EA009596B1

EA009596B1 - Фотобиореактор и способ для производства биомассы и снижения уровня загрязняющих веществ в топочных газах

Info

Publication number: EA009596B1
Application number: EA200401492A
Authority: EA
Inventors: Исаак Берзин
Original assignee: Гринфьюел Текнолоджиз Корпорейшн
Priority date: 2002-05-13
Filing date: 2003-05-13
Publication date: 2008-02-28
Also published as: AU2003234604A1; US20050260553A1; EP1509076A4; EP1509076A1; CN1668185A; CA2488443A1; EA200401492A1; WO2003094598A1; JP2005533632A; CN100374539C; EA200702294A1

Abstract

Некоторые варианты осуществления и объекты настоящего изобретения относятся к фотобиореакторной установке (100), рассчитанной на удержание жидкой среды (108), содержащей по меньшей мере один вид фотосинтезирующих организмов, и к способам использования фотобиореакторной установки (100) как к части процесса и системы очистки газа, пригодных для, по меньшей мере, частичного удаления некоторых нежелательных загрязняющих веществ из потока (608) газа. В некоторых вариантах осуществления раскрытая фотобиореакторная установка (100) может быть использована как часть комплексного способа и системы сжигания, при этом в фотобиореакторе (100) используют фотосинтезирующие организмы для, по меньшей мере, частичного удаления некоторых загрязняющих соединений, содержащихся в дымовых газах, например COи/или NO, а впоследствии их собирают из фотобиореактора (100), обрабатывают и используют в качестве источника топлива для топочного устройства (например, генератора электростанции и/или установки для сжигания отходов).

Description

Согласно § 119(е) раздела 35 Кодекса законов США по этой заявке испрашивается приоритет предварительной заявки регистрационный номер 60/380179 на патент США под названием РНоЮЬюгеасЮг апй ргосехх £ог тЮдайоп о£ Пие-дахех. поданной 13 мая 2002г., которая полностью включена в настоящую заявку посредством ссылки.

Область техники, к которой относится изобретение

В общем. изобретение относится к фотобиореакторам и к способам эксплуатации и использования фотобиореакторов для очистки газов. например топочных газов.

Уровень техники

Только в Соединенных Штатах имеются 400 электростанций. работающих на угле. содержащих 1600 энергоблоков. и еще 10000 электростанций. работающих на ископаемом топливе. Хотя электростанции. работающие на угле. являются наиболее загрязняющими из потребителей ископаемого топлива. электростанции. работающие на мазуте и газе. также создают топочный газ (дымовые газы). который может содержать СО₂. ΝΟ_Χ. 8О_Х. ртуть. ртутьсодержащие соединения. частицы и другие загрязняющие вещества.

Фотосинтез представляет собой биосферный механизм возврата углерода. В этом процессе фотосинтезирующие организмы. например растения. синтезируют углеводороды и другие клеточные вещества путем связывания СО₂. Одним из наиболее эффективных преобразователей СО₂ и солнечной энергии в биомассу являются водоросли. самые быстрорастущие растения на земле и одни из простейших природных микроорганизмов. Фактически может быть поглощено свыше 90% СО₂. подаваемого для питания водорослей. главным образом. при производстве клеточной массы (8Нее11ап 1оНп. ЭппаНау Тет. Вепетапп 1о1т К.. Коехх1ег Раи1. А 1оок Ьаск а! Не и.8. Эераг1теп1 о£ Епегду'х ациайс хрес1ех ргодгат: Вюй1ехе1 £гот а1дае. 1998. ΝΕΚΕ/ΤΡ-580-24190; в дальнейшем 8Неекап е! а1.). В дополнение к этому водоросли могут расти в соленых водах. что не подходит для сельскохозяйственной культуры.

При использовании водорослевой биотехнологии биологическая регенерация СО₂ может быть выгодной вследствие получения из выбрасываемого СО₂ полезных. имеющих большое значение продуктов. Производство биомассы водорослей во время очистки дымового газа с целью снижения уровня СО₂ является привлекательной идеей. поскольку сухие водоросли имеют теплотворную способность. приблизительно эквивалентную углю. Кроме того. биомасса водорослей может быть превращена в высококачественное жидкое топливо (подобное сырой нефти) при термохимическом преобразовании с помощью известных технологий. Биомасса водорослей также может быть использована для газификации с целью получения хорошо воспламеняющегося органического топливного газа. пригодного для использования на электростанциях. работающих на газе (например. см. Кеей Т.В. апй Сайг 8. А хигуеу о£ Ьютахх дахШсайоп ΝΚΕΕ. 2001; в дальнейшем Кеей апй Саиг. 2001).

Во время фотосинтеза в растительной биомассе запасается свободная энергия приблизительно 114 ккал (477 кДж) на каждый моль связанного СО₂. На водоросли приходится примерно третья часть суммарной мировой фотосинтезирующей активности.

Фотосинтез может быть просто описан уравнением

СО₂+Н₂О+свет->(СН;О)-О;

где (СН₂О) отображает обобщенную химическую формулу для углеродистой биомассы.

Хотя фотосинтез лежит в основе преобразования солнечного излучения в накапливаемую биомассу. его эффективность может быть ограничена ограниченным диапазоном длин волн световой энергии. подходящих для возбуждения фотосинтеза (400-700 нм. что соответствует только примерно половине суммарной солнечной энергии). Другие факторы. такие как потребность в дыхании (в течение темновых периодов). эффективность поглощения солнечного света и другие условия роста. могут влиять на эффективность фотосинтеза в водорослевых биореакторах. Итоговый результат выражается в суммарной эффективности фотосинтеза. которая может быть в пределах от 6% в полевых условиях (для реакторов типа открытых водоемов) до 24% в наиболее эффективных лабораторных фотобиореакторах.

Кроме того. водорослевые культуры могут быть использованы для биологического удаления NΟ_x из дымовых газов (Ладахе Нйоуахи. Кеп-1сЫ УохЫйага. Каоги ЕдихЫ. УохЫко Уоко!а. К1е Ма!хш. Кахшпаха Н1га!а апй КахпПха МуатоФ. С11агас1епхПс о£ Ью1одюа1 NΟ_x гетоуа1 £гот Пне дах ш а ЭппайеНа 1егйо1ес!а сиЙиге хух!ет. 1опгпа1 о£ Еегтеп!айоп апй Вюепдшееппд. 83. 1997; в дальнейшем Нйоуахи е! а1.. 1997). Водоросли некоторых видов могут удалять NΟ_x в широких пределах концентраций NΟ_x и расходов дымовых газов. Закись азота ПО). основной компонент NΟ_x. растворяется в водной фазе. после чего окисляется до NΟ₂ и усваивается водорослевыми клетками. Нижеследующее уравнение описывает реакцию растворения NΟ при наличии О₂:

4\О-О_;-2Н_;О >4\О_; -4ΙΓ

Затем растворенный NΟ₂ используется водорослями в качестве источника азота и частично преобразуется в газообразный Ν₂. Считается. что в этом процессе удаления NΟ_x этапом. ограничивающим скорость. является растворение NΟ в водной фазе. Этот процесс может быть описан следующим уравнением. в котором к является константой скорости. зависящей от температуры:

- 1 009596

-ά|ΝΘ|/άΙ=4Κ|ΝΘ|^:|ϋ2|

Например, удаление ΝΟ_Χ при использовании водорослей вида ЭипайеНа может происходить как в условиях освещения, так и темноты, при этом эффективность удаления ΝΟ_Χ превышает 96% (в условиях освещения).

Кроме того, предлагалось производить топливо на основе биотехнологии водорослей. В течение 18летнего периода Министерство энергетики США финансировало обширные исследования, направленные на разработку способов получения возобновляемого топлива из водорослей (8ЬееЬаи 1., Эипайау Т., Вепетапп 1.В.. Воезз1ег Р., А 1оок Ьаск а! !Ье И.8. ОерайтеШ оЕ Епегду'з ациайс зреаез ргодгат: Вюй1езе1 Егот а1дае, 1998 ΝΕΚΕ/ΤΡ-580-24190; в дальнейшем 8ЬееЬаи е! а1., 1998). В Японии государственные организации (Министерство международной торговли и промышленности) вместе с частными компаниями инвестировали свыше 250 млн долларов в биотехнологию водорослей. В каждой программе выбран особый подход, но вследствие различных проблем, на которые направлены некоторые варианты осуществления настоящего изобретения, до настоящего времени они не были коммерчески успешными.

Основным препятствием для осуществимой биологической регенерации водорослей и снижения загрязнения является отсутствие эффективной, но, тем не менее, рентабельной системы выращивания. Исследования по программам Министерства энергетики ориентированы на выращивание водорослей в крупных открытых водоемах свыше 4 км². Для водоемов требуются небольшие капиталовложения, однако, выращивание водорослей в открытой и неконтролируемой окружающей среде приводит к низкой продуктивности водорослей. Технология открытых водоемов делает выращивание и сбор водорослей чрезмерно дорогостоящими, поскольку для огромного количества воды с растворенными водорослями требуются очень крупные перемешиватели, насосы и центрифуги. Кроме того, при низкой продуктивности водорослей и необходимости большой площади на местности с плоским рельефом этот способ в наилучшем случае сценария можно применять только на 1% электростанций США (811ее11ап е! а1., 1998). С другой стороны, способ Министерства международной торговли и промышленности при более строгих ограничениях земельного участка ориентирован на весьма дорогие замкнутые водорослевые фотобиореакторы с использованием волоконной оптики для передачи света. В такой контролируемой среде была достигнута намного более высокая продуктивность водорослей, но скорость роста водорослей была недостаточно высокой для возмещения капитальных затрат на используемую дорогую систему.

Имеются типовые известные фотобиореакторы нескольких видов, такие как цилиндрические или трубные биореакторы, например, предложенные Уодес е! а1. в патенте США № 5958761. Для этих биореакторов с горизонтальной ориентацией обычно требуется дополнительная энергия для обеспечения перемешивания (например, насосами), вследствие чего добавляются капитальные и эксплуатационные затраты. При такой ориентации Ο₂, получаемый благодаря фотосинтезу, может захватываться в системе, что приводит к сокращению размножения водорослей. Другие известные фотобиореакторы ориентированы вертикально, и перемешивание осуществляется пневматическим способом. Как рассмотрено ниже, многие такие фотобиореакторы работают как барботажные колонны. В основу конструкции некоторых известных фотобиореакторов положено использование искусственного освещения, например люминесцентных ламп (таких, как описанные Койо е! а1. в патенте США № 6083740). Фотобиореакторы, в которых не используется солнечная энергия, а взамен только источники искусственного света, нуждаются в подводе огромного количества энергии.

Многие известные фотобиореакторы представляют собой цилиндрические водорослевые фотобиореакторы, которые могут быть подразделены на барботажные колонны и аэролифтные реакторы. Барботажные колонны обычно представляют собой светопрозрачные контейнеры большого диаметра, заполненные водорослями, взвешенными в жидкой среде, при этом в нижнюю часть контейнера барботируются газы. Поскольку отсутствуют точно определенные, воспроизводимые линии потоков, то трудно контролировать характеристики перемешивания системы, что может приводить к низким коэффициентам массообмена, плохой фотомодуляции и низкой продуктивности. Аэролифтные реакторы обычно состоят из вертикально ориентированных концентрических трубчатых контейнеров, в которых газы барботируются в нижней части внутренней трубы. Градиент давления, создаваемый в нижней части этой трубы, вызывает кольцевой поток жидкости (вверх по внутренней трубе и вниз между трубами). Наружная труба изготовлена из светопрозрачного материала, тогда как внутренняя труба обычно выполнена непрозрачной. Поэтому водоросли подвергаются воздействию света, когда проходят между трубами, и темноты, когда проходят по внутренней трубе. Цикл свет-темнота определяется геометрическими параметрами реактора (высотой, диаметрами труб) и эксплуатационными параметрами (например, расходом газа). Аэролифтные реакторы могут иметь более высокие коэффициенты массообмена и продуктивность водорослей, сравнимую с барботажными колоннами. Однако контроль картин потоков в аэролифтном реакторе, необходимый для получения желаемой степени перемешивания и фотомодуляции, все же может быть трудным или практически нецелесообразным. В дополнение к этому вследствие ограничений на геометрические параметры при крупномасштабном производстве водорослей на наружном воздухе цилиндрические фотобиореакторы обоих видов могут иметь недостаток, заключающийся в низкой продуктивности, обусловленной факторами, связанными с отражением света и эффектами самозатенения (когда одна колонна затеняет другую).

- 2 009596

Раскрытие изобретения

Некоторые варианты осуществления и объекты настоящего изобретения относятся к фотобиореакторным установкам, газоочистным системам и способам с использованием фотобиореакторов, к способам и системам для регулирования и эксплуатации фотобиореакторов и фотобиореакторных систем, предварительной адаптации водорослевых штаммов, и к способам и системам для получения таких штаммов, и к комплексным способам и системам сжигания, очистки газа и рециркуляции углеродного топлива.

В первой группе вариантов осуществления раскрыт ряд фотобиореакторных установок, фотобиореакторных систем и газоочистных систем. В первом варианте осуществления раскрыта газоочистная система, содержащая фотобиореактор, вмещающий жидкую среду, содержащую по меньшей мере один вид фотосинтезирующих организмов, при этом, по меньшей мере, участок фотобиореактора выполнен с возможностью пропускания света к фотосинтезирующим организмам, фотобиореактор содержит впускное отверстие, выполненное с возможностью соединения с источником газа, подлежащего очистке, жидкостный циркуляционный насос, сконструированный и расположенный для создания потока жидкой среды внутри фотобиореактора, и выпускное отверстие, выполненное с возможностью выпуска очищенного газа из фотобиореактора; и реализованную на базе компьютера систему, сконфигурированную для осуществления имитации картин потоков жидкости внутри фотобиореактора, и на основании имитации для вычисления первого интервала воздействия на фотосинтезирующие микроорганизмы света с интенсивностью, достаточной для возбуждения фотосинтеза, и второго интервала воздействия на фотосинтезирующие организмы темноты или света с интенсивностью, не достаточной для возбуждения фотосинтеза, и для регулирования потока жидкой среды внутри биореактора с тем, чтобы получать выбранный первый интервал воздействия и выбранный второй интервал воздействия на фотосинтезирующие организмы.

В другом варианте осуществления раскрыта система для очистки газа в фотобиореакторе, содержащая средство для создания потока жидкой среды, содержащей по меньшей мере один вид фотосинтезирующих организмов, внутри фотобиореактора; средство для подвергания, по меньшей мере, участка фотобиореактора и по меньшей мере одного вида фотосинтезирующих организмов воздействию источника света, способного возбуждать фотосинтез; средство для вычисления первого интервала воздействия на фотосинтезирующие организмы света с интенсивностью, достаточной для возбуждения фотосинтеза, и второго интервала воздействия на фотосинтезирующие организмы темноты или света с интенсивностью, не достаточной для возбуждения фотосинтеза, требуемого для получения выбранной скорости роста фотосинтезирующих организмов внутри фотобиореактора; и средство регулирования потока жидкой среды внутри фотобиореактора, основанного на интервалах воздействия, определенных на этапе вычислений.

Еще в одном варианте осуществления раскрыта фотобиореакторная установка, содержащая, по меньшей мере, первую, вторую и третью взаимосвязанные по текучей среде трубы, по меньшей мере одна из которых выполнена, по меньшей мере, частично прозрачной для света с длиной волны, допускающей возбуждение фотосинтеза, при этом трубы совместно образуют контур потока, дающий возможность жидкой среде, содержащейся внутри фотобиореактора, последовательно протекать из области исходной точки в контуре потока по первой, второй и третьей трубам и обратно в область исходной точки, при этом первая, вторая и третья трубы сконструированы и расположены так, что по меньшей мере одна из труб образует угол относительно горизонтали, который отличается от угла, образованного относительно горизонтали по меньшей мере одной из других труб, и в которой по меньшей мере одна из труб образует угол относительно горизонтали больше чем 10° и меньше чем 90°.

Еще в одном варианте осуществления раскрыта фотобиореакторная система, содержащая фотобиореактор, содержащий, по меньшей мере, первую и вторую взаимосвязанные по текучей среде трубы, вмещающие жидкую среду, при этом по меньшей мере одна из труб выполнена, по меньшей мере, частично прозрачной для света с длиной волны, допускающей возбуждение фотосинтеза, первый распределитель газа, выполненный с возможностью и расположенный для ввода потока газа в первую трубу, второй распределитель газа, выполненный с возможностью и расположенный для ввода потока газа во вторую трубу, и по меньшей мере одно выпускное отверстие, выполненное с возможностью выпуска газа из фотобиореактора; и контроллер, сконфигурированный для регулирования суммарного расхода газа, подлежащего очистке фотобиореактором, и распределения суммарного расхода к первому и второму распределителям газа с тем, чтобы возбуждался поток жидкости в первой трубе, имеющий направление, которое является противоточным по отношению к направлению потока пузырьков газа в первой трубе, и с тем, чтобы возбуждался поток жидкости во второй трубе, имеющий направление, которое является попутным по отношению к направлению потока пузырьков газа во второй трубе.

Еще в одном варианте осуществления раскрыта фотобиореакторная установка, содержащая удлиненную наружную оболочку, имеющую, по существу, горизонтальную продольную ось и по меньшей мере одну поверхность, по меньшей мере, частично прозрачную для света с длиной волны, допускающей возбуждение фотосинтеза; удлиненную внутреннюю камеру, расположенную внутри удлиненной наружной оболочки и имеющую продольную ось, по существу, совмещенную с продольной осью наружной оболочки, при этом удлиненная наружная оболочка и удлиненная внутренняя камера совместно образуют кольцевой контейнер, который уплотнен на его концах, в которой кольцевой контейнер обеспе- 3 009596 чивает контур потока, дающий возможность жидкой среде, содержащейся внутри фотобиореактора, протекать последовательно из области исходной точки в контуре потока по периметру удлиненной внутренней камеры и обратно в область исходной точки.

В другом варианте осуществления раскрыта фотобиореакторная установка, содержащая контейнер, вмещающий жидкую среду, содержащую по меньшей мере один вид фотосинтезирующих организмов, при этом, по меньшей мере, участок наружной стенки контейнера выполнен, по меньшей мере, частично прозрачным для света с длиной волны, подходящей для возбуждения фотосинтеза, в которой, по меньшей мере, участок внутренней поверхности наружной стенки контейнера покрыт слоем биологически совместимого вещества, которое является твердым при температурах по меньшей мере до около 45°С и которое имеет температуру плавления ниже температуры плавления наружной стенки контейнера, на которую оно нанесено.

Еще в одном варианте осуществления раскрыта газоочистная система, содержащая фотобиореактор; и газоочистную установку, соединенную в сообщении по текучей среде с фотобиореактором, который выполнен с возможностью, по меньшей мере, частичного удаления из газа по меньшей мере одного вещества, выбранного из группы, состоящей из 8О_Х, ртути и ртутьсодержащих соединений.

В другом ряде вариантов осуществления раскрыты способы с использованием фотобиореакторов и способы для регулирования и эксплуатации фотобиореакторов и фотобиореакторных систем. В одном варианте осуществления раскрыт способ очистки газа в фотобиореакторе, включающий в себя создание потока жидкой среды, содержащей по меньшей мере один вид фотосинтезирующих организмов, внутри фотобиореактора; подвергание, по меньшей мере, участка фотобиореактора и по меньшей мере одного вида фотосинтезирующих организмов воздействию источника света, способного возбуждать фотосинтез; вычисление первого интервала воздействия на фотосинтезирующие организмы света с интенсивностью, достаточной для возбуждения фотосинтеза, и второго интервала воздействия на фотосинтезирующие организмы темноты или света с интенсивностью, не достаточной для возбуждения фотосинтеза, требуемого для получения выбранной скорости роста фотосинтезирующих организмов внутри фотобиореактора; и регулирование потока жидкой среды внутри фотобиореактора, основанное на интервалах воздействия, определенных на этапе вычислений.

В другом варианте осуществления раскрыт способ очистки газа в фотобиореакторе, включающий в себя создание потока жидкой среды, содержащей по меньшей мере один вид фотосинтезирующих организмов, внутри фотобиореактора; подвергание, по меньшей мере, участка фотобиореактора и по меньшей мере одного вида фотосинтезирующих организмов воздействию источника света, способного возбуждать фотосинтез; осуществление имитации картин потоков жидкости внутри фотобиореактора и на основании имитации определение первого интервала воздействия на фотосинтезирующие микроорганизмы света с интенсивностью, достаточной для возбуждения фотосинтеза, и второго интервала воздействия на фотосинтезирующие организмы темноты или света с интенсивностью, не достаточной для возбуждения фотосинтеза; вычисление на основании первого интервала воздействия и второго интервала воздействия прогнозируемой скорости роста фотосинтезирующих организмов внутри фотобиореактора; и регулирование потока жидкой среды внутри фотобиореактора с тем, чтобы получить выбранный первый интервал воздействия и выбранный второй интервал воздействия на фотосинтезирующие организмы для достижения желаемой прогнозируемой скорости роста, определенной на этапе вычислений.

Еще в одном варианте осуществления раскрыт способ эксплуатации фотобиореактора, включающий в себя ввод первого потока газа, подлежащего очистке фотобиореактором, в первый распределитель газа, выполненный с возможностью и расположенный для ввода потока газа в первую трубу фотобиореактора; ввод второго потока газа, подлежащего очистке фотобиореактором, во второй распределитель газа, выполненный с возможностью и расположенный для ввода потока газа во вторую трубу фотобиореактора; возбуждение потока жидкости в первой трубе, имеющего направление, которое является противоточным по отношению к направлению потока пузырьков газа, образованных из первого потока газа, введенного в первую трубу; и возбуждение потока жидкости во второй трубе, имеющего направление, которое является противоточным по отношению к направлению потока пузырьков газа, образованных из второго потока газа, введенного во вторую трубу.

В другом варианте осуществления раскрыт способ очистки газа в фотобиореакторной системе, включающий в себя пропускание газа через фотобиореактор; по меньшей мере, частичное удаление по меньшей мере одного вещества из газа в фотобиореакторе; пропускание газа через газоочистную установку в сообщении по текучей среде с фотобиореактором; и, по меньшей мере, частичное удаление в газоочистной установке из газа по меньшей мере одного вещества, выбранного из группы, состоящей из 8О_Х, ртути и ртутьсодержащих соединений.

В другом ряде вариантов осуществления раскрыты предварительно адаптированные штаммы водорослей и способы и системы для получения таких штаммов. В первом варианте осуществления раскрыт способ, включающий в себя подвергание жидкой среды, содержащей по меньшей мере один вид фотосинтезирующих организмов, воздействию заданного набора условий роста, которые выбирают для имитации условий, воздействию которых фотосинтезирующие организмы будут впоследствии подвергаться в фотобиореакторе, посредством чего предварительно кондиционируют фотосинтезирующие организмы

- 4 009596 к заданному набору условий роста; сбор фотосинтезирующих организмов, предварительно кондиционированных на этапе подвергания воздействию; и инокуляцию фотобиореактора по меньшей мере частью собранных фотосинтезирующих организмов.

В другом варианте осуществления раскрыт способ для облегчения эксплуатации фотобиореакторной системы, включающий в себя: получение по меньшей мере одного вида фотосинтезирующих организмов, которые предварительно кондиционируют путем подвергания воздействию заданного набора условий роста, которые выбирают для имитации условий, которым фотосинтезирующие организмы будут впоследствии подвергаться в фотобиореакторной системе во время ее работы.

В другом ряде вариантов осуществления раскрыты комплексные способы и системы сжигания, очистки газа и рециркуляции углеродного топлива. В одном таком варианте осуществления раскрыт комплексный способ сжигания, включающий в себя сжигание топлива в топочном устройстве для получения потока горячего дымового газа; подачу потока горячего дымового газа в сушилку и охлаждение потока дымового газа в сушилке; пропускание охлажденного дымового газа во впускное отверстие фотобиореактора, вмещающего в себя жидкую среду, содержащую по меньшей мере один вид фотосинтезирующих организмов; по меньшей мере, частичное удаление по меньшей мере одного вещества из дымового газа фотосинтезирующими организмами, при этом по меньшей мере одно вещество используется организмами для роста и воспроизводства; удаление по меньшей мере части жидкой среды, содержащей по меньшей мере один вид фотосинтезирующих организмов, из фотобиореактора; высушивание жидкой среды, удаленной на этапе удаления, в сушилке, питаемой горячим дымовым газом на этапе подачи, для производства продукта в виде высушенной биомассы водорослей; и использование продукта в виде высушенной биомассы водорослей в качестве топлива и/или для производства топлива, сжигаемого на этапе сжигания.

Краткое описание чертежей

Другие преимущества, новые отличительные особенности и способы применения изобретения станут более очевидными из нижеследующего подробного описания неограничивающих вариантов осуществления изобретения при рассмотрении в сочетании с сопровождающими чертежами, которые выполнены схематичными и которые не подразумеваются выполненными с соблюдением масштаба.

На чертежах каждый идентичный или, по существу, подобный компонент, который показан на различных фигурах, обычно обозначен одной позицией или одним условным знаком. Для ясности не каждый компонент помечен на каждой фигуре, а также в каждом варианте осуществления изобретения показан не каждый компонент, когда такая иллюстрация не является необходимой для понимания изобретения специалистами в области техники, к которой относится изобретение. В случаях, когда настоящее описание и включенный в него посредством ссылки документ включают в себя противоречивые раскрытия, настоящее описание имеет преимущество.

На чертежах:

фиг. 1 - схематичный разрез трубного треугольного фотобиореактора согласно одному варианту осуществления изобретения;

фиг. 2 - схематичный перспективный вид спереди газоочистной решетки со многими фотобиореакторами при использовании десяти фотобиореакторов из фиг. 1, расположенных параллельно, согласно одному варианту осуществления изобретения;

фиг. 3 - схематичный перспективный вид с правой стороны кольцевого фотобиореактора согласно одному варианту осуществления изобретения;

фиг. 3 а - разрез кольцевого фотобиореактора из фиг. 3, сделанный по линии 3а-3а;

фиг. 4а-4д - схематичные сечения фотобиореакторов различных конфигураций;

фиг. 5а-5д - схематичные сечения кольцевых фотобиореакторов различных конфигураций;

фиг. 6а - схематичное представление фотобиореакторной системы с использованием фотобиореактора из фиг. 1, включая реализованную на базе компьютера систему управления, согласно одному варианту осуществления изобретения;

фиг. 6Ь - график, иллюстрирующий кривую роста водорослей;

фиг. 7а - блок-схема, иллюстрирующая один вариант осуществления способа функционирования реализованной на базе компьютера системы управления фотобиореакторной системы из фиг. 6а;

фиг. 7Ь - блок-схема, иллюстрирующая другой вариант осуществления способа функционирования реализованной на базе компьютера системы управления фотобиореакторной системы из фиг. 6а;

фиг. 8 - блок-схема, иллюстрирующая способ предварительного кондиционирования водорослевой культуры согласно одному варианту осуществления изобретения; и фиг. 9 - блок-схема последовательности операций одного варианта осуществления комплексного способа сжигания согласно одному варианту осуществления изобретения.

Осуществление изобретения

Некоторые варианты осуществления и объекты настоящего изобретения относятся к фотобиореакторной установке, рассчитанной на размещение жидкой среды, содержащей по меньшей мере один вид фотосинтезирующих организмов, и к способам использования фотобиореакторной установки как части способа и системы очистки газа, подходящих для, по меньшей мере, частичного удаления некоторых нежелательных загрязняющих веществ из потока газа. В некоторых вариантах осуществления раскрытые

- 5 009596 фотобиореакторные установки, способы использования таких установок и/или системы и способы очистки газа, предложенные в настоящей заявке, могут быть использованы как часть комплексных способа и системы сжигания, в которых фотосинтезирующими организмами, используемыми внутри фотобиореактора, по меньшей мере, частично удаляются некоторые загрязняющие соединения, содержащиеся в дымовых газах, например СО₂ и/или ΝΟ_Χ, а впоследствии их собирают из фотобиореактора, обрабатывают и используют в качестве источника топлива для топочного устройства (например, генератора электростанции или установки для сжигания отходов). Такие применения некоторых вариантов осуществления могут обеспечить эффективное средство для рециркуляции углерода, содержащегося в сжигаемом топливе (то есть путем превращения СО2 в дымовом газе в биомассу в фотобиореакторе), и тем самым позволят снизить как выбросы СО₂, так и требования к ископаемому топливу. В некоторых вариантах осуществления фотобиореакторная установка может быть объединена с дополнительной газоочистной установкой для осуществления удаления других типичных загрязнителей дымового газа/топочного газа, таких как 8О_Х, ртуть и/или ртутьсодержащие соединения.

В некоторых вариантах осуществления при работе фотобиореактора используют методологию и систему управления, которая сконфигурирована с возможностью обеспечения автоматической, в реальном времени оптимизации и/или регулирования рабочих параметров для достижения желаемой или оптимальной фотомодуляции и/или скоростей роста в конкретных условиях эксплуатации. Согласно еще одному объекту изобретение включает в себя способы и системы для предварительного выбора, адаптации и кондиционирования одного или нескольких видов фотосинтезирующих организмов к специфической окружающей среде и/или к рабочим условиям, которым фотосинтезирующие организмы будут впоследствии подвергаться во время использования в фотобиореакторной установке газоочистной системы.

Некоторые объекты изобретения относятся к конструкциям фотобиореакторов и к способам и системам с использованием фотобиореакторов. Термин фотобиореактор, использованный в настоящей заявке, относится к установке, вмещающей или выполненной с возможностью размещения жидкой среды, содержащей по меньшей мере один вид фотосинтезирующих организмов и имеющей источник света, способный возбуждать фотосинтез, связанный с ней, или имеющей по меньшей мере одну поверхность, по меньшей мере, участок которой выполнен частично прозрачным для света с длиной волны, подходящей для возбуждения фотосинтеза (то есть для света с длиной волны около 400-700 нм). Предпочтительные фотобиореакторы, предназначенные для использования согласно настоящей заявке, представляют собой биореакторную систему закрытого типа в противоположность биореактору открытого типа, такому как водоем или другое открытое зеркало воды, открытые резервуары, открытые каналы и т. д.

Термин фотосинтезирующий организм или биомасса, использованный в настоящей заявке, охватывает все организмы, способные расти при фотосинтезе, такие как растительные клетки и микроорганизмы (включая водоросли и эвглену) в одноклеточной или многоклеточной форме, которые способны расти в жидкой фазе. Эти термины могут также охватывать организмы, модифицированные искусственно или с помощью манипуляции с генами. Хотя некоторые фотобиореакторы, раскрытые в связи с настоящим изобретением, особенно пригодны для культивирования водорослей или фотосинтезирующих бактерий и хотя в приведенном ниже рассмотрении отличительные особенности и возможности некоторых вариантов осуществления изобретения обсуждаются применительно к использованию водорослей в качестве фотосинтезирующих организмов, должно быть понятно, что в других вариантах осуществления вместо или в дополнение к водорослям могут быть использованы иные фотосинтезирующие организмы. В случае вариантов осуществления с использованием одного или нескольких видов водорослей в фотобиореакторе можно культивировать водоросли различных типов (например, СЫоге11а, 8рпо1ша, ЭппаИсИа. РогрйугИиш и т.д.), сами по себе или в различных сочетаниях.

Фразы по меньшей мере, частично прозрачный для света и выполненный с возможностью пропускания света при использовании применительно к некоторым поверхностям или компонентам фотобиореактора относятся к такой поверхности или компоненту, который способен обеспечить прохождение световой энергии для получения, по меньшей мере, некоторого уровня воздействия падающей световой энергии, достаточного для возбуждения фотосинтеза внутри фотосинтезирующего организма.

На фиг. 1 показан один пример осуществления трубной контурной фотобиореакторной установки 100 в соответствии с одним объектом изобретения. Фотобиореактор 100 содержит три взаимосвязанные по текучей среде трубы 102, 104 и 106, которые совместно образуют контур потока, дающий возможность жидкой среде 108, содержащейся внутри фотобиореактора, протекать из области исходной точки (например, из коллектора или сборника 110) в контуре потока последовательно через три трубы по контуру и обратно в область исходной точки. Хотя в показанном варианте осуществления трубный контурный фотобиореактор включает в себя три взаимосвязанные по текучей среде трубы, образующие контур рециркуляционного потока, в других вариантах осуществления, например в показанных на фиг. 3 и 4 и рассмотренных ниже, фотобиореактор может включать в себя четыре или более взаимосвязанных по текучей среде труб, образующих контур потока, и/или может быть выполнен имеющим другую геометрию, а не треугольную геометрию, показанную на фигуре. В дальнейших других вариантах осуществления некоторые преимущества настоящего изобретения могут быть реализованы при использовании фотобиореактора, содержащего только две взаимосвязанные по текучей среде трубы или в дальнейших других

- 6 009596 вариантах осуществления только единственную трубу.

Круглые трубы 102, 104 и 106 взаимосвязаны по текучей среде посредством соединительных коллекторов 110, 112 и 114, к которым, как показано, присоединены с уплотнением концы различных труб. Как должно быть понятно специалистам в области техники, к которой относится изобретение, в других вариантах осуществления могут быть использованы другие соединительные средства для взаимосвязи труб, содержащих жидкую среду, или в качестве альтернативы контур потока может быть образован из единственной круглой трубы, которую изгибают или иным образом придают ей форму треугольника, либо из другого профиля, образующего контур потока.

Термин взаимосвязаны по текучей среде при использовании применительно к трубам, камерам или к другим структурам, предусмотренным согласно изобретению, которые могут содержать и/или по которым можно транспортировать газ и/или жидкость, относится к таким трубам, контейнерам или к другим структурам, выполненным в виде унитарной конструкции или соединенным друг с другом либо непосредственно, либо косвенно, так, чтобы обеспечивался непрерывный путь потока из одной трубы и т.д. в другие, с которыми они взаимосвязаны по текучей среде, по меньшей мере, частично с обеспечением герметичности по текучей среде. В этом случае две трубы и т.д. могут быть взаимосвязаны по текучей среде в случае, если имеется или может быть создан поток жидкости и/или газа по и между трубами (то есть две трубы взаимосвязаны по текучей среде даже в случае, если между двумя трубами находится клапан, который при желании может быть закрыт для предотвращения протекания текучей среды между ними).

Как рассмотрено более подробно ниже, жидкая среда, имеющаяся внутри фотобиореактора во время работы, обычно содержит воду или солевой раствор (например, морскую воду или минерализованную воду), содержащий достаточно питательных веществ, способствующих жизнеспособности и росту водорослей и/или других фотосинтезирующих организмов, имеющихся в жидкой среде. Как рассмотрено ниже, часто выгодно использовать жидкую среду, содержащую минерализованную воду, морскую воду или другую не транспортируемую воду, получаемую в местности, где фотобиореактор должен работать, и из которой водоросли, содержащиеся в ней, извлечены или адаптированы. Конкретные композиции жидкой среды, питательные вещества и т.д., необходимые или пригодные для использования при поддержании роста водорослей или культивировании других фотосинтезирующих организмов, хорошо известны в данной области техники. Как должно быть понятно специалистам в области техники, к которой относится изобретение, потенциально в различных вариантах осуществления настоящего изобретения большое число жидких сред может быть использовано в различных формах. Например, потенциально подходящие компоненты жидких сред и питательные вещества подробно рассмотрены в: Водегк Ь.Ь. апб Са11оп 1.В ВюсйешЕйу о£ 11е а1дае апб суапоЬас1епа, С1атепбоп Ргекк ОхРотб, 1988; Виг1е\\- 1о1т 8. А1да1 си11иге: Рюш 1аЬота1оту 1о рйо1 р1ап1, Сатпед1е 1п81Ии1юп о£ АакЫпдЮп РиЬИсаНоп 600, АакЫпдЮп. Э.С.. 1961 (в дальнейшем Вит1ете, 1961); и Воипб Р.Е. Т1е Ыо1оду о£ 11е а1дае, 81. Матйп'к Ргекк, №\ν Уотк, 1965; каждый источник включен в настоящую заявку посредством ссылки.

Во время работы фотобиореактор 100 должен быть заполнен в достаточном количестве жидкой средой 108, чтобы уровень 116 наполнения был выше нижнего гребня 118 соединительного стыка между трубой 102 и трубой 104 с тем, чтобы во время работы обеспечивалась возможность рециркуляционного контурного протекания жидкой среды (например, в направлении стрелок 120). Как более подробно пояснено ниже, в некоторых вариантах осуществления используется средство для нагнетания газа и возбуждения потока жидкости, обеспечивающее направление потока жидкости против часовой стрелки, как показано, или по часовой стрелке, или в дальнейших других вариантах осуществления получение по существу застоя. Как описано более подробно ниже, в показанном варианте осуществления в фотобиореакторе 100 используются механизм ввода исходного газа и механизм возбуждения потока текучей среды, содержащий два распределителя 122 и 124 газа, которые выполнены с возможностью создания большого количества пузырьков 126, поднимающихся вверх и по трубам 102 и 104, посредством чего возбуждается поток жидкости.

В предпочтительных вариантах осуществления фотобиореакторная установка 100 выполнена с возможностью использования в сочетании с источником естественного света, то есть с солнечным светом 128. В таком варианте осуществления по меньшей мере одна из труб 102, 104 и 106 должна быть, по меньшей мере, частично прозрачной для света с длиной волны, допускающей возбуждение фотосинтеза. В показанном варианте осуществления труба 102 представляет собой трубу солнечного коллектора, которая, по меньшей мере, частично прозрачна для солнечного света 128, а трубы 104 и 106 имеют, по меньшей мере, участок, который не прозрачен для солнечного света. В некоторых вариантах осуществления, по существу, целиком трубы 104 и 106 выполнены не прозрачными для солнечного света 128 и тем самым образованы темные трубы.

Для вариантов осуществления, в которых труба 102 является, по меньшей мере, частично прозрачной для солнечного света 128, трубу 102 можно изготовить из большого числа прозрачных или светопрозрачных материалов, которые пригодны для использования при сооружении биореактора. Некоторые примеры включают в себя, но без ограничения ими, целый ряд прозрачных или светопрозрачных полимерных материалов, таких как полиэтилены, полипропилены, полиэтилентерефталаты, полиакрилаты,

- 7 009596 поливинилхлориды, полистиролы, поликарбонаты и т.д. В качестве альтернативы труба 102 может быть изготовлена из стекла или из стекловолокна на основе смолы. Предпочтительно выполнять трубу 102, а также и непрозрачные трубы 104 и 106 достаточно жесткими, чтобы они были устойчивыми и противостояли типичным ожидаемым силам, воздействующим во время работы, без разрушения или значительной деформации. Непрозрачные трубы, например 104 и/или 106, могут быть изготовлены из материалов, аналогичных рассмотренным выше для трубы 102, за исключением того, что, когда желательно, чтобы они были непрозрачными, такие материалы должны быть непросвечивающими или покрыты светонепроницаемым материалом. Как будет пояснено более подробно ниже, важным фактором при проектировании некоторых фотобиореакторов согласно изобретению является обеспечение желательного уровня фотомодуляции (то есть временной картины чередующихся периодов воздействия на фотосинтезирующие организмы света с интенсивностью, достаточной для возбуждения фотосинтеза, и темноты или света с интенсивностью, недостаточной для возбуждения фотосинтеза) внутри фотобиореактора. Путем выполнения, по меньшей мере, участка по меньшей мере одной из труб (например, трубы 104 и/или 106) непрозрачным в контур потока встраивают темновые интервалы, и этим можно способствовать установлению желательного соотношения воздействия света и темноты на водоросли в фотобиореакторе, что ведет к улучшению роста и повышению продуктивности.

Хотя, как показано, трубы 102, 104 и 106 представляют собой прямые, линейные отрезки, в альтернативных вариантах осуществления при желании одна или несколько труб могут быть выполнены криволинейными, змеевидными или по иному непрямолинейными. Хотя в некоторых вариантах осуществления круглые трубы 102, 104 и 106 могут иметь большое число форм поперечного сечения, например квадратную, прямоугольную, овальную, треугольную и т.д., в предпочтительных вариантах осуществления, как показано, каждая из труб представляет собой отрезок трубы, имеющей, по существу, круговую форму поперечного сечения. При желании одна или несколько труб 102, 104 и 106 (и особенно труба 102 солнечного коллектора) может дополнительно иметь целый ряд деталей, разрывающих поток и/или усиливающих перемешивание, для повышения турбулентности и/или перемешивания на границе раздела газа и жидкости в трубе. Как пояснено более подробно ниже, это может привести, например, к усилению кратковременной фотомодуляции прерывистым освещением и/или к повышению диффузионного поглощения газа в жидкой среде в случае вариантов осуществления, в которых газ, подлежащий очистке, нагнетают непосредственно в фотобиореактор (например, как показано на фиг. 1). Для такой интенсификации потока внутри трубы 102 могут иметься, но без ограничения ими, ребра, отражатели или другие направляющие поток элементы, или труба 102 может быть выполнена с винтовой круткой по длине и т. д.

В случае некоторых вариантов осуществления (особенно в случае вариантов осуществления, в которых газ, подлежащий очистке, такой как дымовой газ, топочный газ и т.д., нагнетают непосредственно в фотобиореактор у основания прозрачной для света трубы, например трубы 102) характеристики фотобиореактора в некоторых ситуациях могут быть улучшены путем соблюдения определенных геометрических и конструктивных зависимостей, описанных ниже.

Как показано, распределитель 122 газа скомпонован и расположен внутри коллектора 110 для ввода газа, подлежащего очистке, в самый нижний конец трубы 102 с тем, чтобы создавалось большое количество пузырьков 126 газа, которые поднимаются вверх и через жидкую среду 108, содержащуюся в трубе 102, вдоль участка 130 внутренней поверхности трубы, который непосредственно прилегает к участку 132 наружной поверхности трубы, в большей степени прямо обращенному к солнечному свету 128. В такой конструкции и в сочетании с заданием определенных углов α₁ между трубой 102 и горизонтальной плоскостью распределитель 122 может обеспечивать возможность ввода потока газа в нижний конец трубы 122 таким образом, что пузырьки в большом количестве поднимаются вверх и через жидкую среду, возбуждая поток жидкости в трубе 102, характеризующийся большим количеством рециркуляционных вихрей 134 и/или турбулентных завихрений, находящихся по длине трубы 102. Эти рециркуляционные вихри и/или завихрения могут улучшать перемешивание и/или увеличивать время пребывания в контакте пузырьков и жидкости в трубе 102, а также обеспечивать циркуляцию водорослей из освещенных областей вблизи внутренней поверхности 130 трубы 102 в более темные области, расположенные ближе к внутренней поверхности 136 трубы 102, и тем самым получать эффект относительно высокочастотной фотомодуляции прерывистым освещением, который может быть очень полезным для роста и продуктивности (то есть при превращении СО₂ в биомассу). Этот эффект и изобретательские средства для его регулирования и использования пояснены более подробно ниже в связи с фиг. 6а, 7а и 7Ь. Полагают, что причина, по которой рециркуляционные вихри 134 и/или турбулентные завихрения могут способствовать усилению фотомодуляции, заключается в том, что, по мере того, как водоросли растут внутри фотобиореактора, оптическая плотность жидкой среды повышается, в результате чего снижается эффективная глубина проникновения света в жидкую среду, так что области внутри трубы 102, расположенные на достаточном отдалении от внутренней поверхности 130, на которую падает солнечный свет 128, будут областями трубы, где интенсивность света не является достаточной для возбуждения фотосинтеза.

Другие преимущества показанной конструкции, в которой распределитель 122 газа и прозрачная для света труба 102 расположены так, что пузырьки 126 газа поднимаются вдоль области трубы, на кото

- 8 009596 рую свет непосредственно падает в наибольшей степени, включают в себя улучшенную очистку и тепловое демпфирование. Например, по мере того, как пузырьки 126 поднимаются вверх и вдоль внутренней поверхности 130 трубы 102, они полезны для эффективной промывки или очистки внутренней поверхности, в результате чего уменьшается нарост водорослей на поверхности и/или удаляются все водоросли, приставшие к поверхности. В дополнение к этому, поскольку пузырьки также могут быть полезными при отражении по меньшей мере части света, падающего на трубу 102, пузырьки могут создавать эффект теплового демпфирования жидкой среды в фотобиореакторе. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления для улучшения очистки и/или усиления эффекта теплового демпфирования пузырьков могут быть использованы в большом количестве микросферы с нейтральной плавучестью, по желанию прозрачные или светопрозрачные (например, имеющие диаметр от 0,5 до около 3 мм). Такие плавучие частицы могут переноситься в трубе 102 потоком жидкости, и следствием этого будет дополнительная очистка, и/или эффект теплового демпфирования, и/или дополнительный эффект фотомодуляции прерывистым освещением.

Термин рециркуляционные вихри, использованный в настоящей заявке, обозначает относительно устойчивые картины рециркуляции жидкости (то есть вихри 134), которые совмещаются с направлением (например, 120) объемного потока жидкости. Такие рециркуляционные вихри отличаются от типичных турбулентных завихрений, характеризующихся полностью развитым турбулентным потоком, тем, что рециркуляционные вихри потенциально могут присутствовать даже в случае, когда поток в трубе не является полностью турбулентным. В дополнение к этому турбулентные завихрения обычно являются относительно случайным образом расположенными и хаотически образованными, а конкретное завихрение является недолговечным. Как будет пояснено ниже, выбор геометрий и скоростей потока жидкости и/или газа внутри фотобиореакторов, обеспечивающих образование таких рециркуляционных вихрей и/или турбулентных завихрений, может быть сделан при использовании типовых расчетов динамики текучей среды и имитаций, доступных специалистам в области техники, к которой относится изобретение.

Хотя в некоторых вариантах осуществления с использованием непосредственного нагнетания газа в фотобиореактор может быть использован единственный распределитель газа или рассеиватель (например, распределитель 122), в некоторых показанных предпочтительных вариантах осуществления изобретательский фотобиореактор включает в себя два распределителя 122 и 124 газа, каждый из которых скомпонован и расположен внутри фотобиореактора для инжекции пузырьков газа у основания направленной кверху трубы, такой как труба 102 и труба 104. Как должно быть понятно специалистам в области техники, к которой относится изобретение, каждый поток из потока пузырьков газа, выделяющихся из распределителя 122 и поднимающихся по трубе 102, и потока пузырьков газа, выделяющихся из распределителя 124 и поднимающихся по трубе 104 (соответственно, в направлении стрелок 138 и 140), создает движущую силу, которая стремится вызвать протекание жидкости по контуру потока в направлении, которое противоположно направлению, создаваемому другим. Соответственно, путем регулирования суммарного расхода газа, подлежащего очистке посредством фотобиореактора, и относительного показателя или распределения суммарного расхода газа, который направляется к распределителю 122 и к распределителю 124, можно создавать большое число перепадов давлений внутри фотобиореактора, которые определяются разностями задержек газа в трубе 102 и трубе 104, с тем, чтобы направлять объемный поток жидкой среды против часовой стрелки, как показано, по часовой стрелке, или при соответствующем балансе между относительными скоростями нагнетания газа вообще не создавать объемный поток жидкости по контуру потока.

Короче говоря, динамика текучей среды определяется отношением расходов газов, нагнетаемых в распределители 122 и 124. Например, если весь поток газа, нагнетаемого в фотобиореактор, нагнетать в один из распределителей, будет создаваться максимальный суммарный расход жидкости по контуру потока. С другой стороны, имеется определенное отношение распределений, результатом которых, как упоминалось выше, является застойная жидкая фаза. Поэтому относительным объемным потоком жидкости, временем пребывания газа-жидкости в каждой из труб 102 и 104, а также образованием картин конкретных потоков жидкости внутри фотобиореактора (например, рециркуляционных вихрей) можно управлять с обеспечением воспроизводимости путем регулирования в совокупности суммарного расхода газа и относительного показателя суммарного расхода газа, нагнетаемого в каждый из распределителей 122 и 124.

Такая конструкция может обеспечить намного большие пределы гибкости при регулировании суммарных расходов жидкости и картин потоков жидкости для заданного суммарного расхода газа и может обеспечить возможность изменений массовых расходов жидкости и картин потоков внутри фотобиореактора, осуществляемых без обязательной необходимости изменения суммарного расхода газа, вводимого в фотобиореактор.

Соответственно, как рассмотрено более подробно ниже на фиг. 6а, регулирование скоростей нагнетания газов в распределители такого фотобиореактора с двумя распределителями, как показано, может облегчить регулирование и управление динамикой текучей среды внутри фотобиореактора на двух уровнях без необходимости в дополнительном средстве для рециркуляции жидкости, таком как насосы и т.д., в результате чего обеспечивается возможность регулирования и оптимизации фотомодуляции (то есть

- 9 009596 поддержание максимального непрерывного быстрого размножения и роста водорослей с помощью управляемого чередования освещения и темноты). Эти два уровня управления гидродинамикой, обеспечивающие возможность регулирования фотомодуляции, включают в себя: (1) регулирование суммарного расхода жидкости по контуру потока, посредством чего управляют относительной продолжительностью и частотой, с которой водоросли подвергаются воздействию света в трубе 102 и темноты в трубах 104 и 106; и (2) образование и регулирование вращательных вихрей и/или турбулентных завихрений в трубе 102 солнечного коллектора, в которой водоросли подвергаются воздействию более высокочастотных изменений освещение-темнота, создаваемых, например, эффектом прерывистого освещения. Расход жидкости внутри такого фотобиореактора можно регулировать, чтобы получать широкий диапазон времени удерживания водорослей в трубе 102 (например, в пределах от секунд до минут).

Дополнительное преимущество показанного варианта осуществления нагнетания газа двумя распределителями заключается в том, что в одной из труб, в которые нагнетают газ, направление потока газа относительно объемного потока жидкости будет противоположным направлению в другой трубе, в которую нагнетают газ. Другими словами, как показано на фиг. 1, направление 140 потока газа в трубе 104 совпадает с направлением 120 потока жидкости, тогда как направление 138 потока газа в трубе 102 противоположно направлению 120 объемного потока жидкости. Важно то, что при наличии по меньшей мере одной трубы, в которой направление потока газа противоположно направлению потока жидкости, может оказаться возможным значительное повышение эффективной скорости массообмена между загрязняющими компонентами нагнетаемого газа (например, СО₂, ΝΟ_Χ) и жидкой средой.

Это может быть особенно важным применительно к удалению ΝΟ_Χ в фотобиореакторе. Можно показать, что в случае барботажной колонны и аэролифтных фотобиореакторов, используемых для удаления ΝΟ_Χ, аэролифтный реактор противоточного типа может иметь способность к удалению ΝΟ_Χ, не менее чем в 3 раза превышающую способность реактора, в котором газ и поток жидкости являются попутными (№щаке Нпоуаки, Каоги ЕдисЫ, Кеп-1сЫ УокЫйата, Кахитака Нйа1а апб КахиЫка ΜίναιηοΙο. 1тргоустсп1 о£ ткгоа1да1 ΝΟ_Χ гетоуа1 ίη ЬиЬЫе со1итп апб аиПй геас!огк. 1оигпа1 о£ РегтеШаНоп апб Вюепдтееппд, νοί. 86, № 4, 421-423. 1998; в дальнейшем Шгоуаки е1 а1., 1998). Поскольку этот эффект предполагается более значительным применительно к удалению ΝΟ_Χ, когда, как указывалось в первоисточниках, скорость поглощения и удаления ограничена диффузией, и поскольку водоросли могут перерабатывать ΝΟΧ как в условиях освещения, так и темноты (то есть как во время фотосинтеза, так и дыхания), то может оказаться возможным получение подобного преимущества при удалении ΝΟΧ в фотобиореакторе даже в ситуации, когда направление потока 120 жидкости противоположно направлению, показанному на фиг. 1, то есть такое, что газ и поток жидкости в трубе 102 являются попутными, а газ и поток жидкости в трубе 104 находятся в противотоке. Химическая формула ΝΟ_Χ, используемая в настоящей заявке, на протяжении всего представленного описания относится к любому газообразному соединению, содержащему по меньшей мере один оксид азота, выбранный из группы, состоящей из ΝΟ и ΝΟ2.

Термин распределитель газа или распределитель, используемый в настоящей заявке, относится к любому подходящему устройству или механизму, выполненному с возможностью ввода в жидкость большого количества мелких пузырьков. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления распределители содержат рассеиватели газа, выполненные с возможностью подачи мелких пузырьков газа со средним диаметром пузырька около 0,3 мм или меньше с тем, чтобы создавалась максимальная площадь контакта на границе раздела газа и жидкости. Специалистам в области техники, к которой относится изобретение, известен целый ряд подходящих распределителей газа и рассеивателей, имеющихся в продаже.

В варианте осуществления, показанном на фиг. 1, газ, подлежащий очистке, который нагнетают в фотобиореактор 100 через рассеиватели 122 и 124, делает единственный проход через фотобиореактор и выпускается через газовыпускное отверстие 141. В некоторых вариантах осуществления для предотвращения выноса водорослей из фотобиореактора через газовыпускное отверстие 141 может быть предусмотрен фильтр 142, например гидрофобный фильтр, имеющий среднее значение диаметра пор меньше среднего диаметра водорослей. Как должно быть понятно специалистам в области техники, к которой относится изобретение, в этом или в альтернативных вариантах осуществления могут быть использованы другие хорошо известные средства для уменьшения пенообразования внутри газовыпускного патрубка 144 и потерь водорослей через газовыпускное отверстие. Как должно быть понятно специалистам в области техники, к которой относится изобретение, и как пояснено более подробно ниже, конкретные длины, диаметры, ориентация и т. д. различных труб и компонентов фотобиореактора, а также и конкретные скорости нагнетания газа, скорости рециркуляции жидкости и т. д. зависят от конкретной области применения, в которой используют фотобиореактор, и состава и количества газа, подлежащего очистке. Руководствуясь указаниями, приведенными в настоящей заявке, и сведениями и информацией, доступными специалистам в области химической технологии, биохимической технологии и проектирования биореакторов, можно без труда выбрать размеры, рабочие условия и т.д., соответствующие конкретному применению, используя не более чем общепринятые инженерные средства и методы и экспериментирование на уровне, не влекущем за собой чрезмерной нагрузки.

Кроме того, как рассмотрено ниже при описании фиг. 2 и должно быть понятно специалистам в об

- 10 009596 ласти техники, к которой относится изобретение, в некоторых вариантах осуществления фотобиореактор 100 может представлять собой один из большого количества идентичных или подобных фотобиореакторов, взаимосвязанных параллельно, последовательно или в виде сочетания параллельных и последовательных конфигураций для, например, повышения производительности системы (например, в случае параллельной конфигурации из большого количества фотобиореакторов) и/или повышения интенсивности удаления конкретных компонентов из потока газа (например, в случае конфигураций, имеющих газовыпускные отверстия фотобиореактора, соединенные последовательно с газовпускным отверстием этого и/или последующего фотобиореактора). Все такие конфигурации и компоновки изобретательской фотобиореакторной установки, предусмотренные в настоящей заявке, находятся в рамках объема настоящего изобретения.

Хотя фотобиореактор 100 был описан как используемый при естественном солнечном свете 128, в альтернативных вариантах осуществления, вместо или в дополнение к естественному солнечному свету, может быть использован источник искусственного света, создающий освещение на длине волны, допускающей возбуждение фотосинтеза. Например, фотобиореактор с использованием как солнечного света, так и источника искусственного света может быть приспособлен для использования солнечного света в течение часов дневного света и искусственного света в ночные часы с тем, чтобы увеличить суммарное количество времени в течение суток, когда фотобиореактор может превращать СО₂ в биомассу путем фотосинтеза.

Поскольку для водорослей различных видов могут требоваться различные условия освещения для оптимального роста и быстрого размножения, то в некоторых вариантах осуществления, особенно в тех, в которых используются чувствительные водорослевые виды, в конструкциях фотобиореакторов согласно изобретению могут быть использованы установки или устройства для модификации света. Водоросли некоторых видов при облучении ультрафиолетовым светом растут намного более медленно или погибают. Если водоросли конкретных видов, используемые в фотобиореакторе, чувствительны к ультрафиолетовому свету, то, например, некоторые участки наружной поверхности 132 трубы 102 или в качестве альтернативы вся наружная и/или внутренняя поверхность трубы могут быть покрыты одним или несколькими оптическими фильтрами, которые могут уменьшать прохождение нежелательного излучения. Такой оптический фильтр можно легко рассчитать, чтобы обеспечить возможность прохождения в фотобиореактор света с длинами волн оптического спектра, которые необходимы для роста водорослей, при задержании или уменьшении прохождения света из вредных участков оптического спектра. Технология таких оптических фильтров уже коммерчески доступна для других целей (например, для нанесения покрытий на окна автомобилей или домов). Подходящий для этой цели оптический фильтр может представлять собой оптический фильтр в виде прозрачной полимерной пленки, такой как 8ОЬи8™ (изготавливаемый Согрога1е Епсгду. Коншохокен, Пенсильвания). Большое число других оптических фильтров и способов задержки/фильтрации света, пригодных для использования в описанных выше случаях, должны без труда обнаружить специалисты в области техники, к которой относится изобретение. В некоторых вариантах осуществления, особенно в случаях, когда фотобиореакторы используются в условиях жаркого климата, в качестве части устройства регулирования температуры (стратегии и устройства для регулирования температуры описаны более подробно ниже применительно к фиг. 6а) может быть использован оптический фильтр, представляющий собой инфракрасный фильтр, для уменьшения подвода теплоты в фотобиореакторную систему и посредством этого уменьшения нарастания температуры в жидкой среде.

Как рассмотрено выше, конкретная геометрическая конфигурация, размер, расходы жидкости и газа и т.д., обеспечивающие желательные или оптимальные характеристики фотобиореактора, зависят от конкретной области применения, в которой используют фотобиореактор, и конкретных окружающих и рабочих условий, в которых он находится. Хотя специалисты в области техники, к которой относится изобретение, используя идеи, изложенные в настоящем описании, имея обычный уровень знаний и квалификации в данной области техники и легкодоступную информацию и используя не более чем уровень обычного экспериментирования, для которого не требуется чрезмерного труда, могут легко выбрать соответствующие конфигурации, размеры, расходы, материалы и т.д. для конкретного применения, некоторые примерные и/или предпочтительные параметры приведены ниже, и в особенности с иллюстративной, не создающей ограничения целью приведены примеры в конце изложенного описания применения.

В некоторых вариантах осуществления для облегчения образования рециркуляционных вихрей и/или желательных картин потоков жидкости, траекторий пузырьков и т. д. фотобиореактор, такой как фотобиореактор 100, показанный на фиг. 1, может быть выполнен так, чтобы углы α₁ и α₂ отличались друг от друга. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере одна из труб образовывала угол относительно горизонтали больше 10° и меньше 90°, более предпочтительно больше 15° и меньше 75°, а в некоторых вариантах осуществления около 45°. Предпочтительно, чтобы угол, который попадает в пределы указанных выше диапазонов и значений, представлял собой угол между горизонталью и трубой, которая прозрачна для света и в которой происходит фотосинтез (например, угол α₁ между горизонталью и трубой 102). В показанном варианте осуществления труба 106 имеет продольную ось, которая является, по существу, горизонтальной. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления α₂ больше α₁, а в

- 11 009596 показанном варианте осуществления составляет около 90° относительно горизонтали.

В некоторых предпочтительных вариантах осуществления, поскольку наружная поверхность 132 трубы 102 ведет себя как простейший солнечный коллектор фотобиореактора, фотобиореактор располагают относительно направления падающего солнечного излучения 128 так, чтобы наружная, обращенная к солнцу поверхность 132 трубы 102 образовывала угол относительно плоскости, нормальной к направлению падающего солнечного света, который меньше углов, образованных между обращенными к солнцу поверхностями 146, 148 труб 104 и 106, соответственно, и плоскостью, нормальной к направлению падающего солнечного света. При такой конфигурации поверхность 132, улавливающая солнечное излучение, расположена так, что солнечные лучи падают большей частью непосредственно на нее, в результате чего повышаются поглощение солнечных лучей и эффективность.

Длину труб 102 и 104, снабженных распределителями газа, выбирают достаточной для получения желаемой скорости циркуляции жидкой среды, чтобы обеспечить достаточное время контакта газа и жидкости для достижения желаемого уровня массообмена между газом и жидкой средой. Оптимальное время контакта зависит от целого ряда факторов, особенно от скорости роста водорослей и от скорости поглощения углерода и азота, а также от композиции и расхода исходного газа и от скорости потока жидкой среды. Отрезок трубы 106 должен быть достаточно длинным, когда трубу 106 выполняют непрозрачной, чтобы обеспечить желаемый показатель темноты, время покоя для водорослей, но должен быть достаточно коротким, чтобы при расчетных скоростях потоков жидкостей через трубу во время нормальной работы исключались седиментация и оседание водорослей на нижней поверхности трубы. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления по меньшей мере одна из труб 102, 104 и 106 имеет длину от около 0,5 до около 8 м, а в некоторых вариантах осуществления от около 1,5 до 3 м.

Подобным образом внутренний диаметр, или минимальный размер в поперечном сечении, труб 102, 104 и 106 зависит от большого числа желаемых рабочих условий и параметров и должен выбираться на основе потребностей в конкретной области применения. В общем случае соответствующий внутренний диаметр трубы 104 может зависеть, например, от расхода нагнетаемого газа через распределитель 124, размера пузырьков, размеров рассеивателя газа и т.д. Если внутренний диаметр трубы 104 слишком мал, пузырьки из распределителя 124 могут сливаться в более крупные пузырьки, приводя к увеличению уровня переноса массы СО₂, ΝΟ_Χ и т.д. из газа в жидкую фазу, следствием чего является пониженная эффективность удаления загрязняющих веществ.

Внутренний диаметр трубы 106 может зависеть от скорости потока жидкой среды и характеристик оседания водорослей внутри фотобиореактора, а также от желаемых интервалов воздействия света и темноты. Обычно этот диаметр должен выбираться так, чтобы он не был слишком большим, приводящим к чрезмерно большому времени пребывания жидкости и водорослей в трубе 106, вследствие которого будет иметься время для оседания и накопления водорослей на дне трубы 106, и/или к слишком большому времени пребывания в течение данного цикла контурного потока без воздействия света, что приводит к снижению эффективности фотобиореактора по солнечному излучению.

Отрезок трубы 102 является фиксированным, а именно, с помощью геометрии, определяемой выбором длин для труб 104 и 106. Однако выбор соответствующей длины трубы 102 влечет за собой использование соображений, аналогичных тем, какие были рассмотрены ранее применительно к трубе 104. Что касается диаметра трубы 102, то может оказаться желательным сделать этот внутренний диаметр несколько большим по сравнению с внутренними диаметрами труб 104 и 106 (например, от около 125 до около 400% их диаметров) для содействия получению достаточного времени воздействия света и для содействия образованию рециркуляционных вихрей 134. В общем случае диаметр трубы 102 может зависеть от интенсивности солнечного излучения 128, концентрации водорослей и оптической плотности жидкой среды, расхода газа и желаемых характеристик перемешивания и характеристик картин потоков жидкой среды в трубе во время работы. В некоторых вариантах осуществления диаметр поперечного сечения по меньшей мере одной из труб 102, 104 и 106 составляет от около 1 до около 50 см. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления по меньшей мере один из этих диаметров составляет от около 2,5 до около 15 см.

В качестве конкретного примера один фотобиореактор, изготовленный и эксплуатировавшийся заявителем, представлял собой треугольный трубный биореактор, как показанный на фиг. 1, в котором взаимосвязанные по текучей среде трубы имели круговую форму поперечного сечения. Указанный в качестве примера биореактор имел угол α₁ около 45° и угол α₂ около 90°, а труба 106 была ориентирована горизонтально. Вертикальное плечо (104) было длиной 2,2 м и диаметром 5 см. Горизонтальное плечо (106) было длиной 1,5 м и диаметром 5 см, а труба-гипотенуза (102) была длиной 2,6 м и диаметром 10 см. Этот фотобиореактор был использован для удаления СО₂ и ΝΟ_Χ из исходной смеси газов, содержавшей 7-15% СО₂, 150-350 ч./млн ΝΟ_Χ, 2-10% О₂, остальное Ν₂, подававшейся в биореактор при суммарном расходе газа около 715 мл/мин. Суммарный объем жидкой среды в биореакторе был около 10 л, а средний размер пузырьков из распределителей был около 0,3 мм. Концентрация водорослей (ЭцпаШеИа) поддерживалась на уровне 1 г (масса в сухом состоянии)/л жидкой среды. При указанных выше условиях может быть достигнуто удаление 90% СО₂, удаление 98 и 71% NΟ_Χ (соответственно, при освещении и в темноте) при коэффициенте полезного действия по солнечному излучению около 19,6%.

- 12 009596

Как пояснено более подробно ниже применительно к изобретательской системе управления, предназначенной для обеспечения работы фотобиореактора, показанного на фиг. 6а, сбор водорослей, регулирование концентрации водорослей и ввод дополнительной жидкой среды можно облегчить с помощью впускной/выпускной линий 150, 152 жидкой среды. Регулирование концентрации водорослей важно как с точки зрения поддержания желательной степени роста водорослей, так и быстрого размножения, а также для обеспечения желательных уровней фотомодуляции в трубе 102. Как пояснено ниже, водоросли собирают периодически или непрерывно для поддержания желательного диапазона концентрации во время работы. Согласно предпочтительному способу сбор происходит полунепрерывно, и это означает, что в заданный момент времени из фотобиореактора удаляют только часть водорослей. Для сбора водорослей барботаж приостанавливают и дают возможность водорослям осесть внутри коллекторов 110 и 112 и трубы 106. Затем обогащенную водорослями жидкую среду извлекают через одну или обе линии 150 и 152. В некоторых вариантах осуществления свежая, свободная от водорослей жидкая среда может нагнетаться в одну из линий 150 и 152 при открытой другой линии, в результате чего обогащенная водорослями среда вытекает из фотобиореактора, в то время как одновременно фотобиореактор пополняется свежей средой. В любом случае до начала распределения газа в фотобиореактор добавляют свободную от водорослей свежую жидкую среду в объеме, равном объему извлеченной, обогащенной водорослями среды. Как пояснено ниже на фиг. 9, вода и питательные вещества, содержащиеся в собранных водорослях, могут быть извлечены и возвращены в жидкую среду, подаваемую в фотобиореактор. Этим можно минимизировать отходы и потребление воды фотобиореактором, в результате чего снижаются воздействие на окружающую среду и эксплуатационные затраты.

Водоросли некоторых видов легче воды и поэтому стремятся всплыть. Для вариантов осуществления, в которых фотобиореактор эксплуатируют с такими видами, процесс сбора водорослей, описанный выше, может быть видоизменен так, что после прекращения распределения газа предусматривают время, достаточное для всплытия водорослей в верхнюю часть фотобиореактора и в коллектор 114. В таком варианте осуществления в коллекторе 114 может быть предусмотрена впускная/выпускная линия (не показанная) для облегчения при сборе удаления обогащенной водорослями жидкой среды.

В некоторых вариантах осуществления фотобиореакторной установки согласно изобретению обрастание внутренней поверхности прозрачной трубы (труб), обусловленное прилипанием водорослей, может быть уменьшено или исключено, а очистка и восстановление внутренних поверхностей фотобиореактора могут быть облегчены путем покрытия, по меньшей мере, участка внутренних поверхностей слоем биологически совместимого вещества, которое является твердым при температурах нормальной работы (например, при температурах до около 45°С) и которое имеет температуру плавления, которая ниже температуры плавления поверхности, на которую оно нанесено. Предпочтительно, чтобы такие вещества также были прозрачными или светопрозрачными с тем, чтобы они чрезмерно не снижали прозрачность поверхности, на которую они нанесены. Примеры подходящих веществ могут включать в себя целый ряд восков и агаров. В одном варианте таких осуществлений может быть выполнена процедура ручной или автоматической стерилизации/очистки фотобиореактора после эксплуатации и перед последующей эксплуатацией. Такая процедура может включать в себя расплавление и удаление описанного выше покровного слоя, в результате чего извлекается весь остаток водорослей, прилипших к нему. Перед эксплуатацией может быть нанесен новый покровный слой. Таким путем можно сохранять чистыми и светопрозрачными пропускающие свет участки фотобиореактора в течение продолжительного периода эксплуатации и повторной эксплуатации.

Теперь обратимся к фиг. 2. На фиг. 2 показан вариант осуществления, содержащий большое количество фотобиореакторов 100 (показано десять), подключенных параллельно для образования решетки 200 фотобиореакторов, обеспечивающей в N раз большую производительность при мокрой очистке газов по сравнению с фотобиореактором 100 (где N=числу фотобиореакторов, включенных параллельно). На примере параллельной решетки 200 видно явное преимущество трубной фотобиореакторной установки согласно изобретению, а именно то, что производительность фотобиореакторной системы возрастает линейно с числом используемых фотобиореакторных блоков. С фотобиореакторной решеткой 200, содержащей десять фотобиореакторных блоков 100, могут совместно использоваться распределители 202, 204 газа и общие коллекторы/сборники 206 и 208 жидкой среды, и она, например, может иметь площадь у основания до около 1,5 м² или меньше. Как видно на фигуре, для ясности чертежа отдельные фотобиореакторные блоки 100 отнесены друг от друга на большее расстояние, чем обычно в реальной системе. Аналогично для ясности внутри фотобиореакторов пузырьки показаны в небольшом количестве, а сборники 206 и 208 показаны прозрачными, хотя в типовой системе нет необходимости в этом, и обычно они не такие. Сборники 206 и 208 должны быть рассчитаны на минимизацию или исключение областей застоя жидкости, который может привести к оседанию и гибели водорослей. В некоторых предпочтительных системах отдельные фотобиореакторные блоки 100 обычно находятся на коллекторах 206 и 208 с разнесением друг от друга, по существу, на минимальное расстояние для уменьшения до минимума открытого объема внутри коллекторов между фотобиореакторами. В качестве альтернативы в некоторых вариантах осуществления сборники 206 и 208 могут представлять собой не простой трубообразный коллектор, как показано, а могут представлять собой сплошную конструкцию, снабженную большим коли

- 13 009596 чеством полостей, расположенных в местах, где различные трубы фотобиореакторов присоединены к коллекторам, при этом полости облегчают сообщение по текучей среде между трубами отдельных фотобиореакторных блоков, предотвращая сообщение по жидкой текучей среде между соседними фотобиореакторами.

На фиг. 3 и 3а показан альтернативный вариант осуществления фотобиореактора 300, который может иметь геометрические и рабочие характеристики, аналогичные уже описанным для трубного фотобиореактора 100, наряду с повышенной производительностью при мокрой очистке газов решетки 200 параллельных фотобиореакторов, и в то же самое время изготовлен как единая, выполненная за одно целое, конструкция. Фотобиореакторная установка 300 содержит удлиненную наружную оболочку 302, которая при размещении на уровне грунта имеет, по существу, горизонтальную продольную ось 304 и содержит поверхность 132 солнечного коллектора, которая, по меньшей мере, частично прозрачна для света с длиной волны, допускающей возбуждение фотосинтеза. Фотобиореактор 300 также включает в себя удлиненную внутреннюю камеру 306 внутри удлиненной наружной оболочки 302, имеющую продольную ось, которая, по существу, совмещена с продольной осью 304 (показана коллинеарной).

Удлиненная наружная оболочка 302 и удлиненная внутренняя камера 306 совместно образуют кольцевой контейнер 308, который герметизирован на концах торцевыми стенками 310 и 312. Кольцевой контейнер 308 образует контур потока, дающий возможность жидкой среде 108, содержащейся внутри фотобиореактора, протекать (например, в направлении стрелок 120) так, что она протекает последовательно из области исходной точки (например, из области 312) в контуре потока по периферии удлиненной внутренней камеры 306 и обратно в область исходной точки. Кольцевые пространства 314, 316 и 318 образуют три взаимосвязанные по текучей среде трубы, сходные с трубами 102, 104 и 106 фотобиореакторного блока 100 из фиг. 1. Предпочтительно, чтобы углы 320, 322 и 324 были до некоторой степени сглажены для предотвращения повреждения клеток водорослей во время циркуляции по контуру потока.

Термин по существу, совмещена с, использованный выше применительно к продольной оси внутренней камеры, по существу, совмещенной с продольной осью наружной оболочки, означает, что две продольные оси являются в достаточной степени параллельными и немного разнесены, так что внутренняя камера и наружная оболочка не соприкасаются или не пересекаются вдоль любой из их поверхностей по длине фотобиореактора. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления форма поперечного сечения внутренней камеры 306 подобна или, по существу, такая же, как у наружной оболочки 308, за исключением того, что ее размер пропорционально меньше. Относительные размеры внутренней и наружной камер, относительное разнесение и выравнивание относительно друг друга, а также форма и ориентация наружной оболочки и внутренней камеры, все эти показатели, которыми могут определяться размер и разнесение взаимосвязанных по текучей среде труб 314, 316, 318, образованных в конструкции, могут быть выбраны и рассчитаны с учетом аналогичных показателей, рассмотренных ранее применительно к фотобиореактору 100. Подобным образом материалы конструкции и относительная прозрачность или непрозрачность различных областей и сегментов фотобиореактора 300 также могут быть выбраны с учетом описанного выше раскрытия для фотобиореакторной установки 100. Например, хотя на фиг. 3 все поверхности фотобиореактора 300, за исключением торцевых поверхностей 310, для ясности чертежа показаны прозрачными, в некоторых вариантах осуществления внутренние и/или наружные поверхности, обозначающие подающие трубы 316 и/или 318, могут быть выполнены непрозрачными. В некоторых вариантах осуществления только солнечный коллектор 132 выполнен частично прозрачным для падающего света.

Циркуляция жидкой среды по контуру потока биореактора 300 может быть облегчена посредством по меньшей мере одного распределителя газа, выполненного с возможностью ввода потока газа в контур потока кольцевого контейнера. В показанном варианте осуществления газ вводится в обе трубы 314 и 316 посредством удлиненных трубчатых распределителей 321 и 323 газа, которые вытянуты по длине биореактора 300. Очищенный газ выходит из фотобиореактора 300 по газовыпускному патрубку 141.

Длина фотобиореактора 300 может быть выбрана из условия обеспечения желаемой суммарной производительности при очистке газа и обычно ограничена только топографией/геометрией места, на котором должны быть размещены блоки 300, и/или ограничениями, связанными с изготовлением и транспортировкой блоков.

На фиг. 4а-д показан целый ряд альтернативных форм и конфигураций для альтернативных вариантов осуществления фотобиореактора 100 и/или фотобиореактора 300. На фиг. 4а показана трапециевидная конфигурация, которая в примере осуществления изобретения может иметь две трубы 402 и 404 солнечного коллектора и две темновые трубы 406 и 408.

На фиг. 4Ь показана треугольная конфигурация, альтернативная конфигурации равностороннего треугольника фотобиореакторов 100 и 300, показанных ранее. В примере варианта осуществления трубы 410 и 412 могут быть выполнены как трубы солнечных панелей, при этом труба 414 образует темновое плечо.

На остальных фигурах (фиг. 4с-4д) представлены дальнейшие дополнительные альтернативные конфигурации, исследованные заявителем. Конфигурация, показанная на фиг. 4е, которую имела сегментированная негоризонтальная нижняя труба без распределителя, может быть потенциально полезной в

- 14 009596 случае размещений на местности с нерегулярным или холмистым рельефом. На фиг. 4д показан вариант осуществления конфигурации, в которой по меньшей мере одна труба представляет собой криволинейную или дугообразную трубку и/или поверхность.

На фиг. 5а-5£ показаны поперечные сечения нескольких альтернативных конфигураций фотобиореактора 300, показанного ранее. В каждой из показанных на фиг. 5а-5£ конфигураций форма поперечного сечения внутренней камеры отличается от формы поперечного сечения наружной оболочки, в результате чего образуются контуры потоков, имеющие формы труб и размеры, потенциально полезные для того, чтобы получать желательные рециркуляционные потоки и соответствующие характеристики фотомодуляции.

В соответствии с другими объектами согласно изобретению разработаны системы и способы для очистки газа в фотобиореакторе, включая способы для контроля и регулирования скоростей потоков жидкости и картин потоков внутри фотобиореактора с целью обеспечения желаемого или оптимального воздействия на фотосинтезирующие организмы в последовательные и чередующиеся периоды света и темноты для получения во время эксплуатации желаемого или оптимального уровня фотомодуляции. Известно, что чрезмерное время воздействия света на водоросли может привести к явлению гибели и ограничения роста, известному как фотоингибирование, и что рост и продуктивность водорослей улучшаются, когда на клетки водорослей во время их роста периодически воздействуют светом или темнотой (то есть осуществляют фотомодуляцию) (Вш1ем, 1961; №и X. апб Мегсйцк ГС. А тобе1 1п(ецга(1пц Пшб бупаткк ίη рйо1окуп1йеДк апб ρΗοΙοίηΗίόίΙίοη ргосеккек, Сйеш. Епд. 8с1. 56: 3527-3538, 2001 (в дальнейшем №и апб Мегсйцк, 2001, источник включен в настоящую заявку посредством ссылки); Мегсйцк 1.С., е! а1. ЫДи-багк сус1ек ш 1йе дгом!й о£ 1йе геб ткгоа1да Рогрйупбшт 8р.. Вю1ес1то1оду апб Вюепдшееппд, 59: 705-713, 1998; Магга 1. Р11у1ор1апк1оп рйокуЩйебс гекропке !о уегйса1 тоуетеп! т а т1хеб 1ауег. Маг. Вю1. 46: 203, 1978). Как показано на фиг. 6а, некоторые объекты настоящего изобретения относятся к газоочистным системам, содержащим один или несколько фотобиореакторов и дополнительно содержащим систему управления для регулирования и/или контроля различных условий окружающей среды и эксплуатационных условий и/или рабочих параметров фотобиореактора, а также для реализации способов создания и регулирования фотомодуляции.

Что касается фиг. 6а, то на ней показана газоочистная система 600, которая включает в себя фотобиореактор 100, большое количество устройств контроля и управления, описанных более подробно ниже, и систему управления, представляющую собой реализованную на базе компьютера систему 602, выполненную с возможностью управления различными рабочими параметрами, а также для регулирования потока внутри фотобиореактора с целью обеспечения желаемых или оптимальных значений интервалов воздействия света/темноты и частоты, чтобы получать желаемые или оптимальные уровни фотомодуляции.

В некоторых вариантах осуществления, как рассмотрено более подробно ниже с учетом фиг. 7а и 7Ь, реализованная на базе компьютера система 602 выполнена с возможностью регулирования фотомодуляции путем осуществления имитации картин потоков жидкости внутри фотобиореактора; и на основании имитации вычисления интервалов воздействия на фотосинтезирующие организмы света с интенсивностью, достаточной для возбуждения фотосинтеза, и темноты или света с интенсивностью, недостаточной для возбуждения фотосинтеза; и регулирования потока жидкой среды внутри фотобиореактора с тем, чтобы получать желаемые или оптимальные интервалы воздействия, обеспечивающие желаемый или оптимальный уровень фотомодуляции. Кроме того, как пояснено более подробно ниже, в некоторых вариантах осуществления желаемые или оптимальные интервалы воздействия света/темноты также получают с помощью реализованной на базе компьютера системы при использовании описанной более подробно ниже математической модели скорости роста водорослей в зависимости от интервалов воздействия света/темноты.

Использованный в приведенном выше контексте термин интервал воздействия на фотосинтезирующие организмы света или темноты относится как к продолжительности, так и к частоте воздействия таких условий на протяжении заданного периода времени, представляющего интерес (например, периода времени, необходимого для протекания жидкой среды по всему контуру потока в трубном фотобиореакторе с контуром потока). В частности, как рассмотрено более подробно ниже, в некоторых предпочтительных вариантах осуществления в реализованной на базе компьютера системе 602 при вычислении интервалов воздействия определяются средняя продолжительность воздействия на водоросли света с интенсивностью как выше, так и ниже порога, необходимого для возбуждения фотосинтеза, а также частота периодов воздействия на водоросли света и темноты, когда водоросли в жидкой среде переносятся по контуру потока в фотобиореакторе.

Должно быть понятно, что, хотя этот объект настоящего изобретения с иллюстративными целями поясняется при использовании фотобиореактора 100, в других вариантах осуществления способ регулирования фотомодуляции и системы управления, описанные в настоящей заявке, могут быть использованы для других фотобиореакторов, описанных здесь, или для других известных фотобиореакторов. В некоторых вариантах осуществления фотобиореакторы конструкции, подобной конструкции фотобиореактора 100, являются предпочтительными, поскольку имеется описанная выше возможность создания потока жидкости в трубе солнечного коллектора фотобиореактора, например в трубе 102, характеризующе

- 15 009596 гося рециркуляционными вихрями 134 и/или турбулентными завихрениями, которые могут быть эффективными при относительно высокочастотном циклическом воздействии на водоросли в трубе 102 между зонами в трубе, в которых интенсивность света является достаточной для возбуждения фотосинтеза (например, вблизи поверхности 132), и другими зонами трубы на расстоянии от поверхности, в которых интенсивность света не является достаточной для возбуждения фотосинтеза. Например, в зависимости от относительных скоростей потока жидкой среды и потока пузырьков газа в трубе 102 частота фотомодуляции (то есть интервальный переход от света к темноте) может быть от более чем 100 циклов/с до менее чем 1 цикла/с. Установлено, что такой эффект высокочастотного прерывистого освещения во время фотосинтезирующей активности очень благоприятен для роста и продуктивности водорослей многих видов (см. Виг1еет, 1961). Кроме того, в некоторых вариантах осуществления трубы 104 и 106 могут быть выполнены либо полностью, либо частично непрозрачными для обеспечения дополнительного, более продолжительного воздействия темноты на водоросли, периода покоя, что также может быть полезным для продуктивности.

До описания изобретательского способа регулирования фотомодуляции и системы управления фотобиореакторной системой 600 будут рассмотрены различные датчики и управляющие устройства, которыми может быть снабжена фотобиореакторная система. Регулирование определенных физико-химических условий внутри фотобиореактора может быть достигнуто при использовании обычного аппаратного обеспечения, или снабженного программным обеспечением компьютера, и/или электронных систем управления вместе с целым рядом электронных датчиков.

Например, может быть важным регулирование во время работы температуры жидкой среды внутри фотобиореактора 100 для поддержания температуры жидкой среды в пределах диапазона, подходящего или оптимального для продуктивности. Конечно, эти конкретные желательные для работы диапазоны температуры зависят от характеристик водорослевых видов, используемых в фотобиореакторных системах. Обычно желательно поддерживать температуру жидкой среды от около 5 до около 45°С, более предпочтительно от около 15 до около 37°С и наиболее предпочтительно от около 15 до около 25°С. Например, при использовании водорослей СЫоге11а желательный температурный рабочий режим для фотобиореактора может иметь температуру жидкой среды, регулируемую в течение дневного времени около 30°С и в течение ночного времени около 20°С.

В некоторых вариантах осуществления температура жидкой среды в газоочистной системе 600 может регулироваться одним или несколькими способами. Например, температуру жидкой среды можно регулировать путем регулирования на впуске температуры газа, подлежащего очистке, подаваемого в распределители 122 и 124, и/или посредством дополнительных систем охлаждения, предназначенных для непосредственного охлаждения фотобиореактора 100. Температуру жидкой среды можно контролировать в фотобиореакторе 100 в одном или нескольких местах, например, с помощью датчиков 604 и 606 температуры. Температуру исходного газа, подаваемого из источника 608 газа в распределитель 122 и распределитель 124, можно контролировать посредством датчиков 610 и 612 температуры, соответственно. В некоторых вариантах осуществления исходный газ из источника 608 газа до нагнетания в фотобиореактор 100 проходит через теплообменник, например через сушилку 912 водорослей, показанную на фиг. 9. В зависимости от температуры жидкой среды, определяемой с помощью датчиков 604 и 606 температуры, реализованная на базе компьютера система 602 управления в некоторых вариантах осуществления может управлять такой теплообменной системой с тем, чтобы повышать или понижать температуру газа, подаваемого в распределители 122 и 124, с целью повышения или понижения температуры жидкой среды.

Как упоминалось выше и как пояснено более подробно ниже, требования к охлаждению и/или к подогреву фотобиореакторной системы могут быть снижены при использовании штамма водорослей, который имеет оптимальную продуктивность при температурах, близких к фактическим температурам, которым будут подвергаться водоросли на рабочей площадке. В дополнение к регулированию температуры жидкой среды путем изменения температуры исходного газа с помощью теплообменного устройства, как описано выше, в других вариантах осуществления, особенно в случае вариантов осуществления, в которых фотобиореакторная установка работает в жарком климате, как описано выше, могут быть использованы инфракрасные оптические фильтры для поддержания выхода тепловой энергии из фотобиореактора и/или для понижения температуры может быть использована дополнительная система охлаждения, например, в виде набора наружных дождевальных установок, распыляющих воду на наружные части фотобиореактора.

Уровень рН можно контролировать посредством датчика 614 рН. Для водорослей конкретных видов рН можно отрегулировать до желательных значений, например, путем образования одного или нескольких инжекционных отверстий, находящихся в сообщении по текучей среде, например, с впускным/ выпускным отверстием 150 и/или 152, в которые можно под контролем нагнетать регулирующие рН химикаты, например хлористо-водородную кислоту и гидроокись натрия.

Система 600 также может быть снабжена различными зондами и датчиками для измерения давления исходного газа, подаваемого в распределители (например, датчиками 616 и 618 давления), а также расходомерами (620, 622) для измерения расходов газов и для измерения расхода объемного потока жид

- 16 009596 кости в контуре потока фотобиореактора (расходомер 624). Как пояснено более подробно ниже, расходы газа и жидкости можно регулировать, по меньшей мере, частично для содействия получению желаемых или оптимальных значений фотомодуляции путем создания желательных картин потоков жидкости внутри фотобиореактора. Вторым показателем регулирования, определяющим суммарный поток газа, подаваемого в фотобиореактор 100, может быть желаемая степень удаления загрязняющих веществ, таких как СО₂ и/или ΝΟ_Χ, посредством фотобиореактора. Например, как показано, система 600 включает в себя соответствующие устройства 626 и 628 для контроля составов газов, предназначенные для контроля концентрации различных газов, например СО₂, ΝΟ_Χ, О₂ и т.д., в исходном газе и в очищенном газе, соответственно. Расход газа на впуске и/или распределение по распределителям можно регулировать и контролировать для получения желательной степени удаления загрязняющих веществ посредством фотобиореакторной системы.

Как упоминалось выше, для поддержания концентрации водорослей внутри фотобиореактора в пределах диапазона, подходящего для долговременной работы и продуктивности, может оказаться необходимым периодический сбор по меньшей мере части водорослей и пополнение фотобиореактора свежей, свободной от водорослей средой для изменения концентрации водорослей внутри фотобиореактора. Как показано на фиг. 6Ь, в условиях роста концентрация водорослей (по оси у) возрастает экспоненциально со временем (фаза логарифмического роста) до определенной точки 629, после которой для концентрации характерна тенденция к выравниванию, а размножение и рост снижаются. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления концентрацию водорослей внутри фотобиореактора поддерживают в рабочем диапазоне 630, который находится вблизи верхнего конца концентрации, при которой водоросли все еще находятся в режиме логарифмического роста. Как должно быть понятно специалистам в области техники, к которой относится изобретение, конкретная кривая роста, характеризующая водоросли заданного вида, будет различаться от вида к виду и даже в пределах данного вида водорослей может быть различие, зависящее от различий в эксплуатационных показателях и в показателях окружающей среды (например, от состава жидкой среды, температуры роста, исходной газовой композиции и т.д.). Как пояснено более подробно ниже, в некоторых вариантах осуществления изобретения излагается идея использования в фотобиореакторных системах предварительно кондиционированных или предварительно адаптированных водорослей, оптимизированных для роста в конкретных рабочих условиях, ожидаемых в фотобиореакторных газоочистных системах, предусмотренных согласно изобретению. В любом случае, соответствующий диапазон концентраций водорослей, на который должна быть рассчитана система 602 управления фотобиореактора для поддержания процесса в фотобиореакторе, должен определяться для конкретного применения путем типового тестирования и оптимизации. Как описано более подробно ниже, такое типовое тестирование и оптимизация могут производиться на опытной фотобиореакторной системе или на автоматизированной системе воспроизводства клеточных культур.

После определения желаемого диапазона концентрации водорослей, как описано выше, система 602 управления может быть сконфигурирована для регулирования концентрации водорослей в пределах этого диапазона путем обнаружения концентрации водорослей в жидкой среде, сбора водорослей и пополнения системы свежей жидкой средой, при этом процедура сбора была описана подробно ранее. Чтобы определять концентрацию водорослей внутри фотобиореактора, могут быть предусмотрены измеритель мутности и/или спектрофотометр 632 (или другое подходящее устройство для измерения оптической плотности или поглощения света). Например, спектрофотометр может быть использован для непрерывного измерения оптической плотности жидкой среды и оценивания концентрации водорослей по оптической плотности в соответствии со стандартными способами, например, описанными в Нлгоуаки с1 а1., 1998.

В общем случае, при желании химикаты для поддержания уровня питательных веществ и регулирования рН и других показателей могут добавляться автоматически непосредственно в жидкую фазу внутри фотобиореактора. Компьютерная система 602 управления также может быть сконфигурирована для регулирования температуры жидкой фазы в фотобиореакторе путем регулирования либо теплообменной системы, либо системы управления подогревом, находящейся внутри или соединенной с фотобиореактором, или в альтернативных вариантах осуществления путем удаления жидкой среды из фотобиореактора и пропускания ее через теплообменник, например водяной термостат (не показанный) с регулируемой температурой.

Как упоминалось выше, фотобиореакторная газоочистная система 600 согласно некоторым предпочтительным вариантам осуществления включает в себя реализованную на базе компьютера систему 602 управления, сконфигурированную для регулирования картин потоков жидкости внутри фотобиореактора 100 с тем, чтобы получать желаемые характеристики фотомодуляции для обеспечения желаемой средней скорости роста водорослей, например максимально достижимой средней скорости роста. В некоторых вариантах осуществления с целью оптимизации фотомодуляции для системы и способа регулирования фотомодуляции используют две математические модели для определения оптимальных или желаемых картин потоков жидкости. Первая математическая модель включает в себя имитацию скорости роста водорослей в зависимости от последовательных и чередующихся интервалов воздействия света и темноты, а вторая математическая модель включает в себя имитацию картин потоков жидкости внутри

- 17 009596 фотобиореактора в зависимости от конфигурации системы и геометрии и скоростей потоков жидкой среды (а для систем, содержащих поток жидкости с нагнетаемыми газами, от скорости нагнетания газов в фотобиореактор). На фиг. 7а и 7Ь представлены две из многих возможных стратегий для осуществления описанной выше схемы регулирования фотомодуляции с помощью реализованной на базе компьютера системы 602 управления.

Что касается указанных выше математических моделей, которые могут быть использованы в системе 602 управления при оптимизации фотомодуляции, то в некоторых вариантах осуществления первая математическая модель для корреляции интервалов воздействия света/темноты (фотомодуляции) со средней скоростью роста может быть основана на математической модели, предложенной в литературе (см. \Уи апй МегсЬик, 2001). Модель основана на гипотезе, заключающейся в том, что процесс фотосинтеза в водорослевых клетках имеет три основных режима: (1) активированный, (2) покоя и (3) фотоингибированный. Доля водорослевой популяции в каждом из трех указанных выше режимов может быть представлена соответственно как х_ь х₂ и х₃ (где χι+χ₂+χ₃=1).

В модели предполагается, что для достижения максимальной продуктивности при нормальных условиях активная водорослевая культура должна на регулярных отрезках времени достигать фотонасыщения, становиться фотоингибированной и находиться в покое. В режимах фотоингибирования и покоя культура не обладает способностью использовать свет для связывания углерода. Поэтому воздействие света во время периодов фотоингибирования или покоя является, по существу, ненужным, поскольку оно не используется для фотосинтеза и связывания углерода, а на самом деле может быть пагубным для жизнеспособности культуры. В предложенной модели определен ряд дифференциальных, зависимых от времени уравнений, описывающих динамический процесс, в соответствии с которым происходит переход режимов водорослевой культуры между активированным, покоя и фотоингибированным:

С?Х, т с.

—~ = ~ а1’Х_г+ГХ₂ +&ί₃

Уравнение 1

С?Х, т ат —=αΙ·χ_χ-γχ₂-βΙ·χ₂сП:

Уравнение 2

Уравнение 3 при этом

Х1+х₂+хз=1;

Уравнение 4 ц=ку х₂-Ме

Уравнение 5

В этих уравнениях α - суть константа скорости использования фотонов для перехода водорослевой культуры из х₁ в х₂, β - суть константа скорости, описывающая переход из х₂ в х₃, γ - суть константа скорости, описывающая переход из режима х₂ в х_ь δ - суть константа скорости, описывающая переход из х₃в χι, μ - суть удельная скорость роста, Ме - суть эксплуатационный коэффициент и к - суть безразмерный выход продукции фотосинтеза для перехода от х₂ к х₁.

В фотобиореакторной установке, например в фотобиореакторе 100, интенсивность I освещения является комплексной функцией времени, зависящей от динамики текучей среды, интенсивности воздействующего света и концентрации водорослей внутри фотобиореактора 100.

Освещенность I как функцию времени (то есть изменение во времени интенсивности освещения водорослей по мере того, как они протекают через фотобиореактор) можно определить, как описано более подробно ниже, используя имитацию динамики текучей среды внутри фотобиореактора. После определения этого параметра и после определения констант α, γ, β, δ, к и Ме можно найти удельную скорость μ роста для заданного изменения во времени освещенности по контуру потока. Решение этих уравнений может быть найдено путем использования большого числа известных численных методов решения дифференциальных уравнений.

Реализация таких численных методов может быть облегчена программным обеспечением для решения уравнений, которое коммерчески общедоступно или может быть без труда разработано специалистом в области прикладной математики.

- 18 009596

Хотя можно использовать результаты экспериментальных исследований, проводимых в производственном фотобиореакторе в контролируемых условиях, например в фотобиореакторе 100, для определения соответствующих значений различных констант в указанной выше математической модели путем подгонки модели к экспериментальным данным, в некоторых вариантах осуществления для простоты и точности может оказаться желательным использование опытной фотобиореакторной системы, в которой обеспечивается возможность прецизионного и непосредственного управления параметрами, такими как продолжительность, частота и интенсивность воздействия света на культуру. Например, для фотобиореакторной системы, в которой водорослевая культура подвергается воздействию света с, по существу, равномерной интенсивностью по всему объему культуры и при, по существу, идентичных циклах воздействия света/темноты (то есть когда последовательные циклы воздействия света/темноты являются, по существу, одинаковыми), возможно решение приведенных выше уравнений для квазиустановившегося состояния (см. \Уи апб Мегсйик, 2001).

Такая экспериментальная фотобиореакторная система может содержать, например, микромасштабный фотобиореактор в автоматизированной системе культивирования клеток, в которой водорослевые клетки подвергаются воздействию света и темноты на точно контролируемых интервалах с регулярной постоянной частотой. В качестве альтернативы может быть использован опытный тонкопленочный трубный контурный реактор с таким режимом потока текучей среды, при котором обеспечивается точное, повторяющееся воздействие света и темноты, например такой, какой раскрыт в \Уи апб Мегсйик, 2001. В условиях такого квазиустановившегося состояния средняя удельная скорость роста для одного цикла имеет следующий вид (\Уи апб Мегсйик, 2001):

Уравнение 6 где δ=αΙ+βΙ+γ+δ, £=αβΙ²+δγ+αΙδ+βΙδ, с=а!б;

где

В этих уравнениях ΐ - суть время, ΐ - суть промежуток времени в течение цикла, когда водорослевая культура облучается светом с интенсивностью, при которой может возбуждаться фотосинтез, ΐ₆ - суть промежуток времени в течение цикла, когда водорослевая культура подвергается воздействию темноты или света с интенсивностью, при которой не может возбуждаться фотосинтез, и 1_с - суть суммарная продолжительность цикла (то есть ΐι+ΐ₆).

Приведенные выше аналитические уравнения могут быть подогнаны по кривым к экспериментальным данным по скорости роста водорослей в зависимости от времени с целью определения значений

- 19 009596 различных констант (например, так, как описано в Аи апО МегсНик, 2001). Например, при использовании указанного выше способа в Аи апО МегсЕик, 2001, определены следующие значения констант в уравнениях 1-5 для культуры красных морских водорослей, РогрЕугИшт §Р (№ 637 в коллекции культур водорослей университета штата Техас в Остине):

Таблица 1

Значения регулируемых параметров и 95%-ные доверительные интервалы

Параметр	Значение	95%-ный доверительный интервал
а	0,001935 мкЕ^м*²	-0,00189-0,00576
β	5,7848х10~⁷ мкЕ-м'²	-0,000343-0,000344
Υ	0,1460 с’¹	-0,133-0,425
δ	0, 0004796 с'¹	-0,284-0,285
к	0,0003647 (безразмерная величина)	-0, 000531-0, 00126
Ме	0,05908 ч’¹	-0,0126-0,131

Математическая модель, используемая в реализованной на базе компьютера системе 602 управления для определения картин потоков жидкости внутри фотобиореактора в зависимости от скорости потока жидкости и/или суммарного расхода нагнетаемого газа и распределения нагнетаемого газа по распределителям 122 и 124, может включать в себя коммерчески доступный пакет программ по расчету динамики текучей среды, такой как ΓΕυΕΝΤ™ или ЕШЛР™ (Г1иеп1 1псогрога1еб, Лебанон, Нью-Гэмпшир), или другой известный пакет программ, или сформированный по заказу пакет программ по расчету динамики текучей среды, обеспечивающий получение трехмерного решения уравнений движения НавьераСтокса (см., например, Ооеппд СНаг1е8 К. апб С1ЬЬоп Ю. ЛрркеО апа1у818 о£ (Не №паег-31оке5 есци-Шопх, СатЬпбде ишуегкйу Рге55 2001, источник включен в настоящую заявку посредством ссылки). Специалисты в области механики текучих сред и расчета динамики текучих сред могут без труда разработать такие модели потоков текучих сред и самостоятельно или совместно со специалистом в области компьютерного программирования разработать программное обеспечение для реализации таких моделей. В таких моделях могут быть использованы математические методы конечных элементов, а такие расчеты могут быть выполнены при использовании большого числа легкодоступных пакетов программ общего назначения или специализированных для расчета потока текучей среды на основе метода конечных элементов (например, один или несколько из них можно получить от ЛЕСОК, 1пс,. Питсбург, Пенсильвания (например, профессиональный пакет программ для расчета потоков текучей среды от ЛЕСОК)).

Предпочтительно, чтобы в фотобиореакторной системе 600 с использованием фотобиореактора 100, показанной на фиг. 6а, при моделировании динамики текучей среды, осуществляемой посредством реализованной на базе компьютера системы 602 управления, можно было определять для каждого прохода водорослей по контуру потока (то есть для каждого цикла перемещения водорослей по пути потока, образованного трубами 106, 104 и 102 фотобиореактора 100) продолжительность и частоту световых и темновых интервалов, на которых водоросли подвергаются воздействию (то есть картину фотомодуляции). В некоторых предпочтительных вариантах осуществления при определении объемного потока и картин потоков жидкой среды в каждом из трех плеч фотобиореактора 100 в модели динамики текучей среды могут учитываться физическая геометрия фотобиореактора и различные источники и стоки потоков в фотобиореакторе. Для различения и анализа линий обтекания потоков в масштабе водорослей, например порядка десяти диаметров водорослевых клеток, может быть выбрана сетка конечных элементов с шагом от умеренного до малого. Следует ожидать, что результаты моделирования динамики текучей среды будут отражать траекторию перемещаемых текучей средой клеток в и из световых и темновых областей фотобиореактора. По этим линиям обтекания могут быть определены продолжительность воздействия света и темноты и частота, с которой водоросли перемещаются от воздействия света к воздействию темноты, когда они проходят по контуру потока, и эта зависимость освещенности от времени может быть использована в описанной выше модели роста клеток и фотомодуляции для определения средней по контуру потока скорости роста.

При желании экспериментальное подтверждение правильности результатов моделирования динамики текучей среды может быть осуществлено при использовании результатов исследований по визуализации действительных траекторий потоков в фотобиореакторе. Такие исследования можно провести, используя микросферы с нейтральной плавучестью, имитирующие водорослевые клетки. В одном конкретном варианте осуществления для образования продольной пелены когерентного света через активный сегмент (то есть трубу 102) фотобиореактора может быть сконфигурирован и установлен лазер. Такая плоскость лазерной подсветки может быть позиционирована для представления границы между об

- 20 009596 ластями света и темноты. Ее положение можно регулировать для представления различных ожидаемых глубин переходов свет-темнота в трубе, предполагаемых в пределах диапазона концентраций водорослей и интенсивностей освещения, которые могут иметься во время работы фотобиореактора. В одном варианте осуществления в качестве моделей частиц водорослей могут быть использованы в сочетании микросферы из чистого кремнезема и флуоресцентные (можно получить от Пике 8с1еп1Шс Согрогайоп, Пало-Альто, Калифорния). Диаметр и плотность микросфер должны выбираться так. чтобы они соответствовали конкретному штамму водорослей, который предполагается использовать в фотобиореакторе. Когда флуоресцентные микросферы пересекают плоскость лазерного излучения, они рассеивают лазерный пучок и создают обнаруживаемые вспышки. Для регистрации таких вспышек может быть установлена видеокамера, а время между вспышками может быть использовано для определения продолжительности пребывания частицы в каждой из двух областей (то есть в световой и темновой областях). При желании можно образовать вторую плоскость лазерного излучения для визуализации потока в плоскости, перпендикулярной указанной выше продольной пелене, чтобы иметь более детальное представление относительно действительного положения различных флуоресцентных микросфер в пределах поперечного сечения освещаемой трубы.

Теперь обратимся к фиг. 7а и 7Ь, на которых представлены две альтернативные методологии вычислений и управления, предназначенные для регулирования и оптимизации фотомодуляции в фотобиореакторе системы 600. Методологии являются и подобными, и различными, главным образом, в части вычислительных параметров, используемых для сходимости (то есть интервалов воздействия света/темноты в способе из фиг. 7а и предсказанной скорости роста в способе из фиг. 7Ь).

Теперь обратимся к фиг. 7а, на которой раскрыт один вариант осуществления, предназначенный для создания и регулирования фотомодуляции внутри фотобиореактора газоочистной системы. Начальный этап 702 представляет собой необязательный этап подгонки модели, который может быть выполнен независимо при использовании опытной или микромасштабной автоматизированной системы культуры и исследования клеток, рассмотренной выше. Необязательный этап 702 включает в себя определение соответствующих значений различных регулируемых параметров, включающих в себя константы скорости роста, и математической модели фотомодуляции, описанной выше, путем подгонки модельных уравнений к экспериментальным данным, отражающим зависимости скорости роста от интервалов воздействия света/темноты, как это описано выше в \Уи апй Мегсйик, 2001.

На этапе 704 измеряют концентрацию клеток внутри фотобиореактора 100, используя, например, спектрофотометр 632. На этапе 706 измеряют интенсивность света, падающего на активную трубу 102 фотобиореактора, используя устройство для измерения интенсивности света (например, экспонометрическое устройство) 633. На этапе 708 измеренная концентрация клеток и интенсивность освещения могут быть совместно использованы для вычисления глубины проникновения света в круговую трубу 102 в соответствии со стандартными, хорошо известными способами (например, описанными в Виг1ете, 1961).

Математические расчеты для вычисления на основании математической модели скорости роста и фотомодуляции прогнозируемых интервалов воздействия света/темноты (то есть продолжительности и частоты воздействия света/темноты), необходимых для получения желаемой средней скорости роста, например максимально достижимой скорости роста (то есть определенных, нерегулируемых рабочих ограничений системы), выполняют на этапе 710.

На этапе 712 посредством реализованной на базе компьютера системы 602 осуществляют имитацию (например, имитацию динамики текучей среды) потока жидкой среды и определяют линии обтекания и картины внутри фотобиореактора для конкретного суммарного расхода газа и распределения потоков газа по распределителям 122 и 124. На основании имитации могут быть определены фактические интервалы воздействия света/темноты и фотомодуляция водорослей при их протекании по контуру потока. Посредством системы можно определить, когда на водоросли в жидкой среде воздействует свет в активной трубе 102, путем определения того, что они находятся в области трубы, отстоящей от облучаемой светом поверхности 132 на расстоянии, не превышающем расстояния, найденного на этапе 708 определения глубины проникновения света, и при этом на них воздействует свет с интенсивностью выше интенсивности, которая является достаточной для возбуждения фотосинтеза (то есть выше интенсивности, необходимой для перехода водорослей в активный режим фотосинтеза, описанный в рассмотренной выше модели роста и фотомодуляции). Точное значение интенсивности света и соответствующая глубина проникновения, необходимые для активного фотосинтеза применительно к водорослям конкретного вида или к смеси, могут быть определены при выполнении типовых экспериментальных исследований в модельной фотобиореакторной системе, касающихся зависимости роста водорослей от интенсивности света.

На этапе 714 интервалы воздействия света/темноты и характеристики фотомодуляции, определенные на этапе 710, необходимые для получения желаемой средней скорости роста, сравнивают с действительными интервалами воздействия света/темноты и характеристиками фотомодуляции, существующими в фотобиореакторе, определенными на этапе 712. Затем повторяют имитацию согласно этапу 712, используя разность потоков газа и распределения потоков газа, до тех пор, пока разность между интервалами воздействия, определенными на этапах 710 и 712, не минимизируется, а результаты имитации не

- 21 009596 сойдутся.

В этот момент на этапе 716 посредством реализованной на базе компьютера системы 602 регулируют и контролируют скорость потока жидкости внутри фотобиореактора и картины потоков жидкости (например, рециркуляционные вихри) путем, например, регулирования потока газа и распределения газа к распределителям 122 и 124 с тем, чтобы согласовать оптимальные значения, определенные на этапе 714.

Альтернативная методология определения фотомодуляции и управления на фиг. 7Ь подобна раскрытой на фиг. 7а, за исключением того, что вместо математических моделей динамики текучей среды, а также скорости роста и фотомодуляции, сходящихся при вычисленных интервалах воздействия света/темноты, систему конфигурируют для осуществления имитаций с целью определения параметров потока, необходимых для получения желаемой прогнозируемой (то есть с помощью модели скорости роста и фотомодуляции) скорости роста.

Этапы 702, 704, 706, 708, 712 и 716 могут быть выполнены, по существу, идентично описанному выше применительно к способу, представленному на фиг. 7а. Однако в настоящем способе фактические интервалы воздействия света/темноты и данные фотомодуляции, определенные на основании имитации динамики текучей среды на этапе 712, затем используют на этапе 710' для вычисления при использовании математической модели скорости роста и фотомодуляции средней прогнозируемой скорости роста, которая является следствием таких характеристик воздействия света/темноты. Затем повторяют этап 712 для иных значений потока газа и распределения газа и на этапе 710' определяют новую прогнозируемую среднюю скорость роста. Вычислительную процедуру выполняют так, чтобы скорректировать значения на этапе 712 для приближения на этапе 714' к желаемой средней скорости роста, определенной на этапе 710', например к максимально достижимой скорости роста. После определения значений потока газа и распределения газа, приводящих к такой прогнозируемой желаемой скорости роста, на этапе 716 посредством реализованной на базе компьютера системы 602 управления эти расходы и распределения газа используют в фотобиореакторе для создания в системе желаемой динамики потока жидкости.

Должно быть понятно, что, применяя описанные выше методологии и системы регулирования фотомодуляции, можно с достижением преимущества обеспечить автоматическую работу фотобиореактора в условиях, рассчитанных на создание оптимального уровня фотомодуляции. С достижением преимущества систему можно выполнить с возможностью приема входных сигналов от различных датчиков и реализовать методологии, описанные выше, с тем, чтобы оптимизировать фотомодуляцию, по существу, в реальном времени (то есть при двустороннем обмене со скоростью, с которой вычисления могут быть выполнены системой). Этим обеспечивается возможность быстрого и надежного реагирования системы на изменения окружающих условий, которые могут изменять характер и степень фотомодуляции внутри системы. Например, в конкретном варианте осуществления и в одном примерном случае реализованная на базе компьютера система 602 управления может быстро и соответствующим образом отрегулировать расходы и распределение газов и, следовательно, картины потоков жидкости и фотомодуляцию внутри фотобиореактора так, что будут учтены переходные изменения освещенности, например переходный процесс прохождения облачного покрова, в течение периода эксплуатации фотобиореакторной системы.

Способы вычислений, этапы, моделирования, алгоритмы, системы и системные элементы, описанные выше, могут быть осуществлены при использовании реализованной на базе компьютера системы, такой как реализованные на базе компьютера системы в различных вариантах осуществления, описанные ниже. Способы, этапы, системы и системные элементы, описанные выше, не ограничены в реализации посредством какой-либо конкретной компьютерной системы, описанной в настоящей заявке, поскольку могут быть использованы многие другие различные устройства.

Реализованная на базе компьютера система может быть частью или может находиться в оперативной связи с фотобиореактором, а в некоторых вариантах осуществления может быть выполненной с возможностью и/или запрограммированной для управления и регулирования рабочих параметров фотобиореактора, а также анализа и вычисления значений, описанных выше. В некоторых вариантах осуществления реализованная на базе компьютера система может посылать и принимать управляющие сигналы для задания и/или регулирования рабочих параметров фотобиореактора и, по желанию, других системных установок. В других вариантах осуществления реализованная на базе компьютера система может быть отделена и/или расположена на удалении от фотобиореактора и может быть сконфигурирована для приема данных от одной или нескольких фотобиореакторных установок через посредство косвенных и/или портативных средств, например через посредство портативных электронных устройств хранения данных, таких как магнитные диски, или через посредство связи по компьютерной сети, такой как Интернет или локальная интрасеть.

Что касается фиг. 6а, то реализованная на базе компьютера система 602 управления может включать в себя несколько известных компонентов и схем, включая устройство обработки данных (то есть процессор), систему памяти, устройства ввода и вывода и интерфейсы (например, соединительное устройство), а также и другие компоненты, такие как транспортные схемы (например, одну или несколько шин), подсистему ввода-вывода, видео- и аудиоданных, аппаратное обеспечение специального назначения, а также и другие компоненты и схемы, описанные более подробно ниже. Кроме того, вычислительная система может быть многопроцессорной компьютерной системой или может включать в себя боль

- 22 009596 шое количество компьютеров, объединенных в компьютерную сеть.

Реализованная на базе компьютера система 602 управления может включать в себя процессор, например коммерчески доступный процессор, такой как процессор серии х86, процессоры Се1егоп и Репйит, которые можно получить от 1п1е1, аналогичные устройства от ΆΜΌ и Супх, микропроцессоры серии 680X0, которыми располагает Мо1ого1а, и микропроцессор Ро\\'ег РС от ΙΒΜ. Пригодны многие другие процессоры, а компьютерная система не ограничена конкретным процессором.

Процессор обычно выполняет программу, называемую операционной системой, примерами которой являются \Уй1йо\\ъ ΝΤ, \Уй1йо\\'5 95 или 98, υΝΙΧ, Ьтих, ΌΟ8, УМ8, МасО8 и О88, которая управляет выполнением других компьютерных программ и обеспечивает диспетчеризацию, отладку, управление вводом-выводом, учет, компиляцию, распределение памяти, управление данными и управление памятью, управление передачей данных и выполнение соответствующих услуг. Процессор и операционная система совместно характеризуют компьютерную платформу, для которой пишутся прикладные программы на языках программирования высокого уровня. Реализованная на базе компьютера система 602 управления не ограничена конкретной компьютерной платформой.

Реализованная на базе компьютера система 602 управления может включать в себя системы памяти, которая обычно включает в себя считываемый компьютером и перезаписываемый энергонезависимый носитель записи, примерами которого являются магнитный диск, оптический диск, флэш-память и лента. Такой носитель записи может быть сменным, например дискетой, компакт-диском с многократной перезаписью или картой памяти, или может быть постоянным, например жестким диском.

В таком носителе записи сигналы обычно запоминаются в двоичном виде (то есть в виде, интерпретируемым последовательностью единиц и нулей). Диск (например, магнитный или оптический) имеет ряд дорожек, на которые могут быть записаны такие сигналы, обычно в двоичном виде, то есть в виде, интерпретируемым последовательностью единиц и нулей. Такие сигналы могут характеризовать вспомогательную программу, например прикладную программу, подлежащую выполнению микропроцессором, или информацию, подлежащую обработке с помощью прикладной программы.

Система памяти, реализованная на базе компьютера системы 602 управления, также может включать в себя интегральный запоминающий элемент, которым обычно является энергозависимая память с произвольной выборкой, такая как динамическая оперативная память (ОЗУ) или статическая оперативная память (ПЗУ). Обычно при работе процессор вызывает считывание программ и данных из энергонезависимого носителя записи в интегральный запоминающий элемент, который обычно обеспечивает возможность более быстрого доступа процессора к программным командам и данным, чем энергонезависимый носитель записи.

В процессоре обычно осуществляются операции над данными в интегральном запоминающем элементе в соответствии с программными командами и затем копирование обработанных данных на энергонезависимый носитель записи после завершения обработки. Известен целый ряд способов управления перемещением данных между энергонезависимым носителем записи и интегральным запоминающим элементом, и реализованная на базе компьютера система 602 управления, посредством которой осуществляются способы, этапы, системы и системные элементы, описанные выше в связи с фиг. 6а, 7а и 7Ь, не ограничена ими. Реализованная на базе компьютера система 602 управления не ограничена конкретной системой памяти.

По меньшей мере часть такой системы памяти, описанной выше, может быть использована для сохранения одной или нескольких структур данных (например, просмотровой таблицы) или уравнений, описанных выше. Например, на по меньшей мере части энергонезависимого носителя записи может храниться по меньшей мере часть базы данных, которая включает в себя одну или несколько таких структур данных. Такая база данных может быть любой из баз данных, например файловой системой, включающей в себя одну или несколько структур данных на плоских файлах, в которых данные организованы в блоки данных, разделенные ограничителями, реляционной базой данных, в которой данные организованы в блоки данных, запомненные в таблицах, объектно-ориентированной базой данных, в которой данные организованы в блоки данных, запомненные как объекты, базой данных другого типа или в виде любой комбинации из них.

Реализованная на базе компьютера система 602 управления может включать в себя подсистему ввода-вывода видео- и аудиоданных. Звуковая часть подсистемы может включать в себя аналого-цифровой преобразователь, на который поступает аналоговая звуковая информация и в котором она преобразуется в цифровую информацию. Цифровая информация может быть сжата путем использования известных систем сжатия для сохранения на жестком диске с целью использования в другое время. Типовая часть изображения подсистемы ввода-вывода может включать в себя компрессор/декомпрессор видеоизображения, из которых многие известны в соответствующей области техники. Посредством таких компрессоров/декомпрессоров аналоговая видеоинформация преобразуется в сжатую цифровую информацию и наоборот. Сжатая цифровая информация может быть сохранена на жестком диске для использования в более позднее время.

Реализованная на базе компьютера система 602 управления может включать в себя одно или несколько устройств вывода. Примеры устройств вывода включают в себя дисплей 603 на электронно-лу

- 23 009596 чевой трубке, жидкокристаллические дисплеи и другие видеоустройства вывода, принтеры, устройства связи, такие как модем или сетевой интерфейс, устройства хранения данных, такие как диск или лента, и аудиоустройства вывода, например громкоговоритель.

Реализованная на базе компьютера система 602 управления также может включать в себя одно или несколько устройств ввода. Примеры устройств ввода включают в себя клавиатуру, дополнительную цифровую клавиатуру, трекбол, мышь, перо и графический планшет, устройства связи, такие как описанные выше, и устройства ввода данных, такие как устройства для оцифровки речи и изображений, и датчики. Реализованная на базе компьютера система 602 управления не ограничена конкретными устройствами ввода или вывода, описанными в настоящей заявке.

Реализованная на базе компьютера система 602 управления может включать в себя специально запрограммированное аппаратное обеспечение специального применения, например специализированную интегральную схему. Такое аппаратное обеспечение специального применения может быть сконфигурировано для реализации одного или нескольких способов, этапов, имитаций, алгоритмов, систем и системных элементов, описанных выше.

Реализованную на базе компьютера систему 602 управления и ее компоненты можно запрограммировать, используя любой из целого ряда подходящих компьютерных языков программирования. Такие языки могут включать в себя процедурные языки программирования, например Си, Паскаль, Фортран и Бейсик, объектно-ориентированные языки, например Си++, Ява и Эйфель и другие языки, а также язык сценариев и даже язык Ассемблер.

Способы, этапы, имитации, алгоритмы, системы и системные элементы могут быть реализованы при использовании любого из целого ряда подходящих языков программирования, включая процедурные языки программирования, объектно-ориентированные языки программирования, другие языки и комбинации из них, которые могут исполняться в такой компьютерной системе. Такие способы, этапы, имитации, алгоритмы, системы и системные элементы могут быть реализованы в виде отдельных модулей компьютерной программы или могут быть реализованы индивидуально как отдельные компьютерные программы. Такие модули и программы могут выполняться на отдельных компьютерах.

Способы, этапы, имитации, алгоритмы, системы и системные элементы, описанные выше, могут быть реализованы в программном обеспечении, в аппаратном обеспечении, или в зашитой программе, или в любой комбинации из трех как часть реализованной на базе компьютера системы управления, описанной выше, или как независимый компонент.

Такие способы, этапы, имитации, алгоритмы, системы и системные элементы либо индивидуально, либо в сочетании могут быть реализованы как компьютерный программный продукт, реально осуществляемый в виде считываемых компьютером сигналов на считываемом компьютером носителе, например на энергонезависимом носителе записи, интегральном запоминающем элементе или на их комбинации. Для каждого такого способа, этапа, имитации, алгоритма, системы или системного элемента такой компьютерный программный продукт может включать в себя считываемые компьютером сигналы, которые характеризуют команды, реально реализуемые на считываемом компьютере носителе, например, как часть одной или нескольких программ, в результате выполнения которых посредством компьютера формируются команды компьютеру на осуществление способа, этапа, имитации, алгоритма, системы или системного элемента.

Кроме того, в другом ряде вариантов осуществления изобретения предусмотрены способы предварительной адаптации и предварительного кондиционирования водорослей или других фотосинтезирующих организмов к специфическим окружающим условиям и рабочим условиям, которым, как ожидается, они будут подвергаться в полномасштабном фотобиореакторе во время эксплуатации. Как упоминалось выше, продуктивность и долговременная стойкость водорослей, используемых в фотобиореакторной системе для удаления СО₂, ΝΟ_χ и/или других загрязняющих компонентов из потока газа, могут быть повышены путем использования водорослей тех штаммов и видов, которые являются местными или, иначе говоря, хорошо приспособлены к условиям и местности, где будет использоваться фотобиореакторная система.

Как известно в области техники, к которой относится изобретение (см., например, МогПа М., \Уа1апаЬе Υ. апб 8а1к1 Н. 'Тпкйисйоп оГ шюгоа1да1 Ьютакк ргобисйоп Гог ргасйсаЛу Ыдкег рНоЮкугИНеБс регГогтапсе иктд а рНоЮЫогеасЮг, Тгапк 1с1етЕ, уо1. 79, рай С, 8ер1етЬег 2001), водорослевые культуры, которые подвергались воздействию и допускались к размножению в определенной совокупности условий, становились более приспособленными и подходящими для долгосрочного роста и продуктивности в подобных условиях. Согласно настоящему изобретению предлагаются воспроизводимые и предсказуемые способы предварительного кондиционирования и предварительной адаптации водорослевых культур с целью повышения их долгосрочной жизнеспособности и продуктивности в конкретной ожидаемой совокупности условий и предотвращения засева водорослей таких видов другими водорослями нежелательных видов, с течением времени портящих водорослевую культуру и становящимися доминирующими в фотобиореакторе.

Во многих современных фотобиореакторных системах может оказаться трудным поддержание выбранных, желательных штаммов водорослей в фотобиореакторе, который тщательно не стерилизован и

- 24 009596 не эксплуатируется в условиях изоляции от окружающей среды. Причина этого заключается в том, что штаммы водорослей, используемые в таких фотобиореакторах, не адаптированы полностью или не оптимизированы к условиям использования, а другие, эндемические штаммы водорослей в атмосфере, соответственно, являются более согласованными с локальной окружающей средой, так что, если они получат возможность заразить фотобиореактор, они будут численно преобладать и, в конце концов, вытеснят водоросли желаемых видов. Такие эффекты могут быть ослаблены и/или исключены путем использования изобретательских правил адаптации, описанных ниже.

Использование таких правил и водорослевых видов, являющихся результатом использования таких правил, может не только повысить продуктивность и продолжительность жизни водорослевых культур в реальных фотобиореакторных системах и тем самым снизить капитальные и эксплуатационные затраты, но может дополнительно снизить эксплуатационные затраты за счет исключения необходимости стерилизации и изоляции фотобиореакторной системы, соответственно, до и во время эксплуатации.

Один пример варианта осуществления такого способа адаптации и предварительного кондиционирования водорослей показан на фиг. 8. Сначала на этапе 802 выбирают водоросли одного или нескольких видов, которые предполагаются, по меньшей мере, совместимыми, а предпочтительно хорошо согласованными с ожидаемыми условиями окружающей среды в конкретном месте установки фотобиореактора. На этапе 804 в опытной или в микромасштабной фотобиореакторной системе водорослевую культуру, содержащую водорослевые виды из этапа 802, подвергают воздействию, чтобы задать управляемые окружающие условия, среду, рост и другие условия, которые конкретно выбирают для имитации условий, воздействию которых водоросли во время работы будут подвергаться в фотобиореакторе как в части газоочистной системы. На этапе 806 осуществляют рост и размножение водорослевых культур в выбранных имитированных условиях в течение периода времени, достаточного для естественного отбора в нескольких поколениях и достижения адаптации. В зависимости от видов водорослей этот период времени обычно может быть от нескольких дней до нескольких недель и вплоть до нескольких месяцев. В конце адаптации на этапе 808 адаптированные водоросли собирают и предоставляют оператору фотобиореакторной системы, чтобы фотобиореактор мог быть заселен водорослями для обсеменения фотобиореактора.

В некоторых вариантах осуществления опытный фотобиореактор, используемый на этапе 804 адаптации, может быть подобен или идентичен фотобиореакторам, описанным выше применительно к определению констант модели роста для рассмотренной выше математической модели роста и фотомодуляции. Например, может быть использован тонкопленочный трубный фотобиореактор небольшого объема, описанный в \Уи апб МегсРик, 2001.

В особенно предпочтительном варианте осуществления этап 804 осуществляют и выполняют, используя существующую или разработанную по заказу автоматизированную установку для культивирования и исследования клеток, предпочтительно с использованием точно управляемых микромасштабных биореакторов, которые могут работать как фотобиореакторы, и тем самым обеспечивая возможность точного одновременного управления многими параметрами и оптимизацию водорослевых культур в зависимости от системы. Термин автоматизированная установка для культивирования и исследования клеток, использованный в настоящей заявке, относится к устройству или к установке, снабженной по меньшей мере одним биореактором и обеспечивающей возможность регулирования и контроля по меньшей мере одного, а предпочтительно большого количества параметров окружающей среды и рабочих параметров. Особенно предпочтительными являются автоматизированные установки для культивирования и исследования клеток, имеющие по меньшей мере один, а более предпочтительно большое количество биореакторов, образующих фотобиореакторы, имеющие объем культуры от около 1 мкл до около 1 л. Потенциально пригодны по получении или после соответствующих модификаций автоматизированные установки для культивирования и исследования клеток, которые можно получить и которые описаны, например, в Уип)ак-№уакоу1с О., бе Ьш8 1.. 8еагЬу Ν., Ргееб Ь.Е. Мкгодгауйу 51нб1е5 о£ се1к апб бккиек, Αηη. ΝΥ Асабету о£ 8с1епсе§ (принятая глава, в печати); 8еагЬу Ν.Ό., Уапбепбпехске Р, 8ип Ь., Кцпбакоук Ь., Ргеба С., Вег/ίη I. апб Уип)ак-№уакоу1с О. (2001), 8расе 11Ре зиррой £гот И1е се11и1аг регзресйуе, 1СЕ8 Ргосеебшд (представлена в мае 2001г., в дальнейшем 8еагЬу е1 а1., 2001); в патенте США № 5424209; патенте США № 5612188; публикации № 2003/0040104 заявки на патент США; в заявке № 2002/0146817 на патент США; и публикации XVО 01/68257 международной заявки; все указанные выше патенты и опубликованные заявки, а также 8еагЬу е1 а1., 2001 включены в настоящую заявку посредством ссылки.

В некоторых предпочтительных конфигурациях такая автоматизированная установка для культивирования и исследования клеток включает в себя компьютерное управление процессом и контроль условий, обеспечивающих возможность роста, таких как температура, интервалы и частота воздействия света, количество питательных веществ, поток и перемешивание питательных веществ и т.д., которые должны контролироваться и регулироваться. В некоторых вариантах осуществления также предусмотрены видеомикроскопия в реальном времени и возможность автоматического отбора проб. Такие автоматизированные установки для культивирования и исследования клеток могут обеспечивать возможность многоаспектной адаптации и оптимизации водорослевой системы путем обеспечения возможности автономного регулирования целого ряда параметров роста.

- 25 009596

В одном конкретном варианте осуществления автоматизированная установка для культивирования и исследования клеток, описанная выше, выполнена с возможностью воздействия на водорослевые культуры условий, которые включают в себя состав жидкой среды; температуру жидкой среды; величину флуктуации температуры жидкой среды, частоту и интервал; рН; флуктуацию рН; интенсивность света; изменение интенсивности света; продолжительности воздействия света и темноты и частоту, и картину перехода свет/темнота; композицию исходного газа; флуктуацию композиции исходного газа; температуру исходного газа; флуктуацию температуры исходного газа; и другие.

В одном примере осуществления высокочастотные циклы свет/темнота, имитирующие фотомодуляцию, создаваемую посредством турбулентных завихрений и/или рециркуляционных вихрей на облучаемом светом участке фотобиореактора, имитируют, используя источник света, падающего на микрофотобиореактор автоматизированной установки для культивирования и исследования клеток через диск прерывателя с регулируемой частотой вращения, при этом используют заменяемые диски, снабженные щелями, чтобы получать соответствующие частоты фотомодуляции и отношение периодов свет/темнота. В одном примере имитируют частоты фотомодуляции свет/темнота 1, 10 и 100 циклов/с. Как описано выше, каждый этап 806 адаптации должен протекать в течение достаточного большого периода времени, чтобы обеспечивалась адаптация многих поколений. В конкретном варианте осуществления при адаптации водорослей вида ОипаНсИа каждый этап 806 адаптации выполняют в течение по меньшей мере трехдневного цикла, чтобы обеспечить адаптацию многих поколений.

На фиг. 9 показана комплексная система для осуществления комплексного способа сжигания, в которой дымовые газы очищают в фотобиореакторной системе, чтобы снизить уровень загрязняющих веществ и произвести в биореакторной системе биомассу, например, в виде собранных водорослей, которые можно использовать в качестве топлива в топочном устройстве. С достижением преимущества комплексная система 900 может быть использована для снижения уровня загрязняющих веществ, выбрасываемых из топочного оборудования в атмосферу, а в некоторых вариантах осуществления для снижения количества ископаемого топлива, например угля, нефти, природного газа и т.д., сжигаемого в оборудовании. Такая система может быть потенциально выгодной при использовании для очистки газов, выбрасываемых оборудованием, работающем на ископаемом топливе (например, на угле, нефти и природном газе), таким как отопительные энергетические установки, промышленное оборудование для сжигания мусора, промышленные печи и нагреватели, двигатели внутреннего сгорания и т.д. В некоторых вариантах осуществления при использовании комплексной системы 900 для очистки газа и производства биомассы могут быть значительно снижены общие требования к ископаемому топливу для топочного оборудования и одновременно значительно снижены количества СО₂ и/или ΝΟ_Χ, выбрасываемых в окружающую среду в качестве загрязняющих веществ.

Комплексная система 900 включает в себя один или несколько фотобиореакторов или решетки 902, 904 и 906 фотобиореакторов. В некоторых вариантах осуществления эти фотобиореакторы могут быть подобны или идентичны по конструкции и конфигурации, ранее показанным на фиг. 1, 2 и 6а или на фиг. 3 и 3а. В альтернативных вариантах осуществления могут быть использованы другие варианты изобретательских фотобиореакторов или могут быть использованы известные фотобиореакторы. За исключением вариантов осуществления, в которых в системе 900 использованы фотобиореакторы согласно настоящему изобретению (в которой фотобиореакторы являются изобретательскими, а не известными), рабочие блоки, показанные на фиг. 9, могут иметь обычные конструкции, или полученные в результате непосредственной модификации и развития известных конструкций, и они могут быть выбраны и сконструированы специалистами в области химической технологии при использовании общепринятых принципов проектирования и конструирования.

В показанной иллюстративной системе горячие топочные газы, производимые оборудованием 908 электростанции, по желанию сжимаются компрессором 910 и проходят через теплообменник, содержащий сушилку 912, функция которой поясняется ниже. Теплообменник 912 выполнен и управляется так, что обеспечивается охлаждение горячего топочного газа до желаемой температуры для нагнетания в решетки 902, 904 и 906 фотобиореакторов. При прохождении через фотобиореакторы газ очищается находящимися в нем водорослями или другими фотосинтезирующими организмами с удалением одного или нескольких загрязняющих веществ, например СО₂ и/или ΝΟ_Χ. Очищенный газ с меньшей концентрацией СО₂ и/или ΝΟ_Χ, чем в топочном газе, удаляется через газовыпускные отверстия 914, 916 и 918 и в одном варианте осуществления выпускается в атмосферу.

Как описано выше, водоросли или другие фотосинтезирующие организмы, содержащиеся внутри фотобиореакторов, могут использовать СО2 из потока топочного газа для роста и воспроизводства, тем самым создавая биомассу. Как описано выше, чтобы поддерживать оптимальные количества водорослей или других фотосинтезирующих организмов внутри фотобиореакторов, биомассу, например, в виде мокрых водорослей периодически удаляют из фотобиореакторов через выпускные линии 921, 922 и 924 жидкой среды.

Оттуда мокрые водоросли направляют в сушилку 912, в которую подают горячий топочный газ, указанный выше. В сушилке горячий топочный газ может быть использован для испарения по меньшей мере части водяной составляющей исходных мокрых водорослей, в результате чего образуется высу

- 26 009596 шенная биомасса водорослей, которая удаляется через линию 926. В некоторых вариантах осуществления с достижением преимущества сушилка 912 в дополнение к сушке водорослей и охлаждению потока топочного газа до нагнетания в фотобиореакторы также служит для увлажнения потока топочного газа, в результате чего в потоке уменьшается количество частиц. Поскольку частицы потенциально могут вести себя как вещества, загрязняющие фотобиореактор и/или вызывающие закупоривание распределителей газа в фотобиореакторах, может оказаться предпочтительным удаление частиц до нагнетания в фотобиореакторы.

Вода, удаляемая из потока мокрых водорослей, подаваемых в сушилку 912, может быть подана по линии 928 в конденсационный аппарат 930 для получения воды, которая может быть использована при приготовлении свежей жидкой среды для фотобиореактора. В показанном варианте осуществления вода, извлекаемая из конденсационного аппарата 930 (точка А) после необязательной фильтрации для удаления частиц, накопленных в сушилке 912, или другой обработки для удаления возможных загрязняющих веществ, может быть закачена насосом 932 в бак-накопитель 934 среды, из которого среда подается в фотобиореакторы.

Высушенная биомасса водорослей, извлекаемая из сушилки 912, может быть использована непосредственно в качестве твердого топлива в оборудовании 908 топочного устройства и/или может быть превращена в жидкое топливо (например, в биологическое дизельное топливо) и/или горючий органический топливный газ. Биомассу водорослей, предназначенную для производства жидкого топлива или производства топливного газа, можно разложить в процессе пиролиза и/или процесса термохимического сжижения для получения жидкого топлива и/или горючего газа из водорослей. Такие способы получения жидкого топлива и газов из биомассы водорослей хорошо известны в соответствующей области техники (например, см. Эо1е. Уи1ака. Кесоуегу оГ Ικμιίά Гие1 Ггот ЬуйгосагЬоп ΓίοΗ ткгоаЦае Ьу ЛегтосЬетка1 1|циеГас110п. Рце1. 73: № 12 (1994); Веп-Ζώη Ст/Ьиг^ Ыс.|шй Гие1 (ой) Ггот Ьа1орЫ11с а1дае: А гепе\\'аЬ1е коигсе оГ поп-ро11ц1:тд епегду, гепе\\'аЬ1е епегду, уо1. 3, № 2/3, рр. 249-252 (1993); Вепетапп 1оЬп К. апй О5\уа1й ХУПкат 1., Рта1 герой Ю И1е ЭОЕ: Зуйет апй есопотк апаРък оГ ткгоаЦае ропЛ Гог сопуегаюп оГ СО₂ 1о Ыотакк, ИОЕ/РС/93204-Т5, МагсР 1996; и ЗРееЬап е1 а1., 1998; каждый источник включен в настоящую заявку посредством ссылки).

В некоторых вариантах осуществления, особенно в тех, которые включают в себя топочное оборудование, для которого может требоваться регулирование выпуска очищенных в фотобиореакторе газов в атмосферу через дымовую трубу конкретной высоты (то есть вместо выпуска очищенного газа непосредственно в атмосферу, как описывалось ранее), поток 936 очищенного газа может быть закачен в нижнюю часть дымовой трубы 938 для выпуска в атмосферу. В некоторых вариантах осуществления поток 936 очищенного газа может иметь температуру, которая не является достаточной для обеспечения эффективного выхода из дымовой трубы 938. В таких вариантах осуществления холодный очищенный топочный газ может быть пропущен через теплообменник 940 для повышения его температуры до соответствующего уровня перед нагнетанием в дымовую трубу. В одном таком варианте осуществления поток 936 холодного очищенного топочного газа нагревается в теплообменнике 940 с помощью теплообмена с горячим топочным газом, выходящим из топочного оборудования, который подают в качестве источника теплоты в теплообменник 940.

Из приведенного выше описания очевидно, что при использовании комплексной фотобиореакторной газоочистной системы 900 может быть обеспечен контроль загрязнения воздуха на основе биотехнологии и получено решение проблемы возобновляемой энергии для установок сжигания ископаемого топлива, таких как энергетические установки. Фотобиореакторные системы могут содержать устройства контроля загрязнения атмосферы газообразными выбросами и системы регенерации, посредством которых можно удалять газы и другие загрязняющие вещества, например частицы, считающиеся опасными для людей и окружающей среды. Кроме того, в комплексной фотобиореакторной системе производится биомасса, которая может быть использована как источник возобновляемой энергии с уменьшением потребности в горючем ископаемом топливе.

В дополнение к этому в некоторых вариантах осуществления комплексная фотобиореакторная система 900 очистки дымовых газов может дополнительно включать в себя в виде части комплексной системы одну или несколько дополнительных газоочистных установок, находящихся в сообщении по текучей среде с фотобиореакторами. Например, эффективная, используемая в настоящее время технология для контроля содержания ртути и/или ртутьсодержащих соединений в топочных газах заключается в использовании нагнетания активированного угля или кремнезема (например, см. Мегсшу йийу герой 1о сопдгекк, ЕРА-452/К-97-010, уо1. VIII, (1997); (в дальнейшем ЕРА, 1997), и этот источник включен в настоящую заявку посредством ссылки). Однако характеристики, обеспечиваемые этой технологией, сильно зависят от температуры. В настоящее время для эффективного использования этой технологии необходимо существенное охлаждение топочных газов до того, как технология может быть использована. Применительно к известным топочным установкам для этого требуются дополнительные капитальные затраты и расходы на установку устройств для охлаждения топочного газа.

Поскольку топочные газы уже охлаждены внутри комплексной системы 900 при использовании топочных газов для сушки водорослей в сушилке 912, то с достижением преимущества установка для об

- 27 009596 работки и удаления ртутьсодержащих соединений может быть легко и предпочтительно встроена в тракт прохождения холодного топочного газа выше 942 по потоку от фотобиореакторов и/или ниже 944 по потоку от фотобиореакторов. В любом случае, топочный газ с пониженной температурой в комплексной системе 900 хорошо соответствует известным технологиям контроля содержания ртути, позволяя создать систему регулирования содержания нескольких загрязняющих веществ (ΝΟ_Χ, СО₂, ртути).

Аналогичным образом для известных технологий удаления 8О_Х, основанных на осаждении, также требуется охлаждение топочного газа (например, см. ЕРА, 1997). Следовательно, как и технологии удаления ртути, рассмотренные выше, такие технологии осаждения и удаления 8О_Х могут быть встроены в аналогичные места (например, 942 и 944), что и описанные выше системы удаления ртути, в сообщение по текучей среде с фотобиреакторами в системе 900.

Принцип действия и преимущества этих и других вариантов осуществления настоящего изобретения можно понять более полно из приведенных ниже примеров. Нижеследующие примеры, которыми иллюстрируются некоторые варианты осуществления изобретения, не отражают полного объема изобретения.

Пример 1. Извлечение СО₂ и ΝΌ_Χ в модуле с тремя фотобиореакторами, включающем в себя три треугольных трубных фотобиореактора.

Каждый фотобиреакторный блок модуля, использованного для настоящего примера, содержал 3 трубы с круговым поперечным сечением, изготовленные из чистого поликарбоната, собранные так, как показано на фиг. 1, при этом α_χ=45° и α₂=90°. В этом треугольнике вертикальное плечо было высотой 2,2 м и диаметром 5 см; горизонтальное плечо было длиной 1,5 м и диаметром 5 см; и гипотенуза была длиной 2,6 м и диаметром 10 см. Модуль фотобиореактора содержал 3 регулируемых блока, расположенных параллельно, подобно показанному на фиг. 2. Этот модуль биореактора имел площадь у основания 0,45 м².

Использовали газовую смесь (газ, сертифицированный Американской газовой ассоциацией), имитирующую композицию топочного газа (Нйоуаки е1 а1., 1998). Суммарный расход газа на входе был 715 мл/мин на каждые 10 л объема фотобиореактора в модуле. Отношение распределения газа в распределители, нагнетающие газ в вертикальные плечи, и в распределители, нагнетающие газ в плечи гипотенузы, было 50:50. Средний размер пузырьков составлял 0,3 мм. Содержание СО₂ и ΝΌ_Χ на впускном и выпускном отверстиях фотобиореактора измеряли, используя анализатор топочного газа (ОиШТОХ™; КеЕоп РгойисК Грантс-Пасс, Орегон).

Источником света, использовавшимся только для плеч гипотенуз, были широкополосные лампы 8υΝ8ΗΙΝΕ™ с интенсивностью излучения 390 Вт/м². Световое излучение измеряли фотометром ТЕ8 (ТЕ8 Е1ес1пса1 Е1ес1гошс Согр., Тайбэй, Тайвань, Республика Китай). Световой цикл включал в себя 12часовое освещение и 12-часовую темноту. Температура поддерживалась на уровне 26°С.

Значение теплоемкости водорослей измеряли, используя кислородную калометрическую микробомбу согласно Виг1ете, 1961.

В качестве модели использовали микроводоросли ЭппаНеПа рагуа (коллекция университета штата Техас в Остине). Они были выбраны намеренно, поскольку были подтверждены их пригодность для массового производства, устойчивость к композиции топочного газа и способность производить высококачественное биологическое топливо.

Использованной средой была модифицированная жидкость Г/2, содержащая 22 г/л ЫаС1, 16 г/л солей искусственной морской воды (ΙΝ8ΤΑΝΤ ОСЕАЫ®, Лсщанит ЗуЧепъ. 1пс., Ментор, Огайо), 0,425 г/л ХаИОз, 5 г/л МдС1₂, 4 г/л Иа₂8О₄ и 1 мл металлического раствора на каждый литр среды (см. ниже содержание основного раствора) плюс 5 мл раствора витаминов (см. ниже содержание основного раствора) на каждый литр среды. рН поддерживали на уровне 8.

Рецептура основного раствора.

Металлический раствор: следы металла на каждый литр основного раствора (хелатированного).

ЭДТА Ыа₂ 4,160 г

ГеС1₃-6Н₂О 3,150 г

Си8О₄-5Н₂О 0,010 г

2п8О₄-7Н₂О 0,022 г

СоС1₂-6Н₂О 0,010 г

МпС1₂-4Н₂О 0,180 г

Ыа₂МоО₄-2Н₂О 0,006 г

Раствор витаминов: основной раствор витаминов на 1 л.

Витамин В12 0,0005 г

Тиамин НС1 0,1 г

Витамин Н 0,0005 г

Плотность клеток вычисляли, используя спектрофотометрические измерения при 680 нм (см. Нйоуаки е1 а1., 1998).

В экспериментальных условиях были достигнуты следующие характеристики:

- 28 009596 извлечение 90% СΟ₂ (при наличии света);

удаление 98% и 71% ΝΟ_Χ (соответственно, на свету и в темноте);

эффективность по солнечному свету 19,6%.

Примеры 2-5. Решетки фотобиореакторов для извлечения загрязняющих веществ из топочного газа электростанции и производство биомассы водорослей.

Ниже все примеры относятся к работающей на угле электростанции мощностью 250 МВт с расходом топочного газа 781250 футов³/мин при стандартных условиях и потреблением угля 5556 т/сутки. Топочный газ содержал ί.’Ο2 (14% по объему), ΝΟΧ (250 ч./млн) и 8ΟΧ после очистки (200 ч./млн, ограничение согласно поправке 1990 к Закону США о чистом воздухе). Расчетная продолжительность солнечного света 12 ч/сутки, и среднее значение солнечного излучения 6,5 кВт-ч/м²/сутки, отражающее типичный уровень для юго-запада США (данные Министерства энергетики США). На основе данных примера 1 и литературных данных (Виг1ете, 1961) эффективность усвоения солнечного света водорослями принималась равной 20%. На основе характеристик из примера 1 и литературных данных (ЪНееНап е1 а1., 1998; Нпоуаки е1 а1., 1998), эффективность извлечения водорослями СΟ2 и ΝΟ_Χ в дневное время принималась равной 90 и 98% (соответственно), а ночью 0 и 75% (соответственно). Потенциал производства биологического дизельного топлива - 3,6 баррелей/т сухих водорослей (ЪНееНап е1 а1., 1998). Размеры системы и характеристики для различной производительности и разных условий эксплуатации сведены ниже в табл. 2.

Таблица 2

Размеры и результаты по производительности согласно примерам 2-5

Пример	Площадь у основания (км²)	% очистки всего образованного топочного газа	Режим работы биореакто ра (ч/сутки)	Суммарный % извлеченного СО₂*	Извлекаемый СО_г (т/год)
2	0,45	11	12	5	81000
3	0,45	11	24	5	81000
4	0,45	100	24	5	81000
5	1,3	33	12	15	244000

Пример	Суммарный % извлечен кого ΝΟ_Χ**	Удаляемый ΝΟ_Κ(т/год)	Производство биомассы водорослей (т(сухой массы)/год)	Производство биологического дизельного топлива (галлон/год)	Выработка воэобновля емой энергии, МВт***
2	6	170	31000	111600	7
3	9	290	31000	111600	7
4	85	2600	31000	111600	7
5	17	520	95000	342000	22

* Исключенная масса СΟ₂.

** Исключенная масса ΝΟ_Χ.

*** Коэффициент полезного действия электростанции предполагается 35%.

Хотя в настоящей заявке были описаны и проиллюстрированы несколько вариантов осуществления изобретения, специалисты в области техники, к которой относится изобретение, легко представят себе целый ряд других средств и конструкций для выполнения функций и/или получения результатов или преимуществ, описанных в настоящей заявке, и каждый из таких вариантов или модификаций считается находящимся в рамках объема настоящего изобретения. В основном, специалисты в указанной области техники легко поймут, что все параметры, размеры, материалы и конфигурации, описанные в настоящей заявке, являются примерными и что действительные параметры, размеры, материалы и конфигурации зависят от конкретных областей применения, в которых будут использоваться идеи настоящего изобретения. Эти специалисты в области техники распознают или смогут установить, используя не более чем обычное экспериментирование, многие эквиваленты конкретных вариантов осуществления, описанных в настоящей заявке. Поэтому должно быть понятно, что описанные выше варианты осуществления пред- 29 009596 ставлены только для примера и что в рамках объема приложенной формулы изобретения и ее эквивалентов изобретение может быть осуществлено на практике иным образом. чем конкретно описано. Настоящее изобретение касается каждого отдельного признака. системы. материала и/или способа. описанных в настоящей заявке. В дополнение к этому любое сочетание двух или более таких признаков. систем. материалов и/или способов при условии. что такие признаки. системы. материалы и/или способы не являются взаимно несовместимыми. находится в рамках объема настоящего изобретения. В формуле изобретения (так же. как и в приведенном выше описании) все промежуточные фразы или фразы включения. такие как содержащий. включающий в себя. имеющий. вмещающий. состоящий из. изготовленный из. образованный из и аналогичные. должны интерпретироваться как допускающие изменения. то есть как имеющие значение включающий в себя. но не ограниченный. Только промежуточные фразы или фразы включения состоящий из и состоящий. по существу. из должны интерпретироваться соответственно как закрытые или полузакрытые фразы.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ очистки газа в фотобиореакторе. включающий в себя создание потока жидкой среды. содержащей по меньшей мере один вид фотосинтезирующих организмов внутри фотобиореактора;

подвергание. по меньшей мере. участка фотобиореактора и по меньшей мере одного вида фотосинтезирующих организмов воздействию источника света. способного возбуждать фотосинтез;

вычисление первого интервала воздействия на фотосинтезирующие организмы света с интенсивностью. достаточной для возбуждения фотосинтеза. и второго интервала воздействия на фотосинтезирующие организмы темноты или света с интенсивностью. не достаточной для возбуждения фотосинтеза. требуемого для получения максимально возможной скорости роста фотосинтезирующих организмов внутри фотобиореактора; и регулирование потока жидкой среды внутри фотобиореактора. основанное на интервалах воздействия. определенных на этапе вычислений.
2. Способ очистки газа в фотобиореакторе по п.1. в котором выбранная скорость роста является максимально достижимой скоростью роста.
3. Способ очистки газа в фотобиореакторе по п.1. дополнительно включающий в себя ввод потока газа. подлежащего очистке. в фотобиореактор и по меньшей мере. частичное удаление из газа в фотобиореакторе СО₂ и/или NΟ_x.
4. Способ очистки газа в фотобиореакторе по п.3. в котором газ. вводимый на этапе ввода. содержит дымовой газ. отводимый из энергетической установки и/или из установки для сжигания отходов.
5. Способ очистки газа в фотобиореакторе по п.1. в котором на этапе регулирования поток жидкой среды регулируют. используя реализованную на базе компьютера систему. выполненную с возможностью осуществления имитации картин потоков жидкости внутри фотобиореактора. и на основании имитации для определения вычисленного действительного первого интервала воздействия на фотосинтезирующие микроорганизмы света с интенсивностью. достаточной для возбуждения фотосинтеза. и второго вычисленного действительного интервала воздействия на фотосинтезирующие организмы темноты или света с интенсивностью. не достаточной для возбуждения фотосинтеза. и для создания потока жидкой среды внутри биореактора. выбранного для минимизации разности между вычисленными действительными первым и вторым интервалами воздействия и первым и вторым интервалами воздействия. вычисленными на этапе вычислений.
6. Способ очистки газа в фотобиореакторе по п.5. в котором картины потоков жидкости внутри фотобиореактора характеризуются по меньшей мере одним из рециркуляционных вихрей и турбулентных завихрений.
7. Способ очистки газа в фотобиореакторе по п.5. в котором первый и второй интервалы воздействия. требуемые для получения выбранной скорости роста. вычисленной на этапе вычислений. определяют. используя математическую модель. которая имитирует скорость роста фотосинтезирующих организмов при подвергании в чередующиеся периоды времени воздействию света с интенсивностью. достаточной для возбуждения фотосинтеза. и действию света с интенсивностью. не достаточной для возбуждения фотосинтеза.
8. Способ очистки газа в фотобиореакторе по п.7. дополнительно включающий в себя до этапа вычислений определение по меньшей мере одного регулируемого параметра. по меньшей мере одного уравнения. использованного в математической модели. путем подгонки кривой по меньшей мере одного уравнения к данным скорости роста в зависимости от интервала воздействия света. полученным при использовании опытного биореактора. вмещающего жидкую среду. содержащую по меньшей мере один вид фотосинтезирующих организмов.
9. Способ очистки газа в фотобиореакторе по п.8. в котором опытный фотобиореактор содержит автоматизированную систему для культивирования и исследования клеток. содержащую по меньшей мере

- 30 009596 одну культуральную камеру, содержащую биореактор, имеющий объем от около 1 мкл до около 1 л.
10. Способ очистки газа в фотобиореакторе по п.5, в котором реализованная на базе компьютера система, используемая на этапе вычислений, дополнительно выполнена с возможностью приема сигнала от по меньшей мере одного датчика, который выполнен с возможностью контроля по меньшей мере одного внешнего или эксплуатационного показателя фотобиореактора во время работы.
11. Способ очистки газа в фотобиореакторе по п.10, в котором реализованная на базе компьютера система дополнительно выполнена с возможностью использования по меньшей мере одного сигнала от по меньшей мере одного датчика при определении вычисленных действительных первого и второго интервалов воздействия.
12. Способ очистки газа в фотобиореакторе по п.11, в котором по меньшей мере один датчик выполнен с возможностью контроля по меньшей мере одного показателя, выбранного из группы, состоящей из интенсивности света, падающего на фотобиореактор; оптической плотности и/или мутности жидкой среды внутри фотобиореактора; расхода газа на впуске фотобиореактора; скорости потока жидкой среды внутри фотобиореактора; температуры жидкой среды внутри фотобиореактора и температуры потока газа, подаваемого в фотобиореактор.
13. Способ очистки газа в фотобиореакторе по п.12, в котором реализованная на базе компьютера система выполнена с возможностью учета изменений по меньшей мере в одном сигнале, принимаемом от по меньшей мере одного датчика при регулировании потока жидкой среды внутри фотобиореактора, по существу, в реальном времени.
14. Способ очистки газа в фотобиореакторе по п.5, в котором фотобиореактор содержит, по меньшей мере, первую и вторую взаимосвязанные по текучей среде трубы, первый распределитель газа, выполненный с возможностью и расположенный для ввода потока газа в первую трубу, и второй распределитель газа, выполненный с возможностью и расположенный для ввода потока газа во вторую трубу, и в котором реализованная на базе компьютера система дополнительно выполнена с возможностью регулирования потока жидкой среды внутри фотобиореактора путем регулирования суммарного расхода газа, подлежащего очистке фотобиореактором, и распределения суммарного расхода газа в первый и второй распределители газа.
15. Способ очистки газа в фотобиореакторе по п.14, в котором реализованная на базе компьютера система дополнительно выполнена с возможностью регулирования суммарного расхода газа и распределения суммарного расхода газа в первый и второй распределители газа с тем, чтобы вызывать поток жидкости в первой трубе, имеющий направление, которое является противоточным по отношению к направлению потока пузырьков газа в первой трубе, и с тем, чтобы вызывать поток жидкости во второй трубе, имеющий направление, которое является попутным по отношению к направлению потока пузырьков газа во второй трубе.
16. Способ очистки газа в фотобиореакторе по п.1, в котором фотобиореактор содержит, по меньшей мере, первую, вторую и третью взаимосвязанные по текучей среде трубы, по меньшей мере одна из которых выполнена, по меньшей мере, частично прозрачной для света, излучаемого источником света, способного возбуждать фотосинтез, при этом трубы совместно образуют контур потока, дающий возможность жидкой среде, содержащейся внутри фотобиореактора, последовательно протекать из области исходной точки в контуре потока по первой, второй и третьей трубам и обратно в область исходной точки, в котором первая, вторая и третья трубы сконструированы и расположены так, что по меньшей мере одна из труб образует угол относительно горизонтали, который отличается от угла, образованного относительно горизонтали по меньшей мере одной из других труб, и в котором по меньшей мере одна из труб образует угол относительно горизонтали больше чем 10° и меньше чем 90°.
17. Способ очистки газа в фотобиореакторе по п.16, в котором каждая из первой, второй и третьей взаимосвязанных по текучей среде труб представляет собой удлиненную трубу, имеющую, по существу, круговую форму поперечного сечения.
18. Способ очистки газа в фотобиореакторе по п.1, в котором этап создания включает в себя ввод первого потока газа, подлежащего очистке фотобиореактором, в первый распределитель газа, выполненный с возможностью и расположенный для ввода потока газа в первую трубу фотобиореактора;

ввод второго потока газа, подлежащего очистке фотобиореактором, во второй распределитель газа, выполненный с возможностью и расположенный для ввода потока газа во вторую трубу фотобиореактора;

побуждение жидкой среды к протеканию в первой трубе в направлении, которое является противоточным по отношению к направлению потока пузырьков газа, образованных из первого потока газа, введенного в первую трубу; и побуждение жидкой среды к протеканию во второй трубе в направлении, которое является противоточным по отношению к направлению потока пузырьков газа, образованных из второго потока газа, введенного во вторую трубу.
19. Способ очистки газа в фотобиореакторе по п.1, в котором фотобиореактор содержит удлиненную наружную оболочку, имеющую, по существу, горизонтальную продольную ось и по

- 31 009596 меньшей мере одну поверхность, по меньшей мере, частично прозрачную для света, излучаемого источником света, способного возбуждать фотосинтез;

удлиненную внутреннюю камеру, расположенную внутри удлиненной наружной оболочки и имеющую продольную ось, по существу, совмещенную с продольной осью наружной оболочки, при этом удлиненная наружная оболочка и удлиненная внутренняя камера совместно образуют кольцевой контейнер, который уплотнен на его концах, и при этом кольцевой контейнер образует контур потока, дающий возможность жидкой среде, содержащейся внутри фотобиореактора, протекать последовательно из области исходной точки в контуре потока по периметру удлиненной внутренней камеры и обратно в область исходной точки.
20. Способ очистки газа в фотобиореакторе по п.1, в котором фотобиореактор содержит контейнер, вмещающий жидкую среду, имеющий, по меньшей мере, участок наружной стенки контейнера, выполненный, по меньшей мере, частично прозрачным для света от источника света, способного возбуждать фотосинтез, при этом по меньшей мере, участок внутренней поверхности наружной стенки контейнера покрыт слоем биологически совместимого вещества, которое является твердым при температурах до по меньшей мере около 45°С и которое имеет температуру плавления ниже температуры плавления наружной стенки контейнера, на которую оно нанесено.
21. Способ очистки газа в фотобиореакторе по п.1, в котором по меньшей мере один вид фотосинтезирующих организмов внутри фотобиореактора представляет собой водоросли.
22. Способ очистки газа в фотобиореакторе по п.1, в котором источник света, способного возбуждать фотосинтез, представляет собой солнце.
23. Способ очистки газа в фотобиореакторе, включающий в себя создание потока жидкой среды, содержащей по меньшей мере один вид фотосинтезирующих организмов внутри фотобиореактора;

подвергание, по меньшей мере, участка фотобиореактора и по меньшей мере одного вида фотосинтезирующих организмов воздействию источника света, способного возбуждать фотосинтез;

осуществление имитации картин потоков жидкости внутри фотобиореактора и на основании имитации определение первого интервала воздействия на фотосинтезирующие микроорганизмы света с интенсивностью, достаточной для возбуждения фотосинтеза, и второго интервала воздействия на фотосинтезирующие организмы темноты или света с интенсивностью, не достаточной для возбуждения фотосинтеза;

вычисление на основании первого интервала воздействия и второго интервала воздействия прогнозируемой скорости роста фотосинтезирующих организмов внутри фотобиореактора и регулирование потока жидкой среды внутри фотобиореактора с тем, чтобы получить выбранный первый интервал воздействия и выбранный второй интервал воздействия на фотосинтезирующие организмы для достижения максимально возможной прогнозируемой их скорости роста.
24. Способ очистки газа в фотобиореакторе по п.23, в котором картины потоков жидкости внутри фотобиореактора характеризуются по меньшей мере одним из рециркуляционных вихрей и турбулентных завихрений.
25. Способ очистки газа в фотобиореакторе по п.23, в котором желаемая прогнозируемая скорость роста является максимально достижимым прогнозируемым ростом.
26. Способ очистки газа в фотобиореакторе по п.23, в котором прогнозируемую скорость роста, вычисляемую на этапе вычислений на основании первого и второго интервалов воздействия, определяют, используя математическую модель, которая имитирует скорость роста фотосинтезирующих организмов при подвергании в чередующиеся периоды времени воздействию света с интенсивностью, достаточной для возбуждения фотосинтеза, и действию света с интенсивностью, не достаточной для возбуждения фотосинтеза.
27. Способ очистки газа в фотобиореакторе по п.26, дополнительно включающий в себя до этапа вычислений определение по меньшей мере одного регулируемого параметра по меньшей мере одного уравнения, использованного в математической модели, путем подгонки кривой по меньшей мере одного уравнения к данным скорости роста в зависимости от интервала воздействия света, полученным при использовании опытного биореактора, вмещающего жидкую среду, содержащую по меньшей мере один вид фотосинтезирующих организмов.
28. Газоочистная система, содержащая фотобиореактор, вмещающий жидкую среду, содержащую по меньшей мере один вид фотосинтезирующих организмов, при этом, по меньшей мере, участок фотобиореактора выполнен с возможностью пропускания света к фотосинтезирующим организмам, фотобиореактор содержит впускное отверстие, выполненное с возможностью соединения с источником газа, подлежащего очистке, жидкостный циркуляционный насос, сконструированный и расположенный для создания потока жидкой среды внутри фотобиореактора, и выпускное отверстие, выполненное с возможностью выпуска очищенного газа из фотобиореактора; и реализованную на базе компьютера систему, выполненную с возможностью осуществления имита

- 32 009596 ции картин потоков жидкости внутри фотобиореактора, и на основании имитации для вычисления первого интервала воздействия на фотосинтезирующие микроорганизмы света с интенсивностью, достаточной для возбуждения фотосинтеза, и второго интервала воздействия на фотосинтезирующие организмы темноты или света с интенсивностью, не достаточной для возбуждения фотосинтеза, и для регулирования потока жидкой среды внутри биореактора с тем, чтобы получать выбранный первый интервал воздействия и выбранный второй интервал воздействия на фотосинтезирующие организмы для достижения максимально возможной прогнозируемой скорости их роста.
29. Газоочистная система по п.28, в которой картины потоков жидкости внутри фотобиореактора характеризуются по меньшей мере одним из рециркуляционных вихрей и турбулентных завихрений.
30. Газоочистная система по п.28, в которой фотобиореактор содержит по меньшей мере одно газовпускное отверстие, выполненное с возможностью и расположенное для ввода потока газа, подлежащего очистке, в фотобиореактор, и в которой фотосинтезирующие организмы в жидкой среде после воздействия на них потока газа способны, по меньшей мере, частично удалять из газа СО₂ и/или ΝΟ_Χ.
31. Газоочистная система по п.30, в которой по меньшей мере одно газовпускное отверстие соединено в сообщении по текучей среде с источником дымового газа, отводимого из энергетической установки и/или из установки для сжигания отходов.
32. Газоочистная система по п.28, в которой выбранный первый интервал воздействия и выбранный второй интервал воздействия являются интервалами, дающими желаемую среднюю скорость роста фотосинтезирующих организмов, определенную с помощью математической модели, которая имитирует скорость роста фотосинтезирующих организмов при подвергании в чередующиеся периоды времени воздействию света с интенсивностью, достаточной для возбуждения фотосинтеза, и действию света с интенсивностью, не достаточной для возбуждения фотосинтеза.
33. Газоочистная система по п.32, в которой выбранная средняя скорость роста фотосинтезирующих организмов является максимальной скоростью роста.
34. Газоочистная система по п.28, в которой реализованная на базе компьютера система дополнительно выполнена с возможностью вычисления выбранного первого интервала воздействия на фотосинтезирующие организмы света с интенсивностью, достаточной для возбуждения фотосинтеза, и выбранного второго интервала воздействия на фотосинтезирующие организмы темноты или света с интенсивностью, не достаточной для возбуждения фотосинтеза, требуемого для получения желаемой скорости роста фотосинтезирующих организмов внутри фотобиореактора, при использовании математической модели, которая имитирует скорость роста фотосинтезирующих организмов при подвергании в чередующиеся периоды времени воздействию света с интенсивностью, достаточной для возбуждения фотосинтеза, и действию света с интенсивностью, не достаточной для возбуждения фотосинтеза, и для создания потока жидкой среды внутри биореактора, выбранного для минимизации разности между первым и вторым интервалами воздействия, вычисленными на основании имитации картин потоков жидкости, и выбранными первым и вторым интервалами воздействия, вычисленными на основании математической модели, которая имитирует скорость роста фотосинтезирующих организмов.
35. Газоочистная система по п.32, дополнительно содержащая по меньшей мере один датчик, который выполнен с возможностью контроля по меньшей мере одного внешнего или эксплуатационного показателя фотобиореактора во время работы, при этом реализованная на базе компьютера система дополнительно выполнена с возможностью приема сигнала от по меньшей мере одного датчика.
36. Газоочистная система по п.35, в которой реализованная на базе компьютера система дополнительно выполнена с возможностью использования по меньшей мере одного сигнала от по меньшей мере одного датчика при вычислениях первого и второго интервалов воздействия на основании имитации картин потоков жидкости.
37. Газоочистная система по п.36, в которой по меньшей мере один датчик выполнен с возможностью контроля по меньшей мере одного показателя, выбранного из группы, состоящей из интенсивности света, падающего на фотобиореактор; оптической плотности и/или мутности жидкой среды внутри фотобиореактора; расхода газа на впуске в фотобиореактор; скорости потока жидкой среды внутри фотобиореактора; температуры жидкой среды внутри фотобиореактора и температуры потока газа, подаваемого в фотобиореактор.
38. Газоочистная система по п.37, в которой реализованная на базе компьютера система выполнена с возможностью учета изменений по меньшей мере в одном сигнале, принимаемом от по меньшей мере одного датчика при регулировании потока жидкой среды внутри фотобиореактора, по существу, в реальном времени.
39. Газоочистная система по п.32, в которой фотобиореактор содержит, по меньшей мере, первую и вторую взаимосвязанные по текучей среде трубы, первый распределитель газа, выполненный с возможностью и расположенный для ввода потока газа в первую трубу, и второй распределитель газа, выполненный с возможностью и расположенный для ввода потока газа во вторую трубу, и в которой реализованная на базе компьютера система дополнительно выполнена с возможностью регулирования потока жидкой среды внутри фотобиореактора путем регулирования суммарного расхода газа, подлежащего

- 33 009596 очистке фотобиореактором, и распределения суммарного расхода газа в первый и второй распределители газа.
40. Газоочистная система по п.39, в которой реализованная на базе компьютера система дополнительно выполнена с возможностью регулирования суммарного расхода газа и распределения суммарного расхода газа в первый и второй распределители газа с тем, чтобы вызывать поток жидкости в первой трубе, имеющий направление, которое является противоточным по отношению к направлению потока пузырьков газа в первой трубе, и с тем, чтобы вызывать поток жидкости во второй трубе, имеющий направление, которое является попутным по отношению к направлению потока пузырьков газа во второй трубе.
41. Газоочистная система по п.28, в которой фотобиореактор содержит, по меньшей мере, первую, вторую и третью взаимосвязанные по текучей среде трубы, по меньшей мере одна из которых выполнена, по меньшей мере, частично прозрачной для света, при этом трубы совместно образуют контур потока, дающий возможность жидкой среде, содержащейся внутри фотобиореактора, последовательно протекать из области исходной точки в контуре потока по первой, второй и третьей трубам и обратно в область исходной точки, в которой первая, вторая и третья трубы сконструированы и расположены так, что по меньшей мере одна из труб образует угол относительно горизонтали, который отличается от угла, образованного относительно горизонтали по меньшей мере одной из других труб, и в которой по меньшей мере одна из труб образует угол относительно горизонтали больше чем 10° и меньше чем 90°.
42. Газоочистная система по п.41, в которой каждая из первой, второй и третьей взаимосвязанных по текучей среде труб представляет собой удлиненную трубу, имеющую, по существу, круговую форму поперечного сечения.
43. Газоочистная система по п.28, в которой фотобиореактор содержит удлиненную наружную оболочку, имеющую, по существу, горизонтальную продольную ось и по меньшей мере одну поверхность, по меньшей мере, частично прозрачную для света;

удлиненную внутреннюю камеру, расположенную внутри удлиненной наружной оболочки и имеющую продольную ось, по существу, совмещенную с продольной осью наружной оболочки, при этом удлиненная наружная оболочка и удлиненная внутренняя камера совместно образуют кольцевой контейнер, который уплотнен на его концах, и при этом кольцевой контейнер образует контур потока, дающий возможность жидкой среде, содержащейся внутри фотобиореактора, протекать последовательно из области исходной точки в контуре потока по периметру удлиненной внутренней камеры и обратно в область исходной точки.
44. Газоочистная система по п.28, в которой фотобиореактор содержит контейнер, вмещающий жидкую среду, имеющий, по меньшей мере, участок наружной стенки контейнера, выполненный, по меньшей мере, частично прозрачным для света от источника света, при этом по меньшей мере, участок внутренней поверхности наружной стенки контейнера покрыт слоем биологически совместимого вещества, которое является твердым при температурах до по меньшей мере около 45°С и которое имеет температуру плавления ниже температуры плавления наружной стенки контейнера, на которую оно нанесено.
45. Газоочистная система по п.28, в которой по меньшей мере один вид фотосинтезирующих организмов внутри фотобиореактора представляет собой водоросли.
46. Газоочистная система для очистки газа в фотобиореакторе, содержащая средство для создания потока жидкой среды, содержащей по меньшей мере один вид фотосинтезирующих организмов, внутри фотобиореактора;

средство для подвергания, по меньшей мере, участка фотобиореактора и по меньшей мере одного вида фотосинтезирующих организмов воздействию источника света, способного возбуждать фотосинтез;

средство для вычисления первого интервала воздействия на фотосинтезирующие организмы света с интенсивностью, достаточной для возбуждения фотосинтеза, и второго интервала воздействия на фотосинтезирующие организмы темноты или света с интенсивностью, не достаточной для возбуждения фотосинтеза, требуемого для получения максимально возможной скорости роста фотосинтезирующих организмов внутри фотобиореактора; и средство регулирования потока жидкой среды внутри фотобиореактора, основанного на интервалах воздействия, определенных на этапе вычислений.