个或多个入口连接到液体介质供应。
可以使用附加附着部件或邻接机构(例如，通过导管连接的刚性固定、柔性固定、夹紧、压力配合)将装置连接到液体介质供应。
在本发明的单独实施例中，装置的最低要求是包括具有用作入口和出口两者的单个开口的单个流体导管。
本发明的第二个方面涉及一种光生物反应器模块。光生物反应器模块包括如上文限定的多个装置。
在本发明的这个方面的典型实施例中，每个单独单元经由液体介质通道入口/出口连接到一个或多个装置。可以使用附加附着部件或邻接机构(例如，通过导管连接的刚性固定、柔性固定、夹紧、压力配合)经由液体介质通道入口/出口将多个装置彼此连接。
可以使用附加附着部件或邻接机构(例如，通过导管连接的刚性固定、柔性固定、夹紧、压力配合)将单个装置和/或多个装置连接到液体介质供应。
适当地，模块被制造为单个模块化单元。可以使用附加附着部件或邻接机构(例如，通过导管连接的刚性固定、柔性固定、夹紧、压力配合)经由液体介质通道入口/出口将多个光生物反应器模块彼此连接。
可以使用附加附着部件或邻接机构(例如，通过导管连接的刚性固定、柔性固定、夹紧、压力配合)将单个模块化单元和/或多个模块化单元连接到液体介质供应。
人造光源
本发明的装置可以接收来自外部自然源或人造源的光。可替代地，为了增加可用于口袋内包含的光合微生物的光量，人造光源可以被定位在装置内。
典型地，人造光源选自于以下各项：发光二极管(LED)或有机发光二极管(OLED)、或嵌入装置内并连接到外部自然光源或人造光源的光导纤维或光纤。
适当地，人造光源被设计成和/或被控制成遵循装置内包含的光合微生物的光合有效辐射(PAR)需求来发射特定波长的电磁辐射(光)。
在图33中展示的适当的实施例中，人造光源被部分地或完全地嵌入位于第一层与第二层之间的一个或多个半透明或透明控制结构/结构部件内。
此外，连接到外部光源的光纤和/或光纤缆可以被部分地或完全地嵌入位于第一层与第二层之间的一个或多个半透明或透明控制结构/结构部件内。
形状和尺寸
以下特征可以适用于根据本发明的实施例的包括单个单元的装置或适用于根据其它实施例的包括多个单元的模块。
当单元因液体介质压力膨胀时，形状可以类似于压扁的管道，由此最佳厚度和/或体积可以变化。
适当地，当因液体介质压力膨胀时，本发明的装置、单元或模块的总厚度尽可能薄以使光能够穿过装置一直行进，从而使装置的生物质生成的光合能力和功效最大化。典型地，所述厚度不小于2mm、适当地5mm、典型地10mm。典型地，所述厚度不超过100mm、适当地60mm、典型地35mm。
通过使用如网格或薄的固体材料等外部容纳结构和/或通过从单元的相对黏合区域和/或折叠区域和/或边缘伸展单元，
所述单元的形状可以被控制成扁平的或近乎扁平的形状(具有矩形截面而不是管状截面)。
装置或模块化光生物反应器的深度和宽度对于控制装置内的温度也很重要，因为这些影响可以在装置内包含的液体介质的量。具有更大深度和宽度的装置将能够容纳更多数量的流体导管和更大体积的液体介质。
流体导管的长度和宽度相对于每个应用和单元形状而变化，因此流体导管可以具有任何合理的长度和宽度。作为实例，线性单元内的流体导管的长度不小于5cm并且不超过10米。适当地，单元内的流体导管的宽度不小于1cm、典型地3cm、并且不超过20cm、适当地10cm。
装置或模块的二维或三维形状不受限制；它可以是任何方便的形状，比如矩形形状或具有恒定宽度的任何形状、在入口和出口部分附近的顶部和底部处变窄的任何形状、或叶子形状、圆形形状、椭圆形形状、十字形、方形、流线型或星形。下文中详细地讨论了适合的形状的实例。
本发明的第三个方面涉及使用如本文中限定的用于生成生物质的装置或光生物反应器模块的方法。
此外，所述装置还可以用于生成氧气和/或从大气中去除如二氧化碳等环境污染物气体。
作用机制
由于所述单元的膜层，因此气体交换通过介于所述单元内包括的液体介质与所述单元外的大气之间的膜发生。如图34中所示出的，任何种类的渗透性气体可以在任一方向上穿过膜进行交换，也就是说，气体可以从液体介质渗透到外部大气(5)或从外部大气渗透到液体介质(6)。气体渗透率将相对于介于单元的内部与单元的外部之间的渗透性气体的部分压力差而变化。在本发明的适当的实施例中，二氧化碳被装置内的液体介质中的微生物所消耗，这降低了液体介质中二氧化碳浓度。由于装置内部与外部之间所产生的压力差，因此新的二氧化碳从装置内的外部空气穿透膜。此外，在典型实施例中，由微生物产生的氧气从装置内的液体介质穿过膜渗透到装置的外部。
这种膜驱动的气体转移有利地允许显著地减小与通气相关的成本，代替通过更复杂且更昂贵的气体递送系统进行的通气，转而通过无需额外能量输入的被动膜驱动的气体渗透进行。已知的是，二氧化碳是光合作用的基本成分，并且如果存在高的光水平并且二氧化碳被有效地递送给液体介质内的微生物、维持它们对气体的需求，则生物质生成率可以被大大提高。另一方面，由微生物产生的氧气通常在液体介质中溶解，这增大了装置中的氧气浓度。已知的是，液体介质中高水平的溶解氧气减缓了光合过程，因此减缓了生物质生成率。
来自标准光生物反应器内的液体介质的氧气的有效消耗可能难以实现且实现成本高，因为溶解的氧气需要通过通气孔(主要通过利用液体介质中的冒泡)从液体介质驱动到光生物反应器外部。
在最标准的光生物反应器中，在到达通气孔、冒泡区域、通气入口和/或水箱之前，液体介质在非膜导管内流动延长的时间段。因此，液体介质可以具有极高水平的溶解氧气和极低水平的二氧化碳，从而使生物质生成率严重降低。使用气体可渗透光生物反应器，在装置内的液体介质与装置外部之间的气体交换可以在流动过程中持续发生。
在光生物反应器技术中执行这个膜驱动的气体转移的优点是提高了适应性、降低了成本和通过有效地去除氧气来增加液体介质中微生物培养物的质量。
辅助系统
所述装置可以被连接到辅助系统。取决于所述装置的应用，所述辅助系统可以具有任何复杂程度并且由任何类型的辅助部件构成。
在本发明的适合的实施例中，所述装置被连接到辅助系统，所述辅助系统主要由导管、水箱、泵、阀、生物质分离器、人造照明系统(尤其是如果不存在自然光的话)、水温控制系统、传感器以及计算机构成。
所述导管和贮存器(水箱)可以是任何类型的并且由任何适合的材料构成。
泵还可以是任何类型的，典型地，泵是蠕动泵，由于所使用的蠕动泵是与液体介质接触的唯一部件，因此所述蠕动泵可以降低液体介质的污染风险和所使用的微生物的细胞破裂。
生物质分离器可以是技术人员已知的任何类型；适当地，生物质分离器是离心型生物分离器、包括小孔径网格的过滤系统和/或沉降装置和/或净化过程。
水温控制可以是技术人员已知的任何类型；典型地，它包括加热部件，所述加热部件被适当地安装在导管的部分附近和/或安装在水箱上。加热部件可以是任何类型的，并且适当地可以包括热量交换机构。
人造照明系统可以使用技术人员已知的任何人造光源，适当地，照明系统包括LED，典型地，人造光源被设计成和/或被控制成发射与装置内包含的光合微生物的光合有效辐射(PAR)需求相对应的特定波长的电磁辐射(光)。
下文描述了适合的传感器和计算机。
图35示出了本发明的一个实施例(90)的包括多个光生物反应器单元(105)的适当系统。贮存器(91)中的包括光合微生物的液体介质通过泵(92)穿过入口(1)传送到矩形光生物反应器单元(105)中。液体介质沿着曲折的路径穿过单元(105)，其中来自人造光源(93)或自然光源的光到达液体机制中的微生物从而促进光合作用，同时大致如例如图34中所示出的，单元(105)中的液体介质与外部空气之间的气体转移穿过单元的膜层发生。液体通过出口(2)离开单元并且到达3通阀(94)，所述3通阀引导液体介质回到贮存器(91)中，从而闭合回路。贮存器(91)中的传感器(95)测量微生物培养参数的值，并且将输出发送给计算机，所述计算机然后控制辅助系统的如泵、阀、人造光系统、温度控制系统、生物质分离器等部件的操作。
当液体介质中的生物质浓度达到期望水平时，3通阀(94)引导流动进入生物质分离器(96)，所述生物质分离器将生物质与液体介质分离，所分隔的生物质行进到接收座(97)中以进行额外处理，同时液体介质被引导回到贮存器(91)中。在阀(94)再次改变进入贮存器(91)的流动路径之前，将流动引导到生物质分离器中的这个动作可以周期性地和在预定的时间段内执行。可以相对于每个应用、所使用的微生物、周围环境和装置的位置对这个定时进行优化。
营养素可以被周期性地加进(98)系统、直接进入贮存器(91)。水和/或液体介质中的微生物或清洗流体可以被类似地引入。
可以利用各种各样的其它系统部件，作为实例，可控制的压力阀或压力调节器(99)可以被放置在系统中，在此实例中，压力阀可以通过液体压力的变化影响来控制单元的体积变化。一些阀(102)可以控制进入单元的流速。
补充性空气和/或富含二氧化碳的空气和/或其它气体可以根据需要被任选地引入(101)主导管中。通气孔可以被安装在导管中以移除可能例如在系统的安装过程中偶然进入液压系统的空气，并且典型地位于系统的最高位置中以方便不期望的空气的排出。
清洗程序可以被致动成对单元和/或导管和/或水箱和/或所有辅助系统进行清洗和/或消毒。“清洗液”可以由技术人员将知晓的任何化合物制成。它可以包括乙醇、水、盐水、清洁剂、漂白剂、表面活性剂、碱或任何适合的清洗成分。清洗液可以通过位于系统的任何点中的特定导管进入系统并且可以在系统的任何点处离开以准许仅清洗特定位置(如果需要)而不是清洗整个系统。
固持和安装解决方案
本发明的一个装置或多个装置可以被安装在符合其预期应用和/或其安装位置的环境特征的所有取向和位置中。装置的单元可以具有增强的边沿，所述增强的边沿被定位成邻近在其中限定的密封件和口袋、适当地位于外部黏合区域处。增强面板适合于固定到外部安装结构。在优选的实施例中，单元的边沿用多个固定点增强，从而使能够附接到如框架或支撑件等外部安装结构。增强的边沿还可以用于加固单元的结构并且当被其中的液体介质充胀时潜在地控制其厚度和/或体积。
如果安装在竖直的、基本上竖直的和/或基本上倾斜的位置中，所述一个装置或多个装置可以穿过入口或出口导管、单元的增强边沿或穿过增强的悬架结构从安装结构悬伸。所述一个装置或多个装置可以位于可以在地面与装置之间提供安装界面的床上，这特别适合用于水平、基本上水平和/或基本上倾斜的定位(比如在建筑物的有坡度的屋顶上)。支撑床可以由反射镜或其它反光材料构成以便增强穿过装置的单元的光的收集。
在所述一个单元或多个单元由单个折叠膜层(图32a、图32b)制成的实施例中，经折叠的边缘(86)可以用作到安装结构的固定点，并且经折叠的边缘可以被夹紧或加固。
附加部件层
在本发明的另一个实施例中，如图5到图9中所示出的，附加部件(15，16)可以被放置在单元内部、与外膜层中的一个或多个相接触，或者它可以呈第三层(87)的形式，如图33a和图33b中所示出的，可以通过将所述第三层通过胶水界面(82)黏合到两个外膜层而将其固定在位。任选地，如图33b中所示出的，结构部件(83)可以被黏合在附加部件层与外膜层之间。如上所述，附加部件层(87)可以在与由控制结构(27，37，47)创建的取向不同的取向上将单个流体导管一分为二。
挤压版本
在实施例中，所述单元可以由被挤压成管状形状(图38)的单层气体可渗透膜制成。这个实施例去除了黏合端部的要求，因为它已经在两侧上闭合，由此限定所述口袋。同一挤压层的两侧之间的黏合可以用于创建如上所述的控制结构。任选地，边缘(86)可以用作到安装结构的固定点，经折叠的边缘还可以被夹紧或加固。
非膜选项。
在本发明的另一个实施例(图39)中，单元的外层包括一个膜层(11)和一个非膜层(18)。非膜层(18)可以由任何材料、适当地柔性或非柔性半透明材料、任选地透明材料或任选地如玻璃等清澈材料制成。当穿过膜层(11)的气体渗透性足够高以在液体介质与单元(10)外的大气之间提供理想的气体转移时，引入非膜层(18)。这个实施例可以包括如上文其它实施例中的任一个实施例中所描述的附加部件和构型。
应用
本发明的装置可以用于许多应用。这些应用可以是需要生物质生产、二氧化碳隔离、氧气生产、氧化氮或其它气体的隔离或需要废水处理或甚至用于美学应用的任何类型。所述装置可以在室内和/或室外使用。
本发明的装置的适当应用可以是任何室内和/或室外建筑学应用，包括但不限于建筑物正面、屋顶、遮阳罩、遮阳物、窗户和/或室内天花板、室内墙壁或室内地板的一部分。在这些应用中，所产生的氧气可以在建筑物内使用和/或二氧化碳可以从建筑物内部和/或外部吸收。
本发明的装置的适当应用可以与任何照明系统和/或照明器具一起使用，包括但不限于如天花板、地面、墙壁、书桌等内部照明系统、悬吊照明、技术照明、装饰照明、室外照明、街道照明或广告照明器具。
在这种应用中，从照明系统提供的人造光源可以提供微生物所需的大部分光以进行光合作用，并且所产生的氧气可以在建筑物内使用和/或二氧化碳可以从建筑物内部和/或外部吸收。
本发明的装置的附加的适当应用可以是集约型生物质生产应用，包括但不限于主要使用自然光源的室外集约型生物质生产工厂、如温室等中的使用人造光源和/或自然光源的室内集约型生物质生产工厂。
本发明的装置的另外的适当应用可以与基础设施一起使用，包括但不限于城市基础设施、高速公路、桥梁、工业基础设施、冷却塔、公路、地下基础设施、交通声障、筒仓、水塔或飞机库。
本发明的装置的其它适当应用可以与水处理工厂结合，包括但不限于废水处理工厂、市政废水处理工厂、污水厌氧消化处理、粪便厌氧消化处理、厌氧消化池或焚化炉。
本发明的装置可以直接从可以在单元内转向的废水流中除去污染物和/或营养素(比如硝酸盐或磷酸盐)。这在需要水的部分处理和/或预处理的废水处理应用和建筑物/工业应用中很有利。在这种实施例中，应该对包含对本发明的装置内的微生物有毒的污染物的水进行处理以在引入装置之前去除这些污染物。
本发明的装置可以被安装成靠近任何类型的工业过程和/或农业过程和/或农耕过程和/或集约型农业过程(集约型鱼类养殖)和/或制造过程和/或精炼厂过程和/或能量生产过程，其中任何种类的化合物和气体的交换可以在所述装置(具有辅助系统)与这些过程之间发生。
持续收获
本发明的一些实施例的优点是生物质可以在单元内持续生成并且可以在持续基础上进行收获。
生物质在单元内的液体介质中、在装置的包括生物支撑部件、附加部件的部件的表面上形成的生物膜的区域中或在两个外层的内表面上积聚。可以直接从液体介质中收获生物质并且任选地还使用化学处理以促进生物质从装置内部脱离。为了净化装置和释放生物质，液体介质经由一个或多个入口进入装置、穿过一个或多个通道并且与流动中携带的生物质一起经由一个或多个出口离开装置。出口可以被连接到适合的接收座以接纳所收获的生物质。
在生物质在装置内有意生长的实施例中，生物膜起到提供固定的活性光合微生物表面的作用，所述固定的活性光合微生物表面防止一些微生物在冲洗装置时被冲走。这促进生物质的迅速生成并且允许在装置中生成的生物质的持续收获。这使装置能够迅速地再生/补充生物质，因为保持在装置内的微生物可以经由光合作用持续生成生物质(条件是光条件允许光合作用)。此外，为了生成更多生物质，在已经收获生物质之后，新的/额外的微生物不须引入口袋。
批量收获
可替代地，可以在批量基础上间歇地收获生物质。例如，可以在每小时、每日、每周基础上频繁地收获生物质。
传感器
本发明的实施例和/或辅助系统可以包括嵌入式传感器，所述嵌入式传感器可以用于例如监测液体和/或气体中如二氧化碳浓度和/或氧气浓度等化学浓度；和/或用于监测温度和如毒性水平等其它环境和生物参数和/或用于监测液体介质中的生物质浓度。
传感器可以被完全地或部分地嵌入装置中、辅助系统的水箱(18)中和/或控制结构中和/或被附接到外层的内部或外部或处于内部附加部件的表面上。
传感器可以准许监测装置的单元的口袋内部的环境以使能够控制参数，所述参数包括但不限于液体介质流速、液体介质质量、营养素水平、温度、生物质提取率以及照明强度。所述控制的目的是优化所述装置内包含的光合微生物的光合效率，并且因此优化生物质的生成效率。
本发明的装置由以下布置来例证，但决不限于这些布置。
两个膜层
图1中示出了根据本发明的具体实施例的装置。所述装置包括具有两个膜层(11，12)、由这两个膜层限定的内部空间(13)、入口(1)和出口(2)的单元(10)。这两个膜层(11，12)可以具有相同或不同的组成。这些膜中的一者或两者内部可能存在生物生长，或者这些膜的内部可能都不存在微生物生长。
在适当的实施例中，生物支撑件(15)存在于一个层或两个层的内部。生物支撑件促进微生物生长和生物膜的形成。图3中示出了生物支撑件存在于这两个膜层(11，12)的内部的布置，而图4示出了生物支撑件存在于一个膜层的内部的布置。
装置的另一个实施例包括包含两个膜(11，12)的单元(10)并且还可以包括如上文限定的附加部件(14)，所述附加部件可以位于由这两层限定的口袋(13)中。图2中示出了这种布置。可能令人期望的是，微生物附着到附加部件上，而不是附着到膜层(11，12)的内表面上。流体流速可以足够高以防止微生物在膜层上生长。然而，膜层(11，12)的内表面或其一部分可以是疏水性的或可以包覆有疏水性的、亲水性的或抗菌的涂层或者可以被机加工或以其它方式物理地或化学地转化成具有疏水性或抗菌特征。
如图5和图6中所展示的，可以任选地用生物支撑件(15)在一侧或两侧上包覆附加部件(14)。在此实施例中，微生物附着到生物支撑件上，而不是附着到附加部件的表面上，因此附加部件无需是多孔的或具有粗糙或多孔的表面。
图7、图8和图9展示了包括单元(10)的装置，所述单元具有第一膜层(11)和第二膜层(12)和位于由这两层形成的口袋中的附加部件(16)。在此实施例中，附加部件(16)由多孔材料制成，并且可以被附接到任一膜层或这两个膜层上，或者可以位于口袋(13)内。
一个膜层和一个非膜层
如上所述，根据本发明的一些实施例的包括单元(10)的装置可以具有一个膜层(11)和一个非膜层(18)。图39中展示了这种布置。在此实施例中，非膜层可以被改进或处理成产生粗糙表面以提高微生物的附着和生物膜的形成。
如果装置主要从单个方向被照亮，则膜层可以位于距主光源最近的装置的一侧上，并且非膜层可以位于距主光源最远的装置的一侧上。可替代地，非膜层可以位于距主光源最近的装置的一侧上，并且非膜层可以位于距光源最远的装置的一侧上。
如上文关于这两个膜层布置所描述的，包括膜层和非膜层的装置还可以包括可以被包覆的附加部件，如上文所限定的，所述附加部件可以位于由这两层(11，12)形成的口袋(13)中。
流体导管的构型
图10中展示了本发明的实施例的具有位于相对侧上的入口(1)和出口(2)的一个流体导管的简单的流线型版本。在装置(20)的这个前视图图示中，液体介质经由顶部处的入口(1)流入，流过口袋(23)内的空间，并且经由装置上的底部处的出口(2)离开。
图11中展示了本发明的实施例的具有两个流体导管和单个控制结构的简单的流线型版本。在装置的这个前视图图示中，提供了一个单元(20)，中央部分(27)表示两个外层黏合在一起和/或控制结构所位于的区域。流体经由顶部处的入口(1)流入并且被分为黏合区域/控制结构的左边和右边的两个通道(23)。来自这两个通道(23)的液体介质经由所述装置的底部处的出口(2)离开。
图12中展示了本发明的实施例的具有多个流动控制结构(27)的流线型版本。在装置(20)的这个前视图图示中，中央部分具有线性和流线型流动控制结构两者，流体经由顶部处的入口(1)流入并且被分成四个通道(23)。来自所有通道的流体经由所述装置的底部处的出口(2)离开。
图13中示出了本发明的实施例(20)的具有多个陷窝状圆形流动结构(28)的流线型版本。在此前视图图示中，口袋包括多个流动控制结构(28)的阵列。这些结构可以是圆形的或任何其它方便的形状。这些控制结构创建湍流以及液体介质可以流过的多个不同路径。与先前实例一样，在此布置中，入口(1)位于所述图示的顶部处，并且出口(2)位于底部处。
图14示出了被设计成增加装置的表面积的布置(20)，所述表面积暴露于光以增加装置的生物质生成的光合能力和功效。在此实例中，存在多个突出部分(29)，所述多个突出部分各自包括如上所述的流动控制结构(27)。
图15中示出了包括单元(30)的装置的不同版本。在装置的这个图示中，入口(1)和出口(2)被定位成在装置的同一侧上彼此相邻。存在线性流动控制结构，所述线性流动控制结构在所述单元内形成单个通道(33)并且创建优化的流动路径。流动从顶部处的入口(1)穿过装置向下引导，并且然后环回以经由也位于装置的顶部处的出口(2)离开装置。
图16还示出了装置的版本，其中入口和出口被定位成在装置的同一侧上彼此相邻。在所述装置的这个前视图图示中，中心部分具有创建两个通道(33)的线性和流线型流动控制结构(37)两者。流动从顶部处的入口(1)穿过两个通道向下引导，并且然后环回以经由也位于装置的顶部处的出口(2)离开装置。
图17展示了本发明的包括单元(40)的装置的典型构型。所述装置是线性的(基本上类似于圆形并行管状或压扁的/椭圆的管道形状)。这个形状易于制造并且尤其适合于以模块化方式布置有多个其它装置。在此图示中，所述装置的宽度在入口(1)和出口(2)附近的顶部和底部处减小。然而，这无需这样；宽度可以沿装置的长度一致，或宽度可以沿长度变化(增大或减小)。长度还可以根据装置的所需应用而变化。在此图示中，存在具有位于相对侧上的入口(1)和出口(2)的一个流体导管。
图18示出了类似于上文图18中描述的包括单元(40)的装置，但在创建分叉通道(43)的装置的中央部分中引入了线性控制结构(47)。流体经由顶部处的入口(1)流入并且沿着这两个通道(43)转向。来自这两个通道的流体经由所述装置的底部处的出口(2)离开。
图19示出了类似于上文图20中描述的包括单元(40)的装置，但引入了创建液体介质可以流过的多个不同路径的多个流动控制结构(48)(所述多个流动控制结构可以是圆形的或任何其它方便的形状)。在此示出的布置中，入口位于所述装置的顶部处，并且出口位于底部处。
图20示出了包括具有带有入口(1)和出口(2)的四个分支的单元(50)的装置的版本。入口和出口可以被定位在此图示中示出的四个位置中的任一个位置处。四个分支的中心处存在用于调节穿过装置及其结构的流动的控制结构(57)。这个布置(50)可以用于将多个模块、单元或装置结合在一起，或者它可以由自身使用或在具有相同形状的其它装置的阵列中使用。
图21中示出了类似于图14中示出的流线型装置的布置的具有多个突出部分(49)的不同布置。入口位于所述装置(1)的顶部处，并且出口(2)位于底部处。存在液体介质在装置内流过的多个通道。这个布置被设计成增加装置的表面积，所述表面积暴露于光以增加装置的生物质生成的光合能力和功效。
图22示出了包括具有由线性流动控制结构(67)创建的单个通道的单元(60)的线性装置。入口(1)和出口(2)均位于装置的同一侧上(即，在此图示中，在装置的顶部处)。装置的中心中的线性流动控制结构形成装置内的单个通道。流动从顶部处的入口穿过装置向下引导，并且然后环回以经由也位于装置的顶部处的出口离开装置。
图23a示出了包括具有由控制结构(77)创建的单个通道(73)的单元(70)的正方形形状的矩形装置。入口(1)位于所述装置的顶部处，并且出口(2)位于底部处。在此布置中，流体可以通过重力流动，并且它被优化成填充对泵送的能量输入具有较少要求的平板状区域。
类似于图23a，图23b示出了包括具有由控制结构(77)创建的单个通道的单元(70)的正方形形状装置。入口和出口均位于装置的同一侧上(即，在此图示中，在装置的顶部处)。线性流动控制结构形成装置内的单个通道(73)。流动从顶部处的入口穿过装置向下引导，并且然后环回以经由也位于装置的顶部处的出口离开装置。
图24到图26示出了根据本发明的第二方面的包括多个单独装置的光生物反应器模块布置。这种模块化阵列可以用于填充大空间。通过以模块化方式使用多个完全相同的装置，可以使生物反应器维护成本最小化。在本发明的范围内的是，光生物反应器模块包括彼此完全相同或不相同的多个单独装置。
图24示出了包括流线型装置的模块。这些模块可以是例如图10到图16中示出的这些装置(20)中的任一个。
图25示出了包括线性装置的模块。这些模块可以是例如图17到图19中示出的这些装置(40)中的任一个。
图26是模块化阵列装置的实例，所述模块化阵列装置包括被设计成填充正方形区域的多个单元(70)。在各个实施例中，根据本发明的装置可以被配置成根据需要填充各种各样不同的形状。
图27a、27b、27c示出了穿过本发明的一些实施例的图示的截面，并且包括这些附图以帮助理解本文中提供的其它附图。
图30示出了根据本发明的实施例的装置(80)的截面视图(图27c中的截面D)，所述装置具有位于第一层与第二层之间的两个控制结构。可以由任何适合的半透明(或典型地透明的)材料制成的这些结构被定位在口袋内以控制穿过所述装置的液体介质的通路并且为所述装置提供结构支撑件。
图28a示出了根据本发明的实施例的单元(80)的截面视图(图27a的截面B)，所述单元具有通过胶水界面(82)而黏合在一起的第一膜层(81)和第二膜层(84)。
图28b示出了根据本发明的实施例的具有第一膜层(81)和第二膜层(84)的单元(80)的截面视图(图27a的截面B)，所述第一膜层和所述第二膜层具有处于其间的结构部件(83)，其中膜通过胶水界面(82)黏合。
图29a示出了根据本发明的实施例的单元(80)的截面视图(图27c的截面D)，所述单元具有通过胶水界面(82)而黏合在一起的第一膜层(81)和第二膜层(84)。中央黏合(85)是创建两个流体导管的控制结构。
图29b示出了根据本发明的实施例的具有第一膜层(81)和第二膜层(84)的单元的截面视图(图27c的截面D)，所述第一膜层和所述第二膜层具有处于其间的结构部件(83)，其中膜通过胶水界面(82)黏合。中央黏合(85)是创建两个流体导管的控制结构。
图30示出了表示用于在膜层之间创建黏合(82)的黏合技术的混合成分的根据本发明的实施例的装置(80)的截面视图(图27c的截面D)。
图31示出了根据本发明的实施例的装置(80)的截面视图(图27c的截面D)，其中人造光源(87)被嵌入生物反应器内部并且具体地嵌入位于第一膜层与第二膜层之间的控制结构(86)内部(由单个和虚线阴影线指示)。
图32a示出了根据本发明的实施例的装置的截面视图(图27b的截面C)，其中所述单元由通过胶水界面在一端处黏合到自身(82)的单个管状形状的膜层(81)挤压构成。
图32b示出了根据图32a的装置(80)的截面视图(图27b的截面C)，所述装置具有处于通过胶水界面黏合到自身(82)的膜(81)之间的结构部件(83)。
图33a示出了根据本发明的实施例的具有第一膜层(81)和第二膜层(84)的单元(80)的截面视图，其中附加部件(89)位于由所述两个膜层形成的单元内部。
图33b示出了根据图33a的单元(80)的截面视图，所述单元具有处于通过胶水界面(82)黏合在一起的膜(81，84)之间的结构部件(83)。
图34示出了根据本发明的实施例的具有第一膜层(3)和第二膜层(4)的单元的截面视图，并且表示气体穿过膜层向外(5)或向内(6)渗透的可选方向。
生成和收获生物质
图36是使用本发明的装置(在连续或批量基础上)生成和收获生物质的适合的过程循环(150)的图示。(A)示出了当装置被安装且为空时的起始状态。(B)示出了当装置填充有包含光合微生物的液体介质时的初始化阶段。在此阶段，生物质在装置内生成，直至其达到液体介质中由阶段(C)表示的期望的生物质密度水平。在本发明的更优选的实施例中，这个系统循环是持续的系统循环，在阶段(C)之后，液体介质在系统的单元中持续循环。系统中的生物质被周期性地和/或持续收获(由阶段(D)所表示的)，并且被引导到生物质接收座或它可以被送入“新的系统循环”和/或新的单元(如将系统循环连接到(B)的箭头所表示的)。技术人员将发现主要取决于微生物代谢率和/或生长率的生物质提取的最佳定时。已经在阶段(D)从系统损失的生物质可以通过系统中留存的微生物的光合活性再生。这个持续系统循环可以任选地以批量系统循环的方式进行，其中在主要从系统收获生物质之前，液体介质不在系统中持续循环，而保持静止一段时间(生长阶段)，并且最终生长阶段由保持在系统中的微生物重新开始。
图37是使用本发明的一些实施例(在连续或批量基础上)生成和收获生物质的可能的“生物膜驱动的”循环的图示。(A)示出了当装置被安装且为空时的起始状态。(B)示出了当装置填充有液体介质和光合微生物时的初始化阶段。(C)是生物膜生长阶段。生物膜开始在装置内部发展。阶段(D)表示生物质生成。已经形成的生物膜积极进行光合作用，并且由此在装置内包括的液体介质中生成更多生物质。在阶段(E)，生物质已经在装置的单元内积聚并且准备被收获。阶段(F)示出了从装置收获生物质。在此阶段，所收获的生物质可以被引导到生物质接收座以进行收集或它可以被送入新的系统循环(如由将(F)连接至(B)的箭头所表示的)。另外的循环可能存在于(F)、(D)和(E)之间，由此已经在阶段(F)从系统损失的生物质可以通过装置中留存的微生物的光合活性再生。因此，(D)、(E)和(F)可以表示图37中示出的整个系统内的离散系统。阶段(D)、(E)和(F)各自可以同时发生，从而使得生物质的持续收获和持续再生是使用本发明的这种实施例实现的。
参照以下非限制性实例对本发明进行进一步例示。
实例
实验设备被构造成展示根据本发明的实施例的系统。具体地讲，设备展示了氧气和二氧化碳气体转移通过填充有液体介质和光合微生物的光生物反应器单元的膜层发生。
图40以简化的方式表示了个案研究设置。
单元(201)由100微米厚的两个聚硅氧烷膜层制成，所述两个聚硅氧烷膜层具有等于约400Barrer(在23℃+-2℃下)的氧气渗透系数、等于约2100Barrer(在23℃+-2℃下)的二氧化碳渗透系数以及等于约200(在23℃+-2℃下)的氮气渗透系数。
系统填充有包含集胞藻属培养物的液体介质。系统是气密的，因此系统中液体介质与系统外空气之间的气体交换可以单独通过单元(201)的聚硅氧烷膜层发生。
将预期液体介质中的溶氧气浓度水平在30℃+-2℃水平下稳定处于约水中氧饱和度，所述水中氧饱和度为约7.5mg/l+-0.3mg/l。
预计从空气引入的二氧化碳将导致pH水平随时间下降。
贮存器(202)被设计成气密的并且容纳传感器(203)。用于此个案研究的传感器(203)是来自梅特勒-托利多(Mettler Toledo)的一个光学氧气传感器“InPro 6860i”、来自艾示科仪表(Extech Instrument)的一个pH传感器“601500”、来自梅特勒-托利多的一个高分辨率双光纤浊度传感器“InPro 8200”、来自威卡(Wika)的两个温度浸没式探头PT100/A级、14132821-TF45。两个36W荧光管(205)提供主照明源。压力调节阀(206)被引入以调节单元(201)与贮存器(202)之间的单位压力的膨胀。
液体介质温度被维持在约30℃(+-2℃)下，液体介质温度由包围主贮存器(202)的加热的次级水浴维持。
液体介质由蠕动泵(104)以730ml/min间歇地贯穿系统泵送。当被液体介质完全充胀时，单元(201)长19cm，宽9cm，厚约1.5cm。
与液体介质中溶解的氧气浓度水平相关的数据在两次试运行(运行A和B)中进行记录。如图41a和图41b中分别展示的图表所示出的，氧气浓度水平随实验周期明显下降。这指示出跨膜发生的氧气传输。
在介质中测量的pH变化速率通过用作pH缓冲器的(藻类介质中本来包含的)溶解的化合物的存在而部分衰减。典型的缓冲化合物的实例是溶解在介质中的用于将基本代谢营养素提供给培养物的磷酸盐。虽然在实验运行过程中观察到小的pH减小，但是通常由水中二氧化碳溶解引起的pH变化的幅值通过缓冲器的作用中和。在超过运行A和B的时间段的显著的一段时间之后，二氧化碳的持续溶解使pH变化可见(未示出数据)。
下文呈现了实验运行的结果：
运行A
平均温度28.4℃+-2℃
运行B
平均温度29.5℃+-2℃
虽然已经在本文中详细地公开了本发明的具体实施例，但是这仅是出于说明性目的并且通过举例的方式进行的。以上所提及的实施例不旨在限制关于下文所附权利要求书的范围。诸位发明人考虑到，在不脱离如由权利要求书限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行多种替代、改变和修饰。

Claims (31)

1.一种光生物反应器装置，包括：
(i)光生物反应器单元，其包括第一膜层和第二膜层，所述两个膜层被布置成使得所述第一膜层的至少一部分直接黏合到所述第二膜层的至少一部分以在所述第一膜层和所述第二膜层的非黏合部分周围形成限定边界，由此限定能够包含流体的所述光生物反应器单元，
其中所述第一层和所述第二层中的至少一个是半透明的，并且
其中所述第一膜层和所述第二膜层的至少一部分能够渗透气体，其中穿过所述第一膜层和/或所述第二膜层的氧气的渗透系数适当地不小于约100Barrer、典型地不小于约300Barrer、并且适当地不小于约400Barrer；以及
(ii)用于使所述流体能够循环通过所述单元的入口和出口端口。
2.根据权利要求1所述的装置，其中基本上全部的所述第一膜层能够渗透气体。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述第二膜层能够渗透气体。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的装置，其中基本上全部的所述第一膜层和所述第二膜层都能够渗透气体。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的装置，其中穿过所述第一膜层和/或所述第二膜层的氧气的所述渗透系数适当地不小于约至少500Barrer、至少650Barrer、至少750Barrer、适当地至少820Barrer。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的装置，其中所述第一膜层和所述第二膜层的至少一部分能够渗透二氧化碳，并且所述膜对二氧化碳的渗透系数选自于以下各项：不小于至少1000Barrer、至少2000Barrer、至少2200Barrer、至少2500Barrer、至少2800Barrer、至少2900Barrer、至少3000Barrer、至少3100Barrer、至少3200Barrer、至少3300Barrer、至少3400Barrer、至少3500Barrer、至少3600Barrer、至少3700Barrer、至少3800Barrer、适当地至少3820Barrer。
7.根据权利要求1到6中任一项所述的装置，其中所述第一膜层和/或所述第二膜层中的至少一个包括选自于以下各项之一的材料：硅酮、聚硅氧烷、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、氟硅酮以及有机硅酮。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述材料包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)或其弹性体。
9.根据权利要求1到8中任一项所述的装置，其中至少一个光合微生物包括在所述单元内。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述光合微生物选自于以下各项：
红球藻属、雨生红球藻、小球藻属、自养小球藻、寻常小球藻、栅藻属、聚球藻属、长链聚球藻、集胞藻属、节旋藻属、钝顶节旋藻、极大节旋藻、螺旋藻属、衣藻属、莱菌衣藻、群动盖丝藻属、木氏藻属、拟甲色球藻属、眉藻属、蓝丝菌藻属、颤藻属、粘杆藻属、鞘藻属、微囊藻属、念珠藻属以及鱼腥藻属。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述光合微生物选自于盐生杜氏藻属和海洋聚球藻属。
12.根据权利要求1到11中任一项所述的装置，其中所述光生物反应器单元进一步包括至少一个流动控制结构。
13.根据权利要求1到12中任一项所述的装置，其中所述光生物反应器单元进一步包括至少一个生物支撑件。
14.根据权利要求1到13中任一项所述的装置，其进一步包括辅助系统，所述辅助系统与所述光生物反应器单元流体连通。
15.根据权利要求14所述的装置，其中所述辅助系统包括由以下各项组成的组中的至少一项：导管；贮存器；泵；阀；生物质分离器；照明系统；温度控制系统；传感器；以及计算机/CPU控制器。
16.根据权利要求1到15中任一项所述的装置，其进一步包括多个光生物反应器单元。
17.一种光生物反应器系统，包括：
(a)至少一个光生物反应器单元，其包括第一膜层和第二膜层，所述两个膜层被布置成使得所述第一膜层的至少一部分直接黏合到所述第二膜层的至少一部分以在所述第一膜层和所述第二膜层的非黏合部分周围形成限定边界，由此限定能够包含流体的所述光生物反应器单元，
其中所述第一层和所述第二层中的至少一个是半透明的，并且
其中所述第一膜层和所述第二膜层的至少一部分能够渗透气体，其中穿过所述第一膜层和/或所述第二膜层的氧气的渗透系数适当地不小于约100Barrer、典型地不小于约300Barrer、并且适当地不小于约400Barrer；以及
用于使所述流体能够循环通过所述单元的入口和出口端口；
(b)流体贮存器，其与所述至少一个光生物反应器单元的所述入口和出口端口流体连通；
(c)用于维持贯穿所述系统的流体循环的泵；以及
(d)生物质收集器。
18.根据权利要求17所述的系统，其中基本上全部的所述第一膜层和所述第二膜层都能够渗透气体。
19.根据权利要求17到18中任一项所述的系统，其中穿过所述第一膜层和/或所述第二膜层的氧气的所述渗透系数适当地不小于约至少500Barrer、至少650Barrer、至少750Barrer、适当地至少820Barrer。
20.根据权利要求17到19中任一项所述的系统，其中所述第一膜层和/或所述第二膜层中的至少一个包括选自于以下各项之一的材料：硅酮、聚硅氧烷、聚二甲基硅氧烷(PDMS)或其弹性体、氟硅酮以及有机硅酮。
21.根据权利要求17到20中任一项所述的系统，其中至少一个光合微生物包括在所述单元内。
22.根据权利要求21所述的系统，其中所述光合微生物选自于以下各项：
隐甲藻属、寇氏隐甲藻、红球藻属、雨生红球藻、小球藻属、自养小球藻、寻常小球藻、栅藻属、聚球藻属、长链聚球藻、集胞藻属、节旋藻属、钝顶节旋藻、极大节旋藻、螺旋藻属、衣藻属、莱菌衣藻、群动盖丝藻属、木氏藻属、拟甲色球藻属、眉藻属、蓝丝菌藻属、颤藻属、粘杆藻属、鞘藻属、微囊藻属、念珠藻属以及鱼腥藻属。
23.根据权利要求22所述的系统，其中所述光合微生物选自于盐生杜氏藻属和海洋聚球藻属。
24.根据权利要求17到23中任一项所述的系统，其中所述系统进一步包括由以下各项组成的组中的至少一项：导管；阀；生物质分离器；照明系统；温度控制系统；传感器；以及计算机/CPU控制器。
25.一种用于制造生物质的方法，所述方法包括：在根据权利要求1到16中任一项所述的装置内培养光合微生物，以及从所述装置收获所述生物质。
26.一种用于制造生物质的方法，所述方法包括：在根据权利要求17到24中任一项所述的系统内培养光合微生物，以及从所述系统收获所述生物质。
27.一种用于处理废水的方法，所述方法包括：在根据权利要求1到16中任一项所述的装置内培养光合微生物，使废水穿过所述装置，从而使得装置内的所述光合微生物从所述废水中去除或修复毒素。
28.一种用于去除大气污染物的方法，所述方法包括：在根据权利要求1到16中任一项所述的装置内培养光合微生物，将所述装置暴露于包括所述污染物的大气，从而使得装置内的所述光合微生物从所述大气中去除或修复污染物。
29.一种光生物反应器装置，包括：
(I)光生物反应器单元，其包括第一膜层和第二膜层，所述两个膜层被布置成使得所述第一膜层的至少一部分直接黏合到所述第二膜层的至少一部分以在所述第一膜层和所述第二膜层的非黏合部分周围形成限定边界，由此限定能够包含流体的所述光生物反应器单元，
其中所述第一层和所述第二层中的至少一个是半透明的，并且
其中所述第一膜层和所述第二膜层的至少一部分包括聚硅氧烷；以及
(II)用于使所述流体能够循环通过所述单元的入口和出口端口。
30.根据权利要求29所述的装置，其中所述聚硅氧烷包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)或其弹性体。
31.一种光生物反应器装置，包括：
(i)光生物反应器单元，其包括第一膜层和第二膜层，所述两个膜层被布置成使得所述第一膜层的至少一部分直接黏合到所述第二膜层的至少一部分以在所述第一膜层和所述第二膜层的非黏合部分周围形成限定边界，由此限定能够包含流体的所述光生物反应器单元，
其中所述第一层和所述第二层中的至少一个是半透明的，并且
其中所述第一膜层和所述第二膜层的至少一部分能够渗透气体，其中穿过所述第一膜层和/或所述第二膜层的二氧化碳的渗透系数选自于以下各项：不小于至少1000Barrer、至少2000Barrer、至少2200Barrer、至少2500Barrer、至少2800Barrer、至少2900Barrer、至少3000Barrer、至少3100Barrer、至少3200Barrer、至少3300Barrer、至少3400Barrer、至少3500Barrer、至少3600Barrer、至少3700Barrer、至少3800Barrer、适当地至少3820Barrer；以及
(ii)用于使所述流体能够循环通过所述单元的入口和出口端口。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110726793A (zh) * 2019-11-20 2020-01-24 中国科学院植物研究所 一种用于研究光合作用气体交换的同位素质谱进样系统
CN111808724A (zh) * 2020-07-29 2020-10-23 重庆大学 一种微藻高效净化沼液的生物膜悬浮组合式光生物反应器
CN111849704A (zh) * 2020-07-29 2020-10-30 重庆大学 一种净化沼液的阶梯式微藻生物膜反应器
WO2021008085A1 (zh) * 2019-07-17 2021-01-21 威发智能科技(江门)有限公司 一种室内生物增氧减碳方法及系统

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6945852B2 (ja) * 2017-10-26 2021-10-06 学校法人 創価大学 光合成微生物用培養容器
WO2023089167A1 (en) * 2021-11-22 2023-05-25 Facellitate Gmbh Photobioreactor with an adsorbed layer of antifouling zwitterionic copolymer

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101100640A (zh) * 2007-06-13 2008-01-09 湖南省林产化工工程重点实验室 一种帘状锚固培养生物反应器的培养床
US20100261918A1 (en) * 2009-04-13 2010-10-14 Board Of Regents, The University Of Texas System Novel Process for Separating Lipids From a Biomass
CN102307985A (zh) * 2008-12-03 2012-01-04 仁荷大学校产学协力团 用半渗透膜大规模养殖海微藻的光生物反应器
US20120040453A1 (en) * 2009-04-23 2012-02-16 Hemarina Bioreactor using oxygen-carrying molecules
US20140144839A1 (en) * 2012-11-28 2014-05-29 Korea Institute Of Science And Technology Apparatus and method for cultivating microalgae using effluent from sludge treatment
CN104334715A (zh) * 2011-06-21 2015-02-04 丹尼尔·雷德福 水生微藻生产装置
US20150275161A1 (en) * 2012-10-22 2015-10-01 Jonathan GRESSELS Novel photobioreactor for enclosed horizontal cultivation of microalgae

Family Cites Families (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3510387A (en) * 1965-06-24 1970-05-05 Gen Electric Thin,substantially defect-free organopolysiloxane membrane
US4661455A (en) * 1986-01-16 1987-04-28 Dorr-Oliver Incorporated Membrane cell culturing device
US5686304A (en) * 1995-12-15 1997-11-11 Avecor Cardiovascular, Inc. Cell culture apparatus and method
GB2339763A (en) * 1998-07-24 2000-02-09 Applied Photosynthetics Limite Partitioned bag for use as photobioreactor
DE69931800T2 (de) * 1998-10-28 2007-07-12 Cellon S.A. Strukturierter und poröser silikonkautschuk
US7560274B1 (en) * 1999-05-28 2009-07-14 Cellon S.A. Culture chamber
JP2005523717A (ja) * 2002-05-01 2005-08-11 マサチューセッツ インスティテュート オブ テクノロジー 生化学的過程の迅速なスクリーニングおよび分析のための微小発酵槽
US20060199260A1 (en) * 2002-05-01 2006-09-07 Zhiyu Zhang Microbioreactor for continuous cell culture
US9637714B2 (en) * 2006-12-28 2017-05-02 Colorado State University Research Foundation Diffuse light extended surface area water-supported photobioreactor
US20090305389A1 (en) * 2008-06-09 2009-12-10 Willson Bryan Dennis Permeable membranes in film photobioreactors
WO2010020989A1 (en) * 2008-08-18 2010-02-25 Ramot At Tel-Aviv University Ltd. Reactor and method for treating contaminated water
US8409845B2 (en) * 2008-12-05 2013-04-02 The United States of America as represented by the Administrator of the National Aeronautics & Space Administration (NASA) Algae bioreactor using submerged enclosures with semi-permeable membranes
FR2941238B1 (fr) 2009-01-22 2012-06-08 Arkema France Utilisation d'une composition transparente pour photobioreacteurs.
DE102009028339A1 (de) * 2009-08-07 2011-02-24 Wacker Chemie Ag Bioreaktor aus Siliconmaterialien
DE102009045851A1 (de) * 2009-10-20 2011-04-21 Wacker Chemie Ag Schlauch-Photobioreaktor
DE102009045853A1 (de) * 2009-10-20 2011-04-21 Wacker Chemie Ag Mehrkammer-Photobioreaktor
US20140186909A1 (en) * 2011-08-05 2014-07-03 Kevin J. Calzia Flexible Photobioreactors, Systems and Methods
JP2015521042A (ja) * 2012-05-17 2015-07-27 エス． レッドフォード，ダニエル 水生基盤の微細藻類生産装置
DE102012013587A1 (de) 2012-07-10 2014-01-16 Hochschule Ostwestfalen-Lippe Bioreaktor
DE102012214493A1 (de) 2012-08-14 2014-02-20 Air-Lng Gmbh Photobioreaktor zur Kultivierung von phototrophen Organismen
US8691538B1 (en) * 2012-09-28 2014-04-08 Algenol Biofuels Switzerland GmbH Biofilm photobioreactor system and method of use
WO2015116963A1 (en) 2014-02-01 2015-08-06 The Arizona Board Of Regents On Behalf Of The University Of Arizona Air accordion bioreactor
GB201708940D0 (en) * 2017-06-05 2017-07-19 Arborea Ltd Photo-bioreactor device and methods

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101100640A (zh) * 2007-06-13 2008-01-09 湖南省林产化工工程重点实验室 一种帘状锚固培养生物反应器的培养床
CN102307985A (zh) * 2008-12-03 2012-01-04 仁荷大学校产学协力团 用半渗透膜大规模养殖海微藻的光生物反应器
US20100261918A1 (en) * 2009-04-13 2010-10-14 Board Of Regents, The University Of Texas System Novel Process for Separating Lipids From a Biomass
US20120040453A1 (en) * 2009-04-23 2012-02-16 Hemarina Bioreactor using oxygen-carrying molecules
CN104334715A (zh) * 2011-06-21 2015-02-04 丹尼尔·雷德福 水生微藻生产装置
US20150275161A1 (en) * 2012-10-22 2015-10-01 Jonathan GRESSELS Novel photobioreactor for enclosed horizontal cultivation of microalgae
US20140144839A1 (en) * 2012-11-28 2014-05-29 Korea Institute Of Science And Technology Apparatus and method for cultivating microalgae using effluent from sludge treatment

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021008085A1 (zh) * 2019-07-17 2021-01-21 威发智能科技(江门)有限公司 一种室内生物增氧减碳方法及系统
CN110726793A (zh) * 2019-11-20 2020-01-24 中国科学院植物研究所 一种用于研究光合作用气体交换的同位素质谱进样系统
CN110726793B (zh) * 2019-11-20 2020-12-08 中国科学院植物研究所 一种用于研究光合作用气体交换的同位素质谱进样系统
CN111808724A (zh) * 2020-07-29 2020-10-23 重庆大学 一种微藻高效净化沼液的生物膜悬浮组合式光生物反应器
CN111849704A (zh) * 2020-07-29 2020-10-30 重庆大学 一种净化沼液的阶梯式微藻生物膜反应器
CN111808724B (zh) * 2020-07-29 2022-05-10 重庆大学 一种微藻高效净化沼液的生物膜悬浮组合式光生物反应器

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