專利名稱：光生物反應(yīng)器、太陽能收集系統(tǒng)、以及熱控制方法
光生物反應(yīng)器、太陽能收集系統(tǒng)、以及熱控制方法
相關(guān)申請
本申請要求于2010年4月8日提交的美國臨時申請?zhí)?1/322，192以及于2009 年7月觀日提交的美國臨時申請?zhí)?1/271，904的權(quán)益。將上述申請的全部傳授的內(nèi)容通過引用結(jié)合在此。
發(fā)明背景
由于世界能源需求增加以及從不可再生來源生產(chǎn)能量變得更加昂貴、困難、并且對環(huán)境有害，對于從太陽捕獲能量的渴望已經(jīng)相應(yīng)地增加。
已經(jīng)描述了使用陽光的光生物反應(yīng)器用來從微生物中生產(chǎn)生物燃料。使適當(dāng)?shù)奈⑸?，典型地，光養(yǎng)型微生物，在這些光生物反應(yīng)器中生長或繁殖，使用太陽能來生產(chǎn)生物質(zhì)或生產(chǎn)特定化合物。光養(yǎng)型微生物的生長以及使用光養(yǎng)型微生物生產(chǎn)特定化合物(例如，乙醇)是溫度依賴性的。另外，例如由將光養(yǎng)型微生物的一種培養(yǎng)物暴露于紅外線輻射導(dǎo)致非最佳的溫度升高而引起的熱量緩解問題是常見的，并且主動溫度控制要求降低凈能量產(chǎn)生能力的大量的能量。
因此，對于允許以成本有效方式進行溫度控制的系統(tǒng)、裝置以及方法存在一種需要，這降低了用于對光生物反應(yīng)器中包含光養(yǎng)型微生物的培養(yǎng)基進行溫度控制所需要的能量。
發(fā)明概述
本發(fā)明的一個實施方案是一種光生物反應(yīng)器。該光生物反應(yīng)器包括(a) —個反應(yīng)室，該反應(yīng)室用于包括一種光養(yǎng)型微生物以及它的培養(yǎng)基，以及(b) —個熱能系統(tǒng)。對于一種波長的光而言該反應(yīng)室的至少一部分是透明的，該波長的光在該光養(yǎng)型微生物體內(nèi)是光合有效的，并且該反應(yīng)室和熱能系統(tǒng)是可控地?zé)峤佑|的。
另一個實施方案是一種光生物反應(yīng)器，該光生物反應(yīng)器包括(a) —個反應(yīng)室，該反應(yīng)室用于包括一種光養(yǎng)型微生物以及它的培養(yǎng)基，以及(b) —個熱交換室，該熱交換室用于包含一種熱交換流體，以及(c) 一個熱控制層，該熱控制層位于該反應(yīng)室與該熱交換室之間。對于一種波長的光而言該反應(yīng)室的至少一部分是透明的，該波長的光在該光養(yǎng)型微生物體內(nèi)是光合有效的，并且該熱控制層在該熱控制層的一個第一側(cè)面上與該反應(yīng)室鄰接、并且在該熱控制層的一個第二側(cè)面上與該熱交換體積鄰接，并且該熱控制層被適配用來控制該培養(yǎng)基與該熱交換流體之間的熱交換。
另一個實施方案是一種太陽能收集系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括(a) —個光生物反應(yīng)器，該光生物反應(yīng)器包括(i) 一個反應(yīng)室，該反應(yīng)室用于包括一種光養(yǎng)型微生物以及它的培養(yǎng)基，以及(ii) 一個熱交換室，該熱交換室用于包含一種熱交換流體。該反應(yīng)室和該熱交換室是可控地?zé)峤佑|的。該系統(tǒng)還包括(b) —個冷卻設(shè)備，該冷卻設(shè)備被適配用于控制地冷卻該熱交換流體。對于一種波長的光而言該反應(yīng)室的至少一部分是透明的，該波長的光在該光養(yǎng)型微生物體內(nèi)是光合有效的。
另一個實施方案是在光生物反應(yīng)器中用于對包含光養(yǎng)型生物的培養(yǎng)基進行熱控制的方法。該方法包括(a)對包含在該光生物反應(yīng)器的反應(yīng)室中的培養(yǎng)基溫度進行測量，該反應(yīng)室基本上水平地定位從而在該液體培養(yǎng)物之上提供一個頂部空間；其中對于一種波長的光而言該反應(yīng)室的至少一部分是透明的，該波長的光在該光養(yǎng)型生物體內(nèi)是光合有效的，(b)對包含在熱交換室中的熱交換液體的溫度進行測量，該熱交換室以及該反應(yīng)室結(jié)構(gòu)上連接到一個熱控制層上，該熱控制層定位在該熱交換室與該反應(yīng)室之間；其中該熱控制層被適配用于包含一種流體，(C)確定該反應(yīng)室與該熱交換室之間熱接觸的改變是否是希望的，并且(d)如果熱接觸的改變是希望的，則改變該熱控制層中的流體存在。
另一個實施方案是一種光生物反應(yīng)器，該光生物反應(yīng)器包括(a) —個反應(yīng)室，該反應(yīng)室用于包括一種光養(yǎng)型微生物以及它的培養(yǎng)基，以及(b) —個熱交換室，該熱交換室用于包含一種熱交換液體。對于一種波長的光而言該反應(yīng)室的至少一部分是透明的，該波長的光在該光養(yǎng)型微生物體內(nèi)是光合有效的，并且該反應(yīng)室和熱交換室基本上通過一個分離層進行熱接觸。
又另一個實施方案是一種太陽能收集系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括(a) —個光生物反應(yīng)器。 該光生物反應(yīng)器包括(i) 一個反應(yīng)室，該反應(yīng)室用于包括一種光養(yǎng)型微生物以及它的培養(yǎng)基，以及(ii) 一個熱交換室，該熱交換室用于包含一種熱交換流體，其中該反應(yīng)室和熱交換室基本上通過一個分離層進行熱接觸。該系統(tǒng)進一步包括(b) —個冷卻設(shè)備，該冷卻設(shè)備被適配用于控制地冷卻和/或交換熱交換流體。對于一種波長的光而言該反應(yīng)室的至少一部分是透明的，該波長的光在該光養(yǎng)型微生物體內(nèi)是光合有效的。
本發(fā)明提供了允許以成本有效方式進行溫度控制的系統(tǒng)、裝置以及方法，這降低了用于對光生物反應(yīng)器中包含光養(yǎng)型微生物的培養(yǎng)基進行溫度控制所需要的能量。
附圖簡要說明


圖1是薄膜光生物反應(yīng)器面板的一個截面的透視圖。
圖2是圖1的光生物反應(yīng)器面板的一個通道的橫截面視圖。
圖3是圖1的光生物反應(yīng)器面板的三個通道的橫截面視圖。
圖4是光生物反應(yīng)器面板的反應(yīng)室的橫截面視圖，該面板包括一個獨立的熱控制層用于該薄膜反應(yīng)室與相應(yīng)的薄膜熱交換室之間控制的熱接觸。
圖5是光生物反應(yīng)器面板的三個通道的橫截面視圖，該面板包括被所有這些通道共享的一個熱控制層，該熱控制層提供了所示的薄膜反應(yīng)室與該薄膜熱交換室之間控制的熱接觸。
圖6提供了本發(fā)明多個實施方案的光生物反應(yīng)器面板的多個區(qū)段的橫截面視圖， 具有熱接觸(左側(cè)區(qū)段)以及具有減少的或無熱接觸(右側(cè)區(qū)段)。
圖7a提供了光生物反應(yīng)器面板截面的透視圖，其中一個可膨脹的熱控制層是膨脹的以便使一個陣列的鏈接的反應(yīng)室與一個熱能系統(tǒng)進行熱隔離。
圖7b提供了圖7a中光生物反應(yīng)器面板的橫截面視圖。
圖8a提供了光生物反應(yīng)器面板截面的透視圖，其中一個可膨脹的熱控制層是縮小的以便允許一個陣列的鏈接的反應(yīng)室與一個熱能系統(tǒng)進行熱接觸。
圖8b提供了圖8a中光生物反應(yīng)器面板的橫截面視圖。
圖9a提供了光生物反應(yīng)器面板截面的透視圖，其中一個可膨脹的截面的(具有三個體積)熱控制層填充有一種液體以便允許一個陣列的鏈接的反應(yīng)室與一個熱能系統(tǒng)進行熱接觸。
圖9b提供了圖9a中光生物反應(yīng)器面板的橫截面視圖。
圖9c提供了圖9a中光生物反應(yīng)器面板的橫截面視圖，其中這些截面/體積被填充到不同程度，導(dǎo)致這些反應(yīng)室發(fā)生傾斜。
圖IOa提供了光生物反應(yīng)器面板截面的透視圖，其中一個可膨脹的熱控制層被夾在多個反應(yīng)室與一個熱能系統(tǒng)之間，該熱能系統(tǒng)包括可以分別填充液體的三個可膨脹的熱交換室。
圖IOb提供了圖IOa中光生物反應(yīng)器面板的橫截面視圖。
圖IOc提供了圖IOa中光生物反應(yīng)器面板的橫截面視圖，其中該熱能系統(tǒng)的多個截面/體積被填充到不同程度，導(dǎo)致這些反應(yīng)室發(fā)生傾斜。
圖11是一個簡圖，描述了使用蒸發(fā)的過氧化氫針對一個光生物反應(yīng)器的滅菌配置。
圖12是一個簡圖，描述了針對多個光生物反應(yīng)器的滅菌配置。
圖13是一個簡圖，描述了使用臭氧針對一個光生物反應(yīng)器的滅菌配置。
圖14是用于控制多個光生物反應(yīng)器的滅菌作用的電磁盒的圖示。這些圖不必按比例繪制，相反應(yīng)當(dāng)將重點放在說明本發(fā)明的實施方案上。
發(fā)明詳細說明
以下是本發(fā)明的優(yōu)選實施方案的說明。雖然已經(jīng)參考其優(yōu)選的實施方案對本發(fā)明具體地進行了展示和說明，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)理解的是，可以在形式和細節(jié)上做出不同的改變而不背離所附的權(quán)利要求書所涵蓋的本發(fā)明的范圍。
下面提供術(shù)語和方法的解釋用來更好地說明本發(fā)明并且用來指導(dǎo)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員實踐本發(fā)明。如在此使用，“包含”意味著“包括”并且單數(shù)形式“一種”或“一個” 或“該”包括復(fù)數(shù)的引用，除非在上下文中的其他地方清楚地指出。例如，提及“包含一種光養(yǎng)型微生物”包括一種或多種這類光養(yǎng)型微生物。術(shù)語“或”是指所述替代元件的一個單個元件或兩個或更多個元件的組合，除非上下文中另外清楚地指出。
除非另外說明，在此使用的所有的技術(shù)的和科學(xué)的術(shù)語具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中一個普通技術(shù)人員所通常理解的相同的含義。雖然與在此所述的那些類似的或等效的方法和材料可以用于本發(fā)明的實踐或測試中，下面說明適當(dāng)?shù)姆椒ê筒牧?。這些材料、方法、以及實例僅是說明性的，并且不旨在進行限制。本發(fā)明的其他特征從以下詳細說明以及權(quán)利要求中將會是清楚的。
根據(jù)本發(fā)明，根據(jù)某些實施方案，一個示意性薄膜光生物反應(yīng)器面板的截面示于圖1中。該薄膜光生物反應(yīng)器面板100包括19個區(qū)段105，每個區(qū)段包括通道形式(頂側(cè))的一個平行的反應(yīng)室110以及通過一個分離層130與這些反應(yīng)室分開的對應(yīng)的熱交換室120(底側(cè))。該光生物反應(yīng)器面板100可以包括另外的元件(未顯示)，像例如用于生長培養(yǎng)基、碳源(例如CO2)以及探頭設(shè)備(例如光密度測量設(shè)備以及溫度計)的入口以及出口?？梢詫⑦@些元件方便地置于上水箱中(無顯示)，這些上水箱可以結(jié)構(gòu)上連接到這些光生物反應(yīng)器面板上。典型地，該光生物反應(yīng)器面板100是由如下所述的薄膜聚合物材料制造的。
顯示了該光生物反應(yīng)器100的反應(yīng)室用來包括一種光養(yǎng)型微生物以及它的培養(yǎng)基140，例如藻類或藍細菌。
在圖2中展示了圖1中所示的光生物反應(yīng)器面板截面的一個區(qū)段105或通道的橫截面視圖。反應(yīng)室110和熱交換室120兩者都通過薄膜材料外殼(典型地由高分子材料制成)來提供。反應(yīng)室顯示具有培養(yǎng)基140以及頂部空間145，這允許例如用于該光養(yǎng)型微生物的二氧化碳的流動，以及總體上，氣體流動，例如用于冷卻目的的空氣流動。該分離層130 將反應(yīng)室與熱交換室120分開，并且由此將培養(yǎng)基140與熱交換液體150分開。在其他實施方案中，可以用高熱容的固體材料替換包含熱交換液體150的熱交換室120。
圖3是圖1中所展示的光生物反應(yīng)器面板的三個區(qū)段105或通道的橫截面視圖 300。
在圖4中顯示了一個薄膜光生物反應(yīng)器的一個區(qū)段或通道的橫截面視圖。如在圖 2中，反應(yīng)室110和熱交換室120通過一個薄膜材料外殼(典型地由高分子材料制成)來提供。反應(yīng)室顯示具有培養(yǎng)基140以及頂部空間145，這允許例如用于該光養(yǎng)型微生物的二氧化碳的流動，以及總體上，氣體流動，例如用于冷卻目的的空氣流動。該分離層130將反應(yīng)室與熱交換室120分開，并且由此將培養(yǎng)基140與熱交換液體150分開。除了圖2中展示的實施方案，圖4中展示的實施方案包括一個熱控制層160，該熱控制層提供了該反應(yīng)室與該熱交換體積之間可控的熱接觸。在典型的實施方案中，一個光生物反應(yīng)器面板包括多個這樣的區(qū)段或通道400，每個區(qū)段或通道包括一個熱控制層160，并且通過在該光生物反應(yīng)器面板的每個區(qū)段的熱控制層之間建立起適當(dāng)?shù)牧黧w連通可以將這些熱控制層設(shè)計成獨立地起作用從而允許在每個區(qū)段中獨立地進行熱控制，和/或設(shè)計成基本上作為一個熱控制層來起作用。
圖5提供了一個光生物反應(yīng)器的三個區(qū)段或通道510的橫截面視圖500，該光生物反應(yīng)器包括被所有這些通道共享的一個熱控制層520，該熱控制層提供了所示的薄膜反應(yīng)室Il0與薄膜熱交換室120之間控制地?zé)峤佑|。
圖6提供了本發(fā)明多個實施方案的光生物反應(yīng)器的多個區(qū)段的橫截面視圖，具有熱接觸(左側(cè)區(qū)段)以及具有減少的或無熱接觸(右側(cè)區(qū)段)。區(qū)段105與圖2中所示的區(qū)段相同。如在這個區(qū)段中所示的熱交換室是通過分離層130進行熱接觸。熱交換流體 150(典型地，水)與包含光養(yǎng)型微生物的培養(yǎng)基140之間的熱交換得以建立。例如可以通過降低該熱交換室中熱交換液體水平以形成一個熱絕緣氣體空間610 (如針對區(qū)段605所示，該區(qū)段在結(jié)構(gòu)上與區(qū)段105相同)，從而顯著地降低該熱交換液體與培養(yǎng)基之間的熱交換。在一些實施方案中，控制該熱交換室中氣體空間610的程度可以控制反應(yīng)室與熱交換室(針對熱能系統(tǒng)的一個實例)之間的熱接觸，即，一個可控的熱接觸。下面顯示替代實施方案。右側(cè)的區(qū)段400和655包括一個熱控制層，該熱控制層可以是(a)結(jié)構(gòu)柔性的658并且填充有一種流體，該流體是一種良好的熱絕緣體，例如一種氣體如空氣，或(b)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的160并且填充有一種流體，該流體是熱絕緣的，例如一種氣體如空氣，或甚至排空。在這些情況的每一種下，熱交換室與反應(yīng)室之間的熱接觸得以顯著地降低。然后可以通過使一種導(dǎo)熱流體660(參見虛線區(qū))例如水流動進入該熱控制層來增加熱接觸(如針對區(qū)段650 所示)。可替代地，如果該熱控制層具有一個柔性外殼(如655中)并且包括一種氣體，則縮小并且由此塌縮該柔性外殼至一個塌縮的或縮小的外殼670可能增加熱接觸。上述實例展示了不同的光生物反應(yīng)器面板截面，其中該反應(yīng)室和熱能系統(tǒng)是可控地?zé)峤佑|的。
圖7a提供了光生物反應(yīng)器面板截面的透視圖，其中一個可膨脹熱控制層710(例如，一個柔性聚合物外殼)處于膨脹狀態(tài)(例如填充有空氣從而形成一個空氣填充的氣囊) 從而將一個陣列的鏈接的反應(yīng)室720 (例如，由高分子材料制成的外殼)與一個熱能系統(tǒng) 730(典型地在日間操作期間作為散熱器起作用并且在夜間操作期間作為熱源起作用)進行熱隔離。相應(yīng)的橫截面視圖示于圖7b中。
圖8a提供了薄膜光生物反應(yīng)器面板截面的透視圖，其中一個可膨脹熱控制層 710(例如，一個柔性聚合物外殼)處于縮小狀態(tài)(例如，從空氣氣囊中將空氣大量去除) 從而提供了該陣列的鏈接的反應(yīng)室720(例如，由高分子材料制成的外殼)與一個熱能系統(tǒng) 730(典型地在日間操作期間作為散熱器起作用并且在夜間操作期間作為熱源起作用)增加的熱接觸。相應(yīng)的橫截面視圖示于圖8b中。
如在此使用的“電磁輻射光譜”是指多個波長的電磁輻射，典型地包括紅外、可見和/或紫外光中的波長。通過一個電磁輻射源提供了電磁輻射光譜，該電磁輻射源提供了紫外、可見、以及紅外內(nèi)適當(dāng)?shù)哪芰?典型地，太陽)。
本發(fā)明的光生物反應(yīng)器被適配用來支持一種生物學(xué)活性的環(huán)境，該環(huán)境允許生物體(例如光養(yǎng)型生物體)內(nèi)涉及光合作用的化學(xué)過程得以完成或從這類生物體內(nèi)衍生出有生物化學(xué)活性的物質(zhì)。這些光生物反應(yīng)器可以支持需氧型或厭氧型生物體。
這些光生物反應(yīng)器可以包括一個或多個反應(yīng)室。典型地，這些光反應(yīng)器包括多個反應(yīng)室，例如在2至40個之間，并且更典型地，在5至30個之間。這些光生物反應(yīng)器面板可以具有不同形狀(例如，延長的半圓形、扁平的等)以及尺寸。然而，典型地，它們是基本上是平的。這可以是有利的，例如用于將這面板定位在平的表面上，例如平地或水體(例如湖)上。任何尺寸的光生物反應(yīng)器面板都適合用于本發(fā)明。然而，典型地，光生物反應(yīng)器面板尺寸受材料和制造選擇的影響。例如，在本發(fā)明的一些實施方案中，這些光生物反應(yīng)器面板由一種薄膜聚合物材料制成(如圖1中所示的一種材料)，該材料可以是例如長度在1 米至100米之間。在優(yōu)選實施方案中，該光生物反應(yīng)器面板是1米寬(例如，19個區(qū)段，每個約5cm寬)以及40米長。一個另外的考慮是制造的光生物反應(yīng)器面板或光生物反應(yīng)器的可運輸性，通過使用柔性薄膜光生物反應(yīng)器面板將它大大增強，可以將這些面板折疊和/ 或卷動至少一定程度。對于包括非常大的光生物反應(yīng)器面板的光生物反應(yīng)器而言，這是一個顯著的優(yōu)點，因為它可以阻止高成本運輸許可以及超尺寸運輸車輛，或，可替代地，安裝地點的顯著的安裝費用。典型地，對于光生物反應(yīng)器平板而言，寬度是在約IOcm至5m之間， 更典型地，寬度是在50cm至: 之間。
光生物反應(yīng)器的每個反應(yīng)室可以具有不同形狀以及尺寸。然而，典型地，在包括多個反應(yīng)室的光生物反應(yīng)器中，這些反應(yīng)室具有類似的或相同的形狀和尺寸，例如，與寬度相比較，平行定位的通道具有基本上更長的通道長度。不同的反應(yīng)室橫截面是適當(dāng)?shù)?，例如矩形、圓柱形、或半橢圓形(如圖1至圖8中所示)。優(yōu)選地，該反應(yīng)室是半橢圓形或矩形。另外，該一個或多個反應(yīng)室可以是由薄的聚合物薄膜焊接的外殼(例如，袋)。這類反應(yīng)室可以允許有利的壓縮運輸，有助于在展開之前進行滅菌(例如，用例如Y輻射的輻射)，并且由于它們生產(chǎn)的成本效率和/或能效，允許用作一個或多個一次性反應(yīng)室。它們還可以再利用。
包含在用于它們生長和/或生產(chǎn)感興趣的碳基產(chǎn)物的光生物反應(yīng)器中的光養(yǎng)型微生物需要光。因此，這些光生物反應(yīng)器，并且，具體地，這些反應(yīng)室被適配以提供一種波長的光到達該培養(yǎng)基中，該波長的光在該光養(yǎng)型微生物體內(nèi)是光合有效的。典型地，對于一種波長的光而言該反應(yīng)室的至少一部分是透明的，該波長的光在該光養(yǎng)型微生物體內(nèi)是光合有效的。這可以通過適當(dāng)?shù)剡x擇用于反應(yīng)室的材料(例如薄膜材料)以允許光進入內(nèi)部反應(yīng)室來實現(xiàn)。
典型地，該光生物反應(yīng)器的一個或多個反應(yīng)室被適配以允許在一個薄層中培養(yǎng)中心光養(yǎng)型微生物。典型地，層厚度是在約5mm至約30mm之間，并且更典型地，在約IOmm至約15mm之間。
典型地，在此所述的光生物反應(yīng)器面板置于地上或漂浮在水上，這樣使得該一個或多個反應(yīng)室向上定向并且該熱能系統(tǒng)(例如，一個或多個熱交換室)置于地上。優(yōu)選地， 這些熱交換室至少部分地包埋在地中以增加對這些光生物反應(yīng)器的熱控制的操作的被動熱貢獻。在用于漂浮光生物反應(yīng)器的實施方案的情況下，該熱能系統(tǒng)至少部分地被水包圍。
可替代地，還可以使用固體支撐結(jié)構(gòu)(例如由金屬、網(wǎng)狀物或織物制成的)將該一個或多個光生物反應(yīng)器置于地面上。
這些光生物反應(yīng)器能夠以分批、批量進料或連續(xù)模式來操作。
本發(fā)明的光生物反應(yīng)器可以包括可以支持這些光生物反應(yīng)器操作的多種設(shè)備。例如，可以將用于使氣體(例如，二氧化碳、空氣、和/或其他氣體)流動的設(shè)備、測量設(shè)備(例如，光密度計、溫度計)、入口和出口、以及其他元件整合或可操作地連接到在此所述的光生物反應(yīng)器面板上。
典型地，該光生物反應(yīng)器將包括一個或多個泵用來建立在操作期間通過該一個或多個反應(yīng)室的培養(yǎng)物流；這還允許將那個這些光生物反應(yīng)器置于不平的地面上由此增加了可用的土地面積，而無需大的改造。
另外，這些光生物反應(yīng)器面板可以適配以允許氣體流動通過這些反應(yīng)器體積。氣 (例如CO2)流可以是與通過該光生物反應(yīng)器的一個或多個反應(yīng)室的液流同方向和/或反方向的。例如，在某些實施方案中，這些光生物反應(yīng)器可以被適配以允許該反應(yīng)室的一個部分中同向氣流并且該反應(yīng)室的另一個部分中反向氣流。在其他實施方案中，一個光生物反應(yīng)器的一個或多個反應(yīng)室被適配以允許同向氣流，并且該光生物反應(yīng)器的一個或多個其他反應(yīng)室被適配以允許反向氣流。
可以將生長于光生物反應(yīng)器中的光養(yǎng)型生物體懸浮或固定。
適合用于本發(fā)明的光生物反應(yīng)器是與開放的生物反應(yīng)器(例如，池塘或其他開放水體、開放的罐、開放的通道等)相比的封閉的生物反應(yīng)器。典型地，這些光生物反應(yīng)器具有流體連通的多個通道。
如在此使用的熱能系統(tǒng)是可以作為散熱器和熱儲存器而起作用的系統(tǒng)。典型地， 該熱能系統(tǒng)包括具有足夠高熱容的材料。該材料可以是固體，例如一種金屬或聚合物或液體，優(yōu)選地是水。優(yōu)選地，該熱能系統(tǒng)包括一個熱交換室(該熱交換室包括一種熱交換液體，例如水)，以及，任選地，用于該熱交換液體交換的入口和出口。
如在此使用的，“在該光養(yǎng)型生物體內(nèi)是光合有效的一種波長的光”是指可以被該微生物利用以生長和/或生產(chǎn)出感興趣的碳基產(chǎn)物(例如，燃料，包括生物燃料)的光。
“生物燃料”是指從生物來源得到的任何燃料，包括一種或多種烴類、一種或多種醇類、一種或多種脂肪酯類或它們的混合物。典型地，可以生產(chǎn)乙醇或其他液體烴燃料。
“感興趣的碳基產(chǎn)物”包括醇類，例如乙醇、丙醇、異丙醇、丁醇、脂肪醇類、脂肪酸酯類、乙酯類、蠟酯類；烴類以及烷類例如丙烷、辛烷、柴油、噴氣式發(fā)動機燃料8(JP8)；聚合物類例如對苯二酸酯、1，3_丙二醇、1，4_ 丁二醇、多元醇類、多羥基烷酯(PHA)、聚-β-羥基丁酸酯(PHB)、丙烯酸酯、己二酸、己內(nèi)酯、異戊二烯、己內(nèi)酰胺、橡膠；商品化學(xué)品例如乳酸酯、二十二碳六烯酸(DHA)、3_羥基丙酸酯、Y-戊內(nèi)酯、賴氨酸、絲氨酸、天冬氨酸酯、天冬氨酸、山梨糖醇、抗壞血酸鹽、抗壞血酸、異戊烯醇、羊毛脂留醇、Ω-3 DHA、番茄紅素、衣康酸酯、1，3_ 丁二烯、乙烯、丙烯、琥珀酸鹽、檸檬酸鹽、檸檬酸、谷氨酸酯、蘋果酸鹽、 3-羥基丙酸(ΗΡΑ)、乳酸、THF、Y-丁內(nèi)酯、吡咯烷酮類、羥基丁酸酯、谷氨酸、乙酰丙酸、丙烯酸、丙二酸；專用化學(xué)品類例如類胡蘿卜素、類異戊二烯類、衣康酸；藥物以及藥物中間體類，例如7-氨基去乙酰氧基頭孢烷酸(7-ADCA)/頭孢菌素、紅霉素、聚酮化合物類、他汀類、紫杉醇、紫杉萜、萜類、肽類、類固醇類、Ω脂肪酸類以及其他這類適當(dāng)?shù)母信d趣的產(chǎn)物。 這類產(chǎn)物在生物燃料、工業(yè)和專用化學(xué)品的情況下用作用于制造另外產(chǎn)物的中間體(例如營養(yǎng)補品、保健營養(yǎng)品、聚合物、石蠟替換物、個人護理產(chǎn)品以及藥物制劑)。
“光養(yǎng)型微生物”或“光自養(yǎng)型微生物”是執(zhí)行光合作用的生物體，例如真核的植物類、藻類、原生物類以及原核的藍細菌、綠硫細菌、綠非硫細菌、紫色硫菌、以及紫非硫菌。光養(yǎng)型微生物包括執(zhí)行光合作用的天然的和工程化的生物體以及超級光捕獲生物體。
如在此使用的，“生物體”包括自養(yǎng)型生物、光養(yǎng)型生物、異養(yǎng)型生物、工程化的捕獲光的生物以及在細胞水平，例如單細胞的和多細胞的。
“生物合成途徑”或“代謝途徑”是指用于將一種化學(xué)種類轉(zhuǎn)化(變)成另一種的一組同化或異化的生物化學(xué)反應(yīng)。例如，烴生物合成途徑是指將輸入物和/或代謝物轉(zhuǎn)化成烴產(chǎn)物樣中間體并且然后轉(zhuǎn)化成烴類或烴產(chǎn)物類的這組生物化學(xué)反應(yīng)。同化途徑包括從較小的分子構(gòu)建較大的分子(一個需要能量的過程)。異化途徑包括較大分子的分解(通常釋放能量)。
如在此使用的，“光”通常是指日光但可以是太陽光或來自人造來源，包括白熾燈、 LED、光纖、金屬鹵化物燈、氖燈、鹵素?zé)?、以及熒光燈?br> 在整個說明書以及權(quán)利要求中，詞語“包括”或變體例如“包括了”或“已包括”應(yīng)當(dāng)被理解為是指包含了一個提到的整體或多個整體的組，但不是排除任何其它的整體或多個整體的組。
本發(fā)明的另外的實施方案是針對包括如上所述的光生物反應(yīng)器的太陽能收集系統(tǒng)。
本發(fā)明的光生物反應(yīng)器和太陽能收集系統(tǒng)允許以成本有效方式進行溫度控制，這降低了用于對包含光養(yǎng)型微生物的培養(yǎng)基進行溫度控制所需要的能量。這些光生物反應(yīng)器和太陽能收集系統(tǒng)被設(shè)計成從被動熱冷卻和加熱中顯著地獲益，由此降低或消除了對主動冷卻和加熱的需要。在某些實施方案中，該光生物反應(yīng)器是一個薄膜光生物反應(yīng)器，該薄膜光生物反應(yīng)器被適配用于水平地(平地)置于地上或用于漂浮在水上。除了從該光生物反應(yīng)器對應(yīng)地置于或漂浮于其上的地面或水的散熱/熱儲存潛力中獲益以外，這種放置具有針對該光生物反應(yīng)器需要較少的結(jié)構(gòu)支撐的優(yōu)點。另外，使用薄膜聚合物材料需要每單位面積的光生物反應(yīng)器面板較少的聚合物材料。另外，這些光生物反應(yīng)器面板的柔性降低了運輸成本并且簡化了大的光生物反應(yīng)器安裝。薄膜聚合物光生物反應(yīng)器面板還可以制造成非常大的尺寸，這可以進一步降低成本。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，通過對可膨脹的熱控制層(例如一個柔性聚合物外殼)進行可控的膨脹提供了可控的熱接觸。典型地，該可膨脹的熱控制層可以用一種流體來膨脹。優(yōu)選地，該流體具有低熱傳導(dǎo)率。該流體可以是一種液體或一種氣體，例如空氣。用流體將該可膨脹的熱控制層膨脹典型地導(dǎo)致該可膨脹的熱控制層的厚度增加，并且因此導(dǎo)致該一個或多個反應(yīng)室和該熱能系統(tǒng)(典型地在日間操作期間作為散熱器起作用并且在夜間操作期間作為熱源起作用)更大的空間分離。因此， 典型地，隨著膨脹增加，該一個或多個反應(yīng)器與該熱能系統(tǒng)之間的熱絕緣增加。典型地，該柔性熱控制層置于一個或多個反應(yīng)室與該熱能系統(tǒng)之間。優(yōu)選地，一個可膨脹的熱控制層定位在該一個或多個反應(yīng)室(作為優(yōu)選地，如果使用多個反應(yīng)室，則優(yōu)選地所有反應(yīng)室鄰近該可膨脹的熱控制層)與該熱能系統(tǒng)之間。
在另外優(yōu)選的實施方案中，例如一個或多個反應(yīng)室是柔性適配的用來可控地膨脹一個可膨脹的熱控制層。而且，這些反應(yīng)室可以被設(shè)計成當(dāng)空的時(即基本上無培養(yǎng)基和氣體)是可壓縮的，并且在這些反應(yīng)室中存在顯著數(shù)量的培養(yǎng)基下形成凸起的外殼，即在該光生物反應(yīng)器的操作期間所期望的典型的數(shù)量?？梢孕纬傻耐蛊鹜鈿げ幌抻诰唧w橫截面，然而，優(yōu)選的橫截面是基本上矩形的(如例如針對圖7b和8b中的反應(yīng)室720所示).
在其他優(yōu)選實施方案中，該熱能系統(tǒng)可以是該光生物反應(yīng)器置于或漂浮于其上的地面或水之間的一個分離層。典型地，該分離層被適配以允許該地面或水與該熱控制層之間顯著的熱交換。
本發(fā)明的一個另外優(yōu)選的實施方案是如上所述的一個光生物反應(yīng)器(單獨地或作為一個太陽能收集系統(tǒng)的一部分)，但是無熱能系統(tǒng)，即該光生物反應(yīng)器的一個或多個反應(yīng)室與該光生物反應(yīng)器置于其上的地面或水進行可控地?zé)峤佑|。例如，可以將一個或多個可膨脹的熱控制層置于該光生物反應(yīng)器的一個或多個反應(yīng)室與該地面或水之間。
在另外優(yōu)選的實施方案中，該可膨脹的熱控制層(例如，熱控制層710)還可以被適配從而用提供了顯著的熱傳導(dǎo)率的一種液體來膨脹。這類液體可以建立該一個或多個反應(yīng)室與該熱能系統(tǒng)，和/或地面或水(在缺少熱能系統(tǒng)的情況下)的顯著的熱接觸。然后可以通過抽出該液體實現(xiàn)該一個或多個反應(yīng)室與該熱能系統(tǒng)，和/或地面或水的熱隔離(即與縮小的熱控制層)。在希望的熱傳遞相期間使用如上所述具有液體的可膨脹的熱控制層可以部分地或整體地降低熱接觸阻力，并且在排液狀態(tài)下從該熱接觸阻力得到益處，從而改善了熱隔離(當(dāng)它是希望的時)。
在替代實施方案中，可以將該可膨脹的熱控制層(例如熱控制層710)區(qū)段化從而提供可以分別填充液體的多個體積(例如，兩個體積，但是典型地不大于100個體積，更典型地，不大于10個體積)。在這些實施方案中，該可膨脹的熱控層可以進一步被適配從而當(dāng)這些可膨脹的熱控制層體積用該液體填充到不同程度時提供該一個或多個反應(yīng)室的一個傾斜。該可膨脹的熱控制層可以被適配從而當(dāng)將這些體積膨脹到不同程度時由于將該一個或多個反應(yīng)室提升到這些膨脹的體積之上和/或由于該可膨脹的熱控制層的滾動(不希望被理論束縛，在填充體積/截面中的液體重量可以導(dǎo)致一個動量，該動量可以導(dǎo)致滾動，并且因此對該一個或多個反應(yīng)室進行定向)而引起傾斜。例如，在可膨脹的熱控制層截成兩個等尺寸體積的情況下(即一個第一和一個第二體積)，與該第二體積之上的該一個或多個反應(yīng)室相比較，該第一體積用比該第二體積更多的液體來膨脹可以將該一個或多個反應(yīng)室提升到該第一體積之上，由此使該一個或多個反應(yīng)室傾斜到一側(cè)。因此，具有可以分別填充液體的多個體積的可膨脹的熱控制層不但提供了該一個或多個反應(yīng)室與該熱能系統(tǒng)、和 /或地面或水的可控的熱接觸，而且提供了該一個或多個反應(yīng)室與針對光源(典型地太陽) 控制暴露的可控調(diào)整。例如，在早晨可以將該一個或多個反應(yīng)室向東方傾斜并且在傍晚向西方傾斜。另外，可以將不同熱傳導(dǎo)率的液體用于該可膨脹的熱控制層的不同的體積中。
這種情況的一個實例實施方案示于圖9a中，它提供了光生物反應(yīng)器面板截面的透視圖，其中一個可膨脹的截斷(具有三個體積)的熱控制層900填充有一種液體以便允許一個陣列的鏈接的反應(yīng)室720與一個熱能系統(tǒng)730進行熱接觸。該熱能系統(tǒng)730可以是該光生物反應(yīng)器的一部分，或它是地面或水，或該光生物反應(yīng)器置于其上的另一個表面。圖 9b提供了圖9a中光生物反應(yīng)器面板的橫截面視圖。圖9c提供了圖9a中光生物反應(yīng)器面板的橫截面視圖，其中這些截面/體積被填充到不同程度，導(dǎo)致這些反應(yīng)室傾斜。
在另外的實施方案中，該熱能系統(tǒng)(例如730)可以是或包括多個可膨脹的可以分別填充液體的熱交換室。在這些實施方案中，這些可膨脹的熱交換室可以進一步被適配從而當(dāng)該可膨脹的熱交換室用液體填充到不同程度時提供該一個或多個反應(yīng)室的傾斜。例如，在等尺寸的兩個熱交換室的情況下(即一個第一和一個第二室)，用比該第二室更多的液體將該第一室膨脹可以將該一個或多個反應(yīng)室提升到該第一室之上(與該第二室之上的一個或多個反應(yīng)室相比較)，由此使該一個或多個反應(yīng)室向一側(cè)傾斜。因此，包括可分別填充液體的可膨脹熱交換室的熱能系統(tǒng)提供了該一個或多個反應(yīng)室的可控的調(diào)整從而控制暴露于光源(典型地太陽)下。這些熱能系統(tǒng)還可以與前面段落中所述的這些可膨脹的熱控制層相結(jié)合使用。
這一點的一個實例實施方案示于圖IOa中，該圖提供了光生物反應(yīng)器面板截面的透視圖，其中一個可膨脹的熱控制層710被夾在反應(yīng)室720與一個熱能系統(tǒng)1000之間，該熱能系統(tǒng)包括可以分別填充液體的三個可膨脹的熱交換室。圖IOb提供了圖IOa中光生物反應(yīng)器面板的橫截面視圖。圖IOc提供了圖IOa中光生物反應(yīng)器面板的橫截面視圖，其中該熱能系統(tǒng)的多個截面/體積被填充到不同程度，導(dǎo)致這些反應(yīng)室發(fā)生傾斜。這些太陽能收集系統(tǒng)，例如光生物反應(yīng)器(如在此所述)可以用蒸發(fā)的過氧化氫、臭氧、臭氧化水、氫氧化鈉、和/或用輻射來滅菌。典型地，使用蒸發(fā)的過氧化氫對該光生物反應(yīng)器的內(nèi)部表面、 并且任選地對所有附連的外圍部件進行滅菌?？梢詫⒍喾N滅菌方法用于包括多種低使用溫度材料的光生物反應(yīng)器、光生物反應(yīng)器陣列以及系統(tǒng)，對于這些材料而言使用常規(guī)滅菌方法例如使用蒸汽是不可能的。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的是可以將蒸發(fā)過氧化氫用于對這些光生物反應(yīng)器、光生物反應(yīng)器陣列以及系統(tǒng)進行滅菌從而允許對這些微生物進行培養(yǎng)同時防止(或抑制/降低)顯著的污染持續(xù)相當(dāng)長的時間。
本發(fā)明的太陽能收集系統(tǒng)(例如光生物反應(yīng)器)是由允許用蒸發(fā)的過氧化氫、臭氧、臭氧化水、氫氧化鈉、和/或輻射來滅菌的材料制成的，隨著時間流逝沒有顯著的材料降解。
本發(fā)明的另一個實施方案是用于制造感興趣的碳基產(chǎn)物的一種方法，包括(a) 使用蒸發(fā)的過氧化氫、臭氧、或輻射對如在此所述的一種太陽能收集系統(tǒng)(例如光生物反應(yīng)器)進行滅菌；以及(b)在該太陽能收集系統(tǒng)中(例如光生物反應(yīng)器)培養(yǎng)這些微生物從而生產(chǎn)出感興趣的碳基產(chǎn)物。
典型地，本發(fā)明的太陽能收集系統(tǒng)(例如光生物反應(yīng)器)可以被適配從而在添加培養(yǎng)基或采樣期間防止(減少或抑制)有菌空氣進入該太陽能收集系統(tǒng)(例如光生物反應(yīng)器)中。本發(fā)明的一個另外的實施方案是針對用于對本發(fā)明的光生物反應(yīng)器進行滅菌的方法。該方法包括使用電磁箱協(xié)調(diào)該光生物反應(yīng)器的閥、入口和出口的開和關(guān)。圖14提供了用于滅菌方法的裝置的一個圖示，該方法有助于確保在添加培養(yǎng)基和采樣期間有菌空氣不進入該反應(yīng)器中。
本發(fā)明要求的滅菌方法是時間有效的并且允許防止或至少緩解由不希望的物種例如細菌、真菌、原生動物或其他藻類物種造成的競爭，由此導(dǎo)致在典型操作期間污染物不顯著地存在。滅菌還可以允許在其生長期間該接種物的早期指數(shù)生長。在初始的停滯期以及指數(shù)生長期的早部分期間，該培養(yǎng)物可能處于被污染物例如假單胞菌或微小桿菌競爭掉的高度風(fēng)險下。因此，有效的滅菌方法可以確保在該光生物反應(yīng)器中僅培養(yǎng)出所希望的物種。在達到某一光密度之后，來自其他物種的污染和競爭的風(fēng)險得以降低。另外，滅菌的作用可以導(dǎo)致單種培養(yǎng)，這能夠增加產(chǎn)物的生產(chǎn)率。
滅菌的實例
使用用蒸發(fā)的過氧化氫對PBR講行滅菌
針對光生物反應(yīng)器使用蒸汽滅菌法示于圖11中。
將該光生物反應(yīng)器的內(nèi)部清潔并且干燥。將該PBR內(nèi)的濕度降低到過氧化氫露點以下。通過一個蒸發(fā)設(shè)備(例如Meris (美國泰瑞斯)“VHP ARD Mobile “裝置)將過氧化氫蒸發(fā)。以控制的速率將蒸發(fā)的HP吹入該PBR中，這樣使得將反應(yīng)器內(nèi)所有生物制劑殺死(即> 400ppm持續(xù)>30分鐘)。貫穿整個過程蒸發(fā)的HP不允許超過其露點。在煙熏之后，將VHP從該生物反應(yīng)器中放空直至VHP水平彡lppm?？梢允褂迷谄鹗紲缇饔弥爸糜谠撋锓磻?yīng)器內(nèi)的生物指示劑(Bi)來證明滅菌步驟的作用。
可以將這些生物指示劑置于該PBR內(nèi)的不同位置中。然后是該PBR經(jīng)受滅菌過程。 在滅菌之后，將BI取出并且置于培養(yǎng)基中。如果沒有生長，則這些BI已經(jīng)被滅活。每個BI 在其上具有106個生物體。無生長指示降低。
使用臭氧的滅菌方案
通過該臭氧方法對一個8mm光生物反應(yīng)器進行成功滅菌。
如圖12中所示建立了一個光生物反應(yīng)器。如下準(zhǔn)備了管道/過濾器配置并且在啟動該滅菌步驟之前進行高壓滅菌(30分鐘，il21°C )。將滅菌的管道/過濾器配置(圖 12)安裝到自動采樣模塊中。然后，將樣品模塊上的所有螺線管關(guān)閉并且進行驗證。然后將蓋移開并且將開放末端安裝到該“出口端”的底部中。使用樣品模塊來幫助確保在添加培養(yǎng)基和采樣期間有菌空氣不進入到反應(yīng)器中。這是通過協(xié)調(diào)正確閥的開放以及定時關(guān)閉來實現(xiàn)的。排氣管線連接到該625cm2瓶通氣口過濾器的出口側(cè)，以及該1300cm2排出空氣過濾器的出口側(cè)。兩個排氣管線安裝到一起并且共用管線進料到干燥器中并且然后進入臭氧分解模塊(圖13)中。
使用臭氧的滅菌步驟
圖13提供了連接到臭氧上以進行滅菌的PBR的一個示意圖。來自臭氧發(fā)生器(它通過一個氧氣罐進料)的管線連接到該空氣進口過濾器以及該“出口端”的側(cè)面端口上。 通過用螺旋夾子(或類似物)夾緊將該出口端管線關(guān)閉。將大致200-400mL去離子水添加到該PBR中。將氧氣進料打開并且將流速設(shè)定為2-5升/分鐘。在剛剛足以見到底部水箱中形成鼓泡時將出口端管線上的夾子打開。根據(jù)需要對氧氣流速進行再調(diào)節(jié)。將02測量儀和/或稀釋的液體清潔劑應(yīng)用到連接處針對滲漏對系統(tǒng)進行檢查。當(dāng)證實該系統(tǒng)工作正常時，將臭氧發(fā)生器打開。立即用臭氧監(jiān)測器針對滲漏對所有連接處進行再檢查。在滅菌的過程期間還對這些連接處進行定期檢查。還頻繁地對臭氧分解排氣進行檢查以證實該催化劑工作正常。執(zhí)行臭氧化作用持續(xù)約3小時。在臭氧化作用期間之后，將出口端上的夾子關(guān)閉。在關(guān)閉該臭氧發(fā)生器之前將這個端口關(guān)閉從而避免未滅菌的或未過濾的氣體進入該PBR。然后將該臭氧發(fā)生器關(guān)閉。允許氧氣繼續(xù)吹過該入口過濾器持續(xù)幾分鐘并且然后也將它關(guān)閉。沒有氣體吹過該系統(tǒng)。將該關(guān)閉的蝶形螺旋夾的有菌側(cè)上的管線斷開連接。 該裝置典型地留在原位持續(xù)約12小時從而允許該PBR中任何殘留的臭氧得以反應(yīng)。如果在該12小時等待期間之前必須將該裝置移動，這些管線應(yīng)當(dāng)首先被夾緊。將該入口空氣過濾器的無菌側(cè)上的管夾緊并且將來自有菌側(cè)的臭氧管線移開。將該625cm2瓶過濾器和該 1300cm2排氣空氣過濾器的無菌側(cè)上的管夾緊。然后將來自這些過濾器的管線移開。在該裝置已經(jīng)設(shè)置持續(xù)> 12小時之后，不再需要這些夾子。保持無菌性，在用培養(yǎng)基填充反應(yīng)器之前從反應(yīng)器中排水。
在無菌的PBR中培養(yǎng)藍細菌
在如上所述對PBR進行臭氧滅菌之后，將包含藍藻7002的一種接種物引入該PBR 中。關(guān)注這些接種物的無污染生長持續(xù)2周。
在此引用的所有專利、公開的專利申請以及文獻參考的相關(guān)傳授的內(nèi)容都通過引用以其全部內(nèi)容結(jié)合在此。
雖然通過參考其實例性的實施方案本發(fā)明已經(jīng)進行了具體的展示和說明，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是在不偏離由所附權(quán)利要求所包括的本發(fā)明的范圍下其中可以在形式和細節(jié)方面進行多種改變。
權(quán)利要求
1.一種光生物反應(yīng)器，包括(a)一個反應(yīng)室，該反應(yīng)室用于包括該光養(yǎng)型微生物以及它的培養(yǎng)基；以及(b)一個熱能系統(tǒng)；其中對于一種波長的光而言該反應(yīng)室是至少一部分是透明的，該波長的光在該光養(yǎng)型微生物體內(nèi)是光合有效的，并且該反應(yīng)室和熱能系統(tǒng)可控地?zé)峤佑|。
2.如權(quán)利要求1所述的光生物反應(yīng)器，其中該反應(yīng)室和該熱能系統(tǒng)是該光生物反應(yīng)器的一個整體部分。
3.如權(quán)利要求1所述的光生物反應(yīng)器，其中該反應(yīng)室和該熱能系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)上連接的并且緊密接近。
4.如權(quán)利要求1所述的光生物反應(yīng)器，其中處于可控?zé)峤佑|的該熱能系統(tǒng)鄰接該反應(yīng)室，并且處于減少熱接觸的該熱能系統(tǒng)是至少部分空間上離開該反應(yīng)室。
5.如權(quán)利要求1所述的光生物反應(yīng)器，進一步包括一個(c)熱控制層，其中該熱控制層提供該可控的熱接觸。
6.如權(quán)利要求5所述的光生物反應(yīng)器，該熱控制層被適配以控制該反應(yīng)室與該熱能系統(tǒng)之間的空間距離。
7.如權(quán)利要求5或6所述的光生物反應(yīng)器，其中該熱控制層包括用于包含一種流體的一個外殼。
8.如權(quán)利要求7所述的光生物反應(yīng)器，其中該流體是一種氣體并且該外殼是柔性的從而允許在缺少該氣體下該反應(yīng)室與該熱能系統(tǒng)之間顯著的結(jié)構(gòu)性接觸和熱接觸以及在該氣體存在下減少的或沒有結(jié)構(gòu)性接觸和熱接觸。
9.如權(quán)利要求8所述的光生物反應(yīng)器，其中在與該熱控制層接觸的一個區(qū)域中該反應(yīng)室是由柔性材料制造的。
10.如權(quán)利要求7所述的光生物反應(yīng)器，其中該反應(yīng)室的一部分是一個塑料層，該塑料層還是該熱控制層外殼的一部分。
11.如權(quán)利要求8所述的光生物反應(yīng)器，其中該氣體包括空氣。
12.如權(quán)利要求7所述的光生物反應(yīng)器，其中該流體是一種液體，并且通過該外殼和液體在該反應(yīng)室與該熱能系統(tǒng)之間提供了熱接觸，并且在缺少該液體下提供了減少的或沒有熱接觸。
13.如以上任一權(quán)利要求所述的光生物反應(yīng)器，其中該熱能系統(tǒng)是用于包含一種熱交換流體的一個熱交換室。
14.如權(quán)利要求12所述的光生物反應(yīng)器，其中在與該熱控制層接觸的一個區(qū)域中該熱交換室是由一種柔性材料制造的。
15.如權(quán)利要求1至14中任何一項所述的光生物反應(yīng)器，其中該光生物反應(yīng)器包括多個反應(yīng)室并且每個反應(yīng)室都獨立地與該熱能系統(tǒng)可控地?zé)峤佑|。
16.如權(quán)利要求1至14中任何一項所述的光生物反應(yīng)器，其中該光生物反應(yīng)器包括多個反應(yīng)室和多個熱交換室，并且每個反應(yīng)室都獨立地與一個對應(yīng)的熱交換室可控地?zé)峤佑|。
17.如以上任一權(quán)利要求所述的光生物反應(yīng)器，其中該光生物反應(yīng)器包括多個反應(yīng)室以及多個熱交換室，這些反應(yīng)室是基本上彼此平行地定位的通道并且提供了該光生物反應(yīng)器的一個第一側(cè)面，這些熱交換室是基本上彼此平行定位的通道并且提供了與該第一側(cè)面相對的一個第二側(cè)面，并且這些反應(yīng)室和熱交換室被一個熱控制層隔開。
18.如以上任一權(quán)利要求所述的光生物反應(yīng)器，其中用于控制培養(yǎng)基的溫度的平均日冷卻功率需求量是小于2. 5W/m2。
19.如以上任一權(quán)利要求所述的光生物反應(yīng)器，其中設(shè)計該反應(yīng)室和熱能系統(tǒng)用于被動熱調(diào)節(jié)。
20.如以上任一權(quán)利要求所述的光生物反應(yīng)器，其中該光生物反應(yīng)器被適配以漂浮在水上。
21.如以上任一權(quán)利要求所述的光生物反應(yīng)器，其中該熱能系統(tǒng)被適配以部分地包埋在地中。
22.—種光生物反應(yīng)器，包括(a)一個反應(yīng)室，該反應(yīng)室用于包括一種光養(yǎng)型微生物以及它的培養(yǎng)基；(b)一個熱交換室，該熱交換室用于包含一種熱交換流體；以及(c)一個熱控制層，該熱控制層位于該反應(yīng)室與該熱交換室之間；其中對于一種波長的光而言該反應(yīng)室的至少一部分是透明的，該波長的光在該光養(yǎng)型微生物體內(nèi)是光合有效的，并且該熱控制層在該熱控制層的一個第一側(cè)面上與該反應(yīng)室鄰接、并且在該熱控制層的一個第二側(cè)面上與該熱交換體積鄰接，并且該熱控制層被適配用來控制該培養(yǎng)基與該熱交換流體之間的熱交換。
23.—種太陽能收集系統(tǒng)，包括(a)一種光生物反應(yīng)器，包括(i) 一個反應(yīng)室，該反應(yīng)室用于包括一種光養(yǎng)型微生物以及它的培養(yǎng)基；以及( ) 一個熱交換室，該熱交換室用于包含一種熱交換流體；其中該反應(yīng)室和熱交換室可控地?zé)峤佑|；(b)一個冷卻設(shè)備，該冷卻設(shè)備被適配用于控制地冷卻該熱交換流體；其中對于一種波長的光而言該反應(yīng)室的至少一部分是透明的，該波長的光在該光養(yǎng)型微生物體內(nèi)是光合有效的。
24.如權(quán)利要求21所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中該反應(yīng)室包含一種培養(yǎng)基并且基本上水平地定位從而在該反應(yīng)室內(nèi)在該培養(yǎng)基上提供一個頂部空間。
25.如權(quán)利要求23所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中該冷卻設(shè)備包括一個風(fēng)扇，以及用于該熱交換流體流動的多個管，這些管被成形并且定位用來支持被該風(fēng)扇影響的空氣流中的熱交換流體的冷卻。
26.如權(quán)利要求23所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中該反應(yīng)室包含一種培養(yǎng)基并且被基本上水平地定位用來在該反應(yīng)室中在該培養(yǎng)基上提供一個頂部空間，該反應(yīng)室面朝上用來接收太陽能并且該熱交換室被部分地包埋在地中。
27.如權(quán)利要求23所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中該光生物反應(yīng)器被適配并且被配置以漂浮在水上，該反應(yīng)室包含一種培養(yǎng)基并且基本上水平地定位從而在該反應(yīng)室中在該培養(yǎng)基上提供一個頂部空間，該反應(yīng)室面朝上用于接收太陽能，并且該熱交換室被水部分地圍繞。
28.如權(quán)利要求23至27中任何一項所述的太陽能收集系統(tǒng)，包括多個光生物反應(yīng)器，這些光生物反應(yīng)器的熱交換流體被該冷卻設(shè)備可控地冷卻。
29.如權(quán)利要求23所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中該反應(yīng)室和該熱交換室是該光生物反應(yīng)器的一個整體部分。
30.如權(quán)利要求23所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中該反應(yīng)室和該熱交換室是結(jié)構(gòu)上連接的并且緊密接近。
31.如權(quán)利要求23所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中處于控制地?zé)峤佑|的該熱交換室與該反應(yīng)室鄰接，并且處于減少的熱接觸的該熱交換室是至少部分地空間上離開該反應(yīng)室。
32.如權(quán)利要求23所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中該光生物反應(yīng)器進一步包括(iii)一個熱控制層，其中該熱控制層提供該可控的熱接觸。
33.如權(quán)利要求32所述的太陽能收集系統(tǒng)，該熱控制層被適配以控制該反應(yīng)室與該熱交換室之間的空間距離。
34.如權(quán)利要求32或33所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中該熱控制層包括用于包含一種流體的一個外殼。
35.如權(quán)利要求34所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中該流體是一種氣體并且該外殼是柔性的從而允許在缺少該氣體下該反應(yīng)室與該熱交換室之間顯著的結(jié)構(gòu)性接觸和熱接觸以及在該氣體存在下減少的或沒有結(jié)構(gòu)性接觸和熱接觸。
36.如權(quán)利要求35所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中在與該熱控制層接觸的一個區(qū)域中該反應(yīng)室是由一種柔性材料制造的。
37.如權(quán)利要求34所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中該反應(yīng)室的一部分是一個塑料層，該塑料層還是該熱控制層外殼的一部分。
38.如權(quán)利要求35所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中該氣體包括空氣。
39.如權(quán)利要求34所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中該流體是一種液體，并且通過該外殼和液體在該反應(yīng)室與該熱交換室之間提供了熱接觸，并且在缺少該液體下提供了減少的或沒有熱接觸。
40.如權(quán)利要求39所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中在與該熱控制層接觸的一個區(qū)域中該熱交換室是由一種柔性材料制造的。
41.如權(quán)利要求23至40中任何一項所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中該光生物反應(yīng)器包括多個反應(yīng)室并且每個反應(yīng)室都獨立地與該熱交換室可控地?zé)峤佑|。
42.如權(quán)利要求23至40中任何一項所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中該光生物反應(yīng)器包括多個反應(yīng)室和多個熱交換室，并且每個反應(yīng)室都獨立地與一個對應(yīng)的熱交換室可控地?zé)峤佑|。
43.如權(quán)利要求23至42中任何一項所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中該光生物反應(yīng)器包括多個反應(yīng)室以及多個熱交換室，這些反應(yīng)室是基本上彼此平行地定位的通道并且提供了該光生物反應(yīng)器的一個第一側(cè)面，這些熱交換室是基本上彼此平行定位的通道并且提供了與該第一側(cè)面相對的一個第二側(cè)面，并且這些反應(yīng)室和熱交換室被一個熱控制層隔開。
44.如權(quán)利要求23至43中任何一項所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中用于控制培養(yǎng)基的溫度的平均日冷卻功率需求量是小于2. 5W/m2。
45.如權(quán)利要求23至44中任何一項所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中設(shè)計該反應(yīng)室和熱交換室用于被動熱調(diào)節(jié)。
46.一種在光生物反應(yīng)器中用于對包含光養(yǎng)型生物的培養(yǎng)基進行熱控制的方法，該方法包括(a)對該光生物反應(yīng)器的反應(yīng)室中包含的培養(yǎng)基的溫度進行測量，該反應(yīng)室基本上水平地定位從而在該液體培養(yǎng)物上提供一個頂部空間；其中對于一種波長的光而言該反應(yīng)室的至少一部分是透明的，該波長的光在該光養(yǎng)型微生物體內(nèi)是光合有效的；(b)對熱交換室內(nèi)包含的熱交換液體的溫度進行測量，該熱交換室和該反應(yīng)室結(jié)構(gòu)上連接到一個熱控制層上，該熱控制層定位在該熱交換室與該反應(yīng)室之間；其中該熱控制層被適配用來包含一種流體；(c)確定該反應(yīng)室與該熱交換室之間熱接觸的改變是否是希望的；并且(d)如果熱接觸的改變是希望的，則改變該熱控制層中的流體存在。
47.如權(quán)利要求46所述的方法，其中改變流體存在包括，如果該熱交換室與該反應(yīng)室之間降低的熱接觸、以及因此該培養(yǎng)基和該熱交換液體之間減少的熱交換是希望的，則用一種氣體使該熱控制層膨脹。
48.如權(quán)利要求47所述的方法，其中改變流體存在進一步包括，如果該熱交換室與該反應(yīng)室之間的熱接觸、以及因此該培養(yǎng)基和該熱交換液體之間的熱交換是希望的，則使該熱控制層縮小。
49.如權(quán)利要求48所述的方法，其中該熱控制層具有一個柔性外殼，這允許當(dāng)縮小時該熱控制層塌縮從而在該熱交換室與該反應(yīng)室之間建立熱接觸。
50.如權(quán)利要求47所述的方法，其中改變流體存在進一步包括，如果該熱交換室與該反應(yīng)室之間的熱接觸、以及因此該培養(yǎng)基和該熱交換液體之間的熱交換是希望的，則用一種液體來填充該熱控制層。
51.如權(quán)利要求46至50中任何一項所述的方法，進一步包括(e)用該光生物反應(yīng)器外部的一個冷卻設(shè)備將來自熱交換室的熱交換流體冷卻。
52.如權(quán)利要求46至51中任何一項所述的方法，進一步包括(f)使氣體流動通過該頂部空間，其中對通過該頂部空間的氣體流量進行部分地調(diào)節(jié)，用于對該培養(yǎng)基進行熱控制。
53.如權(quán)利要求1至22中任何一項所述的光生物反應(yīng)器，其中該一個或多個反應(yīng)室以及該熱能系統(tǒng)基本上是由薄膜材料制造的，并且該光生物反應(yīng)器被結(jié)構(gòu)地適配用于水平地安置在地上和/或用于漂浮在水上。
54.如權(quán)利要求23至45中任何一項所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中該一個或多個反應(yīng)室以及該熱交換室基本上是由薄膜材料制造的，并且該光生物反應(yīng)器被結(jié)構(gòu)地適配用于水平地安置在地上和/或用于漂浮在水上。
55.一種光生物反應(yīng)器，包括(a)一個反應(yīng)室，該反應(yīng)室用于包括該光養(yǎng)型微生物以及它的培養(yǎng)基；以及(b)一個熱交換室，該熱交換室用于包含一種熱交換液體；其中對于一種波長的光而言該反應(yīng)室的至少一部分是透明的，該波長的光在該光養(yǎng)型微生物體內(nèi)是光合有效的，并且該反應(yīng)室和熱交換室基本上通過一個分離層進行熱接觸。
56.如權(quán)利要求55所述的光生物反應(yīng)器，其中該反應(yīng)室和該熱交換室是該光生物反應(yīng)器的一個整體部分。
57.如權(quán)利要求55所述的光生物反應(yīng)器，其中該反應(yīng)室和該熱交換室是結(jié)構(gòu)上連接的并且緊密接近。
58.如權(quán)利要求55所述的光生物反應(yīng)器，其中該熱交換室與該反應(yīng)室鄰接，并且該分離層是一種聚合物薄片。
59.如權(quán)利要求55所述的光生物反應(yīng)器，其中該反應(yīng)室以及該熱交換室是由薄膜材料制造的，并且該光生物反應(yīng)器被結(jié)構(gòu)地適配用于水平地安置在地上和/或用于漂浮在水上。
60.如權(quán)利要求55至59中任何一項所述的光生物反應(yīng)器，其中設(shè)計該反應(yīng)室和熱交換室用于被動熱調(diào)節(jié)。
61.如權(quán)利要求55至60中任何一項所述的光生物反應(yīng)器，其中該光生物反應(yīng)器被適配以漂浮在水上。
62.如權(quán)利要求55至60中任何一項所述的光生物反應(yīng)器，其中該熱交換室被適配以部分地包埋在地中。
63.如權(quán)利要求55至60中任何一項所述的光生物反應(yīng)器，進一步包括位于該反應(yīng)室與該熱交換室之間的一個熱控制層，該熱控制層提供它們之間可控的熱接觸。
64.一種太陽能收集系統(tǒng)，包括(a)一種光生物反應(yīng)器，包括(i) 一個反應(yīng)室，該反應(yīng)室用于包括一種光養(yǎng)型微生物以及它的培養(yǎng)基；以及( ) 一個熱交換室，該熱交換室用于包含一種熱交換流體；其中該反應(yīng)室和熱交換室是基本上通過一個分離層進行熱接觸的；(b)一個冷卻設(shè)備，該冷卻設(shè)備被適配用于控制地冷卻和/或交換熱交換流體；其中對于一種波長的光而言該反應(yīng)室的至少一部分是透明的，該波長的光在該光養(yǎng)型微生物體內(nèi)是光合有效的。
65.如權(quán)利要求64所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中該反應(yīng)室包含一種培養(yǎng)基并且基本上水平地定位從而在該反應(yīng)室內(nèi)在該培養(yǎng)基上提供一個頂部空間。
66.如權(quán)利要求64所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中該冷卻設(shè)備包括一個泵，以及用于該熱交換流體流動的多個管，這些管被成形并且定位用來支持被該泵影響的空氣流中的熱交換流體的冷卻。
67.如權(quán)利要求64所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中該反應(yīng)室包含一種培養(yǎng)基并且被基本上水平地定位用來在該反應(yīng)室中在該培養(yǎng)基上提供一個頂部空間，該反應(yīng)室面朝上用來接收太陽能并且該熱交換室被部分地包埋在地中。
68.如權(quán)利要求64所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中該光生物反應(yīng)器被適配并且被配置以漂浮在水上，該反應(yīng)室包含一種培養(yǎng)基并且基本上水平地定位從而在該反應(yīng)室中在該培養(yǎng)基上提供一個頂部空間，該反應(yīng)室面朝上用于接收太陽能，并且該熱交換室被水部分地圍繞。
69.如權(quán)利要求64至68中任何一項所述的太陽能收集系統(tǒng)，包括多個光生物反應(yīng)器， 這些光生物反應(yīng)器的熱交換流體被該冷卻設(shè)備可控地冷卻和/或交換。
70.如權(quán)利要求64所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中該反應(yīng)室和該熱交換室是該光生物反應(yīng)器的一個整體部分。
71.如權(quán)利要求64所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中該反應(yīng)室和該熱交換室是結(jié)構(gòu)上連接的并且緊密接近。
72.如權(quán)利要求64所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中該熱交換室與該反應(yīng)室鄰接，并且該分離層是一種聚合物薄片。
73.如權(quán)利要求64所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中該反應(yīng)室以及該熱交換室是由薄膜材料制造的，并且該光生物反應(yīng)器被結(jié)構(gòu)地適配用于水平地安置在地上和/或用于漂浮在水上。
74.如權(quán)利要求64至73中任何一項所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中該冷卻設(shè)備可控地交換來自該熱交換室的熱交換液體。
75.如權(quán)利要求74所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中該熱交換液體是水并且該冷卻設(shè)備用來自不同來源的冷卻器水可控地交換來自該熱交換室的水。
76.如權(quán)利要求75所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中該光生物反應(yīng)器漂浮在水上，并且該冷卻設(shè)備用該光生物反應(yīng)器漂浮于其上的水可控地交換來自該熱交換體積的水。
77.如權(quán)利要求64至76中任何一項所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中該光生物反應(yīng)器包括多個反應(yīng)室并且每個反應(yīng)室都獨立地基本上通過一個分離層與該熱交換室進行熱接觸。
78.如權(quán)利要求64至76中任何一項所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中該光生物反應(yīng)器包括多個反應(yīng)室和多個熱交換室，并且每個反應(yīng)室都獨立地基本上通過一個分離層與一個對應(yīng)的熱交換室進行熱接觸。
79.如權(quán)利要求64至78中任何一項所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中該光生物反應(yīng)器包括多個反應(yīng)室以及多個熱交換室，這些反應(yīng)室是基本上彼此平行地定位的通道并且提供了該光生物反應(yīng)器的一個第一側(cè)面，這些熱交換室是基本上彼此平行定位的通道并且提供了與該第一側(cè)面相對的一個第二側(cè)面，并且這些反應(yīng)室和熱交換室被一個分離層隔開。
80.根據(jù)權(quán)利要求64至79中任何一項所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中設(shè)計該反應(yīng)室和熱能系統(tǒng)用于被動熱調(diào)節(jié)。
81.如權(quán)利要求64至79中任何一項所述的太陽能收集系統(tǒng)，其中該光生物反應(yīng)器進一步包括位于該反應(yīng)室與該熱交換室之間的一個熱控制層，該熱控制層提供它們之間可控的熱接觸。
82.如權(quán)利要求1至21中任何一項所述的光生物反應(yīng)器，其中通過一個可膨脹的熱控制層提供了該可控的熱接觸。
83.如權(quán)利要求82所述的光生物反應(yīng)器，其中該反應(yīng)室是柔性適配的用來對該可膨脹的熱控制層進行膨脹。
84.如權(quán)利要求83所述的光生物反應(yīng)器，包括多個反應(yīng)室，這些反應(yīng)室是柔性適配的從而對該可膨脹的熱控制層進行膨脹。
85.如權(quán)利要求84所述的光生物反應(yīng)器，其中這些反應(yīng)室與該可膨脹的熱控制層鄰近。
86.如權(quán)利要求82至85中任何一項所述的光生物反應(yīng)器，其中在相對于反應(yīng)室的該可膨脹熱控制層的側(cè)面上該可膨脹的熱控制層與該熱能系統(tǒng)鄰接。
87.如權(quán)利要求86所述的光生物反應(yīng)器，其中當(dāng)空的時該這些反應(yīng)室是可壓縮的，并且在這些反應(yīng)室中存在顯著數(shù)量的培養(yǎng)基的情況下形成凸起的外殼。
88.如權(quán)利要求1至21中任何一項所述的光生物反應(yīng)器，包括多個反應(yīng)室，其中通過一個可膨脹的熱控制層提供了可控的熱接觸，這些反應(yīng)室與該熱控制層的一個側(cè)面鄰接并且是柔性適配的從而對該可膨脹的熱控制層進行膨脹，并且該熱能系統(tǒng)與這些反應(yīng)室相對的該可膨脹的熱控制層的側(cè)面鄰接。
89.如權(quán)利要求1至21中任何一項所述的光生物反應(yīng)器，包括一個或多個反應(yīng)室，其中通過包括多個體積的一個可膨脹的熱控制層提供了可控的熱接觸。
90.如權(quán)利要求89所述的光生物反應(yīng)器，這些體積被適配以用液體填充至不同程度從而提供了這些反應(yīng)室的傾斜。
91.如權(quán)利要求90所述的光生物反應(yīng)器，其中這些反應(yīng)室與該熱控制層的一個側(cè)面鄰接并且是柔性適配的從而對該可膨脹的熱控制層進行膨脹，并且該熱能系統(tǒng)與這些反應(yīng)室相對的該可膨脹的熱控制層的側(cè)面鄰接。
92.如權(quán)利要求1至21中任何一項所述的光生物反應(yīng)器，包括一個或多個反應(yīng)室，其中通過一個可膨脹的熱控制層提供了可控的熱接觸，并且該熱能系統(tǒng)包括多個可膨脹的熱交換室。
93.如權(quán)利要求92所述的光生物反應(yīng)器，這些這些熱交換室被適配以用液體填充至不同程度從而提供了這些反應(yīng)室的傾斜。
94.如權(quán)利要求93所述的光生物反應(yīng)器，其中這些反應(yīng)室與該熱控制層的一個側(cè)面鄰接并且是柔性適配的從而對該可膨脹的熱控制層進行膨脹，并且這些熱交換室與這些反應(yīng)室相對的該可膨脹的熱控制層的側(cè)面鄰接。
95.如以上任一權(quán)利要求所述的光生物反應(yīng)器，被適配以用蒸發(fā)的過氧化氫、臭氧、或輻射來滅菌，并且由當(dāng)用蒸發(fā)的過氧化氫、臭氧、氫氧化鈉或輻射來滅菌時基本上不降解的材料制成。
96.如以上任一權(quán)利要求所述的光生物反應(yīng)器，被適配以支撐或懸浮在地面上。
全文摘要
本發(fā)明提供了光生物反應(yīng)器、太陽能收集系統(tǒng)、以及在光生物反應(yīng)器中用于對包含光養(yǎng)型生物的培養(yǎng)基進行熱控制的方法，這允許以成本有效方式進行溫度控制，降低了用于對光生物反應(yīng)器中包含光養(yǎng)型微生物的培養(yǎng)基進行溫度控制所需要的能量。
文檔編號C12M1/00GK102498200SQ201080031971
公開日2012年6月13日 申請日期2010年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月28日
發(fā)明者F·M·莫甘, J·范瓦爾森, S·A·雅各布森 申請人:焦耳無限科技公司