JP2005533632A

JP2005533632A - バイオマス製造および燃料気体中の汚染物質の軽減のためのフォトバイオリアクターおよびプロセス

Info

Publication number: JP2005533632A
Application number: JP2004502703A
Authority: JP
Inventors: アイザックバージン，
Original assignee: グリーンフューエルテクノロジーズコーポレイション
Priority date: 2002-05-13
Filing date: 2003-05-13
Publication date: 2005-11-10
Also published as: AU2003234604A1; EP1509076A4; WO2003094598A1; EP1509076A1; EA200401492A1; EA200702294A1; CA2488443A1; US20050260553A1; CN1668185A; EA009596B1; CN100374539C

Abstract

本発明の特定の実施形態および局面は、少なくとも１種の光合成生物を含有する液体媒体（１０８）を収容するように設計れたフォトバイオリアクター装置（１００）、ならびに特定の量の所望でない汚染物質を気体ストリーム（６０８）から少なくとも部分的に除去し得る気体処理プロセスおよびシステムの一部としての、フォトバイオリアクター装置（１００）の使用方法に関する。特定の実施形態において、開示されるフォトバイオリアクター装置（１００）は、一体化された燃焼の方法およびシステムの一部として利用され得、ここで、フォトバイオリアクター（１００）内で利用される光合成生物が、燃焼気体内に含まれる特定の汚染化合物（例えば、ＣＯ_２および／またはＮＯ_Ｘ）を少なくとも部分的に除去し、そして引き続いて、フォトバイオリアクター（１００）から回収され、処理され、そして燃焼デバイスのための燃料源として利用される。

Description

（関連出願）
本願は、米国特許法第１１９条第（ｅ）項の下で、米国仮出願番号６０／３８０，１７９（発明の名称「ＰＨＯＴＯＢＩＯＲＥＡＣＴＯＲＡＮＤＰＲＯＣＥＳＳＦＯＲＭＩＴＩＧＡＴＩＯＮＯＦＦＬＵＥ−ＧＡＳＥＳ」、２００２年５月１３日出願、これは、その全体が本明細書中に参考として援用される）に対して優先権を主張する。

（発明の分野）
本発明は、一般に、フォトバイオリアクター、ならびに気体（例えば、燃料気体）の処理のためにフォトバイオリアクターを操作および使用するプロセスに関する。

（発明の背景）
米国単独において、１，６００発生単位に相当する４００の石炭燃焼発電所および別の１０，０００の化石燃料プラントが存在する。石炭プラントは、化石燃料使用者の最も汚れたものであるが、石油プラントおよびガスプラントもまた、ＣＯ_２、ＮＯ_Ｘ、ＳＯ_Ｘ、水銀、水銀含有化合物、粒子および他の汚染物質を含有し得る燃料気体（燃焼気体）を発生させる。

光合成は、生物圏の炭素再循環機構である。このプロセスにおいて、光合成生物（例えば、植物）は、ＣＯ_２固定によって、炭水化物および他の細胞物質を合成する。ＣＯ_２および太陽エネルギーの、バイオマスへの最も効率のよい転換者の１つは、藻類であり、これは、地球上で最も速く増殖する植物であり、そして自然界の最も単純な微生物の１つである。実際に、藻類に供給されるＣＯ_２の９０％より多くが、主として細胞塊の生成物として吸収され得る（ＳｈｅｅｈａｎＪｏｈｎ，ＤｕｎａｈａｙＴｅｒｒｉ，ＢｅｎｅｍａｎｎＪｏｈｎＲ．，ＲｏｅｓｓｌｅｒＰａｕｌ，「ＡＬｏｏｋＢａｃｋａｔｔｈｅＵ．Ｓ．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｎｅｒｇｙ’ｓＡｑｕａｔｉｃＳｐｅｃｉｅｓＰｒｏｇｒａｍ：ＢｉｏｄｉｅｓｅｌｆｒｏｍＡｌｇａｅ」，１９９８，ＮＥＲＬ／ＴＰ−５８０−２４１９０；本明細書中以下で「Ｓｈｅｅｈａｎら」）。さらに、藻類は、農業用には不適切な生理食塩水中で、増殖する能力を有する。

藻類バイオテクノロジーを使用して、ＣＯ_２生物再生は、廃物であるＣＯ_２からの、有用な高価値の生成物の生成に起因して、有利であり得る。ＣＯ_２の還元のための燃焼気体処理の間の藻類バイオマスの生成は、魅力的な概念である。なぜなら、乾燥した藻類は、石炭におよそ等しい発熱量を有するからである。藻類バイオマスはまた、公知の技術によって、熱化学転換を介して高品質の液体燃料（原油に類似）に変化し得る。藻類バイオマスはまた、ガス化のために使用されて、非常に引火性の有機燃料気体を生成し得、これは、気体燃焼発電所における使用に適切である（例えば、ＲｅｅｄＴ．Ｂ．およびＧａｕｒＳ．「ＡＳｕｒｖｅｙｏｆＢｉｏｍａｓｓＧａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ」ＮＲＥＬ，２００１；本明細書中以下で「ＲｅｅｄおよびＧａｕｒ２００１」を参照のこと）。

約１１４キロカロリー（４７７ｋＪ）の自由エネルギーが、光合成の間に固定される１モルのＣＯ_２ごとに、植物バイオマスにおいて貯蔵される。藻類は、世界中の正味の光合成活性の約３分の１の原因である。光合成は、以下の式によって、簡単に表され得る：
ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ＋光→（ＣＨ_２Ｏ）＋Ｏ_２
ここで、（ＣＨ_２Ｏ）は、炭素質バイオマスについて一般化された化学式を表す。

光合成は、太陽放射線を貯蔵されたバイオマスに転換するための基礎であるが、効率は、光合成を駆動する能力を有する光エネルギーの限定された波長範囲（４００〜７００ｎｍであり、これは、全太陽エネルギーの約半分にすぎない）によって、制限され得る。他の要因（例えば、呼吸の要件（暗所の期間の間）、太陽光を吸収する効率、および他の増殖条件）が、藻類のバイオリアクターにおける光合成効率に影響を与え得る。正味の結果は、全体の光合成効率であり、これは、野外における６％（開いた池の型の反応器について）から、最も効率的な実験室規模のフォトバイオリアクターにおける２４％の範囲であり得る。

藻類培養物はまた、燃焼気体からの生物学的ＮＯ_Ｘ除去のために使用され得る（ＮａｇａｓｅＨｉｒｏｙａｓｕ，Ｋｅｎ−ＩｃｈｉＹｏｓｈｉｈａｒａ，ＫａｏｒｕＥｇｕｃｈｉ，ＹｏｓｈｉｋｏＹｏｋｏｔａ，ＲｉｅＭａｔｓｕｉ，ＫａｚｕｍａｓａＨｉｒａｔａおよびＫａｚｕｈｉｓａＭｉｙａｍｏｔｏ，「ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＢｉｏｌｏｇｉｃａｌＮＯ_ＸＲｅｍｏｖａｌｆｒｏｍＦｌｕｅＧａｓｉｎａＤｕｎａｌｉｅｌｌａｔｅｒｔｉｏｌｅｃｔａＣｕｌｔｕｒｅＳｙｓｔｅｍ」、ＪｏｕｒｎａｌｏｆＦｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎａｎｄＢｉｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，８３，１９９７；本明細書中以下で、「Ｈｉｒｏｙａｓｕら、１９９７」）。いくつかの藻類の種は、広範なＮＯ_Ｘ濃度および燃焼気体流量において、ＮＯ_Ｘを除去し得る。一酸化窒素（ＮＯ）（主要なＮＯ_Ｘ成分）は、水相に溶解され、その後、ＮＯ_２に酸化され、そして藻類細胞によって同化される。以下の式は、溶解したＯ_２との溶解したＮＯの反応を記載する：
４ＮＯ＋Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ→４ＮＯ_２ ⁻＋４Ｈ^＋。

次いで、溶解したＮＯ_２が、藻類によって、窒素源として使用され、そして気体Ｎ_２に部分的に転換される。水相中へのＮＯの溶解は、このＮＯ_Ｘ除去プロセスにおける率側工程であると考えられる。このプロセスは、以下の式によって記載され、ここで、ｋは、温度依存性速度定数である：
−ｄ［ＮＯ］／ｄｔ＝４ｋ［ＮＯ］^２［Ｏ_２］。

例えば、藻類の種であるＤｕｎａｌｉｅｌｌａを使用するＮＯ_Ｘ除去は、明条件と暗条件との両方で起こり得、ＮＯ_Ｘ除去の効率は、９６％を超える（明条件下）。

藻類バイオテクノロジーから燃料を作製することもまた、提唱されている。１８年間にわたって、米国エネルギー省（ＤＯＥ）は、藻類からの再生可能な輸送燃料を開発するための、大規模な一連の研究に資金援助した（ＳｈｅｅｈａｎＪ．，ＤｕｎａｈａｙＴ．，ＢｅｎｅｍａｎｎＪ．Ｒ．，ＲｏｅｓｓｌｅｒＰ．，「ＡｌｏｏｋｂａｃｋａｔｔｈｅＵ．Ｓ．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｎｅｒｇｙ’ｓａｑｕａｔｉｃｓｐｅｃｉｅｓｐｒｏｇｒａｍ：Ｂｉｏｄｉｅｓｅｌｆｒｏｍａｌｇａｅ」、１９９８ＮＥＲＬ／ＴＰ−５８０−２４１９０：本明細書中以下で「Ｓｈｅｅｈａｎら、１９９８」）。日本において、政府の機関（ＭＩＴＩ）は、民間会社と一緒になって、２億５千万ドルより多くを、藻類バイオテクノロジーに投資した。各プログラムは、異なるアプローチを採用したが、種々の問題（本発明の特定の実施形態によって取り組まれる）に起因して、いずれも、現在まで商業的に成功していない。

実行可能な藻類生物再生および汚染の排除に対する主要な障害は、効率的であり、なお費用効果的な増殖システムである。ＤＯＥの研究は、藻類を、４ｋｍ^２程度に大きい、大きな開いた池において、藻類を増殖させることに焦点を当てた。この池は、低い資本投入を必要とする；しかし、開いた、制御されない環境で増殖される藻類は、低い藻類生産性を生じる。開いた池の技術は、藻類を増殖および採取することを、手が出ないほど高価にした。なぜなら、多量の希薄な藻類汚染物は、非常に大きい撹拌機、ポンプおよび遠心機を必要と下からである。さらに、低い藻類生産性および大きい平地の要件により、このアプローチは、最良の場合の概要において、米国の発電所の１％にのみ適用され得る（Ｓｈｅｅｈａｎら、１９９８）。他方で、土地の制約がより厳しいＭＩＴＩのアプローチは、光の伝達のために光ファイバーを利用する、非常に高価な閉じた藻類フォトバイオリアクターに焦点を当てた。これらの制御された環境において、ずっと高い藻類生産性が達成されたが、藻類の増殖層度は、利用される高価なシステムの資本費用を埋め合わせるために十分には高くなかった。

代表的な従来のフォトバイオリアクターは、いくつかの形態（例えば、円筒形または管状のバイオリアクター（例えば、Ｙｏｇｅｖらによって米国特許第５，９５８，７６１号において教示されるような））をとる。これらのバイオリアクターは、水平に配向される場合、代表的に、混合を提供するためのさらなるエネルギー（例えば、ポンプ）を必要とし、従って、かなりの資本および操作の費用を追加する。この配向において、光合成によって発生するＯ_２は、このシステム内に捕捉され得、従って、藻類の増殖の減少を引き起こす。他の公知のフォトバイオリアクターは、垂直に配向され、そして空気力によって撹拌される。このようなフォトバイオリアクターの多くは、以下に議論されるような「気泡塔」として働く。いくつかの公知のフォトバイオリアクター設計は、人工的照明（例えば、蛍光灯（例えば、Ｋｏｄｏらによって米国特許第６，０８３，７４０号に記載される））に依存する。太陽エネルギーを利用せず、その代わりに人工的な光源のみに依存するフォトバイオリアクターは、莫大なエネルギー投入を必要とし得る。

多くの従来のフォトバイオリアクターは、円筒形の藻類フォトバイオリアクターを備え、このフォトバイオリアクターは、「気泡塔」または「エアリフト反応器」のいずれかとして分類され得る。気泡塔は、代表的に、液体媒体中に懸濁された藻類を充填された、透明な大きい直径のコンテナであり、この中で、気体が、このコンテナの底部で吹き込まれる。正確に規定された流線が再現可能に形成されないので、このシステムの混合特性を制御することが困難であり得、このことは、低い質量輸送係数、乏しい光変換、および低い生産性を導き得る。エアリフト反応器は、代表的に、垂直に配向した同心管状コンテナから構成され、この中で、気体が、内側の管の底部で吹き込まれる。この管の底部で生じる圧力勾配は、環状の液体流れ（内側管を通って上方へ、および管の間で下方へ）を作製する。外側の管は、透明な材料から作製され、一方で、内側の管は、通常、不透明である。従って、藻類は、管の間を通る間に光に曝露され、そして内側の管を通る間に、暗所に曝露される。明−暗サイクルは、反応機の幾何学的設計（高さ、管の直径）、および操作パラメータ（例えば、気体流量）によって、決定される。エアリフト反応器は、より高い気泡塔と比較される場合に、より高い質量輸送係数および藻類産生性を有し得る。しかし、エアリフト反応器内の流れパターンを制御して、所望のレベルの機能および光品換気を達成することは、依然として、困難または非実用的であり得る。さらに、幾何学的な設計のコンテナに起因して、大規模の野外での藻類産生の間、両方の型の円筒形フォトバイオリアクターは、低い生産性に悩まされ得る。これは、光の反射および自動遮蔽効果（ここで、１つのカラムが別のカラムを遮蔽する）に関する要因に起因する。

（発明の要旨）
本発明の特定の実施形態および局面は、フォトバイオリアクター装置、気体処理システム、ならびにフォトバイオリアクターを使用する方法、フォトバイオリアクターおよびフォトバイオリアクターシステムを制御および操作するための方法およびシステム、予め適合された藻類株、ならびにこのような株を産生するための方法およびシステム、ならびに一体化された燃焼／気体処理／炭素燃料再循環の方法およびシステムに関する。

第一のセットの実施形態において、一連のフォトバイオリアクター装置、フォトバイオリアクターシステム、および気体処理システムが開示される。第一の実施形態において、気体処理システムが開示され、このシステムは、フォトバイオリアクターであって、少なくとも１種の光合成生物を含有する液体媒体を内部に含み、このフォトバイオリアクターの少なくとも一部分は、光合成生物に光を透過するように構成されており、このフォトバイオリアクターは、処理されるべき気体の源を接続可能であるように構成された入口、フォトバイオリアクター内での液体媒体の流れを確立するように構成および配置された流体循環器、ならびにフォトバイオリアクターから処理された気体を放出するように構成された出口を備える、フォトバイオリアクター；ならびにコンピュータ実装システムであって、フォトバイオリアクター内での液体流れパターンのシミュレーションを実施するように、そしてこのシミュレーションから、光合成生物の、光合成を駆動するために十分な強度の光への第一の曝露間隔、および光合成生物の、暗所、または光合成を駆動するために不十分な強度の光への第二の曝露間隔を計算するように、そして光合成生物の選択された第一の曝露間隔および選択された第二の曝露間隔を得るように、バイオリアクター内での液体媒体の流れを制御するように構成されている、コンピュータ実装システムを備える。

別の実施形態において、フォトバイオリアクターで気体を処理するためのシステムが開示され、このシステムは、少なくとも１種の光合成生物を含有する液体媒体の流れを、フォトバイオリアクター内で確立するための手段；フォトバイオリアクターの少なくとも一部分および少なくとも１種の光合成生物を、光合成を駆動する能力を有する光の源に曝露するための手段；光合成生物の、光合成を駆動するために十分な強度の光への第一の曝露間隔、および光合成生物の、暗所、または光合成を誘導するために不十分な強度の光への第二の曝露間隔を計算して、フォトバイオリアクター内での、光合成生物の選択された増殖速度を得るための手段；ならびに計算する工程において決定された間隔に基づいて、フォトバイオリアクター内での液体媒体の流れを制御するための手段を備える。

なお別の実施形態において、フォトバイオリアクター装置が開示され、この装置は、流体的に相互接続された、少なくとも第一の導管、第二の導管、および第三の導管であって、これらの導管のうちの少なくとも１つは、光合成を誘導する能力を有する波長の光に対して少なくとも部分的に透明であり、これらの導管は、一緒になって、流れループを提供し、この流れループは、フォトバイオリアクター内に収容される液体媒体が、流れループ内の起点領域から、第一の導管、第二の導管、および第三の導管を通って流れ、そして起点領域へと戻ることを可能にし、第一の導管、第二の導管、および第三の導管が、これらの導管のうちの少なくとも１つが、水平に対してある角度を形成するように構成および配置されており、この角度が、他の導管のうちの少なくとも１つの、水平に対して形成される角度とは異なり、これらの導管のうちの少なくとも１つが、水平に対して、１０°より大きく９０°未満である角度を形成する。

別の実施形態において、フォトバイオリアクターシステムが開示され、このフォトバイオリアクターシステムは、フォトバイオリアクターであって、以下：内部に液体媒体を収容する、流体的に相互接続された、少なくとも第一の導管および第二の導管であって、これらの導管のうちの少なくとも１つは、光合成を駆動する能力を有する波長の光に対して少なくとも部分的に透過性である、第一の導管および第二の導管、第一の導管内に気体ストリームを導入するように構成および配置された、第一の気体多孔分散管、第二の導管内に気体ストリームを導入するように構成および配置された、第二の気体多孔分散管、およびフォトバイオリアクターから気体を放出するように構成された、少なくとも１つの出口、を備える、フォトバイオリアクター；ならびに制御装置であって、フォトバイオリアクターによって処理されるべき気体の全体の流量、ならびに第一の気体分散管および第二の気体分散管への全体の流量の分布を制御するように構成されており、これによって、第一の導管において、第一の導管内の気泡の流れの方向に対して向流である方向を有する液体流れを誘導し、そして第二の導管において、第二の導管内の気泡の流れの方向に対して並流である方向を有する液体流れを誘導する、制御装置、を備える。

なお別の実施形態において、フォトバイオリアクター装置が開示され、この装置は、細長外側エンクロージャーであって、本質的に水平な長手方向軸、および光合成を誘導する能力を有する波長の光に対して少なくとも部分的に透明である少なくとも表面を有する、細長外側エンクロージャー、ならびにこの細長外側エンクロージャー内に配置された、細長内側チャンバであって、外側エンクロージャーの長手方向軸と実質的に整列する長手方向軸を有する、細長内側チャンバ、を備え、細長外側エンクロージャーおよび細長内側チャンバが、一緒になって、両端において密封された環状コンテナを規定し、そしてこの環状コンテナが、流れループを提供し、この流れループは、フォトバイオリアクター内に収容された液体媒体が、流れループ内の起点領域から、細長内側チャンバの周囲の周りを連続的に流れ、そして起点領域に戻ることを可能にする。

別の実施形態において、フォトバイオリアクター装置が開示され、この装置は、少なくとも１種の光合成生物を含有する液体媒体を内部に収容するコンテナであって、このコンテナの外側壁の少なくとも一部分が、光合成を駆動する能力を有する波長の光に対して少なくとも部分的に透明である、コンテナを備え、このコンテナの外側壁の内側表面の少なくとも一部分が、生体適合性物質の層でコーティングされており、この生体適合性物質は、少なくとも約４５℃までの温度において固体であり、そしてこの生体適合性物質がコーティングされるコンテナの外側壁の融点より低い融点を有する。

なお別の実施形態において、気体処理システムが開示され、このシステムは、フォトバイオリアクター；ならびにこのフォトバイオリアクターと流体連絡して接続された気体処理装置であって、この気体処理装置は、ＳＯ_Ｘ、水銀および水銀含有化合物からなる群より選択される少なくとも１つの物質を気体から少なくとも部分的に除去し得るように構成されている、気体処理装置を備える。

別の一連の実施形態において、フォトバイオリアクターを使用する方法、ならびにフォトバイオリアクターおよびフォトバイオリアクターシステムを制御および操作するための方法が開示される。１つの実施形態において、フォトバイオリアクターで気体を処理する方法が開示され、この方法は、少なくとも１種の光合成生物を含有する液体媒体の流れを、フォトバイオリアクター内に確立する工程；フォトバイオリアクターの少なくとも一部分および光合成生物の少なくとも一部分を、光合成を駆動する能力を有する光の源に曝露する工程；光合成生物の、光合成を駆動するために十分な強度での光への第一の曝露間隔、および光合成生物の、暗所、またはフォトバイオリアクター内での光合成生物の選択された増殖を得るために必要とされる光合成を駆動するために不十分な強度の光への第二の曝露間隔を計算する工程；ならびにこの計算する工程において決定された曝露間隔に基づいて、フォトバイオリアクター内での液体媒体の流れを制御する工程を包含する。

別の実施形態において、フォトバイオリアクターで気体を処理する方法が開示され、この方法は、少なくとも１種の光合成生物を含有する液体媒体の流れを、フォトバイオリアクター内で確立する工程；フォトバイオリアクターの少なくとも一部分および少なくとも１種の光合成生物を、光合成を駆動する能力を有する光の源に曝露する工程；フォトバイオリアクター内での液体流れパターンのシミュレーションを実施し、そしてこのシミュレーションから、光合成生物の、光合成を駆動するために十分な強度の光への第一の曝露間隔、および光合成生物の、暗所、または光合成を駆動するために不十分な強度の光への第二の曝露間隔を決定する工程；第一の曝露間隔および第二の曝露間隔から、フォトバイオリアクター内での光合成生物の予測される増殖速度を計算する工程；ならびに光合成生物の選択された第一の曝露間隔および選択された第二の曝露間隔を得るように、フォトバイオリアクター内での液体媒体の流れを制御して、計算する工程において決定されるような所望の予測される増殖速度を達成する工程を包含する。

なお別の実施形態において、フォトバイオリアクターを作動させる方法が開示され、この方法は、フォトバイオリアクターによって処理されるべき気体の第一のストリームを、第一の気体多孔分散管に導入する工程であって、第一の気体多孔分散管が、気体ストリームを、フォトバイオリアクターの第一の導管に導入するように構成および配置されている、工程；フォトバイオリアクターによって処理されるべき気体の第二のストリームを、第二の気体多孔分散管に導入する工程であって、この第二の気体多孔分散管が、気体ストリームを、フォトバイオリアクターの第二の導管に導入するように構成および配置されている、工程；第一の導管において、第一の導管内に導入される気体の第一のストリームから形成される気泡の流れの方向に対して向流である方向を有する液体流れを誘導する工程；ならびに第二の導管において、第二の導管内に導入される気体の第二のストリームから形成される気泡の流れの方向に対して並流である方向を有する液体流れを誘導する工程を包含する。

別の実施形態において、フォトバイオリアクターシステムで気体を処理する方法が提供され、この方法は、気体をフォトバイオリアクターに通す工程；フォトバイオリアクター内の気体から、少なくとも１つの物質を少なくとも部分的に除去する工程；フォトバイオリアクターと流体連絡する気体処理装置に、気体を通す工程；ならびに気体から、気体処理装置内の、ＳＯ_Ｘ、水銀および水銀含有化合物からなる群より選択される少なくとも１つの物質を少なくとも部分的に除去する工程を包含する。

別の一連の実施形態において、予め適合された藻類株、ならびにこのような株を産生するための方法およびシステムが開示される。１つの実施形態において、方法が提供され、この方法は、少なくとも１種の光合成生物を内部に含有する液体媒体を、予め決定されたセットの増殖条件に曝露する工程であって、この増殖条件は、光合成生物が引き続いてフォトバイオリアクター内で曝露される条件をシミュレートするように選択されており、これによって、予め選択されたセットの増殖条件に対して、光合成生物を予備馴化する、工程；この曝露する工程において予備馴化された光合成生物を採取する工程；およびフォトバイオリアクターに、採取された光合成生物の少なくとも一部を播種する工程を包含する。

別の実施形態において、フォトバイオリアクターシステムの操作を容易にするための方法が提供され、この方法は、少なくとも１種の光合成生物を提供する工程であって、この光合成生物は、予め決定されたセットの増殖条件に曝露することによって予備馴化されており、この増殖条件に対して、光合成生物が、フォトバイオリアクターシステムの作動の間、フォトバイオリアクターシステムにおいて引き続いて曝露される、工程を包含する。

別の一連の実施形態において、一体化された燃焼／気体処理／炭素燃料再循環の方法およびシステムが開示される。１つのこのような実施形態において、一体化燃焼方法が開示され、この方法は、燃料を燃焼デバイスで燃焼させて、熱い燃焼気体ストリームを生成する工程；この熱い燃焼気体ストリームを乾燥器に供給し、そしてこの乾燥器内で、燃焼気体ストリームを冷却する工程；この冷却された燃焼気体を、液体媒体を内部に収容するフォトバイオリアクターの入口に通す工程であって、この液体媒体は、少なくとも１種の光合成生物を含有する、工程；この燃焼気体から、光合成生物を用いて、少なくとも１つの物質を少なくとも部分的に除去する工程であって、この少なくとも１種の物質は、この生物によって、増殖および再生のために利用される、工程；少なくとも１種の光合成生物を含有する液体媒体の少なくとも一部分を、フォトバイオリアクターから除去する工程；この除去する工程において除去された液体媒体を、供給する該工程において熱い燃焼気体を供給された乾燥器で乾燥させて、乾燥した藻類バイオマス生成物を生成する工程；ならびにこの乾燥された藻類バイオマス生成物を、燃焼工程において燃焼される燃料として、そして／または燃焼工程において燃焼される燃料の製造のために、使用する工程を包含する。

本発明の他の利点、新規特徴、および使用は、添付の図面と組み合わせて考慮される場合に、以下の本発明の非限定的な詳細な説明から明らかになる。これらの図面は、概略的であり、そして同一縮尺で描かれることを意図されない。図において、種々の図に示される各同一または実施売って機に類似の構成要素は、代表的に、単一の番号または記載によって表される。明瞭にする目的で、当業者が本発明を理解することを可能にするために図示が必要ではない場合は、全ての構成要素が全ての図において標識されているわけではなく、示される本発明の各実施形態の全ての構成要素であるわけではない。本明細書および参考として援用される文献が矛盾する開示を含む場合には、本明細書が支配するべきである。

（発明の詳細な説明）
本発明の特定の実施形態および局面は、少なくとも１種の光合成生物を含有する液体媒体を内部に収容するように設計されたフォトバイオリアクター装置、ならびに特定の望ましくない汚染物質を気体ストリームから少なくとも部分的に除去し得る気体処理プロセスおよびシステムの一部として、フォトバイオリアクター装置を使用する方法に関する。特定の実施形態において、開示されるフォトバイオリアクター装置、このような装置を使用する方法、ならびに／または本明細書中に提供される気体処理ステムおよび方法は、一体化された燃焼方法およびシステムの一部として利用され得、ここで、フォトバイオリアクター装置において利用される光合成生物は、燃焼気体に含まれる特定の汚染化合物（例えば、ＣＯ_２および／またはＮＯ_Ｘ）を少なくとも部分的に除去し、そして引き続いて、フォトバイオリアクター装置から採取され、プロセシングされ、そして燃焼デバイス（例えば、発電所の発生器および／または焼却炉）の燃料源として利用される。本発明の特定の実施形態のこのような使用は、燃焼燃料内に含まれる炭素を再循環させるための効率的な手段を提供し得（例えば、燃焼気体中のＣＯ_２を、フォトバイオリアクター内のバイオマスに転換することによる）、これによって、ＣＯ_２放出と化石燃料要求との両方を低下させる。特定の実施形態において、フォトバイオリアクター装置は、補助的な気体処理装置と組み合わせられて、他の型の燃焼気体／燃料気体汚染物質（例えば、ＳＯ_Ｘ、水銀、および／または水銀含有化合物）の除去を実施し得る。

特定の実施形態において、制御システムおよび方法論が、フォトバイオリアクターの操作において利用され、このフォトバイオリアクターは、特定の環境操作条件について所望または最適な光変換および／または増殖速度を達成するための操作パラメータの、自動的なリアルタイムの最適化および／または調節を可能にするように構成される。なお別の局面において、本発明は、一種以上の光合成生物を予め選択し、適合させ、そして特定の環境条件および／または操作条件（この条件に、引き続いて、光合成生物が、気体処理システムのフォトバイオリアクター装置内で利用される間に曝露される）に馴化するための方法およびシステムを包含する。

本発明の特定の局面は、フォトバイオリアクター設計、ならびにフォトバイオリアクターを利用する方法およびシステムに関する。「フォトバイオリアクター」とは、本明細書中において使用される場合、少なくとも１種の光合成生物を含有する液体媒体を備えるか、または含むように構成され、そして光合成を駆動する能力を有する付随した光源を有するかまたは少なくとも１つ表面を有し、この表面の少なくとも一部分が、光合成を駆動する能力を有する波長の光（すなわち、約４００〜７００ｎｍの間の波長の光）に対して部分的に透明である、装置をいう。本明細書中で使用するための好ましいフォトバイオリアクターは、開いたバイオリアクター（例えば、池または他の開いた水、開いたタンク、開いたチャネルなど）とは対照的に、閉じ込められたバイオリアクターシステムを備える。

用語「光合成生物」または「バイオマス」とは、本明細書中において使用される場合、液体相中で増殖可能な単細胞形態または多細胞形態の、光合成増殖が可能な全ての生物（例えば、植物細胞および微生物（藻類およびユーグレナ属を含む））を包含する。これらの用語はまた、人工的にかまたは遺伝子操作によって改変された微生物を包含し得る。本発明の文脈において開示される特定のフォトバイオリアクターは、特に、藻類または光合成細菌の培養のために特に適切であり、そして以下の議論において、光合成生物としての藻類の利用の文脈で本発明の特定の実施形態の特徴および能力が議論されるが、他の実施形態において、藻類の代わりに、または藻類に加えて、他の光合成生物が利用され得ることが、理解されるべきである。一種以上の藻類を利用する実施形態については、種々の型の藻類（例えば、Ｃｈｌｏｒｅｌｌａ、Ｓｐｉｒｏｌｉｎａ、Ｄｕｎａｌｉｅｌｌａ、Ｐｏｒｐｈｙｒｉｄｕｍなど）が、単独でかまたは種々の組み合わせで、フォトバイオリアクターにおいて培養され得る。

「光に対して少なくとも部分的に透明」および「光を透過するように構成される」との語句は、フォトバイオリアクターの特定の表面または構成要素の文脈において使用される場合、光合成生物内での光合成を駆動するために十分な光エネルギーを、少なくともいくらかのレベルの入射光エネルギー曝露について透過させるような表面または構成要素をいう。

図１は、本発明の１つの局面に従う、管状のループフォトバイオリアクター装置１００の１つの例示的な実施形態を示す。フォトバイオリアクター１００は、流体的に相互接続された３つの導管１０２、１０４、および１０６を備え、これらは、一緒になって、流れループを提供し、フォトバイオリアクター内に収容された液体媒体１０８が、この流れループ内の起点領域（例えば、ヘッダまたは水溜１１０）から、ループの周りの３角導管を通り、そして起点領域に戻って連続的に流れることを可能にする。一方で、図示される実施形態において、管状のループフォトバイオリアクターは、矩形の流れループを形成する、流体的に相互接続された３つの導管を備え、他の実施形態（例えば、図３および４に記載されるような）において、フォトバイオリアクターは、流れループを形成する、流体的に相互接続された４つ以上の導管を備え得、そして／またはこの像に示されるような三角形の幾何学的形状とは異なる幾何学的形状を有して配置され得る。なお他の実施形態において、本発明の特定の利点は、流体的に相互接続される２つのみの導管、またはなお他の実施形態において、１つのみの導管を備えるフォトバイオリアクターを利用して、実現され得る。

管状導管１０２、１０４、および１０６は、接続ヘッダー１１０、１１２、および１１４を介して流体的に相互接続され、図示されるように、これらのヘッダーに、種々の導管の端部が密封されて接続される。他の実施形態において、当業者に明らかであるように、他の接続手段が利用されて、液体媒体含有導管を相互接続し得るか、あるいは、流れループは、単一の管状導管から形成され得、この導管が、三角形または流れループを形成する他の形状に屈曲されるかまたは他の様式で成形される。

用語「流体的に相互接続される」とは、気体および／または液体を収容および／または輸送し得る、本発明に従って提供される導管、チャンバ、または他の構造体の文脈で使用される場合、一体的な構築物であるかまたは直接的もしくは間接的に一緒に接続されており、これによって、１つの導管などから、これらが少なくとも部分的に流体密な様式で流体的に相互接続される他のものへの連続的な流路を提供するような、導管、コンテナ、または他の構造体をいう。この文脈において、２つの導管などは、導管を通る導管の間の液体および／または気体の流れが存在するかまたは確立され得る場合に、「流体的に相互接続」され得る（すなわち、２つの導管は、所望であれば閉じられて導管の間の流体流れを遮断し得る弁が２つの導管の間に存在する場合でさえも、「流体的に相互接続」されている）。

以下により詳細に議論されるように、操作の間にフォトバイオリアクター内に収容される液体媒体は、代表的に、この液体媒体中に含有される藻類および／または他の光合成生物の生存および増殖を容易にするために十分な栄養分を含む、水または生理食塩水溶液（例えば、海水もしくは汽水）を含有する。以下に議論されるように、汽水、海水、またはフォトバイオリアクターが操作される場所から得られる他の持ち運び不可能な水を含有する液体媒体であって、この液体媒体に含まれる藻類が、この液体媒体に由来するかまたはこの液体媒体に適合される、液体媒体を利用することが、しばしば有利である。増殖する藻類または他の光合成生物培養物を維持する際に必要とされるか、またはこの際に使用するために適切な、特定の液体媒体組成物、栄養分などは、当該分野において周知である。潜在的に、当業者によって理解されるように、広範な種々の液体媒体が、種々の形態で、本発明の種々の実施形態のために利用され得る。潜在的に適切な液体媒体成分および栄養分は、例えば、Ｒｏｇｅｒｓ，Ｌ．Ｊ．およびＧａｌｌｏｎＪ．Ｒ．「ＢｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙｏｆｔｈｅＡｌｇａｅａｎｄＣｙａｎｏｂａｃｔｅｒｉａ」、ＣｌａｒｅｎｄｏｎＰｒｅｓｓＯｘｆｏｒｄ，１９８８；Ｂｕｒｌｅｗ，ＪｏｈｎＳ．「ＡｌｇａｌＣｕｌｔｕｒｅ：ＦｒｏｍＬａｂｏｒａｔｏｒｙｔｏＰｉｌｏｔＰｌａｎｔ．」ＣａｒｎｅｇｉｅＩｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎｏｆＷａｓｈｉｎｇｔｏｎＰｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ６００．Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ．Ｄ．Ｃ．，１９６１（本明細書中以下で、Ｂｕｒｌｅｗ１９６１）；ならびにＲｏｕｎｄ，Ｆ．Ｅ．ＴｈｅＢｉｏｌｏｇｙｏｆｔｈｅＡｌｇａｅ．ＳｔＭａｒｔｉｎ’ｓＰｒｅｓｓ，ＮｅｗＹｏｒｋ，１９６５（各々が、本明細書中に参考として援用される）に詳細に議論されている。

フォトバイオリアクター１００は、操作の間、充填レベル１１６が、導管１０２と導管１０４との間の接続接合の下部頂点１１８より上であり、これによって、液体媒体の再循環するループ流れ（例えば、矢印１２０の方向）を可能にするために十分な液体媒体１０８を充填されるべきである。以下により詳細に説明されるように、特定の実施形態において、気体注入および液体流れ導入手段が利用されて、液体の流れ方向が、図示されるような反時計回り、または時計回り、あるいはなお他の実施形態において、本質的に停滞であることを可能にする。図示される実施形態において、以下により詳細に記載されるように、フォトバイオリアクター１００は、供給気体導入機構および液体媒体流れ誘導機構を使用し、この液体媒体流れ誘導機構は、２つの気体多孔分散管１２２および１２４（これらは、導管１０２および１０４を上昇して通る複数の気泡１２６を生じるように構成される）を備え、これによって、液体流れを誘導する。

好ましい実施形態において、フォトバイオリアクター装置１００は、自然光の源（すなわち太陽光１２８）と組み合わせて利用されるように構成される。このような実施形態において、導管１０２、１０４、および１０６のうちの少なくとも１つは、少なくとも部分的に、光合成を駆動する能力を有する波長の光に対して透明であるべきである。図逸される実施形態において、導管１０２は、「ソーラーパネル」管（これは、太陽光１２８に対して少なくとも部分的に透明である）を備え、そして導管１０４および１０６は、太陽光に対して透明ではない少なくとも１つの部分を有する。特定の実施形態において、導管１０４および１０６の本質的に全体が、太陽光１２８に対して透明ではなく、これによって、「暗管」を提供する。

導管１０２が少なくとも部分的に太陽光１２８に対して透明である実施形態について、導管１０２は、バイオリアクターを構築する際に使用するために適切な、広範な種々の透明な材料または半透明の材料から構成され得る。いくつかの例としては、種々の透明または半透明のポリマー材料（たとえば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリアクリレート、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリカーボネートなど）が挙げられるが、これらに限定されない。あるいは、導管１０２は、ガラスまたは樹脂に支持されたガラス繊維から形成され得る。好ましくは、導管１０２、ならびに不透明な導管１０４および１０６は、自己支持するように、そして操作の間に経験される代表的な予測される力に、つぶれたりかなり変形したりせずに耐えるように、実質的に剛性である。不透明な導管（例えば、１０４および／または１０６）は、導管１０２について上に記載されたものと類似の材料から作製され得るが、但し、これらの導管は、不透明であることが望ましく、このような材料は、不透明であるか、または光を遮断する材料でコーティングされるべきである。以下により詳細に説明されるように、本発明に従う特定のフォトバイオリアクターを設計する際の重要な問題は、望ましいレベルの光変換（すなわち、光合成を駆動するために十分な強度の光と、暗所または光合成を駆動するために不十分な強度の光への、光合成生物の交互の曝露期間の時間パターン）を、フォトバイオリアクター内で提供することである。導管のうちの少なくとも１つ（例えば、導管１０４および／または１０６）の少なくとも一部分を不透明にすることによって、暗所の間隔が流れループ内に構築され、そしてフォトバイオリアクター内の藻類の明／暗曝露の所望の比を確立することを補助し得、増殖および性能の改善を導く。

導管１０２、１０４、および１０６は、図示されるように、真っ直ぐな線状のセグメントを備えるが、代替の実施形態において、これらの導管の１つ以上は、所望であれば、弓形、蛇行、または他の非線状であり得る。特定の実施形態において、管状導管１０２、１０４、および１０６は、広範な種々の断面形状（例えば、正方形、矩形、楕円形、三角形など）を有し得るが、好ましい実施形態において、図示されるように、導管の各々は、本質的に円形の断面形状を有するチュービングを備える。さらに、所望であれば、導管１０２、１０４、および１０６のうちの１つ以上（ならびに特に、ソーラーパネル導管１０２）は、種々の流れ破壊特徴および／または混合増強特徴を内部に有して、導管内での乱流および／または気体−液体界面混合を増加させ得る。このことは、例えば、以下により詳細に説明されるような、改善された短い持続時間の「閃光」光変換を導き得、そして／または処理されるべき気体がフォトバイオリアクターに直接注入される実施形態（例えば、図１に示されるような）については、液体媒体内の気体の改善された拡散取り込みを導き得る。このような流れの増強としては、フィン、バッフル、または導管１０２内の他の流れ方向付け要素が挙げられ得るが、これらに限定されず、そして／または導管１０２にその長さに沿って螺旋捩れを提供することなどを包含し得る。

特定の実施形態について（特に、処理されるべき気体（例えば、燃焼気体、燃料気体など）が、光透過導管（例えば、導管１０２）の基部でフォトバイオリアクターに直接注入される実施形態について）、フォトバイオリアクターの性能は、特定の状況において、以下に記載されるように、特定の幾何学的関係および構造的関係を提供することによって、改善され得る。

図示されるように、気体多孔分散管１２２は、処理されるべき気体を導管１０２の最下端部に導入し、これによって、複数の気泡１２６を作製するように、構成され、そしてヘッダー１１０内に配置される。これらの気泡は、導管１０２に収容される液体媒体１０８を上昇し、この媒体を通り、この導管の外側表面の、太陽光１２８に最も直接面する部分１３２にすぐ隣接する、この導管の内側表面の内側表面の部分１３０に沿う。この配置は、導管１０２と水平面との間に特定の角度α_１を提供することと組み合わせて、多孔分散管１２２が気体ストリームを導管１０２の下端部に導入し、その結果、複数の気泡が液体媒体を上昇して通り、導管１０２内に、導管１０２の長さに沿って位置する複数の再循環ボルテックス１３４および／または乱流渦によって特徴付けられる液体流れを誘導することを可能にし得る。これらの再循環ボルテックスおよび／または渦は、両方、導管１０２内の気泡と液体との混合を増加させ得、そして／またはこれらの間の接触滞留時間を増加させ得、そして導管１０２の内側表面１３０に近い光領域から、導管１０２の内側表面１３６の近くに位置する暗い領域への藻類の循環を提供し、これによって、「閃光」（増殖および生産性（すなわち、ＣＯ_２のバイオマスへの転換）のために非常に便利であり得る、比較的高周波数の光変換効果）を提供する。この効果、ならびにこの効果を制御および利用するための本発明の手段は、図６ａ、７ａ、および７ｂに関連して、以下でより詳細に説明される。再循環ボルテックス１３４および／または乱流渦が、増強された光変換を容易にし得る理由は、藻類がフォトバイオリアクターで増殖するにつれて、液体媒体の光学密度が増加し、これによって、液体媒体中の有効光透過深さが減少し、その結果、導管１０２内の、太陽光１２８が入射する内側表面１３０から十分に離れた領域が、光の強度が光合成を駆動するために十分である管の領域内にあることであると考えられる。

気体多孔分散管１２２および光透過導管１０２が、光が最も直接的に入射する導管の領域に沿って気泡１２６が上昇するように配置されている、図示される配置の他の利点としては、改善された洗浄および熱緩衝が挙げられる。例えば、気泡１２６が、導管１０２の内側表面１３０に沿って上昇するにつれて、これらの気泡は、内側表面を効果的に磨くかまたは擦るように働き、これによって、表面への藻類の蓄積を減少させ、そして／または表面に付着した全ての藻類を除去する。さらに、気泡はまた、導管１０２に入射する光の少なくとも一部を反射する際に有効であり得るので、気泡は、フォトバイオリアクター内の液体媒体のある程度の熱緩衝を生じるように働き得る。いくつかの実施形態において、気泡の摩擦および／または熱緩衝の効果を増強するために、複数の中性に浮遊性の、必要に応じて透明または半透明の微小球（例えば、０．５ｍｍ〜約３ｍｍの直径を有する）もまた、利用され得る。いくらかの浮遊性粒子は、導管１０２内に液体流れと共に運ばれ、これによって、さらなる摩擦および／または熱緩衝の効果、ならびに／あるいはさらなる「閃光」光変換効果を生じる。

用語「再循環ボルテックス」とは、本明細書中において使用される場合、バルク液体の流れ方向（例えば、１２０）に重なる、比較的安定な液体再循環パターン（すなわち、ボルテックス１３４）をいう。このような再循環ボルテックスは、再循環ボルテックスが潜在的に、導管内の流れが完全には乱流ではない位置にさえも存在し得る点で、完全に発生した乱流によって特徴付けられる、代表的な乱流渦とは、区別される。さらに、乱流渦は、代表的に、比較的ランダムに位置し、そして無秩序に形成され、そして特定の渦については、短期間の持続時間である。以下で説明されるように、幾何学的形状、ならびにフォトバイオリアクター内の液体および／または気体の流量の、このような再循環ボルテックスおよび／または乱流渦を作製するための選択は、当業者に利用可能な慣用的な流体力学計算およびシミュレーションを使用して、決定され得る。

フォトバイオリアクターへの直接の気体注入を利用する特定の実施形態において、単一の気体多孔分散管または拡散器（例えば、多孔分散管１２２）が利用され得るが、特定の好ましい実施形態においては、図示されるように、本発明のフォトバイオリアクターは、２つの気体多孔分散管１２２および１２４を備え、これらの各々は、上向きに方向付けられた導管（例えば、導管１０２および導管１０４）の基部で気泡を注入するように、フォトバイオリアクター内に構成および配置される。当業者によって理解されるように、多孔分散管１２２から放出され、そして導管１０２を通って上昇する気泡ストリーム、および多孔分散管１２４から放出され、そして導管１０４を通って上昇する気泡ストリーム（それぞれ、矢印１３８および１４０の方向）の各々は、他方によって作製されるものとは逆方向の、流れループの周りでの液体流れの方向を作製する傾向を有する、駆動力を提供する。従って、フォトバイオリアクターによって処理されるべき気体の全体の流量、ならびに多孔分散管１２２および多孔分散管１２４に方向付けられる全体の流量の相対非または分配を制御することによって、広範な種々の圧力差をフォトバイオリアクター内に誘導することが可能であり、この圧力差は、導管１０２および導管１０４内の気体の停滞の減少によって支配され、これによって、図示されるような反時計回り、時計回りのいずれかでの液体媒体のバルク流れを駆動するか、または相対的な気体注入速度の間の適切なバランスで、流れループの周りのどこにおいても、バルク液体流れを誘導しない。

手短には、液体媒体流体力学は、多孔分散管１２２および１２４に注入される気体流量の非によって支配される。例えば、フォトバイオリアクターに注入された気体流れの全てが多孔分散管の１つに注入される場合、これは、流れループの周りでの最大の全体の液体流れ流量を生じる。他方で、上記のように、停滞した液相を生じる特定の分配比が存在する。従って、相対的なバルク液体流れ、導管１０２および１０４の各々における気体−液体滞留時間、ならびにフォトバイオリアクター内の特定の液体流れパターン（例えば、再循環ボルテックス）の確立は、全体の気体流量と、多孔分散管１２２および１２４の各々に注入される全体の気体流量の相対比を制御することによって、再現可能に制御され得る。

この配置は、全体の液体流量、および所定の全体の気体流量についての液体流れパターンを制御する際に、かなり大きい範囲の融通性を提供し得、そしてフォトバイオリアクター内の液体流量および流れパターンの変化が、必ずしも、フォトバイオリアクター内への全体的な気体流量の変化を必要とせずになされることを可能にし得る。

従って、図６ａにおいて以下により詳細に議論されるように、このような２つの多孔分散管のフォトバイオリアクター（図示されるような）の多孔分散管への気体注入速度の制御は、フォトバイオリアクター内の流体力学の制御および管理を、２つのレベルで、補助的な液体再循環手段（例えば、ポンプなど）の必要性なしに容易にし得、これによって、光変換の制御および最適化（すなわち、制御された明／暗サイクリングによって、最大の連続的な藻類の増殖（ｐｒｏｌｉｆｅｒａｔｉｏｎ）および増殖（ｇｒｏｗｔｈ）を維持する）を可能にする。これらの２つのレベルの流体力学制御は、以下を備える光変換制御を可能にする：（１）流れループの周りでの全体の液体流量の制御であって、これは、藻類が、導管１０２における光、ならびに導管１０４および１０６においての暗所に曝露される相対持続時間および頻度を制御する；ならびに（２）ソーラーパネル導管１０２内での回転ボルテックスおよび／または乱流渦の作製および制御であって、ここで、藻類は、明−暗曝露の高周波数の変動に供され、例えば、「閃光」効果を生じる。このようなフォトバイオリアクター内での液体流量は、導管１０２内の藻類の、広範な保持時間（例えば、数秒間〜数分間の範囲）を与えるように調節され得る。

図示される２つの多孔分散管の気体注入の実施形態のさらなる利点は、気体が注入される導管の内の１つにおいて、気体流れの、バルク液体流れの方向に対する相対的方向が、気体が注入される他の導管においての方向と逆である音である。換言すれば、図１に示されるように、導管１０４内の気体流れ方向１４０は、液体流れの方向１２０に対して並流であり、一方で、導管１０２内の気体流れの方向１３８は、バルク液体流れの方向１２０に対して向流である。重要なことには、気体流れの方向が液体流れの方向に対して向流である少なくとも１つの導管を提供することによって、処理されるべき気体の汚染成分（例えば、ＣＯ_２、ＮＯ_Ｘ）と液体媒体との間の質量輸送の有効速度をかなり増加させることが可能であり得る。

このことは、フォトバイオリアクター内のＮＯ_Ｘ除去の観点において、特に重要であり得る。ＮＯ_Ｘ除去のために利用される気泡塔およびエアリフトフォトバイオリアクターにおいて、交流型のエアリフト反応器は、気体と液体との流れが並流である反応器より、ＮＯ_Ｘ除去能力が３倍程度高くあり得る（Ｎａｇａｓｅ、Ｈｉｒｏｙａｓｕ、ＫａｏｒｕＥｇｕｃｈｉ、Ｋｅｎ−ＩｃｈｉＹｏｓｈｉｈａｒａ，ＫａｚｕｍａｓａＨｉｒａｔａおよびＫａｚｕｈｉｓａＭｉｙａｍｏｔｏ，「ＩｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆＭｉｃｒｏａｌｇａｌＮＯ_ＸＲｅｍｏｖａｌｉｎＢｕｂｂｌｅＣｏｌｕｍｎａｎｄＡｉｒｌｉｆｔＲｅａｃｔｏｒｓ」、ＪｏｕｒｎａｌｏｆＦｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎａｎｄＢｉｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，第８６巻、第４号、４２１−４２３．１９９８；本明細書中以下で、「Ｈｉｒｏｙａｓｕら、１９９８」）。この効果は、ＮＯ_Ｘ除去の観点においてより重要であると予測されるので、背景において言及したように、取り込みおよび除去の割合は、拡散によって制限され、そして藻類は、明条件と暗条件との両方において（すなわち、光合成と呼吸との両方の間に）、ＮＯ_Ｘをプロセシングし得るので、液体流れの方向１２０が図１に示される方向とは逆であり、その結果、導管１０２における気体と液体との流れが並流であり、そして導管１０４における気体と液体との流れが向流である状況についてさえも、フォトバイオリアクターを用いるＮＯ_Ｘ除去において類似の利点を得ることが可能であり得る。化学式「ＮＯ_Ｘ」は、本明細書中において使用される場合、本明細書全体を通じて、ＮＯおよびＮＯ_２からなる群より選択される少なくとも１つの窒素酸化物を含有する、任意の気体化合物をいう。

用語「気体多孔分散管」または「多孔分散管」とは、本明細書中において使用される場合、複数の小さい気泡を液体に導入するように構成された、任意の適切なデバイスまたは機構をいう。特定の好ましい実施形態において、多孔分散管は、微細な気泡（約０．３ｍｍ未満の平均気泡直径のオーダー）を送達し、これによって、最大の気体から液体への接触界面領域を提供するように構成された、気体拡散器を備える。種々の適切な気体多孔分散管および拡散器は、市販されており、そして当業者に公知である。

図１に示される実施形態において、気体多孔分散管１２２および１２４を介してフォトバイオリアクター１００に注入される、処理されるべき気体は、フォトバイオリアクターを１回通過し、そして気体出口１４１を介してフォトバイオリアクターから放出される。特定の実施形態において、藻類の平均直径より小さい平均細孔直径を有するフィルタ１４２（例えば、疎水性フィルタ）が提供されて、藻類が気体出口１４１を通ってバイオリアクターから運び出されることを防止し得る。この実施形態または代替の実施形態において、気体出口管１４４内の発泡および気体出口を通しての藻類の損失を減少させるための、他の周知の手段が、当業者に明らかであるように、使用され得る。陶業者に明らかであるように、そして以下でより詳細に説明されるように、種々の導管およびフォトバイオリアクターの特定の長さ、直径、配向など、ならびに特定の気体注入速度、液体再循環速度などは、フォトバイオリアクターが使用される特定の用途、ならびに処理される気体の組成および質に依存する。本明細書中に提供される指針、ならびに化学工学、生化学工学、およびバイオリアクター設計の当業者に利用可能な知識および情報を考慮して、特定の適用のために適切な寸法、作動条件などは、慣用的なレベルにすぎない操作および過度ではない負担を含む実験を利用して、容易に選択され得る。

さらに、図２の説明において以下で議論され、そして当業者に明らかであるように、特定の実施形態において、フォトバイオリアクター１００は、並列、直列、または並列と直列の組み合わせの構成で相互接続された、複数の同一または類似のフォトバイオリアクターのうちの１つを備え得、これによって、例えば、システムの能力を増加させ（例えば、複数のフォトバイオリアクターの並列構成について）、そして／または気体ストリームの特定の成分の除去の程度を増加させる（例えば、同じおよび／または引き続くフォトバイオリアクターの気体入口の直列のフォトバイオリアクターの気体出口を有する構成について）。本明細書中に提供される本発明のフォトバイオリアクター装置の全てのこのような構成および配置が、本発明の範囲内である。

フォトバイオリアクター１００は、天然の太陽光１２８と共に利用されるように記載されたが、代替の実施形態において、光合成を駆動する能力を有する波長の光を提供する人工の光源が、天然の太陽光の代わりに、または天然の太陽光の補助として、利用され得る。例えば、太陽光と人工光源との両方を利用するフォトバイオリアクターは、日中は太陽光を利用し、そして夜間は人工光源を利用するように構成され得、これによって、１日のうちで、フォトバイオリアクターが光合成を介してＣＯ_２をバイオマスに転換し得る時間の総量を増加させ得る。

異なる型の藻類は、最適な増殖（ｇｒｏｗｔｈ）および増殖（ｐｒｏｌｉｆｅｒａｔｉｏｎ）のために、異なる曝露条件を必要とし得るので、特定の実施形態（特に、感受性の藻類種が使用される実施形態）において、光変換装置またはデバイスが、本発明に従うフォトバイオリアクターの構築において利用され得る。いくつかの藻類種は、紫外項に曝露されると、よりゆっくりと増殖するか、または死滅するかのいずれかである。フォトバイオリアクターにおいて利用される特定の藻類種が紫外光に対して感受性である場合、例えば、導管１０２の外側表面１３２の特定の部分、あるいは、交換の外側表面および／または内側表面の全体が、所望でない放射線の透過を減少させ得る１つ以上の光フィルタで覆われ得る。このような光フィルタは、藻類が増殖のために必要とする光スペクトルの波長がフォトバイオリアクターに入ることを可能にし、一方で、光スペクトルの有害な部分が入ることを妨害または減少するように、容易に設計され得る。このような光学フィルタ技術は、他の目的（例えば、自動車および家の窓のコーティング）で、すでに市販されている。この目的に適切な光学フィルタとしては、透明なポリマーフィルム光ファイバー（例えば、ＳＯＬＵＳ^ＴＭ（ＣｏｒｐｏｒａｔｅＥｎｅｒｇｙ，Ｃｏｎｓｈｏｈｏｃｋｅｎ，ＰＡによって製造されている））が挙げられ得る。上記観点において使用するために適切な、広範な種々の他の光学フィルタおよび光遮断／フィルタリング機構は、当業者に容易に明らかである。特定の実施形態において、特に、熱帯で利用されるフォトバイオリアクターについて、温度制御機構（この温度制御ストラテジーおよび機構は、図６ａに関して以下でより詳細に記載される）の一部として、赤外フィルタを備える光フィルタが利用されて、フォトバイオリアクターシステムへの熱の投入を減少させ得、これによって、液体媒体の温度上昇を低下させる。

上で議論されたように、望ましいかまたは最適なフォトバイオリアクター性能を与える特定の幾何学的構成、大きさ、液体および気体の流量などは、そのフォトバイオリアクターが利用される特定の適用、ならびにこのフォトバイオリアクターが供される特定の環境および操作条件に依存する。当業者は、本明細書の教示、慣用的レベルの知識および当該分野の技術、ならびにすでに利用可能な情報を利用し、そして特定の適用のために適切な構成、大きさ、流量、材料などを容易に選択し得るが、特定の例示的なおよび／または好ましいパラメータは、以下に与えられ、そしてより具体的には、説明の、非限定的な目的で、本願の明細書の記載の最後の実施例に与えられる。

特定の実施形態において、再循環ボルテックスおよび／または所望の液体流れパターン、気泡の軌道などの形成をより容易にする目的で、フォトバイオリアクター（例えば、図１に示されるフォトバイオリアクター１００）は、１つまたは両方の角度α_１およびα_２が、互いに異なるように構成され得る。好ましくは、導管の少なくとも１つは、水平に対して、１０°より大きく９０°より小さい角度、より好ましくは、１５°より大きく７５°より小さい角度、そして特定の実施形態においては、約４５°の角度を形成する。好ましくは、上記範囲および値に入る角度としては、水平と、光合成が起こる光に対して透明な導管との間の角度が挙げられる（例えば、角度α_１は、水平と導管１０２との間である）。図示される実施形態において、導管１０６は、本質的に水平である長手方向軸を有する。特定の好ましい実施形態において、α_２は、α_１より大きく、そして図示される実施形態において、水平に対して約９０°である。

特定の好ましい実施形態において、導管１０２の外側表面１３２は、フォトバイオリアクターの一次「ソーラーパネル」として働き、このフォトバイオリアクターは、入射太陽放射線１２８の一部に対して、導管１０２の外側の太陽に面する表面１３２が、入射太陽光の方向に対して垂直な面に対して、太陽に面する表面１４６、１４８ならびに導管１０４および１０６と、入射太陽光の方向に対して垂直な面との間に形成される角度より小さい角度を形成する。この構成において、太陽収集表面１３２は、太陽がそこに最も直接入射するように配置され、これによって、太陽の取り込みおよび効率を増加させる。

気体多孔分散管導管１０２および１０４の長さは、所定の望ましい液体媒体循環速度について、十分な気体−液体接触時間を提供して、気体と液体媒体との間の所望のレベルの質量輸送を提供するために十分であるように選択される。最適な接触時間は、種々の要因（特に、藻類の増殖速度ならびに炭素および窒素の取り込み速度、ならびに供給気体の組成および流量、ならびに液体媒体の流量）に依存する。導管１０６の長さは、導管１０６が透明ではない場合に、藻類のための所望の量の暗い休止時間を提供するために十分に長いべきであるが、通常操作の間の導管を通る予測される液体流量のために、この導管の底部表面への藻類の沈降および沈澱が避けられるように十分に短いべきである。特定の好ましい実施形態において、導管１０２、１０４、および１０６のうちの少なくとも１つは、長さが約０．５メートルと約８メートルとの間であり、そして特定の実施形態においては、長さが約１．５メートルと３メートルとの間である。

導管１０２、１０４、および１０６の内径または最小断面寸法は、同様に、広範な種々の所望の操作条件およびパラメータに依存し、そして特定の適用の必要性に基づいて選択されるべきである。一般に、導管１０４の適切な内径は、例えば、多孔分散管１２４を通る気体注入流量、気泡の大きさ、気体拡散器の寸法などに依存し得る。導管１０４の内径が小さすぎる場合、多孔分散管１２４からの気泡は、より大きい気泡に合体し得、ＣＯ_２、ＮＯ_Ｘなどの、気体から液相への質量輸送のレベルの低下を生じ、汚染物質を除去する際の効率の低下を生じる。

導管１０６の内径は、液体媒体の流量およびフォトバイオリアクター内の藻類の沈降特性、ならびに所望の明−暗曝露間隔に依存し得る。代表的に、この直径は、導管１０６内での液体の過度に長い滞留時間を生じ、その結果、藻類が導管１０６の底部に沈澱し、そして集まるための時間を有するほど、そして／または光に曝露されない所定の流れループサイクルの間に長すぎる時間を費やし、これによって、フォトバイオリアクターの太陽効率の低下を導くほど長いようには選択されないべきである。

導管１０２の長さは、導管１０４および１０６の長さの選択を考慮すると、一定である（すなわち、幾何学的に）。しかし、導管１０４の文脈において先に議論されたものと類似の問題が、適切な長さの導管１０２を選択する場合に含まれる。導管１０２の内径に関して、この内径を、導管１０４および１０６の内径よりいくらか大きくして（例えば、これらの直径の約１２５％と約４００％との間）、十分な光曝露時間を容易にし、そして再循環ボルテックス１３４の確立を容易にすることが、望ましくあり得る。一般に、導管１０２の直径は、太陽放射線１２８の強度、藻類の濃度、ならびに液体媒体の光学密度、気体流量、および操作の間の洞環内の液体媒体の所望の混合パターン特性および流れパターン特性に依存し得る。特定の実施形態において、導管１０２、１０４、および１０６のうちの少なくとも１つの断面直径は、約１ｃｍと約５０ｃｍとの間である。特定の好ましい実施形態において、これらの直径のうちの少なくとも１つは、約２．５ｃｍと約１５ｃｍとの間である。

特定の例として、本発明によって構成および利用される、１つのフォトバイオリアクターは、図１に示されるような三角形の管状バイオリアクターを備え、ここで、流体的に相互接続された導管は、円形の断面形状を有した。例示的なバイオリアクターは、約４５°の角度α_１および約９０°の角度α_２を有し、そして導管１０６は、水平に配向された。垂直レッグ（１０４）は、長さ２．２ｍおよび直径５ｃｍであった。水平レッグ（１０６）は、長さ１．５ｍおよび直径５ｃｍであり、そして斜辺の管（１０２）は、長さ２．６ｍおよび直径１０ｃｍであった。このフォトバイオリアクターは、約７１５ｍｌ／分の全体の気体流量でバイオリアクターに供給される、７〜１５％のＣＯ_２、１５０〜３５０ｐｐｍのＮＯ_Ｘ、２〜１０％のＯ_２を含み、残りはＮ_２である供給気体混合物から、ＣＯ_２およびＮＯ_Ｘを除去するために使用された。バイオリアクター内の液体媒体の全体積は、約１０リットルであり、そして多孔分散管からの平均気泡サイズは、約０．３ｍｍであった。藻類（Ｄｕｎａｌｌｉｅｌｌａ）の濃度は、約１ｇ（乾燥重量）／Ｌ液体媒体に維持された。上記条件下で、９０％のＣＯ_２の軽減、９８％および７１％のＮＯ_Ｘの軽減（それぞれ明所および暗所）が、約１９．６％の太陽効率で達成され得る。

藻類の採取、藻類濃度の調節、およびさらなる液体媒体の導入は、図６ａに図示されるフォトバイオリアクターを操作するための本発明の制御システムの文脈において、以下でより詳細に説明されるように、液体媒体入口／出口ライン１５０、１５２を介して、容易にされ得る。藻類の濃度の制御は、藻類の増殖（ｇｒｏｗｔｈ）および増殖（ｐｒｏｌｉｆｅｒａｔｉｏｎ）の所望のレベルを維持する観点からと、導管１０２内の光変換の所望のレベルを提供する観点からとの両方で、重要である。以下で説明されるように、藻類は、操作の間、所望の濃度範囲を維持するために、臭気的にかまたは連続的に採取される。好ましい方法に従って、採取は、半連続的様式（藻類の一部分のみが、所定の時点でフォトバイオリアクターから取り出されることを意味する）で起こる。藻類を採取するために、スパージングが中断され、そして藻類が、ヘッダー１１０および１１２、ならびに導管１０６内で沈澱される。次いで、藻類に富む液体媒体が、ライン１５０および１５２の一方または両方を通して引き抜かれ得る。特定の実施形態において、新しい、藻類を含まない液体媒体は、ライン１５０および１５２のうちの一方に注入され得、他方のラインは開いており、これによって、藻類に富む媒体をフォトバイオリアクターからフラッシュし、同時に、フォトバイオリアクターを新しい媒体を補充する。いずれの場合においても、藻類を含まない新しい液体媒体の体積（これは本質的に、引き抜かれる藻類に富む媒体の体積と等しい）が、フォトバイオリアクターに添加され、そのご、気体のスパージングが開始される。図９において以下で説明されるように、採取される藻類に含まれる水分および栄養分は、抽出され得、そしてフォトバイオリアクターの液体媒体供給に再利用され得る。このことは、フォトバイオリアクターの廃棄物および水の使用を最小にし得、これによって、環境に対する影響および操作の費用を低下させる。

藻類の特定の種は、水より軽く、従って、浮遊する傾向がある。フォトバイオリアクターがこのような種と共に利用される実施形態については、上記藻類採取プロセスは、気体のスパージングがオフにされた後に、藻類をフォトバイオリアクターの頂部に浮遊させてヘッダー１１４に入れるために十分な時間を可能にするように、改変され得る。このような実施形態において、液体媒体出口／入口ライン（図示せず）は、ヘッダー１１４に提供されて、採取のための藻類に富む液体媒体の取り出しを容易にし得る。

本発明に従って提供されるフォトバイオリアクター装置の特定の実施形態において、藻類の接着による透明な導管の内側表面の汚れが、減少または排除され得、そしてフォトバイオリアクターの内側表面の洗浄および再生が、この内側表面の少なくとも一部分を、通常作動の温度（例えば、約４５℃までの温度）では固体であり、そしてこの物質がコーティングされる表面の融点より低い油点を有する生体適合性物質の層でコーティングすることによって、容易にされ得る。好ましくは、このような物質はまた、透明または半透明であるべきであり、その結果、これらの物質は、これらの物質がコーティングされる表面の透明性を過度に低下させない。適切な物質の例としては、種々の蝋および寒天が挙げられ得る。このような実施形態の１つのバリエーションにおいて、手動または自動のストリーム滅菌／洗浄手順が、使用後でありかつ引き続く使用の前に、フォトバイオリアクターに対して適用され得る。このような手順は、上記コーティング層を融解して除去する工程を包含し得、これによって、この層に接着した任意の藻類残留物を除去する。使用前に、新たなコーティング層が適用され得る。これは、フォトバイオリアクターの光透過性部分が、長期間の使用および再使用にわたって、清浄かつ半透明なままであることを可能にし得る。

ここで図２を参照する。図２は、平行に配置されてフォトバイオリアクターアレイ２００を形成し、フォトバイオリアクター１００の（Ｎ）倍の気体洗浄能力を提供する、複数のフォトバイオリアクター１００（図示として１０個）を備える実施形態を示す（ここでＮは、平行に配置されたフォトバイオリアクターの数である）。平行アレイ２００は、本発明に従って提供される管状フォトバイオリアクター装置の別の利点（すなわち、フォトバイオリアクターの能力を、利用されるフォトバイオリアクターユニットの数に対して直線的に規模を変更する）を示す。１０個のフォトバイオリアクターユニット１００を備えるフォトバイオリアクター２００は、組み合わせられた気体多孔分散管２０２および２０４、ならびに共通の液体媒体ヘッダー／水溜２０６および２０８を共有し得、そして例えば、約１．５ｍ^２以下程度に小さいフットプリントを有し得る。この図に示される場合に、個々のフォトバイオリアクターユニット１００は、説明を明瞭にする目的で、実際のシステムにおいて代表的に層であるより大きい距離で、互いから間隔を空けられている。同様に、フォトバイオリアクター内の少数の気泡のみが、明瞭さのために図示されており、そして水溜２０６および２０８は、透明であるように図示されるが、代表的なシステムにおいては、これらの水溜は透明である必要はなく、そして代表的に、透明ではない。水溜２０６および２０８は、滞留する液体（これは、藻類の沈澱および死滅を導き得る）の領域を最小にするかまたは維持するように設計されるべきである。特定の好ましいシステムにおいて、個々のフォトバイオリアクターユニット１００は、代表的に、互いから、ヘッダー２０６および２０８において、本質的に最小化された距離で間隔を空けられ、フォトバイオリアクターの間のヘッダー内の開いた体積を減少させて最小にする。あるいは、いくつかの実施形態において、水溜２０６および２０８は、図示されるような単純な導管様のヘッダーを備えないかもしれず、むしろ、複数の空洞を提供する固体構造体を備え得、これらの空洞は、フォトバイオリアクターの種々の導管がヘッダーに接続される地点に位置し、これらの空洞は、個々のフォトバイオリアクターユニットの導管の間の流体連絡を容易にし、同時に隣接するフォトバイオリアクターの間の液体の流体連絡を防止する。

図３および３ａは、フォトバイオリアクター３００の代替の実施形態を示し、これは、管状フォトバイオリアクター１００について先に記載されたものと類似の幾何学的特徴および性能特徴を有し得るが、平行フォトバイオリアクターアレイ２００の増加した気体洗浄能力を提供し、一方で、単一の一体化された構造体として構築される。フォトバイオリアクター装置３００は、細長外側エンクロージャー３０２を備え、これは、水平な地面に配置される場合に、本質的に水平な長手方向軸３０４を有し、そしてソーラーパネル表面１３２を備え、このソーラーパネル表面は、光合成を駆動する能力を有する波長の光に対して少なくとも部分的に透明である。フォトバイオリアクター３００はまた、細長外側エンクロージャー３０２内に、細長内側チャンバ３０６を備え、このチャンバは、長手方向軸３０４と実質的に整列する（図示されるように同一線上である）長手方向軸を有する。

細長外側エンクロージャー３０２および細長内側チャンバ３０６は、一緒になって、環状コンテナ３０８を規定し、このコンテナは、端部壁３１０および３１２によって、両端が密封される。環状コンテナ３０８は、フォトバイオリアクター内に収容された液体媒体１０８の流れ（例えば、矢印１２０の方向）を可能にする流れループを提供し、その結果、この液体媒体は、細長内側チャンバ３０６の周囲の周りの流れループ内の起点領域（例えば、領域３１２）から連続的に流れ、そしてこの起点領域に流れる。環状空間３１４、３１６、および３１８は、図１のフォトバイオリアクターユニット１００の導管１０２、１０４、および１０６と類似の、流体的に相互接続された３つの導管を形成する。好ましくは、角部３２０、３２２、および３２４は、いくらか丸くなっており、流れループの周りでの循環の間の、藻類細胞に対する機械的損傷を防止する。

「〜と実質的に整列する」とは、外側エンクロージャーの長手方向軸と実質的に整列した内側チャンバの長手方向軸の上記文脈において使用される場合、これらの２つの長手方向軸が、実質的に平行であり、そして狭い間隔を空けており、その結果、内側チャンバおよび外側エンクロージャーが、フォトバイオリアクターの長さに沿ったこれらのいずれの面においても、接触したり交差したりしないことを意味する。特定の好ましい実施形態において、内側チャンバ３０６の断面形状は、外側エンクロージャー３０８の断面形状より小さいか、または本質的に同じであるが、大きさが比例して小さいことを除く。内側チャンバと外側チャンバとの相対的大きさ、互いに対する相対的間隔および整列、ならびに外側エンクロージャーと内側チャンバとの形状および配向（これらの全ての因子は、構造体によって形成される、流体的に相互接続される導管３１４、３１６、３１８の大きさおよび形状を決定し得る）は、フォトバイオリアクター１００の文脈において先に記載されたものと類似の要因を考慮して、選択および設計され得る。同様に、フォトバイオリアクター３００の構築の材料、ならびにフォトバイオリアクター３００の種々の領域およびセグメントの相対的透明性および不透明度もまた、フォトバイオリアクター装置１００に関しての上記開示を考慮して、選択され得る。例えば、図３においては、フォトバイオリアクター３００の、表面３１０を除く全ての表面が、図示を明瞭にするために透明であるように図示されるが、特定の実施形態において、導管３１６および３１８を規定する内面および／または外面は、不透明にされ得る。特定の実施形態において、ソーラーパネル１３２のみが、入射光に対して少なくとも部分的に透明である。

バイオリアクター３００の流れループの周りでの液体媒体の循環は、環状コンテナの流れループ内に気体ストリームを導入するように構成された、少なくとも１つの気体多孔分散管によって容易にされ得る。図示される実施形態において、気体は、バイオリアクター３００の長さに沿って延びる細長管状気体多孔分散管３２１および３２３によって、両方の導管３１４および３１６に導入される。処理された気体は、気体出口管１４１を通ってフォトバイオリアクター３００を去る。

フォトバイオリアクター３００の長さは、所望の全気体処理能力を提供するように選択され得、そして代表的に、ユニット３００が配置される部位の地形／幾何学的形状、ならびに／またはユニットの製造および輸送の制限によってのみ、制限される。

図４ａ〜４ｇは、フォトバイオリアクター１００および／またはフォトバイオリアクター３００の代替の実施形態のための、種々の代替の形状および構成を示す。図４ａは、台形の構成を示し、これは、例示的な実施形態において、２つのソーラーパネル導管４０２および４０４、ならびに２つの暗所導管４０６および４０８を有し得る。

図４ｂは、先に図示されたフォトバイオリアクター１００および３００の直角三角形の構成に構成された、代替の三角形の形状を図示する。例示的な実施形態において、導管４１０および４１２は、導管４１４を備えるソーラーパネル導管として構成され得、暗いレッグを提供する。

残りの図（図４ｃ〜４ｇ）は、本発明者によって意図される、なおさらなる代替の構成を表す。図４ｅに示される構成（これは、分割された、水平ではない、スパージングされない底部導管を有する）は、不規則かまたは頂部のある地勢を有する実施のために、潜在的に有用であり得る。図４ｆの実施形態は、湾曲したかまたは弓形の管および／または表面を備える少なくとも１つの導管を有する構成を図示する。

図５ａ〜５ｆは、先に図示されたフォトバイオリアクター３００の、複数の代替の構成を、断面で図示する。図５ａ〜５ｆに図示される構成の各々において、内部チャンバの断面形状は、外側エンクロージャーの断面形状と異なり、これによって、所望の再循環流れおよび対応する光変換特性を生じるために潜在的に有用な、導管の形状および寸法を有する流れループを提供する。

別の局面において、本発明は、フォトバイオリアクターで気体を処理するためのシステムおよび方法を提供し、これは、フォトバイオリアクター内での液体の流量および流れパターンをモニタリングおよび制御して、不光合成生物の、連続的かまたは交互の明所曝露および暗所曝露の期間への所望の曝露または最適な曝露を生じ、操作の間、所望のレベルまたは最適なレベルの光変換を提供するための方法を包含する。藻類の、光への過剰な曝露時間は、生存および増殖を制限する減少（光阻害として公知）を引き起こし得ること、ならびに藻類の増殖および生産性が、藻類細胞がそれらの増殖の間に明所期間と暗所期間との両方に曝露される場合（すなわち、光変換）に改善されることが公知である（Ｂｕｒｌｅｗ１９６１；ＷｕＸ．およびＭｅｒｃｈｕｃｋＪ．Ｃ．「Ａｍｏｄｅｌｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃｓｉｎｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓａｎｄｐｈｏｔｏｉｎｈｉｂｉｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｅｓ」、Ｃｈｅｍ．Ｅｎｇ．Ｓｃｉ．５６：３５２７−３５３８，２００１（本明細書中以下で、「ＷｕおよびＭｅｒｃｈｕｋ，２００１」、本明細書中に参考として援用される）；ＭｅｒｃｈｕｋＪ．Ｃ．ら、「Ｌｉｇｈｔ−ｄａｒｋｃｙｃｌｅｓｉｎｔｈｅｇｒｏｗｔｈｏｆｔｈｅｒｅｄｍｉｃｒｏａｌｇａＰｏｒｐｈｙｒｉｄｉｕｍｓｐ．」、ＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＢｉｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，５９：７０５−７１３，１９９８；Ｍａｒｒａ，Ｊ．「ＰｈｙｔｏｐｌａｎｋｔｏｎＰｈｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃＲｅｓｐｏｎｓｅｔｏＶｅｒｔｉｃａｌＭｏｖｅｍｅｎｔｉｎＡＭｉｘｅｄＬａｙｅｒ」、Ｍａｒ．Ｂｉｏｌ．４６：２０３，１９７８）。図６ａに示されるように、本発明の特定の局面は、１つ以上のフォトバイオリアクターを備え、そして制御システムをさらに備える、気体処理システムを提供し、この制御システムは、フォトバイオリアクターの種々の環境条件および性能条件、ならびに／あるいは操作パラメータを制御および／またはモニタリングするため、ならびに光変換を誘導および制御するための方法を実行するためのものである。

図６ａを参照すると、フォトバイオリアクター１００、複数のモニタリングおよび制御デバイス（以下により詳細に記載される）、ならびに制御システムを備える気体処理システム６００が示され、この制御システムは、コンピュータ実装システム６０２を備え、このコンピュータ実装システムは、種々の操作パラメータを制御するように、そしてフォトバイオリアクター内の流れを制御して、所望のレベルまたは最適なレベルの明／暗曝露間隔および周波数を提供し、所望のレベルまたは最適なレベルの光変換を得るように、構成されている。

特定の実施形態において、図７ａおよび７ｂに関して以下により詳細に議論されるように、コンピュータ実装システム６０２は、以下によって、光変換を制御するように構成されている：フォトバイオリアクター内の液体流れパターンのシミュレーションを実施すること；およびこのシミュレーションから、光合成生物の、光合成を駆動するために十分な強度の光、および暗所または光合成を駆動するために不十分な光への曝露間隔を計算すること；ならびに所望のレベルまたは最適なレベルの光変換を提供する、所望の曝露間隔または最適な曝露間隔を得るように、フォトバイオリアクター内の液体媒体の流れを制御すること。また、以下により詳細に説明されるように、所望または最適な明／暗曝露間隔はまた、特定の実施形態において、明／暗曝露間隔の関数としての藻類増殖速度の数学モデル（以下により詳細に記載される）を利用するコンピュータ実装システムによって、決定される。

上記文脈において使用される場合、光合成生物の、光または暗所への「曝露間隔」とは、このような条件への、所定に目的の期間（例えば、管状流れループフォトバイオリアクター内の液体媒体が流れループ全体の周りを流れるために必要とされる期間）にわたっての曝露の長さと頻度との両方をいう。具体的には、以下により詳細に議論されるように、コンピュータ実装システム６０２は、「曝露間隔」を計算する際の特定の好ましい実施形態において、光合成を駆動するために必要とされる閾値の上と下との両方の光強度に対する、平均した藻類の曝露の持続時間、ならびに液体媒体中の藻類がフォトバイオリアクターの流れループの周りを運ばれる際の、光および暗所の期間に対する藻類の曝露の頻度を決定する。

本発明のこの局面は、説明の目的で、フォトバイオリアクター１００を利用するように図示されているが、他の実施形態においては、本明細書中に記載される光変換制御方法論および制御システムは、本明細書中に記載される他のフォトバイオリアクターまたは他の従来のフォトバイオリアクターと共に利用され得ることが、理解されるべきである。特定の実施形態において、フォトバイオリアクター１００に類似の設計のフォトバイオリアクターが好ましい。これは、フォトバイオリアクターがソーラーパネル管（例えば、管１０２）において、再循環ボルテックス１３４および／または乱流渦によって特徴付けられる液体流れ（これは、管１０２内の藻類を、光の強度が光合成を駆動するために十分である管の領域（例えば、表面１３２の近く）と、光の強度が光合成を駆動するために不十分な、この表面から遠く離れた管の他の領域との間での、比較的高周波数の循環に供する際に効果的であり得る）を作製する、上記能力に起因する。例えば、管１０２内での液体媒体の流れと気泡の流れとの相対速度に依存して、１秒間あたり１００サイクルより大きく１秒間あたり１サイクルより小さい光変換周波数（すなわち、明所間隔から暗所間隔への移行）が、提供され得る。光合成活性の間のこのような高周波数の「閃光」効果は、多くの種の藻類の増殖および生産性のために非常に有利であることが見出された（Ｂｕｒｌｅｗ１９６１を参照のこと）。さらに、管１０４および１０６は、特定の実施形態において、全体的または部分的に、不透明にされて、さらなる、より延長した、藻類の暗所（休止期間）への曝露を提供し得、これは、生産性のために同様に有利であり得る。

フォトバイオリアクターシステム６００の本発明の光変換制御方法論の予備制御システムを記載する前に、フォトバイオリアクターシステムによって提供され得る種々のセンサおよび制御器が説明される。フォトバイオリアクター内の物理化学的条件のいくらかの制御は、従来のハードウェアまたはソフトウェアを実装したコンピュータおよび／または電子制御システムを、種々の電子センサと共に使用して、達成され得る。

例えば、操作の間、フォトバイオリアクター１００内の液体媒体の温度を制御して、液体媒体の温度を、生産性のために適切または最適な範囲内に維持することが、重要であり得る。操作のためのこれらの特定の望ましい温度範囲は、もちろん、フォトバイオリアクターシステムにおいて使用される藻類種の特徴に依存する。代表的に、液体媒体の温度を、約５℃と約４５℃との間、より代表的には、約１５℃と約３７℃との間、そして最も代表的には、約１５℃と約２５℃との間に維持することが、望ましい。例えば、Ｃｈｌｏｒｅｌｌａ藻類を利用するフォトバイオリアクターのための望ましい温度操作条件は、日中は約３０℃、そして夜間は約２０℃に制御される液体媒体温度を有し得る。

気体処理システム６００は、特定の実施形態において、液体媒体温度を、１つ以上の様式で制御し得る。例えば、液体媒体の温度は、多孔分散管１２２および１２４に供給される、処理されるべき気体の入口温度の制御を介して、ならびに／またはフォトバイオリアクター１００を直接冷却するための補助的な冷却システムを介して、制御され得る。液体媒体の温度は、フォトバイオリアクター１００全体にわたる１つ以上の場所において、例えば、温度センサ６０４および６０６によってモニタリングされ得る。多孔分散管１２２および多孔分散管１２４に供給される、気体源６０８からの供給気体は、それぞれ、温度センサ６１０および６１２を介して、温度をモニタリングされ得る。特定の実施形態において、気体源６０８からの供給気体は、熱交換器（例えば、図９に示される藻類乾燥器９１２）を通過し、その後、フォトバイオリアクター１００に注入される。温度センサ６０４および６０６によって検出される液体媒体の温度に依存して、コンピュータ実装制御システム６０２は、特定の実施形態において、このような熱交換システムを、多孔分散管１２２および１２４に供給される気体の温度を上昇または低下させるように制御し、液体媒体の温度を上昇または低下させ得る。

上記のように、そして以下により詳細に説明されるように、フォトバイオリアクターシステムの冷却および／または加熱に対する要求は、藻類が操作部位において曝露される実際の温度に近い温度で最適な生産性を有する藻類株を使用することによって、減少され得る。供給気体の温度を熱交換デバイスで改変することによって、液体媒体の温度を制御することに加えて、上記のように、他の実施形態において、特に、フォトバイオリアクター装置が熱帯で操作される実施形態について、上記のような赤外光学フィルタが利用されて、フォトバイオリアクターからの熱エネルギーを維持し得、そして／または補助的な冷却システム（例えば、フォトバイオリアクターの外側に水をスプレーする外部水スプリンクラーのセット）が利用されて、温度を低下させ得る。

液体媒体のｐＨは、ｐＨプローブ６１４によってモニタリングされ得る。ｐＨは、所望のレベルで、特定の種の藻類について、例えば、１つ以上の注入ポート（例えば、液体媒体入口／出口１５０および／または１５２と流体連絡し、ここに、ｐＨ調整化学物質（例えば、塩酸および水酸化ナトリウム）が制御可能に注入され得る）を提供することによって、制御され得る。

システム６００はまた、多孔分散管に供給される供給気体の圧力をモニタリングするための種々のプローブおよびモニタ（例えば、圧力モニタ６１６および６１８）、ならびに気体流量を測定するための流量計（６２０、６２２）、およびフォトバイオリアクターループ内のバルク液体流量を測定するための流量計（流量計６２４）を提供し得る。気体および液体の流量は、以下により詳細に説明されるように、少なくとも部分的に制御されて、所望のレベルまたは最適なレベルの光変換を容易にし得る。フォトバイオリアクター１００に供給される気体の全体の流れを決定する、第二の制御因子は、フォトバイオリアクターによる、所望のレベルの汚染物質（例えば、ＣＯ_２および／またはＮＯ_Ｘ）の除去であり得る。例えば、図示されるように、システム６００は、それぞれ供給気体および処理済気体中の種々の気体（例えば、ＣＯ_２、ＮＯ_Ｘ、Ｏ_２など）の濃度をモニタリングするための、適切な気体組成モニタリングデバイス６２６および６２８を備える。気体入口流量および／または多孔分散管への分布は、フォトバイオリアクターシステムによる所望のレベルの汚染物質除去を得るために、調節および制御され得る。

上記のように、フォトバイオリアクター内の藻類の濃度を長期間の作動および生産性のために適切な範囲内に維持するために、周期的に、藻類の少なくとも一部を採取し、そしてフォトバイオリアクターに新鮮な、藻類のない媒体を供給して、フォトバイオリアクター内の藻類の濃度を調節することが、非長であり得る。図６ｂに図示されるように、増殖条件下で、藻類濃度（ｙ軸）は、特定の地点６２９まで、時間と共に指数関数的に増加し（ｌｏｇ増殖段階）、その後、その濃度は、水平になる傾向があり、そして増殖（ｐｒｏｌｉｆｅｒａｔｉｏｎ）および増殖（ｇｒｏｗｔｈ）が減少する。特定の好ましい実施形態において、フォトバイオリアクター内の藻類の濃度は、藻類が依然としてｌｏｇ増殖レジメンにある濃度の上端の近くである操作範囲６３０内に維持される。当業者によって理解されるように、所定の種の藻類を特徴付ける特定の増殖曲線は、種ごとに異なり、そして所定の種の藻類内においてさえも、操作因子および環境因子（例えば、液体媒体の濃度、増殖温度、気体供給の組成など）に依存して、異なり得る。以下により詳細に説明されるように、特定の実施形態において、本発明は、予備馴化または予備適合された、本発明に従って提供されるフォトバイオリアクター気体処理システム内で予測される特定の操作条件での増殖のために最適化された藻類を使用する、フォトバイオリアクターシステムの使用を教示する。いずれの場合においても、フォトバイオリアクター制御システム６０２がフォトバイオリアクターを維持するように構成されるべき適切な藻類濃度範囲は、特定の適用に対して、慣用的な試験および最適化によって決定されるべきである。このような慣用的な試験および最適化は、パイロット規模のフォトバイオリアクターシステムにおいて、または自動細胞培養管理システムにおいて、以下により詳細に記載されるように、行われ得る。

一旦、所望の藻類濃度範囲が決定されると、上記のように、制御システム６０２は、液体媒体中の藻類濃度を決定し、藻類を採取し、そして新鮮な液体媒体でシステムを補充することによって、この範囲内の藻類濃度を制御するように構成され得る。この採取する手順は、先に詳細に記載された。フォトバイオリアクター内の藻類の濃度を決定する目的で、乱流計および／または分光光度計６３２（または他の適切な光学密度もしくは吸光度を測定するデバイス）が提供され得る。例えば、分光光度計は、液体媒体の光学密度を連続的に測定し、そしてこの光学密度から、標準的な方法（例えば、Ｈｉｒｏｙａｓｕら、１９９８に記載される）に従って、藻類濃度を評価するために使用され得る。

一般に、栄養分のレベルの維持およびｐＨの制御または他の因子のための化学物質は、所望であれば、自動的に、直接的に、フォトバイオリアクター内の液相に添加され得る。コンピュータ制御システム６０２はまた、フォトバイオリアクター内、またはフォトバイオリアクターに接続された、熱交換器システムまたは熱制御システムのいずれかまたは両方を制御することによって、あるいは、代替の実施形態において、液体媒体をフォトバイオリアクターから除去し、そして熱交換器（例えば、温度制御された水浴（図示せず））に通すことによって、フォトバイオリアクター内の液相の温度を制御するように構成され得る。

上記のように、フォトバイオリアクター気体処理システム６００の特定の好ましい実施形態は、コンピュータ実装制御システム６０２を備え、このコンピュータ実装制御システムは、所望の平均藻類増殖速度（例えば、達成可能な最大平均増殖速度）を提供するために望ましい光変換特徴を提供するように、フォトバイオリアクター１００内の液体流れパターンを制御するように構成される。特定の実施形態において、この光変換制御システムおよび方法論は、２つの数学モデルを使用して、光返還を最適化するために、最適または所望の液体流れパターンを決定する。第一の数学モデルは、藻類の増殖速度を、明所および暗所への連続的および交互の曝露の関数としてシミュレートすることを包含し、そして第二の数学モデルは、フォトバイオリアクター内の液体流れパターンを、システムの構成および幾何学的形状、ならびに液体媒体の流量（そして気体注入により駆動される液体流れを含むシステムについては、フォトバイオリアクターへの気体注入速度）の関数として、シミュレートすることを包含する。図７ａおよび７ｂは、上記光変換制御スキームを、コンピュータ実装制御システム６０２で実行するための多くの可能なストラテジーのうちの２つを概説する。

光変換を最適化する際に制御システム６０２によって利用され得る上記数学モデルに関して、明所／暗所曝露間隔（光変換）を平均増殖速度に相関付けるための第一の数学モデルは、特定の実施形態において、文献（ＷｕおよびＭｅｒｃｈｕｋ、２００１を参照のこと）に提唱される数学モデルに基づき得る。このモデルは、藻類細胞における光合成プロセスが、以下の３つの基本モードを有するという仮定に基づく：（１）活性化、（２）休止、および（３）光阻害。上記３つのモードの各々における藻類集団の画分は、それぞれ、ｘ_１、ｘ_２、およびｘ_３によって表され得る（ここで、ｘ_１＋ｘ_２＋ｘ_３＝１である）。

このモデルは、通常の条件下で、活性な藻類培養物は、光飽和に達し、光阻害され、そして最適な生産性のために規則的な間隔で休止しなければならないことを示唆する。光阻害モードおよび休止モードにおいて、培養物は、炭素固定のために光を使うことができない。従って、光阻害または休止の期間の間の光曝露は、本質的に無駄である。なぜなら、この光は、光合成および炭素固定のために利用可能ではないからである。そしてこの光曝露は、実際に、培養物の生存性を決定し得る。提唱されるモデルは、一連の差示的な時間依存性の式を提供し、これらの式は、藻類培養物が、活性化モードと、休止モードと、光阻害モードとの間を移動する動的プロセスを記載する：

これらの式において、αは、藻類培養物をｘ_１からｘ_２に移すための光子利用の速度定数であり、βは、ｘ_２からｘ_３への移動を記載する速度定数であり、γは、ｘ_２からｘ_１への移動を記載する速度定数であり、δは、ｘ_３からｘ_１への移動を記載する速度定数であり、μは、比増殖速度であり、Ｍｅは、管理係数であり、そしてｋは、ｘ_２からｘ_１への遷移に対する光合成生成物の次元なしの収量である。

フォトバイオリアクター１００のようなフォトバイオリアクター装置において、照射強度Ｉは、時間の複雑な関数であり、流体力学、曝露の光強度、およびフォトバイオリアクター１００内の藻類濃度に依存する。

時間の関数としての照射Ｉ（すなわち、藻類がフォトバイオリアクターを通って流れる場合の藻類の照射強度の時間履歴）は、以下により詳細に記載されるように、フォトバイオリアクター内の流体力学のシミュレーションを利用して、決定され得る。一旦、このパラメータが決定され、そして一旦、定数α、γ、β、δ、ｋ、およびＭｅが決定されると、比増殖速度μが、流れループサイクルの周りの所定の照射履歴について決定され得る。これらの式の解は、微分方程式を解くための広範な種々の公知の数値技術を利用して、得られ得る。このような数値技術は、一般的に市販されるかまたは応用数学の当業者によって容易に調製され得る方程式を解くソフトウェアによって容易にされ得る。

製品規模のフォトバイオリアクター（例えば、フォトバイオリアクター１００）において、制御された実験を利用して、上記数学モデルの種々の定数の適切な値を、このモデルを実験データに当てはめることによって、決定することが可能であり得るが、特定の実施形態において、単純さおよび正確さのために、パラメータ（例えば、培養物の光曝露の持続時間、頻度、および強度）の正確かつ直接的な操作を可能にし得る、パイロットフォトバイオリアクターシステムを利用することが望ましくあり得る。例えば、藻類培養物が、培養全体にわたって本質的に均一な光強度、および本質的に同じ明／暗曝露サイクル（すなわち、連続する明／暗曝露サイクルが、本質的に同じ）に曝露されるフォトバイオリアクターシステムについては、上記式の擬似定常状態分析解が可能である（ＷｕおよびＭｅｒｃｈｕｋ，２００１を参照のこと）。

このような実験フォトバイオリアクターシステムは、例えば、自動細胞培養システム内（ここで、藻類細胞が、正確に制御された間隔の光および暗所への曝露を、規則的な一定の周波数で供される）の微小規模のフォトバイオリアクターを備え得る。あるいは、正確な、反復可能な明／暗曝露比を提供する流体流れ挙動を有するパイロット規模の薄膜管状ループ反応器（例えば、ＷｕおよびＭｅｒｃｈｕｋ，２００１に開示される）が利用され得る。このような擬似定常状態の条件下で、１サイクルについての平均比増殖速度が、以下によって与えられる（ＷｕおよびＭｅｒｃｈｕｋ，２００１）：

これらの式において、ｔは、時間であり、ｔ_ｌは、藻類培養物が、光合成を駆動する能力を有する強度の光に曝露されるサイクルの間の時間であり、ｔ_ｄは、藻類培養物が、暗所または光合成を駆動する能力を有さない強度の光に曝露されるサイクルの間の時間であり、そしてｔ_ｃは、全サイクル時間（すなわち、ｔ_ｌ＋ｔ_ｄ）である。

分析を記載する上記式は、藻類増殖速度のデータの、時間の関数としての実験データの曲線に当てはめられて、種々の定数の値を決定され得る（例えば、ＷｕおよびＭｅｒｃｈｕｋ，２００１に記載されるように）。例えば、上記アプローチを使用して、ＷｕおよびＭｅｒｃｈｕｋ，２００１は、赤色の海洋藻類ＰｏｒｐｈｙｒｉｄｉｕｎＳＰ（ＵＴＥＸ６３７）について、式１〜５の定数について、以下の値を決定した：

フォトバイオリアクター内の液体流れパターンを、液体流量および／または全体の気体注入速度、ならびに多孔分散管１２２および１２４への気体注入分配の関数として決定するために、コンピュータ実装制御システム６０２によって利用される数学モデルは、市販の計算流体力学（ＣＦＤ）ソフトウェアパッケージ（例えば、ＦＬＵＥＮＴ^ＴＭまたはＦＩＤＡＰ^ＴＭ）（ＦｌｕｅｎｔＩｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ，Ｌｅｂａｎｏｎ，ＮＨ）、あるいは別の公知のソフトウェアパッケージ、あるいはナビエ−ストークスの運動方程式に対する三次元の解を提供する注文により設計されるＣＦＤソフトウェアプログラム（例えば、Ｄｏｅｒｉｎｇ，ＣｈａｒｌｅｓＲ．およびＪ．Ｄ．Ｇｉｂｂｏｎ，ＡｐｐｌｉｅｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅＮａｖｉｅｒ−ＳｔｏｋｅｓＥｑｕａｔｉｏｎｓ，ＣａｍｂｒｉｄｇｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＰｒｅｓｓ２００１（本明細書中に参考として援用される）を参照のこと）を含み得る。流体機構および計算流体力学の当業者は、このような流体シミュレーションを容易に考案し得、そして単独でかまたはコンピュータプログラミングの当業者と一緒に、このようなシミュレーションを実行するためのソフトウェアを調製し得る。このようなシミュレーションにおいて、有限要素数学技術を利用し得、そしてこのような計算を、広範な種々の利用可能な汎用または流体流れ特異的な有限要素ソフトウェアパッケージ（例えば、ＡＬＧＯＲ，Ｉｎｃ．，Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ，ＰＡから入手可能な１つ以上のもの（例えば、ＡＬＧＯＲの「ＰｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌＦｌｕｉｄＦｌｏｗ」ソフトウェアパッケージ））を使用して、実行し得る。

フォトバイオリアクター１００を利用する、図６ａに図示されるフォトバイオリアクターシステム６００において、コンピュータ実装制御システム６０２によって実行されるＣＦＤシミュレーションは、好ましくは、流れループの周りの藻類の各通過（すなわち、藻類がフォトバイオリアクター１００の導管１０６、１０４、および１０２によって提供される流路の周りを移動する際の藻類の各サイクル）について、藻類が曝露される光の間隔および暗所の間隔の持続時間および周波数（すなわち、光変換パターン）を決定し得る。特定の好ましい実施形態において、ＣＦＤモデルは、フォトバイオリアクターの物理的幾何学的形状、ならびにフォトバイオリアクターの種々の流れ源およびシンクを考慮して、フォトバイオリアクター１００の３つのレッグの各々における液体媒体のバルク流れおよび液体流れパターンを決定し得る。中程度から厳密な有限要素光子間隔は、藻類の規模（例えば、藻類細胞の直径の１０倍のオーダー）で、流れの流線を認識し、そして分析し得る。ＣＦＤシミュレーションの出力は、予測される竜泉であり、これは、流体により駆動される細胞の、光領域および暗所領域ならびにフォトバイオリアクター内へ、およびそこからの経路を示す。これらの流線から、藻類が流れループを移動する際の、光および暗所への曝露の持続時間、ならびに藻類が光曝露から暗所曝露へと移動する周波数が決定され、そしてこの照射対時間の関係は、上記細胞増殖／光変換モデルにおいて、流れループの周りでの平均増殖速度を決定するために利用され得る。

所望であれば、ＣＦＤシミュレーションの結果の実験的確認が、フォトバイオリアクターにおける実際の流れの軌道の流れ可視化研究を使用して、実施され得る。このような研究は、中性に浮遊する微小球（藻類細胞をシミュレートする）を利用することによって、実施され飢える。１つの特定の実施形態において、レーザーが、フォトバイオリアクターの活性セグメント（すなわち、導管１０２）を通る干渉光の長手軸方向のシートを作製するように、構成および配置され得る。レーザー照射のこのような面は、「光」領域と「暗所」領域との間の教会を表すように位置決めされ得る。この位置は、フォトバイオリアクターの操作の間に存在し得る藻類の濃度および照射強度の範囲にわたって予測される、導管内で予測される種々の明暗移行深さを表すように、調節され得る。１つの実施形態において、透明なシリカの微小球および蛍光微小球の組み合わせ（ＤｕｋｅＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，ＰａｌｏＡｌｔｏ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａから入手可能）が、モデル藻類粒子として使用され得る。微小球の直径および密度は、フォトバイオリアクターにおいて使用されると予測される藻類の特定の株に対応するように、選択されるべきである。蛍光微小球がレーザー面を横切る際に、これらの微小球は、レーザービームを散乱させ、そして検出可能な「閃光」を生じる。ビデオカメラが、このような閃光を記録するように配置されえ、そして閃光の間の時間を使用して、２つの領域（すなわち、光領域および暗所領域）の各々における粒子の滞留時間を測定するために使用され得る。所望であれば、第二のレーザー面が作製されて、上記長手方向軸シートに対して垂直な面内で流れを可視化し得る。これは、照射される導管の断面内の種々の蛍光微小球の実際の位置のより詳細な表現を有することが望ましい場合にである。

ここで図７ａおよび７ｂを参照すると、システム６００のフォトバイオリアクターにおける光変換を制御および最適化するための、２つの代替の計算および制御方法論が記載される。これらの方法論は類似しており、そして主として、集束のために利用される計算パラメータ（すなわち、図７ａの方法においては明／暗曝露間隔、および図７ｂの方法においては、予測される増殖速度）が異なる。

ここで図７ａを参照すると、ここには、気体処理システムのフォトバイオリアクター内の光変換を作製泳ぎ制御するための１つの実施形態が開示される。最初の工程７０２は、任意のモデル当てはめ工程であり、これは、上記のようなパイロット規模または微小規模の自動細胞培養およびシステムとはオフラインで実施され得る。任意の工程７０２は、種々の調節可能なパラメータ（上記増殖速度／光変換数学モデルを含む）の適切な値を、上記ならびにＷｕおよびＭｅｒｃｈｕｋ，２００１に記載されるような、モデル方程式を実験増殖速度対明／暗曝露間隔データに当てはめることによって、決定する工程を包含する。

工程７０４において、フォトバイオリアクター１００内の細胞濃度芽、例えば、分光光度計６３２の使用によって、測定される。工程７０６において、フォトバイオリアクターの活性管１０２に入射する光の強度が、光強度測定デバイス（例えば、光度計）６３３を利用して測定される。測定された細胞濃度および照射強度は、工程７０８において、標準的な周知の方法（例えば、Ｂｕｒｌｅｗ、１９６１に記載されるような）に従って、管の導管１０２内に光進入深さを計算するために、一緒に使用され得る。

工程７１０において、数学的計算が実施され、増殖速度／光変換数学モデルから、所望の平均増殖速度を得る（すなわち、システムの調節不可能な操作定数を考慮する）ために必要とされる、予測される明／暗曝露間隔（すなわち、明／暗曝露の持続時間および周波数）が計算される。

工程７１２において、コンピュータ実装システム６０２は、液体媒体の流れのシミュレーション（例えば、ＣＦＤシミュレーション）を実施し、そして特定の全気体流量ならびに多孔分散管１２２および１２４への気体流れ分布についての、フォトバイオリアクター内の流れの流線およびパターを決定する。このシミュレーションから、藻類が流れループの周りを流れる際の、実際の明／暗曝露間隔および藻類の光変換が決定され得る。このシステムは、藻類がいつ光に曝露される表面１３２とは別の管の領域内にあるかを、光合成を駆動するために十分な強度より強い（すなわち、藻類を、上記増殖／光変換モデルにおいて記載されるような「活性」光合成モードにするために必要とされるより強い）光に藻類を曝露させる距離（工程７０８の光進入深さ決定において決定されるような）によって決定することによって、液体媒体中の藻類が実際の管１０２内でいつ光に曝露されるかを決定し得る。特定の型の藻類または藻類の混合物に対する活性な光合成のために必要とされる、正確な光の強度、および対応する進入深さは、モデルフォトバイオリアクターシステムにおける藻類増殖対光の強度の慣用的な実験研究を使用して、決定され得る。

工程７１０において決定される、所望の平均増殖速度を与えるために必要とされる明／暗曝露間隔および光変換特徴が、工程７１４において、工程７１２において決定されるようなフォトバイオリアクターにおいて優勢な、実際の明／暗曝露間隔および光変換特徴と比較される。次いで、工程７１２におけるシミュレーションが、異なる気体流れおよび気体流れ分布を利用して、工程７１０と７１２とにおいて決定される曝露間隔の間が最小になり、そしてシミュレーションが集束するまで、繰り返される。

この時点で、工程７１６において、コンピュータ実装システム６０２は、フォトバイオリアクター内の液体流量ならびに液体流れパターン（例えば、再循環ボルテックス）を、例えば、気体の流れならびに多孔分散管１２２および１２４への気体の分配を、工程７１４において決定された最適値に合うように調節することによって、調節および制御する。

図７ｂにおける代替の光変換決定および制御方法論は、ＣＦＤおよび増殖速度／光変換数学モデルが計算された明／暗曝露間隔に集束する代わりに、図７ｂのシステムがシミュレーションを実行して、所望の予測される増殖速度を得るため（すなわち、増殖速度／光変換モデルによって）に必要とされる流れパラメータを決定することを除いて、図７ａに開示されるものと類似である。

工程７０２、７０４、７０６、７０８、７１２および７１６は、図７ａにおいて概説された方法の文脈で上に記載されたものと、本質的に同じに実施され得る。しかし、この方法においては、工程７１２のＣＦＤシミュレーションから決定される実際の明／暗曝露間隔および光変換データが、次いで、工程７１０’において、増殖速度／光変換数学モデルを利用して、このような明／暗曝露特徴から生じる平均予測増殖速度を計算するために利用される。次いで、工程７１２が、異なる値の気体流れおよび気体分配を用いて繰り返され、そして新たな予測平均増殖毒度が、工程７１０’において決定される。計算手順は、工程７１４’において、工程７１０’において決定されるような所望の平均増殖速度（例えば、達成可能な最大増殖速度）に集束する目的で、工程７１２における値を調節するように構成される。一旦、このような所望の予測増殖速度を生じる気体の流れおよび気体の分配の値が決定されると、コンピュータ実装制御システム６０２は、これらの気体流量および分配を、フォトバイオリアクターに適用して、工程７１６において、システムにおける所望の流体流れ力学を誘導する。

上記光変換制御方法論およびシステムは、有利に、フォトバイオリアクターの自動化操作を、最適なレベルの光変換を生じるように設計された条件下で可能にし得ることが理解されるべきである。有利には、このシステムは、種々のセンサからの入力を連続的に受信し、そして上記方法論を実施するように構成され、これによって、光変換を本質的にリアルタイムで（すなわち、計算がシステムによって実施され得ると同程度に迅速な転回で）最適化し得る。このことは、システムが迅速かつ強固に、環境条件の変化（これは、システム内の光変換の性質および程度を変化させ得る）に対して応答性であることを可能にし得る。例えば、特定の実施形態において、そして実験環境において、コンピュータ実装制御システム６０２は、迅速かつ適切に、気体流量および分配を調節し得、これによって、照射の過渡的変化（例えば、曇ったカバーの一時的な通過）を、フォトバイオリアクターシステムの作動の期間の間考慮するように、フォトバイオリアクター内の液体流れパターンおよび光変換を調節し得る。

上記計算の方法、工程、シミュレーション、アルゴリズム、システム、およびシステム要素は、コンピュータ実装システム（例えば、以下に記載されるコンピュータ実装システムの種々の実施形態）を使用して実行され得る。上記方法、工程、システム、およびシステム要素は、それらの実施が、本明細書中に記載されるいずれの特定のコンピュータシステムにも限定されない。なぜなら、他の多くの異なる機械が使用され得るからである。

コンピュータ実装システムは、フォトバイオリアクターの一部であり得るか、またはフォトバイオリアクターと作動可能に付随して結合され得、そしていくつかの実施形態においては、上記のように、フォトバイオリアクターの作動パラメータを制御および調節するように、そして値を分析および計算するように、構成および／またはプログラムされる。いくつかの実施形態において、コンピュータ実装システムは、制御信号を送信および受信して、フォトバイオリアクター、および必要に応じて、他のシステム装置の、作動パラメータを設定および／または制御し得る。他の実施形態において、コンピュータ実装システムは、フォトバイオリアクターと別体であり得、そして／またはフォトバイオリアクターに対して遠隔に位置し得、そして遠隔のフォトバイオリアクター装置から、間接的手段および／または可搬型手段を介して（例えば、可搬型電子データ格納デバイス（例えば、磁気ディスク）を介して）、またはコンピュータネットワークでの通信（例えば、インターネットまたはローカルイントラネット）を介して、データを受信するように構成され得る。

図６ａを参照すると、コンピュータ実装制御システム６０２は、いくつかの公知の構成要素および回路構造を備え得、これには、処理ユニット（すなわち、プロセッサ）、メモリシステム、入出力デバイスおよびインターフェース（例えば、相互接続機構）ならびに他の構成要素（例えば、トランスポート回路構造（例えば、１つ以上のバス）、ビデオおよびオーディオデータの入力／出力（Ｉ／Ｏ）サブシステム、専用ハードウェア、ならびに他の構成要素および回路構造（以下により詳細に記載されるような））が挙げられる。さらに、コンピュータシステムは、マルチプロセッサコンピュータシステムであり得るか、またはコンピュータネットワークを介して接続される複数のコンピュータを備え得る。

コンピュータ実装制御システム６０２は、プロセッサ（例えば、シリーズｘ８６、ＣｅｌｅｒｏｎおよびＰｅｎｔｉｕｍ（登録商標）プロセッサ（Ｉｎｔｅｌから入手可能）、ＡＭＤおよびＣｙｒｉｘからの類似のデバイス、６８０Ｘ０シリーズのマイクロプロセッサ（Ｍｏｔｏｒｏｌａから入手可能）、およびＰｏｗｅｒＰＣマイクロプロセッサ（ＩＢＭ製）のうちの１つのような市販のプロセッサ）を備え得る。他の多くのプロセッサが利用可能であり、そしてコンピュータシステムは、特定のプロセッサに限定されない。

プロセッサは、代表的に、オペレーティングシステムと称されるプログラムを実行し、これらのうちで、Ｗｉｎｄｏｗｓ（登録商標）ＮＴ、Ｗｉｎｄｏｗｓ（登録商標）９５または９８、ＵＮＩＸ（登録商標）、Ｌｉｎｕｘ、ＤＯＳ、ＶＭＳ、ＭａｃＯＳおよびＯＳ８が、例であり、これらは、他のコンピュータプログラムの実行を制御し、そしてスケジューリング、デバッグ、入力／出力制御、計算、編集、格納割り当て、データ管理およびメモリ管理、通信制御および関連するサービスを提供する。プロセッサおよびオペレーティングシステムは、一緒に、コンピュータプラットフォームを規定し、これについて、高レベルのプログラム言語のアプリケーションプログラムが書き込まれる。コンピュータ実装制御システム６０２は、特定のコンピュータプラットフォームに限定されない。

コンピュータ実装制御システム６０２は、メモリシステムを備ええ、このメモリシステムは、代表敵に、コンピュータ読取り可能かつ書き込み可能な、不揮発性記録媒体を備え、この媒体のうちで、磁気ディスク、光学ディスク、フラッシュメモリ、およびテープが例である。このような記録媒体は、取り外し可能であり得、例えば、フロッピー（登録商標）ディスク、リード／ライトＣＤまたはメモリスティックであり得るか、あるいは永久的なもの（例えば、ハードドライブ）であり得る。

このような記録媒体は、信号を、代表的に二進数の形態（すなわち、１と０との配列として解釈される形態）で格納する。ディスク（例えば、磁気ディスクまたは光学ディスク）は、多数のトラックを有し、このトラック上に、このような信号が、代表的に二進数の形態（すなわち、１と０との配列として解釈される形態）で格納され得る。このような信号は、マイクロプロセッサによって実行されるソフトウェアプログラム（例えば、アプリケーションプログラム）、またはアプリケーションプログラムによって処理される情報を規定し得る。

コンピュータ実装制御システム６０２のメモリシステムはまた、集積回路メモリ要素を備え得、これは代表的に、揮発性のランダムアクセスメモリ（例えば、動的ランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）または静的メモリ（ＳＲＡＭ））である。代表的に、操作の際に、プロセッサは、プログラムおよびデータが、不揮発性記録媒体から集積回路メモリ要素に読み取られるようにし、これは代表的に、不揮発性記録媒体より迅速な、プロセッサによるプログラム指示およびデータへのアクセスを可能にする。

プロセッサは、一般に、集積回路メモリ要素内のデータを、プログラムの指示に従って操作し、次いで、処理が完了した後に、操作されたデータを不揮発性記録媒体にコピーする。不揮発性記録媒体と集積回路メモリ要素との間でのデータの移動を管理するための、種々の機構が公知であり、そして図６ａ、７ａおよび７ｂに関して上に記載された、方法、工程、システムおよびシステム要素を実行するコンピュータ実装制御システム６０２は、これらに限定されない。コンピュータ実装制御システムは、特定のメモリシステムに限定されない。

上記のこのようなメモリシステムの少なくとも一部は、１つ以上のデータ構造（例えば、ルックアップテーブル）または上記方程式を格納するために使用され得る。例えば、不揮発性記録媒体の少なくとも一部分は、１つ以上のこのようなデータ構造を含むデータベースの少なくとも一部分を格納し得る。このようなデータベースは、任意の種々の型のデータベースであり得、例えば、１つ以上のフラットファイルデータ構造を備えるファイルシステム（ここで、データは、デリミタによって分離されたデータユニットに組織化される）、関連データベース（ここで、データは、表に格納されたデータユニットに組織化される）、オブジェクト指向データベース（ここで、データは、オブジェクトとして格納されるデータユニットに組織化される）、別の型のデータベース、またはこれらの任意の組み合わせであり得る。

コンピュータ実装制御システム６０２は、ビデオおよびオーディオデータＩ／Ｏサブシステムを備え得る。このサブシステムのオーディオ部分は、アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器を備え得、この変換器は、アナログオーディオ情報を受信し、そしてこの情報をデジタル情報に変換する。このデジタル情報は、公知の圧縮システムを使用して、別の時点での使用のために、ハードディスク上への格納のために圧縮され得る。Ｉ／Ｏサブシステムの代表的なビデオ部分は、ビデオ画像コンプレッサ／デコンプレッサ（これらの多くが当該分野において公知である）を備え得る。このようなコンプレッサ／デコンプレッサは、アナログビデオ情報を、圧縮されたデジタル情報に変換し、そしてその逆である。圧縮されたデジタル情報は、後の時点での使用のために、ハードディスクに格納され得る。

コンピュータ実装制御システム６０２は、１つ以上の出力デバイスを備え得る。例示的な出力デバイスとしては、陰極線管（ＣＲＴ）ディスプレイ６０３、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）および他のビデオ出力デバイス、プリンタ、通信デバイス（例えば、モデムまたはネットワークインターフェース）、格納デバイス（例えば、ディスクまたはテープ）、およびオーディオ出力デバイス（例えば、スピーカ）が挙げられる。

コンピュータ実装制御システム６０２はまた、１つ以上の入力デバイスを備え得る。例示的な入力デバイスとしては、キーボード、キーパッド、トラックボール、マウス、ペンおよびタブレット、通信デバイス（例えば、上記のもの）、ならびにデータ入力デバイス（例えば、オーディオおよびビデオ捕捉デバイスおよびセンサ）が挙げられる。コンピュータ実装制御システム６０２は、本明細書中に記載される特定の入力デバイスまたは出力デバイスに限定されない。

コンピュータ実装制御システムは、特別にプログラムされた専用ハードウェア（例えば、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ））を備え得る。このような専用ハードウェアは、上記方法、工程、シミュレーション、アルゴリズム、システム、およびシステム要素のうちの１つ以上を実施するように構成され得る。

コンピュータ実装制御システム６０２およびその構成要素は、種々の１つ以上の適切なコンピュータプログラミング言語を使用して、プログラム可能であり得る。このような言語としては、手続き型プログラミング言語（例えば、Ｃ、Ｐａｓｃａｌ、ＦｏｒｔｒａｎおよびＢＡＳＩＣ）、オブジェクト指向言語（例えば、Ｃ＋＋、Ｊａｖａ（登録商標）およびＥｉｆｆｅｌ）および他の言語（例えば、手書き言語または組み立て言語さえ）が挙げられ得る。

方法、工程、シミュレーション、アルゴリズム、システム、およびシステム要素は、任意の種々の適切なプログラミング言語（手続き型プログラミング言語、オブジェクト指向プログラミング言語、他の言語およびこれらの組み合わせが挙げられ、これらは、このようなコンピュータシステムによって実行され得る）を使用して、実施され得る。このような方法、工程、シミュレーション、アルゴリズム、システム、およびシステム要素は、コンピュータプログラムの別のモジュールとして実装され得るか、または別のコンピュータプログラムとして個々に実装され得る。このようなモジュールおよびプログラムは、別のコンピュータで実行され得る。

上記方法、工程、シミュレーション、アルゴリズム、システム、およびシステム要素は、ソフトウェア、ハードウェア、またはファームウェア、あるいはこれら３つの任意の組み合わせにおいて、上記コンピュータ実装制御システムの一部としてか、または独立した構成要素として、実施され得る。

このような方法、工程、シミュレーション、アルゴリズム、システム、およびシステム要素は、個々にかまたは組み合わせで、コンピュータ読取り可能な媒体（例えば、不揮発性記録媒体、集積回路メモリ要素、またはこれらの組み合わせ）上のコンピュータ読取り可能な信号として、明白にコンピュータプログラム製品として実行され得る。各このような方法、工程、シミュレーション、アルゴリズム、システム、およびシステム要素は、について、このようなコンピュータプログラム製品は、例えば、コンピュータによる実行の結果として１つ以上のプログラムの一部として指示を規定するコンピュータ読取り可能な媒体において明白に実施される、コンピュータ読取り可能な信号を備え得、このコンピュータに、方法、工程、シミュレーション、アルゴリズム、システム、およびシステム要素は、を実施するように指示する。

別のセットの実施形態において、本発明はまた、藻類または他の光合成生物を、使用の間に全規模のフォトバイオリアクターにおいて経験すると予測される特定の環境および操作条件に対して予備適合させ、そして予備馴化するための方法を提供する。上記のように、ＣＯ_２、ＮＯ_Ｘおよび／または他の汚染物質性分を気体ストリームから除去するために、フォトバイオリアクターシステムにおいて利用される藻類の、生産性および長期間の信頼性は、フォトバイオリアクターシステムが利用される条件および場所に対してネイティブであるか、または他の様式で十分に適切な藻類の株および種を利用することによって、達成され得る。

当該分野において公知であるように（例えば、Ｍｏｒｉｔａ，Ｍ．，Ｙ．Ｗａｔａｎａｂｅ，およびＨ．Ｓａｉｋｉ，「ＩｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆＭｉｃｒｏａｌｇａｌＢｉｏｍａｓｓＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎｆｏｒＰｒａｃｔｉｃａｌｌｙＨｉｇｈｅｒＰｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＵｓｉｎｇａＰｈｏｔｏｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ」、ＴｒａｎｓＩｃｈｅｍＥ．第７９巻、ＰａｒｔＣ，２００１年９月を参照のこと）、特定のセットの条件に曝露され、そしてこの条件下で増殖可能な藻類培養物は、類似の条件下での長期間の増殖および生産性のためよりよく適合され得、そして適切になり得る。本発明は、再現可能かつ予測可能に藻類培養物を予備馴化および予備適合して、これらの長期間の生存性および生産性を、特定の予測されたセットの操作条件下で増加させ、そしてこのような藻類種を播種されたフォトバイオリアクターが、経時的にフォトバイオリアクター内の藻類培養物を汚染し、そして優勢になる他の所望でない藻類種を有することを防止するための方法を提供する。

多くの現在のフォトバイオリアクターシステムにおいて、藻類の選択された所望の株は、几帳面に滅菌されておらず、そして外部環境から密封された条件で維持されていないフォトバイオリアクター内に維持することが困難であり得る。この理由は、このようなフォトバイオリアクターにおいて利用される藻類株は、使用のための条件に十分には適合または最適化されておらず、そして大気中の他の風土性の藻類株は、局所環境のためにより適切に馴化されており、その結果、これらがフォトバイオリアクターを汚染する能力を有する場合、これらは優勢である傾向があり、そして最終的に、所望の藻類種に取って代わることである。このような現象は、以下に記載される本発明の適合プロトコルを使用することによって、軽減および／または排除され得る。このようなプロトコルの使用およびこのようなプロトコルによって産生された藻類株は、実際のフォトバイオリアクターシステムにおいて藻類培養物の生産性および寿命を増加させて、これによって資本および操作の費用を減少させるのみでなく、操作の前にフォトバイオリアクターシステムを滅菌し、そして操作中にフォトバイオリアクターシステムを環境的に隔離する必要性を排除することによって、操作費用を減少させ得る。

このような藻類適合および予備馴化方法の１つの例示的な実施形態は、図８に図示される。最初に、工程８０２において、特定のフォトバイオリアクター設置部位において、予測される環境条件に少なくとも適合性であり、そして好ましくは十分に適切であると予測される、１つ以上の藻類種が選択される。工程８０４において、パイロット規模または微小規模のフォトバイオリアクターシステムにおいて、工程８０２からの藻類種を含有する藻類培養物が、制御された環境、媒体、増殖などの条件のセット（これらは、藻類が操作の間にフォトバイオリアクターにおいて曝露される条件（例えば、気体処理システムの一部として）をシミュレートするように特に選択される）に曝露される。工程８０６において、藻類培養物が、選択されたシミュレーション条件下で、多世代の自然淘汰および適合が起こるために十分な時間に渡って増殖され、そして繁殖される。藻類種に依存して、この期間は、数日間から数週間まで、そして数ヶ月までのいずれかであり得る。適合の終了時に、適合された藻類が工程８０８において採取され、そしてフォトバイオリアクターシステムの操作者に提供され、その結果、フォトバイオリアクターは、このフォトバイオリアクターに播種されるべき藻類を接種され得る。

特定の実施形態において、適合工程８０４を利用するパイロット規模のフォトバイオリアクターは、上記増殖／光変換数学モデルについての増殖モデル定数を決定する文脈で上に記載されたものと類似であり得るか、または同一であり得る。例えば、ＷｕおよびＭｅｒｃｈｕｋ，２００１に記載されるような、小さい体積の薄膜管状フォトバイオリアクターが利用され得る。

特に好ましい実施形態において、工程８０４は、既存かまたは注文により開発される自動細胞培養および試験システムを利用して実施および実行される。このシステムは、フォトバイオリアクターとして作用し得、従って、このシステムでの藻類培養物の正確な、同時のマルチパラメータ操作および最適化を可能にする。「自動細胞培養および試験システム」とは、本明細書中で使用される場合、少なくとも１つのバイオリアクターを提供するデバイスまたは装置であって、少なくとも１つ、そして好ましくは複数の環境パラメータおよび操作パラメータを制御およびモニタリングし得る、デバイスまたは装置をいう。特に好ましいものは、約１マイクロリットルと約１リットルとの間の培養体積を有するフォトバイオリアクターを提供する、少なくとも１つ、そしてより好ましくは複数のバイオリアクターを有する、自動細胞培養および試験システムである。提供される改変または後の適切な改変として、潜在的に適切な自動細胞培養およびシステムは、利用可能であり、そして例えば、（Ｖｕｎｊａｋ−Ｎｏｖａｋｏｖｉｃ，Ｇ．，ｄｅＬｕｉｓＪ．，ＳｅａｒｂｙＮ．，ＦｒｅｅｄＬ．Ｅ．ＭｉｃｒｏｇｒａｖｉｔｙＳｔｕｄｉｅｓｏｆＣｅｌｌｓａｎｄＴｉｓｓｕｅｓ．Ａｎｎ．ＮＹＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ（依頼された章、印刷中）；ＳｅａｒｂｙＮ．Ｄ．，Ｊ．Ｖａｎｄｅｎｄｒｉｅｓｃｈｅ，Ｌ．Ｓｕｎ，Ｌ，Ｋｕｎｄａｋｏｖｉｃ，Ｃ．Ｐｒｅｄａ，Ｉ．ＢｅｒｚｉｎおよびＧ．Ｖｕｎｊａｋ−Ｎｏｖａｋｏｖｉｃ（２００１）ＳｐａｃｅＬｉｆｅＳｕｐｐｏｒｔＦｒｏｍｔｈｅＣｅｌｌｕｌａｒＰｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ，ＩＣＥＳＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇ（２００１年５月提出、本明細書中以下で「Ｓｅａｒｂｙら、２００１」）；米国特許第５，４２４，２０９号；米国特許第５，６１２，１８８号；米国特許出願公開２００３／００４０１０４；米国特許出願２００２／０１４６８１７；および国際出願公開番号ＷＯ０１／６８２５７上記特許および公開された出願、ならびにＳｅａｒｂｙら、２００１の各々は、本明細書中に参考として援用される）に記載されている。

特定の好ましい構成において、このような自動細胞培養および試験システムは、コンピュータプロセス制御お伸びモニタリングを備え、増殖条件（例えば、温度、光曝露の間隔および周波数、栄養分レベル、栄養分の流れおよび混合など）が、モニタリングおよび調節されることを可能にする。特定の実施形態はまた、オンラインビデオ顕微鏡および自動サンプリングキャピラリーを提供し得る。このような自動細胞培養および試験システムは、種々の増殖パラメータの制御を自主的に可能にすることによって、相類型の多次元での適合および最適化を可能にし得る。

１つの特定の実施形態において、自動細胞培養および試験システムは、上記のように、藻類培養物を、以下の予測される条件に曝露されるように構成される：液体媒体の組成；液体媒体の温度；液体媒体の温度摂動の規模、周波数および間隔；ｐＨ；ｐＨの摂動；光の強度、光の変化の変動；光曝露および暗所曝露の持続時間ならびに明／暗移行周波数およびパターン；供給気体の組成；供給気体の組成の摂動；供給気体の温度；供給気体の温度の摂動など。

１つの例示的な実施形態において、フォトバイオリアクターの光曝露部分において乱流渦および／または再循環ボルテックスによって生じる光変換をシミュレートする、高周波数の明／暗サイクルは、自動細胞培養および試験システムの微小フォトバイオリアクターを、スリットを備えて機械加工されて適切な周波数の光変換および明／暗周期の比を与える交換可能なディスクを備える可変速度チョッパーを通して照射する光源を利用してシミュレートされる。１つの例において、１秒間あたり１サイクル、１０サイクル、および１００サイクルの光変換明／暗間隔周波数がシミュレートされる。上記のように、各適合工程８０６は、多世代の適合を可能にするために十分に長い期間にわたって起こるべきである。藻類種Ｄｕｎａｌｉｅｌｌａが予め適合される特定の実施形態において、各適合工程８０６は、多世代の適合を可能にするために、少なくとも３日間のサイクルにわたって実施される。

図９は、一体化燃焼方法を実施するための一体化システムを図示し、ここで、燃焼気体は、フォトバイオリアクターシステムで処理されて、汚染物質を軽減し、そしてバイオマス（例えば、採取された藻類の形態）を、バイオリアクターシステムを用いて生じ、このバイオマスは、燃焼デバイスのための燃料として利用され得る。一体化システム９００は、燃焼設備から大気に放出される汚染物質のレベルを減少させるためと、特定の実施形態において、この設備によって燃焼される化石燃料（例えば、石炭、石油、天然ガスなど）の量を減少させるためとの両方のために、有利に利用され得る。このようなシステムは、潜在的に、化石燃料（例えば、石炭、石油、および天然ガス）によって燃焼される発電所、産業焼却炉設備、産業炉およびヒータ、内燃機関などのような設備によって放出される処理済気体のために、有利に利用され得る。一体化気体処理／バイオマス得るシステム９００は、特定の実施形態において、引き続いて、燃料設備の全体の化石燃料要求をかなり減少させ得、同時に、環境汚染物質として放出されるＣＯ_２および／またはＮＯ_Ｘの量をかなり減少させ得る。

一体化システム９００は、１つ以上のフォトバイオリアクターまたはフォトバイオリアクターアレイ９０２、９０４および９０６を備える。特定の実施形態において、これらのフォトバイオリアクターは、図１、２、および６ａまたは図３および３ａにおいて先に記載されたものと、設計および構成が類似または同一であり得る。代替の実施形態において、本発明のフォトバイオリアクターの他の実施形態が利用され得るか、または従来のフォトバイオリアクターが利用され得る。システム９００が本発明に従って提供されるフォトバイオリアクター（ここで、このフォトバイオリアクターは、本発明のものであり、従来のものではない）を利用することを除いて、図９に図示されるユニット操作は、従来の設計のものであり得るか、または従来の設計の直接的な適合または延長であり得、そして化学工学の分野の当業者によって、慣用的な操作および設計の原理を使用して、選択および設計され得る。

図示される例示的なシステムにおいて、電気発電所設備９０８によって生成される熱い燃焼気体は、必要に応じて、圧縮器９１０において圧縮され、そして乾燥器９１２（これの機能は、以下で説明される）を備える熱交換器を通過する。熱交換器９１２は、熱い燃料気体が、フォトバイオリアクターアレイ９０２、９０４、および９０６への注入のために所望の温度まで冷却されることを可能にするように、構成され、そして制御可能である。この気体は、フォトバイオリアクターを通過する際に、その中の藻類または他の光合成生物によって処理され、１つ以上の汚染物質（例えば、ＣＯ_２および／またはＮＯ_Ｘ）を除去される。燃料気体より低い濃度のＣＯ_２および／またはＮＯ_Ｘを含有する処理済気体は、出口９１４、９１６、および９１８から放出され、そして１つの実施形態において、大気中に排気される。

上記のように、フォトバイオリアクター内に収容される藻類または他の光合成生物は、燃料気体ストリームのＣＯ_２を増殖および再生のために利用し得、これによって、バイオマスを得る。上記のように、フォトバイオリアクター内の藻類または他の光合成生物の最適なレベルを維持するために、周期的に、バイオマス（例えば、湿った藻類の形態で）が、フォトバイオリアクターから、液体媒体出口ライン９２１、９２２、および９２４を介して取り出される。

そこから、湿った藻類は乾燥器９１２に方向付けられ、この乾燥器は、上記のように、熱い燃料気体を供給される。この乾燥器において、熱い燃焼気体が、湿った藻類供給物の水分を少なくとも部分的に蒸発させるために利用され得、これによって、乾燥した藻類バイオマスを得るし、これは、ライン９２６を介して取り出される。特定の実施形態において、有利には、乾燥器９１２は、フォトバイオリアクターへの注入前に藻類を乾燥させ、そして燃料気体ストリームを冷却することに加えて、燃料気体ストリームに湿気を与え、これによって、ストリーム中の粒子性物質のレベルを低下させる。粒子性物質は、潜在的に、フォトバイオリアクターに対する汚染物質として働き得、そして／またはフォトバイオリアクター内の気体多孔分散管の詰まりを引き起こし得るので、フォトバイオリアクター内への注入前の粒子性物質の除去は、有利であり得る。

乾燥器９１２に供給される湿った藻類ストリームから除去された水は、ライン９２８を介して、凝縮器９３０に供給され、新鮮なフォトバイオリアクター液体媒体の調製のために使用され得る水を生成し得る。図示される実施形態において、凝縮器９３０から（「Ａ」において）回収された水は、乾燥器９１２において蓄積された粒子性物質の除去のための任意の濾過、または潜在的な夾雑物の除去のための他の処理の後に、ポンプ９３２によって、媒体貯蔵タンク９３４にポンピングされ得、このタンクは、フォトバイオリアクターの作製媒体を供給する。

乾燥器９１２から回収された乾燥した藻類バイオマスは、設備９０８の燃焼デバイスにおいて使用するための固形燃料として直接使用され絵、そして／または燃料等級の石油（例えば、「バイオディーゼル」）および／もしくは燃焼有機燃料気体に転換され得る。石油製品または燃料気体製品のためにとっておかれる藻類バイオマスは、熱分解プロセスおよび／または熱化学的液化において分解して、藻類から、石油ガスおよび／または燃焼気体を生成し得る。燃料等級の石油および気体を藻類バイオマスから生成するこのような方法は、当該分野において周知である（例えば、Ｄｏｔｅ，Ｙｕｔａｋａ，「Ｒｅｃｏｖｅｒｙｏｆｌｉｑｕｉｄｆｕｅｌｆｒｏｍｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｒｉｃｈｍｉｃｒｏａｌｇａｅｂｙｔｈｅｒｍｏｃｈｅｍｉｃａｌｌｉｑｕｅｆａｃｔｉｏｎ」、Ｆｕｅｌ．７３：第１２号（１９９４）；Ｂｅｎ−ＺｉｏｎＧｉｎｚｂｕｒｇ，「ＬｉｑｕｉｄＦｕｅｌ（Ｏｉｌ）ＦｒｏｍＨａｌｏｐｈｉｌｉｃＡｌｇａｅ：ＡｒｅｎｅｗａｂｌｅＳｏｕｒｃｅｏｆＮｏｎ−ＰｏｌｌｕｔｉｎｇＥｎｅｒｇｙ，ＲｅｎｅｗａｂｌｅＥｎｅｒｇｙ」、第３巻、第２／３号、２４９−２５２頁（１９９３）；Ｂｅｎｅｍａｎｎ，ＪｏｈｎＲ．およびＯｓｗａｌｄ，ＷｉｌｌｉａｍＪ．，「ＦｉｎａｌｒｅｐｏｒｔｔｏｔｈｅＤＯＥ：ＳｙｓｔｅｍａｎｄＥｃｏｎｏｍｉｃＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＭｉｃｒｏａｌｇａｅＰｏｎｄｓｆｏｒＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎｏｆＣＯ_２ｔｏＢｉｏｍａｓｓ」、ＤＯＥ／ＰＣ／９３２０４−Ｔ５，１９９６年３月；ならびにＳｈｅｅｈａｎら、１９９８を参照のこと；各々が、参考として援用される）。

特定の実施形態において、特に、調節によってフォトバイオリアクターで処理された気体を特定の高さの煙スタックを通して大気中に放出することが必要とされ得る（すなわち、処理済気体を先に記載されたように直接大気中に排気するのではない）燃焼設備を含む実施形態において、処理済気体ストリーム９３６は、大気への放出のための煙突９３８の底部に注入され得る。特定の実施形態において、処理済み気体ストリーム９３６は、煙突９３８から効果的に放出されることを可能にするために十分ではない温度を有し得る。このような実施形態において、冷たい処理済燃料気体９３６は、熱交換器９４０を通されて、その温度を、煙突への注入前に適切なレベルまで上昇させ得る。１つのこのような実施形態において、冷却された処理済燃料気体ストリーム９３６は、燃焼設備から放出された熱い燃料気体（これは、熱交換器９４０の熱源として供給される）での熱交換を介して、熱交換器９４０において加熱される。

上記から明らかであるように、一体化フォトバイオリアクター気体処理システム９００は、バイオテクノロジーに基づく空気汚染制御および再生可能なエネルギー解決策を、化石燃料燃焼設備（例えば、発電所）に提供し得る。フォトバイオリアクターシステムは、人および環境に対して危険であるとみなされる気体および他の汚染物質（例えば、粒子状物質）を除去し得る、放出制御デバイスおよび再生システムを備え得る。さらに、一体化フォトバイオリアクターシステムは、再生可能なエネルギー源として使用され得るバイオマスを提供し、化石燃料燃焼させる必要性を減少させる。

さらに、特定の実施形態において、一体化フォトバイオリアクター燃焼気体処理システム９００は、一体化システムの一部として、フォトバイオリアクターと流体連絡した、１つ以上のさらなる気体処理装置をさらに備え得る。例えば、燃料気体中の水銀および／または水銀含有化合物を制御するための、効果的な、現在利用される技術は、活性炭またはシリカの注入の使用である（例えば、「ＭｅｒｃｕｒｙＳｔｕｄｙＲｅｐｏｒｔｔｏＣｏｎｇｒｅｓｓ」、ＥＰＡ−４５２／Ｒ９７−０１０、第ＶＩＩＩ巻（１９９７）（本明細書中以下で、「ＥＰＡ，１９９７」）を参照のこと；これは、本明細書中に参考として援用される）。しかし、この技術の性能は、非常に温度依存性である。現在、この技術の有効な利用は、この技術が利用され得る前の、燃料気体のかなりの冷却を必要とする。従来の燃焼設備において、これは、燃料気体冷却デバイスを設置するためのさらなる資本投資および操作費用を必要とする。

有利なことに、燃料気体は、乾燥期９１２において藻類を乾燥させるための燃料気体の利用によって、一体化システム９００においてすでに冷却されているので、水銀および水銀含有物質を除去する装置および処理が、冷たい燃料気体の流路内に、フォトバイオリアクターの上流９４２および／またはフォトバイオリアクターの下流９４４に、すでに有利に一体化され得る。いずれの場合においても、一体化システム９００内で生成される温度が低下した燃料気体は、公知の水銀制御された技術と非常に適合性であり、多汚染物質（ＮＯ_Ｘ、ＣＯ_２、水銀）制御システムを可能にする。

同様に、種々の公知の沈殿に基づくＳＯ_Ｘ除去技術もまた、燃料気体の冷却を必要とする（例えば、ＥＰＡ，１９９７を参照のこと）。従って、上記水銀除去技術と同様に、このようなＳＯ_Ｘ沈殿および除去技術は、上記水銀除去システムと類似の位置（例えば、９４２および９４４）において、システム９００内のフォトバイオリアクターと流体連絡して設置され得る。

本発明のこれらおよび他の実施形態の機能および利点は、以下の実施例からより十分に理解され得る。以下の実施例は、本発明の特定の実施形態を説明するが、本発明の全範囲を例示するわけではない。

（実施例１：３つの三角形の管状フォトバイオリアクターを備える３フォトバイオリアクターモジュールでのＣＯ_２およびＮＯ_Ｘの軽減）
本実施例のために利用されるモジュールの各フォトバイオリアクターユニットは、図１に示されるように組み立てられた、透明なポリカーボネートから構成された円形断面の３つの管を備え、α_１＝４５°およびα_２は９０°であった。この三角形において、垂直レッグは２．２ｍの高さおよび５ｃｍの直径であった；水平レッグは、１．５ｍの長さおよび５ｃｍの直径であった；そして斜辺は、２．６ｍの長さおよび１０ｃｍの直径であった。このフォトバイオリアクターモジュールは、図２に示されるものと同様の、平行に配置された３つの隣接するユニットを備えた。このバイオリアクターモジュールは、０．４５ｍ^２のフットプリントを有した。

気体混合物（保証されたＡＧＡガス）（燃料気体組成物を模倣する）を使用した（Ｈｉｒｏｙａｓｕら、１９９８）。膳気体流れ投入は、モジュール内のフォトバイオリアクターの各１０リットルあたり、７１５ｍｌ／分であった。気体を垂直レッグに注入するための多孔分散管および斜辺レッグに気体を注入するための多孔分散管への気体分配は、５０：５０であった。平均気泡サイズは、０．３ｍｍであった。バイオリアクターの入口ポートおよび出口ポートにおけるＣＯ_２およびＮＯ_Ｘの組成を、燃料気体分析器（ＱＵＩＮＴＯＸ^ＴＭ；ＫｅｉｓｏｎＰｒｏｄｕｃｔｓ，ＧｒａｎｔｓＰａｓｓ，Ｏｒｅｇｏｎ）を使用して測定した。

斜辺レッグにのみ適用される光源は、全スペクトル「ＳＵＮＳＨＩＮＥ^ＴＭ」ランプであり、放射強度は３９０Ｗ／ｍ^２であった。光放射線を、ＴＥＳ光度計（ＴＥＳＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｒｐ．Ｔａｉｐｅｉ，Ｔａｉｗａｎ，Ｒ．Ｏ．Ｃ．）を用いて測定した。光の周期は、１２時間の光−１２時間の暗所であった。温度を、２６℃に維持した。

藻類の発熱量を、Ｂｕｒｌｅｗ，１９６１に従って、ミクロ酸素ボンベ熱量計を使用して測定した。

微小藻類Ｄｕｎａｌｉｅｌｌａｐａｒｖａ（ＵＴＥＸ．）培養物を、モデルとして使用した。これは、大規模な生成において示された実績、燃料気体組成の許容、および高品質の生物燃料を生成する能力のために、特に選択された。

使用した媒体は、改変Ｆ／２であり、以下を含有した：
２２ｇ／ｌのＮａＣｌ、１６ｇ／ｌのＡｒｔｉｆｉｃａｌＳｅａＷａｔｅｒＳｅａＳａｌｔｓ（ＩＮＳＴＡＮＴＯＣＥＡＮ（登録商標）、ＡｑｕａｒｉｕｍＳｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．Ｍｅｎｔｏｒ，ＯＨ）、０．４２５ｇ／ｌのＮａＮＯ_３、５ｇ／ｌのＭｇＣｌ_２、４ｇ／ｌのＮａ_２ＳＯ_４、および媒体１リットルあたり１ｍｌの金属溶液（以下のストック溶液の内容物を参照のこと）＋媒体１リットルあたり５ｍｌのビタミン溶液（以下のストック溶液の内容物を参照のこと）。ｐＨを、ｐＨ８に維持した。

（ストック溶液の組成）
金属溶液−１リットルあたり以下の微量金属ストック溶液（キレート化）
ＥＤＴＡＮａ_２４．１６０ｇ
ＦｅＣｌ_３・６Ｈ_２Ｏ３．１５０ｇ
ＣｕＳＯ_４・５Ｈ_２Ｏ０．０１０ｇ
ＺｎＳＯ_４・７Ｈ_２Ｏ０．０２２ｇ
ＣｏＣｌ_２・６Ｈ_２Ｏ０．０１０ｇ
ＭｎＣｌ_２・４Ｈ_２Ｏ０．１８０ｇ
Ｎａ_２ＭｏＯ_４・２Ｈ_２Ｏ０．００６ｇ。

ビタミン溶液−１リットルあたり以下のビタミンストック溶液
シアノコバラミン０．０００５ｇ
チアミンＨＣｌ０．１ｇ
ビオチン０．０００５ｇ。

細胞密度を、６８０ｎｍで分光光度計測定を使用して計算した（Ｈｉｒｏｙａｓｕら、１９９８を参照のこと）。

実験条件下で、以下の性能が達成された：
９０％のＣＯ_２軽減（光の存在下）；
９８％および７１％のＮＯ_Ｘ除去（それぞれ明所および暗所）；
１９．６％の太陽効率。

（実施例２〜５：発電所の燃料気体汚染物質の軽減および藻類バイオマスの生成のためのフォトバイオリアクターアレイ）
以下の全ての実施例は、２５０ＭＷの石炭で燃焼する発電所（７８１，２５０ＳＣＦＭの燃料気体流量および５，５５６トン／ｄの石炭消費）に関する。燃料気体は、ＣＯ_２（１４％体積）、ＮＯ_Ｘ（２５０ｐｐｍ）、および洗浄後のＳＯ_Ｘレベル（２０ｐｐｍ、ＵＳ１９９０ＣｌｅａｎＡｉｒＡｃｔＡｍｅｎｄｍｅｎｔにおいて規定された）を含有する。１２ｈ／ｄの日照および６．５ｋＷｈ／ｍ^２／ｄの太陽放射線の平均値（代表的な米国南西部のレベル（米国エネルギー省）を表す）を仮定する。実施例１の性能データおよび実験値（Ｂｕｒｌｅｗ，１９６１）に基づいて、２０％の藻類太陽効率を仮定する。実施例１の性能および文献の値（Ｓｈｅｅｈａｎら、１９９８；Ｈｉｒｏｙａｓｕら、１９９８）に基づいて、日中の藻類のＣＯ_２およびＮＯ_Ｘ軽減効率は、それぞれ９０％および９８％であり、そして夜間は、それぞれ０％および７５％である。バイオディーゼル生成ポテンシャルは、１トン（乾燥重量）の藻類あたり３．６ｂｂｌである（Ｓｈｅｅｈａｎら、１９９８）。システムの大きさおよび性能を、種々の能力および操作プロトコルについて、以下で表２にまとめる。

本発明のいくつかの実施形態が、本明細書中に記載および図示されたが、当業者は、本明細書中に記載される機能を実施するため、および／あるいは本明細書中に記載される結果または利点を得るための、種々の他の手段および構造体を容易に予測し、そしてこのようなバリエーションまたは改変は、本発明の範囲内であるとみなされる。より一般的には、当業者は、本明細書中に記載される全てのパラメータ、寸法、材料、および構成が例示的であること、ならびに実際のパラメータ、寸法、材料、および構成は、本発明の技術が使用される特定の適用に依存することを、容易に理解する。当業者は、本明細書中に記載される本発明の特定の実施形態に対する多くの均等物を認識するか、または慣用的にすぎない実験を使用して確認し得る。従って、上記実施形態は、例のみとして提供されること、ならびに添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内で、本発明は、具体的に記載されたものとは異なって実施され得ることが、理解されるべきである。本発明は、本明細書中に記載される各個々の特徴、システム、材料、および／または方法に関する。さらに、このような特徴、システム、材料、および／または方法の２つ以上の任意の組み合わせは、このような特徴、システム、材料、および／または方法が互いに矛盾しない限り、本発明の範囲内に含まれる。特許請求の範囲（および上記明細書）において、全ての移行句または包含の語句（例えば、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「備える（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「保有する（ｃａｒｒｙｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「収容する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、「から構成される（ｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆ）」、「から作製される（ｍａｄｅｏｆ）」、「から形成される（ｆｏｒｍｅｄｏｆ）」など）は、制限なしである（すなわち、「が挙げられるが、これらに限定されない」を意味する）と解釈されるべきである。移行句または包含の語句「から構成される」および「から本質的になる」のみが、それぞれ排他的な語句または半排他的な語句と解釈されるべきである。

図１は、本発明の１つの実施形態に従う、管状の三角形のフォトバイオリアクターの概略断面図である。図２は、本発明の１つの実施形態に従う、平行に配置された、１０個の図１のフォトバイオリアクターを使用するマルチフォトバイオリアクター気体処理アレイの概略正面斜視図である。図３は、本発明の１つの実施形態に従う、環状フォトバイオリアクターの概略右側斜視図である。図３ａは、線３ａ−３ａに沿って見た、図３の環状フォトバイオリアクターの断面図である。図４ａ〜４ｇは、種々のフォトバイオリアクター構成の概略断面図である。図５ａ〜５ｇは、種々のフォトバイオリアクター構成の概略断面図である。図６ａは、本発明の１つの実施形態に従う、図１のフォトバイオリアクターを使用し、そしてコンピュータ実装制御システムを備える、フォトバイオリアクターシステムの概略図である。図６ｂは、藻類の増殖曲線を示すグラフである。図７ａは、図６ａのフォトバイオリアクターシステムのコンピュータ実装制御システムを操作するための方法の１つの実施形態を示す、ブロック流れ図である。図７ｂは、図６ａのフォトバイオリアクターシステムのコンピュータ実装制御システムを操作するための方法の別の実施形態を示す、ブロック流れ図である。図８は、本発明の１つの実施形態に従う、藻類培養物の予備馴化のための方法の１つの実施形態を示す、ブロック流れ図である。図９は、本発明の１つの実施形態に従う、一体化燃焼方法の１つの実施形態の概略プロセス流れ図である。

Claims

フォトバイオリアクターで気体を処理する方法であって、以下：
少なくとも１種の光合成生物を含有する液体媒体の流れを、該フォトバイオリアクター内に確立する工程；
該フォトバイオリアクターの少なくとも一部分および該光合成生物の少なくとも一部分を、光合成を駆動する能力を有する光の源に曝露する工程；
該光合成生物の、光合成を駆動するために十分な強度での該光への第一の曝露間隔、および該光合成生物の、暗所、または該フォトバイオリアクター内での該光合成生物の選択された増殖を得るために必要とされる光合成を駆動するために不十分な強度の光への第二の曝露間隔を計算する工程；ならびに
該計算する工程において決定された該曝露間隔に基づいて、該フォトバイオリアクター内での該液体媒体の流れを制御する工程、
を包含する、方法。
前記選択された増殖速度が、達成可能な最大増殖速度である、請求項１に記載のフォトバイオリアクターで気体を処理する方法。
さらに、以下：
処理されるべき気体のストリームを、前記フォトバイオリアクターに導入する工程；ならびに
該気体から、該フォトバイオリアクターを用いて、ＣＯ_２および／またはＮＯ_Ｘを少なくとも部分的に除去する工程、
を包含する、請求項１に記載のフォトバイオリアクターで気体を処理する方法。
前記導入する工程において導入される前記気体が、発電装置および／または焼却炉由来の燃焼気体を含有する、請求項３に記載のフォトバイオリアクターで気体を処理する方法。
前記制御する工程において、前記液体媒体の前記流れが、コンピュータ実装システムを利用して制御され、該コンピュータ実装システムは、前記フォトバイオリアクター内の液体流れパターンのシミュレーションを実施し、そして該シミュレーションから、該光合成生物の、光合成を駆動するために十分な強度の光への、計算された実際の第一の曝露間隔、および該光合成生物の、暗所、または光合成を駆動するために不十分な強度の光への第二の計算された実際の曝露間隔を決定し、そして該計算された実際の第一の曝露間隔および第二の曝露間隔と、前記計算する工程において計算された前記第一の曝露間隔および第二の曝露間隔との間の差異を最小にするように選択された、該バイオリアクター内での前記液体媒体の流れを確立するように構成されている、請求項１に記載のフォトバイオリアクターで気体を処理する方法。
前記フォトバイオリアクター内での前記液体流れパターンが、再循環ボルテックスおよび乱流渦のうちの少なくとも１つによって特徴付けられる、請求項５に記載のフォトバイオリアクターで気体を処理する方法。
前記計算する工程において計算される、選択された増殖速度を生じるために必要とされる前記第一の曝露間隔および第二の曝露間隔が、数学モデルを利用して決定され、該数学モデルは、光合成を駆動するために十分な強度の光への曝露と、光合成を駆動するために不十分な強度の光への曝露とへの交互の期間に曝露される場合の、前記光合成生物の増殖速度をシミュレートする、請求項５に記載のフォトバイオリアクターで気体を処理する方法。
前記計算する工程の前に、さらに、以下：
前記数学モデルにおいて利用される少なくとも１つの方程式を、増殖速度対前記少なくとも１種の光合成生物を含有する液体媒体を収容するパイロット規模のバイオリアクターを使用して作製された光曝露間隔データに対して曲線を当てはめることによって、該少なくとも１つの方程式の、少なくとも１つの調節可能なパラメータを決定する工程、
を包含する、請求項７に記載のフォトバイオリアクターで気体を処理する方法。
前記パイロット規模のフォトバイオリアクターが、自動細胞培養および試験システムを備え、該システムは、約１マイクロリットルと約１リットルとの間の体積を有するフォトバイオリアクターを備える少なくとも１つの培養チャンバを備える、請求項８に記載のフォトバイオリアクターで気体を処理する方法。
前記制御する工程において利用される、前記コンピュータ実装システムが、操作の間、前記フォトバイオリアクターの少なくとも１つの環境条件または性能条件をモニタリングするように構成された少なくとも１つのセンサから、信号を受信するようにさらに構成されている、請求項５に記載のフォトバイオリアクターで気体を処理する方法。
前記コンピュータ実装システムが、前記計算された実際の第一の曝露間隔および第二の曝露間隔を決定する際に、前記少なくとも１つのセンサからの少なくとも１つの信号を利用するようにさらに構成されている、請求項１０に記載のフォトバイオリアクターで気体を処理する方法。
前記少なくとも１つのセンサが、以下：
前記フォトバイオリアクターに入射する光の強度；
該フォトバイオリアクター内の前記液体媒体の光学密度および／または濁り度；
該フォトバイオリアクターへの気体投入流量；
該フォトバイオリアクター内での液体媒体の流量；
該フォトバイオリアクター内での該液体媒体の温度；ならびに
該フォトバイオリアクターに供給される気体ストリームの温度、
からなる群より選択される少なくとも１つの条件をモニタリングするように構成されている、請求項１１に記載のフォトバイオリアクターで気体を処理する方法。
前記コンピュータ実装システムが、前記フォトバイオリアクター内での前記液体媒体の流れを制御する際に、本質的にリアルタイムで、前記少なくとも１つのセンサから受信された前記少なくとも１つの信号の変化の原因となるように構成されている、請求項１２に記載のフォトバイオリアクターで気体を処理する方法。
前記フォトバイオリアクターが、流体連絡した少なくとも第一の導管および第二の導管、気体ストリームを該第一の導管に導入するように構成および配置された第一の気体多孔分散管；ならびに気体ストリームを該第二の導管に導入するように構成および配置された第二の気体多孔分散管を備え；ここで、
前記コンピュータ実装システムが、前記フォトバイオリアクターによって処理されるべき気体の全体の流量、ならびに該第一の気体多孔分散管および第二の気体多孔分散管への気体の全体の流量の分布を制御することによって、該フォトバイオリアクター内の前記液体媒体の流れを制御するようにさらに構成されている、
請求項５に記載のフォトバイオリアクターで気体を処理する方法。
前記コンピュータ実装システムが、前記第一の導管内で、該第一の導管内での気泡の流れの方向に対して向流である方向を有する流体流れを誘導し、そして前記第二の導管内で、該第二の導管内での気泡の流れの方向に対して並流である方向を有する流体流れを誘導するように、前記気体の全体の流量、ならびに前記第一の気体多孔分散管および第二の気体多孔分散管への該気体の全体の流量の分布を制御するようにさらに構成されている、請求項１４に記載のフォトバイオリアクターで気体を処理する方法。
前記フォトバイオリアクターが、流体的に相互接続された、少なくとも第一の導管、第二の導管、および第三の導管を備え、該導管のうちの少なくとも１つが、光合成を駆動する能力を有する光の前記源によって発光される光に対して、少なくとも部分的に透明であり、該導管は、一緒になって、流れループを提供し、該流れループは、該フォトバイオリアクター内に収容される前記液体媒体が、該流れループ内の起点領域から、該第一の導管、第二の導管、および第三の導管を通り、そして該起点領域へと戻って連続的に流れることを可能にし、
該第一の導管、第二の導管、および第三の導管は、該導管のうちの少なくとも１つが水平に対して角度を形成するように構成および配置されており、該角度は、他の導管のうちの少なくとも１つの、水平に対して形成される角度とは異なり、そして
該導管のうちの少なくとも１つは、水平に対して、１０°より大きく９０°未満である角度を形成する、
請求項１に記載のフォトバイオリアクターで気体を処理する方法。
前記流体的に相互接続される第一の導管、第二の導管、および第三の導管が、各々、本質的に円形の断面形状を有する細長管を備える、請求項１６に記載のフォトバイオリアクターで気体を処理する方法。
前記確立する工程が、以下：
前記フォトバイオリアクターによって処理されるべき気体の第一のストリームを、第一の気体多孔分散管に挿入する工程であって、該第一の気体多孔分散管は、該気体ストリームを、該フォトバイオリアクターの第一の導管に導入するように構成および配置されている、工程；
該フォトバイオリアクターによって処理されるべき該気体の第二のストリームを、第二の気体多孔分散管に挿入する工程であって、該第二の気体多孔分散管は、該気体ストリームを、該フォトバイオリアクターの第二の導管に導入するように構成および配置されている、工程；
前記液体媒体を、該第一の導管に導入される気体の該第一のストリームから形成される気泡の流れの方向に対して向流である方向で、該第一の導管内で流れるように誘導する工程；ならびに
該液体媒体を、該第二の導管に導入される気体の該第二のストリームから形成される気泡の流れの方向に対して並流である方向で、該第二の導管内で流れるように誘導する工程、
を包含する、請求項１に記載のフォトバイオリアクターで気体を処理する方法。
前記フォトバイオリアクターが、以下：
細長外側エンクロージャーであって、本質的に水平な長手方向軸、および光合成を駆動する能力を有する光の前記源によって発生される光に対して少なくとも部分的に透明な少なくとも１つの表面を有する、細長外側エンクロージャー；
該細長外側エンクロージャー内に配置され、そして該外側エンクロージャーの該長手方向軸と実質的に整列する長手方向軸を有する、細長内側チャンバ、
を備え、該細長外側エンクロージャーおよび該細長内側チャンバが、一緒になって、両端において密封された環状コンテナを規定し、そして該環状コンテナは、流れループを提供し、該流れループは、該フォトバイオリアクター内に収容される前記液体媒体が、該流れループ内の起点領域から、該細長内側チャンバの周囲の周りを流れ、そして該起点領域に戻ることを可能にする、請求項１に記載のフォトバイオリアクターで気体を処理する方法。
前記フォトバイオリアクターが、以下：
内部に前記液体媒体を収容するコンテナであって、該コンテナの外側壁の少なくとも一部分は、光合成を駆動する能力を有する光の前記源からの光に対して少なくとも部分的に透明であるように構成される、コンテナ、
を備え、該コンテナの該外側壁の内側表面の少なくとも一部分は、生体適合性物質の層でコーティングされ、該生体適合性物質は、少なくとも４５℃までの温度において、固体であり、そして該生体適合性物質は、該生体適合性物質がコーティングされるコンテナの該外側壁の融点より低い融点を有する、請求項１に記載のフォトバイオリアクターで気体を処理する方法。
前記フォトバイオリアクター内の前記少なくとも１種の光合成生物が、藻類を含む、請求項１に記載のフォトバイオリアクターで気体を処理する方法。
光合成を誘導する能力を有する光の前記源が、太陽を含む、請求項１に記載のフォトバイオリアクターで気体を処理する方法。
フォトバイオリアクターで気体を処理する方法であって、以下：
少なくとも１種の光合成生物を含有する液体媒体の流れを、該フォトバイオリアクター内で確立する工程；
該フォトバイオリアクターの少なくとも一部分および該少なくとも１種の光合成生物を、光合成を駆動する能力を有する光の源に曝露する工程；
該フォトバイオリアクター内での液体流れパターンのシミュレーションを実施し、そして該シミュレーションから、該光合成生物の、光合成を駆動するために十分な強度の光への第一の曝露間隔、および該光合成生物の、暗所、または光合成を駆動するために不十分な強度の光への第二の曝露間隔を決定する工程；
該第一の曝露間隔および該第二の曝露間隔から、該フォトバイオリアクター内での該光合成生物の予測される増殖速度を計算する工程；ならびに
該光合成生物の選択された第一の曝露間隔および選択された第二の曝露間隔を得るように、該フォトバイオリアクター内での該液体媒体の流れを制御して、該計算する工程において決定されるような所望の予測される増殖速度を達成する工程、
を包含する、方法。
前記フォトバイオリアクター内での液体流れパターンが、再循環ボルテックスおよび乱流渦のうちの少なくとも１つによって特徴付けられる、請求項２３に記載のフォトバイオリアクターで気体を処理する方法。
前記所望の予測される増殖速度が、達成可能な最大の予測される増殖である、請求項２３に記載のフォトバイオリアクターで気体を処理する方法。
前記計算する工程において、前記第一の曝露間隔および第二の曝露間隔から計算される前記予測される増殖速度が、数学モデルを利用して決定され、該数学モデルは、光合成を駆動するために十分な強度の光への曝露と、光合成を駆動するために不十分な強度の光への曝露との交互の期間に曝露される場合の、前記光合成生物の増殖速度をシミュレートする、請求項２３に記載のフォトバイオリアクターで気体を処理する方法。
前記計算する工程の前に、以下：
前記数学モデルにおいて利用される少なくとも１つの方程式を、増殖速度対前記少なくとも１種の光合成生物を含有する液体媒体を収容するパイロット規模のバイオリアクターを使用して作製された光曝露間隔データに対して曲線を当てはめることによって、該少なくとも１つの方程式の、少なくとも１つの調節可能なパラメータを決定する工程、
を包含する、請求項２６に記載のフォトバイオリアクターで気体を処理する方法。
気体処理システムであって、以下：
フォトバイオリアクターであって、少なくとも１種の光合成生物を含有する液体媒体を内部に含み、該フォトバイオリアクターの少なくとも一部分は、該光合成生物に光を透過するように構成されており、該フォトバイオリアクターは、処理されるべき気体の源を接続可能であるように構成された入口、該フォトバイオリアクター内での該液体媒体の流れを確立するように構成および配置された流体循環器、ならびに該フォトバイオリアクターから処理された気体を放出するように構成された出口を備える、フォトバイオリアクター；ならびに
コンピュータ実装システムであって、該フォトバイオリアクター内での液体流れパターンのシミュレーションを実施するように、そして該シミュレーションから、該光合成生物の、光合成を駆動するために十分な強度の光への第一の曝露間隔、および該光合成生物の、暗所、または光合成を駆動するために不十分な強度の光への第二の曝露間隔を計算するように、そして該光合成生物の選択された第一の曝露間隔および選択された第二の曝露間隔を得るように、該バイオリアクター内での該液体媒体の流れを制御するように構成されている、コンピュータ実装システム；
を備える、気体処理システム。
前記フォトバイオリアクター内での前記液体流れパターンが、再循環ボルテックスおよび乱流渦のうちの少なくとも１つによって特徴付けられる、請求項２８に記載の気体処理システム。
前記フォトバイオリアクターが、少なくとも１つの気体入口を備え、該気体入口は、処理されるべき気体のストリームを、該フォトバイオリアクターに導入するように構成および配置されて折、そして前記液体培地中の前記光合成生物は、一旦、該気体のストリームに曝露されると、該気体からＣＯ_２および／またはＮＯ_Ｘを少なくとも部分的に除去し得る、請求項２８に記載の気体処理システム。
前記少なくとも１つの気体入口が、発電装置および／または焼却炉由来の燃焼気体の源と流体連絡して接続されている、請求項３０に記載の気体処理システム。
前記選択された第一の曝露間隔および前記選択された第二の曝露間隔が、数学モデルによって決定されるような、前記光合成生物の所望の平均増殖速度を与える間隔であり、該数学モデルは、光合成を駆動するために十分な強度の光への曝露と、光合成を駆動するために不十分な強度の光への曝露とへの交互の期間に曝露される場合の、前記光合成生物の増殖速度をシミュレートする、請求項２８に記載の気体処理システム。
前記光合成生物の前記選択された平均増殖速度が、最大増殖速度である、請求項３２に記載の気体処理システム。
前記コンピュータ実装システムが、前記フォトバイオリアクター内での前記光合成生物の所望の増殖速度を得るために必要とされる、該光合成生物の、光合成を駆動するために十分な強度の光への選択された第一の曝露間隔、および該光合成生物の、暗所、または光合成を駆動するために不十分な強度の光への選択された第二の曝露間隔を、数学モデルを利用して計算するように、ならびに液体流れパターンのシミュレーションから計算された該第一の曝露間隔および第二の曝露間隔と、該光合成生物の増殖速度をシミュレートする該数学モデルから計算された選択された第一の曝露間隔および第二の曝露間隔との間の差異を最小にするように選択された、前記バイオリアクター内での前記液体媒体の流れを確立するように、さらに構成されており、該数学モデルは、光合成を駆動するために十分な強度の光への曝露と、光合成を駆動するために不十分な強度の光への曝露とへの交互の期間に曝露される場合の、前記光合成生物の増殖速度をシミュレートする、請求項２８に記載の気体処理システム。
さらに、以下：
少なくとも１つのセンサであって、該センサは、操作の間、前記フォトバイオリアクターの少なくとも１つの環境条件または性能条件をモニタリングするように構成されている、少なくとも１つのセンサ、
を備え、前記コンピュータ実装システムが、該少なくとも１つのセンサから信号を受信するようにさらに構成されている、請求項３２に記載の気体処理システム。
前記コンピュータ実装システムが、前記液体流れパターンのシミュレーションから前記第一の曝露間隔および第二の曝露間隔を計算する際に、前記少なくとも１つのセンサからの前記少なくとも１つの信号を利用するようにさらに構成されている、請求項３５に記載の気体処理システム。
前記少なくとも１つのセンサが、以下：
前記フォトバイオリアクターに入射する光の強度；
該フォトバイオリアクター内の前記液体媒体の光学密度および／または濁り度；
該フォトバイオリアクターへの気体投入流量；
該フォトバイオリアクター内での液体媒体の流量；
該フォトバイオリアクター内での該液体媒体の温度；ならびに
該フォトバイオリアクターに供給される気体ストリームの温度、
からなる群より選択される少なくとも１つの条件をモニタリングするように構成されている、請求項３６に記載の気体処理システム。
前記コンピュータ実装システムが、前記フォトバイオリアクター内での前記液体媒体の流れを制御する際に、本質的にリアルタイムで、前記少なくとも１つのセンサから受信された前記少なくとも１つの信号の変化の原因となるように構成されている、請求項３７に記載の気体処理システム。
前記フォトバイオリアクターが、流体連絡した少なくとも第一の導管および第二の導管、気体ストリームを該第一の導管に導入するように構成および配置された第一の気体多孔分散管；ならびに気体ストリームを該第二の導管に導入するように構成および配置された第二の気体多孔分散管を備え；ここで、
前記コンピュータ実装システムが、前記フォトバイオリアクターによって処理されるべき気体の全体の流量、ならびに該第一の気体多孔分散管および第二の気体多孔分散管への気体の全体の流量の分布を制御することによって、該フォトバイオリアクター内の前記液体媒体の流れを制御するようにさらに構成されている、
請求項３２に記載の気体処理システム。
前記コンピュータ実装システムが、前記気体の全体の流量、および該気体の、第一の気体多孔分散管および第二の気体多孔分散管への全体の流量の分布を制御し、前記第一の導管内に、該第一の導管内の気泡の流れの方向に対して向流である方向を有する液体流れを誘導し、そして前記第二の導管内に、該第二の導管内の気泡の流れの方向に対して並流である方向を有する液体流れを有するようにさらに構成されており、請求項３９に記載の気体処理システム。
前記フォトバイオリアクターが、流体的に相互接続された、少なくとも第一の導管、第二の導管、および第三の導管を備え、該導管のうちの少なくとも１つが、前記光に対して少なくとも部分的に透明であり、該導管は、一緒になって、流れループを提供し、該流れループは、該フォトバイオリアクター内に収容される前記液体媒体が、該流れループ内の起点領域から、該第一の導管、第二の導管、および第三の導管を通り、そして該起点領域へと戻って連続的に流れることを可能にし、
該第一の導管、第二の導管、および第三の導管は、該導管のうちの少なくとも１つが水平に対して角度を形成するように構成および配置されており、該角度は、他の導管のうちの少なくとも１つの、水平に対して形成される角度とは異なり、そして
該導管のうちの少なくとも１つは、水平に対して、１０°より大きく９０°未満である角度を形成する、
請求項２８に記載の気体処理システム。
前記流体的に接続された第一の導管、第二の導管、および第三の導管が、各々、本質的に円形の断面形状を有する細長管を備える、請求項４１に記載の気体処理システム。
前記フォトバイオリアクターが、以下：
細長外側エンクロージャーであって、本質的に水平な長手方向軸、および前記光に対して少なくとも部分的に透明な少なくとも１つの表面を有する、細長外側エンクロージャー；
該細長外側エンクロージャー内に配置され、そして該外側エンクロージャーの該長手方向軸と実質的に整列する長手方向軸を有する、細長内側チャンバ、
を備え、該細長外側エンクロージャーおよび該細長内側チャンバが、一緒になって、両端において密封された環状コンテナを規定し、そして該環状コンテナは、流れループを提供し、該流れループは、該フォトバイオリアクター内に収容される前記液体媒体が、該流れループ内の起点領域から、該細長内側チャンバの周囲の周りを流れ、そして該起点領域に戻ることを可能にする、請求項２８に記載の気体処理システム。
前記フォトバイオリアクターが、以下：
内部に前記液体媒体を収容するコンテナであって、該コンテナの外側壁の少なくとも一部分は、前記光に対して少なくとも部分的に透明であるように構成される、コンテナ、
を備え、該コンテナの該外側壁の内側表面の少なくとも一部分は、生体適合性物質の層でコーティングされ、該生体適合性物質は、少なくとも４５℃までの温度において、固体であり、そして該生体適合性物質は、該生体適合性物質がコーティングされるコンテナの該外側壁の融点より低い融点を有する、請求項２８に記載の気体処理システム。
前記フォトバイオリアクター内の前記少なくとも１種の光合成生物が、藻類を含む、請求項２８に記載の気体処理システム。
フォトバイオリアクターで気体を処理するためのシステムであって、以下：
少なくとも１種の光合成生物を含有する液体媒体の流れを、該フォトバイオリアクター内で確立するための手段；
該フォトバイオリアクターの少なくとも一部分および該少なくとも１種の光合成生物を、光合成を駆動する能力を有する光の源に曝露するための手段；
該光合成生物の、光合成を駆動するために十分な強度の光への第一の曝露間隔、および該光合成生物の、暗所、または光合成を誘導するために不十分な強度の光への第二の曝露間隔を計算して、該フォトバイオリアクター内での、該光合成生物の選択された増殖速度を得るための手段；ならびに
該計算する工程において決定された該間隔に基づいて、該フォトバイオリアクター内での該液体媒体の流れを制御するための手段、
を備える、システム。
フォトバイオリアクター装置であって、以下：
流体的に相互接続された、少なくとも第一の導管、第二の導管、および第三の導管であって、該導管のうちの少なくとも１つは、光合成を誘導する能力を有する波長の光に対して少なくとも部分的に透明であり、該導管は、一緒になって、流れループを提供し、該流れループは、該フォトバイオリアクター内に収容される液体媒体が、該流れループ内の起点領域から、該第一の導管、第二の導管、および第三の導管を通って流れ、そして該起点領域へと戻ることを可能にし、
該第一の導管、第二の導管、および第三の導管が、該導管のうちの少なくとも１つが、水平に対してある角度を形成するように構成および配置されており、該角度が、他の導管のうちの少なくとも１つの、水平に対して形成される角度とは異なり、
該導管のうちの少なくとも１つが、水平に対して、１０°より大きく９０°未満である角度を形成する、フォトバイオリアクター装置。
前記起点領域が、前記第一の導管の一端および前記第三の導管の一端と流体連絡する液面を備える、請求項４７に記載のフォトバイオリアクター装置。
前記起点領域が、前記第二の導管の一端および前記第三の導管の他端と流体連絡する第二の液面をさらに備える、請求項４８に記載のフォトバイオリアクター装置。
前記第一の液面および前記第二の液面が、細長端部であり、複数の流れループを提供するように配置された、流体的に相互接続された複数の導管と流体連絡しており、該流れループの各々が、流体的に相互接続された少なくとも第一の導管、第二導管、および第三の導管を備え、該導管は、互いに流体的に相互接続されており、その結果、各流れループ内に収容される前記流体媒体が、該第一の液面から、該第一の導管を通り、そして該第二の導管を通って、該第二の液面内へ、そして該第三の導管を通って連続的に流れ得、その結果、該液体が、該第一の液面に戻る、請求項４９に記載のフォトバイオリアクター装置。
さらに、以下：
第一の気体多孔分散管であって、前記第一の液面内に配置され、そして該第一の液面の長さに添って延び、前記複数の第一の導管内に気体ストリームを導入して、複数の流れループを形成するように配置および構成されている、第一の気体多孔分散管；
第二の気体多孔分散管であって、前記第二の液面内に配置され、そして該第二の液面の長さに添って延び、前記複数の第二の導管内に気体ストリームを導入して、複数の流れループを形成するように配置および構成されている、第二の気体多孔分散管；ならびに
気体を前記フォトバイオリアクターから放出するように構成された、少なくとも１つの出口、
を備える、請求項５０に記載のフォトバイオリアクター装置。
前記第一の導管、第二の導管、および第三の導管の各々が、本質的に円形の断面形状を有するチュービングを備える、請求項４７に記載のフォトバイオリアクター装置。
前記第一の導管のうちの少なくとも一部分が、光合成を駆動する能力を有する波長の光に対して少なくとも部分的に透明である、請求項５２に記載のフォトバイオリアクター装置。
前記第二の導管のうちの少なくとも一部分が、光合成を駆動する能力を有する波長の光に対して少なくとも部分的に透明である、請求項５３に記載のフォトバイオリアクター装置。
前記第二の導管と前記第三の導管との両方のうちの少なくとも一部分が、光合成を駆動する能力を有する波長の光に対して少なくとも部分的に透明ではない、請求項５４に記載のフォトバイオリアクター装置。
前記第一の導管が、水平に対して、１０°より大きく９０°未満である角度を形成する、請求項５４に記載のフォトバイオリアクター装置。
前記第三の導管が、実質的に水平であり、そして前記第一の導管と該第三の導管との間に形成される角度が、１０°より大きく９０°未満である、請求項５６に記載のフォトバイオリアクター装置。
操作の際に、前記フォトバイオリアクターが、太陽の位置に対して、前記第一の導管の外側の太陽に面する表面が、入射太陽光の方向に対して垂直な平面に対して角度を形成するように配置され、該角度が、前記第二の導管および前記第三の導管の太陽に面する表面と、入射太陽光の方向に対して垂直な該平面との間に形成される角度より小さい、請求項５７に記載のフォトバイオリアクター装置。
気体多孔分散管をさらに備え、該気体多孔分散管は、気体ストリームを、前記第一の導管の最下端部に導入するように構成および配置されており、これによって、複数の気泡を生じ、該気泡は、上昇し、そして該第一の導管内に収容される前記液体媒体を通り、そして該第一の導管の内側表面の一部分を通り、該一部分は、該第一の導管の外側表面の、入射太陽光に最も直接的に面する部分にすぐ隣接している、請求項５８に記載のフォトバイオリアクター装置。
前記気体多孔分散管が、気体ストリームを、前記第一の導管の最下端部に導入するように構成および配置されており、その結果、複数の気泡が、上昇し、そして該第一の導管内に収容される前記液体媒体を通り、これによって、該第一の導管内に、複数の再循環ボルテックスおよび／または乱流渦によって特徴付けられる液体流れを誘導する、請求項５９に記載のフォトバイオリアクター装置。
ありし大三の導管が、本質的に水平であり、そして前記第二の導管が、水平に対して、前記第一の導管と水平との間に形成される角度より大きい角度を形成する、請求項５６に記載のフォトバイオリアクター装置。
前記第二の導管と水平との間に形成される角度が、約９０°である、請求項６１に記載のフォトバイオリアクター装置。
前記第一の導管、第二の導管、および第三の導管のうちの少なくとも１つの長さが、約０．５メートルと約８メートルとの間である、請求項５２に記載のフォトバイオリアクター装置。
前記第一の導管、第二の導管、および第三の導管のうちの少なくとも１つの長さが、約１．５メートルと約３メートルとの間である、請求項６３に記載のフォトバイオリアクター装置。
前記第一の導管、第二の導管、および第三の導管のうちの少なくとも１つの断面直径が、約１ｃｍと約５０ｃｍとの間である、請求項５２に記載のフォトバイオリアクター装置。
前記第一の導管、第二の導管、および第三の導管のうちの少なくとも１つの断面直径が、約２．５ｃｍと約１５ｃｍとの間である、請求項６５に記載のフォトバイオリアクター装置。
前記導管のうちの少なくとも１つが、水平に対して、１５°より大きく７５°未満である角度を形成する、請求項４７に記載のフォトバイオリアクター装置。
前記導管のうちの少なくとも１つが、水平に対して、約４５°である角度を形成する、請求項６７に記載のフォトバイオリアクター装置。
さらに、以下：
気体ストリームを前記第一の導管に導入するように構成および配置された、第一の気体多孔分散管；
気体ストリームを前記第二の導管に導入するように構成および配置された、第二の気体多孔分散管；ならびに
該多孔分散管から気体を放出するように構成された、少なくとも１つの出口、
を備える、請求項４７に記載のフォトバイオリアクター装置。
前記フォトバイオリアクター装置が、制御装置によって制御され、該制御装置が、該フォトバイオリアクターによって処理されるべき気体の全体の流量、ならびに前記第一の気体多孔分散管および第二の気体多孔分散管の全体の流量の分布を制御するように構成されており、これによって、前記第一の導管内に、該第一の導管内の気泡の流れの方向に対して向流である方向を有する液体流れを誘導し、そして前記第二の導管内に、該第二の導管内の気泡の流れの方向に対して並流である方向を有する液体流れを誘導する、請求項６９に記載のフォトバイオリアクター装置。
前記フォトバイオリアクター装置が、以下：
細長外側エンクロージャーであって、本質的に水平な長手方向軸、および光に対して少なくとも部分的に透明な少なくとも１つの表面を有する、細長外側エンクロージャー；
該細長外側エンクロージャー内に配置され、そして該外側エンクロージャーの該長手方向軸と実質的に整列する長手方向軸を有する、細長内側チャンバ、
から形成され、該細長外側エンクロージャーおよび該細長内側チャンバが、一緒になって、両端において密封された環状コンテナを規定し、そして該環状コンテナは、前記流体的に相互接続された第一の導管、第二の導管、および第三の導管を提供する、請求項４７に記載のフォトバイオリアクター装置。
フォトバイオリアクターシステムであって、以下：
フォトバイオリアクターであって、以下：
内部に液体媒体を収容する、流体的に相互接続された、少なくとも第一の導管および第二の導管であって、該導管のうちの少なくとも１つは、光合成を駆動する能力を有する波長の光に対して少なくとも部分的に透過性である、第一の導管および第二の導管、
該第一の導管内に気体ストリームを導入するように構成および配置された、第一の気体多孔分散管、
該第二の導管内に気体ストリームを導入するように構成および配置された、第二の気体多孔分散管、および
該フォトバイオリアクターから気体を放出するように構成された、少なくとも１つの出口、
を備える、フォトバイオリアクター；ならびに
制御装置であって、該フォトバイオリアクターによって処理されるべき気体の全体の流量、ならびに該第一の気体分散管および第二の気体分散管への全体の流量の分布を制御するように構成されており、これによって、該第一の導管において、該第一の導管内の気泡の流れの方向に対して向流である方向を有する液体流れを誘導し、そして該第二の導管において、該第二の導管内の気泡の流れの方向に対して並流である方向を有する液体流れを誘導する、制御装置、
を備える、フォトバイオリアクターシステム。
前記フォトバイオリアクターが、前記第一の導管および第二の導管と流体的に相互接続された、第三の導管をさらに備え、該第一の導管、第二の導管、および第三の導管が、一緒になって、流れループを提供し、該流れループは、前記液体媒体が、該流れループ内の起点領域から、該第一の導管、第二の導管、および第三の導管を通って連続的に流れ、そして該起点領域に戻ることを可能にする、請求項７２に記載のフォトバイオリアクターシステム。
前記制御装置が、前記フォトバイオリアクターによって処理されるべき気体の全体の流量、ならびに前記第一の気体多孔分散管および第二の気体多孔分散管への気体の全体の流量の分布を制御するようにさらに構成されており、これによって、該第一の導管、第二の導管、および第三の導管において、ならびに前記流れループの周りで、選択された方向で、選択された流量を有する流れを誘導する、請求項７３に記載のフォトバイオリアクターシステム。
前記制御装置が、前記フォトバイオリアクターによって処理されるべき気体の全体の流量、ならびに前記第一気体多孔分散管および第二の気体多孔分散管への全体の流量の分布を制御するようにさらに構成されており、これによって、該第一の導管、第二の導管、および第三の導管のうちの少なくとも１つにおいて、光合成を駆動する能力を有する波長の光に対して少なくとも部分的な液体流れを誘導し、該フォトバイオリアクターの操作の間、該光に対して、該液体流れが曝露され、これによって、複数の再循環ボルテックスおよび／または乱流渦によって特徴付けられる液体流れを誘導する、請求項７４に記載のフォトバイオリアクターシステム。
前記液体媒体が、少なくとも１種の光合成生物を内部に含有し、そして前記制御装置が、処理されるべき気体の全体の流量、ならびに前記第一の気体分散管および第二の気体分散管への全体の流量の分布を制御するように構成されており、これによって、該フォトバイオリアクターの作動の間、該液体媒体中の該光合成生物に、光合成を駆動するために十分な強度の光、および暗所、または光合成を駆動するために不十分な強度の光に対する、所望の、予め決定されたパターンの曝露を提供する全体の流量および流れパターンを有する液体流れを誘導する、請求項７５に記載のフォトバイオリアクターシステム。
流体的に相互接続された前記第一の導管および第二の導管が、流体的に相互接続された第一の細長管および第二の細長管を備え、各管は、本質的に円形の断面形状を有する、請求項７２に記載のフォトバイオリアクターシステム。
前記フォトバイオリアクターが、以下：
細長外側エンクロージャーであって、本質的に水平な長手方向軸、および光に対して少なくとも部分的に透明である少なくとも表面を有する、細長外側エンクロージャー、ならびに
該細長外側エンクロージャー内に配置された、細長内側チャンバであって、該外側エンクロージャーの該長手方向軸と実質的に整列する長手方向軸を有する、細長内側チャンバ、
を備え、
該細長外側エンクロージャーおよび細長内側チャンバが、一緒になって、両端において密封された環状コンテナを規定し、そして
該環状コンテナが、流体的に相互接続された前記第一の導管および第二の導管、ならびに該第一の導管および第二の導管と流体敵に相互接続された少なくとも第三の導管を提供し、これによって、流れループを提供し、該流れループは、前記液体媒体が、該流れループ内の起点領域から、該細長内側チャンバの周囲の周りを連続的に流れ、そして該起点領域に戻ることを可能にする、請求項７２に記載のフォトバイオリアクターシステム。
前記第一の気体多孔分散管および第二の気体多孔分散管のうちの少なくとも１つが、内部にＣＯ_２および／またはＮＯ_Ｘを含有する燃焼気体の源と流体連絡して接続されている、請求項７２に記載のフォトバイオリアクターシステム。
前記フォトバイオリアクターの前記少なくとも１つの出口から放出される気体が、前記燃焼気体より低い濃度のＣＯ_２および／またはＮＯ_Ｘを含有する、請求項７９に記載のフォトバイオリアクターシステム。
前記第一の気体多孔分散管、前記第二の気体多孔分散管、および前記少なくとも１つの出口と流体連絡して接続されて、以下：
気体処理装置であって、ＳＯ_Ｘ、水銀および水銀含有化合物からなる群より選択される少なくとも１つの物質を気体から少なくとも部分的に除去し得るように構成されている、気体処理装置、
をさらに備える、請求項７２に記載のフォトバイオリアクターシステム。
フォトバイオリアクターを作動させる方法であって、以下：
該フォトバイオリアクターによって処理されるべき気体の第一のストリームを、第一の気体多孔分散管に導入する工程であって、該第一の気体多孔分散管が、該気体ストリームを、該フォトバイオリアクターの第一の導管に導入するように構成および配置されている、工程；
該フォトバイオリアクターによって処理されるべき気体の第二のストリームを、第二の気体多孔分散管に導入する工程であって、該第二の気体多孔分散管が、該気体ストリームを、該フォトバイオリアクターの第二の導管に導入するように構成および配置されている、工程；
該第一の導管において、該第一の導管内に導入される気体の該第一のストリームから形成される気泡の流れの方向に対して向流である方向を有する液体流れを誘導する工程；ならびに
該第二の導管において、該第二の導管内に導入される気体の該第二のストリームから形成される気泡の流れの方向に対して並流である方向を有する液体流れを誘導する工程、
を包含する、方法。
方法であって、以下：
少なくとも１種の光合成生物を内部に含有する液体媒体を、予め決定されたセットの増殖条件に曝露する工程であって、該増殖条件は、該光合成生物が引き続いてフォトバイオリアクター内で曝露される条件をシミュレートするように選択されており、これによって、該予め選択されたセットの増殖条件に対して、該光合成生物を予備馴化する、工程；
該曝露する工程において予備馴化された光合成生物を採取する工程；および
フォトバイオリアクターに、該採取された光合成生物の少なくとも一部を播種する工程、
を包含する、方法。
前記曝露する工程が、自動細胞培養および試験システムを利用して実施され、該システムは、約１マイクロリットルと約１リットルとの間の内部体積を有するフォトバイオリアクターを備える少なくとも１つの培養チャンバを備える、請求項８３に記載の方法。
前記光合成生物が引き続いて前記フォトバイオリアクター内で曝露される条件をシミュレートするように選択された、前記予め決定されたセットの増殖条件が、以下：
液体媒体の組成、液体媒体の温度、液体媒体の温度の変動の規模、頻度、および間隔、ｐＨ、光の強度、光および暗所の曝露間隔、供給気体の組成、ならびに供給気体の温度、
からなる群より選択される少なくとも１つの条件を誘導する、請求項８３に記載の方法。
フォトバイオリアクターシステムの操作を容易にするための方法であって、以下：
少なくとも１種の光合成生物を提供する工程であって、該光合成生物は、予め決定されたセットの増殖条件に曝露することによって予備馴化されており、該増殖条件に対して、該光合成生物が、フォトバイオリアクターシステムの作動の間、該フォトバイオリアクターシステムにおいて引き続いて曝露される、工程、
を包含する、方法。
フォトバイオリアクター装置であって、以下：
細長外側エンクロージャーであって、本質的に水平な長手方向軸、および光合成を誘導する能力を有する波長の光に対して少なくとも部分的に透明である少なくとも表面を有する、細長外側エンクロージャー、ならびに
該細長外側エンクロージャー内に配置された、細長内側チャンバであって、該外側エンクロージャーの該長手方向軸と実質的に整列する長手方向軸を有する、細長内側チャンバ、
を備え、
該細長外側エンクロージャーおよび細長内側チャンバが、一緒になって、両端において密封された環状コンテナを規定し、そして
該環状コンテナが、流れループを提供し、該流れループは、該フォトバイオリアクター内に収容された液体媒体が、該流れループ内の起点領域から、該細長内側チャンバの周囲の周りを連続的に流れ、そして該起点領域に戻ることを可能にする、フォトバイオリアクター装置。
さらに、以下：
気体ストリームを、前記環状コンテナの前記流れループに導入するように構成および配置されている、少なくとも１つの気体多孔分散管、および
前記フォトバイオリアクターから気体を放出するように構成された、少なくとも１つの出口、
を備える、請求項８７に記載のフォトバイオリアクター装置。
前記気体多孔分散管が、前記流れループ内の前記起点領域に位置する、請求項８８に記載のフォトバイオリアクター装置。
さらに、以下：
前記第一の気体多孔分散管の前記位置とは異なる、前記流れループ内の位置において、前記環状コンテナ内に気体ストリームを導入するように構成および配置されている、第二の多孔分散管、
を備える、請求項８９に記載のフォトバイオリアクター装置。
前記細長外側エンクロージャーが、その長手方向軸に対して垂直にとって三角形である断面形状を有する、請求項８７に記載のフォトバイオリアクター装置。
前記細長外側エンクロージャー内に配置された前記細長内側チャンバが、その長手方向軸に対して垂直にとって三角形である断面形状を有する、請求項９１に記載のフォトバイオリアクター装置。
前記細長外側エンクロージャーの前記長手方向軸が、前記細長内側チャンバの前記長手方向軸と同一線上にあり、そして該細長内側チャンバの前記断面形状が、該細長外側エンクロージャーの前記断面形状と本質的に同一であるが大きさが比例して小さい、請求項９２に記載のフォトバイオリアクター装置。
フォトバイオリアクター装置であって、以下：
少なくとも１種の光合成生物を含有する液体媒体を内部に収容するコンテナであって、該コンテナの外側壁の少なくとも一部分が、光合成を駆動する能力を有する波長の光に対して少なくとも部分的に透明である、コンテナ、
を備え、
該コンテナの該外側壁の内側表面の少なくとも一部分が、生体適合性物質の層でコーティングされており、該生体適合性物質は、少なくとも約４５℃までの温度において固体であり、そして該生体適合性物質がコーティングされるコンテナの外側壁の融点より低い融点を有する、フォトバイオリアクター装置。
前記生体適合性物質が、蝋および寒天からなる群より選択される、請求項９４に記載のフォトバイオリアクター装置。
一体化燃焼方法であって、以下：
燃料を燃焼デバイスで燃焼させて、熱い燃焼気体ストリームを生成する工程；
該熱い燃焼気体ストリームを乾燥器に供給し、そして該乾燥器内で、該燃焼気体ストリームを冷却する工程；
該冷却された燃焼気体を、液体媒体を内部に収容するフォトバイオリアクターの入口に通す工程であって、該液体媒体は、少なくとも１種の光合成生物を含有する、工程；
該燃焼気体から、該光合成生物を用いて、少なくとも１つの物質を少なくとも部分的に除去する工程であって、該少なくとも１種の物質は、該生物によって、増殖および再生のために利用される、工程；
該少なくとも１種の光合成生物を含有する該液体媒体の少なくとも一部分を、該フォトバイオリアクターから除去する工程；
該除去する工程において除去された該液体媒体を、該供給する該工程において該熱い燃焼気体を供給された該乾燥器で乾燥させて、乾燥した藻類バイオマス生成物を生成する工程；ならびに
該乾燥された藻類バイオマス生成物を、前記燃焼工程において燃焼される燃料として、そして／または前記燃焼工程において燃焼される燃料の製造のために、使用する工程、
を包含する、方法。
前記燃焼デバイスが、発電機および／または焼却炉設備を備えるか、あるいは発電機および／または焼却炉設備の一部分を形成する、請求項９６に記載の一体化燃焼方法。
前記少なくとも部分的に除去する工程において前記燃焼気体から少なくとも部分的に除去される前記少なくとも１つの物質が、ＣＯ_２および／またはＮＯ_Ｘを含有する、請求項９６に記載の一体化燃焼方法。
前記少なくとも部分的に除去する工程の後に、さらに、以下：
処理された気体を、前記フォトバイオリアクターの気体出口から放出する工程、
を包含する、請求項９６に記載の一体化燃焼方法。
前記処理された気体が、前記フォトバイオリアクターの前記気体出口から放出され、そして直接的にかまたは間接的に、煙スタックの入口に方向付けられる、請求項９９に記載の方法。
前記フォトバイオリアクターの前記気体出口から放出された、前記処理された気体が、熱交換器を通過し、前記熱い燃焼気体を該フォトバイオリアクターの前記入口に通す前であって、該熱い燃焼気体を前記乾燥器に供給する前または後に、該熱い燃焼気体を該熱交換器に通過させることによって、該熱交換器に熱が供給される、請求項１００に記載の一体化燃焼方法。
前記供給する工程の後であって、前記少なくとも部分的に除去する工程の前または後に、さらに、以下：
前記気体から、ＳＯ_Ｘ、水銀および水銀含有化合物からなる群より選択される少なくとも１つの物質を、前記フォトバイオリアクターと流体連絡する気体処理装置で少なくとも部分的に除去する工程、
を包含する、請求項９９に記載の一体化燃焼方法。
前記乾燥された藻類バイオマス生成物が、油および／または燃焼性有機気体を含有する少なくとも１つの燃料生成物を生成するために使用される、請求項９６に記載の一体化燃焼方法。
フォトバイオリアクターシステムで気体を処理する方法であって、以下：
気体をフォトバイオリアクターに通す工程；
該フォトバイオリアクター内の該気体から、少なくとも１つの物質を少なくとも部分的に除去する工程；
該フォトバイオリアクターと流体連絡する気体処理装置に、該気体を通す工程；ならびに
該気体から、該気体処理装置内の、ＳＯ_Ｘ、水銀および水銀含有化合物からなる群より選択される少なくとも１つの物質を少なくとも部分的に除去する工程、
を包含する、方法。
前記フォトバイオリアクターにおいて前記気体から少なくとも部分的に除去される、前記少なくとも１種の物質が、ＣＯ_２および／またはＮＯ_Ｘを含有する、請求項１０４に記載のフォトバイオリアクターシステムで気体を処理する方法。
前記フォトバイオリアクターにおいて前記気体から少なくとも部分的に除去される、前記少なくとも１種の物質が、水銀および／または水銀含有化合物を含有する、請求項１０４に記載のフォトバイオリアクターシステムで気体を処理する方法。
気体処理システムであって、以下：
フォトバイオリアクター；ならびに
該フォトバイオリアクターと流体連絡して接続された気体処理装置であって、該気体処理装置は、ＳＯ_Ｘ、水銀および水銀含有化合物からなる群より選択される少なくとも１つの物質を気体から少なくとも部分的に除去し得るように構成されている、気体処理装置、
を備える、気体処理システム。
前記気体処理装置が、水銀および／または水銀含有化合物を前記気体から少なくとも部分的に除去し得るように構成されている、請求項１０７に記載の気体処理システム。