CN110352233A - 光生物反应器装置和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了用于生物质生产和环境污染修复的光生物反应器装置和单元。生物反应器装置包括膜光生物反应器(PBR)，PBR包含液体介质、至少一种光合微生物和至少一个外膜层，其中膜层由穿过膜层的气体传递可透过的材料组成；并且还包括限定封闭在其中的气态气氛的腔室，其中PBR位于腔室内。该装置还包括控制腔室内气氛组成的控制系统。气体转移穿过PBR的膜层发生，在PBR与腔室内包含的气氛之间发生。提供了包括所述装置的系统以及使用所述装置生产生物质、废水修复和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
本发明涉及可用于产生生物质并有助于环境修复的光生物反应器装置。这种装置还可以从环境中除去诸如二氧化碳和氮氧化物的气体并且可以产生氧气。
背景技术
由于全球转向依赖基于化石燃料的能源，生物质在能源产生、化学品生产、食品和饲料成分生产以及其他工业和环境应用方面变得越来越重要。来自微生物的生物质是特别令人感兴趣的，因为它可以比其他类型的陆地农业生物质(例如玉米和大豆)更快地生产，并且一旦收获，它可以被加工(例如通过发酵或精制)以生产出生物燃料，例如生物柴油、乙醇、丁醇和甲烷(生物气)和/或生产有价值的化学品和营养素和/或生产食品和饲料成分。
US2014/186909描述了由透明(或半透明)柔性聚合物膜制成的光生物反应器胶囊，其被分成多个相邻通道，与流体分配结构连通。
US2015/0230420涉及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，其使用透明管道系统来流过培养悬浮液，以水平的形式配置以便能够在几个水平上进行培养。
DE102012013587涉及一种光生物反应器，其包括限定由壁界定的反应室的一次性袋，以及紧邻所述壁布置的光源。
US2014/0093924描述了具有光合、自发酵微生物的平板生物膜光生物反应器系统，其形成生物膜，并且通过光合作用和随后的自动发酵制备化学产品。
WO2015/116963涉及限定除了至少一个允许引入气体和/或营养物的开口之外基本上封闭的系统的生物反应器。以这样的方式引入气体和/或营养物，以便在生物反应器中提供细胞培养物的混合和通气。
US2009/305389涉及包括柔性外袋的光生物反应器，其中膜管位于外袋内，允许将高浓度的二氧化碳引入其中所含的培养基中。
US2012/329147描述了一种水生藻类生产设备，其采用支撑组件和浸没在水表面附近的一簇漂浮的CO2/O2可渗透光生物反应器。
US2012/040453涉及生物反应器，其包括至少两个室，所述至少两个室由透氧膜隔开，使用携氧分子将氧输送至细胞培养物。
US2015/275161描述了一种光生物反应器，其包括涂覆有光自养单细胞生物的高密度培养物的薄层的塑料薄片。
US2010/261918涉及从藻类生物质中分离脂质油用于生物燃料生产的方法，包括破坏藻类细胞并从受破坏的细胞中分离脂质油，然后将脂质油转化为生物燃料。
US2014/144839涉及使用来自污泥处理的流出物培养微藻的设备和方法，包括提供有好氧消化室的流出物的微藻培养反应器。
US8409845描述了具有CO2/O2交换膜的柔性袋，其悬浮在第一液体(例如海水)中，其在第二液体中培养藻类以产生烃。
光生物反应器(PBR)消耗CO2并产生O2，其必须分别从包含在其中的液体介质中引入和除去。
高浓度的C CO2可以促进光合微生物的生长，也可以是一系列其他参数，例如最佳温度、最佳pH以及高水平营养和照度的存在。CO2经常被基于膜的PBR的液体介质中的光合生物消耗，并且大气CO2分压(pp)不总是足够高以维持足够的CO2通过膜转移以补充或维持高浓度的CO2。结果，在液体介质中可能不能保持最佳的CO2浓度。这表明需要有效且经济地控制PBR的液体介质中的CO2浓度。鉴于该问题，本领域中存在将PBR浸入液体中的趋势，这允许更有利地控制跨膜的CO2pp。
还需要提供用于碳捕获和隔离(CCS)的新机制，即，防止CO2释放或从大气中去除CO2，以减少CO2相关气候变化的影响。这种机制的目的是将CO2转化为可用或可储存的形式。气氛可包括标准环境气氛或已经改性的气氛，例如通过引入废气。
高浓度的O2可能对光合生物如藻类有毒，并且可以减少这些生物的生长，从而降低生物质生产率。O2产生作为微生物光合作用的废物，因此必须从液体介质中除去以保持合适的O2水平。大气O2饱和水中O2的浓度可高于光合微生物生长的最佳O2浓度水平。另外，PBR的液体介质中的O2浓度与周围大气中的O2的pp之间的差异可能不足以实现O2的快速和有效的消耗。因此，还需要以有效和经济的方式控制液体介质中O2的浓度和/或除去过量的O2。同样，本领域中用于解决该问题的一种标准方法是确保膜PBR被液体包围。
pH是光合生物最佳生长的另一个重要因素。气体输送可用于控制液体介质中的pH水平以达到所需的理想值，其中CO2能够影响溶液pH，以及其他可能性，包括NH3(氨)。
某些气体还刺激特定微生物的特定生理活动，这些气体通常不存在于自然气氛中。结果，有效和经济地将特定气体输送到液体介质或从液体介质中除去特定气体提供了刺激特定微生物活性的手段。
液体介质中气体浓度的变化可能来自多种来源，例如环境或气候变化，PBR的不同应用或装置，其中所含微生物的差异，培养参数或生产的生物质的变化，或微生物活动的变化。
因此，需要适应性地控制某些气体的浓度，包括但不限于包含在膜PBR内的液体介质中的CO2和O2，以便(i)刺激特定的微生物活性和/或(ii)增加生物质生产率和/或(iii)改变所生产的生物质的化学组成。
本发明解决了现有技术中存在的问题，尤其是从生物质生产有价值的产品、改进CCS以及更高效地控制PBR系统。根据本文提供的教导，本发明的这些和其他用途、特征和优点对于本领域技术人员而言应该是显而易见的。
发明概述
根据本发明的第一方面，提供了用于生产生物质的装置，该装置包括膜光生物反应器(PBR)，PBR包括液体介质、至少一种光合微生物和至少一个外膜层，其中膜层由透过膜层的气体转移可渗透的材料构成。该装置还包括限定封闭在其中的气态气氛的腔室，其中PBR位于腔室内；以及控制腔室内气氛组成的控制系统。气体转移透光PBR的膜层发生在PBR与腔室内包含的气氛之间。适当地，腔室基本上是不透气的。
在本发明的一些实施方案中，腔室包括多个壁，并且至少一个壁或其部分允许可见光通过其进入腔室内部。腔室还可包括照明源。
在本发明的一些实施方案中，腔室的壁可以是基本上刚性的。腔室的壁可包括乙烯-四氟乙烯(ETFE)。
在本发明的一些实施方案中，PBR的膜层可以是半透明的，通常基本上是透明的，并且可以包含聚硅氧烷。PBR可以在所有侧面上基本上被腔室内的气氛包围。
在本发明的一些布置中，多个PBR可以位于腔室内，并且PBR的液体介质可以流体连通。其他布置可包括根据上述任一项的多个装置，其中多个PBR的液体介质是流体连通的；并且多个腔室的气氛是流体连通的。
在本发明的一些实施方案中，所述至少一种光合微生物选自包括以下的组中的一种或多种：红球藻，雨生红球藻，沙漠小球藻，自养小球藻，小球藻，多棘栅藻，蓝细菌，拉长同球菌，集胞藻，节旋藻属，钝顶节螺藻，极大节螺藻，螺旋藻，南极冰藻，莱茵衣藻，异形藻属，群动盖丝藻，林氏藻属，拟色球藻属，角叉菜属，蓝舌菌属，振荡藻属，粘杆藻属，微鞘菌属，微囊藻属，念珠藻属，微拟球藻，鱼腥藻，褐指藻属，三角褐指藻，杜氏藻，杜氏盐藻。
在一些实施方案中，本发明的装置可以分成两个或更多个部分，以提供至少第一腔室部分和第二腔室部分。
在一些实施方案中，控制系统配置成将富含CO2的气体引入腔室或一个或多个腔室部分中。控制系统可以配置成将O2耗尽的气体引入腔室或一个或多个腔室部分。在一些实施方案中，控制系统可以配置成将来自工业源的排出气体引入腔室或一个或多个腔室部分。
根据本发明的另一方面，提供了控制膜光生物反应器(PBR)内的微生物培养物的方法，该PBR包含至少一个外膜层，其中至少一种气体可以穿过膜层，该过程包括以下步骤：在PBR内提供微生物培养物，其中微生物培养物包含液体介质和至少一种光合微生物，并且能够产生生物质；将PBR定位在腔室内，其中腔室包括至少第一入口，并且还包括限定和封闭腔室内的气体气氛的壁，在一些实施方案中，所述壁使得腔室基本上不透气体；通过控制通过第一入口进入腔室的进料气体的含量来控制腔室内的气氛；并且其中通过控制腔室内气氛的大气成分来控制和/或影响PBR内微生物培养生产生物质。
根据本发明又一方面的装置包括膜光生物反应器(PBR)，PBR包含液体介质、至少一种光合微生物和至少一个外膜层，其中膜层由透过膜层的气体转移可渗透的材料构成；并且还包括限定封闭在其中的气态气氛的腔室，其中PBR的至少一部分位于腔室内。在一些实施方案中，PBR的至少30％，通常至少50％，合适地至少70％，任选地至少90％位于腔室内，并且通常基本上所有PBR都位于腔室内。
根据本发明又一方面的装置包括膜光生物反应器(PBR)，PBR包含液体介质、至少一种光合微生物和至少一个外膜层，其中膜层由透过膜层的气体转移可渗透的材料构成，以及包括壁的腔室，其限定了封闭在其中的气态气氛，其中PBR位于腔室内。在一些实施方案中，腔室包括至少上壁和下壁。上壁可以具有圆形凸起形状，或者可以相对于水平面倾斜，以允许流体在重力作用下从其上限定的表面流出。
附图说明
通过参考附图进一步说明本发明，其中：
图1显示了根据本发明实施方案的装置的横截面(图13a的截面A)，该装置具有线性光生物反应器，其具有位于相对侧的入口和出口，设置在也设有入口和出口的气体填充腔室内。
图2示出了根据本发明实施方案的装置的横截面，还示出了气体从腔室内的大气向PBR的移动，反之亦然。
图3示出了根据本发明实施方案的装置的横截面，其中腔室被分成两个部分。
图4示出了根据本发明实施方案的装置的横截面，还示出了气体从包含在腔室的两个部分中的每个部分内的气氛中移动到PBR中，反之亦然。
图5示出了根据本发明实施方案的布置的横截面，其中两个PBR直接串联连接，其中两个PBR包含在单个腔室内。
图6示出了根据本发明实施方案的布置的横截面，其中两个PBR直接串联连接，其中每个PBR包含在腔室内，腔室的内部也彼此连接。
图7示出了根据本发明实施方案的布置的横截面，其中两个PBR通过导管串联连接。
图8示出了根据本发明实施方案的布置的横截面，其中两个PBR直接串联连接，其中每个PBR包含在进一步分成两个部分的腔室内，并且其中每个部分的内部与另一个腔室的相应部分连接。
图9示出了根据本发明实施方案的布置的横截面，其中两个PBR经由导管串联连接。
图10示出了根据本发明实施方案的装置的横截面(图13a的截面B)，其具有容纳在腔室内的PBR。
图11示出了根据本发明实施方案的装置的横截面，其具有容纳在腔室内的PBR，其中腔室被分成两个部分。
图12示出了根据本发明实施方案的装置的横截面(图13b的截面C)，其具有容纳在腔室内的PBR，其中腔室被分成两个部分。
图13a通过根据本发明实施方案的装置的图示示出了平面截面A和B，并且包括在内以帮助理解本文提供的其他附图。
图13b通过根据本发明实施方案的装置的图示示出了平面截面C，其中PBR具有产生分叉通道的中心流动控制结构，并且包括在内以帮助理解本文提供的其他附图。
图13c通过根据本发明实施方案的装置的图示示出了平面截面D，其中PBR或其部分具有产生用于液体介质流过的弯曲或曲折的通道对流动控制结构，并且包括在内以帮助理解本文提供的其他图纸。
图14a，14b和14c通过根据本发明的实施方案的装置的的图示示出了平面截面A，并且包括在内以帮助理解分别由图5、图6和图7提供的附图。
图15显示了根据本发明实施方案的装置的横截面，其具有封闭在腔室内的线性光生物反应器，腔室的壁由具有中间空间的两层构成。
图16示出了根据本发明的实施方案的装置的横截面，其中除了腔室的下壁之外的所有壁都由具有中间空间的两层构成，下壁由单层构成，并且该壁靠着表面定位。
图17示出了根据本发明实施方案的装置的横截面，其中腔室的上壁和下壁由具有中间空间的两层构成，侧壁由单层制成。
图18示出了根据本发明实施方案的装置的横截面，其中腔室的上壁由两层构成，侧壁和下壁由单层构成，下壁靠着表面定位。
图19a和b示出了根据本发明实施方案的辅助系统的示意图，其有助于控制装置生成和收获生物质。
图20示出了与根据本发明实施方案的装置一起使用的支撑构件和相关夹板的横截面。
图21a示出了根据本发明实施方案的装置的横截面，示出了相邻支撑构件如何协作以支撑腔室内的PBR，并且还将腔室本身分成具有独立控制的气氛的部分。
图21b和21c示出了根据本发明实施方案的装置的横截面(图13c的截面D)，其中PBR由一个或多个悬挂构件支撑在腔室内。
图22a示出了与根据本发明实施方案的装置一起使用的支撑构件的透视图。
图22b示出了与根据本发明实施方案的装置一起使用的支撑构件的透视图，其中支撑构件包括多个孔，以允许相邻腔室之间的气体连通。
图23a示出了根据本发明的实施方案的装置的横截面，其包括凸起的弯曲的上腔室壁，以在水，雪，沙和其他可能沉积在内表面或外表面上的物质的重力作用下促进径流。
图23b示出了根据本发明实施方案的装置的横截面，其包括相对于水平面倾斜以形成间距的上腔室壁，再次用于促进可能沉积在内表面或外表面上的水和其他物质的重力径流。
发明详述
本文引用的所有参考文献都通过引用整体并入。除非另外定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。
本发明人开发了适用于产生包含在腔室内的生物质的透气性光生物反应器(PBR)装置。有利地，可以控制腔室内的气氛，以便为PBR装置提供特定成分的气态进料以及除去废气。本发明的实施方案允许特定组合物包含优化以改善或最大化PBR内的生物质产生的气氛。本发明的备选实施方案允许特定组合物包含控制PBR内包含的微生物生长或调节PBR内包含的微生物的生物分子合成的气氛。下面更详细地描述本发明的这些和其他实施方案。
优化本发明的实施方案以最大化其中包含的光合微生物的效率和适应性，并因此最大化生物质的产生效率以及生物质中包含的任何有价值的产物。
在进一步阐述本发明之前，提供了许多定义以帮助理解本发明。
如本文所用，术语“包含”意指必须包括任何所述元素，并且也可任选地包括其他元素。“基本上由......组成”意指必须包括任何列举的元素，排除将对所列元素的基本和新颖特征产生实质影响的元素，并且可以任选地地包括其他元素。“由......组成”意指包括除列出的元素以外的所有元素。由这些术语中的每一个限定的实施方案都在本发明的范围内。
如技术人员将意识到的，术语“光合作用”是指在绿色植物和其他光合生物中发生的生物化学过程，包括光合微生物，包括藻类和蓝细菌。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。如本文所用，术语“光合微生物”是指能够进行光合作用的任何微生物。如本文所用，相关术语“光合营养”和“光合成”与“光合作用”同义，并且这两个术语在本文中可互换使用。
本领域技术人员还将意识到，液体中CO2(二氧化碳)的浓度或百分比是指溶液中溶解的无机碳(DIC)，即溶解的CO2的浓度以及相关的无机物质H2CO3(碳酸)，HCO3 -(碳酸氢盐)和CO3 2-(碳酸盐)。类似地，本文提及的“气体浓度”等旨在包括在液体或水性环境中由气体形成的任何和所有离子物质或化学化合物，例如，由于氨气形成的铵离子(NH4 +)或者由于硫氧化物形成的硫酸(H2SO4)。
如本文所用，术语“半透明”具有其在本领域中的普通含义，并且是指允许光通过的透光材料，导致光线的随机内部散射。该术语与“半透明的”同义。
如本文所用，术语“透明”具有其在本领域中的普通含义，并且是指允许可见光穿过其的材料，使得可以在材料的另一侧清楚地看到物体，换句话说，可以被描述为“光学透明”。本文所述的所有膜和非膜材料、腔室壁、附加组件、控制结构、涂层和其他材料可以是基本上半透明的或基本上透明的。
如本文所用，术语“废气”是指作为来自天然或人类引发过程的废产物、副产物或预期产物产生的气体，特别是当这些气体与正常大气相比富含CO2和/或贫O2时。这些过程包括但不限于燃烧、制造、工业过程、诸如船舶、飞机和公路车辆的车辆、发酵罐和废物处理。
如本文所用，术语“可渗透的”或“透气的”是指允许气体，特别是氧气(O2)，二氧化碳(CO2)，氮气(N2)和任选的甲烷(CH4)在任一方向或两个方向上从材料的一面转移另一面的材料。如本文所用，相关术语“透气性”和“半透性”与“可渗透性”同义，并且这两个术语在本文中可互换使用。通常，材料是片、薄膜或膜的形式。渗透与渗透物(例如气体)的浓度梯度、材料的固有渗透性和膜材料中渗透物质的扩散率直接相关。
气体通过特定材料的渗透性在本文以巴尔为单位进行测量。巴尔度量通过由给定压力驱动的气流流过具有厚度的材料区域的速率。巴尔定义为：
应当理解，巴尔是当前使用中最常见的透气性度量，特别是与透气膜有关，但是透气性也可以由其他单位定义，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规定了两种确定单层塑料薄膜或薄片和差压下的多层结构的透气率的方法。一种方法使用压力传感器，另一种方法使用气相色谱仪，测量渗透通过试样的气体量。其他等效的透气性度量是技术人员已知的并且将容易等同于本文所述的巴尔度量。
如本文所用，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(包括由微生物产生和/或排出的代谢物和副产物)。在本发明的上下文中，术语“生物质”特别包括如上所述的光合作用的合成产物。
如本文所用，术语“装置”可以包括一个“单元”，或者可以包括多个“单元”的阵列或组合。
如本文所用，术语“腔室”也指“气室”，并且这两个术语在本文中可互换使用。
如本文所用，术语“流体”是指可流动的材料，通常是液体和适当的液体介质，其包含在单元内，因此包含在本发明的装置中。“流体”也可用于描述气体，例如包含在本发明的腔室内的气氛。
如本文所用，术语“液体介质”具有其在本领域中的通常含义，并且是用于培养微生物并含有微生物的液体。液体介质可包括以下一种或多种：淡水，咸水，盐水，卤水，海水，废水，污水，营养物，磷酸盐，硝酸盐，维生素，矿物质，微量营养素，常量营养素，金属，消化物，肥料，微生物生长培养基，BG11生长培养基，以及微生物。
如本文所用，相关术语“光生物转化器”和“光生物反应器”是同义的，并且这两个术语在本文中可互换使用。
如本文所用，与本发明的装置的取向有关的术语通常以其共同保持的含义使用，但也旨在根据本发明的特定意图或构造适当地改变。因此，诸如上部、顶部和上方的术语可以指远离地球重力的方向，但是在一些实施方案中可以指代朝向本发明所使用的主光源的方向，例如，如果本发明用作建筑物的外观。类似地，诸如下部、底部和下方的术语是指朝向地球重力和/或远离主光源的方向。
本文描述和使用的类型的基于膜的光生物反应器(PBR)可以基本上如本申请人的共同未决的国际(PCT)专利申请PCT/GB2016/053786中所描述的那样。
将二氧化碳气体转移到PBR中通常通过使用曝气技术来实现，例如通过压缩CO2或空气并通过喷嘴将压缩气体输送到液体介质中，或者通过将气体鼓泡或喷射到液体介质中(参见例如US2015/0230420，WO2015/116963)。使用含CO2或其他气体混合物的这些技术也可用于除去过量的O2(参见例如US2015/0093924)。
这种技术在能量需求和基础设施成本方面都是不利的低效率。据估计，在一些PBR中，只有一小部分通过液体鼓泡的CO2成功溶解；因此，剩余的CO2被浪费，导致能量浪费和低效的CO2吸收。同样地，通过该技术去除O2受到可以被捕获在产生的气泡中的O2的限制，这仅为有效的气体交换提供有限的表面积。
本发明的益处涉及用于控制与如前所述的标准PBR中的CO2(或空气混合物)的通气和压缩装置相关的气体浓度的高能量成本、操作成本和资金成本。本发明部分地在液体介质中实现更高效的气体转移控制，包括大规模，并且与需要用于控制直接施用于液体介质的进料气体的通气和压缩的装置的系统相比，提供了更大的通用性。还避免了与压缩和通气技术相关的操作复杂性和额外重量。已经加压至低于使用其他PBR技术所需压力的气体也可以在不需要进一步压力的情况下使用。由于本发明的性质，气体的自然膨胀特性意味着可以容易地供应和膨胀供应的气体以快速改变整个腔室的组成。这提供了进一步的益处，因为腔室内的气体浓度可以相对容易地大规模控制，并且通过扩展，液体介质中的气体浓度可以以相同的比例控制。
本发明的另一个益处是增加组件内包含的PBR的坚固性和耐环境性。腔室的壁可以配置成提供针对例如改变环境或季节条件的外部因素的热绝缘。这种绝缘还降低了维持PBR所包含的液体介质温度所需的能量。还针对诸如天气、风或冰雹或动物损害等因素提供对PBR的潜在脆弱膜的物理保护。提供额外的屏障还可以阻止PBR泄漏到环境中。
本发明还可以在装置本身之外提供隔热。可以设想，本发明的一些实施方案可以配置成安装在建筑物的屋顶或外墙上，从而为安装它们的建筑物提供附加的绝缘益处。为此目的，与建筑物接触的腔室表面可以用绝缘材料替换或者另外包括绝缘材料，例如软木、沥青、玻璃纤维或任何其他高度绝缘的材料和/或用于建造的涂层和/或复合材料。
根据本发明的一个实施方案，提供了一种装置，其包括封闭在腔室内的膜PBR。腔室包括内表面壁，内表面壁配合以限定腔室，气体气氛包含在腔室中。(膜)PBR完全封闭在腔室内。PBR可以定位成与内表面壁接触，例如腔室的底表面。可替代地，PBR可以悬浮或基本上位于腔室内的中央，使得PBR膜的大部分外表面与腔室内包含的气氛接触，或者可以搁置在连接到所述腔室的下部内壁和/或任何其他内壁的翅片或突起上，从而允许气体在PBR的外表面周围和之间循环，或者可以搁置在网上，或者搁置在附着在所述腔室的侧面内壁和/或腔室的任何其他内壁上的一系列绳索、线绳或缆线上。
在本发明的另一个实施方案中，PBR部分地封闭在腔室内，使得仅包含PBR的部分，并且部分暴露于一般大气。合适地，在一些实施方案中，PBR的至少50％、合适地至少70％以及任选地至少90％位于腔室内。在特定实施方案中，基本上所有PBR都位于腔室内。
腔室填充有包含浓度高于液体介质的CO2的气体混合物，增加液体介质与周围大气之间的浓度差。以这种方式，通过膜进入液体介质的CO2的气体传输速率增加。
由于液体介质中的CO2(其可以通过光合作用微生物吸收的所有可能的形式)被包含在其中的光合微生物消耗，并且更多的CO2从腔室内的大气穿过PBR的膜到达液体介质，随着浓度差异稳定到平衡状态，CO2气体传输速率将随时间降低。为了克服平衡趋势，可以通过气室入口连续或间歇地输送包含CO2的气体混合物，并且可以通过出口移除类似体积的气体，通常使用诸如电磁阀的受控阀和/或压敏阀。可选地，当输送气体混合物时，阀门可以关闭，以将气室加压到环境标准大气压以上，从而进一步提高穿过PBR的透气膜的气体传输速率。
引入气室的气体混合物还可以包含比液体介质中的气体混合物浓度和/或大气压O2水平更低的O2浓度，以便增加液体介质的O2消耗速率。可替代地，可以通过向气室引入惰性气体如氮气、氦气、氩气或甲烷和/或CO2中来从液体介质中除去O2，以增加气氛和液体介质之间的O2浓度差。
在一些实施方案中，气室可以分成两个或更多个部分，在此称为第一腔室和第二腔室等，可以将不同的气体或气体混合物引入其中。例如，第一腔室可含有富含CO2的气体混合物，而第二腔室可含有O2贫化的气体混合物，例如用于有效去除O2的富含N2的气体。在本发明的某些实施方案中，PBR提供第一腔室与第二腔室之间的干预屏障(如果需要，还有另外的腔室)。因此，在本发明的该实施方案中，第一腔室和第二腔室由腔室的外壁与介入的PBR的膜壁结合限定。
气体可以通过气体膨胀被动地在腔室内移动，或者通过使用降低CO2进料输送成本的低能量方法，例如风扇、涡轮机或其他叶轮。可替代地，可以在引入气室之前压缩气体。
腔室的内部环境可以在内部控制或通过控制气体供应和/或气体排放来控制。例如，腔室内的气氛湿度可以通过安装在气体入口中的干燥剂的存在来控制，或者通过放置在腔室本身内部或在附接的辅助系统内的干燥剂或材料或涂层来控制。例如，腔室空气可以在返回腔室之前循环到干燥剂中进行干燥；典型地，干燥剂可以是蜂窝轮的形式。
限定腔室材料的至少一部分壁是透明或半透明的，以允许光的有效传输，使得包含在腔室内的PBR可以起作用。在一些实施方案中，一个或多个壁(例如位于离光源最远的壁)的至少一部分是反射性的，以便增加光通过PBR。在一些实施方案中，壁的面积的至少约10％，至少约20％，至少约30％，至少约40％，至少约50％，至少约60％，至少约70％，至少约80％，至少约90％或至少约100％可以是光可透过的。
“可切换玻璃”、“智能玻璃”或类似材料可用于本发明。这些材料(可以但不限于像玻璃一样刚性，像聚合物薄膜或涂层一样柔韧)，当施加电压、光或热时，其透光性能会改变。这些材料可能特别适用于高光照，例如减少由于特别高的光导致的材料或微生物的损害。通常，材料从基本上半透明和/或具有反射光学特性(类似于镜面光洁度)变为基本透明，从阻挡一些(或所有)波长的光变为允许光通过。可用于追求上述技术的实例的实例包括但不限于电致变色、光致变色、热致变色、悬浮颗粒、微盲和聚合物分散的液晶装置。
适当地，腔室的壁基本上是不透气的，并且腔室整体上基本上是气密的，以防止其内的受控气氛的损失或污染。
腔室的壁可由车辆、工业机械、船舶、宇宙飞船或航天器、潜水器、墙壁空腔、容器、地下室、建筑结构、建筑物房间和/或开关室的结构或主体组件组成或限定。
在这些和/或其他情况下，腔室壁可包括不透明/半透明的材料。在这种情况下，可以使用腔室内的辅助光源。这些辅助光源可以是LED/OLED或荧光灯管，或者可以是由光纤和/或光学组件引导的自然光。类似地，在腔室壁是半透明/透明但装置位于内部或远离自然光的情况下，可以使用这种辅助光源。
允许光进入腔室的半透明/透明部分可由任何合适的半透明/透明材料构成。腔室可以完全由半透明/透明材料构成，或者可以支撑在支撑结构上，例如支架或框架，如下所述。适当地，该材料基本上是不透气的，坚固的，轻质的，并且具有良好的隔热性能。任选地，材料以片材和/或薄膜提供。在一些实施方案中，该材料是非柔性的，非弹性的，透明的和坚固的，例如包括玻璃，高性能玻璃，具有非常高的太阳能透射率的低铁玻璃(PilkingtonSunplusTM)，玻璃复合材料，增强强度的玻璃复合材料，抗冲击玻璃复合材料，低反射玻璃，高透光玻璃，之间有或没有真空/氩气/空气的双层施釉风格玻璃和/或三层施釉玻璃，或由几层不同材料制成以增加强度和/或透光率的玻璃复合材料，或可电切换的智能玻璃。
在其他实施方案中，腔室壁材料是柔性和弹性的，例如包括乙烯四氟乙烯(ETFE)、丙烯酸/PMMA、聚碳酸酯和/或其他塑料、塑料复合材料。
ETFE的合适性质包括其半透明性和/或透明性、非常高的透光率和抗紫外线性。ETFE还有利地可回收，易于清洁(由于其非粘性表面)，弹性，坚固和轻质，具有良好的隔热性，高耐腐蚀性和在宽温度范围内的强度。采用热焊接，可以用贴片或多片组装成更大的面板来修复撕裂。
丙烯酸由于其强度、高透明度和耐风化和紫外线辐射而适合作为室壁材料。
在本发明的特定实施方案中，使用柔性和/或弹性材料允许通过在腔室内提供与装置外部的周围大气相比具有相对正压力的气氛来使腔室膨胀。可选地，由于温度升高而导致腔室内的气体膨胀也可导致相对正压力的相应增加。在本发明的特定实施方案中，使用柔性和/或弹性材料将允许在腔室的上壁(相对于腔室外部的位置)产生凸起，圆顶，弧形或其他突出的形状，或者是由于腔室内相对于周围大气的正压力(即，通过供应的气体对腔室进行充气)或者通过使用附接到腔室壁的辅助结构，以产生凸起形状。这有助于避免形成雨、雪、树叶、粉末、沙子或其他碎屑的“水坑”，这可能导致光线到达PBR。此外，凸起形状将有助于在下雨时自动清洁材料和/或便于由工厂操作者或自动清洁系统执行的手动/自动清洁。出于类似的原因，在本发明的其他实施方案中，腔室的任何上表面可以相对于水平面略微倾斜，例如通过使腔室的侧壁具有不同的高度。
这种布置的另一个优点是能够对内部腔室湿度进行控制-腔室内的水分可以在腔室壁的内部凝结，特别是如果腔室内部比外部大气更暖。通过凸起或倾斜的上壁，可以促使任何冷凝从腔室的上壁流走，从而减少可能发生的对光传输的干扰。
可以涂覆或处理透明/半透明材料以影响其光学或化学性质。例如，可以涂覆材料以降低光反射率，材料具有良好的透明性/半透明性，和/或具有不透气材料。涂层可赋予材料电压、光或热依赖性，如上所述。
施加到材料上的涂层、化学改性或薄膜可用于将来自光合作用光谱之外的可见或不可见波长的电磁辐射转换成适合光合作用或任何预期波长的频率，例如通过使用包含当电荷施加到分子和/或从分子移除时(例如通过施加电压)改变光学性质的工程纳米点和/或工程量子点和/或微米和纳米光学器件和/或分子的光学材料。应用于材料的彩色涂层、化学改性或有色薄膜可用于屏蔽特定波长，使其他波长能够到达液体介质，该技术可用于促进特定的生物活性，从而增加生物质中特定产物的生产，例如通过使用光学滤色器膜和/或光学材料，包括当通过施加电压将电荷施加到分子上和/或从分子中移除时改变颜色的工程纳米点和/或工程量子点和/或微米和纳米光学器件和/或分子。例如，可以在透明/半透明材料上施加红色薄膜，以基本上仅使红光到达液体介质，因此通过主要吸收红光的颜料的微生物(例如颜料藻蓝蛋白)光合作用来促进生产。
可以因为其透明性而使用石墨烯涂层来增强材料，提供抗微生物生长涂层，以提供电导，然后可以帮助检测材料的破裂(例如撕裂)。还可以将用于减少霉菌、细菌和真菌生长的涂层、处理、油漆或薄膜施加到腔室的内表面。旨在防止霉菌或任何微生物生长的特定材料可用作腔室的组件。透明/半透明材料还可以包括石墨烯、碳纳米管和/或石墨用于增强，或者使得能够使用更薄和更轻壁的材料。
可以设想，通过移除构成腔室的一个或多个壁，可以容易地接近腔室的内部以用于维护目的。
根据本发明的一个实施方案，提供了装置的PBR，其包含至少一个外层，该外层是膜层。一个或多个膜层可以是柔性的。膜层之一的至少一部分，以及任选地基本上每个膜层，对于穿过膜的气体传输是可渗透的。通过膜的氧气的渗透系数可以不小于约100巴尔，通常约300巴尔，并且合适地约400巴伦。在本发明的一个具体实施方案中，氧气通过膜的渗透系数不小于约500巴尔和可能更高。通过膜的二氧化碳的渗透系数不小于约400巴尔，合适地不小于约600巴尔，约800巴尔，约1000巴尔，1500巴尔，约2000巴尔，约2500巴尔，并且通常不小于约3000巴尔。在本发明的一个具体实施方案中，通过膜的二氧化碳的渗透系数不小于约3200巴尔。如在本文中使用的，短语“至少一部分”是指该层的这样一个区域，该区域具有足够的尺寸以允许气体穿过PBR的外层。气体通常是氧气和二氧化碳，但不限于此，并且可以包括氮气、氮氧化物、硫氧化物和/或甲烷。
可以从单个方向或从多个方向照射PBR。如果PBR被定位成使得它主要从单个方向接收光并且一个(第一)膜层比另一个(第二)膜层透明度低或半透明度低，则第一膜层可以在PBR的面向主光源的一侧。在特定实施方案中，第一膜层位于PBR的背离光源的一侧。
通常，膜层至少是半透明的，并且合适地基本上是透明的。
通常，膜层包含一种或多种透气材料。重要的是，透气材料不能透过液体，以防止PBR内的液体介质泄漏到外面。透气材料可以是多孔的(包括微孔结构的透气材料)或无孔的。如果气体颗粒可以通过微孔结构直接移动而迁移，则气体可渗透材料被称为多孔的。如果透气材料是多孔的，重要的是它基本上不透液体。适当地，透气材料是无孔的，这是为了避免液体透过透气材料并避免可能与材料的孔隙率有关的较低透明度。
透气材料可以是聚合物，例如化学优化的透气聚合物。化学优化的聚合物可能优于相应的未改性聚合物，因为它们可以更便宜，更耐撕裂，疏水，抗静电，更透明，更容易制造，更不易碎，更有弹性，更可渗透气体并且可选择性地渗透特定气体。对聚合物的化学改性可以以技术人员将知道的任何方式进行，例如通过改变单体的化学组成、背骨链、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、制作和其他方法。
膜层可包括任何合适的透气材料，包括但不限于：硅氧烷，聚硅氧烷，聚二甲基硅氧烷(PDMS)，氟硅氧烷，有机硅氧烷，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。
在合适的实施方案中，膜层包含聚硅氧烷，任选地优化的聚硅氧烷。聚硅氧烷可以是化学改性的或机器改性的。通常，膜层包含聚硅氧烷弹性体。已经发现聚硅氧烷是气体可渗透膜的良好候选物，这归功于聚合物结构中的Si-O键有助于更高的键旋转，增加链的迁移率，从而提高渗透性水平。聚硅氧烷弹性体(如硅橡胶)也具有柔韧性，可耐受紫外线辐射和弹性材料。
在一个实施方案中，膜层包含聚二甲基硅氧烷(PDMS)，适当优化的聚二甲基硅氧烷。通常，膜层包含聚二甲基硅氧烷(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弹性体使用交联剂形成。PDMS是一种典型的透气材料，因为它具有非常高的氧气和二氧化碳渗透性、其光学透明性和对紫外线辐射的耐受性。这些弹性体通常不支持其表面上的微生物生长，因此避免不受控制的生物膜生长和/或生物污垢，不受控制的生物膜生长和/或生物污垢会降低装置产生生物质的功效(屏蔽光)。任选地，可以通过利用如下所述的生物支持物和/或其他组分来促进生物膜生长。另外，聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性体是柔性和弹性材料。
聚二甲基硅氧烷(PDMS)可以进行化学改性或机器改性以增加其透气性和/或改变其性质。PDMS弹性体通常具有至少350，至少400，至少450，至少550，至少650，至少750，合适地至少820巴尔的氧气渗透率和至少2000，至少2500，至少2600，至少2700，至少2800，至少2900，至少3000，至少3100，至少3200，至少3300，至少3400，至少3500，至少3600，至少3700，至少3800，适当至少3820巴尔的二氧化碳渗透率。用于本发明实施方案的PDMS的性质可以通过化学、机械和工艺驱动的干预来优化，所述干预涉及但不限于聚合物链的摩尔质量(Mm)，聚合物中的分散度(分散度是重均摩尔质量与数均摩尔质量之比)，固化过程中热处理的温度和持续时间，交联剂与PDMS的比例，交联剂的化学组成，不同的端基(如甲基、羟基和乙烯基封端的PDMS)，其可以影响在交联过程中末端链接的PDMS结构形成的方式。
膜层的厚度可以不大于约1000μm，合适地不大于约800μm，约600μm，约400μm，约200μm并且通常不大于约100μm，任选地不大于约50μm，合适地不大于25μm或者更小。
在另一个实施方案中，膜层包含细菌纤维素。虽然细菌纤维素具有与植物纤维素相同的分子式，但它具有显着不同的大分子性质和特征。通常，细菌纤维素更加化学纯，不含半纤维素或木质素。此外，细菌纤维素可以在各种基材上生产，并且由于在成形过程中的高成型性，可以生长成几乎任何形状。另外，细菌纤维素与植物纤维素相比具有更结晶的结构，并形成显着小于植物纤维素中的微纤维的特征性的薄带状微纤维，使细菌纤维素更多孔。技术人员将意识到许多被改造以优化纤维素生产的细菌系统，例如醋酸杆菌属，固氮菌属，根瘤菌属，假单胞菌属，沙门氏菌属和产碱杆菌属的纤维素生物合成系统，这些可以在例如大肠杆菌中表达。可以处理细菌纤维素，使得其表面提供化学界面以使得能够与分子结合。
PBR的其他层也可以是膜层-即气体可渗透层-如上所定义，或者它们可以由非膜层组成，包括任何合适的材料，例如天然或合成材料。适当地，这些层至少是半透明的，并且通常是透明的。这些层适合透气。
在典型的实施方案中，PBR的所有层都是如本文所定义的气体可渗透的膜层。在其他实施方案中，膜PBR包括单层，例如由连续层或折叠并在一个或多个位置自我密封以产生PBR的单层形成的管或单膜。
包含在装置的PBR内的微生物通常能够进行光合作用或取决于电磁能源的存在的其他反应。任何能够光合作用的微生物在本文中称为光合微生物。在合适的实施方案中，光合微生物选自微藻(例如绿色、蓝绿色、金黄色和红色藻类)，浮游植物，甲藻，硅藻，细菌和蓝细菌，例如螺旋藻。微生物可以是野生型或基因改造的菌株。根据本发明实施方案的单个装置可包含一种或多种不同类型的微生物。
通常，至少一种微生物是红球藻，雨生红球藻，沙漠小球藻，自养小球藻，小球藻，多棘栅藻，蓝细菌，拉长同球菌，集胞藻，节旋藻属，钝顶节螺藻，极大节螺藻，螺旋藻，南极冰藻，莱茵衣藻，异形藻属，群动盖丝藻，林氏藻属，拟色球藻属，角叉菜属，蓝舌菌属，振荡藻属，粘杆藻属，微鞘菌属，微囊藻属，念珠藻属，微拟球藻，鱼腥藻，褐指藻属，三角褐指藻。
杜氏盐藻、一些钝顶节旋藻、一些微拟球藻和滨海同球菌在通过装置中的通道的液体介质包括海水、盐水或卤水的实施方案中是典型的微生物。
一些光合生物，无论是天然菌株还是基因改性或工程菌株，都能够吸收空气污染物，如NO2(和其他氮氧化物，如NO，N2O2，N2O3，N2O5)，SO2(和其他SOx，如S2O2，SO，SO3)，VOC，NH3或除CO2之外的“温室”气体，例如N2O。如果是这样，这些气体可以在气室中泵送，然后在液体介质中转移。这些气体也可能来自废气。
在一些实施方案中，PBR的光合微生物经基因改性以具有特定的触发因素，其通过暴露于气态或蒸发的刺激剂而被激活，所述气态或蒸发的刺激剂可被递送到腔室内包含的气氛中。当该刺激剂被引入腔室时，它扩散穿过PBR的膜并被输送到液体介质中。刺激剂充当触发物并诱导光合微生物以预定方式反应，如遗传干预所预期的。例如，刺激剂可以诱导特定代谢物的产生或停止产生和/或可以改变特定代谢物的产生速率。
以上关于在腔室内提供富含CO2和/或O2贫化的气氛的描述适用于所有其他合适的气体，其控制可用于各种目的。
可以将气体引入腔室中以控制PBR内包含的液体介质的pH。根据本发明的具体实施方案，大气中CO2和氨(NH3)的浓度可用于控制液体介质的pH。
如上所述，可以通过改变其生理过程来将微生物改性以响应某些气体的存在或不存在，并且可以控制供应到包含在腔室内的大气中的气体混合物以提供或去除这种气体。
可以响应于在PBR内的液体介质内测量的一个或多个参数的变化和/或响应于包含在PBR内的光合微生物的代谢或其他生理状态来控制和缓和供应给装置的气体混合物的组成和/或量。例如，包括液体介质中的pH变化的参数变化可能导致提供pH影响气体。可选地，检测液体介质中的低CO2浓度可导致在富含CO2的气体中供应增加水平的CO2。可以通过控制装置的辅助系统来监测液体介质和/或光合微生物的状态(参见下文)。
通过引入从工业来源获得的废气，例如来自锅炉、发电机、热电联产发电机(CHP单元)、工业过程、包括啤酒厂的发酵罐、废水处理过程/活性污泥/反硝化或厌氧消化器或任何类型的车辆或内燃机，可以在腔室内提供富含CO 2的气氛。废气可能需要在其输送到气室之前进行预处理，例如以去除可能对光合微生物有毒或可能影响PBR或腔室表面的清洁度或透明度的物质。对腔室的气态进料的预处理可以包括任何合适的技术或策略，例如高效微粒空气(HEPA)过滤器和/或活性炭过滤器，并且可以用于去除特定的空气污染物、挥发性有机化合物(VOC)、各种等级的微粒物质(例如PM1，PM2.5，PM10)、烟灰和任何其他不希望的或其他有毒物质。
根据本发明的一个具体实施方案，可以在腔室中沿与PBR中的液体介质流动的总体方向相反的方向输送进料气体。以这种方式，可以建立逆流布置，其中具有最高CO2浓度的进料气体可以与具有最低溶解CO2浓度的液体介质接触(由于在液体介质流过PBR系统期间发生的光合作用)，并且同样具有最低O2浓度的气体与溶解的O2浓度最高的液体介质接触。这增加了气体的浓度差异，因此提高了气体转移效率。
该装置可包括支撑结构，该支撑结构包括框架、支架和/或歧管，其用于提升和/或支撑腔室内的PBR，以及支撑多个腔室内的多个PBR，其中阵列包含在其中装置。支撑结构保持腔室本身的形状和结构，和/或在引导腔室内包含的PBR周围的气体气氛的流动方面。另外，支撑结构可以进一步有助于将装置附接到底座或其他表面，并且整体上提供装置的稳定性。
在本发明的一个具体实施方案中，支撑结构可以包括刚性固体材料的挤出，并且优选地是轻质的，如下面的示例性装置中所述。支撑结构不需要是透明的，尽管它可以是，并且可以由任何合适的材料制造，该材料通常是坚固的，轻质的和无毒的材料，具有高的抗氧化性，耐腐蚀性，耐极端温度和紫外线辐射。支撑结构可以包括基本上固体的材料，或者可以包括多孔结构，以在保持强度的同时减轻其重量。
合适地，支撑结构可包括塑料，例如生物塑料、热塑性塑料、热固性聚合物、无定形塑料、结晶塑料、合成聚合物如丙烯酸类、聚碳酸酯、聚酯、聚氨酯碳纤维复合材料、Kevlar复合材料、碳纤维和Kevlar复合材料或玻璃纤维；金属或金属合金，如钢、低碳钢、不锈钢、铝或钛；天然材料，如木材或涂层木材；或碳基材料，如石墨烯、碳纳米管或石墨。
装置的PBR可以连接到辅助系统，该辅助系统控制所使用的气体和/或液体介质的供应和状况。根据装置的应用，辅助系统可以具有任何复杂程度并由任何类型的辅助部件组成。
在本发明的一个合适的实施方案中，该装置连接到辅助系统，该辅助系统主要由用于气体和液体介质的导管、水箱、气箱或罐、用于气体和液体介质的泵、阀、生物质分离器、人工照明系统(特别是在没有自然光的情况下)、水温控制系统、传感器和计算机组成。
导管和储存器(水箱)可以是任何类型和任何合适的材料。
泵也可以是任何类型的；通常，液体泵是蠕动泵，其可以降低液体介质的污染风险和由于使用蠕动管而导致的微生物细胞的破裂，蠕动管是与液体介质接触的唯一部件。在一些实施方案中，可以使用隔膜泵(也称为膜泵)。隔膜泵与液体介质产生相对较小的摩擦，因此在减少细胞破裂和污染风险方面具有优势。
生物质分离器可以是技术人员已知的任何类型；合适地，生物质分离器是离心型生物分离器，包括小孔网格的过滤系统，和/或微滤/纳滤装置，和/或沉降装置，和/或澄清过程。多个生物质分离装置可以串联安装，例如初始澄清过程或微滤装置，然后是离心机。
水温控制可以是技术人员已知的任何类型；通常，它包括加热部件，该加热部件适当地安装在导管的部分周围和/或水箱上。加热部件可以是任何类型，并且适当地可以包括热交换机构。特别地，设想热交换可用于维持光合微生物的最佳液体介质温度。来自生理过程或高环境温度产生的液体介质的过量热量可用于为家庭或工业目的加热水，或者可以使用来自诸如排水、雨水、污水和/或灰水的来源的水来移除多余的热量。同样地，必要时可以使用来自家庭或工业来源的热量来加热液体介质。热交换装置可以是任何合适的类型，例如用于低容量的双管热交换器，或者由于它们的尺寸和经济性而用于更大体积的板式热交换器。在液体介质到达PBR之前，适当地在辅助系统的位置进行热交换。
可以使用包括本领域技术人员已知的任何人造光源类型的人工照明系统，合适地，照明系统包括LED，通常设计和/或控制人造光源以发射对应对装置内所含的任何光合微生物的光合有效辐射(PAR)需求的特定波长的电磁辐射(光)和/或促进特定的生物活性，从而增加生物质中特定产物的产生，例如通过使用发射特定波长的LED。例如，基于LED的光源可以发射大约620nm和750nm之间的波长(红光)，以促进微生物中产生主要吸收红光的颜料，例如颜料藻蓝蛋白。人工照明系统可以包括在支撑结构内，该支撑结构包括LED或光纤的阵列或条带。可以自动控制照明系统发出的光的强度和质量(从如PAR传感器、湿度传感器、温度传感器、化学传感器、pH传感器等任何类型的传感器输入后)，以促进特定的微生物生理活动和/或响应环境变化和/或增加或改变生物质生产。类似地，由于类似的原因，可以自动控制通过如上所述的“可切换”或“智能玻璃”材料的光透射量(自然光或人造光)。
根据本发明的一个具体实施方案，当包含在PBR内的液体介质中的生物质浓度达到期望水平时，三通阀将流引导到生物质分离器中，所述生物质分离器将至少一部分生物质与液体介质分离，分离的生物质进入容器以进行额外处理，同时将液体介质引回到储存器中。将流体引导到生物质分离器中的这种动作可以周期性地进行并持续预定的一段时间，然后阀门再次改变流入储存器的流动路径。可以针对每种应用、使用的微生物、周围环境和设备的物理位置优化该定时。在另一个实施方案中，代替二元开关，阀可以改变通道的孔径，从而控制输送到生物质分离过程的液体介质的流速和量。
营养物可以定期在系统中直接引入储存器。可以类似地引入液体介质或清洁液中的水和/或微生物。
可以使用各种其他系统组件，例如可以将可控压力阀或压力调节器放置在系统中，在该实施例中，压力阀可以通过液体或气体压力的变化的效应来控制单元的体积变化。。一些阀门可以控制进入单元的流量。
如果需要，可任选地将补充空气和/或富含CO2和/或其他气体的空气引入主PBR供应管道中。通风口可以安装在导管中以去除可能意外进入液压系统的空气，例如在系统安装期间，并且通常位于系统的最高位置以便于排出不需要的空气。
可以致动清洁程序以清洁和/或消毒PBR单元和/或导管和/或水箱和/或所有辅助系统和/或腔室。“清洁液”可以由技术人员已知的任何化合物制成。它可包括过氧化氢、乙醇、水、盐水、洗涤剂、漂白剂、表面活性剂、碱或任何其它合适的清洁组合物。清洁液可以通过系统任何位置的特定导管(入口)进入系统，并且可以在系统的任何位置(出口)离开，以根据需要允许仅在特定位置清洁，而不是清洁整个系统。清洁流体本质上也可以是气态的，并且可以包括蒸汽、加热的空气或水蒸气，适当地在高于120℃的温度下供应。
包括透明/半透明导电材料和/或任何其他导电材料的传感器可以设置在透明/半透明部分上或腔室的任何其他表面上(腔室内部或外部)，以监测诸如辐照度水平、温度、湿度或其他环境条件。如果位于腔室内，这些传感器或类似传感器可用于检测腔室中的气体浓度水平、湿度和/或温度。
本发明的实施方案和/或辅助系统可以包括嵌入式传感器，其可以用于例如监测化学浓度，例如液体介质和/或大气中的CO2浓度和/或O2浓度；和/或监测温度和其他环境和生物参数，例如毒性水平和/或监测生物质浓度和/或总细胞密度和/或活细胞密度和/或液体介质中的微生物的光合作用活性。
传感器可以完全或部分地嵌入PBR或腔室中，罐或导管辅助系统中，和/或控制或支撑结构中，和/或附接到外部层的内部或外部或内部附加部件的表面上。
传感器可以允许监测设备的PBR内的环境，以便能够控制参数，包括但不限于液体介质流速、液体介质质量、营养物水平、温度、生物质提取率、气体混合物、气体流速、气室压力和照明强度(和/或由“智能玻璃”提供的光学屏蔽)。该控制的目的是优化装置内包含的光合微生物的光合效率，和/或刺激特定的代谢/微生物活性，从而优化生物质的产生效率和/或改变其组成。
类似地，传感器可以允许监测装置腔室内的环境，以便能够控制参数，包括但不限于气体流速、质量、成分、温度、光学透明度和湿度。
本发明的一些实施方案的优点是生物质可以在单元内连续产生并且可以连续收获。
生物质在单元内的液体介质中积聚，在一些情况下，在装置的部件表面上形成的生物膜区域中积聚，包括PBR的两个外层的内表面。可以直接从液体介质中收获生物质，并且任选地还进行化学处理以促进生物质从装置内部分离。在液体介质通过PBR行进期间，生物质主要在系统中形成，因为这是暴露于光和CO2的地方。为了吹扫装置并释放生物质，液体介质经由一个或多个入口进入装置，通过一个或多个通道并通过一个或多个出口与流中的生物质一起离开装置。出口可以连接到合适的容器以接收收获的生物质。
在一些实施方案中，生物膜有意地在装置内生长。在这样的实施方案中，生物膜用于提供固定的活性光合微生物表面，其防止一些微生物在冲洗该装置时被冲走。这有利于生物质的快速生成，并且允许连续收获装置中产生的生物质。这使得装置能够快速再生/补充生物质，因为保留在装置内的微生物可以通过光合作用连续产生生物质(假设光照条件允许光合作用)。此外，在收获生物质之后不必将新的/另外的微生物引入PBR中以便产生更多的生物质。
可选地，可以间歇地批量收获生物质。例如，可以每小时、每天或每周从本发明的装置中经常收获生物质。
本发明的装置可用于许多应用。这些应用可以是任何类型，包括生物质生产，二氧化碳封存，氧气生产，氮氧化物或其他气体的封存，或需要去除污染物的情况，或需要废水处理的情况，或者甚至美观或装饰的应用，诸如城市家具或功能性艺术装置等应用。用于本发明的废气可以从这些应用中的任何一种，或其他本地或远处的来源供应；因此，该装置可用作诸如仓库、啤酒厂、工业建筑物等位置的脱碳系统。类似地，该装置可以与运输车辆结合使用，例如船舶、飞机、汽车、卡车和其他公路车辆。该装置可在室内和/或室外使用。
适用于本发明装置的应用可以是任何室内和/或室外建筑应用，包括但不限于建筑物立面、屋顶、遮阳篷、遮阳帘、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，产生的氧气可以在建筑物内部使用和/或提供给腔室的CO2气体可以来自建筑物的内部和/或外部。通过本发明也可以为这些建筑物提供隔热。
适用于本发明的装置的应用可以与任何照明系统和/或照明装置一起，包括但不限于室内照明系统，例如天花板、地面、墙壁、桌子、悬挂、技术、装饰、户外、工业机械照明、车辆照明、街道照明或广告照明设备。
在这样的应用中，从照明系统提供的人造光源可以提供微生物进行光合作用所需的大部分光，并且所产生的氧气可以在建筑物内使用和/或CO2可以从建筑物内部和/或外部吸收。
用于本发明装置的其他合适应用可以是强化生物质生产应用，包括但不限于使用大部分天然光源的室外密集型生物质生产设备，使用人造光源和/或天然光源的室内密集型生物质生产设备，比如在温室里。生物质可以含有食品成分和/或添加剂和/或可以用作人类或动物消费的蛋白质来源，或用于植物或其他肥料目的。用于本发明的装置的其他合适的应用可以与基础设施一起，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、高速公路、地下基础设施、交通声障、筒仓、水塔或机库。
用于本发明装置的其他合适的应用可以与废物处理厂组合，包括但不限于废水处理厂、城市废水处理厂、污水厌氧消化处理、粪便厌氧消化处理、厌氧消化器或焚烧炉。
本发明的装置可以直接从废水流中去除污染物和/或营养物(例如硝酸盐和磷酸盐)，废水流可以转移到单元内。这在需要部分和/或预处理水的废水处理应用和建筑/工业应用中是有利的。在这些实施方案中，含有对本发明装置内的微生物有毒的污染物的水应在被引入装置之前进行处理以除去这些污染物。
本发明的装置可以安装在任何种类的工业、农业、养殖业、集约化养殖业(例如集约化养鱼)、制造、精炼和/或能源生产过程中或附近，其可以供应一些或所有气体用于在装置的气室内使用。
本发明的装置可安装在任何工业机械和/或车辆内，其中腔室可基本上由其主体部分组成，并且该装置用于生产生物质，和/或从由工业机械和/或车辆产生的废气中除去二氧化碳。
本发明的装置通过以下布置举例说明，但决不限于此。
图1示出了根据本发明实施方案的装置(100)的横截面(参见图13a的截面A)，包括线性PBR(60)，其包括位于相对侧的入口(3)和出口(4)，以及外层(5,6)，其中一个或两个外层是可透过气体的，以及包含PBR中包含的光合微生物(12)的液体介质。PBR基本上在所有侧面上被由其外壳限定在腔室(50)内的气氛(1)包围，腔室(50)包括壁(2)、入口(8)和出口(7)。腔室(50)和腔室壁(2)将气氛(1)与外部气氛(9)分开。在一些实施方案中，腔室还包括腔室阀(22)，用于从气氛(1)中去除气体。
图2显示了气体(10)从气氛(1)到PBR内容物(12)以及从PBR内容物到气氛(1)(11)的转移。
图3示出了根据本发明另一实施方案的装置的横截面，其中腔室(50)通过分隔壁(17)分成两个部分，第一部分包括入口(7)和出口(8)以及气氛(15)，以及第二部分包括入口(13)和出口(14)和气氛(16)。
图4显示了PBR(60)和腔室(15,16)的气氛之间的气体转移，从气氛到PBR(18,20)以及从PBR到气氛的转移(19,21)。
图5示出了根据本发明另一实施方案的装置的横截面(参见图14a的截面A)，其中两个PBR(60)直接串联连接，使得它们的液体介质(12)流体连通，并且PBR包含在单个腔室(50)内。在一些实施方案中，更多PBR可以连接在单个腔室内。
图6和7示出了根据本发明另一实施方案的装置的横截面(参见图14b和14c的截面A)，其中两个PBR(60)直接串联连接，其中每个PBR(60)包含在腔室内(50)。腔室(50)的气氛(1)通过腔室壁(2)中的孔(23)彼此流体连通。PBR可以通过导管(24)连接。
图8和9示出了根据本发明另一实施方案的装置的横截面(参见图14b和14c的截面A)，其中两个PBR(60)直接串联连接，并且每个都包含在腔室(50)内。腔室(50)各自分成两个部分，每个第一部分的气氛(15)流体连通，每个第二部分的气氛(16)也流体连通。
图10至12示出了根据本发明实施方案的装置的替代横截面。图10(图13a的截面B)示出了包含在腔室(50)内的PBR(60)。图12(图13b的截面C)还示出了中央流动控制结构(25)，其形成分叉通道，以及支撑结构(26)，将PBR(60)基本保持在腔室(50)的中央。
图13a和13b通过根据上述布置的装置的图示示出了平面截面A，B和C。图13c通过根据布置的装置的图示示出了平面截面D，其中液体介质遵循弯曲或曲折的路径。
图14a，14b和14c通过根据本发明实施方案的装置的图示示出了平面截面A。
图15至18示出了根据本发明实施方案的装置的横截面，其具有封闭在腔室(50)内的线性光生物反应器(60)，其中腔室的一个或多个壁由两层构成，内部层(28)和外层(27)，具有中间空间(31)。下壁可以抵靠表面(30)定位。
图19a示出了本发明一个实施方案的合适系统(70)，包括多个PBR。包含储存器(71)中的光合微生物的液体介质(12)通过泵(72)通过入口(3)输送到矩形PBR中。PBR封闭在腔室内，腔室也包围气氛(1)，由通过入口(7)和出口(8)的气体运动控制。液体介质沿着曲折的路径通过PBR，来自人造光源(73)或自然光源的光到达液体介质(12)中的微生物，刺激光合作用，同时在单元(12)中的液体介质与气氛(1)之间通过单元的膜层发生气体转移，基本上如图2所示。液体通过出口(4)离开单元并到达三通阀(74)，该三通阀引导液体介质返回储存器(71)，闭合回路。储存器(71)中的传感器(75)测量微生物培养参数的值并将输出发送到计算机，然后计算机控制辅助系统组件的操作，例如泵、阀、人造光系统、温度控制系统、生物质分离器。计算机还控制通过入口(7)向腔室气氛(1)供应气体并通过出口(8)除去气体。图19b示出了类似的系统，其中两个PBR串联连接。
当液体介质中的生物质浓度达到期望水平时，三通阀(74)将流引导到生物质分离器系统(76)中，该系统将生物质与部分液体介质分离，分离的生物质进入容器(77)用于另外的处理，同时液体介质被引回到储存器(71)中。在阀(74)再次改变进入储存器(71)的流动路径之前，可以周期性地并且在预定的一段时间内执行将流引导到生物质分离器中的这种动作。可以针对每种应用、使用的微生物、周围环境和装置的位置优化该定时。可选地，三通阀(74)可以调节到储存器(71)和生物质分离系统(76)的流量，以实现生物质的连续收获，同时允许动态控制在给定时间从系统中移除的生物质的量。例如，阀(74)可以将通过阀的所有液体介质的0％至100％输送到生物质分离系统(76)。
营养物可以周期性地插入(78)系统中直接进入储存器(71)。可以类似地引入液体介质或清洁液中的水和/或微生物。
可以使用各种其他系统部件，例如可以将可控压力阀或压力调节器(79)放置在系统中，在该实施例中，压力阀可以通过液体压力变化的效应来控制单元的体积变化。一些阀门(82)可以控制进入单元的流量。
除了向腔室供应气体之外，如果需要，可以任选地将补充空气和/或富含二氧化碳和/或其他气体的空气引入(81)主管道中。通风口可以安装在导管中以去除可能意外进入液压系统的空气，例如在系统安装期间，并且通常位于系统的最高位置以便于排出不需要的空气。
可以致动清洁程序以清洁和/或消毒单元和/或导管和/或水箱和/或所有辅助系统和/或气室。可以通过使用蒸汽或加热的空气或水蒸气作为清洁介质来执行清洁程序。“清洁流体”可以由技术人员知道的任何化合物制成。它可包括乙醇、水、过氧化氢(H2O2)、盐水、洗涤剂、漂白剂、表面活性剂、碱或任何其它合适的清洁组合物。清洁流体可以通过系统任何位置的特定导管进入系统，并且可以在系统的任何位置离开，以根据需要允许仅在特定位置清洁，而不是清洁整个系统。
图20至23示出了腔室组件可以包括支撑结构(90)，该支撑结构可以包括金属和/或塑料结构，例如挤压结构，其在两侧线性延伸(遵循期望的PBR阵列)。挤出结构可以用作膜PBR、上表面和下表面的结构支撑。挤出结构可包括壳体机构或配件(91,92,93)，以将PBR(91)、腔室(92)的上壁和腔室(93)的下壁固定和/或保持在适当位置。模块上的端部可以由其他支撑结构元件封闭，以形成封闭的腔室。挤出结构的壁(参见图22b)可包括孔(95)，其使得气体能够从一个腔室部分行进到另一个腔室部分，尤其是在包括多个腔室阵列的实施方案中。
图21b和21c示出了用于通过添加悬挂构件来支撑腔室组件内的PBR的附加构造，该悬挂构件可以是腔室下壁上的翅片(94)或者是悬在侧壁之间的绳索(94')。、该悬挂构件支撑PBR的中心，以防止下垂并减少PBR与支撑结构的连接处的损坏或应变的可能性。
图23a和23b示出了本发明的实施方案，其适于防止在设备的水平表面上收集水或其他物质，从而减少光干涉。在图23a中，腔室的上壁具有圆形凸起形状，使得水或其他物质从该表面流出。图23b具有不同高度的支撑结构(90)，使得腔室的上壁相对于水平面倾斜，再次促进径流。这种实施方案的另一个优点是促进上壁内侧的冷凝物从PBR正上方的位置移开。
本发明的示例性配置如下。透气性膜PBR由两层厚度为50-100μm的透明聚硅氧烷化合物气体可渗透膜制成。
PBR位于腔室组件内。腔室组件由钢制底盘(盒子)制成，在上表面上具有暴露于光线的开口窗。该开口窗用透明ETFE层(厚度在100-500μm范围内)上釉。
通过PBR边缘上的孔眼固定到焊接在底盘上的水平构件上将PBR拉伸并固定在支撑底盘上。底盘的底部内表面上的保持结构将PBR的位置保持在气室的中心。保持结构在PBR的层熔合的位置处接触PBR以产生流动控制结构，以避免保持结构干扰通过PBR膜的气体转移。
以这种方式，顶部和底部的大部分PBR表面暴露于气室的气氛并允许其周围的气氛循环。
PBR具有用于容纳的液体介质的入口和出口，并且连接到包括水箱的辅助系统，所述水箱包括用于pH、溶解的O2和CO2、温度和浊度的传感器，并且还包括蠕动泵和水加热系统。
腔室组件基本上是气密的。它具有进料气体入口和废气出口，两者均由电磁阀控制，电磁阀的驱动由可编程逻辑控制器(PLC)控制。入口还连接到CO2罐和/或氮气罐。
将CO2泵入气室，出口阀打开，以便能够除去先前包含在气室中的大气。在不增加气室内的大气压的情况下泵送CO2。
通过参考以下非限制性实施方案进一步举例说明本发明。
实施例
实施例1
构造实验设备以演示根据本发明实施方案的系统。特别地，该设备证明了将CO2气体供应到包含本文所述类型的PBR的腔室的气态气氛中导致CO2浓度的增加，以及PBR内包含的液体介质中的O2浓度和pH的降低。这进一步表明，通过填充有包含光合微生物培养物的液体介质的PBR单元的膜层发生有效的O2和CO2气体转移。
案例研究设置由图24中的简化示意图表示。该设置定义了根据本发明一个实施方案的系统。参考图24，该示意图中所示的大多数特征与图19a和19b中所示的特征相同。另外，示出了箱(83)，其包含液体介质储备，并且储存器(71)由水浴(84)加热。
PBR单元(5)由两个100微米厚的聚硅氧烷膜层构成，其O2渗透系数(ISO 15105-1)等于约400巴尔，CO2渗透系数等于约2100巴尔，氮渗透系数等于约200。PBR测量为约450×450mm，并且通过在层之间使用VVB adt-x有机硅粘合剂连接两个膜层并热压它们以形成限定曲折路径的连续通道来构造。
用含有BG11蓝藻淡水培养基和集胞藻培养物PCC6803的液体介质将PBR填充至其正常操作容量。该系统是气密的，因此PBR内的液体介质与周围腔室内的气氛之间的气体交换仅通过单元(5)的聚硅氧烷膜层发生。气体可以通过阀门(8)从腔室排出，以控制气氛的压力和气体混合。
腔室(50)由钢制底盘(盒子)构成，在上表面上具有暴露于光线的开口窗。该开口窗用大约200μm厚的透明ETFE层上釉。通过PBR边缘上的孔眼固定到焊接在底盘上的水平构件上将PBR拉伸并固定在支撑底盘上。PBR由丙烯酸的1.5mm厚的保持结构支撑在腔室内，该保持结构垂直地放置在腔室的底板上。保持结构在PBR的层融合的位置处接触PBR以产生流动控制结构，以避免保持结构的存在干扰通过PBR膜的气体转移，并且避免刺穿或切割PBR。在实验开始时，腔室用大气填充(一次)。在实验期间，进行CO2冲洗以替换腔室内的空气气氛。
加压的CO2由来自BOC的圆筒供应，并通过入口阀(7)引入腔室，空气从出口阀(8)排出。
储存器(71)设计成气密的并容纳传感器(75)。用于本案例研究的传感器(75)是：
1.来自Mettler Toledo的光学溶解O2传感器“InPro 6860i”，
2.来自Mettler Toledo的溶解CO2传感器“InPro 5000I”，
3.来自Hannah Instruments的pH传感器，
4.温度传感器IFM Efector TM4431PT100
5.带有陶瓷测量元件的压力变送器IFM Efector PA9028
系统的照明由Lightwave T5传播生长灯系统提供，该系统配有使用可调光驱动器的8x 4ft T5荧光灯管。
液体介质温度保持在约29℃(±2℃)，液体介质温度由加热的二级水浴保持，该二级水浴包围主储存器(71)。通过蠕动泵(VerderFlex Steptronic EZ泵)(72)将液体介质泵送到整个系统中。一个三通夹紧电磁阀(SIRAI S307)可以将来自PBR的液体介质从系统中分流到用于生物质收集并在需要时进一步进行液体介质取样(即培养总密度/生物质加权)的容器中，而另外一个三通夹管阀可以将来自辅助水箱的含有BG11培养基的新液体介质插入系统。记录与液体介质中溶解的气体浓度水平和pH有关的数据。
在实验的早期阶段，观察到O2的浓度上升约1ppm，这被认为是与系统启动相关的伪像；在引入CO2之前，系统运行超过50分钟以试图使系统达到平衡。在另一个实验中，如果PBR在充满大气的室中，但保持在较低温度，则O2浓度没有显着上升并且稳定至少15分钟，如表1所示。
表1
时间(分钟) pH 温度(℃) O<sub>2</sub>(ppm) CO<sub>2</sub>(％浓度)
0 9.4 22.9 8.5 0
5 9.3 22.9 8.5 0
10 9.4 22.9 8.6 0
15 9.4 22.9 8.6 0
20 9.4 23.2 8.6 0
25 9.4 23.2 8.6 0
如图25a和25b所示的曲线图所示(这些曲线图描绘了在不同时间尺度上的相同实验，如图所示)，在大约3600秒处，如垂直虚线所示，腔室用100％CO2冲洗大约120秒，直到其中之前的空气被移位。如图23a所示，液体介质的pH在此期间下降，表明CO2浓度增加对pH的影响。当pH达到约7.5的值时，为了表示对控制内部腔室气氛的直接影响，腔室通过排气口向大气开放，而不冲洗内部气氛，并且由于外部空气大气涌入而允许CO2的水平逐渐下降。
如相同的曲线图所示，在CO2冲洗后，PBR的液体介质中溶解的CO2浓度(以总浓度％表示)增加，并且溶解的O2浓度(以ppm表示)同时下降，这些变化都在10000秒左右接近稳定状态。这表明在液体介质与腔室内富含CO2的气氛之间的PBR膜上发生气体交换。
在120秒供应CO2后大约8000秒，看到溶解的CO2的浓度下降，并且O2的浓度增加，表明通过微生物过程或由于CO2排放到大气中而导致腔室气氛中的CO2浓度下降的作用可以逆转CO2供应的作用。
实施例2
为了显示在装置内发生生物体生长和复制，在根据本发明的装置中的另一个类似实验中，以不同的时间间隔从系统中取出液体介质样品，并进行干重测量，以了解总生物质密度和增长率。如下表所示，总生物质仅在8小时内增长了0.8g/l，在此期间增加了40％以上。
表2
时间(小时:分钟) 生物质干重
00:00 1.9g/l
05:11 2.4g/l
08:15 2.7g/l
24小时(近似值) 2.9g/l
尽管这里已经详细公开了本发明的特定实施方案，但这仅通过实施例的方式并且仅出于说明的目的而进行。前述实施方案不旨在限制所附权利要求的范围。发明人预期，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种替换、改变和修改。

Claims (31)

1.用于生产生物质的装置，该装置包括：
膜光生物反应器(PBR)，所述PBR包含液体介质、至少一种光合微生物和至少一个外膜层，其中所述膜层由透过膜层的气体转移可渗透的材料构成；以及
限定封闭在其中的气态气氛的腔室；
其中所述PBR位于所述腔室内；以及
控制所述腔室内的大气成分的控制系统；
其中气体转移透过所述PBR的膜层发生在PBR与所述腔室内包含的气氛之间。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述腔室包括多个壁，并且至少一个壁或其部分允许可见光透过所述腔室进入所述腔室的内部。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述腔室包括照明源。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述腔室的壁基本上是刚性的。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中所述腔室的壁包括乙烯-四氟乙烯(ETFE)。
6.根据前述权利要求中任一项的装置，其中所述PBR的膜层是半透明的，通常是基本上透明的。
7.根据前述权利要求中任一项的装置，其中所述PBR的膜层包含聚硅氧烷，通常为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中通过所述PBR的膜层的氧的渗透系数选自：不小于约至少100，合适地不小于至少200，至少300，至少400，至少500，至少650，至少750，合适地至少820巴尔。
9.根据前述权利要求中任一项的装置，其中通过所述PBR的膜层的二氧化碳(CO2)的渗透系数选自：不小于至少400，至少600，至少800，至少1000，至少1500，至少2000，至少2200，至少2500，至少2800，至少2900，至少3000，至少3100，至少3200，至少3300，至少3400，至少3500，至少3600，至少3700，至少3800，合适地至少3820巴尔。
10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述PBR在所有侧面上基本上被所述不透气腔室内的气氛包围。
11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，包括位于所述腔室内的多个PBR，其中所述PBR的液体介质是流体连通的。
12.根据前述权利要求中任一项的装置，其中所述至少一种光合微生物选自包括以下的组中的一种或多种：红球藻，雨生红球藻，沙漠小球藻，自养小球藻，小球藻，多棘栅藻，蓝细菌，拉长同球菌，集胞藻，节旋藻属，钝顶节螺藻，极大节螺藻，螺旋藻，南极冰藻，莱茵衣藻，异形藻属，群动盖丝藻，林氏藻属，拟色球藻属，角叉菜属，蓝舌菌属，振荡藻属，粘杆藻属，微鞘菌属，微囊藻属，念珠藻属，微拟球藻，鱼腥藻，褐指藻属，三角褐指藻，杜氏藻，杜氏盐藻。
13.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述腔室被分成两个或更多个部分，以提供至少第一腔室部分和第二腔室部分。
14.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述控制系统被配置为将富含CO2的气体引入所述腔室或所述腔室部分中的一个或多个。
15.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述控制系统被配置为将O2耗尽的气体引入所述腔室或所述腔室部分中的一个或多个。
16.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述控制系统被配置为将来自工业或燃烧源的流出气体引入所述腔室或所述腔室部分中的一个或多个。
17.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述控制系统被配置为将气体引入所述腔室中，使得所述腔室内的压力大于大气压。
18.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述腔室基本上是不透气的。
19.控制膜光生物反应器(PBR)内的微生物培养物的方法，所述PBR包含至少一个外膜层，其中至少一种气体可以穿过所述膜层，该方法包括以下步骤：
在所述PBR内提供微生物培养物，其中所述微生物培养物包含液体介质和至少一种光合微生物，并且能够产生生物质；以及
将所述PBR定位在腔室内，其中所述腔室包括至少第一入口，并且还包括限定和封闭所述腔室内的气体气氛的壁；
通过控制通过所述第一入口进入所述腔室的进料气体的含量来控制所述腔室内的气氛；并且
其中通过控制所述腔室内气氛的大气成分来控制所述PBR内微生物培养物生产生物质。
20.根据权利要求19所述的方法，其中限定和封闭所述腔室内的气态气氛的所述壁使得所述腔室基本上不透气。
21.根据权利要求19或20的方法，其中所述腔室内的压力保持在基本大气压。
22.根据权利要求19或20的方法，其中所述腔室内的压力保持在大于大气压的正压力下。
23.根据权利要求19-22中任一项的方法，其中所述液体介质的pH由所述腔室内的气态气氛控制。
24.用于生产生物质的组件，所述组件包括根据权利要求1-18中任一项所述的多个装置，其中多个PBR的液体介质是流体连通的；并且多个腔室的气氛是流体连通的。
25.用于生产生物质的装置，所述装置包括：
膜光生物反应器(PBR)，所述PBR包含液体介质，至少一种光合微生物和至少一个外膜层，其中所述膜层由透过膜层的气体转移可渗透的材料构成；以及
限定封闭在其中的气态气氛的腔室；
其中所述PBR的至少一部分位于所述腔室内。
26.根据权利要求25所述的装置，其中所述PBR的至少30％，通常至少50％，合适地至少70％，任选地至少90％位于所述腔室内。
27.根据权利要求25或26所述的装置，其中基本上所有的PBR都位于所述腔室内。
28.用于生产生物质的装置，所述装置包括：
膜光生物反应器(PBR)，所述PBR包含液体介质、至少一种光合微生物和至少一个外膜层，其中所述膜层由可透过跨膜层的气体转移的材料构成；以及
包括壁的腔室，所述壁限定封闭在其中的气态气氛；
其中所述PBR位于所述腔室内。
29.根据权利要求28所述的装置，其中所述腔室包括至少上壁和下壁。
30.根据权利要求29所述的装置，其中所述上壁具有圆形凸起形状，以允许流体从其上限定的表面流出。
31.根据权利要求29所述的装置，其中所述上壁相对于水平面倾斜，以允许流体从其上限定的表面流出。
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