MX2011006177A - Biofactoria solar, fotobiorreactores, sistemas pasivos de regulacion termica y metodos para producir productos. - Google Patents

Abstract

La invención descrita aquí se refiere a fotobiorreactores, a métodos, al montaje y al uso de tales aparatos para cultivar de manera eficiente desde el punto de vista del coste organismos que capturan la luz. Diversas realizaciones proporcionan un sistema pasivo de regulación térmica que emplea microorganismos seleccionados en un aparato fotobiorreactor, y métodos para la producción biológica de diversos productos combustibles y químicos a partir de esos organismos. Realizaciones adicionales proporcionan un sistema de biofactoría solar capaz de cultivar organismos que capturan la luz hasta una productividad de área de 3,3 g/m2/h. Otras realizaciones se refieren a un fotobiorreactor capaz de cultivar organismos que capturan la luz hasta una OD730 de alrededor de 14 g/1DCW. Tales realizaciones incorporan sistemas pasivos de regulación térmica.

Description

BIOFACTORÍA SOLAR, FOTOBIORREACTORES, SISTEMAS PASIVOS DE REGULACIÓN TÉRMICA Y MÉTODOS PARA PRODUCIR PRODUCTOS SOLICITUD RELACIONADA Esta solicitud reivindica el beneficio de la Solicitud Provisional U.S. n.° 61/201.548, presentada el 11 de diciembre de 2008, y la Solicitud Provisional U.S. n.° 61/216.949, presentada el 21 de mayo de 2009. Todas las enseñanzas de la solicitud anterior se incorporan aquí como referencia.

CAMPO DE LA INVENCIÓN La descripción aquí se refiere generalmente a biofacto-rías solares, aparatos fotobiorreactores , a fotobiorreacto-res, a sistemas y a métodos para cultivar organismos que capturan la luz usando los mismos para la producción biológica de productos de interés a base de carbono.

ANTECEDENTES Se piensa que la quema de combustibles fósiles ha dado como resultado concentraciones atmosféricas elevadas de dióxido de carbono (C02) . Se espera que los niveles de dióxido de carbono se dupliquen en un tiempo tan corto como 60 años, basado en cambios en el uso del suelo y la quema continua de combustibles fósiles. Se piensa que el incremento en las concentraciones de dióxido de carbono así como otros gases invernadero mantiene el calor dentro de la atmósfera, condu-ciendo a mayores temperaturas globales. Desde hace mucho se ha pensado en el secuestro - la captura y almacenamiento a largo plazo de dióxido de carbono - como una forma de mitigar este problema. Sin embargo, puesto que la luz y el dióxido de carbono constituyen la mayoría de lo que se consume, la con-versión directa del dióxido de carbono ambiental en productos valiosos, tales como combustibles, productos químicos, fármacos, y sus precursores, representa un medio alternativo y mejorado para reducir los efectos del dióxido de carbono, a la vez que se mantienen los productos industriales y comerciales centrales que demanda nuestra sociedad moderna.

Las plantas y otros organismos que capturan la luz son el método principal mediante el cual se elimina el dióxido de carbono de la atmósfera. A través de la fotosíntesis, los organismos usan energía solar mientras capturan dióxido de car-bono, y se pueden obtener precursores metabólicos importantes que se pueden convertir en biomasa en cantidades que superan el 90% (Sheehan John, Dunahay Terri, Benemann John R. , Roess-ler Paul, WA Look Back at the U.S. Department of Energy's Aquatic Species Program: Biodiesel from Algae", 1998, NERL/TP-580-24190) . Los enfoques previos han buscado incrementar la producción de biomasa de algas y usar potencialmen-te esa biomasa como un combustible (Reed T. B. y Gaur S. "A Survey of Biomass Gasification" NREL, 2001) . Se ha demostrado adicionalmente que la adición de un pequeño subconjunto de genes puede permitir a los organismos que capturan la luz producir etanol. Específicamente, se ha logrado la expresión de alcohol deshidrogenasa II y piruvato descarboxilasa a partir de Z. mobilis en una cianobacteria, dando como resultado niveles bajos de producción de etanol (patente US 6.699.696). No obstante, la capacidad para producir algas, así como para producir productos a partir de organismos que capturan la luz, ha estado muy por debajo de la eficiencia ¦necesaria para tener un impacto comercialmente viable y por lo tanto significativo sobre el dióxido de carbono ambiental o residual (patente US 6.699.696; Sheehan John, Dunahay Te-rri, Benemann John R. , Roessler Paul, "A Look Back at the U.S. Department of Energy 's Aquatic Species Program: Biodie-sel from Algae" , 1998, NERL/TP-580-24190 ) .

Una' de las limitaciones principales de usar algas como método de secuestro o conversión del dióxido de carbono en productos ha sido el desarrollo de sistemas de crecimiento eficientes y efectivos desde el punto de vista del coste. Los organismos acuáticos, tales como algas, ostras, y bogavantes, se han cultivado de forma principal en sistemas abiertos. Este enfoque permite que los organismos aprovechen el entorno seminatural, a la vez que mantiene los desembolsos operacionales potencialmente bajos. Se han investigado estanques abiertos de algas de hasta 4 km2, los cuales, a la vez que requieren desembolsos de capital bajos, finalmente tienen una baja productividad puesto que estos sistemas también son objeto de un número de problemas. Intrínseco a ser un sistema abierto, los organismos cultivados están expuestos a un número de organismos exógenos, que pueden ser simbióticos, competitivos, o patógenos. Los organismos simbióticos pueden cambiar a los organismos de cultivo simplemente exponiéndolos a un conjunto diferente de condiciones. La especie oportunista puede competir con el organismo deseado por el espacio, nutrientes, etc. Adicionalmente, los invasores patógenos se pueden alimentar de o exterminar al organismo desea-do. Además de estos factores que complican la situación, los sistemas abiertos son difíciles de aislar de los cambios medioambientales, incluyendo temperatura, turbidez, pH, salinidad, y exposición al sol. Estas dificultades apuntan a la necesidad de desarrollar un sistema controlable, cerrado, para el crecimiento de algas y organismos similares.

De forma no sorprendente, se ha desarrollado un número de fotobiorreactores cerrados. Típicamente son cilindricos o tubulares (es decir, patente U.S. n.° 5.958.761, Solicitud de Patente US n.° 2007/0048859). Estos biorreactores requieren a menudo dispositivos de mezclamiento, un aumento del coste, y tienden a acumular oxígeno (02) , que inhibe el crecimiento de algas .

Como se discute en el documento WO 2007/011343, muchos fotobiorreactores convencionales comprenden fotobiorreactores cilindricos de algas que se pueden categorizar como "columnas de burbujas" o "reactores de aire ascendente". Los fotobiorreactores verticales, que funcionan como "columnas de burbujas", son columnas de grandes diámetros con suspensiones de algas, en las que se burbujea gas al interior desde la parte inferior. Se piensa que el uso del burbujeo como medio de mezclamiento en columnas de grandes diámetros es ineficiente, proporcionando una menor productividad neta, ya que ciertos elementos del cultivo quedan faltos de luz, y puesto que las grandes burbujas de gas no suministran los precursores nece-sarios. Un reactor vertical alternativo es el biorreactor de aire ascendente, en el que se usan dos recipientes tubulares concéntricos con aire burbujeado en la parte inferior del tubo interior, que es opaco. La presión provoca un flujo ascendente en el tubo interior y descendente en la porción exte-rior, que es de naturaleza translúcida. Estos reactores tie- nen coeficientes de transferencia de masa y una productividad de algas mejores que otros reactores, aunque el control del flujo sigue siendo difícil. El mezclamiento eficiente y. la distribución del gas son aspectos clave en el desarrollo de biorreactores cerrados, y, hasta la fecha, tales biorreacto-res eficientes no existen.

Los biorreactores tubulares, cuando están orientados horizontalmente, requieren típicamente energía adicional para proporcionar mezclamiento (por ejemplo, bombas) , añadiendo así un gasto de capital y operacional significativo. En esta orientación, el 02 producido por la fotosíntesis puede verse atrapado fácilmente en el sistema, provocando así una reducción significativa en la proliferación de algas. Otros foto-biorreactores conocidos están orientados verticalmente, y se agitan neumáticamente. Muchos de. tales fotobiorreactores funcionan como "columnas de burbujas".

Todos los biorreactores cerrados requieren luz, ya sea desde el sol o derivada artificialmente (patente U.S. n.° 6 . 083 . 740 ) . La penetración solar se permite típicamente a través de una tubería translúcida, la cual, con diámetro más fino, permite una saturación más a conciencia de las algas. Algunos diseños de fotobiorreactores conocidos se basan en luz artificial, por ejemplo lámparas fluorescentes (tales como los descritos por Kodo et al. en la patente U.S. n.° 6 . 083 . 740 ) , y pueden estar provistos de otro modo con cualquier fuente de luz existente actualmente. Los fotobiorreactores que no utilizan energía solar sino que se basan únicamente en fuentes de luz artificial pueden requerir una entrada enorme de energía, incrementando el coste, y haciendo a estos sistemas, como enfoques autónomos, nada prácticos. El uso de luz solar natural requiere un medio de bajo coste para permitir la penetración apropiada del cultivo, a la vez que mantiene al cultivo a una temperatura que es apropiada.

Además, debido a las restricciones geométricas del di-seño, durante la producción a gran escala exterior de algas, ambos tipos de fotobiorreactores cilindricos pueden sufrir baja productividad, debido a factores relacionados con la reflexión de la luz y efectos de autosombreado (en los que una columna hace sombra a la otra) . Los aspectos del sombreado conducen a ineficiencias en el diseño de biorreactores verticales, conduciendo a un bajo uso del suelo.

Para el cultivo de microalgas, se han descrito varios diseños de fotobiorreactores de placas planas: Samson R y Leduy A (1985) Multistage continuous cultivation of blue-green alga Spirulina máxima in the fíat tank photobioreac-tors with recycle. Can. J. Chem. Eng . 63: 105-112; Ramos de Ortega y Roux J.C. (1986) Production of Chlorella bio-mass in different types of fíat bioreactors in températe zones . Biomass 10: 141-156; Tredici M.R. y Materassi R. (1992) From open ponds to vertical alveolar panels : the Italian experience in the development of reactors for the mass cultivation of photoautotrophic microorganisms . J. Appl. Phycol. 4: 221-31. Tredici M.R. , Carlozzi P., Zittelli G.C. y Materassi R. (1991) A vertical alveolar panel (VAP) for out-door mass cultivation of microalgae and Cyanobacteria . Bio-resource Technol. 38: 153-159; Hu Q. y Richmond A. (1996) Productivity and photosynthetic efficiency of Spirulina platensis as affected by light intensity, algal density and rate of mixing in a fíat píate photobioreactor . J. Appl. Phycol. 8: 139-145; Hu Q, Yair Z. y Richmond A. (1998) Com- bined effects of light intensity, light-path and culture density on output rate of Spirulina platensis (Cyanobacte-ria) . European Journal of Phycology 33: 165-171; Hu et al. documento WO 2007/098150; sin embargo, hasta la fecha, nin-gún diseño o sistema ha podido ser aumentado en escala con éxito para el crecimiento eficiente de organismos a escala comercial .

En la bibliografía se han descrito muchas configuraciones de fotobiorreactores diferentes, incluyendo paneles planos, columnas de burbujas, reactores tubulares, y una variedad de diseños anulares dirigidos a mejorar la relación de área superficial a volumen para maximizar la conversión de luz solar y C02 en biomasa u otros productos tales como aceite de algas. Estos reactores tienen ventajas evidentes en comparación con el flujo continuo abierto con respecto al control de la temperatura, pH, nutriente y contaminación limitante (véase Pulz, O. "Photobioreactors : Production sys-tems for phototrophic microorganisms" , Appl . Microbiol Bio-technol (2001) 57:287-293). Las limitaciones clave para su adopción han sido el coste frente al beneficio, ya que está relacionado con el producto que se produce. Mientras que se han producido en fotobiorreactores productos valiosos tales como carotenoides , hasta la fecha la producción de biomasa para combustibles podría no estar económicamente justifica-da.

La técnica en cuanto se refiere a fotobiorreactores encerrados logra el control de la temperatura de una variedad de formas, incluyendo intercambiadores de calor externos e internos, pulverización de agua de refrigeración directa-mente sobre la superficie, uso de gas de rocío enfriado o de calentador, así como la inmersión del reactor directamente en un gran estanque de agua que tiene controlada la temperatura de forma separada (véase Molina Grima, E. et al "Photo-bioreactors: light regime, m'ass transfer, and scale-up", J. of Biotechnology (1999) 70:23.1-247; Hu, Q. et al "A fíat in-clined photobioreactor for outdoor mass cultivation of pho-toautotrophs" Biotechnology and Bioengineering (1996) 51:51-60 y Hu, Q. documento WO 2007/098150 A2 "Photobioreactor and uses therefor"). Actualmente, no existe un sistema de regulación térmica efectivo desde el punto de vista del coste que se pueda imple entar a gran escala.

Por lo tanto, lo que se necesita es un sistema de fo-tobiorreactor integrado que pueda ser aumentado en escala, de bajo coste, y eficiente para cultivar organismos que cap-turan la luz.

SUMARIO En diversas realizaciones, se describe una biofactoría solar que puede comprender fotobiorreactores que permiten una productividad suficiente para que los organismos que crecen en ellos tengan viabilidad comercial. Se describen aparatos, método para usar los aparatos, métodos para hacer crecer con los aparatos organismos que capturan la luz, y sistemas para hacer crecer organismos que capturan la luz usando luz, agua y dióxido de carbono. Tales aparatos, sistemas y métodos fo-tobiórreactores se optimizan para la captura de la luz, a la vez que siguen siendo de bajo coste, se pueden aumentar de escala, y logran un crecimiento eficiente de los organismos. Los métodos también proporcionan el empleo y funcionamiento de una biofactoría solar, organismos que capturan la luz adecuados para el cultivo en un aparato fotobiorreactor, y métodos para cultivar los organismos. En diversas realizaciones, tales organismos que se hacen crecer en el aparato fotobio-rreactor de la biofactoría solar se usan en la producción de biomasa e intermedios químicos, así como productos finales producidos biológicamente tales como combustibles, productos químicos y agentes farmacéuticos .

Además, el fotobiorreactor se puede adaptar para maxi-mizar la producción de diversos productos finales deseados en un área definida, a la vez que se minimiza el uso del suelo. En consecuencia, en realizaciones adicionales, la invención proporciona un fotobiorreactor capaz de cultivar un organismo que captura la luz hasta una productividad por área de al me-nos alrededor de 3,3 g/m2/h. En realizaciones adicionales, la invención proporciona un fotobiorreactor capaz de producir 0,45 g/m2/h de EtOH u otros combustibles y productos químicos varios. En realizaciones más preferidas, la invención proporciona un fotobiorreactor capaz de producir diversos combusti-bles y productos químicos a una productividad de área deseada que minimiza el uso del suelo y maximiza el rendimiento del producto para la escala comercial, por ejemplo 20 g/m2/día o 1-1,5 g/m2/h.

Para resolver la necesidad de regulación térmica, se proporcionan sistemas, métodos y fotobiorreactores , montajes y aparatos fotobiorreactores diseñados para regular de forma pasiva la acumulación y disipación de calor de una manera económica y eficiente. En diversos aspectos, se proporciona aquí un fotobiorreactor que comprende: un reactor, en el que al menos parte de una superficie del reactor es al menos translúcida; y un sistema pasivo de regulación térmica, adaptado para comprender un medio para al menos reducir las necesidades de al menos uno de enfriamiento, calentamiento, o una combinación de los mismos, para el fotobiorreactor . En diver-sas realizaciones, el sistema pasivo de regulación térmica regula la temperatura del fotobiorreactor entre alrededor de 52 y alrededor de 65 2C (preferiblemente entre 56 y 60 2C) para un termófilo, y alrededor de 37 SC para un mesófilo.

Realizaciones adicionales proporcionan sistemas pasivos de regulación térmica que manejan la radiación solar incidente. En ciertos aspectos, el fotobiorreactor comprende un medio de revestimiento de la superficie. En parte, el revestimiento de la superficie refleja el calor. El fotobiorreactor comprende además un revestimiento de la superficie molido, o un medio para crear reflexión difusa de la luz. El revestimiento o medio atrapa selectivamente rayos IR como calor.

Todavía otras realizaciones incluyen un mecanismo giratorio para permitir la conservación del calor o minimizar la pérdida de calor.

Realizaciones alternativas equipan al fotobiorreactor con un sistema de control adaptativo en tiempo real para ajustar la inclinación de un montaje de fotobiorreactor .

En otra realización, el fotobiorreactor se diseña de manera que se minimiza la acumulación de calor a lo largo del tiempo. L luz no usada para llevar a cabo procesos biológicos contribuirá a calentar el fotobiorreactor como lo pueden hacer diversas fuentes de entrada. El fotobiorreactor se diseña a través de uno o más sistemas, que incluyen bloquear la luz infrarroja, permitir el enfriamiento evaporativo, contro-lar la velocidad de recirculación, y el uso de intercambiado- res de calor, para mitigar la acumulación de calor a lo largo del tiempo.

En otras realizaciones se proporciona un montaje de fo-tobiorreactor, que comprende: una estructura del reactor; una estructura de invernadero, configurada para proporcionar un entorno de invernadero para la estructura del reactor, separándose la estructura del reactor y la estructura de invernadero con relación entre sí para proporcionar control de temperatura del fotobiorreactor .

Durante el ciclo de producción, el fotobiorreactor comprende además al menos un microorganismo seleccionado de un termófilo, un mesófilo, o una combinación de los mismos. Las condiciones optimizadas se pueden mantener para producir diversos productos de interés durante los diversos períodos del año. Dependiendo de la localización geográfica, se puede emplear un termófilo durante las temperaturas más cálidas (por ejemplo, el verano) . De forma similar, se puede emplear un mesófilo en climas más fríos (por ejemplo, el invierno) . Como alternativa, los termófilos se pueden usar en el invierno, mientras que los mesófilos se pueden usar en el verano, aunque no es óptimo . El fotobiorreactor puede proporcionar condiciones óptimas para los microorganismos para producir productos tales como combustibles y productos químicos. El fotobiorreactor regula la temperatura para optimizar la producti-vidad. El fotobiorreactor es capaz de separar los productos de forma continua. El fotobiorreactor es también capaz de producir una productividad y un rendimiento robustos del producto. Diversos aspectos del fotobiorreactor permiten al menos una concentración reducida de biomasa mediante la produc-ción directa de combustibles y productos químicos a partir de organismos que capturan la luz. Preferiblemente, la separación de biomasa de los productos de interés se obvia.

En ciertos aspectos , la invención también proporciona un método para producir combustibles o productos químicos, que comprende: (a) emplear un fotobiorreactor , en el que al menos parte de una superficie del fotobiorreactor es al menos translúcida; y un sistema pasivo de regulación térmica adaptado para comprender un medio para reducir las ne- cesidades de al menos uno de enfriamiento, calentamiento, o una combinación de los mismos, para el fotobiorreactor; (b) introducir en el fotobiorreactor al menos un organismo seleccionado de un mesófilo, un termófilo, o una combinación de los mismos; (c) cultivar el organismo en el fotobiorreactor , mediante el cual los organismos utilizan luz y C02 para producir los combustibles o productos químicos; y (d) eliminar los combustibles o productos químicos del fotobiorreactor .

El método incluye además emplear un montaje que comprende un sistema de control adaptativo en tiempo real para optimizar la productividad, y preferiblemente mantener una productividad óptima.

También se proporciona un método para producir productos de interés a base de carbono, que comprende: (a) cultivar un organismo que recoge la luz, en un medio que comprende una concentración incrementada de N, P ylo Fe; (b) mezclar y hacer circular el medio cultivado en un fo- tobiorreactor que comprende al menos un panel que tiene múltiples canales en los que se cultiva el organismo; con lo que el organismo se cultiva hasta una densidad de 6-10 g/1 DCW, para producir los productos.

Se describen aquí diversos organismos, por ejemplo organismos manipulados mediante ingeniería, fotótrofos, autó-trofos, heterótrofos , y organismos que capturan la hiperluz, que se pueden emplear en el fotobiorreactor . En diversas realizaciones, los organismos se adaptan para la fotosíntesis en el medio líquido en condiciones adecuadas para producir productos de interés, por ejemplo biomasa e intermedios químicos, así como productos finales producidos biológicamente, tales como combustibles, productos químicos y agentes farmacéuticos .

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS La FIG. 1 representa un fotobiorreactor termoformado en un diseño de panel plano.

La FIG. 2 representa una porción inferior agrandada del fotobiorreactor, que representa un burbujeador retirable.

La FIG. 3 es una representación fotográfica de una pantalla reflectora en un fotobiorreactor .

La FIG. 4 es una representación fotográfica de una pan-talla reflectora en un fotobiorreactor .

La FIG. 5 es una vista en sección transversal a lo largo de parte de la anchura del fotobiorreactor ilustrado en la FIG. 1.

La FIG. 6 ilustra el impacto del mezclamiento sobre el tiempo del ciclo de luz/oscuridad.

La FI6. 7 es una ilustración de múltiples montajes de fotobiorreactores conectados en comunicación fluida, representando cada fotobiorreactor un tubo de bajada interno que proporciona circulación de los medios y mezclamiento de los cultivos .

La FIG. 8 es una sección transversal de canales de múltiples capas. En la parte inferior de la FIG. 8 se muestra una vista lateral de la misma.

La FIG. 9 es una vista en sección transversal expandida del cultivo en medios en un fotobiorreactor como se ilustra en la FIG. 8.

La FIG. 10 representa una vista aérea a escala de una biofactoría solar de 1.000 acres que incorpora el aparato fo-tobiorreactor de panel plano.

La FIG. 11 es un mapa de la insolación solar de los Estados Unidos de América para las productividades proyectadas .

La FIG. 12 es una representación gráfica de la integración térmica optimizada con operación de temperatura variable y depósito con calentamiento/enfriamiento externo.

La FIG. 13 es una tabla de la carga térmica sobre un fotobiorreactor que usa mesófilo o termófilo a temperatura fija (un positivo neto indica enfriamiento externo, y un negativo neto indica calentamiento externo) .

La FIG. 14 es un diagrama que ilustra una disposición de fotobiorreactores con un techo difusor.

La FIG. 15 es una ilustración de invernaderos fotobio-rreactores .

La FIG. 16 es una ilustración de una disposición de un fotobiorreactor inclinada. En la parte inferior, se muestra una vista aérea de un fotobiorreactor con mayor área superfi- cial cubierto por láminas laterales.

La FIG. 17 es una representación gráfica que muestra la potencia del ventilador usada para enfriar un reactor de ejemplo hasta una temperatura de operación deseada para dos casos: mesófilo (T deseada ~37 aC) y termófilo (T deseada ~58 SC) .

La FIG. 18 muestra gráficamente el efecto de eliminar el EDTA en los medios .

La FIG. 19 muestra el efecto de diversas fuentes de hierro en los medios.

La FIG. 20 contrasta el efecto de crecimiento de un medio optimizado en comparación con el medio A+.

La FIG. 21 muestra el cambio en el crecimiento de inoculantes con el aumento de la cantidad de N, P y Fe.

La FIG. 22 es una representación gráfica del crecimiento del cultivo de Synechococcus hasta alrededor de 10 g/1 tras la inoculación en el aparato fotobiorreactor.

La FIG. 23 es una gráfica de una progresión de manejo térmico .

ABREVIATURAS Y TÉRMINOS Las siguientes explicaciones de términos y métodos se proporcionan para describir mejor la presente descripción y guiar a aquellos de pericia normal en la técnica en la práctica de la presente descripción. Como se usa aquí, "que comprende" significa "que incluye", y las formas singulares "un" o "una" o "el/la" incluye referencias en plural, excepto que el contexto dicte claramente otra cosa. Por ejemplo, la refe-rencia a "que comprende una célula" incluye una o una plura- lidad de tales células. El término "o" se refiere a un elemento individual de elementos alternativos señalados, o una combinación de dos o más elementos, excepto que el contexto indique claramente otra cosa.

Excepto que se explique de otro modo, todos los términos técnicos y científicos usados aquí tienen el mismo significado que el comprendido habitualmente por una persona de pericia normal en la técnica a la que pertenece esta descripción. Aunque en la práctica o el ensayo de la presente des-cripción se pueden usar métodos y materiales similares o equivalentes descritos aquí, se describen más abajo métodos y materiales adecuados. Los materiales, métodos y ejemplos son sólo ilustrativos, y no pretenden ser limitantes. Otras características de la descripción serán manifiestas a partir de la siguiente descripción detallada y las reivindicaciones.

Un "biocombustible" , como se usa aquí, es cualquier combustible que derive de una fuente biológica.

"Productos", "productos de interés" o "productos de interés a base de carbono" se refieren a producir azúcares bio-lógicos, productos de hidrocarburos, combustibles, biocombus-tibles, formas sólidas de carbono, o agentes farmacéuticos, como resultado de cultivar organismos que recogen la luz en presencia de C02 y luz en condiciones suficientes para producir los productos carbonados. Biomasa también está dentro del alcance del término. Los productos se pueden recoger, procesar o separar posteriormente. Estos productos pueden ser segregados. Dentro del alcance del término, se incluyen alcoholes tales como etanol, propanol, isopropanol, butanol, alcoholes grasos, esteres de ácidos grasos, ésteres etílicos, és-teres de ceras; hidrocarburos y alcanos tales como propano, octano, diesel, Jet Propellant 8 (JP8) ; polímeros tales como tereftalato, 1, 3-propanodiol, 1 , 4-butanodiol , polioles, po-lihidroxialcanoatos (PHA) , poli-beta-hidroxibutirato (PHB) , acrilato, ácido adípico, e-caprolactona, isopreno, caprolac-tama, caucho; productos químicos de comercio, tales como lac-tato, ácido docosahexanoico (DHA) , 3-hidroxipropionato, ?-valerolactona, lisina, serina, aspartato, ácido aspártico, sorbitol, ascorbato, ácido ascórbico, isopentenol, lanoste-rol, omega-3 DHA, licopeno, itaconato, 1 , 3-butadieno, etile-no, propileno, succinato, citrato, ácido cítrico, glutamato, malato, ácido 3-hidroxipropiónico (HPA) , ácido láctico, THF, gamma-butirolactona, pirrolidonas , hidroxibutirato, ácido glutámico, ácido levulínico, ácido acrílico, ácido malónico; productos químicos de especialidad, tales como carotenoides , isoprenoides , ácido itacónico; fármacos e intermedios farmacéuticos tales como ácido 7-aminodesacetoxicefalosporánico (7-ADCA) /cefalosporina, eritromicina, policetidas, estatinas, paclitaxel, docetaxel, terpenos, péptidos, esteroides, ácidos grasos omega, y otros productos de interés adecuados. Tales productos son útiles en el contexto de biocombustibles , productos químicos industriales y de especialidad, como intermedios usados para obtener productos adicionales, tales como suplementos nutricionales , neutracéuticos , polímeros, sustitutos de parafinas, productos para el cuidado personal, y fármacos.

Autótrofo: los autótrofos (u organismos autotróficos ) son organismos que producen compuestos orgánicos complejos a partir de moléculas inorgánicas simples y una fuente externa de energía, tal como luz (fotoautótrofo) o reacciones quími-cas de compuestos inorgánicos.

Fotótrofo: los fotótrofos ( fotoautótrofos ) son organismos que llevan a cabo la fotosíntesis, tales como plantas eu-cariotas, algas, protistas y cianobacterias procariotas, bacterias verdes del azufre, bacterias verdes no del azufre, bacterias violetas del azufre, y bacterias violetas no del azufré. Los fotótrofos también incluyen organismos manipulados mediante ingeniería, para llevar a cabo la fotosíntesis, y organismos que capturan la hiperluz .

Heter.ótrofo : los heterótrofos (u organismos heterotró-fieos) son organismos que, a diferencia de los autótrofos, no pueden derivar energía directamente de la luz o a partir de compuestos químicos inorgánicos, y de este modo se deben de alimentar sobre sustratos de carbono orgánico. Obtienen energía química rompiendo las moléculas orgánicas que consumen. Los heterótrofos incluyen animales, hongos, y numerosos tipos de bacterias .

Organismo que captura la luz : los organismos que capturan la luz (u organismos capturadores de la luz) son organismos que usan la luz sola o en combinación con otras fuentes de energía para llevar a cabo las actividades de una célula. Estos incluyen fotoautótrofos , fotótrofos, heterótrofos manipulados mediante ingeniería para que tengan la capacidad de usar la luz para activar algunas o todas sus actividades, y fotótrofos/fotoautótrofos manipulados mediante ingeniería.

Organismo: el término se usa aquí para englobar autótrofos, fotótrofos, heterótrofos, organismos que capturan la luz manipulados mediante ingeniería, y, a nivel celular, por ejemplo, unicelular y multicelular.

Hidrocarburos: se refiere generalmente a un compuesto químico que consiste en los elementos carbono (C) opcional- mente oxígeno (0) e hidrógeno (H) . Existen esencialmente tres tipos de hidrocarburos, por ejemplo hidrocarburos aromáticos, hidrocarburos saturados, e hidrocarburos insaturados. El término también incluye combustibles, biocombustibies , plásti-eos, ceras, disolventes, y aceites.

Ruta biosintética: también denominada como "ruta meta-bólica" , se refiere a un conjunto de reacciones bioquímicas anabólicas o catabólicas para convertir (transmutar) una especie química en otra. Por ejemplo, una ruta biosintética de hidrocarburos se refiere al conjunto de reacciones bioquímicas que convierten las entradas y/o metabolitos en intermedios similares a productos de hidrocarburos, y después en hidrocarburos o productos de hidrocarburos . Las rutas anabólicas implican construir una molécula más grande a partir de moléculas más pequeñas, requiriendo el proceso energía. Las rutas catabólicas implican romper moléculas más grandes, a menudo liberando energía.

Celulosa: la celulosa [(C6Hi0O5)n] es un hidrato de carbono polisacárido polimérico de cadena larga, de beta-glucosa. Forma el componente estructural primario de las plantas, y no es digestible por los seres humanos. La celulosa es un material habitual en la pared de las células vegetales. Aparece de forma natural en forma casi pura sólo en fibra de algodón; en combinación con lignina y cualquier hemi-celulosa, se encuentra en todo material vegetal.

Tensioactivos : los tensioactivos son sustancias capaces de reducir la tensión superficial de un líquido en el que se disuelven. Están compuestos típicamente de una cabeza soluble en agua, y una cadena o cola hidrocarbonada . El grupo soluble en agua es hidrófilo, y puede ser iónico o no iónico, y la cadena hidrocarbonada es hidrófoba.

Fotobiorreactor : un aparato fotobiorreactor, un bio-rreactor o un reactor se usa de forma intercambiable para describir un aparato, dispositivo o sistema que soporta un entorno biológicamente activo. Por ejemplo, un biorreactor puede ser una vasija en la qüe se lleva a cabo un proceso químico que implica fotosíntesis en organismos, o en la que se derivan sustancias biológicamente activas a partir de tales organismos. Tales biorreactores pueden soportar activida-des para organismos aerobios o anaerobios. Estos biorreactores son habitualmente cilindricos, oscilando en tamaño desde litros hasta metros cúbicos, y a menudo están hechos de acero inoxidable. Los biorreactores que se adaptan para permitir el uso de energía lumínica en el cultivo de organismos se deno-minan típicamente como fotobiorreactores , y habitualmente emplean materiales transparentes tales como vidrio o plástico para permitir que la luz entre al interior del biorreactor. Basándose en el modo de operación, un biorreactor se puede clasificar como discontinuo, discontinuo alimentado, o conti-nuo (por ejemplo, un modelo de reactor de tanque agitado continuo) . Un ejemplo de un biorreactor es el quimiostato. Los organismos que crecen en los fotobiorreactores pueden estar suspendidos o inmovilizados. Diversas realizaciones inventivas están dirigidas a diseños de aparatos fotobiorreactores , y a métodos y sistemas que utilizan aparatos fotobiorreactores en una biofactoría solar como se describe en todo el documento.' Cierto aparato fotobiorreactor para uso aquí comprende un sistema biorreactor cerrado, en contraste con un biorreactor abierto, tal como un estanque u otro cuerpo de agua abierto, tanques abiertos, canales abiertos, etc.

Luz: el término "luz" se refiere generalmente a luz solar, pero puede ser solar o procedente de fuentes artificiales, incluyendo luces incandescentes, LED, fibras ópticas, luces de haluros metálicos, de neón, halógenas y fluorescen-tes, y luz solar tal como la infrarroja cercana y la de longitud de onda generalmente entre alrededor de 400-700 nm.

PAR: el término "PAR" es la abreviatura para radiación fotosintéticamente activa, y se mide en µ?/??2/3.

"Panel corrugado", "lámina", "reactor" o "cámara" se refiere al recipiente físico en el que se produce y se hace circular el cultivo, y se puede obtener usando materiales plásticos tales como láminas de polipropileno, polietileno, poliacrilato y policarbonato . La lámina se puede dividir longitudinalmente, y puede formar canales. La corrugación puede ser en diversas configuraciones geométricas, tales como rectangular, trapezoidal, triangular, circular, etc. El panel puede ser transparente, o al menos translúcido.

Canal : un canal se refiere generalmente al área entre cada partición de un fotobiorreactor de panel corrugado o de una lámina plana, en el que los organismos circulan llevando a cabo la fotosíntesis. Aunque la forma y el tamaño del canal pueden variar, una dimensión ejemplar de un canal es 10 mm x 10 mm x 1 m. Un canal también puede comprender una abertura que permite que se mezcle aire o C02 con el medio.

Medio: la expresión "medio líquido", "medios líquidos" o "medios" se refiere generalmente a la composición usada para cultivar organismos contenidos eri el aparato fotobiorreactor que comprende típicamente, por ejemplo en el caso de algas y/u otros organismos que capturan la luz, agua o una di-solución salina (por ejemplo agua de mar o agua salobre) y suficientes nutrientes para facilitar la viabilidad y crecimiento de tales organismos. Como se explica más abajo, a menudo es ventajoso utilizar un medio líquido que comprenda agua salobre, agua de mar, u otro agua no potable, obtenida a partir de una localidad en la que operará el aparato fotobio-rreactor, y a partir de la cual se derivó o está .adaptado el organismo contenido en él . El medio también incluye una fuente de nitrógeno, que puede incluir, pero no se limita a, sales de nitrato, urea, amoníaco y sales de amonio, ácido úri-co, y aminoácidos. Las composiciones de los medios líquidos particulares, nutrientes, etc., requeridos o adecuados para uso en el mantenimiento de un cultivo de organismos en crecimiento que capturan la luz, por ejemplo medios de fermentación, son bien conocidos en la técnica. Potencialmente, se puede utilizar una amplia variedad de medios líquidos, cualquier medio en el que un organismo, cuando se cultiva, es capaz de producir en diversas formas para diversas realizaciones, como entenderán los de pericia normal en la técnica. Tal medio también puede incluir sales apropiadas, minerales, me-tales,, y otros nutrientes. Sin embargo, se debería de reconocer que son adecuadas una variedad de condiciones de fermentación, y se pueden seleccionar por los expertos en la técnica. Los componentes y nutrientes potencialmente apropiados del medio líquido son explicados, por ejemplo, con detalle en: Rogers , LJ. y Gallón J.R. "Biochemistry of the Algae and Cyanobacteria" , Clarendon Press Oxford, 1988 ; Burlew, John S. "Algal Culture: From Laboratory to Pilot Plant" . Carnegie Institution of Washington Publication 600 . Washington, D.C., 1961 (en lo sucesivo "Burlew 1961 " ) ; y Round, F.E. The Biol-ogy of the Algae. St Martin' s Press, Nueva York, 1965 ; cada una incorporada aquí como referencia) .

Burbujeador: un burbujeador o un burbujeador de gas se refiere a cualquier mecanismo o dispositivo adecuado que puede introducir, por ejemplo, una pluralidad de pequeñas burbujas de aire en un líquido o medio líquido.

"Organismo que captura la luz" se refiere a todos los organismos, naturales o manipulados mediante ingeniería, capaces de realizar la fotosíntesis, tales como organismos fo-toautotróficos (es decir, plantas, algas, y bacterias foto-sintéticas) .

"Abertura de gas" se refiere al punto en el que el gas, tal como CO2 y aire, se introduce, por ejemplo, mediante burbujeo .

"Colector de líquido" se refiere a una parte del foto-biorreactor en la que el líquido se introduce ("colector de introducción de líquido"), o en la que el líquido es devuelto ("colector de retorno de líquido") .

"Pasivo" se refiere al control de la temperatura logrado mediante el uso de ninguna cantidad, o de una cantidad re-lativamente pequeña de, entrada de energía usando aire, tal como aire ambiente. En algunas realizaciones, la entrada de energía se puede usar para soplar aire y operar un sistema de control de la temperatura. En una realización, la entrada de energía se puede obtener a partir de un panel solar pV, u otra fuente de energía situada preferiblemente cerca del reactor.

A lo largo de esta memoria descriptiva y de las reivindicaciones, la palabra "comprender", o variaciones tales como "comprende" o "que comprende", se entenderá que implica la inclusión de un número entero o grupo de enteros señalados, pero no la exclusión de ningún otro entero o grupo de enteros .

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS REALIZACIONES Aparato fotobiorreactor y captura de luz En ciertos aspectos, la invención proporciona un aparato que captura la luz de área superficial elevada, eficiente, de bajo coste, que se puede aumentar de escala y se implemen-ta fácilmente en un espacio abierto, tal como el aparato fo-tobiorreactor ejemplar mostrado en la FIG. 1. Tal aparato fo-tobiorreactor está adaptado para capturar luz a través de un panel 100. Puesto que diferentes tipos de organismos que cap-turan la luz pueden requerir diferentes condiciones de exposición a la luz para el crecimiento y proliferación óptimos, se pueden realizar modificaciones adicionales a la construcción de un aparato fotobiorreactor para capturar la luz según las diversas realizaciones.

En ciertas realizaciones, el aparato fotobiorreactor se usa con luz solar natural; sin embargo, en realizaciones alternativas, se puede utilizar una fuente de luz artificial que proporcione luz a longitudes de onda que sean capaces de llevar a cabo la fotosíntesis, en lugar de, o además de, la luz solar natural. Por ejemplo, un aparato fotobiorreactor se configura para utilizar la luz solar durante las horas de luz diurna, y luz artificial durante la noche, para aumentar la cantidad total de tiempo a lo largo del día en la que el aparato fotobiorreactor puede convertir luz, CO2 y agua en pro-ductos a través del uso de organismos fotosintéticos .

El efecto de la luz sobre la productividad está determinado por cada diseño de fotobiorreactor . En realizaciones preferidas, el panel 100 del fotobiorreactor se coloca generalmente bajo una intensidad de luz deseada para condiciones óptimas de crecimiento usando organismos seleccionados que capturan la luz. En diversas realizaciones, la intensidad de la luz está entre 20 y 5000 µ?/p?2/3. En otras realizaciones, se usan intensidades de luz menores que 2000 µ?/??2/3, y en una realización adicional se usan intensidades de luz menores que 500 µ?/??2/5. En ciertas condiciones, la luz penetra a través del panel 100, o al menos penetra parcialmente, para controlar la profundidad de penetración de luz en el panel 100. El panel 100 del fotobiorreactor de la invención minimiza el tiempo durante el cual el cultivo está expuesto a "zo-ñas oscuras", que son más manifiestas en las columnas tubulares tradicionales. Preferiblemente, el mezclamiento y el flujo dentro del panel del fotobiorreactor se controlan de forma que se logra un ciclo optimizado, y preferiblemente óptimo, de luz/oscuridad, para maximizar la eficiencia del biorreac-tor. Típicamente, esto requiere hacer circular los organismos entre las capas superior e inferior de los canales 200, con tiempos de ciclo más cortos de 1 segundo. Preferiblemente, las zonas oscuras en las que el cultivo se puede ver sujeto a un mezclamiento y a tiempos de residencia cortos que se acer-can a la escala de tiempo del minutó se eliminan esencialmente. En diversos aspectos, al menos una superficie del panel 100 del fotobiorreactor captura luz, permitiendo una captura máxima de luz para una productividad óptima.

El fotobiorreactor se puede ilustrar en diversas dimen-siones, formas y diseños. En realizaciones preferidas, el pa- nel 100 es una lámina corrugada que tiene un diseño de plato plano que comprende múltiples canales 200 paralelos. Los canales 200 permiten el paso de flujo continuo de cultivo, a la vez. que proporcionan soporte estructural al panel 100. Se puede implementar un soporte estructural adicional (por ejemplo, placas planas de contacto 105 ovales), por ejemplo a través de termoconformado . El panel 100 puede tener diversas formas y tamaños, y generalmente se diseña para permitir que penetre en el canal 200 una cantidad deseada de luz. Una ca-racterística útil del panel 100 del fotobiorreactor permite que el espectro de luz visible de longitudes de onda entre 400-700 nm entre en el canal 200 para una PAR óptima para los organismos, mientras que filtra, eliminándolas, las longitudes de onda indeseadas en el espectro.

Ciertos organismos usados en el aparato fotobiorreactor pueden ser sensibles a la luz o radiación ultravioleta, y de este modo ciertas porciones de la superficie externa del panel 100, o, como alternativa, toda la superficie exterior e interior del panel, se pueden cubrir con uno o más filtros de la luz, que pueden reducir o anular la transmisión de la radiación indeseada. Tales filtros se integran en el diseño del aparato fotobiorreactor para permitir longitudes de onda del espectro de luz que los organismos requieren para el crecimiento, a la vez que detienen o reducen la entrada de las porciones dañinas del espectro de luz. Uno de tales filtros ópticos comprende un filtro óptico de película polimérica transparente, tal como SOLUS TM. Se reconoce que un experto podría emplear una amplia variedad de otros filtros ópticos y mecanismos de bloqueo/filtro de la luz para este fin.

En una realización alternativa, se pueden emplear poli- meros o materiales reflectantes, tales como papel metálico, película de poliéster tal como Mylar®, para reflejar la luz al panel 100, como se muestra en la FIG. 2. En tales realizaciones, las películas de poliéster se colocan debajo o a lo largo de los lados del panel 100, para reflejar la PAR nuevamente a través de los canales 200.

En otras realizaciones, se pueden emplear materiales que reflejan el espectro, filtran los rayos ultravioletas, o vuelven a emitir a una longitud de onda alternativa. Los po-limeros, tales como los descritos en McDonald SA et al Nat Mater 2005 4(2): 138-42, se pueden usar para recoger luz por encima de 800 nm. Se ha encontrado que diversos polímeros convierten la luz UV en luz del espectro visible. Estos polímeros tienen un "efecto blanqueante" al recoger luz por enci-ma de 800 nm y volver a emitir luz a 400-450 nm, que es la absorbancia pico de la clorofila A. Tienen buena estabilidad térmica (> 300 aC) y rendimientos cuánticos fluorescentes elevados (> 0,8). Los polímeros, tales como los descritos aquí, se pueden usar para convertir luz UV en luz que emite en el espectro absorbido típicamente por la clorofila.

Existe un gran número de esos otros polímeros de UV a visible, con buena fotoestabilidad. Incluyen, por ejemplo, 4, 4-bis (5-metil-2-benzoxoazol) etileno (Hostalux KS-N) ; 1,4-bis (benzoxazolil-2-il)naftaleno (Hostalux KCB) ; 2,5-bis-(5-tercbutilbenzoxazol-2-il) tiofeno (Uvitex OB) ; 2, 2'- (4,4'-difenolviniDdibenzoxazol; (Uvitex OB-1); 1 , 1 ' -bifenil-4 , 4 ' -bis (2- (metoxifenil ) etenilo) (Uvitex 127). La elección de un polímero depende de sus fotopropiedades , propiedades térmicas, disponibilidad y coste.

Los polímeros también se pueden copolimerizar mediante técnicas bien conocidas por los expertos en la técnica. Véase Liu MO Mat Letters 2006 60(17-18) 2132-2137.

En ciertos aspectos de la invención, el fotobiorreactor se puede construir de cualquier material de construcción es-table de bajo coste, tal como plásticos (policarbonato, po-lietileno, polipropileno, PVC clorado) , que permite la luz a través del panel para llevar a cabo la fotosíntesis en los organismos. Por ejemplo, tales materiales se pueden obtener de polietilenos , polipropilenos, politereftalatos de etileno, poliacrilatos , policloruros de vinilo, poliestirenos , poli-carbonatos, termoplásticos , vidrio, fibra de vidrio o plexiglás soportada en resina, etc. En ciertas realizaciones, se usan materiales que reflejan la radiación infrarroja, incluyendo, pero sin limitarse a, cuarzo. Estos materiales se pue-den entretejer, o se pueden usar en lugar de, o además de, otros materiales usados para encerrar el panel 100.

Otros ejemplos de material plástico son LDPE, polieti-leno de baja densidad lineal (LLDPE) , LDPE reforzado con fibras, polietileno de alta densidad (HDPE) , policloruro de vi-nilo (PVC) , polipropileno (PP) , nailon de una sola capa, po-liéster (PET) , etileno-acetato de vinilo (EVA) , policloruro de vinilideno (PVLC) , etileno-alcohol vinílico (EVA) , polies-tireno (PS), y cualquier otro plástico transparente conocido en la técnica. Como alternativa, puesto que algunos materia-les plásticos pueden tener un efecto indeseable de reaccionar con ciertos productos de salida deseados, se pueden usar materiales, tales como aquellos que no reaccionan con los productos, por ejemplo materiales translúcidos, para construir el aparato fotobiorreactor . Adicionalmente, se puede usar cualquier combinación de los materiales anteriores para crear un polímero híbrido de múltiples capas. Los grosores del material pueden variar según la integridad estructural, para reducir el coste del material en la construcción del fotobio-rreactor, así como el organismo fotosintético seleccionado que se hace crecer en el fotobiorreactor .

Cuando se selecciona el material de construcción del fotobiorreactor , se deberían de considerar diversos factores, tal como la escalabilidad, flexibilidad y durabilidad. Por ejemplo, los materiales se deberían de someter a calor y pre-sión variables y permitir la turbulencia requerida para el ciclo de luz, y limitaciones de esfuerzo por cizallamiento . En algunas realizaciones, se usan materiales que evitan la adhesión celular, por ejemplo biopelículas, materiales bio-compatibles, polímeros, concentración reducida de ion magne-sio del medio (Walach, Marek R., Appl Microbiol Biotechnol. Nov 24, 2004) ) . También se debería de dar consideración a la facilidad para limpiar materiales en partículas u otro material indeseable acumulado en el exterior del fotobiorreactor .

El material del fotobiorreactor puede variar en grosor, dependiendo de los organismos para recibir la PAR. Un ejemplo preferido es un panel 100 de policarbonato corrugado, que tiene un grosor de alrededor de 1,0-2,0 m. Más preferiblemente, el grosor que se puede emplear en el panel 100 es alrededor de 0,10 mm - 100 mm, 0,25 mm - 50 mm o 1,0 mm - 5,0 mm. A tales grosores, una cantidad moderada de turbulencia dentro del aparato fotobiorreactor tendrá muy poco efecto sobre su integridad estructural, a la vez que proporciona el nivel deseado de caudal en los canales 200.

Para introducir líquido y devolverlo al aparato foto-biorreactor, en ciertos aspectos de la invención se conectan colectores (130, 140) al panel 100. Una realización preferida para unir los colectores junto con el fotobiorreactor son las soldaduras plásticas térmicas, adhesivos o endurecimiento epox dico durante un tiempo, presión y temperatura apropiados para los materiales usados. Como alternativa, los paneles y los colectores se extruyen juntos o se termoconforman.

La superficie del panel 100 y de los colectores (130, 140) puede ser plana o contorneada óptimamente para controlar la PAR. En una realización, todo el aparato fotobiorreactor puede emplear el mismo material, incluyendo los diversos colectores que encierran al panel 100.

En realizaciones preferidas, la estructura del reactor tiene una sección transversal como se muestra, en parte, en la FIG. 5. La sección transversal está situada como se indica en la FIG. 1 (véase la línea con flecha, indicando la flecha la dirección de la vista) . El reactor se forma preferiblemente a través de un proceso de doble laminado mediante termo-conformación. En esta implementación, el reactor no se segmenta en diferentes canales, sino más bien tiene una región de flujo ascendente (tubo de subida 510) amplia y una región de flujo descendente (tubo de bajada interno 520) , que permite el mezclamiento cruzado mejorado. Hay una tira unida 530 que separa la región de flujo ascendente de la región de flujo descendente. Esta división entre las secciones de flujo ascendente y de flujo descendente del reactor se extiende típicamente hasta la longitud de la región activa del reactor. También sirve típicamente para unir juntas las láminas superior e inferior. En esta vista, el lado izquierdo es el lado de flujo descendente. Además, se pueden incluir platos planos de contacto ovales 105 a lo largo del reactor, para hacer lo- cálmente más rígido al reactor y que no forme balones bajo presión hidrostática del cultivo. Las paredes superior e inferior son ondulantes, a diferencia de un biorreactor de panel plano. La ondulación proporciona varios beneficios: Hace más rígido adicionalmente las paredes, permitiendo láminas de plástico más delgadas; proporciona una mayor área superficial en el exterior del reactor, lo que mejora la transferencia de calor del reactor, por ejemplo cuando se sopla aire de refrigeración a lo largo del mismo; y proporciona una mayor área superficial expuesta del cultivo, que, conjuntamente con un difusor de luz en la parte superior, puede disminuir la intensidad de luz a la que está expuesta el cultivo. Puesto que el caudal del reactor es provocado típicamente por aire ascendente, y el reactor se puede operar a un ángulo menor del vertical, las burbujas de aire introducidas en la parte inferior tienden a elevarse en los picos de las ondas sobre la superficie superior. De este modo, se puede esperar un mejor mezclamiento y ciclo de luz-oscuridad en las regiones pico, con relación a las regiones valle. Las paredes del reactor están preferiblemente separadas vertrealmente, de manera que, para la OD de operación deseada, se absorbe en el cultivo la mayoría de la luz de PAR, y se transmite y se pierde poca PAR a través de la parte inferior del reactor. Una separación de las paredes mayor que esta puede crear un volumen de oscuri-dad no productivo. Puesto que el mezclamiento en las regiones valle del reactor es menos óptimo que en las regiones pico, el espacio vertical del reactor (es decir, la distancia vertical entre la superficie superior de una lámina inferior y la superficie inferior de la lámina superior de una estructu-ra del reactor) es típicamente más pequeña en las regiones valle, para reducir el volumen del reactor asociado con regiones de mezclamiento reducido. Pero el espacio vertical mínimo del reactor en las regiones valle todavía se diseña para que sea suficiente para capturar la mayoría de la radiación PAR. A partir del proceso de termoconformado, todas las transiciones en el reactor se pueden llevar a cabo suavemente, potenciando la capacidad de limpieza del reactor, reduciendo aspectos de contaminación.

Otra realización de la presente invención que comparte las ventajas descritas en el párrafo previo es un fotobio-rreactor que comprende una estructura del reactor para contener un medio de cultivo. La estructura del reactor incluye una lámina superior y una lámina inferior, que están unidas juntas para formar un volumen de reactor para contener un me-dio de cultivo. El espacio vertical del reactor a lo largo de al menos parte de la anchura (es decir, anchura de sección transversal, como se muestra, por ejemplo, en la FIG. 3) de la estructura del reactor aumenta y disminuye repetidamente. Preferiblemente, el espacio vertical del reactor a lo largo de al menos parte de la anchura de la estructura del reactor se minimiza y se maximiza repetidamente. Más preferiblemente, el espacio vertical del reactor a lo largo de al menos parte de la anchura de la estructura del reactor se minimiza y se maximiza repetidamente a la vez que no es más pequeño que un salto vertical mínimo del reactor, seleccionado de tal manera que, para una OD de operación, sustancialmente toda (típicamente, al menos 50 por ciento, más típicamente al menos 75 por ciento, incluso más típicamente al menos 90 por ciento, aún incluso más típicamente al menos 95 por ciento) la luz PAR transmitida a través de la lámina superior es absorbida en el cultivo. Incluso más preferiblemente, el espacio vertical del reactor a lo largo de al menos parte de la anchura de la estructura del reactor se minimiza y maximiza periódicamente, a la vez que no es más pequeño que un espacio vertical mínimo del reactor seleccionado de manera que, para una OD de operación, sustancialmente toda (típicamente al menos 50 por ciento, más típicamente al menos 75 por ciento, incluso más típicamente al menos 90 por ciento, todavía incluso más típicamente al menos 95 por ciento) la luz PAR transmitida a tra-vés de la lámina superior es absorbida en el cultivo. Todavía incluso más preferiblemente, el espacio vertical del reactor a lo largo de al menos parte de la anchura de la estructura del reactor varía periódicamente entre un espacio vertical mínimo del reactor y un espacio vertical máximo del reactor, en el que el espacio vertical mínimo del reactor se proporciona en depresiones de la lámina inferior (es decir, depresiones de la superficie interna de la lámina inferior) , y el espacio vertical mínimo del reactor se selecciona de manera que, para una OD de operación, sustancialmente toda (típica-mente al menos 50 por ciento, más típicamente al menos 75 por ciento, incluso más típicamente al menos 90 por ciento, todavía incluso más típicamente al menos 95 por ciento) la luz PAR transmitida a través de la lámina superior es absorbida en el cultivo. Todavía incluso más preferiblemente, el espa-ció vertical del reactor a lo largo de al menos parte de la anchura de la estructura del reactor varía periódicamente entre un espacio vertical mínimo del reactor y un espacio vertical máximo del reactor, en el que el espacio vertical mínimo del reactor se proporciona en las depresiones de la lámina inferior, el espacio vertical máximo del reactor se propor- ciona en los picos de la lámina inferior, y el espacio vertical mínimo del reactor se selecciona de manera que, para una OD de operación, sustancialmente toda (típicamente al menos 50 por ciento, más típicamente al menos 75 por ciento, inclu-so más típicamente al menos 90 por ciento, todavía incluso más típicamente al menos 95 por ciento) la luz PAR transmitida a través de la lámina superior es absorbida en el cultivo. Lo más preferible, el espacio vertical del reactor a lo largo de al menos parte de la anchura de la estructura del reactor varía periódicamente entre un espacio vertical mínimo del reactor y un espacio vertical máximo del reactor, en el que el espacio vertical mínimo del reactor se proporciona en las depresiones de la lámina inferior, el espacio vertical máximo del reactor se proporciona en los picos de la lámina infe-rior, el espacio vertical mínimo del reactor se selecciona de manera que, para una OD de operación, sustancialmente toda (típicamente al menos 50 por ciento, más típicamente al menos 75 por ciento, incluso más típicamente al menos 90 por ciento, todavía incluso más típicamente al menos 95 por ciento) la luz PAR transmitida a través de la lámina superior es absorbida en el cultivo, las depresiones de la lámina inferior están colocadas verticalmente debajo de las depresiones de la lámina superior, y los picos de la lámina inferior están colocados verticalmente debajo de los picos de la lámina supe-rior. Además, preferiblemente, la superficie de la lámina inferior y/o de la lámina superior cambia de forma suave. Típicamente, el espacio vertical máximo del reactor está entre 1 y 10 veces el, espacio vertical mínimo del reactor. Más típicamente, el espacio vertical máximo del reactor está entre 1 y 5 veces el espacio vertical mínimo del reactor. También, típicamente, la distancia entre picos consecutivos de la lámina inferior está entre 1 y 10 veces el espacio vertical mínimo del reactor. Más típicamente, la distancia entre picos consecutivos de la lámina inferior está entre 1 y 5 veces el espacio vertical mínimo del reactor. También, típicamente, el espacio vertical del reactor aumenta y disminuye al menos tres veces, más típicamente al menos 5 veces, incluso más típicamente entre 5 y 100 veces, y todavía incluso más típicamente entre 5 y 50 veces. Además, la lámina superior y la lá-mina inferior pueden estar unidas a lo largo de la longitud de las láminas, para dividir el volumen del reactor en un volumen de flujo ascendente (tubo de subida) y volumen de flujo descendente (tubo de bajada interno) .

En realizaciones adicionales de la presente invención, la estructura del reactor como se describe en el párrafo previo puede ser una parte de un montaje de fotobiorreactor como se describe aquí, y/o puede incluir un sistema pasivo de regulación térmica como se describe aquí. Por ejemplo, una de estas realizaciones adicionales es un montaje de fotobio-rreactor que comprende una estructura del reactor como se describe en el párrafo previo, y una estructura de invernadero, configurada para producir un entorno de invernadero para la estructura del reactor, estando separadas la estructura del reactor y la estructura de invernadero con relación entre sí para proporcionar control de temperatura del fotobiorreactor. Otro ejemplo de estas realizaciones adicionales es un montaje de fotobiorreactor que comprende una estructura del reactor, y una estructura de invernadero configurada para proporcionar un entorno de invernadero para la estructura del reactor, estando la estructura del reactor y la estructura de invernadero separadas con relación entre sí para proporcionar control de temperatura del fotobiorreactor , en el que la estructura del reactor comprende dos reactores separados entre sí como se describe en el párrafo previo, y la estructura de invernadero comprende un elemento de techumbre difusor colocado entre los reactores .

En diseños adicionales, el fotobiorreactor tiene un diseño de ajuste flexible que conduce a la unión adhesiva, soldadura ultrasónica o termoconformado de doble lámina de in-serto/funcional como se muestra en la FIG. 1. Los fotobio-rreactores son susceptibles a diversas dimensiones, tal como capacidad de ~8 1 de tamaño de laboratorio (~1,6 x 4) ' o capacidad de ~25 1 de planta piloto/comercial (~4 x 6) ' .

Además, se lleva a cabo un análisis de elementos fini-tos para optimizar el patrón de apilamiento estructural, reducir el grosor y consumo de material, y verificar la expansión térmica y unión de fotobiorreactores . Adicionalmente, el análisis de transferencia de masas y de flujo de fluidos, por ejemplo dinámica de fluidos computacional, crea un patrón de flujo interno visual y verifica el caudal a través de deflectores y un conector de reactor a reactor.

En diversas realizaciones, el aparato de fotobiorreactor se inclina a un ángulo para capturar de forma más óptima la luz' según diversos factores, dependiendo de, por ejemplo, la intensidad de la luz y la localización geográfica. Preferiblemente, el ángulo es de alrededor de 10 a 30 grados, con relación a la tierra. En realizaciones preferidas, un extremo del panel 100 está fijo o pivota en la base para girar libremente, por ejemplo para seguir a la- fuente de luz durante el transcurso del día. El efecto es crear una PAR efectiva, una exposición óptima a la luz, perseguir a la fuente de la energía solar durante el día y a lo largo del año para un rendimiento máximo de biomasa. Por ejemplo, un diseño de fotobiorreactor con una inclinación de 30 grados puede proporcionar una. insolación anual bastante uniforme en el suroeste de los Estados Unidos de América.

Burbujas de gas para ascenso de aire Se pueden emplear diversos diseños para capturar óptimamente la luz y transferir de forma eficiente gas a los organismos que recogen la luz que están dirigidos a maximizar el crecimiento celular y/o la productividad mediante el uso de un aparato fotobiorreactor y el mezclamiento apropiado con C02.

En el aparato fotobiorreactor se integra un sistema de mezclamiento eficiente de bajo coste. En diversos aspectos, las burbujas permiten un intercambio gaseoso más eficiente de captación de dióxido de carbono y eliminación de oxígeno. El uso de aire y burbujas de gas logra difusión másica, mezcla-miento y bombeo, con el beneficio añadido de ser efectivo desde el punto de vista del coste. En ciertas realizaciones, la fuente de carbono, tal como gas de escape que contiene CO2, se burbujea en el fotobiorreactor, y el aire de salida, tal como 02, se elimina del sistema vía una ventilación de salida 115. En un diseño de fotobiorreactor preferido con un panel corrugado 100, las burbujas de aire y el gas, por ejemplo C02, son adecuados proporcionando un mezclamiento y circulación óptimos del cultivo y del medio, con una fuerza hidrodinámica mínima. Además, tal aireación ejerce poco daño al cultivo. Las burbujas actúan como un mecanismo, por ejemplo como una bomba de ascenso de aire, que hace circular el cultivo sin la necesidad de un bombeo auxiliar. Las burbujas se generan burbujeando aire y C02 a través de un burbujeador 110, que suben hasta el colector superior 140 de forma relativamente rápida. Preferiblemente, las características de las burbujas se mejoran iniciándolas a un tamaño óptimo.

En diversas realizaciones, el ascenso de aire usado para mezclar de forma eficaz elimina grandes bombas de circuíación, dando como resultado ahorros significativos de capital y costes de operación. Como se muestra en la FIG. 6, las burbujas de aire son mucho más efectivas promoviendo el mezcla-miento radial que el bombeo simple de líquidos. Se puede lograr un tiempo de ciclo de luz/oscuridad (L/D) menor de 200 ms con una entrada de energía muy baja. En ciertas realizaciones, un diseño preferido de ascenso de aire proporciona suficiente velocidad del líquido para obtener un régimen de flujo de burbujas puro. En el Ejemplo 2, se muestran datos para obtener un tiempo de. ciclo de luz/oscuridad del orden de 100-150 milisegundos , mientras que el uso de niveles razonables de energía de mezclamiento muestra que el mezclamiento provocado por burbujas de aire en el caudal accionado por el ascenso de burbujas de aire es más favorable que el mezcla-miento asociado con un mezclamiento turbulento que resulta de bombear el líquido. En diversas realizaciones, se prefiere la conversión del orden de 80 W/m2 de insolación en producto, por lo tanto se prefiere usar una fracción relativamente pequeña de la energía convertida para el mezclamiento del cultivo. En consecuencia, las burbujas de aire proporcionan un mezclamiento mucho más eficiente que las bombas a la misma energía, mientras que permiten el uso de una cantidad modesta de energía total de mezclamiento con relación a la conversión de energía en producto. La fuerza motriz se puede proporcionar por otro medios y diversas bombas adecuadas, y son cono-cidos por aquellos de pericia normal en la técnica.

Dependiendo de las velocidades relativas del flujo del medio liquido y del flujo de las burbujas de gas en el aparato fotobiorreactor, y gobernando el caudal, se puede lograr la frecuencia de fotomodulación de ciclos mayores o menores por segundo. En un caso, se ha encontrado que un efecto de "luz parpadeante" de alta frecuencia durante la actividad fo-tosintética es muy beneficioso para el crecimiento y productividad de muchas especies de algas (Burlew 1961) . Por lo tanto, configurando el aparato fotobiorreactor con modula-ción, se puede proporcionar una exposición adicional o más prolongada del organismo a la oscuridad, períodos de descanso, y puede aumentar la productividad.

En otras ciertas realizaciones, el aparato fotobiorreactor está equipado con controles para ajustar la direc-ción del flujo del líquido. Por ejemplo, se alimenta gas al medio líquido vía las aberturas 120 usando burbujeadores de gas 110, que se configura para crear una pluralidad de burbujas que ascienden hasta el colector superior 140, induciendo de ese modo flujo de líquido. En realizaciones más preferi-das, los burbujeadores 110 de gas se configuran y se colocan en la parte inferior del canal 200, para introducir dióxido de carbono para crear circulación y mezclamiento de burbujas de gas de diverso tamaño, que ascienden hasta la superficie del medio líquido contenido en el canal 200. Es probable que la · velocidad de las burbujas afecte a la interfaz aire- líquido. En ciertos casos, las burbujas se pueden agrupar, y, como consecuencia, proporcionar al flujo de líquido un área superficial incrementada para una captura incrementada de luz (FIG. 8) . Adicionalmente, puesto que las burbujas son in-herentemente inestables, se contemplan medios estabilizadores, tal como añadir tensioactivos .

En ciertas realizaciones, se burbujea aire en una abertura 120 a una presión deseada, por ejemplo 5 1/m, en la que las burbujas ascienden hacia arriba a través del medio y es-tallan en la interfaz aire-líquido. Después de que el gas burbujeado crea una presión o elevación ascendente y fuerza al cultivo hacia arriba hacia el colector 140 de retorno de líquido, el cultivo se hace circular hacia atrás vía un tubo de bajada 520 al colector 130 de introducción de líquido. En ciertos casos, se puede incluir una bomba para la velocidad suficiente de líquido, y para mantener el régimen de flujo bifásico deseado. En ciertos casos, el tamaño y flujo en el tubo de bajada 520 se pueden arreglar para minimizar el tiempo de residencia del cultivo a fin de maximizar la producti-vidad global y minimizar reacciones secundarias antieconómicas tales como la respiración en condiciones de exposición a la luz no óptima. Adicionalmente, el tubo de bajada 520 puede ser una característica interna o externa del fotobiorreactor . Un tubo de bajada proporciona circulación interna en el foto-biorreactor. La FIG. 7 muestra múltiples fotobiorreactores integrados en comunicación fluida, cada uno con un tubo de bajada 520 interno. Una ventaja notable de un tubo de bajada interno es la capacidad para cultivar los organismos que capturan la luz y transferirlos a la siguiente unidad fotobio-rreactora, mientras se mantiene la exposición a la fuente de luz, incrementado de ese modo la productividad. La ventaja adicional incluye un montaje en el que el tubo de bajada está integrado totalmente en una única unidad, reduciendo la complejidad, las partes y los costes.

Una cantidad deseada de luz se expone al fotobiorreac-tor y se burbujea gas a un intervalo específico, que es función de la productividad celular. El tiempo de residencia está gobernado por la altura del canal, la velocidad inicial, y la presión de gas inyectado en el canal. La velocidad de bom-beo se define por el caudal del gas por el tiempo de residencia de la burbuja para viajar la distancia del canal para mantener al reactor en estado estacionario. Las burbujas logran el resultado deseado de mezclamiento y de difusión mási-ca, pero generalmente las burbujas ascenderán hasta la super-ficie del canal de forma bastante rápida. El estudio de la fracción de tiempo de residencia en el canal de las burbujas de aire de diversos diámetros que ascienden hasta la parte superior del canal indica que el tamaño óptimo de burbujas es de alrededor de 0,5 mm a alrededor de 2 mm. En diversas rea-lizaciones, se generan burbujas a un diámetro inicial deseado, por ejemplo hasta alrededor de 1 mm; sin embargo, los tamaños de burbujas pueden variar drásticamente. Como alternativa, el tamaño inicial deseado de burbujas puede ser más grande, para crear una mayor área superficial del cultivo en los canales, para una mejor captura de la luz.

En ciertos casos, el medio se puede hacer circular a contracorriente del aire burbujeado en el canal 200, pero tal flujo del medio con movimiento descendente se puede minimizar. Como tal, el cultivo puede experimentar un intercambio gaseoso a favor de la corriente y en contracorriente durante la circulación.

En diversas realizaciones, el fotobiorreactor tiene un ángulo particular. Por ejemplo, el óptimo de inclinación del fotobiorreactor puede ser a 30a (FIG. 8) . Esto ha demostrado que proporciona una insolación anual bastante uniforme en el sudoeste de los Estados Unidos de América. Modificando o ajustando el ángulo del aparato fotobiorreactor , se puede mejorar el comportamiento. El cambio del ángulo se puede llevar a cabo de forma manual o automáticamente, según un conjunto de instrucciones y/o cálculos y/o en respuesta a valores de diversos sensores (por ejemplo, sensores de temperatura o sensores de intensidad de luz) . El control en tiempo real del posicionamiento del aparato fotobiorreactor se puede facilitar como parte de la estrategia de control implementado por ordenador.

En ciertas realizaciones, se puede necesitar un bombeo suplementario como resultado de la inclinación, mientras que en otras realizaciones la bomba de elevación de aire es suficiente para proporcionar el bombeo necesario para la circula-ción. La altura elevadora adicional puede no ser efectiva incrementando el bombeo debido a la pérdida incrementada de presión asociada con la columna ascendente. El incremento del diámetro de la columna ascendente para reducir la pérdida de presión puede dar como resultado un volumen muerto sustancial para las células.

Operación del fotobiorreactor El montaje del biorreactor está conectado a un colector 110 de introducción de gas, para burbujear aire y gas a aire- dedor de 1-3% de C02 a cada canal 200. El panel 100 también está conectado a un colector 130 de introducción de líquido, en el que el cultivo y el medio se introducen a través de una entrad 160, opcionalmente vía una bomba peristáltica al panel 100. Las burbujas de aire y el C02 mezclan el cultivo, y se hace pasar a través dé los canales 200 a un colector 140 de retorno de líquido. El colector 140 de retorno puede comprender un escape 115 de gases, para ventilar el 02. Como alternativa, el cultivo se puede hacer circular opcionalmente vía una bomba, a través de un intercambiador de calor y a través de un bloque de sondas, para medir OD, pH y temperatura. El cultivo se puede desviar vía una válvula de drenaje. Los productos se pueden liberar a través de una válvula de extracción para la separación o recogida. El colector de retorno también puede estar conectado a un separador, a un colector o a un condensador. La retirada o extracción de los productos deseados de interés se puede hacer en fase líquida o fase gaseosa. Cualquiera de tales productos se puede recoger mediante este mecanismo, o mediante un mecanismo separado.

En diversas realizaciones, se pueden ensamblar juntas, de manera modular con relativa facilidad, múltiples unidades del aparato fotobiorreactor . En la FIG. 10 se muestra un ejemplo de un montaje de múltiples aparatos fotobiorreacto-res. Después del burbujeo inicial de aire y gas, usando la ascensión de aire creada por las burbujas de aire y gas burbujeadas, la presión elevada del colector 140 de retorno de líquido (superior) de un primer panel 100 mueve el cultivo al colector 130 de introducción de líquido de baja presión (inferior) de un segundo panel 100. Se puede ensamblar una serie de paneles para aprovechar este gradiente de presión eficien- te y efectivo desde el punto de vista del coste.

Diversos puntos de control regulan la operación del montaje del fotobiorreactor . Por ejemplo, la temperatura está controlada por el sistema de manejo térmico de la invención. Adicionalmente, el pH se puede controlar mediante la concentración de C02- La densidad óptica se puede controlar para mantener la concentración óptima de células, y el perfil de nutrientes se puede basar en un control directo a la comida. La sobrepresion mínima para mantener la operación sanitaria y el flujo de aire se puede controlar para lograr la transferencia de masa y la separación.

En cuanto a la instrumentación de control, se optimiza el grado de localización de la instrumentación y la estructura de automatización global para un campo solar grande, y los instrumentos se minimizan o consolidan para lograr una automatización de bajo coste pero fiable al menor nivel posible con agregación de datos a sistemas centrales de ordenador.

Circulación y recirculación de medios En diversas realizaciones, el cultivo se mueve desde la parte inferior de los canales 200 hasta la altura de la parte superior del canal 200 - el colector 140 de retorno de líquido mediante las burbujas de gas como se describe anteriormen-te, y después se dispersa hacia abajo a través de un tubo de bajada 520 que conecta el colector 130 de introducción de líquido a los canales 200 y vuelve subsiguientemente a los canales 200. En otras realizaciones preferidas, el cultivo recogido en el colector 140 de retorno de líquido se hace re-circular y se recicla vía un panel 100 separado.

En ciertas realizaciones, se integran diversos conductos al aparato fotobiorreactor . Por ejemplo, los medios se pueden hacer pasar a través de diversos conductos para regular la temperatura a través de un intercambiador de calor o una cubeta de agua. Los conductos pueden bloquear la luz para emplear organismos para que sufran un ciclo de luz-oscuridad. El gas se puede bombear a través de tubería, tal como tubería resistente a la condensación, hasta diversas entradas. Se puede construir un conducto con una variedad de materiales adecuados, tales como PVC clorado, cobre, acero inoxidable, o latón. Puesto que la luz se usa mediante colocación del reactor, los materiales pueden ser opacos, y como tales, se puede usar cualquier material de conducto o de tubería de fluido conocida en la técnica. Se usa tubería que resiste el bioen-suciamiento, la fotoinhibición, o aquella usada habitualmente en fermentación.

El diámetro interno o dimensión de sección transversal interna mínima del conducto dependerá de una amplia variedad de condiciones y parámetros de operación deseados, y se debe-ría de seleccionar basándose en las necesidades de una aplicación particular. En general, un diámetro interno apropiado del conducto puede depender, por ejemplo, de la capacidad volumétrica o de producción deseada, del impacto de la turbulencia sobre las células (aunque se sabe que ciertas células son tolerantes al cizallamiento) , y a la resistencia de los materiales a biopelículas Además, mientras que el cultivo está en el fotobiorreactor, se añade un cierto volumen de agua u otro líquido a fin de compensar pérdidas evaporativas o medio/agua no reci-ciada de otro modo a través del sistema. El agua y otros lí- quidos se pueden añadir vía la entrada 160 en el colector 130 de introducción de líquido. Por el contrario, el efluente se puede eliminar después de ser filtrado, y los materiales deseados se pueden hacer llegar mediante sifón a un colector separado.

El ensuciamiento puede dañar la esterilidad y eficiencia globales del aparato fotobiorreactor y sus componentes . Para reducirlo o evitarlo, en algunas realizaciones el aparato fotobiorreactor es fácilmente limpiable y es tan liso como sea posible. En consecuencia, en diversas realizaciones, los materiales y dispositivos seleccionados son resistentes al bioensuciamiento para lograr un efecto de autolimpieza.

Fuentes de entrada - recirculación y eliminación de C02 y agua El sistema del fotobiorreactor se diseña para producir productos deseados a base de carbono, incluyendo biomasa e intermedios químicos, así como productos finales producidos biológicamente, tales como combustibles, productos químicos y agentes farmacéuticos y otros compuestos a partir de entradas mínimas: luz, agua y dióxido de carbono (FIG. 9). El gas de entrada se puede usar a partir de un número de fuentes, incluyendo aire ambiente, fuentes concentradas, y fuentes in-dustriales. El dióxido de carbono se puede suministrar a partir de una fuente en la que el dióxido de carbono se emitiría de otro modo en la atmósfera. En ciertas realizaciones, el gas usado procede de una fuente en la que la concentración de dióxido de carbono es significativamente más alta que la en-contrada en la atmósfera (0,03%). En particular, tales con- centraciones de dióxido de carbono se pueden encontrar en las corrientes de efluente, de gas de escape o de gas residual de plantas de carbón, refinerías, factorías de cemento, destilerías, fábricas de cerveza, instalaciones de gas natural, fá-bricas de cerveza, plantas farmacéuticas, plantas de procesamiento químico, cualquier planta que produzca dióxido de carbono en una cantidad mayor que la ambiental, y similares. El gas residual procedente de una planta de carbón ejemplar está a 50-55 eC, y está compuesto de 10,9% de C02, 0,01% de CO, 9% de H2, 3,01% de CH4, 3,0% de 02, 0,106% de S02, 74% de N2. Las concentraciones de los diversos elementos pueden cambiar basándose en parámetros de operación, así como de una instalación a otra.

La biofactoría solar integrada se puede adaptar para tratar tal gas emitido y proporcionar un control de la contaminación del aire y una solución ' de energía renovable a las instalaciones de quema de combustibles fósiles, tales como instalaciones que generan energía. La biofactoría solar también comprende dispositivos de control de emisiones y siste-mas de regeneración que pueden eliminar gases indeseados y otros contaminantes del entorno.

La captura y secuestro de carbono (CCS) a partir de plantas de energía y de otras diversas fuentes es actualmente un esfuerzo costoso y de gran energía; sin embargo, la bio-factoría solar integrada proporciona una alternativa a CCS, y proporciona un medio para convertir dióxido de carbono en combustibles y productos químicos en escala. En consecuencia, el método permite dar cuenta de o más preferiblemente recibir créditos de carbono, que comprende: cultivar organismos que capturan la luz en un fotobiorreactor o montaje de fotobio- rreactor usando dióxido de carbono, luz y agua; medir la entrada, uso o reducción de dióxido de carbono que es capturado por el fotobiorreactor ; y determinar una cantidad de créditos de carbono basada en la entrada, uso o reducción de dióxido de carbono.

El gas en la entrada puede estar a la misma presión, o a una presión mayor o menor que a la salida, como lo estarían las corrientes de gas residual. Se pueden usar presiones ambiente mayores para el movimiento de fluido dentro del apárato fotobiorreactor, según sea apropiado.

En ciertas realizaciones, el gas burbujeado en los canales 200 del fotobiorreactor se mueve cocorrientemente con el medio. Después de pasar a través de los canales 200, el gas sale de la cámara a través de una ventilación 115 de es-cape de gases. Estas salidas pueden liberar directamente a la atmósfera, o pueden estar conectadas a conductos de gas. En algunas realizaciones, los conductos de gas vuelven a conectarse a la entrada de gas, permitiendo el reciclaje del gas. En algunas realizaciones, los conductos de gas de reciclaje también tienen un sistema que permite la separación de elementos en la fase gaseosa. Las salidas y conductos también se pueden regular para mantener las presiones y concentraciones deseadas en el fotobiorreactor .

En aquellos casos en los que no existe sistema de con-ducto, de reciclaje, o de recogida, el gas se libera directamente a los alrededores. En diversos aspectos, el oxígeno sale principalmente del fotobiorreactor, y por lo tanto no se acumula .

En aquellos casos en los que el gas se recicla, se pue-de devolver cualquier cantidad entre 0 y 100% del gas elimi- nado del fotobiorreactor , liberándose el resto directamente a los alrededores. La cantidad liberada se puede controlar para alcanzar las condiciones deseadas del reactor. La cantidad no liberada define la tasa de reciclaje. En algunas realizacio-nes, no todo el gas se recicla, de manera que se pueden eliminar diversos elementos perjudiciales para lograr una productividad máxima, tal como oxígeno. El reciclaje puede ser antes o después de la separación de los elementos gaseosos en uno o más componentes. Como tal, el reciclaje no se refiere necesariamente al gas como un todo, sino como una cantidad relativa al gas eliminado desde el fotobiorreactor . El gas reciclado se mezcla entonces en cierta proporción con el gas en la entrada de gases del sistema apropiado del reactor, para lograr las condiciones deseadas del reactor.

El agua útil en la biofactoría solar puede ser no salina, baja en sal, salobre, marina, o muy concentrada en sal. El agua puede derivar de fuentes naturales (por ejemplo, lagos, ríos, estanques, etc.), o de corrientes procesadas.

Hay numerosas ' ventajas reconocidas en la biofactoría solar, como por ejemplo optimiza el uso del suelo, una excelente captura y distribución de la luz (preferiblemente máxima) , controla eficientemente el calor, es de bajo coste, dentro de un cultivo cerrado, tiene diseño flexible, se puede aumentar de escala y es de fácil construcción, buen volumen, mezclamiento óptimo, medio de bombeo efectivo desde el punto de vista del coste, requiere entradas mínimas, y obvia la necesidad de etapas añadidas para convertir biomasa en sus azúcares componentes. El foco desde la fuente de alimentación se ha desplazado a fuentes renovables y de menor coste de bioma-sa, por ejemplo el uso de biomasa no almidonada, no relacio- nada con alimentos, tales como árboles, hierbas, y materiales de desecho. Los componentes mayoritarios de estas fuentes de biomasa son celulosa, hemicelulosa, y lignina. El foco en estas fuentes todavía resulta insuficiente en comparación¦ con el sistema de biofactoría solar, puesto que emplean etapas para hidrolizar biomasa, molienda mecánica, pretratamiento termoquímico con ácido diluido, y otros métodos para convertir biomasa en sus azúcares componentes . La biofactoría solar puede lograr una productividad muy eficiente con organismos que capturan la luz, usando como entradas luz, dióxido de carbono, y agua.

Aumento de escala del fotobiorreactor La FIG. 10 representa un diagrama aéreo esquemático de una nueva biofactoría solar compuesta en parte de múltiples aparatos fotobiorreactores . Un diseño escalable para la producción de biocombustible competitiva desde el punto de vista del coste debería de ser de bajo coste, fácil de construir y ensamblar, y debería de necesitar un capital y costes de mantenimiento considerablemente menores. En diversas realizaciones, el aparato fotobiorreactor es escalable hasta alrededor de cualquier volumen, por ejemplo 1 a 90.000 1, y se conecta fácilmente en comunicación fluida a una vasija o reactor se-parado que permite el ensamblaje fácil de un diseño de múltiples fotobiorreactores . En diversas realizaciones, el fotobiorreactor tiene alrededor de 10 a alrededor de 1.000 1.

En ciertos aspectos de la invención, el fotobiorreactor se configura a una dimensión particular, por ejemplo 4 ft x 8 ft ("celda") . Tales celdas individuales están en comunicación fluida y se configuran para cubrir 200 m2 como una Unidad de Circulación. Más preferiblemente, las Unidades de Circulación se ensamblan modularmente hasta 1000 acres, produciendo 27,5 millones de galones, como se muestra en la FIG. 10.

Se puede emplear una única unidad fotobiorreactora como el mismo bloque de construcción básico para la escala completa, eliminando el riesgo del aumento de escala. Por ejemplo, múltiples unidades fotobiorreactoras , de aproximadamente 4 ft x 8 ft, se conectan juntas en un módulo de 40' para logística e instalación simplificadas. Aproximadamente 60 fotobiorreac-tores pueden cubrir alrededor de 2000 pies cuadrados (200 m2) . Una unidad industrial de 0,4 acres incluye funcionalidad del proceso total, y se multiplica simplemente para incrementar la capacidad. Una Unidad de Producción Comercial puede comprender 2500 unidades industriales, que cubren aproximadamente 1.000 acres (2 km x 2 km) . A escala, por ejemplo es capaz de producir 27,5 millones de galones de EtOH. La unidad industrial se puede multiplicar hasta cualquier tamaño deseado basándose en la disponibilidad de suelo y de C02.

Se puede colocar cerca una planta de destilación para recoger, procesar o refinar el producto final.

La biofactoría solar se puede colocar en un número de localizaciones, preferiblemente cerca de una fuente de gas de escape, en las que la luz es ubicua ya que la intensidad va-ría por localización y área de suelo, preferiblemente cerca de una fuente de agua. En diversas realizaciones, el aparato fotobiorreactor está por encima del suelo, o en el suelo, o incluso en el océano.

En diversos aspectos de la invención, la biofactoría solar puede ser abierta o cerrada.

En ciertas realizaciones, la biofactoría solar es un sistema cerrado. En diversas realizaciones, puede ser aséptica, y resuelve las limitaciones habituales de penetración de la luz. En realizaciones alternativas, se coloca un recipien-te de agua adyacente al aparato fotobiorreactor, para regular la temperatura. Por ejemplo, el cultivo se puede hacer circular a través de un recipiente de agua.

Productividad de biomasa del fotobiorreactor La biofactoría solar también proporciona métodos para lograr productividad de organismos según se mide mediante la producción de productos deseados, los cuales incluyen a las propias células.

El nivel deseado de productos producidos a partir de los organismos manipulados mediante ingeniería que capturan la luz, en el sistema de biofactoría solar, puede ser de utilidad comercial. Por ejemplo, los organismos manipulados mediante ingeniería que capturan la luz, en el sistema de bio-factoría solar, pueden convertir luz, agua y dióxido de carbono para producir biocombustibles , biomasa o productos bioquímicos a alrededor de 1 g/1 por 12 h de día, o en ciertas realizaciones alrededor de 2,5 g/1 por 12 h de día o más. De forma similar, los organismos manipulados mediante ingeniería que capturan la luz, en el sistema de biofactoría solar, convierten luz, agua y dióxido de carbono para producir productos químicos, productos de interés a base de carbono, o agentes farmacéuticos a alrededor de 5 g/1 por 12 h de día o más.

En ciertas realizaciones preferidas, el fotobiorreactor produce alrededor de 10 g/1 DCW de biomasa, o alrededor de 13,7 g/1 DCW de biomasa. En un caso, se ha demostrado una productividad de área de 79 g/m2 por 24 horas en un fotobio-rreactor de placas planas corrugado prototipo de laboratorio de 5 1.

El sistema del fotobiorreactor proporciona productividades de área elevadas que compensan el coste de capital asociado. Las productividades de área superiores se logran: optimizando la densidad del cultivo celular mediante el control del entorno de crecimiento, optimizando la velocidad de infu-sión del C02 y la transferencia de masas, optimizando el raez-clamiento para lograr la eficiencia fotosintética más elevada/organismos, logrando la extinción máxima de luz de insolación vía absorción mediante organismos, logrando la extinción máxima de C02 y la separación del producto inicial.

En particular, el sudoeste de los Estados Unidos de América tiene suficiente insolación solar para llevar a cabo productividades de área máximas para lograr alrededor de >25.000 galones/acre/año de etanol, o alrededor de >15.000 galones/acre/año de diesel, aunque la mayoría de los Estados Unidos de América tiene tasas de insolación susceptibles a la producción de combustibles de necesidad o de productos químicos muy valiosos de una manera efectiva desde el punto de vista del coste (FIG. 11) .

Además, el C02 está fácilmente disponible en la región sudoeste de los Estados Unidos de América, que se calcula para soportar el desarrollo comercial, a gran escala de la invención para producir 120 millardos de galones/año de etanol, o 70 millardos de galones/año de diesel.

Control de la temperatura y balance de calor En diversas realizaciones, es importante controlar la temperatura en el aparato fotobiorreactor para cultivar organismos durante la operación. Generalmente, la temperatura del medio líquido en el aparato fotobiorreactor se debería de mantener entre alrededor de 5 eC y alrededor de 60 aC, entre alrededor de 30 SC y alrededor de 60 aC, y, en algunas realizaciones, entre alrededor de 37 eC y alrededor de 60 2C. La temperatura se puede regular y mantener fácilmente dependien-do del organismo usado en el aparato fotobiorreactor para el crecimiento, circulación y productividad óptimos.

Cuando se usan entradas solares, la luz infrarroja, que no es utilizable, si no se refleja o se convierte de otro modo, producirá calor. Otras entradas de luz que no se usan o se reflejan también pueden contribuir al calor, pero no con la misma magnitud. Para permitir la regulación de la temperatura, se puede usar un número de medios. Los gases de entrada representan otra fuente potencial de calor. Si se usa dióxido de carbono a partir del gas de escape de las plantas, su tem-peratura es típicamente alrededor de 50 aC a 60 aC, y por lo tanto representa una segunda fuente de calor. Otra fuente de calor pueden ser dispositivos mecánicos necesarios para la fermentación o el cultivo. Se contempla que los procesos celulares sean netamente endotérmicos, y por lo tanto no debe-rían de contribuir significativamente. Puesto que las células requieren intervalos de temperatura específicos para la función óptima, el control de la temperatura es importante para los reactores . Para controlar la temperatura del fotobiorreactor, se puede usar un número de medios basados en las necesidades de calor total del reactor y los otros diversos medios que se estén empleando. Por ejemplo, si se elimina la contribución infrarroja, el sistema reactor ya no requiere un enfriamiento activo a través de intercambiadores de calor u otros medios, sino que se puede mantener con un control de fluidos y evaporación solos.

Otros medios de enfriamiento incluyen el enfriamiento evaporativo, reduciendo el reciclaje del gas (por ejemplo, necesitando que se añada más fluido externo a una temperatura (ambiente) menor, o intercambiador de calor. Se puede emplear un intercambiador de calor para mantener el bioproceso a una temperatura constante. Los intercambiadores de calor, así como los fluidos, se pueden usar para compensar pérdidas de evaporación a medida que es probable que la temperatura sea menor de alrededor de 40 a alrededor de 60 aC.

Se pueden emplear técnicas de enfriamiento evaporativo, ya que se obvia la necesidad de un equipo de operación separado. En algunas realizaciones, esto puede incluir distribuir agua de refrigeración sobre la superficie superior del foto-biorreactor usando una tubería de distribución o pulverizado-res, y recoger opcionalmente el agua en una bandeja en la parte inferior del fotobiorreactor . Se puede usar un reciclaje reducido, pero tiene un mayor coste, dado la necesidad de suministros potencialmente mayores de agua. Como alternativa adicional, el dióxido de carbono se puede almacenar como hie-lo seco, y se puede usar con fines de enfriamiento.

Un inconveniente de los diversos sistemas de fotobio-rreactores cerrados es la cantidad significativa de consumo de agua y el uso potencial de torres de enfriamiento evaporativo, ventiladores, bombas de circulación, y los costes eléc-trieos asociados. En ciertos aspectos, la biofactoría solar es ventajosa a la hora de reducir la carga de enfriamiento y la carga eléctrica. Por ejemplo, el panel 100 del fotobio-rreactor se puede colocar en capas en la parte superior para crear un panel de múltiples capas como se muestra en la parte inferior de la FIG. 8. En diversas realizaciones, el agua se hace circular a través de unos pocos canales 350 seleccionados, mientras que los otros canales 300 permanecen vacíos. En tales realizaciones, el cultivo se hace circular sólo a través de los canales 200 de un panel 100. Son posibles varia-ciones de tales realizaciones, por ejemplo para alternar canales (por ejemplo, uno de cada cuatro canales) por los que circula el agua, así como variar las capas de los paneles para regular la temperatura.

En diversas realizaciones, se usan termófilos en el fo-tobiorreactor que funciona a 60 2C, lo que permitirá que se rechace el 100% del calor en condiciones · veraniegas más calientes con radiación pasiva y convección natural sin ninguna ayuda. En realizaciones preferidas, también se puede usar un calor de bajo grado a 60 eC para llevar a cabo la destilación de EtOH sin fuente externa de calor. En otras realizaciones, se usa agua en el estanque o similar para absorber el calor durante el día, y enfriar a la noche de forma pasiva o activa. Otras opciones son el uso de material para reducir o rechazar calor, u otro medio adecuado de aislamiento requerido en la noche. En realizaciones preferidas, un cultivo que comprende un único organismo se hace funcionar durante todo el año. Realizaciones alternativas permiten el uso de mesófilo durante el invierno y termófilo durante el verano, para optimizar el proceso.

Los termófilos se pueden cultivar en el aparato foto- biorreactor a 60 2C durante la operación, y a 35 2C durante la operación de "enfriamiento" en la noche. Una alternativa podría ser hacer que funcione el fotobiorreactor a 50 aC. Los mesófilos se pueden cultivar a 37 2C durante la operación, y a 15 SC durante la operación de "enfriamiento" en la noche. Otro enfoque es cultivar termófilos en el fotobiorreactor en la primavera, verano y otoño, y los mesófilos en el invierno.

En ciertas realizaciones, se emplea un sistema de almacenamiento térmico para almacenar calor durante el día, y frío durante la noche. Preferiblemente, la cantidad requerida de calor/enfriamiento externo se minimiza, pero el aparato fotobiorreactor se puede diseñar para requerir sólo calor externo .

En ciertas realizaciones, la energía solar absorbida y rechazada por el fotobiorreactor varía a lo largo del transcurso de un día dado y a diferentes tiempos del año.

En otras realizaciones, el sistema del fotobiorreactor puede incluir una fuente de calor, una fuente de enfriamiento, o una combinación de ambos. En condiciones, por ejemplo durante la noche en las que caen las temperaturas, es preferible el calor.

En ciertos aspectos, se añade calor al sistema fotobiorreactor teniendo en cuenta diversos factores tales como las entradas de irradiación solar, tales como la lati-tud/longitud, día, tiempo, ángulo de inclinación de la placa, órbita de la tierra, y atmósfera, y ajustando pérdidas re-flectivas. En otros aspectos, el calor de salida es convección o radiación natural .

En otros aspectos, la alternativa para el rechazo de calor y la utilización de fotones no PAR incluye pigmentos que dispersan la luz con pV concentrador (MIT) , pares termoeléctricos, pares piezoeléctricos (expansión térmica, etc.), revestimientos selectivos, etc., bombas, sensores y sistemas de control se integraron en el sistema. Diversos componentes en la integración de los sistemas incluyen, por ejemplo, el uso de un recipiente de agua para la regulación térmica.

Fotobiorreactor y regulación térmica pasiva Diversas realizaciones de la invención se refieren a un procedimiento para convertir C02 en diversos productos de interés. Una nueva característica es la integración de un sistema pasivo de regulación térmica, para obviar la implementa-ción costosa del intercambio de calor usado en fotobiorreac-tores .

El uso del sistema pasivo de regulación térmica en un fotobiorreactor encerrado tiene distintas ventajas para la producción de combustibles y productos químicos usando diversas células hospedantes de interés. Además, tiene la ventaja de permitir el crecimiento de cepas fototróficas manipuladas mediante ingeniería.

La capacidad para producir un producto químico o de combustible directamente a partir de la luz solar y de C02 mejora drásticamente la economía del proceso, eliminando la separación costosa e ineficiente, la conversión química de la biomasa, y también obvia la necesidad de desarrollar nuevos mercados para cantidades significativas de coproductos de la biomasa. Un fotobiorreactor que optimice la expresión del producto final al mismo tiempo que permita la separación del producto directamente del caldo (es decir, eliminación conti- nua del producto) , mejora drásticamente la economía, de manera que el aumento del coste de capital del fotobiorreactor encerrado está completamente justificado.

Ciertas realizaciones de la biofactoría solar propuesta superan todas estas limitaciones: eficiencia de la conversión fotónica, sobrecalentamiento, pérdidas radiantes y convectivas, enfriamiento excesivo, baja productividad, o incluso una demora amplia al comienzo del siguiente ciclo de luz diurna, y en condiciones extremas da como resultado la congelación con daño extenso al cultivo y al propio fotobiorreactor, y por primera vez permite la producción competitiva desde el punto de vista del coste de combustibles y productos químicos usando sólo luz solar y C02 (y menores cantidades de nutrientes adicionales) para producir productos finales (combusti-bles y productos químicos) usando fotótrofos manipulados mediante ingeniería usando calentamiento y enfriamiento pasivos exclusiva o esencialmente de forma exclusiva a la vez que se eliminan fuentes externas de enfriamiento y de calentamiento. En ciertas realizaciones, la invención separa además de forma continua el producto final, inmovilizándose efectivamente el cultivo de producción en el fotobiorreactor, eliminando la separación y manipulación costosas de concentración relativamente baja de biomasa (por ejemplo, menor de 20 g/1, menor de 10 g/1, y especialmente menor de 5 g/1) . En lugar de inter-cambiar el calor que es absorbido por el cultivo con equipos externos, se usa el calentamiento y el enfriamiento naturales para manejar la carga de calor dinámicamente a través de un montaje de fotobiorreactor optimizado que combina un sistema de control adaptativo en tiempo real para ajustar continua-mente la inclinación de las unidades fotobiorreactoras basán- dose en paneles de plástico de múltiples paredes que pueden absorber la luz solar y el calor de manera controlada a lo largo del día y de la noche para regular la temperatura para mantener una productividad óptima. Para lograr esto, las uni-dades fotobiorreactoras tienen revestimientos de superficie manipulados mediante ingeniería, incluyendo, pero sin limitarse a, una pantalla térmica reflectante en un lado. Características adicionales incluyen un revestimiento de la superficie o material (por ejemplo arena) molido que crea re-flexión difusa de la luz visible cuando se atrapa selectivamente IR como calor para limitar la ganancia de calor del fo-tobiorreactor durante el día, a la vez que permite la conservación del calor del fotobiorreactor en la noche girando los paneles, del fotobiorreactor para que miren al suelo, y miran-do la pantalla reflectante hacia arriba, minimizando pérdidas radiantes. Estas características y realizaciones adicionales se describen con más detalle más abajo. Se debería observar que son posibles varias variaciones que serán obvias para los expertos en la técnica cuando se considera el concepto gene-ral de un fotobiorreactor que maneja radiación solar incidente de manera pasiva. Los ejemplos no limitantes incluyen: pigmentos dispersos en plástico para rechazar UV, pigmentos fluorescentes dispersos en plástico para desplazar hacia arriba longitudes de onda no utilizables hacia la luz visible (por e emplo desplazamiento de UV hacia PAR) , pigmentos tales como concentradores solares orgánicos integrados con fotovol-taicos para generar electricidad con parte del espectro, revestimientos reflectantes de IR para rechazar calor, y materiales absorbentes de IR como cubiertas para servir de sumi-dero pasivo de calor durante el día, que se podría usar du- rante la noche para liberar calor.

Revestimiento pV de película delgada selectivo para convertir porciones del espectro que no se convierte eficientemente, o de manera menos eficiente, por el fotótrofo, para crear un fotobiorreactor híbrido de combustible y electricidad.

En diversos aspectos, los materiales tales como acrílieos, usados para ensamblar el fotobiorreactor , se adaptan para que tengan ciertas características, que se pueden mostrar dependiendo de cambios con relación a la intensidad de luz. Por ejemplo, el material se puede hacer más translúcido o incluso opaco a una intensidad mayor de luz, y rechazar el exceso de luz, rechazando de ese modo el exceso de calor. Por el contrario, el material se puede hacer más transparente, o incluso claro, a una menor intensidad de luz. En realizaciones preferidas, en el acrílico se incorporan pigmentos, colorantes o películas delgadas. En diversas realizaciones, los paneles acrílicos pigmentados se extruyen durante el proceso de fabricación del fotobiorreactor . De forma similar, los ma-teriales que se adaptan para ser sensibles a otros diversos parámetros, tales como fluctuaciones de temperatura, patrones climatológicos, cambios de pH, están dentro del alcance de esta invención.

Radiación fotosintéticamente activa A una eficiencia de conversión fotónica máxima, aproximadamente el 20-25% de PAR (radicación fotosintéticamente activa) , o el 10% del espectro de luz solar total, se puede convertir en energía química útil, dependiendo de la composi- ción exacta de la biomasa o del producto químico o de combustible perseguido (Pirt, J. "The thermodynamic efficiency (quantum demand) and dynamics of photosynthetic growth", New Phytol. (1986) 102:3-37). Algunos cultivos fototróficos re-fie an selectivamente alguna porción de las longitudes de onda de IR (aproximadamente 40% de IR por encima de 750 nm) (Gitelson, A. et al "Photic volume in photobioreactors sup-porting ultrahigh population densities of the photoautotroph Spirulina platensis" Applied and Environmental Microbiology (1996) 62:1570-1573). Por lo tanto, la mayor parte de la luz solar incidente en un fotobiorreactor se convierte en última instancia en calor, que se ha de eliminar para mantener las condiciones óptimas de cultivo, e incluso evitar la pérdida total del cultivo debido a sobrecalentamiento. En la noche se produce el efecto contrario, cuando las pérdidas radiantes y convectivas dan como resultado enfriamiento del volumen del cultivo. Un enfriamiento excesivo podría dañar el cultivo, dar como resultado una baja productividad, o incluso una demora prolongada en el comienzo del siguiente ciclo de luz di-urna, y condiciones extremas que dan como resultado la congelación, con daño amplio al cultivo y al propio fotobiorreactor. Para proteger frente a ambas condiciones, típicamente se requiere tanto calentamiento como enfriamiento, para controlar la temperatura del fotobiorreactor . Las implicaciones de estas ganancias y pérdidas de calor se detallan adicionalmen-te en la FIG. 13, que muestra el calor neto absorbido, y en la FIG. 12, que muestra la integración del flujo térmico. La magnitud de los flujos térmicos implicados limita esencialmente la aplicación de la actual tecnología de fotobiorreac-tores encerrados a zonas con climas muy templados, o pequeñas unidades que pueden hacer uso efectivo del calor residual barato que puede estar localmente disponible (p. ej . , procedente de la planta de energía o factoría que suministra el C02) . Durante los días más cálidos, las necesidades de enfriamiento de una instalación de 1000 acres podría ser de orden similar al de una planta de energía de 600 MW. Claramente, esto representa un reto significativo para aplicaciones a gran escala en áreas que reciben buena luz solar, pero sin fuentes de agua de refrigeración muy significativas. El coste para con-trarrestar estos flujos de calor usando fluidos de intercambiadores de calor con almacenamiento asociado, bombas, torres de refrigeración, superficies de intercambiadores de calor y energía térmica suplementaria, es un impedimento significativo a la adopción de la tecnología de fotobiorreactores ence-rrados para la producción de grandes volúmenes de productos de combustible y químicos.

Manejo térmico pasivo de fotobiorreactores El sistema pasivo de regulación térmica se puede imple-mentar en diversos fotobiorreactores , incluyendo paneles planos, columnas de burbujas, reactores tubulares, y una variedad de diseños anulares dirigidos a manejar el enfriamiento y el calentamiento. Dentro del alcance de la invención, se con-templan muchas variaciones de diseño del fotobiorreactor .

Preferiblemente, maximizando el área superficial del fotobiorreactor para capturar luz, se expone y se captura una cantidad máxima de luz por los microorganismos, para producir productos de interés. Más abajo se proporciona uno de tales di-seños de biorreactores .

En diversas realizaciones, el fotobiorreactor se puede fabricar con materiales baratos, tales como acrílico o poli-carbonato. Por ejemplo, tales materiales se pueden extruir en múltiples canales paralelos, y se pueden soldar a un montaje colector para formar un único panel. Como alternativa, la serie de canales y el montaje colector se pueden coextruir para formar un panel . Las paredes que forman los canales en el panel proporcionan integridad estructural y soporte capaz de ser resistente a impactos y resistente a la climatología. En una realización, el volumen del reactor puede tener alrededor de 5 litros. En otras realizaciones, el volumen del reactor puede tener de alrededor de 15 a alrededor de 25 litros o más..

En diversas realizaciones, muchos fotobiorreactores se pueden alinear en comunicación fluida para formar una biofac-toría solar. Los fotobiorreactores se pueden ajustar a un ángulo, cualquiera desde 0 hasta 902, dependiendo de diversas condiciones. Por ejemplo, durante operaciones durante el día, los fotobiorreactores forman un ángulo de 90a principalmente para la captura de luz difusa, para reducir el exceso de luz y la fotoinhibición, a la vez que reduce la probabilidad de incremento subsiguiente de la temperatura. Para operaciones nocturnas, los fotobiorreactores tienen un ángulo de O2, para mantener la temperatura en ausencia de luz .

En ciertas realizaciones, la inclinación de los fotobiorreactores se ajusta rápidamente, anticipándose a patrones meteorológicos previstos usando un sistema de control y seguimiento del tiempo local en tiempo real. El sistema puede utilizar los partes meteorológicos locales del National Weat-her Service y patrones climatológicos locales recientes para manejar las cargas térmicas y las necesidades fotosintéticas del campo del fotobiorreactor, tal como la exposición a la irradiación solar, sombreado, pérdidas radiantes y convectivas, y reflexión del suelo. El sistema de control de software responde a cambios climáticos locales, por ejemplo la cobertura con nubes y lluvia, velocidades de vientos e intensidad solar, controlando en consecuencia la inclinación del fotobiorreactor. El Sistema de Manejo Térmico Pasivo puede desplazar una planta de biofactoría solar en modo de consérvación cuando se aproximan condiciones meteorológicas indeseables, protegiendo de ese modo al cultivo y reduciendo pérdidas de energía interna. En realizaciones preferidas, la inclinación del fotobiorreactor puede tener la capacidad para moverse en una posición horizontal, o próxima a la horizon-tal, reduciendo de este modo pérdidas radiantes y manteniendo el calor de la masa térmica interna durante un tiempo frío, y especialmente durante la noche. El calor absorbido y almacenado en la tierra estará contenido en la posición horizontal, o próxima a la horizontal, y proporcionará energía pasiva adicional.

El controlador se comunica con un centro de datos centralizado para intercambiar observaciones meteorológicas y recibir instrucciones de manejo térmico. Las instrucciones del controlador son dadas por la meteorología local en tiempo real. Para optimizar cálculos futuros, se usarán registros de manejo térmico históricos.

De forma importante, el sistema inteligente de manejo térmico centralizado puede reducir, o más preferiblemente eliminar, la necesidad de calentamiento y/o enfriamiento su-plementario, reduciendo así significativamente el consumo de energía. El sistema combina estaciones meteorológicas y un motor paso a paso avanzado, y tecnología de control en un diseño centralizado de red. También se puede comunicar con el centro de datos de manejo térmico, en el que se aplica un es-quema de inclinación sofisticado para particularizar la carga de calor y optimizar la eficiencia fotosintética a la meteorología local .

Adicionalmente, una inyección de gas de escape puede proporcionar protección adecuada contra la congelación, así como un calentamiento suplementario si es necesario. Se anticipa que el calentamiento suplementario adicional proporcionado por el gas de escape será mayor de alrededor de 1 W m~2, pero menor de alrededor de 10 W m"2. En cualquier caso, para maximizar la eficiencia del sistema y hacer un uso máximo del manejo térmico pasivo, es deseable limitar cualquier calentamiento y enfriamiento suplementarios a menos de alrededor de 10 W m~2, más preferiblemente menos de alrededor de 5 W m"2, y lo más preferible menos de alrededor de 3 W m"2.

La FIG. 14 es una vista lateral de múltiples fotobio-rreactores orientados de norte a sur. En diversas realizaciones, el fotobiorreactor comprende un techo 400 conectado a. al menos un segundo fotobiorreactor . En ciertas realizaciones, el techo difunde luz, iluminando durante el día al fotobiorreactor que mira hacia el este y al oeste. Adicionalmente, el techo también crea un entorno de invernadero alrededor de los reactores, para lograr temperaturas deseadas. En realizaciones preferidas, una distancia deseada entre dos fotobio-rreactores proporciona un espacio o chimeneas 350 entre foto-biorreactor con cierres ajustables en la parte superior e in-ferior 500 para el control pasivo de la temperatura. Hay una configuración de ventilador 300 opcional, para extraer aire a través de la chimenea, para el control adicional de la temperatura.

La FIG. 15 es una vista lateral de otra realización de un montaje de fotobiorreactor . En esta realización, al menos dos láminas 700 laterales encierran a cada fotobiorreactor en un entorno de invernadero. Un espacio entre cada fotobiorreactor y las láminas 700 laterales crea una chimenea 350 que enfría al fotobiorreactor cuando los cierres supe-rior/inferior están abiertos. El enfriamiento a través de la chimenea puede ser pasivo, o puede ser accionado por ventiladores 300. Las paredes laterales del fotobiorreactor pueden estar conformadas para incrementar el área para reducir la intensidad de luz e incrementar el área de transferencia de calor. Las láminas laterales pueden ser difusoras, para extender la luz .

La FIG. 16 (parte superior) es una vista lateral de otra realización de un montaje de fotobiorreactor. En esta realización, al menos dos láminas 700 laterales encierran a cada fotobiorreactor en un entorno de invernadero, un espacio entre cada fotobiorreactor y las láminas 700 laterales crea una chimenea 350 que enfría al fotobiorreactor cuando los cierres superior/inferior 500 están abiertos. El enfriamiento a través de la chimenea 350 puede ser pasivo, o puede estar realizado por ventiladores 300. Las paredes laterales 100 del fotobiorreactor se pueden conformar para incrementar el área para reducir la intensidad de luz e incrementar un área de transferencia de calor FIG. 16 (parte inferior) . Las láminas 700 laterales pueden ser difusoras, para extender la luz para el control de la intensidad. Las láminas 700 laterales y las paredes 100 del reactor pueden tener un tratamiento superficial para hacer pasar/reflejar preferiblemente longitudes de onda específicas para el control de la intensidad y térmico. Las láminas 700 laterales y las paredes 100 del reactor se pueden fabricar con colorantes absorbentes específicos de longitudes de onda. Las láminas laterales y las paredes del reactor se pueden conformar para modificar el área superficial para potenciar la transferencia de calor y modificar la intensidad de la luz al medio.

En la realización de la FIG. 16, el ángulo de inclinación del reactor se puede cambiar para estaciones específicas, o a lo largo del día, para mejorar el control del manejo térmico pasivo. Se puede aplicar una pantalla de radiación a la parte superior del reactor (lámina lateral o paredes del reactor), para el control del manejo térmico. Se puede aplicar aislamiento térmico a la parte posterior del reactor (lámina lateral o paredes del reactor) , para el control del manejo térmico. El panel se puede hacer rotar para que mire a la tierra durante la noche, para minimizar pérdidas de radia-ción hacia el cielo. Se pueden rotar filas individuales a ángulos diferentes para optimizar la intensidad de la luz y el control térmico. Dependiendo de la estación no es necesario usar todas las filas.

En ciertas realizaciones, las láminas laterales y las paredes del reactor pueden estar hechos de materiales tales como acrílico o policarbonato, con una claridad óptica elevada. En una realización, se puede aplicar un revestimiento an-tirreflectante a las láminas laterales y/o a las paredes del reactor. En los materiales, también se pueden incluir colo-rantes que son 'absorbentes en el IR. En otras realizaciones, se pueden añadir colorantes termocrómicos , que se ajustan para que oscurezcan una vez que la lámina alcanza una cierta temperatura .

El techo difusor se puede construir de acr lico o poli-carbonato, con un tratamiento de superficie o una película delgada añadido para hacerlo difusivo. En algunas realizaciones, a la hora de construir el techo difusor, se pueden usar colorantes que son absorbentes en IR. Algunas realizaciones pueden incluir colorantes termocrómicos que se ajustan para que se oscurezcan una vez que el elemento del techo difusor alcanza una cierta temperatura.

Chimenea y espaciado: en algunas realizaciones, las láminas laterales están separadas alrededor de 1 pulgada de las paredes del reactor, pero el espaciado puede oscilar desde alrededor de 0,5 hasta alrededor de 2 pulgadas.

Con respecto a los cierres (superior e inferior) ajus-tables, en algunas realizaciones estos pueden ser accionados eléctricamente. En otras realizaciones, estos pueden ser accionados hidráulicamente . mediante actuadores térmicos, y de este modo ser completamente pasivos.

Con respecto a los ventiladores, en algunas realizaciones pueden ser pequeños ventiladores individuales en cada reactor, o un gran ventilador que suministra un pequeño grupo de reactores. En algunas realizaciones, los ventiladores pue-den estar alimentados energéticamente mediante paneles foto-voltaicos .

Varias ventajas de la regulación térmica pasiva incluyen iluminación del fotobiorreactor bajo un nuevo régimen de enfriamiento pasivo con costes de capital bajos que permiten a los organismos mantener una productividad máxima en un am- plio intervalo de entornos; el uso de múltiples fotobiorreac-tores en una disposición modular que se puede expandir sin modificación significativa a lo largo de áreas de tierra desde alrededor de 100 hasta alrededor de 10.000 acres; el uso de entradas clave, tales como C02 concentrado que emana de sectores críticos, por ejemplo producción de energía mediante combustibles fósiles y fabricación de cemento, para convertir directamente las emisiones de C02 en productos de salida deseados; la capacidad para localizar biofactorías solares, por ejemplo cerca de fuentes o tuberías de C02/ de manera que la distribución de C02 se minimiza dentro de la instalación con cargas parásitas mínimas. Los diseños de los fotobiorreacto-res preferidos se optimizarán para asegurar una captura de luz, un mezclamiento, una inyección de C02 y una separación del combustible óptimos o máximos, a la vez que se minimizan las necesidades energéticas.

En algunas realizaciones, los fotobiorreactores son capaces de lograr el control térmico pasivo de alrededor de 5 eC a alrededor de 10 °C de ambiente.

En algunas realizaciones, el fotobiorreactor comprende al menos dos organismos diferentes. Una cianobacteria, planta o alga, u otra cepa termófila, termotolerante, se puede acomodar al espectro de temperaturas previsto para la integración de calor a lo largo del año en el proceso de conversión solar. Como alternativa, también se puede usar una mezcla de cepas termófilas y cepas mesófilas.

En otras realizaciones, se describen métodos para usar los fotobiorreactores para permitir la producción de productos a base de carbono en tierra no arable. El diseño del fo-tobiorreactor y del proceso se optimiza para asegurar conver- sión eficiente de la luz solar en combustible. Se despliegan principios avanzados de bioprocesamiento y de diseño de óptica para optimizar la distribución de luz, la transferencia de masa y de calor, y el mezclamiento, para maximizar la produc-tividad .

Preferiblemente, el diseño del fotobiorreactor, la obtención del prototipo y el diseño de fabricación cumplen las necesidades del proceso con un coste diana menor de alrededor de $20/m2 de área de tierra, para permitir una solución escalable que se puede desplegar a lo largo de una gran área. Los conceptos de diseño para capacidad de fabricación (DFM) son un foco particular para permitir la producción en masa fiable, de bajo coste. Se desarrollan estrategias de control de nutrientes de la fermentación que se integran fuertemente con la manipulación de organismos mediante ingeniería para asegurar un rendimiento máximo del producto final en carbono fijo.

En diversas realizaciones, la combinación de la optimización de cepas vía el control del flujo de carbono y el fo-tobiorreactor de la invención ha incrementado el rendimiento de etanol hasta niveles de productividad por área diaria que supera aquellos proyectados para procesos maduros a base de celulosas (>3,5 g/m2/día) .

Una planta piloto ejemplar para la producción de combustible diesel puede ocupar aproximadamente 1 acre de tierra no arable, y puede producir alrededor de 25 galones de diesel por día. Una planta piloto prototipo del proceso del diesel puede funcionar en un entorno operacional según lo siguiente: producción de diesel de longitud de cadena controlada, continua, a una productividad por área de ~20 g/m2/día a par-tir de una fuente de C02 industrial concentrada con un uso neto de agua menor de alrededor de 5 galones/galón de combustible; producción continua durante >30 días a una eficiencia de captura de energía fotónica >5%; una plataforma de producción integrada que se puede escalar hasta la independencia de la energía, a un coste que es competitivo con fuentes fósiles actuales sin subvenciones; y tal proceso compensa los impactos de la generación de energía convencional convirtiendo el C02 de desecho en com-bustibles líquidos valiosos a través del uso de gas de escape u otras fuentes de C02 concentradas .

El proceso altamente eficiente e integrado reduce o elimina intermedios y procesos costosos y antieconómicos, dando como resultado una relación energética positiva neta muy elevada. El manejo térmico pasivo reduce o elimina la necesidad de fuentes de enfriamiento externas, dando como resultado poca, si la hay, pérdida de agua evaporativa.

En ciertos aspectos, la contaminación por organismos que compiten es problemática para la conversión eficiente del carbono. A escala de laboratorio, el fotobiorreactor se puede esterilizar y se puede hacer funcionar en modo de monocultivo. Las estrategias de manipulación de organismos mediante ingeniería o métodos de procesos escalados, desarrollados, ayudaría a minimizar los aspectos de contaminación a escala completa. En consecuencia, los fotobiorreactores son esteri-lizables de forma individual, o en múltiples conjuntos.

Los diseños térmicos pasivos que permiten un control ajustado de la temperatura en el intervalo más grande de localizaciones, y minimizan el consumo de agua y de energía pa-rásita, son importantes para el éxito de la tecnología. Se contempla un refinamiento adicional de los conceptos del diseño térmico pasivo actual llevando a cabo ensayos de estrés y de ciclo de vida en condiciones exteriores simuladas y reales .

Preferiblemente, los fotobiorreactores pueden estar localizados en entornos que experimentan radiación solar significativa y grandes transiciones de temperatura.

Operaciones nocturnas El funcionamiento durante la noche puede incrementar significativamente hasta potencialmente doblar la productividad total. En consecuencia, también se contempla la operación de una biofactoría solar con luz artificial. Se contempla que se pueden usar diversas fuentes de luz artificial, adaptadas a la biofactoría solar, por ejemplo lámparas fluorescentes. Tal biofactoría solar puede aprovechar la energía de la rejilla para poner en marcha procesos biológicos ' durante la noche .

En otra realización, se pueden usar entradas que de otro modo no se usarían durante la noche en ausencia de luz artificial. El dióxido de carbono procedente de una fuente concentrada se puede concentrar y almacenar, preferiblemente como hielo seco, para permitir el enfriamiento así como la distribución de gas libre de condensación. La energía para esto se puede usar preferiblemente de la misma fuente concentrada (por ejemplo, una planta de carbón) pero a tiempos de la noche no picos (por ejemplo, 12-4 de la madrugada) .

En otra realización, el sistema de células puede tener dos elementos biológicos (en la misma célula o en múltiples células), en los que se extrae luz durante el día y se almacena o se deriva de entradas en la noche. Por ejemplo, una célula puede cosechar luz y convertirla en un intermedio durante el día, y la misma célula o diferente puede convertir ese intermedio en un producto final deseable en la noche.

Operaciones durante diferentes estaciones La FIG. 13 indica la carga de calor neto del fotobio-rreactor en función de diferentes estaciones tanto para un termófilo que opera a 65 2C como para un mesófilo que opera a 37 2C. En el caso de una carga neta negativa, se debe aplicar calentamiento suplementario. Se puede capturar aproximadamente 10-20 W m"2 de energía solar como energía química (combus-tibie) , y por lo tanto se requeriría un calor residual a coste esencialmente cero para asegurar un balance energético global positivo. Dada la cantidad de calor residual disponible en una planta de energía, esto limitaría el tamaño potencial de una instalación a menos de 1 acre por MW de capacidad de operación. En el caso de que se requiera enfriamiento (calor neto positivo absorbido) , esto requeriría agua de enfriamiento significativa. Una instalación de 1000 acres con una necesidad de enfriamiento de 100 W irf2 requiere 400 MW de enfriamiento (orden similar a una unidad de planta energética de 600 MW) . Tal necesidad de agua de enfriamiento significativa limitaría la aplicación potencial de la tecnología de fotobiorreactores a gran escala.

En consecuencia, la regulación térmica pasiva obviaría la necesidad, o al menos reduciría, la dependencia de agua y minimizaría la entrada de energía requerida para hacer circu- lar o bombear agua .

La FIG. 12 muestra el calor neto absorbido en un foto-biorreactor a lo largo de un día. Se muestra el dato para la operación durante tiempos diferentes del año. Se muestran temperaturas locales medias para el día y para la noche, indicando la gran variación en las condiciones ambiente en las que opera el reactor. Se indican los flujos caloríficos integrados . El tamaño del medio de almacenamiento temporal requerido para' absorber calor durante el día, que se usa entonces para calentar el reactor durante la noche, se muestra para una planta de 1000 acres. Los valores de calor diarios en exceso son negativos, indicando que incluso después de usar el medio de almacenamiento temporal, se necesita un calentamiento externo de alrededor de 5 a alrededor de 35 W m"2, depen-diendo del día del año y de la temperatura de operación. Dado el calor residual típico disponible de una planta de energía, esto limitaría el tamaño de una instalación a aproximadamente 1 acre por MW de capacidad de la planta de energía, mientras que al menos se pueden soportar 10 acres mediante la emisión de C02 típica al mismo valor de la planta de energía de 1 MW. La optimización de la integración de calor minimiza significativamente el calor y el enfriamiento externos, pero requiere cepas de producción que pueden operar a lo largo de un amplio intervalo de temperaturas y un gran medio de almacena-miento temporal.

Un fotobiorreactor modular y fabricado en masa es el bloque constructor de esta invención. Preferiblemente, el fo-tobiorreactor se diseña para desplegarlo en montajes prefabricados que se pueden instalar fácilmente con un trabajo mí-nimo de experto. La lámina de policarbonato o acrílico (PMMA) extruida de múltiples paredes (multipiel) proporciona el sustrato para la barrera o pantalla radiante y aislante, y tecnología de película delgada reflectante, así como el conducto para el crecimiento de los organismos fotosintéticos . Más preferiblemente, el fotobiorreactor se une (moldeo de múltiples etapas, vibración o soldadura por láser) a un colector patentado y a un mecanismo burbujeador. Todo el montaje se introduce en un sustrato estructural de peso ligero (por ejemplo reforzado con fibra de carbono o de aluminio) y se monta en un inclinador de un solo eje que aloja el motor paso a paso y el mecanismo de controles. El inclinador de un solo eje sirve como un recalce mecánico para múltiples montajes de fotobiorreactores , y se adapta para ajustarse en tiempo real para optimizar la eficiencia fotosintética y regular el som-breado para manejar cargas de calor.

Los montajes de fotobiorreactores espaciados sistemáticamente se combinan para formar un campo modular geométricamente optimizado. El diseño del subcampo optimiza geométricamente el modelo para maximizar la energía solar cosechada y minimizar efectos térmicos indeseados .

Manejo térmico pasivo del fotobiorreactor y tecnología de seguimiento meteorológico La inclinación de los fotobiorreactores se ajusta rápidamente anticipándose a patrones climatológicos previos usando un sistema de control de seguimiento meteorológico local en tiempo real. El sistema utilizará los partes meteorológicos locales del National Weather Service y los patrones me-teorológicos locales recientes para manejar las cargas térmi- cas y las necesidades fotosintéticas del campo del fotobio-rreactor, tal como exposición a la irradiación solar, sombreado, pérdidas radiantes y competitivas, y reflexión de la tierra. El sistema de control de software responde a cambios meteorológicos locales, por ejemplo cubrimiento con nubes y lluvia, velocidades de vientos e intensidad solar, controlando en consecuencia la inclinación del fotobiorreactor . El Sistema de Manejo Térmico Pasivo puede desplazar la planta en modo de conservación, cuando se aproximan condiciones meteo-rológicas indeseables, protegiendo así el cultivo y reduciendo pérdidas energéticas internas. La inclinación del fotobiorreactor puede tener la capacidad para moverse a una posición horizontal, o próxima a la horizontal, reduciendo así pérdidas radiantes y manteniendo el calor de la masa térmica in-terna durante el tiempo frío, y especialmente durante la noche. El calor absorbido y almacenado en el suelo se puede contener en la posición horizontal, o próxima a la horizontal, y puede proporcionar energía pasiva adicional.

El controlador se comunica con un centro de datos cen-tralizado para intercambiar observaciones meteorológicas y recibir instrucciones de manejo térmico. Las instrucciones del controlador son accionadas por la meteorología local en tiempo real. Se usarán registros del manejo térmico históricos para optimizar cálculos futuros.

El sistema de manejo térmico inteligente, centralizado, reducirá o eliminará la necesidad de calentamiento y/o enfriamiento suplementario, reduciendo de ese modo el consumo de energía. El sistema combina estaciones meteorológicas y un motor paso a paso avanzado y tecnología de controles en un diseño céntrico de red. Se comunica con un centro de datos de manejo térmico, en el que se aplica un esquema de inclinación para adecuar la carga de calor y optimizar la eficiencia fo-tosintética a la meteorología local.

La inyección de gas de escape puede proporcionar pro-tección adecuada frente a la congelación, así como calentamiento suplementario si es necesario. Se anticipa que un calentamiento suplementario adicional proporcionado por el gas de escape será mayor de alrededor de 1 W m-2, pero menor de alrededor de 10 W m"2. En cualquier caso, para maximizar la eficiencia del sistema y hacer un uso máximo del manejo térmico pasivo, es deseable limitar cualquier calentamiento y enfriamiento suplementario a menos de alrededor de 10 W m"2, más preferiblemente menos de 5 W m"2, y lo más preferible menos de alrededor de 3 W nf2.

La FIG. 17 es una representación gráfica que, muestra la potencia de ventilador usada para enfriar un reactor ejemplar hasta una temperatura de operación deseada, para dos casos: mesófilo (T deseada ~37 eC) , y termófilo (T deseada ~58 2C) . La gráfica muestra una solución para un invernadero inclinado ejemplar, inclinado a 30 grados, que encara al sur. La computación es para un día de verano (~ mediados de julio) a mediodía solar, suponiendo una insolación solar media. En particular, la gráfica muestra cuánta potencia de ventilador se usa en la configuración ejemplar para enfriar el reactor has-ta una temperatura de operación deseada para dos casos: mesó-filo (T deseada -37 2C) , y termófilo (T deseada -58 2C) . El eje x muestra la diferencia entre la temperatura de operación deseada y la temperatura ambiente. Obsérvese que los casos de mesófilo y termófilo colapsan esencialmente en esta manera de presentar los resultados. A medida que el ambiente se hace más fresco, la "diferencia" se hace más grande, y disminuye la cantidad de energía del ventilador. En este ejemplo, la gráfica indica que en tanto que la temperatura ambiente sea mayor de 10 grados C menor que la temperatura de operación, el sistema funcionará de forma pasiva.

El control de la temperatura de los fotobiorreactores se puede obtener usando aire, preferiblemente aire ambiente. En los sistemas ejemplares, se usa menos de alrededor de 10 /m2 de entrada de energía para obtener el enfriamiento (por ejemplo, para soplar el aire y operar el sistema de control de la temperatura) , y preferiblemente menos de alrededor de 5 W/m2. Por ejemplo, en un sistema para el cual puede ser necesario rechazar del orden de alrededor de 500 W/m2 de calor a mediodía, la energía de entrada es de alrededor de 1% de la carga de calor a rechazar. En una implementación, la energía se puede obtener a partir de un panel solar pV situado cerca del reactor. Los paneles pV producen típicamente alrededor de 130 W/m2. Por ejemplo, si se proporcionan 5 W/m2 de energía mediante el panel pV, el área del panel PV puede ser menor de 4% del área del terreno. En esta implementación, el enfriamiento se puede obtener . a partir de fuentes locales al reactor, minimizando la infraestructura. Un sistema de enfriamiento a base de aire proporciona la ventaja de ser más independiente de la localización.

Medio de cultivo El medio líquido contenido en la cámara del aparato fo-tobiorreactor durante la operación puede comprender agua o una disolución salina (por ejemplo, agua de mar o agua salo- bre) 'mezclada con nutrientes suficientes para facilitar la viabilidad y crecimiento de los organismos que capturan la luz contenidos allí. Dependiendo del organismo, puede ser ventajoso usar un medio líquido que comprende agua salobre, agua de mar, u otro agua no potable obtenida de una localidad en la que se operará el aparato fotobiorreactor y a partir de la cual se deriva o se adapta el organismo contenido allí .

Los organismos se suplementan; en particular, con una o fuentes de nitrógeno. En una realización, la fuente de nitró-geno es una o más de urea, ácido úrico, amoníaco, sales de amonio, nitrato, o uno o más aminoácidos. En ciertas realizaciones, la fuente de nitrógeno es amoníaco. En una realización alternativa, la fuente de nitrógeno se proporciona . a través de la entrada de gas , que puede tomar la forma de uno o más de N2, NO, NOx, entre otros.

Las composiciones del medio líquido particulares, los nutrientes, etc., requeridos o adecuados para uso en el mantenimiento de algas en crecimiento u otro cultivo de organismos que capturan la luz (por ejemplo, medio líquido BG-11, A+) son generalmente bien conocidos en la técnica. Potencial-mente, se puede utilizar una amplia variedad de medios líquidos en diversas formas para diversas realizaciones de la bio-factoría solar, como entenderán los de pericia normal en la técnica. Los componentes del medio líquido y nutrientes apro-piados se discuten, por ejemplo, con detalle en Rogers, LJ. y Gallón J.R. "Biochemistry of the Algae and Cyanobacteria" , Clarendon Press Oxford, 1988; Burlew, John S. "Algal Culture: From Laboratory to Pilot Plant" . Carnegie Institution of Washington Publication 600. Washington, D.C., 1961 (en lo sucesivo "Burlew 1961"); y Round, F.E. The Biology of the Al- gae. St Martin 's Press, Nueva York, 1965; Golden SS et al. (1987) "Genetic engineering of the Cyanobacteria chromosome" Methods Enzymol 153:215-231 y en S. S. Golden y L. A. Sherman, J. Bacteriology 158:36 (1984), incorporado aquí como referencia.

La composición mejorada del medio se describe en los Ejemplos 3, 4 y 5. En diversas realizaciones, la invención proporciona una composición de medio como se expone en el Ejemplo 4. Realizaciones adicionales incluyen una mayor can-tidad de N, P y/o Fe en el medio para el crecimiento mejorado de organismos que capturan la luz .

Durante la operación del aparato fotobiorreactor , el panel 100 se llena con suficiente medio líquido para permitir la circulación del medio líquido (por ejemplo, en una direc-ción) durante la operación. En algunas realizaciones, al menos alguna porción del volumen del panel se deja sin llenar con medio líquido.

Se contempla que es probable que ciertas condiciones, tales como un bajo pH, una cantidad elevada de EtOH o de áci-dos orgánicos en el medio, hagan dañino el entorno del fotobiorreactor para cultivar organismos. pH del medio El pH del medio líquido se puede monitorizar con una sonda de pH. El pH del medio se puede controlar a niveles deseables para un organismo particular ajustando C02 o productos químicos, tales como amoníaco, tris, urea, HEPES, ácido clorhídrico e hidróxido sódico. Preferiblemente, la adición de C02 ácido al fotobiorreactor se controla para igualar la producción de productos para mantener un pH estable en condiciones de crecimiento o de producción balanceadas . La elección de la fuente de nitrógeno en el medio es importante como un medio para proporcionar control del pH. Adicionalmente, la cantidad de evaporación y la adición apropiada de nuevo fluido proporciona otro medio para proporcionar control del pH.

En general, los productos químicos para el mantenimiento del nivel de nutrientes y el control del pH y otros factores se pueden añadir automáticamente de forma directa en la fase líquida dentro del aparato fotobiorreactor, si se desea. El sistema de control por ordenador también se puede configurar para controlar la temperatura de la fase líquida en el aparato fotobiorreactor controlando un sistema de intercambio de calor u otro sistema de control de la temperatura en o co-nectado con el aparato fotobiorreactor, o ambos, o, en realizaciones alternativas, eliminando medio líquido del aparato fotobiorreactor y haciéndolo pasar a través de un intercambiador de calor en, por ejemplo, un baño de agua de temperatura controlada o una vasija de agua.

Densidad óptica La densidad óptica del medio líquido se puede medir a ciertas longitudes de onda apropiadas para el organismo dado. Estas longitudes de onda, que se supone que están relacionadas de forma lineal con la concentración de biomasa, son generalmente bien conocidas en la técnica. La densidad celular se puede calcular usando medidas espectrofotométricas (véase Hiroyasu et al., 1998). Tales lecturas se pueden usar para monitorizar la concentración de organismos para asegurar la actividad celular apropiada asi como signos potenciales de exposiciones a la población celular deseada, tales como condiciones no óptimas del medio, pH alterado, concentraciones elevadas de sustancias tóxicas, así como la presencia de or-ganismos exógenos .

Condiciones de operación y control de la población celular En diversas realizaciones, los organismos manipulados mediante ingeniería se cultivan en la biofactoría solar, sistemas y métodos. En tales realizaciones, a fin de mantener la concentración de organismos dentro del aparato fotobiorreac-tor en un intervalo adecuado para la operación y productividad a largo plazo, se puede cosechar una porción del organis-mo y se puede suplementar al aparato fotobiorreactor con medio libre de organismos, reciente (o medio cosechado previamente que tiene una baja concentración) para ajustar la concentración de organismo en el aparato fotobiorreactor . La concentración puede aumentar exponencialmente con el tiempo (la fase de crecimiento logarítmica), hasta un cierto punto, después de lo cual la concentración tenderá a nivelarse, y disminuirá la proliferación y el crecimiento. En ciertas realizaciones, la concentración dentro del aparato fotobiorreactor se mantiene en un intervalo de operación que está próximo al extremo superior de la concentración en la que el organismo todavía está en un régimen de crecimiento logarítmico. Como entenderán los expertos en la técnica, la curva de crecimiento particular que caracteriza a una especie dada de organismo será diferente de una especie a otra, e incluso dentro de una especie dada de organismo puede ser diferente, depen- diendo de las diferencias en factores de operación y medioambientales, así como con cualesquiera modificaciones genéticas que se puedan haber hecho a través de la inserción de ácidos nucleicos exógenos o a través de un proceso evolutivo (por ejemplo, composición del medio líquido, temperatura de crecimiento, composición de la alimentación gaseosa, etc.).

La cosecha del organismo, el ajuste de la concentración, y la introducción de medio líquido adicional se pueden facilitar vía un medio de entrada y un medio de salida como se describe anteriormente. El control de la concentración de organismo es importante tanto desde el punto de vista del mantenimiento de un nivel deseable de crecimiento y proliferación, así como a la hora de proporcionar niveles deseables de fotomodulación en los conductos . El organismo se puede co-sechar periódicamente o de forma continua, para mantener el intervalo deseado de concentración durante la operación.

Según un método, la cosecha tiene lugar de manera semi-continua, queriendo decir que solo se retira una porción del organismo del aparato fotobiorreactor en un tiempo dado. Para cosechar el organismo, se retira del fotobiorreactor el medio que contiene el organismo, y se deja que sedimente, de manera que la densidad del organismo permitirá que sedimente en el fondo de la cámara, en la que se puede retirar fácilmente el organismo. Adicionalmente, en ciertas realizaciones se pueden usar floculantes, productos químicos que provocan que el organismo se aglomere y sedimente, para ayudar en la cosecha. Algunos floculantes útiles incluyen arcilla (p.ej., con un tamaño de partículas < 2 um) , sulfato de aluminio o poliacri-lamida. Después de sedimentar, el organismo se puede extraer a través del fondo de los canales, o a través de diversas sa- lidas. El agua y los nutrientes contenidos en las células cosechadas se pueden extraer y reciclar al suministro de medio líquido del aparato fotobiorreactor . Esta etapa puede reducir el desecho y el uso de agua del aparato fotobiorreactor y del sistema en conjunto, reduciendo de ese modo el impacto medioambiental y el coste operacional. En ciertos casos, las células se pueden separar del medio usando filtración (p.ej., micro- o ultrafiltración usando membranas poliméricas, de cerámica o metálicas), centrifugación (p.ej., decantador o cen-trifugadora de disco de alta velocidad) o flotación, antes del cosechado. Las células retiradas se pueden procesar entonces por cualquier medio conocido en la técnica, tal como extracción de la membrana celular para la producción de bio-diesel, la sacarificación de restos poliméricos para la pro-ducción de etanol, y la combustión de la biomasa para la generación de energía, entre otros.

En algunas realizaciones, la concentración celular se mantiene constante manteniendo el aparato fotobiorreactor como un quimiostato, en el que el fluido se hace fluir constan-temente y reteniéndolo en un bucle cerrado. Mediante este método, que es bien conocido por los expertos en la técnica, se pueden eliminar fácilmente células muertas o que están muriendo según se procesan por cualquier medio conocido en la técnica .

En ciertas realizaciones, una biofactoría solar se adapta para ser usada con sensores, controladores , controla-dores lógicos programables , y un sistema de control, en red todo junto para el aparato fotobiorreactor . Tales sistemas de control son bien conocidos en la técnica, y se pueden modifi-car o adaptar en consecuencia por un experto.

Los sistemas de biofactoría solar y los métodos se pueden configurar con diversas sondas y monitores para medir la presión del gas de alimentación alimentado en los burbujeado-res (p.ej., uno o más monitores de presión), así como uno o más caudalímetros para medir los caudales de gas, y uno o más caudalímetros para medir el caudal de líquido volumétrico en el aparato fotobiorreactor . Los caudales de gas y líquido se pueden controlar, al menos en parte, para facilitar niveles deseados u óptimos de fotomodulación, induciendo patrones de flujo de líquido deseables en el aparato fotobiorreactor . Otro factor de control que dicta el flujo global de gas alimentado al aparato fotobiorreactor puede ser el nivel deseado de eliminación de contaminantes, tales como CO2 y/o NOx, por el aparato fotobiorreactor . Por ejemplo, el sistema incluye dispositivos de monitorización de la composición gaseosa apropiados, para monitorizar la concentración de diversos gases, tales como C02, NOx, 02, etc., en el gas de alimentación y en el gas tratado. El caudal de entrada de gas y/o distribución a los burbu eadores se pueden ajustar y controlar para producir un nivel deseado de eliminación de contaminantes mediante el sistema de biofactoría solar.

Organismos Diversas realizaciones de sistemas de biofactoría solar y métodos descritos aquí permiten la conversión de luz, agua y dióxido de carbono en biomasa, biocombustibles , intermedios químicos, productos químicos, agentes farmacéuticos y productos químicos producidos biológicamente, en cualesquiera orga-nismos que capturan la luz. Los organismos que capturan la luz incluyen autotrofos, fotótrofos, heterótrofos , y organismos manipulados mediante ingeniería para reducir o eliminar la expresión de un gen endógeno, expresar uno o más genes heterólogos, sobreexpresar uno o más genes endógenos relacio-nados con la fotosíntesis o su metabolismo central.

Las plantas incluyen, pero no se limitan a, los siguientes géneros: Arabidopsis, Beta, Glycine, Jatropha, Mis-canthus, Panicum, Phalaris, Populus, Saccharum, Salix Sim-mondsia, y Zea. Las algas y cianobacterias incluyen, pero no se limitan a, los siguientes géneros: Acánthoceras, Acant-hococcus, Achnanthes, Achnanthidium, Actinastrun?, Actinochlo-ris, Actinocyclus, Actinotaeniu , Aphichrysis, Amphidinium, Amphikrikos, Amphipleura, Amphiprora, Amphithrix, Amphora, Anabaena, Anabaenopsis, Aneumastus, Ankistrodesmus, Ankyra, Anomoeoneis, Apatococcus, Aphanizomenon, Aphanocapsa, Aphano-chaete, Aphanothece, Apiocystis, Apistonema, Arthrodesmus, Artherospira, Ascochloris, Asterionella, Asterococcus, Au-douinella, Aulacoseira, Bacillaria, Balbiania, Bambusina, Bangia, Basichlamys, Batrachospermum, Binuclearia, Bitrichia, Blidingia, Botrdiopsis, Botrydium, Botryococcus, Botryosphae-rella, Brachiomonas, Brachysira, Brachytrichia, Brebissonia, Bulbochaete, Bumilleria, Bumilleriopsis, Caloñéis, Calothrix, Campylodiscus, Capsosiphon, Cartería, Catena, Cavinula, Cen-tritractus, Centronella, Ceratium, Chaetoceros, Chaetochlo-ris, Chaetomorpha, Chaetonella, Chaetonema, Chaetopeltis, Chaetophora, Chaetosphaeridium, Chamaesiphon, Chara, Chara-ciochloris, Characiopsis, Characium, Charales, Chilomonas, Chlainomonas, Chlamydoblepharis, Chlamydocapsa, Chlamydomo-nas, Chlamydomonopsis, Chlamydomyxa, Chlamydonephris, Chlo-rangiella, Chlorangiopsis, Chlorella, Chlorobotrys, Chloro- brachis, Chlorochytrium, Chlorococcum, Chlorogloea, Chlorogo-nium, Chlorolobion , Chloromonas , Chlorophysema , Chlorophyta, Chlorosaccus , Chlorosarcina, Choricystis, Chromophyton, Chro-mulina, Chroococcidiopsis , Chroococcus, Chroodactylon, Chroo-monas, Chroothece, Chrysamoeba, Chrysapsis , Chrysidiastrum, Chrysocapsa, Chrysocapsella, Chrysochaete, Chrysochromulina, Chrysococcus , Chrysocrinus, Chrysolepidomonas , Chrysolykos, Chrysonebula , Chrysophyta, Chrysopyxis , Chrysosaccus , Chry-sophaerella, Chrysos ephanosphaera, Clodophora, Clastidium, Closteriopsis , Closterium, Coccomyxa, Cocconeis , Coelastre-11a, Coelastrum, Coelosphaerium, Coenochloris , Coenococcus, Coenocystis , Colacium, Coleochaete, Collodictyon, Compsogo-nopsis, Compsopogon, Conjugatophyta, Conochaete, Coronastrum, Cosmarium, Cosmioneis, Cosmocladium, Crateriportula, Craticu-la, Crinalium, Crucigenia, Crucigeniella, Cryptoaulax, Cryp-tomonas, Cryptophyta, Ctenophora, Cyanodictyon, Cyanonephron, Cyanophora, Cyanophyta, Cyanothece, Cyanothomonas, Cyclo-nexis, Cyclostephanos , Cyclotella, Cylindrocapsa, Cylindro-cystis, Cylindrospermum, Cylindrotheca, Cymatopleura, Cymbe-11a, Cymbellonitzschia, Cystodinium Dactylococcopsis, Debar-ya, Denticula, Dermatochrysis , Dermocarpa, Dermocarpella, Desmatractum, Desmidium, Desmococcus , Desmonema, Desmosiphon, Diacanthos, Diacronema , Diadesmis, Diatoma, Diatomella, Dice-llula, Dichothrix, Dichotomococcus, Dicranochaete, Dictyoch-loris, Dictyococcus, Dictyosphaerium, Didymocystis , Didymoge-nes, Didymosphenia , Dilabifilum, Dimorphococcus , Dinobryon, Dinococcus , Diplochloris , Diploneis , Diplostauron, Distrione-11a, Docidium, Draparnaldia, Dunaliella, Dysmorphococcus , Ec-ballocystis , Elakatothrix, Ellerbeckia, Encyonema, Entero-morpha, Entociadia, Entomoneis, Entophysalis , Epichrysis, Epipyxis , Epithemia, Eremosphaera , Euastropsis , Euastrum, Eu-capsis, Eucocconeis, Eudorina, Euglena, Euglenophyta, Euno-tia, Eustigmatophyta, Eutreptia, Fallada, Fischerella, Fra-gilaria, Fragilariforma, Franceia, Frustulia, Curcilla, Gemi-nella, Genicularia, Glaucocystis , Glaucophyta , Glenodiniop-sis, Glenodinium, Gloeocapsa, Gloeochaete, Gloeochrysis , Gloeococcus , Gloeocystis, Gloeodendron, Gloeomonas , Gloeo-plax, Gloeothece, Gloeotila, Gloeotrichia, Gloiodictyon, Go-lenkinia, Golenkiniopsis , Gomontia, Gomphocymbella, Gomphone-ma, Gomphosphaeria, Gonatozygon, Gongrosia, Gongrosira, Go-niochloris , Gonium, Gonyostomum, Granulochloris, Granulocys-topsis, Groenbladia, Gymnodinium, Gymnozyga, Gyrosigma, Hae-matococcus, Hafniomonas, Hallassia, Hammatoidea, Hannaea, Hantzschia, Hapalosiphon, Haplotaenium, Haptophyta, Haslea, Hemidinium, Hemitomia, Heribaudiella, Heteromastix, Heteroth-rix, Hibberdia, Hildenbrandia, Hillea, Holopedium, Homoeoth-rix, Hormanthonema , Hormotila, Hyalobrachion, Hyalocardium, Hyalodiscus, Hyalogonium, Hyalotheca, Hydrianum, Hydrococcus, Hydrocoleum, Hydrocoryne, Hydrodictyon, Hydrosera, Hydrurus, Hyella, Hymenomonas, Isthmochloron, Johannesbaptistia, Juran-yiella, Karayevia, Kathablepharis , Katodinivm, Kephyrion, Ke-ratococcus , Kirchneriella, Klebsormidium, Kolbesia, Koliella, Komarekia, Korshikoviella, Kraskella, Lagerhei ia, Lagynion, Lamprothamnium, Lemanea, Lepocinclis, Leptosira, Lobococcus , Lobocystis , Lobomonas, Luticola, Lyngbya, Malleochloris , Ma-llo onas , Mantoniella, Marssoniella , Martyana, Mastigocoleus , Gastogloia, Melosira, Meris opedia, Mesostigma , Mesotaenium, Micractinium, Micrasterias , Microchaete, Microcoleus, Micro-cystis, Microglena, Micromonas, Microspora, Microthamnion, Mischococcus , Monochrysis , Monodus, Monomastix, Monorap- hidium, Monostroma, Mougeotia, Mougeotiopsis , Myochloris, My-romecia, Myxosarcina, Naegeliella, Nannochloris , Nautococcus, Navícula, Neglectella, Neidium, Nephrocla ys , Nephrocytium, Nephrodiella, Nephroselmis , Netrium, Nitella, Nitellopsis , Nitzschia, Nodularia, Nostoc, Ochromonas, Oedogonium, Oligo-ch.aetoph.ora , Onychcnema, Oocardium, ¦ Oocystis, Opephora, Op-hiocytium, Orthoseira , Oscillatoria , Oxyneis, Pachycladella , Palmella, Palmodictyon , Pnadorina, Pannus , Paralia, Pascheri-na, Paulschulzia, Pediastrum, Pedinella, Pedinomonas , Pedino-pera, Pelagodictyon, Penium, Peranema, Peridiniopsis, Peridi-nium, Peronia, Petroneis, Phacotus, Phacus, Phaeaster, Phaeo-dermatium, Phaeophyta, Phaeosphaera , Phaeothamnion, Phormi-dium, Phycopeltis , Phyllariochloris , Phyllocardium, Phyllomi-tas, Pinnularia , Pitophora, Placoneis, Planctonema , Plank-tosphaeria, Planothidium, Plectonema, Pleodorina, Pleuras-trum, Pleurocapsa, Pleurocladia, Pleurodiscus , Pleurosigma, Pleurosira, Pleurotaenium, Pocillomonas, Podohedra, Polyblep-harides, Polychaetophora, Polyedriella, Polyedriopsis , Poly-goniochloris , Polyepidomonas, Polytaenia, Polytoma, Polytome-11a, Porphyridiu , Posteriochromonas, Prasinochloris , Prasi-nocladus , Prasinophyta, Prasiola, Prochlorphyta , Prochloroth-rix, Protoderma, Protosiphon, Provasoliella, Pry nesium, Psam odictyon, Psammothidium, Pseudanabaena, Pseudenoclonium, Psuedocarteria, Pseudochate, Pseudocharacium, Pseudococco-myxa, Pseudodictyosphaerium, Pseudokephyrion, Pseudoncobyrsa, Pseudoquadrigula, Pseudosphaerocystis , Pseudostaurastrum, Pseudostaurosira, Pseudotetrastrum, Ptero onas , Punctastrua-ta, Pyramichlamys , Pyramimonas , Pyrrophyta, Quadrichloris , Quadricoccus , Quadrigula, Radiococcus, Radiofilum, Raphidiop-sis, Raphidocelis , Raphidonema, Raphidophyta , Peimeria, Rhab- doderma, Rhabdomonas, Rhizoclonium, Rhodomonas, Rhodophyta, Rhoicosphenia, Rhopalodia, Rivularia, Rosenvingiella, Rossit-hidium, Roya, Scenedesmus, Scherffelia, Schizochlamydella, Schizochlamys, Schizomeris, Schizothrix, Schroederia, Scolio-neis, Scotiella, Scotiellopsis, Scourfieldia, Scytonema, Se-lenastrum, Selenochloris, Sellaphora, Semiorbis, Siderocelis, Diderocystopsis, Dimonsenia, Siphononema, Sirocladium, Siro-gonium, Skeletonema, Sorastrum, Spermatozopsis, Sphaerello-cystis, Sphaerellopsis, Sphaerodinium, Sphaeroplea, Sphaero-zosma, Spiniferomonas, Spirogyra, Spirotaenia, Spirulina, Spondylomorum, Spondylosium, Sporotetras, Spumella, Stauras-trum, Stauerodesmus, Stauroneis, Staurosira, Staurosirella, Stenopterobia, Stephanocostis, Stephanodiscus, Stephanoporos, Stephanosphaera, Stichococcus, Stichogloea, Stigeoclonium, Stigonema, Stipitococcus, Stokesiella, Strombomonas, Styloch-rysalis, Stylodinium, Styloyxis, Stylosphaeridium, Surirella, Sykidion, Symploca, Synechococcus, Synechocystis, Synedra, Synochromonas, Synura, Tabellaría, Tabularía, Teilingia, Tem-nogametum, Tetmemorus, Tetrachlorella, Tetracyclus, Tetrades-mus, Tetraedriella, Tetraedron, Tetraselmis, Tetraspora, Te-trastrum, Thalassiosira, Thamniochaete, Thorakochloris, Tho-rea, Tolypella, Tolypothrix, Trachelomonas, Trachydiscus, Trebouxia, Trentepholia, Treubaria, Tribonema, Trichodesmium, Trichodiscus, Trochiscia, Tryblionella, Ulothrix, Uroglena, Uronema, Urosolenia, Urospora, Uva, Vacuolaria, Vaucheria, Volvox, Volvulina, Westella, Woloszynskia, Xanthidium, Xanthophyta, Xenococcus, Zygnema, Zygnemopsis, y Zygoni m.

Las bacterias verdes no de azufre incluyen, pero no se limitan a, los siguientes géneros: Chloroflexus, Chlorone a, Oscillochloris, Heliothríx, Herpetosiphon, Roseiflexus, y Thermomicrobium.

Las bacterias verdes de azufre incluyen, pero no se limitan a, los siguientes géneros: Chlorobium, Clathrochloris, y Prosthecochloris .

Las bacterias violeta de azufre incluyen, pero no se limitan a, los siguientes géneros: Allochromatium, Chroma-tium, Halochromatium, Isochromatium, Marichromatium, Rhodovu-lum, Ther ochromatium, Thiocapsa, Thiorhodococcus, y Thiocys-tis.

Las bacterias violeta no de azufre incluyen, pero no se limitan a, los siguientes géneros: Phaeospirillum, Rhodobaca, Rhodobacter, Rhodo icrobium, Rhodopila, Rhodopseudomonas, Rhodothalassium, Rhodospirillum, Rodovíbrio, y Roseospira.

En diversas realizaciones, los organismos manipulados mediante ingeniería se modifican para comprender un ácido nucleico manipulado mediante ingeniería que codifica una · proteína heteróloga que es expresada por la célula manipulada mediante ingeniería, provoca sobreexpresión de una proteína endógena en la célula manipulada mediante ingeniería, provoca disminución de una proteína endógena en la célula manipulada mediante ingeniería, o provoca una eliminación génica en la célula manipulada mediante ingeniería. La selección, modificación y uso de tales organismos en el aparato fotobiorreac-tor y sistemas que se pueden optimizar para el crecimiento en condiciones de operación particulares esperadas dentro del aparato fotobiorreactor se describen con más detalle en las Solicitudes de Patentes Provisionales U.S. Series n.os 60/971.224; 60/987.046; 60/987.058; 60/987.056; 60/987.055; 60/987.054; 60/987.053; 60/987.052; 60/987.051; 60/987.050; 60/987.049; cedidas en común, que se incorporan aquí como re- ferencia .

En ciertas realizaciones, el organismo fotoautotrófico se puede transformar con ADN endógeno, ácidos nucleicos manipulados mediante ingeniería, organismos manipulados mediante ingeniería para disminuir p eliminar la expresión de un gen endógeno, expresar un gen heterólogo, sobreexpresar un gen endógeno relacionado con la fotosíntesis. En diversas realizaciones, los organismos que capturan la luz, manipulados mediante ingeniería, incluyen: Arabidopsis thaliana, Panicum virgatum, Miscanthus giganteus , y Zea mays (plantas) , Botryo-coccus braunii, Chlamydomonas reinhardtii y Dunaliela salina (algas), Synechococcus sp PCC 7002, Synechococcus sp. PCC 7942, Synechocystis sp. PCC 6803, y Thermosynechococcus elon-gatus BP-1 (cianobacterias) , Chlorobium tepidum (bacteria verde de azufre) , Chloroflexus auranticus (bacteria verde no de azufre) , Chromatium tepidum y Chromatium vinosum (bacteria violeta de azufre) , Rhodospirillum rubrum, Rhodobacter capsu-latus, y Rhodopseudo onas palusris (bacteria violeta no de azufre) .

Aún otros organismos, por ejemplo heterótrofos , se pueden manipular mediante ingeniería para conferir propiedades fotoautotróficas . El organismo resultante manipulado mediante ingeniería convertirá luz, agua y dióxido de carbono en bio-masa y productos de interés a base de carbono. Tales organis-mos incluyen, sin limitación, Acetobacter aceti, Acetobacter sp., Bacillus subtilis, Bacillus sp., Clostridium ljungdah-lii, Clostridium thermocellum, Clostridium sp., Escherichia coli, Escherichia sp., Penicillium chrysogenum, Penicillium sp., Pichia pastoris, Pichia sp., Saccharomyces cerevisiae, Saccharomyces sp. , Schizosaccharomyces pombe, Schizosaccharo- myces sp., Pseudomonas fluorescens, Pseudomonas sp., Salmone-11a typhimurium, Salmonella sp., Thermus thermophilus, Ther-mus sp. , Zymomonas mobilis y Zymomonas sp.

Separación de productos y retirada de productos de la fase gaseosa La biofactoría solar está dirigida a permitir que los organismos altamente productivos sean máximamente producti-vos. Un elemento critico para esto es la capacidad para capturar lo que se está obteniendo. Además de la biomasa, se pueden producir numerosos biocombustibles , productos bioquímicos, fármacos, y otros productos. Varios de estos productos, incluyendo, pero sin limitarse a, etanol, butanol, ácido butírico, propano, propanol, y metanol, tienen puntos de ebullición suficientemente bajos de manera que probablemente estarán presentes en la corriente gaseosa a las operaciones dadas a -50 °C. Como tal, la corriente gaseosa representa una forma simplificada para recoger estos productos. Independien-temente de la presencia o ausencia de un reciclaje, la corriente gaseosa contendrá gas efluente de los procesos procedente de su fuente, gas residual procedente de los organismos (por ejemplo, oxígeno), y producto potencialmente gaseoso. Estos componentes se pueden separar mediante métodos bien co-nocidos en la técnica.

Los compuestos tales como etanol se pueden capturar enfriando el gas y recogiendo en el punto apropiado para etanol, similar a como se hace en una destilación fraccionada. Los gases tales como oxígeno se pueden capturar con metales y a través de operaciones de adsorción de cambio de presión.

La eliminación de tales compuestos se puede producir independientemente del aparato que se use. Cualquier reciclaje que se produzca será después de eliminar los compuestos deseados. Los compuestos eliminados pueden ser suficientemen-te puros, o se pueden someter a una purificación adicional antes del uso comercial.

El calor solar da como resultado un enriquecimiento en EtOH en el aire de purga, lo que es adecuado para la captura en el fotobiorreactor , por ejemplo en el colector 140 de re-torno del líquido. Purificación de etanol basado en un esquema de destilación y/o condensación desarrollado en ASPEN y medidas de laboratorio. Se espera que la recuperación del consumo de energía sea comparable a la mejor de las recuperaciones de EtOH convencionales de clase.

De nota particular, la separación de biocombustibles a partir de sus vectores de producción como en plantas tradicionales representa una fuente muy significativa de desembolso de capital. Incorporándola fundamentalmente en el proceso, la biofactoría solar puede reducir significativamente los desembolsos de operación.

Eliminación de producto de la fase líquida Los productos no encontrados en la fase gaseosa se en-contrarán entremezclados en la fase líquida. El propio producto puede ser un sólido (por ejemplo hidrocarburos pesados) o un líquido (por e emplo hidrocarburos del intervalo medio) , pero se puede separar del medio líquido. Puesto que el desarrollo de la cepa daría como resultado un producto segregado, se contempla una simple decantación por gravedad en el foto- biorreactor. La corriente de decantación bruta se bombea a una planta central para pulir sólidos y secar hasta las especificaciones finales del producto.

Al eliminar el producto de interés de la fase l quida, se elimina un cierto volumen de mezcla de células y medio, que entonces se pone a través de un proceso de separación para aislar el producto deseado. Esto se lleva a cabo de forma independiente .del producto. Entonces se separan diferentes productos con diferentes propiedades por medios bien conoci-dos en la técnica. Los sólidos se pueden separar mediante sedimentación, centrifugación y filtración. Las sustancias hidrófilas o de otro modo solubles en agua se recogen mediante técnicas que incluyen, pero no se limitan a, destilación. Las sustancias hidrófobas que incluyen, pero no se limitan a, alcanos, alquenos, alquinos, alcoholes grasos, aldehidos grasos, ácidos grasos, ésteres grasos, ésteres etílicos y otros materiales hidrófobos u orgánicos se pueden separar mediante un sistema bifásico. También se contempla la extracción en fase de vapor de sustancias solubles en agua, para la recupe-ración de sustancias orgánicas a partir de un medio acuoso.

En ciertas realizaciones, los organismos que capturan la luz se hacen crecer en un aparato fotobiorreactor con un suministro continuo de entradas vía un medio de entrada y eliminación continua de producto vía un- medio de salida. Las fermentaciones discontinuas, discontinuas alimentadas, y continuas son habituales y bien conocidas en la técnica, y se pueden encontrar ejemplos en Thomas D. Brock en Biotechnolo-gy: A Textbook of Industrial Microbiology, Segunda Edición (1989) Sinauer Associates, Inc., Sunderland, Mass., o Desh-pande, Mukund V. , Ap l . Biochem. Biotechnol (1992), 36:227.

Usando realizaciones de la biofactoría solar, sistema y métodos, se puede segregar, liberar, retirar o extraer el producto de interés a partir de las células en la biofactoría solar. En una realización, el producto se excreta, segrega o se libera a partir del organismo en el medio para la extracción como se describe anteriormente. En realizaciones en las que el producto final se libera de un organismo, se puede emplear un proceso continuo, por ejemplo fermentaciones discontinuas alimentadas, y fermentaciones continuas. En este enfo-que, un aparato fotobiorreactor con organismos que producen productos deseables se puede ensamblar de muchas maneras .

En una realización, el reactor se opera de forma continua masivamente, con una porción del medio retirada y mantenida en un entorno menos agitado, de manera que se autosepa-rará un producto acuoso con el producto retirado, devolviéndose el resto a la cámara de fermentación. En otra realización, el reactor se opera en modo discontinuo alimentado.

En realizaciones en las que el producto no se separa en una fase acuosa, el medio se elimina, y se emplean técnicas de separación apropiadas (por ejemplo, cromatografía, destilación, etc.). La separación mediante destilación puede ser ventajosa en temperaturas ambiente bajas.

Para procesar la biomasa, se mide la densidad óptima de la biomasa a una densidad óptica (OD730) y se somete a co-rrientes del proceso que resultan de, por ejemplo, el fraccionamiento primario o sacarificación de biomasa lignoceluló-sica, que pueden ser típicamente suspensiones muy complejas que son difíciles de procesar y separar. Tales suspensiones contienen a menudo niveles sustanciales (10-20% p/p) de sóli-dos lignocelulósicos insolubles, así como concentraciones elevadas de azúcares biomásicos solubles (>10-20%) , junto con una variedad de otros componentes solubles (ácidos orgánicos e inorgánicos, aldehidos, compuestos fenólicos, etc.), que están presentes típicamente en menores cantidades. Se usan tecnologías del proceso de separación conocidas, tales como separaciones sólido/líquido (S/L) de tales suspensiones, para las separaciones S/L a granel o primarias, así como para las separaciones S/L secundarias/de pulido. Para recuperar productos y facilitar la bio/catálisis se usan otras técnicas de separación, por ejemplo esquemas de separaciones reactivas que permitirán la combinación in si tu con etapas de bio/catálisis, técnicas para eliminar partículas suspendidas más pequeñas o compuestos de alto peso molecular a partir de licores parcialmente aclarados, y uso de sistemas de separáción por membrana, para la separación y recuperación de componentes específicos (por ejemplo, azúcares específicos o ácidos orgánicos) o clases de componentes (por ejemplo, azúcares mixtos o compuestos fenólicos mixtos) a partir de licores hidrolizados biomásicos aclarados .

Como alternativa, el producto no es segregado por el organismo. En esta realización, se emplea el enfoque de fermentación discontinua alimentada o discontinua. En tales casos, las células se hacen crecer bajo exposición continua a entradas (luz, agua, y dióxido de carbono) como se especifica anteriormente hasta que la cámara de reacción se satura con células y producto. Una porción significativa de todo el cultivo se retira, las células se lisan, y los productos se aislan mediante técnicas de separación apropiadas (por ejemplo, cromatografía, destilación, filtración, centrifugación, ul-trafiltración, microfiltración, etc., o sus combinaciones).

La biomasa obtenida se puede someter a una etapa de lavado, añadiéndose el liquido al sobrenadante de la fermentación separado .

Los productos deseados, tales como moléculas pequeñas, fármacos y productos biológicos, se pueden separar usando técnicas de separación conocidas . Las técnicas de separación ejemplares incluyen electroforesis en gel, incluyendo, pero sin limitarse a, electroforesis capilar y de enfoque isoeléctrico; dielectroforesis; clasificación, incluyendo, pero sin limitarse a, técnicas de clasificación activadas mediante fluorescencia; cromatografía, incluyendo, pero sin limitarse a, HPLC, FPLC, cromatografía de exclusión molecular (filtración en gel) , cromatografía de afinidad, cromatografía de intercambio iónico, cromatografía de interacción hidrófoba, cromatografía de inmunoafinidad, y cromatografía de fase inversa; unión de ligando a receptor, tal como biotina-avidina, biotina-estreptavidina, maltosa-proteína de unión a maltosa (MBP) , calcio-péptido de unión a calcio; unión a diana apta-mérica; hibridación por códigos; y similares. La discusión detallada de técnicas de separación se puede encontrar, entre otros sitios, en Rapley; Sambrook et al.; Sambrook y Russell; Ausbel et al.; Molecular Probes Handbook; Pierce Applications Handbook; Capillary Electrophoresis : Theory and Practice, P. Grossman and J. Colburn, eds . , Academic Press (1992); Wenz y Schroth, Publicación Internacional PCT n.2 WO 01/92579; M. Ladisch, Bioseparations Engineering: Principies, Practice, and Economics, John Wiley & Sons (2001); y Liebler, Introduc-tion to Proteomics, Humana Press (2002).

Un proceso de separación ejemplar proporcionado aquí para productos insolubles en agua es un proceso de separación de dos fases (bifásico) . Este proceso implica fermentar los hospedantes de producción manipulados genéticamente mediante ingeniería en condiciones suficientes para producir un derivado de ácido graso u otro compuesto hidrófobo, permitir que se recoja el derivado en una fase orgánica, y separar la fase orgánica del caldo de fermentación acuoso. Este método se puede poner en práctica tanto en un marco de fermentación discontinua como continua.

La separación bifásica usa la inmiscibilidad relativa de derivados de ácidos grasos para facilitar la separación. Inmiscible se refiere a la incapacidad relativa de un compuesto para disolverse en agua, y se define mediante el coeficiente de reparto de los compuestos. El coeficiente de reparto, P, se define como la concentración en el equilibrio de un compuesto en una fase orgánica (en un sistema bifásico, la fase orgánica es habitualmente la fase formada por el derivado de ácido graso durante el proceso de producción) , sin embargo en algunos ejemplos se puede proporcionar una fase orgánica (tal como una capa de octano, para facilitar la sepa-ración del producto) , dividida entre la concentración en el equilibrio en una fase acuosa (es decir, caldo de fermentación) . Cuando se describe un sistema de dos fases, el P se explica habitualmente en términos de logP. Un compuesto con un logP de 10 se repartiría 10:1 en la fase orgánica, mien-tras que un compuesto de logP de 0,1 se repartiría 10:1 en la fase acuosa. Una persona de pericia normal en la técnica apreciará que eligiendo un caldo de fermentación y la fase orgánica, de tal manera que el derivado de ácido graso que se esté produciendo tenga un valor elevado de logP, el derivado de ácido graso se separará en la fase orgánica, incluso a concentraciones muy bajas en la vasija de fermentación.

Hay esencialmente tres tipos de productos de hidrocarburos: (1) productos de hidrocarburos aromáticos, que tienen al menos un anillo aromático; (2) productos de hidrocarburos saturados, que carecen de dobles, triples enlaces o de enlaces aromáticos; y (3) productos de hidrocarburos insaturados, que tienen uno o más dobles o triples enlaces entre átomos de carbono. Un "producto de hidrocarburo" se puede definir adi-cionalmente como un compuesto químico que consiste en C, H, y opcionalmente O, con una cadena principal de carbono y átomos de hidrógeno y oxígeno unidos a ella. El oxígeno puede estar enlazado de forma sencilla o doble a la cadena principal, y puede estar unido mediante hidrógeno. En el caso de éteres y ásteres, el oxígeno se puede incorporar en la cadena princi-pal, y se puede enlazar mediante dos enlaces sencillos a las cadenas carbonadas . Se puede unir un solo átomo de carbono a uno o más átomos de oxígeno . Los productos de hidrocarburos también pueden incluir los compuestos anteriores unidos a agentes biológicos, incluyendo proteínas, coenzima A y acetil coenzima A. Los productos de hidrocarburos incluyen, pero no se limitan a, hidrocarburos, alcoholes, aldehidos, ácidos carboxílieos , éteres, ésteres, carotenoides, y cetonas .

Los productos de hidrocarburos también incluyen alca-nos, alquenos, alquinos, dienos, isoprenos, alcoholes, alde-hídos, ácidos carboxílicos , tensioactivos , ésteres de ceras, compuestos químicos poliméricos [poliftalato carbonato (PPC) , poliéster carbonato (PEC) , polietileno, polipropileno, po-liestireno, polihidroxialcanoatos (PHAs) , poli-beta-hidroxibutirato (PHB) , polilactida (PLA) , y policaprolactona (PCL) ] , productos químicos monoméricos [propilenglicol , eti- lenglicol, y 1 , 3-propanodiol , etileno, ácido acético, ácido butírico, ácido 3-hidroxipropanoico (3-HPA) , ácido acrílico, y ácido malónico] , y sus combinaciones. En algunas realizaciones, los productos de hidrocarburos son alcanos, alcoho-les, tensioactivos, esteres de ceras, y sus combinaciones. Otros productos de hidrocarburos incluyen ácidos grasos, hidrocarburos unidos a acetil-CoA, hidratos de carbono unidos a acetil-CoA, e intermedios de policetida.

Usando el sistema de biofactoría solar y los métodos, se pueden hacer crecer organismos que recogen la luz para producir productos e intermedios de hidrocarburos a lo largo de un gran intervalo de tamaños. Los alcanos específicos que se pueden producir incluyen, por ejemplo, etano, propano, butano, pentano, hexano, heptano, octano, nonano, decano, unde-cano, dodecano, tridecano, tetradecano, pentadecano, hexade-cano, heptadecano y octadecano. En diversas realizaciones, los productos de hidrocarburos son octano, decano, dodecano, tetradecano y hexadecano. Los precursores de hidrocarburos, tales como alcoholes que se pueden producir incluyen, por ejemplo, etanol, propanol, butanol, pentanol, hexanol, hepta-nol, octanol, nonanol, decanol, undeeanol, dodecanol, tride-canol, tetradecanol, pentadecanol , hexadecanol, heptadecanol, y octadecanol. En realizaciones adicionales, el alcohol se selecciona de etanol, propanol, butanol, pentanol, hexanol, heptanol, octanol, nonanol, y decanol.

Los hidrocarburos se pueden producir adicionalmente como biocombustibles . Un biocombustible es un combustible que deriva de una fuente biológica -organismos que vivían recientemente o sus subproductos metabólicos . Un biocombustible se puede definir, además, como un combustible derivado de un producto metabólico de un organismo vivo. En diversas realizaciones, los biocombustibies producidos incluyen, pero no se limitan a, biodiesel, biocrudo, etanol, petróleo, butanol, y propano .

Los tensioactivos se usan en una variedad de productos, incluyendo detergentes y limpiadores, y también se usan como auxiliares para textiles, cuero y papel, en procesos químicos, en cosmética y fármacos, en la industria alimentaria y en la agricultura. Además, se pueden usar para ayudar en la extracción y aislamiento de petróleos brutos que se encuentran en entornos de difícil acceso o como emulsiones en agua. Hay cuatro tipos de tensioactivos caracterizados por usos variables. Los tensioactivos aniónicos tienen actividad similar a detergentes, y generalmente se usan para aplicaciones de limpieza. Los tensioactivos catiónicos contienen hidrocarburos de cadena larga, y se usan a menudo para tratar proteínas y polímeros sintéticos, o son -componentes de suavizantes de tejidos y acondicionadores de pelo. Los tensioactivos anfoteros también contienen hidrocarburos de cadena larga, y se usan típicamente en champús. Los tensioactivos no iónicos se usan generalmente en productos de limpieza.

Las formas sólidas de carbono incluyen, por ejemplo, carbón, grafito, grafeno, cemento, nanotubos de carbono, negro de humo, diamantes y perlas. Los sólidos de carbono puros pueden comprender materiales tales como carbón y diamante.

Se pueden producir fármacos, incluyendo, por ejemplo, taxol a base de isoprenoides y artemisina, u oseltamivir.

Detección y análisis Generalmente, los productos de interés producidos a partir de la biofactoría solar se pueden analizar mediante cualquiera de los métodos analíticos estándar, tales como cromatografía de gases (GC) , espectrometría de masas (MS) , cromatografía de gases-espectrometría de masas (GCMS) , y cromatografía de líquidos-espectrometría de masas (LCMS) , cromatografía de líquidos de altas prestaciones (HPLC) , electrofo-resis capilar, espectrometría de masas de tiempo de vuelo de ionización por desorción con láser asistida en matriz (MALDI-TOF MS) , resonancia magnética nuclear (RM ) , espectroscopia de infrarrojo cercano (NIR) , viscometría (Knothe, G., R. O. Dunn, y M. O. Bagby. 1997. Biodiesel: The use of vegetable oils and their derivatives as alternative diesel fuels . Am. Chem. Soc. Symp. Series 666: 172— 208), valoración para de-terminar ácidos grasos libres (Komers, K. , F. Skopal, y R. Stloukal. 1997. Determination of the neutralization number for biodiesel fuel production. Fett/Lipid 99(2): 52- 54), métodos enzimáticos (Bailer, J. , y K. de Hueber. 1991. Determination of saponifiable glycerol in wbio-diesel . " Fresenius J. Anal. Chem. 340(3): 186), métodos basados en propiedades físicas, métodos químicos húmedos, etc., que se pueden usar para analizar los niveles, y la identidad del producto producido por los organismos usados en una biofactoría solar.

Producción de combustibles y productos químicos Esta invención, o una versión relacionada subsiguiente, se usarán para producir producto comercial (tal como etanol, alcanos, glucosa, etc.) a partir de diversas cepas de produc-ción microbiológicas . La invención también generará un código y software de control valioso que se puede usar más ampliamente en otros sistemas de producción fototroficos que se dirigen a una variedad de productos de valor añadido que se pueden producir mediante algas, microalgas y cianobacterias . Por lo tanto, la invención es. de amplio valor para cualquier sistema de producción que tenga el objetivo de utilizar la luz solar en un proceso que requiere el manejo de la carga térmica a la vez que imita la necesidad de instalaciones externas de calentamiento y enfriamiento para mantener el con-trol de la temperatura para la viabilidad y comportamiento óptimo.

En diversos aspectos, la invención presenta y fotobio-rreactor capaz de cultivar organismos que capturan la luz hasta una OD730 de alrededor de 14 g/1 DCW. Preferiblemente, el PBR (fotobiorreactor) es capaz de cultivar organismos que capturan la luz hasta una OD730 de alrededor de al menos 2-5 g/1, 5-10 g/1 o 10-20 g/1 DCW.

En otros aspectos, la invención presenta un fotobiorreactor capaz de cultivar organismos que capturan la luz hasta una productividad en DCW de 3,5 g/m2/h.

Realizaciones preferidas incluyen un fotobiorreactor que comprende un sistema pasivo de regulación térmica.

Las referencias citadas aquí explican los conceptos generales de fotobiorreactores y el control asociado de tempe-ratura usando baños de agua, estanques, pulverizadores de agua, control de la temperatura a base de gas de escape, o intercambiadores de calor internos y externos . Ninguna sugiere el control térmico pasivo como una estrategia para regular las condiciones de crecimiento del fotótrofo, de manera que se optimicen las condiciones tanto de día como de noche. El calentamiento y el enfriamiento pasivos se usa en situaciones muy estacionarias, tales como un edificio que usa una variedad de características adaptativas (véase, por ejemplo, "Pas-sive Solar Heating and Cooling" en el sitio web del Arizona Solar Center http://www.azsolarcenter.com/technology/pas-3.html). El seguimiento solar ajustable también se usa en la industria de concentración térmica solar para seguir y enfocar la luz solar hacia un punto central para capturar energía térmica a una temperatura adecuadamente elevada para generar energía o dividir el agua térmicamente para la generación de hidrógeno (véase, por ejemplo, el sitio web de eSolar en http://www.esolar.com). Ninguno de los sistemas usados en la técnica sugiere que sería posible regular las condiciones de cultivo en un reactor usando microorganismos ajustando la orientación en una base en tiempo real. Una referencia sugiere que ajustando el ángulo de inclinación de un reactor de placa plana dos o cuatro veces al año se puede mejorar la productividad optimizando el régimen de luz en el réactor, cuando se compara con el uso de un ángulo de inclinación fi-jo. Comparada con un ángulo de inclinación fijo a lo largo del año, la productividad se mejoró en aproximadamente 7% ajustando el ángulo de inclinación dos veces, y en casi 15% cuando se ajusta el ángulo de inclinación cuatro veces (Hu, Q. , Faiman, D. y Richmond, A. "Optimal tilt angles of enclo-sed reactors for growing photoautotrophic microorganisms out-doors" Journal of Fermentation and Bioengineering (1997) 85:230-236). La misma referencia proporciona un dibujo- de diseño que usa un termostato y una tubería de suministro de agua de refrigeración y rociadores para controlar la tempera-tura. La referencia enseña igualmente frente al uso de con- trol pasivo. Es una nueva característica el hecho de integrar un sistema pasivo de control térmico para controlar las condiciones de crecimiento para al menos reducir, pero más preferiblemente eliminar, esencialmente toda instalación externa de enfriamiento y calentamiento, resolviendo así uno de los grandes impedimentos para cultivar de forma efectiva fotoau-tótrofos en reactores cerrados.

Los siguientes ejemplos son ilustrativos y no son limitantes de las presentes enseñanzas .

EJEMPLO 1 Lo siguiente ilustra un fotobiorreactor ejemplar, un prototipo desarrollado para estudiar la mecánica de fluidos y de gases, la transferencia de masas y las características del crecimiento celular. Se cortó una lámina de policarbonato de múltiples paredes Sunlite® SLT (FarmTek) a una dimensión particular. Cada partición midió alrededor de 10 mm x 10 mm. La lámina se cubrió horizontalmente en la parte superior y en la parte inferior usando tubos acrílicos (McMaster) . Se ensambló un tubo burbujeador separado cerca de la cobertura inferior. En e centro de cada partición vertical, se taladró un orificio. El tubo burbujeador también se taladró, después se pegaron juntos en la interfaz entre el tubo y la cámara del foto-biorreactor hasta que se selló herméticamente.

Se conectó un intercambiador de calor al montaje de fo-tobiorreactor , y se usó una bomba centrífuga de 1/10 CV para hacer circular el fluido en el fotobiorreactor . El caudal se controló mediante una válvula de globo de media pulgada. El intercambiador de calor se conectó a una unidad calentadora/refrigeradora circulante, para mantener la temperatura constante a 37 aC. Para bombear el medio al fotobiorreactor, se usó una válvula peristáltica (Colé Palmer) con un filtro de 0,2 µ. En el montaje del reactor se instaló una sonda de pH y de D.O. (Neponset Controls) para monitorizar la OD, el pH y la temperatura. El pH se controló con CO2, Y su caudal al fotobiorreactor se controló mediante el uso de una válvula solenoide y software LabVlEW. Se suministró aire a partir de un compresor de aire. También se instaló un condensador en la salida de gases, para controlar la pérdida de evaporación del biorreactor .

La configuración del biorreactor también incluyó una iluminación fluorescente de rendimiento superalto, instalada en cualquier parte 2-8 pulgadas por encima del montaje del biorreactor. El banco de luces tubo ocho bombillas T-5 de 54 vatios, de 48" de longitud. Seis de las bombillas instaladas eran blancas frías de 6.500 k, y las otras dos bombillas eran blancas calientes de 300 k; cada una con un rendimiento en lumen de 5.000 por bombilla. La lámina Mylar® se colocó bajo el montaje. El montaje de biorreactor se inclinó un ángulo de 30 grados.

El montaje de fotobiorreactor propuesto anteriormente se construyó y se ensayó en condiciones de campo reales . Se propone construir una "caja de arena", que puede usar diferentes cubiertas de tierra (optimizando la absorción de calor, la reflexión difusa y el almacenamiento de calor para el calentamiento pasivo durante la noche o durante periodos fríos), e instalar suficientes fotobiorreactores en este espacio de manera que se eliminen los efectos de los bordes. Estos fotobiorreactores se pueden equipar entonces con una inclinación simple manualmente ajustable para confirmar que los re-vestimientos y tratamientos de superficie pretendidos, combi- nados con el control de la inclinación, se pueden usar de hecho para controlar de forma efectiva la temperatura con calentamiento y enfriamiento externos mínimos .

La lámina de policarbonato PALRAM de múltiples paredes de 4' x 8' se adquirió en línea de FarmTek (www.farmtek.com; 1440 Field of Dreams Way( Dyersville, IA 52040) .

La lámina de doble capa de 8 mm DEGLAS IMPACT, de color claro 0119: 47,25" de ancho x 8 ' de largo, y la lámina de doble capa de 16 mm DEGLAS IMPACT, color claro 0119: 47,25" de ancho x 8 ' de largo acrílica se adquirió de Evonik Cyro Cana-da, Inc. (www.evonik.com; 180 Attwell Drive, Suite 101, To-ronto, ON, M9W 6A9) .

Las muestras de láminas Makrolon multi UV 2/10-10.5, Makrolon multi UV 3/16-16, Makrolon multi UV 3X/16-25 se re-cibieron de Sheffield Plastics Inc., una Bayer Material-Science Company (www.sheffieldplastics.com; www.bayerimsa.com;www.bayersheeteurope.com; 119 Salisbury Road, Sheffield, MA 01257)..

Diferentes tamaños de tubería acrílica se adquirieron en línea de McMaster-Carr (www.mcmaster.com; 200 New Cantón Way Robbinsville, NJ 08691-2343).

Las bombas, el intercambiador de calor y las sondas se adquirieron de proveedores de equipos estándar (es decir, VWR, Colé Parmer, Fisher) .

La lámina reflectante Mylar de International Plastics Inc., 3052 NE Harrison St., Issaquah, WA 98029.

EJEMPLO 2 Impacto del mezclamiento : burbujas de aire frente a bomba de líquidos fotobiorreactor se mantuvo a una temperatura cons-de 37 2C.

Burbujas de aire Flujo de burbujas de aire Flujo de burbujas de aire Ángulo de 10 Ángulo de 30 inclinación inclinación (grados) (grados ) Entrada de Tiempo de Entrada de Tiempo de energía de ciclo de energía de ciclo de luz-mezclamiento luz- mezclamiento oscuridad (W/m2) oscuridad (W/m2) (ms) (ms) 1,6 220 2,7 200 2,4 200 4,0 180 3,1 180 5,3 160 3,9 160 6,6 140 4,7 150. 7,9 130 5,4 140 9,1 120 6,2 140 10,4 110 Bomba de líquidos Bomba de líquido Bomba de líquido Ángulo de 10 Ángulo de 30 inclinación inclinación (grados) (grados) Entrada de Tiempo de Entrada de Tiempo de energía de ciclo de energía de ciclo de luz- mezclamiento luz- mezclamiento oscuridad (W/m2) oscuridad (W/m2) (ms) (ms) 12 1290 15 1300 31 940 36 960 56 780 63 800 86 680 96 700 120 610 133 630 158 560 175 580 200 520 220 540 EJEMPLO 3 Estudio y optimización de los medios Se llevaron a cabo una serie de estudios para determinar los tipos y cantidades de nutrientes requeridos en un medio para permitir que Synechococcus sp. PCC 7002 alcance una concentración de al menos 10 g/1 de peso seco dé células (DCW) . El medio A+ publicado previamente no se estudió ampliamente, y la cantidad de crecimiento celular que podría soportar fue desconocida. El siguiente Tabla se proporcionan los contenidos del medio A+: Ingrediente Cantidad por Unidades Comentarios litro NaCl 18 g 1,8% NaCl; compárese con agua marina Se llevaron a cabo estudios para realizar modificaciones al medio A+, inoculándolo con Synechococcus sp. PCC 7002 y siguiendo después la densidad óptica frente al tiempo de cultivo en matraces. Entonces se comparó el crecimiento provocado por los cambios en cualquier variable. En algunos casos, también se determinó el DCW. Este dato se usó entonces para construir un medio optimizado que pudiese soportar el crecimiento hasta al menos 15 g/1 DCW.

Como el punto de partida inicial para los estudios de los medios, se usó A+ . Después de que se descubrió una mejora, se realizarían estudios sobre el medio mejorado. Las mejoras en el medio se midieron mediante el crecimiento que se soportó. En cada estudio se usó medio recientemente prepara-do. Esto ayudó a evitar un precipitado que se observa a menudo en el medio durante el almacenamiento. El inoculo usado para cada experimento se obtuvo inoculando una única colonia de Synechococcus sp. PCC 7002 en un tubo de burbu s, y haciendo crecer durante varios días. Las muestras procedentes del tubo de burbujas se inoculó entonces en matraces de 125 mi, con 10 mi de cada tipo de medio. Entonces se midió la densidad óptica de partida de cada matraz, y el peso del matraz con el cultivo en él. Todos los matraces se colocaron en agitadores Infors a 150 rpm, 37 2C y 2,0% de C02.

Las pérdidas mediante evaporación se corrigieron diariamente añadiendo agua MilliQ esterilizada a través de filtro. La cantidad de agua añadida se determinó mediante el cambio de peso que se produjo cada día. Después de corregir por la evaporación y de mezclar a conciencia agitando cada matraz, se retiraron 100 µ? del cultivo. La muestra se diluyó entonces, y se tomaron medidas de la densidad óptica (OD) en un SpectraMax a una longitud de onda de 730 nm. Se realizaron diluciones para lograr una OD en el intervalo de 0,04-0,40, puesto que este es el intervalo que se piensa que tiene la mejor exactitud en la medida. Se realizan diluciones hasta el intervalo deseado, y se puede obtener una conversión aproximada en Peso Seco de Células (DCW en g/1) dividiendo la OD entre 3,0. Entonces se representó gráficamente el crecimiento en la forma de OD a lo largo del tiempo, y se comparó para ver cómo cada cambio en la variable afectó al crecimiento.

Estudio de selección del antiespumante Se añadieron cuatro tipos de antiespumante a los matraces, a una concentración de 200 µ?/?. Estas muestras se hicieron crecer entonces toda la noche, y se compararon las velocidades de crecimiento. Entonces se hicieron fotos de microscopio para determinar qué efecto, si lo hay, tuvieron los diversos antiespumantes sobre una cianobacteria . En la Tabla 1 se pueden ver los resultados para el Estudio de Selección del Antiespumante.

Tabla 1. Efecto de diversos antiespumantes: densidad óptica frente a tiempo del cultivo Como antiespumante óptimo, se seleccionó Suppressor 3965. Esto fue debido a su menor tiempo para doblar la cantidad, y a que MCA 222 puede parecer ligeramente menos sano bajo el microscopio cuando se compara con A+ y Suppressor 3965.

La Tabla 2 muestra los resultados para el ensayo de PO4/EDTA. Este estudio varió la concentración de KH2P04 en el medio, y también se investigó el efecto de la eliminación de EDTA. Se registró y se comparó la densidad óptica frente al tiempo del cultivo.

Tabla 2. Efecto de concentraciones variables de KH2P04 y EDTA: densidad óptica frente al tiempo del cultivo.

Los datos mostrados en la tabla y en la Tabla 2 sugieren que EDTA puede ser un componente esencial del medio, y gue no se debería de eliminar. El incremento de los niveles de fosfato no tuvo ningún efecto evidente sobre el crecimiento celular. La curva de crecimiento muestra una limitación de nutrientes en un tiempo del cultivo de 100 horas . Esto implicó gue las células estaban agotándose de otro nutriente esencial antes de que se les acabara el fosfato. Véase FIG. 18.

Ensayo de fuente de hierro Se hicieron crecer cultivos con diferéntes fuentes de hierro. Las fuentes usadas fueron: cloruro férrico (fuente de hierro A+), citrato férrico y sulfato ferroso. La Tabla 3 muestra los datos para las diversas fuentes de hierro.

Tabla 3. Efecto de fuentes de hierro variables sobre el crecimiento celular: densidad óptica frente al tiempo del culti- o .

En la FIG. 19 se puede observar una gráfica de este dato.

Las fuentes de hierro de citrato férrico y sulfato ferroso mostraron ambas un impacto positivo similar sobre el crecimiento cuando se comparan con FeCl3. Se tomó la decisión de cambiar a citrato férrico como fuente de hierro, debido a que se comportó mucho mejor que el FeCl3, y, a diferencia de FeSOa, contenía un agente quelante. Este estudio y el estudio de EDTA muestra claramente el beneficio, de los quelantes en el medio.

El medio con 2X de nitrógeno, hierro y fosfato (JB 2.0) mostró una mejora significativa en el crecimiento, cuando se compara con A+ . La comparación simplemente de la media de JB 2.0 con la media de A+ dio como resultado los datos mostrados en la Tabla 4. (El protocolo de los medios para JB 2.0 se muestra en el Ejemplo 4) .

Tabla 4. JB 2.0 comparado con A+ : densidad óptica frente al tiempo del cultivo.

Tiempo del a+ A+ A+ media JB 2.0 JB 2.0 JB 2.0 cultivo media 0 0, 127 0,126 0,1265 0,133 0, 125 0,129 21, 5 2,36 1,96 2, 16 2,24 2,22 2,23 70 10,28 10, 6 10,44 11, 56 10,56 11, 06 92,5 12,24 12, 12 12,18 15,72 13,64 14, 68 118, 5 13,44 13, 12 13, 28 19, 68 17,76 18,72 139 13,76 13,44 13,6 21, 68 19,84 20,76 166 13, 68 13,44 13, 56 24,16 22,24 23,2 188 13, 6 13, 84 13,72 24, 64 23,68 24, 16 A+ tuvo un descenso significativo en la velocidad de crecimiento alrededor de la hora 100, mientras que JB 2.0 continuó el crecimiento sin impedimento hasta la hora 139. Esto se puede atribuir a una limitación de nutrientes que se desarrolló eventualmente en el medio A+, que no ocurrió en el medio JB 2.0 con 2X de nitrógeno, fosfato y hierro (FI6. 20) .

Las tres variables de nitrógeno, fosfato y hierro se identificaron como las fuentes clave de los nutrientes que se agotaron primero en el medio.

Pesos Secos de Células de NPFe El medio con 2X de nitrógeno, fosfato, y hierro creció hasta alrededor de una OD de 25 antes de que alcanzara la li- mitación de nutrientes. Se hizo clorótico en ese punto, y paró de crecer. Las cantidades 4X y 6X continuaron hasta una OD de 40. Esto fue la base para el protocolo del medio JB 2.1, que tiene las concentraciones de nitrógeno, fosfato y hierro a 4X (FIG. 21) .

EJEMPLO 4 Composición mejorada del medio La siguiente tabla enumera el procedimiento para crear un litro de medio de cultivo.

CuS04 - 5H20 0, 0030 249,69 0, 012 uM Sigma Al- drich CoCl2 - 6H20 0, 012 237,93 0, 051 uM Sigma La vitamina Bi2 se debería de almacenar en la oscuridad a 4 aC. Todos los otros lotes de líquidos se deberían almacenar de forma no estéril a temperatura ambiente. Pésense 18,0 gramos¦ de NaCl en un barquito de pesada de plástico, y viértanse en un cilindro graduado de 2 litros. Usando un barquito de pesada de plástico separado, pésense 600 mg de KCl, y añádanse al cilindro de 2 1. Añádanse 4 gramos de NaN03 al cilindro. Añádase la mitad del volumen final deseado de illiQ H20, 500 mi para un lote de 1 litro. Coloqúese el cilindro en una placa de agitación, añádase un agitador magnético, y agítese bien. Déjese que el medio se mezcle durante la adición de los componentes a continuación. A partir de una disolución madre obtenida previamente de 500 g/1 de MgSC 7H20, añádanse 10 mi al medio. A partir de una disolución madre obtenida previamente de 50 g/1 de KH2PO4, añádanse 4 mi al medio. A partir de una disolución madre filtrada de 17,76 g/1 de CaCl2, añádanse 15 mi al medio. La necesidad del CaCl2 filtrado es para ayudar a evitar la precipitación durante el almacenamiento. A partir de una disolución madre de 3 g/1 de NaEDTAtetra/ añádanse 10 mi al medio. A partir de una disolución madre de 3,52 g/1 de citrato férrico (en HC1 0,1 N) , añádanse 4 mi al medio. A partir de la disolución de 1 M de Tris (pH 8,2), añádanse 8,25 mi. Añádanse 1 mi de metales Pl al medio. Los componentes de la disolución de metales Pl se pueden observar más abajo. Añádase 1 mi de 4 mg/1 de vitamina B12 al medio. Después de que todos los componentes anteriores se hayan añadido y mezclado, complétese el volumen con MilliQ H20 en el cilindro hasta la marca de 1 litro. Después de la adición, déjese mezclar al medio durante un minuto. Esterilícese el medio mediante filtración usando un filtro de tamaño de poros de 0,22 um, en una botella de 1 litro sometida a autoclave. Se debería usar una técnica estéril. Manténgase el pH del medio en 7,9-8,0. Un pH mayor de 8,0 puede provocar precipitación .

EJEMPLO 5 Cultivo de Synechococcus sp. PCC 7002 en composición mejorada de medio Se inoculó Synechococcus sp. PCC 7002 (ATCC) en medio JB 2.1 más 1 g/1 de ácido cítrico en un aparato fotobiorreac-tor bajo iluminación continua, y se burbujeó con aire que contiene 1% de C02 en el aparato fotobiorreactor , y se moni-torizó para determinar el crecimiento.

Detalles del reactor: caudal ~1 WM ("40" en rotóme-tro), aire @ 25 psig, C02 @ 30 psig.

CFP #3 Tiempo del OD PH g/1 DCW ? tiempo Velocidad de Tiempo cultivo crecimiento para do¬ (h) blar la cantidad 0, 00 - 1,75 0,271 8,0 1,7 5,50 0,433 7,8 3,8 0, 125 6 19, 50 3,95 7,8 14, 0 0,158 4 23, 50 5, 66 7,8 4,0 0, 090 8 42, 50 13,30 7,8 19, 0 0,045 15 73, 00 21, 84 7,9 30,5 0, 016 43 91, 50 27,30 7,9 10, 9 18, 5 0,012 57 116, 50 32,30 7,8 12, 3 25, 0 0, 007 139, 50 33,20 7,8 11, 70 CFP#2 El resultado del experimento produjo alrededor de 10 g/1 (DCW) de Synechococcus.

EJEMPLO 6 - Cultivo de Synechococcus sp. PCC 7002 modificado genéticamente Construcción de pJB5 Se diseñó un plásmido base pJB5 como un vector de expresión vacío para la recombinación en Synechococcus sp. PCC 7002. Se diseñaron dos regiones de homología, la región de homología en dirección 5' (UHR) y la región de homología en dirección 3' (DHR) , para flanquear el constructo. Estas regiones de homología de 500 pb corresponden a las posiciones 3301-3800 y 3801-4300 (Genbank Accession NC_005025) para la UHR y DHR, respectivamente. Se diseñó el promotor, la secuencia génica, y el terminador de aadA para conferir al cons-tructo integrado resistencia a espectinomicina y estreptomicina. Para la expresión, pJB5 se diseñó con un promotor del cásete de resistencia a canamicina aph2 y sitio de unión a ribosoma (RBS) . En dirección 3' de este promotor y RBS, se diseñaron y se insertaron sitios de reconocimiento de endonu-cleasas de restricción para Ndel y EcoRI, así como los sitios para Xhol, Ba Hl, Spel y Pací. Tras el sitio de EcoRI se in-cluyó el terminador del gen de piruvato descarboxilasa de Zy-momonas mobilis (pdc) . Los sitios de restricción de Xbal flanquean la UHR y la DHR, permitiendo la escisión c¾el ADN destinado para la recombinación a partir del resto del vector. pJB5 se construyó mediante DNA2.0 (Menlo Park, CA) .

El constructo del gen de interés de pJB5 se clonó en Synechococcus sp. PCC 7002 usando el siguiente protocolo. Se hizo crecer Synechococcus 7002 durante 48 horas a partir de colonias en un matraz agitador incubado a 30 aC a 1% de C02 hasta una OD73o de 1 en medio optimizado descrito en Frigaard NU et al. (2004) "Gene inactivation in the cyanobacterium Synechococcus sp. PCC 7002 and the green sulfur bacterium Chlorobiu tepidum using in vitro-made DNA constructs and natural transformation" Methods Mol Biol 274:325-340. Se añadieron 500 µ? de cultivo a un tubo de ensayo con 30 µ? de 1-5 µ? de ADN preparado a partir de un kit de Qiagen Qiaprep Spin Miniprep Kit (Valencia, CA) para cada vector. Las células se incubaron con burbujeo de 1% de CO2 a aproximadamente 1 wm (volumen de gas por volumen de líquido por minuto) , durante 4 horas. Se cultivaron en placas 200 µ? de células en placas de medio optimizado, con 1,5% de agarosa, y se hicieron crecer a 30 aC durante dos días con una luz baja. Se añadieron 10 µg/ml de espectinomicina basado en el volumen de agar de placa total, como una disolución concentrada por debajo del agar en cada plato. Las colonias resistentes son visibles en 7-10 días. Véase el documento WO 2009/111513 para más detalles de la manipulación mediante ingeniería y cultivo de microorganismos .

El Synechococcus sp. PCC 7002 genéticamente modificado se inoculó en el medio mejorado bajo iluminación continua, y se burbujeó con aire que contiene 1% de C02 en el aparato fo-tobiorreactor de la invención, y se monitorizó para determinar el crecimiento .

A continuación se presenta una tabla de Synechococcus sp. PCC 7002 cultivado en un fotobiorreactor de la invención.

EJEMPLO 7 Modelo de productividad de etanol Para calcular la productividad, se hicieron las siguientes suposiciones: radiación: la fracción de la radiación fotosintética- mente activa (PAR) de la radiación solar total ~ 47%, PAR media histórica en el suelo basado en conjuntos de datos de NREL 1991-2005, supone características de radiación futuras que serán consistentes con los valores históricos; producción: la tasa de producción es lineal con la intensidad de la radiación, la utilización fotónica bien documentada es de 8 fotones/C02 fijo en la biomasa (Pirt, SJ 1983, Biotechnol Bioeng, 25: 1915- 1922), 85% de PAR que llega al sistema del fotobiorreactor entra en el cultivo, 85% de fotones de PAR que entran en el fotobiorreactor están disponibles para la conversión, 15% de pérdida a la fotoinhibición y radiación cuando el cultivo no está a una temperatura de operación, estimado de 3 días de crecimiento de cultivo seguido de 8 semanas de producción; producción en línea del 95%, estimado 5% de energía fotosintética dedicada al mantenimiento celular (Pirt SJ 1965 Proc Roy Soc 163: 224-231).

El método para calcular la productividad de etanol se basa en la concentración de etanol en el cultivo y .la velocidad de separación: la concentración de etanol en el cultivo del biorreac-tor es una función de dos cantidades : (a) la velocidad de producción (kp) : la velocidad de producción es la velocidad de incremento de la concentración de etanol en el líquido con el tiempo, es de- cir: ¿¿[Etanol ] _ , át p (b) la velocidad o velocidades de separación: debido a la volatilidad del etanol, abandonará continuamente el líquido en forma de vapor. La velocidad a la que abandona el reactor es una función de la concentración de etanol en el líquido y una variedad de otros factores tales como temperatura, caudal de aire, etc.

Para nuestros fines, todos los otros factores se man- tienen fijos, y por tanto se cree que la velocidad de la pérdida de etanol depende solamente de la concentración de líquido, es decir: ¿lEtanol] ~ -s [Etanol] dt Combinando las dos ecuaciones, se puede escribir: kp - s[ Etanol ] Obsérvese que en la ecuación anterior, la velocidad de producción kp es independiente del tiempo, lo que es claramente falso. En realidad, dependería del tiempo vía la densidad del cultivo y el régimen de luz. Sin embargo, en tanto que se trata la velocidad de producción kp como una velocidad de producción media entre medidas, la relación es válida.

La ecuación es una ecuación de primer orden básica, y se puede resolver fácilmente para obtener: Obsérvese que esto da una velocidad de producción que está en términos de la concentración de etanol por unidad de tiempo para la intensidad de luz incidente a la que se lleva a cabo el experimento. Esto se ha de multiplicar por el volumen del reactor para obtener la velocidad de producción en términos de gramos de etanol por unidad de tiempo. Las unidades se pueden convertir entonces en unidades de tiempo adecuadas, tal como día en lugar de hora. Por ejemplo, en nuestro caso, se define la velocidad de separación en unidades de hA(-l) , y nuestro reactor de velocidad V cubre un área de 0,5 mA2. Por lo tanto, nuestra velocidad de producción (en gramos por metro cuadrado por día) está dada por 2 kp V * 24 a la intensidad de luz incidente a la que se lleva a cabo el experimento..

Aunque esta invención se ha mostrado y descrito particularmente con referencias a realizaciones ejemplares de la misma, los expertos en la técnica entenderán que se pueden realizar aquí diversos cambios en la forma y detalles sin separarse del alcance de la invención englobada por las reivindicaciones anejas.

Se hace constar que con relación a esta fecha, · el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims (46)

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindi-caciones:

1.- Un montaje de fotobiorreactor que comprende: una estructura del reactor una estructura de invernadero configurada para pro- porcionar un entorno de invernadero para la estructura del reactor, estando separadas la estructura del reactor y la estructura de invernadero entre sí para proporcionar control de la temperatura del fotobio- rreactor .

2. - El montaje de fotobiorreactor de la reivindicación 1, en el que la estructura del reactor comprende dos reactores separados entre sí y la estructura de invernadero comprende un elemento de techumbre difusor dispuesto entre los reactores.

3. - El montaje de fotobiorreactor de la reivindicación 2, en el que al menos una parte de una superficie de cada reactor es al menos translúcida.

4. - El montaje de fotobiorreactor de la reivindica-ción 2, en el que el elemento de techumbre difusor difunde la luz para iluminar los reactores separados entre sí.

5. - El montaje de fotobiorreactor de la reivindicación 1, en el que la estructura del reactor comprende un reactor, y la estructura de invernadero comprende al menos dos láminas separadas entre sí, con el reactor colocado entre ellas.

6.- El montaje de fotobiorreactor de la reivindicación 5, en el que al menos una parte de una superficie del reactor es al menos translúcida.

7.- El montaje de fotobiorreactor de la reivindicación 5, en el que las láminas difunden la luz para iluminar el reactor.

8. - El montaje de fotobiorreactor de la reivindicación 5, en el que al menos una lámina incluye un material de apantallamiento de la radiación.

9. - El montaje de fotobiorreactor de la reivindicación 1, en el que el control de la temperatura se mantiene a 10 SC de la temperatura ambiente.

10. - El montaje de fotobiorreactor de la reivindica-ción 1, en el que el control de la temperatura se mantiene a 5 aC de la temperatura ambiente.

11. - El montaje de fotobiorreactor de la reivindicación 1, que comprende además un medio de chimenea para permitir el uso de aire a temperatura ambiente para el control de la temperatura.

12. - En un fotobiorreactor, la mejora de proporcionar un medio de chimenea para emplear aire a temperatura ambiente para proporcionar control de la temperatura del fotobiorreactor .

13.- Un método para producir combustibles o productos químicos, que comprende: (a) emplear un fotobiorreactor, que comprende además: un reactor, en el que al menos parte de una su- perficie del reactor es al menos translúcida un sistema pasivo de regulación térmica adaptado para comprender un medio para reducir las necesidades de al menos uno de los siguientes:' enfriamiento, calentamiento, o una combinación de es- tos, para el fotobiorreactor ; (b) introducir en el reactor del fotobiorreactor al menos un organismo seleccionado de un mesófilo, un termófilo, o una combinación de estos; (c) cultivar el organismo en el reactor del fotobio- rreactor, mediante el cual los organismos utilizan luz y CO2 para producir los combustibles o productos químicos; y (d) retirar los combustibles o productos químicos del fotobiorreactor .

14. - El método de la reivindicación 13, que comprende además producir los combustibles o productos químicos con una productividad de área de al menos alrededor de 0,4 g/m /h.

15. - El método de la reivindicación 13, que comprende además emplear un montaje que comprende un sistema de control adaptativo en tiempo real para mantener la productividad óptima .

16. - El método de la reivindicación 13, en el que el organismo es recombinante o transgénico .

17.-' Un montaje de fotobiorreactor , que comprende: un reactor, en el que al menos parte de una superficie del reactor es al menos translúcida; y un sistema pasivo de regulación térmica adaptado para comprender un medio para reducir al menos las necesidades de al menos uno de los siguientes: enfriamiento, calentamiento, o una combinación de estos, para el fotobiorreactor .

18.- El montaje de fotobiorreactor de la reivindicación 17, en el que el medio para reducir el enfriamiento incluye una cantidad mínima de uso de agua.

19.- El montaje de fotobiorreactor de la reivindicación 17, en el que el sistema pasivo de regulación térmica regula la temperatura del fotobiorreactor entre alrededor de 25 SC y alrededor de 60 aC.

20. - El montaje de fotobiorreactor de la reivindícación 17, en el que el sistema pasivo de regulación térmica maneja la radiación solar incidente.

21. - El montaje de fotobiorreactor de la reivindicación 17, que comprende además un revestimiento de la superficie.

22.- El montaje de fotobiorreactor de la reivindicación 21, en el que el revestimiento de la superficie refleja el calor.

23. - El montaje de fotobiorreactor de la reivindicación 17, que comprende además un revestimiento de superficie de tierra o un medio para crear reflexión difusa de la luz.

24. - El montaje de fotobiorreactor de la reivindicación 17, en el que el revestimiento o medio atrapa selectivamente IR como calor.

25. - El montaje de fotobiorreactor de la reivindica-ción 17, que comprende además un mecanismo rotatorio, para permitir la conservación del calor o minimizar la pérdida de calor.

26.- El montaje de fotobiorreactor de la reivindicación 17, en el que el reactor contiene un termófilo, un mesó-filo, o una combinación de estos.

27. - El montaje de fotobiorreactor de la reivindicación 26, en el que el reactor contiene el termófilo.

28. - El montaje de fotobiorreactor de la reivindicación 26, en el que el reactor contiene el mesófilo.

29.- El montaje de fotobiorreactor de la reivindicación 26, en el que el termófilo y/o mesófilo produce productos seleccionados de combustibles y productos químicos.

30. - El montaje de fotobiorreactor de la reivindicación 17, en el que el fotobiorreactor separa productos de forma continua.

31. - El montaje de fotobiorreactor de la reivindicación 17, en el que la producción de productos da como resultado una concentración reducida de biomasa.

32. - El montaje de fotobiorreactor de la reivindica-ción 17, en el que la concentración de biomasa es menor de 20 g/1, 10 g/1 o 5 g/1.

33. - El montaje de fotobiorreactor de la reivindicación 17, que comprende además un sistema de control adaptati-vo en tiempo real para ajustar la inclinación de un montaje de fotobiorreactor.

34. - El montaje de fotobiorreactor de la reivindicación 17 , en el que el fotobiorreactor regula la temperatura para mantener la productividad óptima.

35. - Una biofactoría solar que comprende el fotobio-rreactor de la reivindicación 17.

36. - Un fotobiorreactor capaz de cultivar organismos que capturan la luz hasta una OD730 de alrededor de 14 g/1 DCW.

37. - Un fotobiorreactor capaz de cultivar organismos que capturan la luz hasta una productividad de área de al me- nos alrededor de 3 , 5 g/m2/h.

38.- Un fotobiorreactor capaz de cultivar organismos que capturan la luz hasta una densidad celular óptica de al menos 2-5 g/1, 5-10 g/1 o 10-20 g/1 DCW.

39.- El fotobiorreactor de las reivindicaciones 37 ó 38, en el que el fotobiorreactor minimiza el área de suelo usada de producto producido en un período de tiempo definido.

40. - El fotobiorreactor de la reivindicación 37 ó 38, en el que el fotobiorreactor es modular, escalable y/o de ba-jo coste.

41. - Una composición de medio para cultivar organismos que capturan la luz, que comprende NaCl, KCl, NaN03, MgS04 .(anhidro o hidratado), KH2PO4, CaCl2, NaEDTAtetra, citrato férrico, Tris vitamina Bi2 (cianocobalamina) , H3B03, MnCl2 (an-hidro o hidratado) , ZnCl, Mo03, CuS04 (anhidro o hidratado) , CoCl2 (anhidro o hidratado) , y agua.

42. - La composición de medio para cultivar organismos que capturan la luz, que comprende además una cantidad mayor de al menos uno de N, P o Fe.

43.- La composición de medio de la reivindicación 41 ó 42, en la que la composición cultiva cianobacterias o algas hasta una densidad celular óptica de al menos 2-5 g/1, 5-10 g/1 o 10-20 g/1 DCW.

44.- Una composición de medio para cultivar organismos que capturan la luz obtenidos combinando NaCl, KCl, NaN03, MgS04 (anhidro o hidratado), KH2P04, CaCl2, NaEDTAtetra, citrato férrico, Tris vitamina ??2 (cianocobalamina), H3B03, MnCl2 (anhidro o hidratado), ZnCl, M0O3, CuS04 (anhidro o hidratado), CoCl2 (anhidro o hidratado) , y agua.

45.- Un método para recibir créditos de carbono, que comprende: cultivar organismos, que capturan la luz en un fo-tobiorreactor o montaje de fotobiorreactor de cualquiera de las reivindicaciones anteriores usando dióxido de carbono, luz y agua; medir la entrada, uso o reducción de dióxido de carbono; y determinar una cantidad de créditos de carbono basada en la entrada, uso o reducción de dióxido de carbono.

46.- El montaje de fotobiorreactor de la reivindicación 1, en el que la estructura del reactor está termoconforinada .