生产生物物质和减少烟道气中污染物所用的 光生物反应器和工艺过程

相关申请本专利申请要求60/380,179号美国临时专利申请的优先权。该临时专利申请的标题为“减少烟道气所用的光生物化反应器和工艺过程”，于2002年5月13日提交；该临时专利申请在此通过引证被并入本文。

发明领域本发明一般涉及光生物反应器以及操作和使用光生物反应器进行气体处理的工艺过程，例如对烟道气进行处理的工艺过程。

发明背景仅在美国就有400家烧煤的发电厂，这400家发电厂是1600家发电厂和另外10,000家化石燃料发电厂的一部分。虽然以煤为燃料的发电厂是所有化石燃料用户中造成污染最严重的，但以石油和天然气为燃料的发电厂也产生烟道气(燃烧气体)，这些烟道气体可能含有二氧化碳、氮氧化物、硫的氧化物、汞、含汞的化合物、尘粒以及其他污染物。

光合作用是生物圈中碳进行循环的机制。在这一过程中，具有光合作用功能的生物体，例如植物体通过将二氧化碳固定下来而合成碳水化合物和其他细胞物质。将二氧化碳和太阳能转化成生物物质的最有效转化者之一就是藻类生物，藻类生物是地球上生长速度最快的植物，也是自然界中最简单的微生物之一。事实上，输送到藻类生物的二氧化碳中90％以上被藻类生物所吸收，大部分二氧化碳生成了细胞物质。(见Sheehan John、DunahayFerri、Benemann John R.、Roessler Paul发表的“美国能源部水生物种计划回顾：从藻类生物中提取生物柴油”，1998，NERL/TP-580-24190，此后称为“Sheehan等人1998”)。此外，藻类生物能够在不适合农作物生长的咸水中生长。

使用藻类生物技术使二氧化碳进行生物再生具有优势，因为这样可将废二氧化碳气体生成有用的高价值产品。在对燃烧气体进行处理，从而减少二氧化碳的过程中，将二氧化碳转体转化成藻类生物物质是一个具有吸引力的概念，因为干燥的藻类生物所具有的热值大致与煤炭相同。藻类生物还可通过已知的热化学转化技术转化成高质量的液体燃料(与原油相似的燃料)。藻类生物还可气化成可燃性高的有机燃料气，这种有机燃料气适用于燃气发电厂。(例如见Reed T.B.和Gaur S.发表的“生物物质气化调查”，NREL，2001，此后称为“Reed和Guar 2001”)。

在光合作用过程中，每固定1摩尔的二氧化碳便可在植物中存储约114大卡(477千焦)的自由能。藻类生物所进行的光合作用约占全球净光合作用的三分之一。光合作用可用下面的方程进行简单的表示：

其中(CH2O)是含碳生物物质的通用化学分子式。

虽然光合作用是将太阳辐射出的能量转化成生物物质的基本条件，但能够驱动光合作用的光能(波长在400～700纳米，这只是全部太阳能的一半左右)波长却限制了这种能量转化的效率。其他因素，比如呼吸需求(在没有光线期间)、太阳光吸收效率以及其他生长条件都会对藻类生物反应器的光合作用效率发生影响。所以，光合作用的净效率可从野外(开放的池塘型反应器)的6％到最高的实验室规模光生物反应器的24％。

藻类生物也可用来除去燃烧气体中氮氧化物(见NagaseHiroyasu、Ken-Ichi Yoshihara、Kaoru Eguchi、Yoshiko Yokota、Rie Matsui、Kazumasa Hitata以及Kazuhisa Miyamoto在《发酵及生物工程》杂志上发表的“在DT系统中通过生物法除去烟道气中氮氧化物过程的特性”，83，1997，此后称为“Hiroyasu等人1997”)。某些藻类生物可在较宽的氮氧化物浓度范围内及不同的燃烧气体流量下除去氮氧化物。一氧化氮是氮氧化物的主要成分，一氧化氮可溶于水中，此后被氧化成二氧化氮，并被藻类细胞所吸收。下面的方程表明了溶解的一氧化氮与溶解氧发生的反应：

溶解的二氧化氮然后被藻类生物用作氮源，这些二氧化氮有一部分被转化成了氮气。一氧化氮在水中的溶解过程被认为是脱除氮氧化物过程的速率控制步骤。这一溶解过程可由下列方程描述，其中K是取决于温度的速度常数：-d[NO]/dt＝4k[NO]2[O2]

举例而言，使用杜氏属藻类生物脱除氮氧化物既可在有光线的条件下进行，也可在黑暗的条件下进行，氮氧化物的脱除效率超过了96％(在有光线的条件下)。

已经有人提议采用藻类生物技术生产燃料。在过去18年中，美国能源部资助了一系列广泛的研究工作，这些研究工作致力于从藻类生物开发出新型的运输用燃料(见Sheehan John、DunahayFerri、Benemann John R.、Roessler Paul发表的“美国能源部水生物种计划回顾：从藻类生物中提取生物柴油”，1998，NERL/TP-580-24190，此后称为“Sheehan等人1998”)。在日本，政府组织和私营公司共同投资了2.5亿多美元从事藻类生物技术研究。每项研究计划都采用了不同的方法，但由于各种问题，这些计划中至今未有一项在商业上取得成功，本发明的某些实施方案解决了这些问题。

可行的藻类生物再生及减少污染的一大障碍就是如何得到高效的且低成本的生长系统。美国能源部的研究主要集中于在4平方公里的开放池塘中如何使藻类生物大量地生长。这些池塘所需的基本投资很低，但在开放的以及未加控制的环境中生长导致了藻类的生长率很低。这种开放式池塘技术使藻类生物的生长和收获费用极高，因为大量的稀释用水需要使用很大的搅拌器、水泵和离心设备。此外，由于藻类生长率低以及较大的平地需求，这种方法充其量也就只能用于美国1％的发电量。另一方面。日本的方法对土地有严格的限制，该方法主要是对使用光纤进行光线传导的闭合型藻类生物反应器进行研究。在这些受控的环境中，虽然可达到更高的生长率，但藻类生物的生长速度不足以抵消所用系统的投资成本。

典型的传统光生物反应器有几种形式，比如圆柱形反应器或管式反应器，Yoger等人的5,958,761号美国专利举例出了这样的反应器。当水平放置时，这些反应器通常需在外部提供能量进行混合(比如需要泵)，因而大大地增加了基本投资及操作费用。在水平放置时，光合作用所产生的氧气被阻挡在系统中，因此导致了藻类生物繁殖的下降。其他已知的光生物反应器是竖直放置的并由气泡进行搅拌。许多这样的光生物反应器以“气泡柱”形式进行操作，这一点将在以后进行说明。某些已知的光生物的反应器是依靠人工光线进行操作的，比如依靠荧光灯进行操作(如K0do等人在6,083,740号美国专利中所述的荧光灯)。不使用太阳能而只依靠人工光源进行工作的光生物反应器可能需要巨大的能源投入。

许多传统的光生物反应器由圆柱形藻类光生物反应器组成，这些反应器被归类为“气泡柱式反应器”，或被归类为“气提式反应器”。气泡柱式反应器通常为大口径的透明容器，其中充有液体介质，藻类生物悬浮于液体介质中，反应器的底部有气泡鼓出。由于反应器内没有准确限定的气体流动线路，所以很难控制该反应系统的混合性质，这有可能导致传质系数低下、光调节效果差以及藻类生物生长率低。气提式反应器通常由竖直放置的同心管状容器组成，气体从内管的底部鼓出。内管底部所建立的压力梯度形成了环形液流(在内管中液体向上流动，在管间液体向下流动)。外管是由透明材料制造的，而内管通常是不透明的。因此，当在两管之间流动时，藻类生物暴露在光线之下，当在内管中流动时，藻类生物处于黑暗之中。这种明—暗交替循环是由反应器的几何结构(高度、管径)以及操作参数(比如气体流量)所决定的。与气泡柱式反应器相比，气提式反应器具有更高的传质系数，藻类生物的生长率也更高。然而，对气提式反应器内的流动模式进行控制，从而达到所需的混合程度和光调节效果是比较困难的。此外，在室外大规模的藻类生物生长中，由于反应器几何尺寸的限制，这两种圆柱形光生物反应器的生长率都很低，这是由与光线反射以及自遮蔽效应(一个反应柱将另一个反应柱遮住)相关的因素造成的。

发明概述本发明的某些实施方案和方面涉及到光生物反应器、使用光生物反应器的系统的方法、控制和操作光生物反应器及光生物反应器系统的方法和系统、使藻类菌株进行预适应过程以生产这种藻类菌株的方法和系统、集成化燃烧/气体处理/含碳燃料循环方法和系统。

在第一组实施方案中，一系列的光生物反应器、光生物反应器系统以及气体处理系统将被说明。在第一个实施方案中将要说明一种气体处理系统，该气体处理系统由光生物反应器构成，该光生物反应器中含有液体介质，其中液体介质中又含有至少一种具有光合作用功能的生物体；该光生物反应器中至少有一部分可将光线传递到这种具有光合作用功能的生物体上，光生物反应器带有入口，该入口与所要处理的气体相连，液体循环器可使液体介质在光生物反应器中建立流动，经过处理的气体从光生物反应器所具有的出口释放出去，该气体处理系统中还带有计算机执行系统，该计算机执行系统对光生物反应器内的液体流动模式进行模拟，并根据模拟结果计算出具有光合作用功能的生物体暴露在足以驱动光合作用发生的光线强度下的第一时间间隔，并计算机出具光合作用功能的生物体暴露在黑暗条件下或暴露在不足以驱动光合作用发生的光线强度下的第二时间间隔，同时控制生物反应器内液体介质的流量，从而得到选定的第一时间间隔和第二时间间隔。

在另一实施方案中将要说明使用光生物反应器对气体进行处理的系统，该光生物反应器带有建立液体介质流动的装置，光生物反应器中的液体介质至少含有一种具有光合作用功能的生物体；该光生物反应器带有使至少一部分光生物反应器以及至少一种具有光合作用功能的生物体暴露在能够驱动光合作用的光源之下；该光生物反应器带有计算装置，该计算装置可计算出具有光合作用功能的生物体在光生物反应器中达到预定生长率所需的第一时间间隔和第二时间间隔，其中在第一时间间隔内，具有光合作用功能的生物体暴露在其强度足以驱动光合作用发生的光线下，在第二时间间隔内，具有光合作用功能的生物体暴露在黑暗条件下，或暴露在其强度不足以驱动光合作用发生的光线下；该气体处理系统还带有控制光生物反应器内液体介质流动的装置，该控制装置根据在计算步骤中所确定的时间间隔而控制光生物反应器中液体介质的流动。

在另一实施方案中将说明光生物反应器设备，该光生物反应器设备至少包括第一、第二和第三导管，这三个导管间彼此相连，并且有流体流动，这些导管中至少有一根导管的至少一部分可透过具有能够驱动光合作用波长的光线，这些导管合在一起形成了光生物反应器内液体介质的流动回路，液体介质从起点流经第一、第二、第三导管后返回到起点；第一、第二及第三导管的结构及排列方式可使至少一根导管与水平面形成一定的角度，这一角度与至少另一根导管与水平面所形成的角度不同，其中至少一根导管与水平面所形成的角度大于10°小于90°。

在另一实施方案中将说明光生物反应器系统，该光生物反应器系统由光生物反应器组成，其中光生物反应器至少由第一和第二导管组成，这两个导管彼此相连，并且有流体流动；至少一根导管的至少一部分可透过具有能够驱动光合作用波长的光线；第一气体分配器将气流引入到第一导管中，第二气流分配器将气流引入第二导管中，光生物反应器至少带有一个出口，该出口将气体从光生物反应中释放出去，光生物反应器系统的控制器可对光生物反应器所处理气体的总流量以及气体在第一分配器和第二分配器之间的分配进行控制，从而使第一导管中液体流动的方向与第一导管中气泡流动的方向相反，并使第二导管中液体流动的方向与第二导管中气泡的流动方向相同。

本发明的另一实施方案将对一种光生物反应器设备进行说明，该光生物反应设备包括细长的外壳，该外壳的纵轴线基本上处于水平状态，并且至少有一个表面可透过具有驱动光合作用发生的波长的光线；在细长形外壳的内部有一个细长的内室，细长内室的纵轴基本上与外壳的纵轴相对齐，细长的外壳与细长的内室共同构成了一个两端被封闭起来的环形容器，其中环形容器形成了一个流动回路，这一回路使光生物反应器中的液体介质从起点开始经过细长内室的周边后返回到起点区域。

本发明的另一实施方案将对一种光生物反应器设备进行说明，该光生物反应器设备由含有液体介质的容器构成，其中液体介质中至少含有一种具有光合作用功能的生物体，该容器外壁上至少一部分可至少部分地透过其波长能够驱动光合作用的光线，该容器外壁的内表面上至少有一部分涂有一层生物相容物质，该生物相容物质有至少在温度达到约45℃时仍为固体，该生物相容物质的熔化温度低于其覆盖的容器外壁的熔化温度。

本发明的另一实施方案中将对由光生物反应器和气体处理设备构成的气体处理系统进行说明，其中气体处理设备与光生物反应器相连，并有流体流过。光生物反应器能够至少将一部分硫的氧化物、汞以及含汞化合物从气体中除去。

在另一系列实施方案中将对使用光生物反应器的方法以及控制和操作光生物反应器和光生物反应器系统的方法进行说明。在某一实施方案中将对使用光生物反应器进行气体处理的方法进行说明，其中光生物反应器可建立液体介质的流动，液体介质至少含有一种具有光合作用功能的生物体，至少一部分光生物反应器以及至少一种具有光合作用功能的生物体将暴露在其波长能够驱动光合作用的光线之下，该方法将计算使光生物反应器中具有光合作用功能的生物体达到预定的生长速度所需的第一时间间隔和第二时间间隔，并根据计算得到的时间间隔来控制液体介质在光生物反应器内的流动；其中在第一时间间隔内，具有光合作用功能的生物体暴露在其强度足以驱动光合作用的光线下，在第二时间间隔内，具有光合作用功能的生物体暴露在黑暗条件下，或暴露在其强度不足以驱动光合作用的光线下。

在本发明的另一实施方案中将对使用光生物反应器处理气体的方法进行说明，该光生物反应器可建立液体介质的流动，其中光生物反应器中的液体介质至少含有一种具有光合作用功能的生物体；该方法可使至少一部分光生物反应器以及至少一种具有光合作用的生物体暴露在能够驱动光合作用的光线下，该方法可对光生物反应器中液体的流动模式进行模拟，并根据模拟的结果来确定第一时间间隔和第二时间间隔，其中在第一时间间隔内，具有光合作用功能的生物体暴露在其强度能够驱动光合作用的光线下，在第二时间间隔内，具有光合作用功能的生物体暴露在黑暗条件下，或暴露在其强度下足以驱动光合作用的光线下；该方法还根据第一时间间隔和第二时间间隔而计算光生物反应器中具有光合作用功能的生物体的预定生长速度，并对光生物反应器内的液体介质流动进行控制，从而使具有光合作用功能的生物体达到选定的第一时间间隔和第二时间间隔，以便达到计算步骤所确定的所需预定生长速度。

在本发明的另一实施方案中将对操作光生物反应器的方法进行说明，该方法包括将光生物反应器所要处理的第一股气流引入到第一气体分配器中，并将光生物反应器所要处理的第二股气流引入到第二气体分配器中；其中第一气体分配器的结构和位置可将气流引入到光生物反应的第一导管中，第二气体分配器的结构和位置可将气流引入到光生物反应器的第二导管中，该方法还包括将液体引入到第一导管中，其中第一导管中液体流动的方向与引入到第一导管中第一股气流所形成的气泡流动方向相反；同时还将液体引入到第二导管中，其中第二导管中液体流动的方向与引入到第二导管中第二股气流所形成的气泡流动方向是相同的。

在本发明的另一实施方案中将对使用光生物反应器系统处理气体的方法进行说明，该方法包括使气体流过光生物反应器，并在光生物反应器中至少将气体中至少一种物质的至少一部分除去；该方法还包括使气体流过气体处理设备，并在气体处理设备中至少将至少一种物质的至少一部分除去；其中气体处理设备与光生物反应器相连，并有流体在两者之间流动；被脱除的至少一种物质选自于硫的氧化物汞、以及含汞化合物。

在本发明的另一系列实施方案中将对藻类菌株预适应过程以及生产这些菌株的方法和系统进行说明，在第一实施方案中将对一种方法进行说明，该方法包括将含有至少一种具有光合作用功能的生物体的液体介质暴露在一组预定的生长条件下，这一组预定的生长条件与具有光合作用功能的生物体随后在光生物反应器中所处的条件相似，这样可针对预定的生长条件对具有光合作用功能的生物体进行预定处理；该方法还包括对经过预定处理的具有光合作用功能的生物体进行收集，并将至少一部分所收集的具有光合作用功能的生物体移植到光生物反应器中。

在另一实施方案中将对使光生物反应器系统的操作更加方便的方法进行说明，该方法包括提供至少一种具有光合作用功能的生物体，该具有光合作用功能的生物体通过暴露在一组预定的生长条件下而加以预处理，其中这组预定的生长条件与具有光合作用功能的生物体在光生物反应器系统中所处的生长条件相似。

在另一系列实施方案中将对集成化燃烧/气体处理/含碳燃料循环方法和系统进行说明。在这样的一个实施方案中将对集成化燃烧方法进行说明，该方法包括使用某种燃烧装置燃烧燃料，燃料燃烧后生成一股热的燃烧气流；在该方法中，这股热的燃烧气流被送入干燥器，并在干燥器中进行冷却，冷却后的燃烧气流送至含有液体介质的光生物反应器入口，其中液体介质含有至少一种具有光合作用功能的生物体；燃烧气体中至少一种物质的至少一部分被具有光合作用功能的生物体除去，至少一种物质被该生物体用于自身的生长和繁殖；该方法中还包括将至少一部含有至少一种具有光合作用功能生物体的液体介质从光生物反应器中取出，并在干燥器中用热的燃烧气体对取出的液体介质进行干燥，从而产生所需的藻类生物产品，同时将干燥后的藻类生物产品用作为燃料和/或生产燃烧过程所用燃料。

图示简介通过本文后面对本发明的非限制性实施方案进行详细的说明可清楚地表明本发明的其他优势、新特点及使用情况；这些非限制性实施方案是结合本文所附图形进行说明的，本文所附图形是示意性图形，并不是按比例绘制的。在这些图形中，相同或基本相似的部分通常用同一数字或名称所表示。为了清晰起见，每页图形中并非每个组成部分都加上了标识，同样，并非本发明每一实施方案中的每种组成部分都在图中表明，这些图解说明不一定会使本领域的普通技术人员理解本发明。当本技术说明与通过引证被并入本文的文献含有相冲突的内容时，应以本文中的内容为准。

图1是本发明某一实施方案中管式三角形光生物反应器的截面示意图。

图2是本发明某一实施方案中由多个光生物反应器组成的气体处理设备的正视示意图，其中该气体处理设备中包括10个平等排列的如图1所示的光生物反应器。

图3是本发明某一实施方案中环形光生物反应器的右侧透视示意图。

图3a是图3所示环形光生物反应器沿线段3a-3a切开后的截面图。

图4a～图4g是各种光生物反应器结构的示意图和截面图。

图5a～图5g是各种环形光生物反应器结构的示意图和截面图。

图6a是本发明某一实施方案中光生物反应系统的示意图，该光生物反应器系统使用到了图1所示的光生物反应器；并包括计算机执行控制系统。

图6b是藻类生物的生长曲线图。

图7a是模块流程图，该模块流程图表明了操作图6a所示光生物反应器系统中计算机执行控制系统的方法的某一实施方案。

图7b是模块流程图，该模块流程图表明了操作图6a所示光生物反应器系统中计算机执行控制系统的方法的另一实施方案。

图8是模块流程图，该模块流程图表明了本发明某一实施方案中对藻类培养物进行预处理的方法。

图9是本发明某一实施方案中集成化燃烧方法的工艺流程示意图。

本发明的详细说明本发明的某些实施方案和方面涉及光生物反应器设备，并涉及将这些设备作为气体处理工艺过程一部分的方法以及有能力从气流中至少部分地除去某些不希望存在的污染物的系统；其中光生物反应器含有液体介质，该液体介质中至少含有一种具有光合作用功能的生物体。在某些实施方案中，所述的光生物反应器设备、使用这些设备的方法和/或气体处理系统以及本所提供的方法可用作为集成化燃烧方法和系统的一部分，其中光生物反应器所用的具有光合作用功能的生物体至少能部分地将燃烧气体中所含的某些污染性化合物除去，比如将一部分二氧化碳和/或硫的氧化物除去；然后从光生物反应器中收集这些具有光合作用功能的生物体，经过处理后，这些生物体被用作燃烧装置(比如发电厂发电机和/或焚烧炉)的燃料。本发明的某些实施方案可提供使燃料所含的碳进行循环使用的有效方式(即在光生物反应器中将燃烧气体中的二氧化碳转化成生物物质)，由此降低二氧化碳的排放和对化石燃料的需求。在某些实施方案中，光生物反应器设备可以与辅助性气体处理设备联合使用，从而有效地脱除其他典型燃烧气体/烟道气中的污染物，比如硫的氧化物、汞和/或含汞的化合物。

在某些实施方案中，在光生物反应器的操作过程中使用到了控制系统和控制方法，该控制系统和控制方法的目的是对操作参数进行自动的、实时的优化和/或调整，从而达到所需的或优化的光调节效果和/或在特定的环境操作条件下到所需的或优化的生长速度。另一方面，本发明还涉及对一种或多种具有光合作用功能的生物进行预选，并使生物体适应特定的环境和/或操作条件的方法和系统；这些具有光合作用功能的生物体随后在用于气体处理系统的光合生物反应器设备中的这种特定环境和/或操作条件下生长。

本发明的某些方面与光生物反应器的结构以及使用光生物反应器的方法和系统有关。本文所用的“光生物反应器”是指含有或其结构可含有液体介质并带有光源或其至少一个表面的至少一部分能够透过光线的设备；其中的液体介质至少含有一种具有光合作用功能的生物体，其所带的光源能够驱动光合作用，其透过的具有一定波长的光线能够驱动光合作用(即波长约在400～700纳米的光线)。本发明所用的光生物反应器由封闭的生物反应器系统构成，封闭的生物系统与诸如池塘、其他开放的水体、开放的储罐、开放的沟渠等开放的生物反应系统恰好相反。

本文中所用的“具有光合作用功能的生物体”或“生物物质”包括所有具有光合作用生长能力的生物体，比如能在液体中生长的植物细胞以及单细胞微生物和多细胞微生物(包括藻类生物和眼虫藻)。这些术语还包括人工改变的生物体或转基因生物体。虽然本发明所述的某些光生物反应器特别适合于藻类生物或具有光合作用功能的细菌生长，并且在以下对本发明实施方案的特点和能力进行说明时是以藻类生物作为具有光合作用功能的生物体，但应该理解的是，其它具有光合作用功能的生物体也可用来取代藻类生物或加入到藻类生物中。对于使用一种或多种藻类生物的实施方案而言，可在单个光生物反应器或各种组合式光生物反应器中培养各种种类的藻类生物(比如绿藻、螺旋藻、杜氏藻属生物、porphyridum等)。

当描述光生物反应器的某些表面或某些组成部分时，短语“至少可部分地透过光线”以及“其结构可传播光线”是指这些表面或组成部分能够让足够的光线穿过，从而使光线至少达到能够驱动具有光合作用功能的生物体进行光合作用的水平。

图1所示的是基于本发明某一方面的环形闭路光生物反应器设备100的具体实施方案。光生物反应器100含有三个相互连接并有流体流动的导管102、104和106，这三个导管合在一起形成了一个流动回路，该流动回路可使光生物反应器中所含的液体介质108从起始区域(如集液管或贮液槽110)经这三个导管返回到起始区域。虽然在图1所示的实施方案中环形闭路光生物反应器含有三个相互连接并有流体流动的导管，其中这三个导管形成了循环流动回路，但在其他实施方案中，例如在下面将要说明的图3和图4所示的实施方案中，光生物反应器可含有四个或多个相互连接并有流体流动的导管，这些导管形成了流动回路，其中导管的几何排列方式可以不同于图1所示的三角形排列方式。在另外一些实施方案中，本发明的某些优势可通过只由二个相互连接并有流体流动的导管组成的光生物反应器而实现，或通过只有一根导管的光生物反应器而实现。

环形导管102、104和106通过集液管110、112和114彼此相连，并实现流体的流动，如图所示，每根导管的末端都是以密封方式连接起来的。正如本领域技术人员所知道的，在其他实施方案中可使用其他的连接方式将含有液体介质的导管连接起来，或者流动回路由单根环形导管形成，单根导管被弯曲形成流动回路；或被制成三角形或形成流动回路的其他形状。

当对本发明提供的能够容纳和/或输送气体和/或液体的导管、隔室或其他结构进行说明时，术语“彼此相连并有流体流动”是指这些导管、容器或具有单元结构的其他结构或直接或间接地连在一起，从而形成从一导管等通向其他导管、隔室或其他结构的流动线路，这些导管、容器或其他结构至少是以局部形成流体密封的形式而形成可使流体流动的连接结构。在本文中，如果在两根导管间存在液体和/或气体流动，或可以在两根导管间建立液体和/或气体流动，则这两根导管可以“以实现流体流动的方式彼此连接起来”，例如，即使在两根导管存在有阀门，并在需要时可以关闭阀门从而切断两根导管之间的液体流动，这两根导管仍然是“以实现液体流动的方式彼此连接起来的”。

正如下面将要更详细说明的，光生物反应器所含的液体介质在操作过程中通常含有水或盐水溶液(比如海水或微咸水)，其中盐水溶液中含有足够的养分，这些养分可以使液体介质中存在的藻类生物和/或其他具有光合作用功能的生物体很容易地存活和生长。正如下面将要说明的，使用含有从当地获得的微咸水、海水或其他非饮用水的液体介质通常具有优势，其中光生物反应器将在这种液体介质中操作，同时光生物反应器所含的藻类生物在这种液体介质中繁衍或者要适应这种液体介质。液体介质中维持藻类生物生长或其他具有光合作用功能的生物体生长所需的组成、养分等条件是本领域所共知的。正如本领域技术人员所理解的，在本发明各种实施方案的各种形式中可能会使用不同种类的液体介质。举例而言，Rogers LJ.和Gallon J.R.的《藻类生物化学和蓝藻细菌》(Clarendon出版社，牛津，1988年)、BurlewJohn S.的《藻类生物培养：从实验室到中试装置》(华盛顿卡内基学院，出版物600，华盛顿特区，1961年，此后称为“Burlew1961”)以及Round F.E.的《藻类生物学》(圣马丁出版社，纽约，1965年)对可能适用的液体介质组分和养分进行了详细的讨论，所有这些文献在此通过引证被并入本文。

在操作过程，光生物反应器100应充有足够的液体介质108，从而使填充液位116高于导管102和导管104连接节的低端结合点118，这样可使液体介质在操作过程形成循环闭路流动(比如按箭头120所指的方向流动)。正如本文下面将要更加详细说明的，在某些实施方案中，使用气体注入装置和液体流动装置可使液体按逆时针方向或按顺时针方向流动，或在其他实施方案中使液体保持基本上原地不动。正如下面将要更加详细说明的，在所示的实施方案中，光生物反应器100使用到了进料气体引入装置和带有气体分配器122和124的液体流动建立装置，这些装置可产生许多沿导管102和104上升的气泡，从而引起液体流动。

在优选实施方案中，光生物反应器设备100可以与自然光源联合使用，比如与太阳光128联合使用。在这样一个实施方案中，导管102、104和106中至少有一根导管可以至少让部分光线透过，其中透过光线的波长能够驱动光合作用。在所示的实施方案中，导管102是“太阳能吸收”管，导管102至少可透过部分太阳光128，导管104和106至少有一部分不能透过太阳光。在某些实施方案中，基本上整个导管104和106都不能透过太阳光128，因此形成了“黑管”。

对于导管102中至少有一部分可透过太阳光128的实施方案而言，导管102可由各种适于制造生物反应器的透明材料制成。具体的制造材料包括各种透明的聚合材料，比如聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚丙烯酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯等等，但制造材料并不局限于这些物质。另外，导管102可由玻璃或由树脂支撑的玻璃纤维制成。在优选情况下，导管102以及不透明的导管104和106具有足够刚性，从而能够支撑自身并在操作过程中能够承受一般的作用力而不会发生倒塌或严重变形。不透明的导管104和106可由上述制造导管102的相同材料制成，但不同之处在于，由于导管104和106是不透明的，所以这些制造材料应该是不透光的，或在管子上涂上一层遮光的材料。正如下面将要更详细说明的，在对本发明中某些光生物反应器进行设计时所要考虑的一个重要方面是要在光生物反应器内提供所需的光调节效果(即具有光合作用功能的生物体交替暴露在足以驱动光合作用的光线下以及暴露在黑暗条件下或暴露在不足以驱动光合作用的光线下的时间间隔模式)。通过使至少一根导管(比如导管104和/或106)的至少一部分成为不透明部分，则在流动回路中会有一段黑暗期，这样有助于藻类生物在光生物反应器中暴露在光线下与处于黑暗条件下的时间达到所需的比值，从而改进藻类生物的生长情况和工作效率。

虽然所示的导管102、104和106含有直管段，但在其他实施方案中，如果需要的话，一根或多根导管可以是弓形的、螺旋形的或其他非直线形状的。在某些实施方案中，虽然管状导管102、104和106可有各种各样的截面形状，但正如优选实施方案所示的，每根导管都是由截面形状基本为圆形的长管构成。此外，如果需要的话，导管102、104和106中可有一根或多根导管(尤其中太阳能吸收导管102)可具有各种扰流和/或增强混合效果的特点，从而提高湍流程度和/或导管内气—液的混合效果。正如下面将要更详细说明的，这样可以改善持续时间短的“闪光”光调节效果和/或在被处理气体直接注入光生物反应器的情况下，改善气体在液体介质中的扩散吸收情况。这些加强流动效果的措施可通过在导管102内设置翅片、挡板或其他导流元件而实现，和/或通过使导管102内具有交织在一起的螺旋线而实现，但加强流动效果的措施并不局限这些方式。

对于某些实施方案而言(尤其是诸如燃烧气体、烟道气这些要被处理的气体被直接从透明导管的底部注入到光生物反应器的实施方案)，在某些情况下，通过使光生物反应器具有一定的几何形状和一定的结构形式可以改进光生物反应器的性能，这一点将在下面进行说明。

如图所示，位于集液管内的气体分配器122将被处理的气体引入到导管102的最下端，这样可形成多个气泡，气泡沿导管内表面的部分130上升，并穿过导管102内的液体介质108，导管内表面的部分130直接与导管外表面的部分132相邻，而部分132直接与太阳光相对。这种结构形式连同导管102与水平面所形成的角度X1可以使分配器122将气体引入到导管102的下端，从而使多个气泡上升，并穿过液体介质，上升的气泡将导致液体在导管102中形成流动，该流动的特点是，在整个导管内液体介质会形成多个环流涡旋134和/或湍动涡流。这些环流涡旋和/或湍动涡流可以增强气泡与导管内液体的混合效果和/或延长气泡在导管内的停留时间，并使藻类生物在邻近表面130的见光区域与邻近内表面136的较暗区域之间形成循环流动，从而形成一种频率相对较高的“闪光”光调节效果，这种光调节效果对生物体的生长和工作效率(即将二氧化碳转化成生物物质的效率)是非常有益的。这种光调节效果以及本发明中控制及使用这种光调节效果的方法将在以下对图6a、图7a和图7b的说明中进行更详细的论述。环流涡旋134和/或湍动涡流能够导致更佳光调节效果的原因被认为是，当藻类生物在光生物反应器内生长时，液体介质的光密度会增大，因而缩短了光线在液体介质中的有效传播距离；因此，在导管102中与先接触到太阳光的内表面130相距足够远的区域内，光线的强度不足以驱动光合作用。

在如图所示的这种结构中，气体分配器122和透明导管102的结构形式可使气泡126沿导管直接受太阳光照射的区域上升，这种结构形式的其他优势包括清洁性和热缓冲性。举例而言，当气泡126沿导管102的内表面130上升时，这些气泡对导管的内表面进行了有效的冲刷或清洁，因而降低了藻类生物在内表面上的积累和/或清除掉了附着在内表面上的藻类生物。此外，由于气泡还能至少将一部分照射到导管102上的太阳光反射出去，所以这些气泡在一定程度上还对光生物反应器内的液体介质具有热缓冲作用。在某些实施方案中，为了增强气泡的冲刷和/或热缓冲效应，还可以选用多个具有中等浮力、透明的微小球体(例如直径在0.5～3毫米左右的小球)。这些漂浮的颗粒被导管102中的液流所携带，从而形成了额外的冲刷和/或热缓冲效应和/或额外的“闪光”光调节效果。

本文中所用的“环流涡旋”是指相对稳定的液体环流模式(即涡旋134)，这种涡旋与液体的主体流动方向(即120)相重叠。这种环流涡旋与已完全发展为湍流的湍动涡流之间的区别在于，即使导管中的流动在未达到完全湍流的情况下，也可能存在环流涡旋。此外，湍动涡流形成的位置通常比较随机，且湍动涡流的形成是无规则的，并且持续时间较短。正如下面将要说明的，使用常规的流体力学计算方法和本领域技术人员所用的模拟方法可确定建立这些环流涡旋和/或湍动涡流所需的光生物反应器几何结构以及光生物反应器内液体和/或气体的流动速率。

虽然在将气体直接注入光生物反应器的实施方案中可使用一个气体分配器分配器(即分配器122)，但在某些优选实施方案中，本发明中的光生物反应器包括两个气体分配器122和124，每个气体分配器都位于光生物反应器之内，气体分配器可在导管102和导管104的底部注入气泡。正如本领域技术人员将会理解的，分配器122释放出的气泡流向上流动穿过导管102，分配器124释放出的气泡流向上流动穿过导管104(分别按箭头138和140所指的方向流动)，每股气泡流都形成了使液体按某一方向围绕流动回路进行流动的驱动力，但这两股气泡流使液体围绕流动回路进行流动的方向恰好相反。因此，通过控制光生物反应器所处理气体的总流量以及气体分配器122和气体分配器124之间的气体分配比例，则有可能在光生物反应器内形成各种压差，这些压差由导管102和导管104中气体滞留量的差别所控制，正如图1所示的，通过控制这些压差可使液体介质主体或者沿逆时针方向流动，或者沿顺时针方向流动；另外，在使注入的气体量达到适当的平衡时，液体介质的主体在流动回路中不会产生流动。

简单地说，液体介质的流体力学性质是由进入气体分配器122和124的气体流量之比所控制的。举例而言，如果注入到光生物反应器中的气体都由一个气体分配器注入，这会使液体介质在流动回路中产生最大的液体流速。另一方面，正如前面所述的，在一定气体分配比例下，液体介质将保持停滞不动。因此，通过控制气体总流量以及进入分配器122和124的气体流量之比可以重复地控制液体介质主体的流量、气体和液体在导管102和104中的停留时间以及在光生物反应器内建立特定的液体流动模式(比如环流涡旋)。

这种结构形式在气体总流量一定的情况下可对液体总流量和液体流动模式进行更灵活的控制，并可在不必改变进入光生物反应器气体总流量的情况下改变光生物反应器内液体流量和液体流动模式。

因此，正如以下结合图6a所更加详细说明的，对注入气体分配器的气体量进行控制可在无需液体循环辅助设备的情况下更容易地在两个水平上控制光生物反应器内的液体力学性质，比如在无需循环泵的情况下控制光生物反应器内的液体力学性质，从而对光调节效果进行控制和优化(即通过控制藻类生物暴露在光线/黑暗条件下的循环而使藻类生物维持最大的繁殖和生长速度)。这两种流体力学控制水平可对光调节效果进行控制，其中控制内容包括：(1)控制流动回路中液体的总流量，这样可以控制藻类生物在导管102中暴露在光线下的停留时间以及在导管104和106中处于黑暗环境下的停留时间，并控制藻类生物处于见光环境和黑暗环境的交替频率；(2)对太阳能吸收管102中的环流涡旋和/或湍动涡流进行合理的控制，在这种控制情况下，藻类生物将经历频率更高的见光/黑暗循环变化，从而形成“闪光”效应。通过调节光生物反应器内的液体流速可使藻类生物在导管102中的停留时间具有很宽的范围(比如停留时间可在几秒钟至几分钟之间)。

所示的双气体分配器实施方案的另一优势是，在注入气体的某一导管中，气体相对于液体主体的流动方向可以与注入气体的其他导管中的这一相对流动方向相反。换句话说就是，正如图1所示，导管104中气体流动方向140与液体主体流动方向120是相同的，而在导管102中，气体流动方向138与液体主体流动方向120是相反的。重要的是，在至少一根导管中使气体流动的方向与液体流动方向相反可以显著地提高被注入气体中污染物成分(比如二氧化碳、氮氧化物)与液体介质之间的有效传质速率。

这一点对于在光生物反应器中脱除氮氧化物的情况尤为重要。已有实验表明，在用来脱除氮氧化物的气泡柱式和气提式光生物反应器中，对流型气提式反应器脱除氮氧化物的能力比气、液流动方向相同的反应器高3倍(见Nagase、Hiroyasu、Kaoru、Eguchi、Ken-Ichi Yoshihara和Kazuhira Miyamoto在《发酵和生物工程》杂志上发表的“在气泡柱式及气提式反应器中微藻类生物吸收氮氧化物的改进”一文，86期，1998年，4,421～423页，此后在本文中称为“Hiroyasu等人1998”)。由于这种对流效果对于脱除氮氧化物更加重要，正如本发明背景中提到的，吸收和脱除速率是由扩散过程决定的，同时由于藻类生物在有光线环境中和黑暗环境(即在光合作用过程和呼吸过程)中都能处理氮氧化物，所以即使在液体流动方向120与图1所示方向相反的情况下，即在导管102中气体流动方向和液体流动方向相同；导管104中气体流动方向与液体流动方向相反的情况下，光生物反应器仍能取得相似的氮氧化物脱除效果。在本技术说明中，“氮氧化物”是指至少含有一氧化氮和二氧化氮中一种氮氧化物的气体化合物。

本文中所用的“气体分配器”或“分配器”这一术语指任何可将众多小气泡引入到液体中的适用装置和结构。在某些优选实施方案中，分配器含有气体分散器，分散器的结构可将气体分散成平均直径约在0.3毫米级别的细微气泡，从而使气—液体接触面积达到最大化。各种适用的气体分配器和分散器可通过商业渠道购买到，这些气体分配器和分散器是本领域技术人员所共知的。

在图1所示的实施方案中，要被处理的气体通过分配器122和124被注入到光生物反应器100中，这些气体沿单独的路径穿过光生物反应器，并经过气体出口141从光生物反应器中释放出去。在某些实施方案中，光生物反应器可带有过滤器142，该过滤器例如可以是疏水性过滤器，过滤器的平均孔径小于藻类生物的平均直径，这样可避免藻类生物通过气体出口141被带出到光生物反应器之外。在该实施方案或其他实施方案中，正如本领域技术人员所清楚的，其他众所周知的能够减少气体出口管144中泡沫并降低藻类生物通过气体出口而流失的装置也可被使用。正如本领域技术人员应该清楚的以及本文下面将要更加详细说明的，光生物反应器各个导管和组成部件的具体长度、直径、方向以及具体的气体注入量、液体循环量等因素将取决于光生物反应器的具体应用情况以及所要处理气体的组成和数量。通过本文所提供的指导以及化学工程、生化工程和生化反应器设计领域技术人员可得到的知识和信息，在只不过使用常规工程和实验方法的情况下，可以容易地选定适合于某一具体用途的这些尺寸和操作条件。

此外，正如下面在图2的说明中所述的以及本领域技术人员应理解的，在某些实施方案中，光生物反应器100可由多个相同或相似的光生物反应器组成，这些光生物反应器通过并连、串连或并串连结合的方式连接在一起；从而提高系统(比如多个并连光生物反应器形成的系统)的能力和/或提高对气流中某一特定组分的脱除程度(例如某一光生物反应器的气体出口与同一光生物反应器的气体入口和/或其后面的光生物反应器的气体入口相串连这种结构可提高对气流中某一特定组分的脱除程度)。本文所述的本发明光生物反应器设备的所有结构和排列方式均在本发明范围之内。

虽然所说明的光生物反应器100使用的是自然界的太阳光128，但在其他实施方案中，可使用人造光源替代太阳光或作为太阳光的补充光源，其中人造光源的波长可以驱动光合作用。举例而言，既使用太阳光也使用人造光源的光生物反应器可在白天使用太阳光，在夜晚使用人造光源，这样可增加光生物反应器在一天中通过光合作用将二氧化碳转化成生物物质的总量。

由于不同种类的藻类生物进行优化生长和繁殖所需的光线条件不同，所以在某些实施方案中，尤其在使用敏感性藻类生物时，可以根据本发明中光生物反应器的结构而使用光调节设备或装置。当暴露在紫外线下时，某些种类的藻类生物的生长速度会大大降低，或者死亡。如果光生物反应器所使用的具体藻类生物对紫外线敏感的话，则导管102外表面132的某些部分或者导管的整个外表面和/或内表面可覆盖上一种或多种滤光器，这些滤光器可减弱有害光线辐射的传播。这种滤光器可以容易地设计成可使藻类生物生长所需波长的光线进入光生物反应器，同时又能挡住光谱中有害的部分进入光生物反应器。这种滤光技术已在其他方面(比如汽车涂层和居室窗户涂层)实现了商业化。适用于本发明目的的滤光器包括透明聚合物膜滤光器，例如SOLUSTM滤光器(宾西法尼亚州Conshohocken市Corporate Energy公司制造)。本领域普通技术人员很容易了解适用于上文所述情况的各种其他滤光器及遮光/滤光装置。在某些实施方案中，尤其对用于炎热气候的光生物反应器而言，具有红外滤光功能的滤光生物反应器可以作为温度控制机制的一部分而被采用(有关温度控制策略和机制，本文将在以下对图6a的说明中进行更详细的论述)，这样可减少进入光生物反应器系统的热量，从而降低液体介质的温升。

正如前面所述的，能使光生物反应器达到所需或优化性能的具体几何结构、尺寸、液体和气体流量等因素将取决于光生物反应器所应用的具体情况以及光生物反应器的操作条件。虽然本领域的普通技术人员通过使用本技术说明中的内容、本领域中的常规知识和技术以及使用不会造成不当负担的常规实验方法就可选定适用于具体用途的结构、尺寸、流量、材料等，但本文下面所给出的某些具体和/或优选参数，更具体地说就是，在本说明结尾部分的实例中所给出的具体和/或优选参数只具有示范性，并不具有限制性。

在某些实施方案中，为了更方便地建立环流涡旋和/或所需的液体流动模式、气泡流动路线等条件，在如图所示的光生物反应器结构中，角α1和α2彼此不同。在优选情况下，至少有一根导管与水平面所形成的角度大于10°并小于90°，更理想的情况是这一角度大于15°并小于75°，在某些实施方案中，这一角度约为45°。在优选情况下，在上述范围内的角度是由水平面与发生光合作用的透明导管所形成的角度(比如水平面与导管102所形成的角度α1)。在所示的实施方案中，导管106的纵轴基本上是水平的。在某些优选实施方案中，角α2大于α1，角α2相对于水平面约为90°。

在某些优选实施方案中，由于导管102的外表面132作为光生物反应器的主要“太阳能吸收板”，所以光生物反应器相对于入射阳光128的位置可使导管102面向阳光一侧的外表面132与入射光线的法线所形成的角度小于导管104和106的向光表面146和148分别与入射光线的法线所形成的角度。在这样一种结构中，太阳量吸收表面132所处的位置可使阳光直射到该表面上，从而提高太阳量的吸收量和吸收效率。

在已知所需的液体介质循环流量下，导管102和104应具有足够的长度，从而使气液相具有足够的接触时间，以便气液相之间达到所需的传质水平。优化的接触时间取决于多种因素，尤其取决于藻类生物的生长速度、碳和氮的吸收速度、进料气的组成和流量以及液体介质的流量。当导管106不透明时，导管106应该具有足够的长度，这样可使藻类生物处于黑暗环境中的时间达到所需的程度，但导管106也应该足够短，从而避免在正常操作期间内，当液体以所需的流量流动时，藻类生物沉积在导管的底表面上。在某些优选实施方案中，导管102、104和106中至少有一根导管的长度约在1.5米至3米之间。导管102、104和106的内径或截面尺寸都取决于所需的各种操作条件的参数，并应该根据具体的应用需要进行选定。一般而言，适合的导管104内径取决于流过气体分配器的气体流量、气泡的尺寸以及气体分散器的尺寸等因素。如果导管104的内径太小，则从气体分配器124出来的气泡会合并成较大的气泡，从而导致二氧化碳、氮氧化物从气相进入液相的传质效果下降，并由此导致脱除污染物的效率降低。

导管106的内径取决于液体介质的流量、藻类生物在光生物反应器中的沉积特性以及所需的见光/黑暗时间间隔。在通常情况下，导管106的内径不应太大，如果导管106的内径太大，则藻类生物在该导管中的停留时间会过长，这样藻类生物便有时间聚集并沉积在导管106的底部和/或在给定的流动回路循环过程中有太长的时间见不到阳光，从而导致光生物反应器的太阳能效率降低。

在选定导管104和106的长度后，导管102的长度是固定的，即导管102的长度由光生物反应器的几何结构所决定。然而，正如前面有关导管104的说明中所述的，在选择导管102的长度时也涉及与导管104相似的考虑。关于导管102的内径，可以要求这一内径比导管104和106的内径大出一些(例如是导管104或106内径的125％～400％左右)，这样便于使藻类生物在光线下暴露足够长的时间，并有利于建立环流涡旋134。一般而言，导管102的内径取决于太阳辐射128的强度、藻类生物的浓度、液体介质的光密度、气体流量以及在操作期间所需的混合效果和液体介质的流动模式。在某些实施方案中，导管102、104和106中至少有一根导管的截面直径约在1～50厘米之间。在某些优选实施方案中，至少一根导管的直径约在2.5～15厘米之间。

作为一个特定的实例，本发明所用的某一光生物反应器由图1所示的三角形管式生物反应器构成，其中彼此相连并有流体流动的导管的截面形状为圆形。具体的生物反应器所具有角a1约为45°，角a2约为90°，导管106水平放置。垂直导管104长度为2.2米，直径为5厘米，水平导管106长度为1.5米，直径为5厘米，斜置导管102的长度为2.6米，直径为10厘米。该光生物反应器被用来脱除进料气体混合物中的二氧化碳和氮氧化物，其中进料气体混合物的组成为7～15％的二氧化碳、150～350ppm的氮氧化物、2～10％的氧气，其余为氮气，其流量为715毫升/分钟。该生物反应器中液体介质的总体积约为10升，分配器出来的平均气泡直径约为0.3毫米。藻类生物(杜氏属藻类生物)的浓度保持在1克(干重)/升液体介质左右。在上述条件下，该光生物反应器可脱除90％的二氧化碳、98％和71％的氮氧化物(分别在光照和黑暗条件下)，该光生物反应器的太阳能效率约为19.6％。

通过液体介质入口/出口线150和152可方便地收集藻类生物、调节藻类生物的浓度以及添加液体介质，这一点将在对控制系统进行的说明中加以更详细的论述，其中的控制系统用于操作图6所示的光生物反应器。控制藻类生物的浓度对于使藻类生物维护在所需的生长和繁殖水平以及在导管102内实现所需的光调节效果都是十分重要的。正如以下将要说明的，藻类生物被定期或连续地加以收集，从而在操作过程中使藻类生物维持在所需的浓度范围之内。根据优选的方法，藻类生物的收集是以半连续方式进行的，就是说在一定的时间内只将一部分藻类生物从光生物反应器取出。在收集藻类物质的过程中，气体分配器停止工作，从而使藻类生物沉积在集液管110、112和导管106中。然后通过管线150和152将富含藻类生物的液体介质抽出。在某些实施方案中，在管线150、152中某一条管线处于开放状态时，新鲜的，不含藻类生物的液体介质可通过另一条管线注入到光生物反应器中，这样可将富含藻类生物的介质冲到光生物反应器之外，同时又向光生物反应器内补充了新鲜的介质。在任何情况下，被加入到光生物反应器中的不含藻类生物的新鲜介质量基本上等于被抽出的富含藻类生物介质量。在完成这一置换后，可以开始向光生物反应器中注入气体。正如图9中所表明的，收集的藻类生物中所含的水和营养成份可以被提取出来并作为液体介质循环回光生物反应器中。这样可将水的浪费量以及光生物反应器的用水量将至最低，从而降低对环境造成的影响和减少操作费用。

某些种类的藻类生物比水轻，所以浮在水面上。对于光生物反应器使用这类藻类生物的实施方案而言，前面所述的藻类生物收集过程应加以改动，在气体分配器停止工作后，应使藻类生物有足够的时间漂浮到光生物反应器的顶部并进入到集液管114中。在这样实施方案中，液体介质的出口/入口管线(未在图中表明)应位于集液管114中，从而便于抽出富含藻类生物的液体介质而进行收集。

在本发明光生物反应器设备的实施方案中，通过至少在光生物反应器的内表面上一部分涂上一层生物相容材料可以降低或消除藻类生物附着在透明导管的内表面上而形成的结垢，并可便于光生物反应器内表面的清洁和再生，这种生物相容材料在正常操作温度(比如在到达约45℃时)下为固体，其熔化温度比其覆盖的表面的熔化温度低。在优选情况下，这样的生物相容材料还应是透明的，这样这些材料就不会过度地降低它们所覆盖表面的透明度。具体适用的材料包括各种蜡质材料和琼脂材料。在另一实施方案中，在一次使用后和再次使用前可使用蒸汽对光生物反应器进行手动或自动消毒/清洗。该消毒/清洗过程包括熔化并除去前面所说的那层涂料，这样便清除上附着在这层涂料上的藻类残余物。在再次使用之前，应该涂上新的涂料层，这样可使阳光穿过这些在使用期内保持光洁和透明的部分。

现在对图2进行说明，图2所示的实施方案含有多个光生物反应器100(图中所示的有10个光生物反应器)，这些光生物反应器并连排列，形成了光生物反应器矩阵200，这一矩阵的气体处理能力是光生物反应器100的N倍(其中N是并连排列的光生物反应器数量)。并连矩阵200表现出了本发明管式光生物反应器设备的独特优势，换句话就是，光生物反应器系统的能力与所用光生物反应器单元的数量成线性关系。由10个光生物反应器单元100组成的光生物反应器矩阵200可共享共同的气体分配器202和204，并共享液体介质集液管/槽206和208，该矩阵占地面积可小到1.5米平米左右或更低。正如图中所示的，为了清楚起见，图中光生物反应器单元100之间的距离大于实际情况中的通常距离。同样，为了清楚起见，图中只表明少量气泡，并且集液槽206和208被表明为透明的结构，在实际情况中集液槽不必是透明的，而且通常也不是透明的。集液槽206和208的结构应该使液体出现停滞的区域降至最低或消除液体停滞区域，液体的停滞可能导致藻类生物的死亡或沉积。在某些优选实施方案中，光生物反应器单元100在集液槽206和208上的间隔基本上达到了最小的程度，从而使光生物反应器间集液槽内的开放空间最小化。另外一种情况是，在某些实施方案中，集液槽206和208不是简单导管式的集液管，而是如图所示的，这两个集液管是含有多个空腔的实心结构，这些空腔位于光生物反应器的各个导管与集液管的结合处，这些空腔可使流体在单个光生物反应器单元的导管间流动，但这样实心结构的集液管会防止相邻的光生物反应器间出现流体交换。

图3和图3a的所示的是光生物反应器300的另一实施方案，这一光生物反应器与前面所述的管式光生物反应器100具有相似的几何形状和性能特征，光生物反应器300的气体处理能力比并连光生物反应器矩阵200的气体处理能力大，同时又具有单元式的整体化结构。光生物反应器设备300含有细长的外壳302，当外壳302水平放置时，其纵轴304基本处于水平状态，吸收太阳能量的表面132至少能部分地透过其波长能够驱动光合作用的光线。光生物反应器300还包括细长的内室306，内室306位于细长外壳302之内，内室306的纵轴与纵轴304基本上相重合(如图所示，这两个轴在同一直线上)。

细长外壳302和细长内室304共同形成了环形容器308，该容器的两端由壁板310和312密封起来。环形容器308形成了流动回路，这一流动回路可使液体介质108在光生物反应器内流动(比如按箭头120所指的方向流动)，液体介质从流动回路的起始区域(如区域312)开始流动，随后经过细长内室306的周过后再返回到起始区域。环形空间314、316和318形成了三个彼此相连并有液体流动的导管，这三个导管与图1所示光生物反应器单元100的导管102、104和106相似。在优选情况下，弯角320、322和324是经过倒圆处理的，这样可避免藻类生物在流动回路进行循环流动时受到机械伤害。

在上面说明内室纵轴与外壳纵轴间的关系时，“基本上相重合”是指这两纵轴之间具有足够的平行度，两个纵轴间的距离很小，以至于内室和外壳在光生物反应器长度方向的任何表面不会发生接触或相交。在某些优选实施方案中，内室306截面形状与外壳308的截面形状相似或基本相同，只是在尺寸上按比例缩小。内室与外壳的相对尺寸、这两者间的间距和位置以及外壳和内室的形状和方向决定着这种结构所形成的导管314、316和318的尺寸和距离，所有这些决定因素可根据前面所述光生物反应器100的类似因素进行选择和设计。同样，光生物反应器300各个区域和部分的制造材料以及相对透明度也可以根据前面所述光生物反应器100的情况而进行选择。举例而言，为了使图形清楚起见，虽然图3中除表面310之外的所有表面都被画为透明的，但在某些实施方案中，构成流动导管316和/或318的内表面和/或外表面都是不透明的。在某些实施方案中，只有吸收太阳量的表面312至少可使部分光线穿过。

使用至少一个气体气配器可便于在光生物反应器300的流动回路中建立液体介质的流动循环，气体分配器将气流引入到环形容器的流动回路中。在所示的实施方案中，气体通过细长的管状分配器321和323被引入到导管314和316中，这两个气体分配器贯穿于光生物反应器300的整个长度。经过处理后的气体经气体出口管141离开光生物反应器300。

光生物反应器300的长度可根据所需的气体处理总量进行选择，光生物反应器300的长度通常只受光生物反应器300放置场地的形状/几何尺寸和/或制造及运输方面的条件所限制。

图4a～图4g表明的是光生物反应器100和/或光生物反应器300在其他实施方案中的各种其他形状和结构。图4a表明的是梯形结构的光生物反应器，在某一实施方案中，这种光生物反应器有两个太阳量吸收导管402和404，并有两个不透明导管406和408。

图4b表明的是前面所示的直角三角形光生物反应器100和300的另外一种三角形结构。在某一具体实施方案中，导管410和412可作为太阳量吸收管，而导管414作为不透明管。

图4c～图4g表明的是本发明者所想到的其他结构形式。图4e所示的结构含有分段的、非水平的、没有气体分配器的底部导管，这种结构可安装在不规则的或凸起的地势上。图4f中实施方案表明了一种至少带有一个弯曲或弧形导管和/或表面的结构。

图5a～图5f表明的是前面所示光生物反应器300截面的多种其他结构形式。在图5a～图5f所示的每种结构形式中，内室的截面形状不同于外壳的截面形状，这样所形成的流动回路可用于建立所需的循环流动以及相应的光调节特性。

在其他方面，本发明提供使用光生物反应器进行气体处理的系统和方法，包括对光生物反应器内液体流量和流动模式进行监测和控制的方法，从而使具有光合作用功能的生物体连续及交替暴露在光线下的时间以及处于黑暗条件下的时间达到所需的水平或达到优化的水平，并由此在操作过程中实现所需的或优化光调节效果。已知的是，藻类生物暴露在光线下的时间过长可造成寿命缩短及生长受限现象，这一现象被称为光抑制效应；同样，在生长期内，藻类生物如果在一定期间内暴露在光线下，而在另一期间内处于黑暗条件下，这样可改善藻类生物的生长和生产率(光调节效应)。(见“Burlew 1961”、Wu X.和Merchuk J..C.《化学工程科学》上发表的“光合作用和光抑制过程的液体力学集成模型”一文，56：3527-3538，2001年(此后被称为“Wu和Merchuk 2001”该文献在此通过引证被并入本文)、Merchuk等人在《生物技术和生物工程》上发表的“红微藻Porphyridium生长过程中的明—暗循环”一文，59：705-713，1998年、Marra J.在《Mar.Biol.》上发表的“浮游生物对混合层中垂直运动的光合作用响应”，46：203，1978年)。正如图6a所示的，本发明的某些方面提供气体处理系统，该气体处理系统含有一个或多个光生物反应器，并含有控制系统；其中的控制系统对光生物反应器的各项环境条件和操作条件和/或操作参数进行控制和/或监测，并执行引发和控制光调节效应的方法。

现在参见图6a，图6a表明的是气体处理系统600，该气体处理系统包括光生物反应器100、多个监测和控制装置以及由计算机执行系统602构成的控制系统；监测和控制装置将在以后进行更详细的说明，其中计算机执行系统602对光生物反应器内的各种操作参数和流量进行控制，从而使暴露在光线/黑暗条件下的时间间隔以及交替频率达到所需的或优化的水平，并由此达到所需的或优化的光调节效应水平。

在某些实施方案中，正如以下在图7a和图7b的说明中所更加详细论述的，计算机执行系统602通过对光生物反应器内的液体流动模式进行模拟，并根据模拟结果计算具有光合作用功能的生物体暴露在能够驱动光合作用的光线下的时间间隔以及暴露在黑暗条件下或暴露在不足以驱动光合作用的光线下的时间间隔，同时控制光生物反应器内的液体介质流动来控制光调节效应，从而得到所需的或优化的时间间隔，并由此达到所需的或优化的光调节效应。同样，正如以下将要更详细说明的，在某些实施方案中，计算机执行系统通过使用藻类生物的生长速度数学模型也可以确定藻类生物暴露在明/暗条件下所需的或优化的时间间隔，其中藻类生物的生长速度是藻类生物暴露在明/暗条件下时间间隔的函数，本文将在以后对这一数学模型进行更详细的说明。

正如本文前面所用的，具有光合作用功能的生物体暴露在光线或黑暗条件下的“时间间隔”是指该生物体在特定的时期(比如液体介质在管式流动回路光生物反应器中流过整个流动回路所需的时间段)内暴露在这些条件下的时间长度和交替频率。具体而言，正如以下将详细说明的，在某些优选实施方案中，计算机执行系统602通过计算“时间间隔”来确定藻类生物暴露在能够驱动光合作用和不能够驱动光合作用的光线下的平均时间，并确定藻类生物被液体介质携带而在光生物反应器内流动回路中循环时暴露在明、暗两种条件下的频率。

应该理解的是，虽然本发明当前的这一方面是通过光生物反应器100进行示范性说明的，但在其他实施方案中，本文所述的光调节控制方法和控制系统可用于本文所述的其他光生物反应器或其他常规的光生物反应器。在某些实施方案中，具有与光生物反应器相似结构的光生物反应器更适用，因为这种光生物反应器在太阳量吸收管；比如导管102中建立液体流动的能力可以有效地使导管102中的藻类生物以相对较高的频率在某两个导管区域间流动；其中一个导管区域中的光线强度足以驱动光合作用(比如在邻近表面132的区域中)，而另一导管区域中的光线强度不足以驱动光合作用；液体在太阳量吸收管中的流动特性是该流动具有环流涡旋134和/或湍动涡流。举例而言，根据导管102内液体介质和气泡流动的相对速度，光调节频率(即明—暗转换频率)可以大于100次/秒或小于1次/秒。在光合作用过程中，高频“闪光”效果被发现有利于多种藻类生物的生长和生产率(见“Burlew 1996”)。此外，在某些实施方案中，导管104和106或者或以全部不透明，或者可以部分不透明，这样可使藻类生物更长时间地处于黑暗条件下进行休息，这对于藻类生物的生产率是有益的。

在对本发明中光生物反应器系统600光调节控制方法和控制系统进行说明之前，本文将对光生物反应器系统中的各种传感器和控制装置进行说明。使用传统的硬件或软件执行的计算机和/或电子控制系统以及各种电子传感器可以实现对光生物反应器内某些物理—化学条件的控制。

举例而言，在操作过程中控制光生物反应器100内的液体介质温度是十分重要的，这样可将液体介质的温度保持在藻类生物生长率所需的适合或优化范围内。当然，操作所需的这些特定温度范围将取决于光生物反应器系统内所用藻类生物的特性。一般而言，液体介质的温度希望保持在约5℃～45℃左右，更优选的情况是将温度保持在约15℃～37℃左右，最理想的情况是将温度保持在约15℃～25℃左右。举例而言，使用绿藻的光生物反应器在白天所需的液体介质操作温度约为30℃，在夜间所需的液体介质操作温度约为20℃。

在某些实施方案中，气体处理系统600可用一种或多种方法控制液体介质温度。举例而言，可通过控制进入气体分配器122和124的气体温度和/或通过辅助冷却系统对光生物反应器100进行直接冷却而控制液体介质的温度。通过温度传感器604和606可对光生物反应器100的一处或多处温度进行监测。通过温度传感器610和612可分别对来自气源608而进入气体分配器122和124的气体进料温度进行监测。在某些实施方案中，来自气源608的气体在进入光生物反应器100之前经过换热器，比如经过图9所示的藻类生物干燥器912。在某些实施方案中，根据温度传感器604和606所测得的液体介质温度，计算机执行控制系统602可对换热器系统进行控制，从而提高或降低进入气体分配器122和124的气体温度，并由此提高或降低液体介质的温度。

正如前面所述的以及下面将要更详细说明的，通过使用在接近工作现场实际温度的条件下具有优化生产率的藻类生物可以降低对光生物反应器系统的加热和/或冷却量。正如前面所述，除了可以通过改变进入换热器装置气体的温度来控制液体介质的温度外，在某些其他方案中，尤其是当光生物反应器设备用于炎热气候中时，可以使用红外滤光器将热量挡在光生物反应器之外，或者使用辅助冷却系统来降低温度，比如使用喷洒器向光生物反应器的外表面喷水的0来降低温度。

通过PH值探头614可以监测液体介质的PH值。举例而言，对特定的藻类生物而言，通过与液体介质出入口150/或152相通的一个或多个注入口向光生物反应器内注入一定量的PH值调节剂可以将PH值控制在所需的水平上，PH值调节剂例如可以是盐酸和氢氧化钠。

系统600还可带有各种探头和检测仪器来测量进入气体分配器的气体压力(例如压力检测器616和618)，并带有流量计来测量气体流量(620，622)和光生物反应器流动回路中的液体主体流量(流量计624)。正如下面将要更加详细说明的，通过建立所需的液体流动模式可以对气体流量和液体流量进行控制，这样至少在一定程度上便于达到所需的或优化的光调节效应。决定进入光生物反应器100气体总量的第二个控制因素是脱除污染物所需达到的程度，比如光生物反应器脱除二氧化碳和/或氮氧化物所应达到的程度。举例而言，如图所示的系统600带有相应的气体组成监测装置626和628，这两个组成监测装置分别对进料气体和处理后气体的各种气体浓度进行监测，比如对二氧化碳、氮氧化物、氧气等气体组分的浓度进行监测。为了使光生物反应器系统脱除污染物的程度达到所需的水平，可以调节或控制进料气体的流量和/或进料气体在分配器之间的分配比例。

正如前面所述的，为了在长期操作过程中使光生物反应器内的藻类生物浓度保持在适当的范围内，有必要对至少部分藻类生物进行收集，并向光生物反应器内补充新鲜的、不含藻类生物的液体介质，从而对光生物反应器内的藻类生物浓度进行调节。正如图6b所示的，在生长条件下，藻类生物的浓度(y轴)将随时间呈指数增长，直至某一点629，在过了这一点之后，藻类生物浓度的增长将趋于平缓，藻类生物的繁殖和生长速度将有所下降。在某些优选实施方案中，光生物反应器内藻类生物的浓度维持在操作范围630之内，这一操作范围邻近藻类生物浓度仍以指数方式增长的曲线的上端。正如本领域技术人员可以理解的，不同种类的藻类生物具有不同的生长曲线，即使对同一种藻类生物而言，在不同的操作条件和环境因素(比如液体介质组成、生长温度、进料所气组成等因素)下，藻类生物的生长曲线也是不同的。正如下面将要更加详细说明的，在某些实施方案中，本发明使用的是采用经过预适应过程的藻类生物的光生物反应器系统，其中的藻类生物针对本发明中光生物反应器气体处理系统中的特定操作条件进行了优化生长处理。在许多情况下，光生物反应器控制系统602针对具体应用情况所要维持的适当藻类生物浓度范围应该通过常规的试验和优化过程加以确定。这些常规试验和优化过程可在试验级光生物反应器系统中进行，或在细胞自动化培养控制系统中进行，这一点将在以下进行更详细的说明。

正如前面所述的，一旦确定了所需的藻类生物浓度范围，控制系统602通过测定液体介质内的藻类生物浓度、收集藻类生物以及向系统中补充新鲜的液体介质将藻类生物浓度控制在这一范围之内，本文前面已对藻类生物的收集过程进行过说明。为了确定光生物反应器内藻类生物的浓度，本发明可提供浊度仪和/或分光光度计632(或其他适用的测量光密度或光吸收特性的装置)。举例而言，分光光度计可用来连续地测定液体介质的光密度，并根据“Hiroyasu等人1998”所述的标准方法将光密度转化成藻类生物浓度。

一般而言，如果需要的话，为维持一定养分水平和控制PH值及其他因素，所需的化学物质可直接自动地加入到光生物反应器内的液体体质中。计算机控制系统602还可通过控制换热器系统或热量控制系统来控制光生物反应器内液体介质的温度，其中热量控制系统位于光生物反应器之内或与光生物反应器相连。在另一实施方案中，计算机控制系统602还可通过从光生物反应器中抽取液体介质并使其通过某一换热器而控制光生物反应器内液体介质的温度，例如使抽出的液体介质通过温控水浴(未在图中表明)而控制光生物反应器内液体介质的温度。

正如前面所述的，光生物反应器气体处理系统600的某些优选实施方案中包括计算机执行的控制系统602，该控制系统对光生物反应器内的液体流动模式进行控制，从而实现所需的光调节特性，并由此使藻类生物达到所需的平均生长速度，例如达到最大的平均生长速度。在某些实施方案中，光调节控制系统和方法使用两种数学模型来确定最佳光调节效应所需的或优化的液体流动模式。第一种数学模型将藻类生物的生长速度作为暴露在明、暗条件下的时间间隔和顺序的函数而对藻类生物的生长速度进行模拟；第二种数学模型将光生物反应器内液体流动模式作为系统结构和几何尺寸的函数而对光生物反应器内液体流动模式以及液体介质的流量进行模拟(对于液体的流动由注入的气体所驱动的系统而言，注入光生物反应器的气体流量也被模拟)。使用计算机控制系统602执行上述光调节控制方案有多种可行的方法，图7a和图7b表明了其中的两种方法。

关于上述被计算机控制系统602用来优化光调节效应的数学模型，在某些实施方案中，将暴露在明、暗条件下的时间间隔(光调节)与平均生长速率关联起来的第一种数学模型可以以文献中所建议的数学模型为基础(见“Wu和Merchuk 2001”)。该数学模型基于一种假设，这一假设认为藻类生物细胞中的光合作用过程分成三种基本状态：(1)活跃状态；(2)静止状态；(3)光抑制状态。藻类生物在上述三种状态中每一状态下的数量分率分别用X1、X2和X3表示(其中X1+X2+X3＝1)。

该数学模型认为，处于活跃状态的藻类培养物达到光饱和状态后会转化到光抑制状态，为了达到优化的产率，这些藻类生物必须休息。在光抑制和静止状态下，藻类生物不能利用光线将碳固定下来。因此，在光抑制和静止状态期间使藻类生物暴露在光线下基本上是一种浪费，因为这一期间中的光线不能为光合作用和固碳过程所用，实际上这一期间的光线对藻类生物的生存是有害的。所述的数学模型提供了一系列基于时间的微分方程，这些微分方程描述了藻类生物在活跃状态、静止状态以及光抑制状态间进行转换的动态过程，这些微分方程如下所示：dX1dt=-αIX1+γX2+δX3]]>方程1dX2dt=αIX1-γX2-βIX2]]>方程2dX3dt=βIX2-δχ3]]>方程3X1+X2+X3＝1                 方程4μ＝KγX2-Me                方程5在这些方程中，α是将藻类生物从X1部分转变成X2部分的光子应用速度常数，β是从X2部分转化X3部分的速度常数，γ是从X2部分转化成X1部分的速度常数，δ是从X3部分转化成X1部分的速度常数，μ是特定生长速度，Me是维持系数，k是从X2部分转化成X1部分过程中光合作用的无因次产率。

在诸如光生物反应器100这样的光生物反应器设备中，光照强度I是时间的复合函数，该光照强度取决于液体力学性质、光线的强度以及光生物反应器100内的藻类生物浓度。

正如以下将要更加详细说明的，通过对光生物反应器内流体力学性质的摸拟可以确定光照强度这一时间的函数(即当藻类生物流过光生物反应器时照射藻类生物的光线强度)，一旦这一参数以及常数α、β、γ、δ和Me被确定下来，则在一定光照时间下流动回路循环中的特定生长速度μ可以被确定下来。使用解微分方程各种数值方法可以求出上述微分方程的解。这些数值解法可通过解方程软件很容易地被执行，其中的解方程软件可通过普通商业渠道购买或由从事应用数学的普通技术人员很容易地进行编写。

虽然可以通过在实际生产规模的光生物反应器中进行受控试验，并通过模型与试验数据的拟合来确定上述数学模型中的各项常数，但在某些实施方案中，为了简便和准确，还是希望使用试验规模的光生物反应器系统来直接精确地测算诸如时间间隔、频率以及培养物光照强度这些参数。举例而言，对于藻类培养物在整个培养过程中均暴露在强度基本相同的光线下，并且藻类培养物暴露在光线/黑暗条件下的循环(即藻类培养物连续暴露在光线/黑暗条件下的循环基本上是相同的)基本相同的光生物反应器系统而言，可以得到上述方程的准稳态解析解(见“Wu和Merchuk2001”)。

举例而言，这些实验型光生物反应器系统可包括自动化细胞培养系统中的微型光生物反应器，藻类细胞在微型光生物反应器中以有规则的、恒定的频率暴露在光线和黑暗中，其中暴露的时间间隔是精确控制的。另外一种情况是，可以使用实验规模的薄膜型管式回路反应器，这种反应器的流体流动行为可提供确切的、可重复的明/暗暴露时间间隔比。在这些准稳态条件下，一个循环中的平均对比生长速度由以下方程得到(见“Wu和Merchuk2001”)u‾=κγtc∫0tcX2(t)dt-Me]]>=κγtc[∫0tcX2,1(t)dt+St1tcX2,d(t)dt]-Me]]>=κγtc[cbte+c1A(s-1)+c2B(n-1)+(cb+c1s+c2n)u-1uγ]-Me]]>方程6其中a＝αI+βI+γ+δ、b＝αβI2+δγ+αIβ+βIδ、c＝αIδ，A=-a+a2-4b2,B=-a-a2-4b2.]]>C1=-BC(u-1)(n-v)+αIb(n-u)(v-1)+c(αI+βI+γ)(n-1)(u-v)b[B(s-u)(n-V)-A(n-u)(s-v)+(αI+βI+γ)(s-n)(u-v)]]]>C2=-AC(u-1)(s-v)+αIb(s-u)(v-1)+c(αI+βI+v)(s-1)(u-v)b[B(s-u)(n-v)-A(n-u)(s-v)+(αI+βI+v)(s-n)(u-v)]]]>其中S＝eAt1、    n＝eBt2、    u＝evtd、    v＝eδtd。

在这些方程中，t是时间，t1是循环过程中藻类生物暴露在其强度能够驱动光合作用的光线下的时间，td是循环过程中藻类生物暴露在黑暗条件下或暴露在其强度不足以驱动光合作用的光线下的时间，tc是循环过程的总时间(即t1+td)。

上述方程作为时间的函数可以是与藻类生物生长速度相拟合的曲线，从而确定各项常数值(如“Wu和Merchuk 2001”所说明的)。举例而言，使用上述方法，“Wu和Merchuk 2001”确定了海洋红藻Porphyridium SP(UTEX637)培养过程中方程1～5中的常数值，这些常数值列于表1中。

表1-可调整的参数值和具有95％可信度的时间间隔

计算机控制系统602使用数学模型来确定光生物反应器内的液体流动模式，这一液体流动模式是液体流量和/或气体注入总流量以及气体在分配器122和124之间分配的函数，该数学模型可含有可通过商业渠道购买的液体力学计算软件包，比如FLUENTTM、FIDAPTM或其他已知的软件包，或含有用户自行设计的软件程序，其中用户自行设计的软件程序可以求出Navier-Stokes运动方程的三维解(见Doering Charles R.和J.D.Gibbon所著的《Navier-Stokes方程的应用解析》，剑桥大学出版社2001年出版，该文献在此通过引证被并入本文)。流体力学领域和流体力学计算领域中的普通技术人员可以很容易地设计出这样的流体流动模拟，计算机编程领域的一个或多个普通技术人员可编制出执行这些模拟的软件。在这些模拟中，可以使用有限元数学方法。使用各种通用的或针对流体流动的有限元软件包可执行这样的模拟计算，其中这些软件包很容易得到(例如可从宾西法尼亚州匹斯堡的ALGOR公司得一个或多个这样的软件包(例如ALGOR公司的“专业流体流动”软件包))。

图6a所示的光生物反应器系统600使用到了光生物反应器100，流体力学计算模拟由计算控制系统602执行，在优选情况下，该模拟过程可以确定藻类生物在流动回路中的每次流动(即在由光生物反应器100的导管106、104和102构成的流动路线中流动时，藻类生物所进行的每次循环)、藻类生物暴露在光线及暴露在黑暗条件下的时间间隔和交替频率(即光调节模式)。在某些优选实施方案中，流体力学计算模拟可得出光生物反应器的外形尺寸以及光生物反应器的各个流动起点和流动终点，从而确定光生物反应器100三根导管中每根导管内液体介质的主体流量和流动模式。可以选用中等密度至高密度的有限元网格来确定和解析处于藻类生物级别的流体流线，例如确定10个藻类细胞直径级别上的流体流线。流体力学模拟计算的结果是所希望的流线，该流线表明了藻类生物细胞在流体驱动下进入或离开见光区域以及进出光生物反应器的路线。根据这些流线可以确定藻类生物在流过流动回路过程中暴露在光线和黑暗条件下的时间，并确定藻类生物从暴露在光线下转换到黑暗条件下的变化频率，上述的细胞生长/光调节模型可使用这一光照/时间关系来确定藻类生物在流动回路中的平均生长速度。

如果需要，可以对光生物反应器中实际流动的轨迹进行观察研究，从而对流体力学模拟计算结果进行实验验证。这些研究过程可采用具有与藻类生物细胞相似浮力的微小球体进行。在某一具体实施方案中，可使用激光形成一个穿过活跃区域(即导管102)的纵向干涉光束。该激光面所处的位置代表“明”、“暗”区域的交界面。交界面的位置可以进行调整，从而使该交界在光生物反应器操作过程中在不同的藻类生物深度和光照强度范围内表示导管内各个明-暗过度深度。在某一实施方案中，清洁的二氧化硅和荧光微球(可从加州PaloAlto和Duke科学公司购买)可用作为藻类生物的模拟体。微球的直径和密度可以进行选择，从而使这些参数与光生物反应器所用的具体藻类生物菌株的直径和密度相对应。当荧光微球穿越激光面时，这些微球对激光束进行散射，并由此形成一种可观测到的“闪光”。使用摄像机记录下这些闪光，闪光之间的时间间隔被用来测定微球颗粒在每个区域(即见光区域和黑暗区域)中的停留时间。如果希望得到荧光微球在光照导管横截面中实际位置的更详细信息，还可建立第二个激光面，从而对与上述纵向光束相垂直表面内的流动情况进行观察。

现在参见图7a和图7b，这两幅图对另外两种控制和优化光生物反应器系统600内光调节效应的计算及控制方法进行了说明。这两种方法相似，不同之处主要在于收敛所用的计算参数不同(即图7a中的方法使用的参数是藻类生物暴露在见线及黑暗条件下的时间间隔，而图7b中的方法使用的参数为藻类生物预计的生长速度)。

现在参见图7a，图7a中的实施方案表明了在气体处理系统中建立光调节并对其进行控制的过程。初始步骤702是可选步骤，在这一步骤中进行模型拟合，该步骤可以使用前面所述的实验级微型细胞自动化培养和测试系统以离线方式进行。可选步骤702包括根据前面所述的以及“Wu和Merchuk 2001”中的方法，通过对模型方程和藻类生物生长速度与藻类生物暴露在光线及黑暗条件下时间间隔之间关系的实验数据进行拟合而确定各种可调参数的适当值，其中这些可调参数包括藻类生物生长速度常数以及前面所述光调节数学模型中的常数。

在步骤704中，对光生物反应器100内的藻类生物细胞浓度进行测量，例如使用分光光度计632测量藻类生物细胞的浓度。在步骤706，使用光强度测量装置(比如光度计)633对照射到导管102上的光线强度进行测量。在步骤708，根据已知的标准方法(比如“Burlew 1961”中所述的方法)使用测量得到的藻类生物细胞浓度和光照强度来确定光线在导管102中穿透深度。

在步骤710中，根据生长速度/光调节数学模型进行数学计算，从而得到藻类生物要达到所需平均生长速度而暴露在光线及黑暗条件下的时间间隔(即藻类生物暴露在光线和黑暗条件下的持续时间以及频率)，例如计算最大生长速度下藻类生物暴露在光线和黑暗条件下所需的时间间隔。

在步骤712，计算机控制系统602对液体介质流动进行模拟(比如流体力学模拟计算)，并针对特定的气体总流量和气体在分配器122和124之间按特定分配比例分配的情况而确定光生物反应器内流动的流线和模式。根据模拟计算结果可以确定藻类生物在流动回路中流动时藻类生物暴露在光线/黑暗条件下的实际时间间隔。该控制系统通过确定藻类生物何时处于导管内与光照表面132的距离不超过光线穿透深度的区域而确定液体介质内的藻类物质何时暴露在光线之下；光线穿透深度在步骤708中加以确定。当藻类生物处于与光照表面132的距离小于光线穿透深度的区域时，藻类生物暴露在其强度足以驱动光合作用的光线下(即光线的强度高于使藻类生物处于前面所述光合作用“活跃”状态所需的强度)。使用研究光生物反应器模型系统中藻类生长与光线强度之间关系的常规实验方法可以确定某一特定类型的藻类生物混合物处于光合作用活跃状态下所需的准确光线强度和相应的光线穿透深度。

在步骤714，在步骤710中确定的时间间隔和光调节特性与步骤712所确定的藻类生物暴露在光线/黑暗条件下的实际时间间隔和光调节特性进行比较。然后以不同的气体流量和不同的气体流量分配比例重复进行步骤712，直至步骤710和步骤712所确定的时间间隔之差达到最小程度，且模拟计算达到收敛。

当模拟计算达到收敛时，计算机控制系统602在步骤716通过调节气体流量以及气体在分配器122、124间的分配来调节和控制光生物反应器内的液体流量和液体流动模式(比如环流涡旋)，从而达到步骤714所确定的优化值。

图7b所示的是确定光调节和控制光调节的另一种方法，图7b中的方法与图7a所示的方法相似，不同之处在于，图7b中的系统不是使用流体力学计算和收敛于所计算出的时间间隔的生长速度/光调节数学模型，而是进行模拟计算从而确定达到预定生长速度(即由生长速度/调节模型所确定的生长速度)所需的流动参数。

图7b中的步骤702、704、706、708、712和716基本上可以按图7a所示方法执行。然而，在当前的方法中，流体力学模拟计算步骤712所确定出来的藻类生物暴露在光线/黑暗条件下的实际时间间隔数据和光调节数据随后在步骤710中被生长速度/光调节数学模型用来计算预计的平均生长速度，该生长速度源自于藻类生物暴露在光线/黑暗条件下的特性。然后使用不同的气体流量和不同的气体分配量重复进行步骤712，并在步骤710中确定出一个新的预计平均生长速度。该计算过程调整步骤712中的数值，从而在步骤714中收敛于步骤710所计算出来的所需平均生长速度，例如收敛于可达到的最大生长速度。一旦确定了可以导致这一所需预计生长速度的气体流量和气体分配量，则计算机控制系统602将这些气体流量和气体分配量应用于光生物反应器，从而在步骤716得到系统所需的液体流体力学性质。

应该理解的是，上述光调节控制方法和系统具有一定的优势，该方法和系统可以在建立优化光调节效果的条件下使光生物反应器进行自动的操作。该系统具有的优势是，该系统可以连续地接收来自各种传感器的输入，并执行上述的方法，从而以基本实时的方式(即与系统计算同步的方式)对光调节进行优化。这样可使系统对环境条的变化做出快速的、稳定的响应，这一响应可以改变系统内光调节的性质和程度。举例而言，在某一具体的实施方案中和具体的环境下，计算机控制系统可以快速、适当地调节气体的流量和分配比例，并由此调整光生物反应器内液体的流动模式和光调节效应，从而对光照效果的变化能够快速地做出响应，比如在光生物反应器系统操作期间内如果有云遮住了光线，则计算机控制系统602会迅速、适当地调整气体流量和分配情况，从而对光照的瞬时变化做出响应。

上述的计算方法、步骤、模拟、算法、系统以及系统单元可通过计算机执行系统加以实现，比如通过下述计算机执行系统的各种实施方案加以实现。上述的方法、步骤、系统以及系统单元并不局限于本文所述的特定计算机系统，许多其他的机器也可以被使用。

该计算机执行系统可以是光生物反应器的一部分，或在操作上与光生物反应器相连，在某些实施方案中，该计算机执行系统可进行设置并被编程，从而对前面所述的光生物反应器操作参数进行调节和控制，并对数值进行分析和计算。在某些实施方案中，该计算机执行系统可以发送和接收控制信号，从而设定和/或控制光生物反应器的操作参数，可以选择的情况是，该计算机执行系统还可设定和/或控制其他系统设备。在其他实施方案中，计算机执行系统可以与光生物反应器相互分开和/或位于远离光生物反应器的地方，并通过间接的和/或便携式装备接收来自远处一台或多台光生物反应器设备的数据，比如通过诸如磁盘这样的便携式电子数据存储装置或通过诸如互联网或本地内部网络这些计算机网络的通讯来接收来自设备的数据。

现在参见图6a，计算机控制系统602可包括几种已知的元件和电路，其中包括处理器单元(即处理器)、存储系统、输入输出装置及接口(比如连接装置)以及其他元件，比如传递电路(比如一条或多条母线)、视频及音频数据输入/输出子系统、专用硬件以及其他元件和电路，这一点在以下将进行更详细的说明。此外，该计算机控制系统可以是多处理器计算机系统或是含有多个通过计算机网络相连的计算机。

计算机控制系统602含有处理器，例如含有通过商业渠道可购买到的处理器，比如X86系列处理器、英特尔公司生产的Celeron和奔腾处理器、AMD和Cyrix公司生产的类似处理器、摩托罗拉公司生产的680X0系列微处理器以及IBM公司生产的PowerPC微处理器。众多其他的处理器也是可用的，该计算机控制系统并不局限于特定的处理器。

处理器通常执行一种被称为操作系统的程序，WindowsNT、Windows95、Windows98、UNIX、Linux、DOS、VMS、MacOS以及OS8便是操作系统的具体实例，操作系统控制其他计算程序的执行，并提供制表、故障排除、输入/输出控制、统计、编译存储分配、数据管理及内存管理、通讯控制及相关的功能。处理器和操作系统共同形成了计算机平台，使用高级编程语言编写的应用程序在这一平台上运行。计算机控制系统602并不局限于某一特定的计算机平台。

计算机控制系统602可包括存储系统，存储系统通常包括计算机可读和可写的非易失性记录介质，磁盘、光盘、闪存和磁带就是具体的实例。这样的记录介质是可以插拔的介质，比如是软盘、读/写盘、内存条，记录介质也可以是永久性的介质，例如是硬盘驱动器。

这样的记录介质通常以二进制形式(即被翻译成一系列1和0的形式)存储信号。记录介质盘(比如磁盘或光盘)含有多个记录道，信号通常以二进制形式存储在记录道上，即以一种被翻译成一系列1和0的形式存储在记录道上。这些信号定义了微处理器所要执行的软件程序，比如应用程序；或者这些信号定义了由应用程序所处理的信息。

计算机控制系统602中的存储系统还含有集成电路存储元件，这些集成电路存储元件通常是易失性、随机访问存储元件，例如动态随机访问存储器或静态存储器。一般而言，在操作过程中，处理器会使程序和数据从非易失性记录介质中读取到集成电路存储元件中。与非易失性记录介质相比，集成电路存储单元一般可使处理器对程序指令和数据进行更快速的访问。

处理器一般根据程序指令而对集成电路存储元件中的数据进行处理，然后在处理过程完成后将处理过的数据复制到非易失性记录介质上。有多种已知的机制可对非易失记录介质与集成电路存储单元间的数据移动进行管理，执行这些方法、步骤的计算机控制系统602以及上述关于图6a、图7a和图7b说明中所述的系统和系统元件并不局限于这里所提及的系统和元件。计算机控制系统602并不局限于特定的存储系统。

前面所述存储系统的至少一部分被用来存储一种或多种数据结构(比如查询表)或前面所述的方程。举例而言，至少一部分非易失性记录介质将存储至少一部分数据库，该数据库包括一个或多个这样数据结构。该数据库可以是任何类型的数据库，比如是包括一个或多个单调资料数据结构的文件系统，其中数据被组织成由限制符隔开的数据单元；该数据库或者是关系数据库，其中数据被组织成数据单元，这些数据单元存储于表格中；该数据库或者是面向对象的数据库，其中数据是存储为对象的数据单元；该数据库或者是另一种类型的数据库；或者是这些数据库的组合。

计算机控制系统602可包括视频和音频数据输入/输出子系统。该子系统的音频部分可包括模拟—数字转换器，该转换器接收模拟音频信息，并将模拟音频信息转化成数字信息。使用已知的压缩系统可对这些数字信息进行压缩，从而将这些数字信息存储在硬盘上以便在其他时间使用这些数字信息。该输入/输出子系统中典型的视频图像部分可包括本领域已知的多种视频图像压缩器/解压器。这些压缩器/解压器将模拟视频信息转化成压缩的数字信息，反之亦然。这些压缩的数字信息在存储在硬盘上以便在以后的时间使用这些数字信息。

计算机控制系统602可包括一个或多个输出装置。具体的输出装置包括阴极射线管理显示器603、液晶显示器和其他视频输出装置、打印机、诸如调制解调器或网络接口这样的通讯装置、诸如记录盘和磁带这样的存储装置以及诸如扬声器这样的音频输出装置。

计算机控制系统602还包括一个或多个输入装置。具体的输入装置包括键盘、键板、导向球、鼠标、录入装置、前面所述的通讯装置以及诸如音频视频记录装置和传感器这样的数据输入装置。计算机控制装置602并不局限于本文所述的特定输入装置或输出装置。

计算机控制系统602可包括经过特定编程的专用硬件，例如包括具有特定用途的集成电路。这些专用硬件可执行一种或多种前面所述的方法、步骤、模拟、算法、或构成前面所述的系统以及系统元件。

计算机控制系统602及其元件可使用一种或多种适合的计算机编程语言进行编程。这些语言包括过程编程语言、面向对象的编程语言以及其他语言；其中过程编程语言比如是C语言、Pascal语言、Fortran语言和BASIC语言，面向对象的语言比如是C++语言、Java语言和Eiffel语言，其他语言比如是脚本语言或汇编语言。

这些方法、步骤、模拟、算法、系统和系统元件可使任何一种适合的编程语言而实现，其中包括过程编程语言、面向对象的编程语言、其他语言以及这些编程语言的组合，这些编程语言可被计算机控制系统所执行。这些方法、步骤、模拟、算法、系统和系统元件可作为计算机程序的独立模块而加以执行，或者作为独立的计算机程序而加以执行。这此模块和程序可在不同的计算机上执行。

上述的方法、步骤、模拟、算法、系统和系统单位可以以软件、硬件或固件形式体现出来，或以这三种形式的组合形式体现出来。这些方法、步骤、模拟、算法、系统和系统单元可以作用计算机控制系统的一部分，或者作为一个独立的组成部分。

这些方法、步骤、模拟、算法、系统和系统单元可以单独或共同作为计算机程序产品而体现，具体可以以计算机可读介质上的计算机可读信号而体现，比如以非易失性记录介质、集成电路存储单元或这两者组合形式中的计算机可读信号而体现出来。对于每一种这样的方法、步骤、模拟、算法、系统或系统单元而言，这样的计算机程序产品可包括体现在计算机可读介质上面的计算机可读信号，这些信号将指令定义为一个或多个程序的一部分，当计算机执行这些指令时，这些指令会指示计算机执行这一方法、步骤、模拟、算法、系统或系统单元。

在另一组实施方案中，本发明还提供对藻类生物或其他具有光合作用功能的生物进行预处理以及使这些生物对光生物反应器整个操作过程所要经历的特定环境和操作条件进行预适应的方法。正如前面所述的，通过使用天然的藻类菌株或对光生物反应器系统所处的应用条件和地点已十分适应的藻类生物可以提高光生物反应器系统所用藻类生物的生产率和存活性，从而有效地脱除气流中的二氧化碳、氮氧化物和/或其他污染物。

正如本领域所知的(见Morita M.、Y.Watanabe以及H.Saiki在《Trans  IchemE》(79期，C部分，2001年9月)上发表的“使用光生物反应器以更高光合作用性能生产微藻类生物物质指南”一文)，已经处于某一特定条件下并在该条件下可以繁殖的藻类生物在类似的条件下具有更好的适应性，并适于在这种条件下长期生长和生产。本发明提供对藻类生物进行预处理以及使藻类生物对一组特定的操作条件进行预适应的方法，从而提高藻类生物在这一组特定操作条件下的长期存活性和生产率，并在光生物反应器使用期间防止含有这种藻类生物的光生物反应器生成对这种藻类培养物形成污染和具有压制作用的其他藻类菌株，本发明所提供的这些方法具有重复性和可预计性。

在许多当前的光生物反应器系统中，在未经过严格消毒以及未与外界环境隔离的光生物反应器中，所选用的所需藻类菌株很难成活。造成这一问题的原因是光生物反应器所用的藻类菌株没有完全适应所处的条件或没有在所处的条件下得到优化，而环境中的其他有藻类菌株更适应于当地的环境，以至于如果这些特有藻类菌株有能力污染光生物反应器，则这些特有藻类菌株将压制并最终将取代所需的藻类生物。通过以下所述的本发明的适应法则可以缓解和/或消除这些现象。使用这一法则以及由这一法则所生成的藻类菌株不仅可以提高藻类培养物在实际光生物反应器系统中的生产率和寿命，从而降低基本投资和操作费用，而且还由于在操作前省去了消毒过程以及使光生物反应器系统与环境隔离的过程而降低了操作费用。

图8表明了藻类生物适应及预处理方法的一个具体实施方案。在开始的步骤802中，选择一种或多种藻类生物，这些藻类生物被认为至少可以适应于光生物反应器具体安装地点所具有的环境条件，在优选情况下，这些藻类生物可以很好地适用于光生物反应器具体安装地点所具有的环境条件。在步骤804，在实验级或小型光生物反应器系统中，含有步骤802所选藻类生物的培养物暴露在一组受控的环境、介质、生长条件下，所选定的这组受控条件与藻类生物在光生物反应器操作过程中所处的条件相似。在步骤806，藻类培养物在所选的类似条件下生长和繁殖足够长的时间，从而使藻类生物发生多代自然选择和适应过程。根据所选的藻类物种，这一生长和繁殖时间可从几天到几星期，甚至长达几个月。在适应过程结束时，在步骤808收集已适应的藻类生物，并将收集的藻类生物提供给光生物反应器系统的操作人员，从而将这种藻类生物种植到光生物反应器中。

在某些实施方案中，适应步骤804所用的实验级光生物反应器可以与确定前面所述生长/光调节数学模型中生长模型常数所用的实验级光生物反应器相似或相同。举例而言，可以使用“Wu和Merchuk 2001”中所述的小容量薄膜管式光生物反应器。

在某一特定的优选实施方案中，步骤804是在现有的或特制的细胞自动化培养和测试系统中进行的，在优选的情况下，步骤804是在多个精确控制的微型生物反应器中进行的，这些微型生物反应器可用作为光生物反应器，从而对系统中藻类培养物进行精确的多参数控制和优化。本文中所用的“细胞自动化培养和测试系统”是指某一装置或设备，该装置或设备至少可以作为一个光生物反应器，并能够对至少一项环境和操作参数进行监测和控制，优选的情况是对多项环境和操作参数进行监测和控制。特别优选的细胞自动化培养和测试系统由至少一个或多个光生物反应器组成，其中光生物反应器培养空间在1毫升～1升左右。在优选情况下，光生物反应器由多个生物反应器构成。正如本发明所提供的或经过适当修改后，可能适用的细胞自动化培养和测试系统例如在下述文献中有所描述：Vunjak-Novakovic G.de Luis J.、Searbg N.以及Freed L. E.在《纽约科学院年鉴》上发表的“细胞和组织的微重力研究”；Searbg N.D.、J.Vandendriesche、L.Sun、L.Kundakovic、C.Preda、I.Berzin以及G. Vunjak-Novakovic在《ICES学报》上发表的“细胞发展前景对空间生命的支持”一文(2001年提交，此后称为“Searbg等人2001”)、5,424,209号美国专利、5,612,188号美国专利、2003/0040104号美国专利申请、2002/0146817号美国专利申请以及WO01/68257号国际专利申请，上述专利和出版物以及“Searbg等人2001”在此通过引证被并入本文。

在某些优选结构中，这样的细胞自动化培养及测试系统包括计算机过程控制和监测系统，该系统可对诸如温度、藻类生物暴露在光线下的时间和频率、养分含量水平、养分流动和混合等操作因素进行调节和控制。某些实施方案还具有在线可视显微观察和自动采样功能。这种细胞自动化培养和测试系统通过对各种生长参数进行自发的控制而对藻类生物培养系统进行多维的调整和优化过程。

在某一实施方案中，正如前面所述的，细胞自动化培养和测试系统使藻类培养物暴露在所需的条件下，这些条件中包括：液体介质组成、液体介质温度、液体介质温度波动幅度、频率和时间间隔、PH值、PH值波动范围、光线强度、光线强度的变化、藻类生物暴露在光线和黑暗条件下的时间长度以及转换频率和模式、进料气体组成、进料气体组成变化、进气温度、进气温度波动以及其他因素。

在某一具体实施方案中，使光源穿过变速遮光轮而照射到细胞自动化培养和测试系统的微型光生物反应器上，从而得到适当的光调节频率和藻类生物暴露在光线/黑暗条件下的适当时间，上述这一过程模拟了光生物反应器光照部分中湍动涡流和/或环流涡旋所建立的高频率明/暗循环光调节过程，其中变速遮光轮上装有可更换的遮光盘，该遮光盘上带有机械加上出来的切口。在某一实例中，所模拟的明/暗调节频率为1次循环/秒、10次循环/秒以及100次循环/秒。正如前面所述的，每个适应步骤806应该经历足够长的时间，从而发生多代适应。在某一特定的实施方案中，进行预适应的藻类生物是杜氏属藻类生物，发生多代适应的步骤806至少要进行3天时间。

图9表明的是执行集成燃烧方法的集成系统，其中燃烧后的气体用光生物反应器系统进行处理，从而减少污染物并生成生物物质，比如用生物反应器生成藻类生物物质，这些藻类生物物质经收集后可用作燃烧装置的燃料。集成系统900的优势是该系统可用来同时降低燃烧设备排放到大气中的污染物数量以及在某些实施方案中燃烧设备对诸如煤炭、石油、天然气等化石燃料的需求量。这样一个系统的潜在优势是该系统可用来处理燃烧装置排放出的各种气体，比如处理燃烧化石燃料(例如煤炭、石油和天然气)的发电厂、工业焚烧装置、工业炉和加热器、内燃机等装置所排放出的各种气体。在某些实施方案中，集成的气体处理/生物物质生产系统900可显著地降低燃烧装置对化石燃料的需求量，同时，该系统还可显著地降低环境污染物二氧化碳和/或氮氧化物的排放量。

集成系统900包括一个或多个光生物反应器或光生物反应器矩阵902、904和906。在某些实施方案中，这些光生物反应器与图1、图2、图3和图3a所示的光生物反应器在结构和设计上可以是相似的或相同的。在其他实施方案中，可使用本发明的光生物反应器或使用传统的光生物反应器。除了使用本发明中光生物反应器的系统900的实施方案外(在这些实施方案中，光生物反应器是新发明的光生物反应器，不是传统的光生物反应器)，图9所示的单元操作可以具有传统的结构，或是传统结构的直接引用或扩展，化学工程领域中的普通技术人员使用常规的工程和设计原理就可以选定和设计出这些单元操作。

在所示的具体系统中，可以选择的是，发电厂设备908产生的高温烟道气可在压缩机910中进行压缩，并穿过由干燥器912构成的换热器，换热器的功能将在下面进行说明。换热器912是可以控制的，该换热器将高温烟道气冷却到注入光生物反应器矩阵902、904和906所要求的温度。这些气体在穿过光生物反应器的过程中被藻类生物或其他具有光合作用功能的生物体所处理，从而脱除气体中的一种或多种污染物，比如脱除二氧化碳和/或氮氧化物。经处理后的气体所含二氧化碳和/或氮氧化物的量低于烟道气所含二氧化碳和/或氮氧化物的量，在某一实施方案中，处理后的气体经气体出口914、916和918被排入大气。

正如前面所述的，光生物反应器中所含的藻类生物或其他具有光合作用功能的生物体可以将烟道气中的二氧化碳用于自身的生长和繁殖，从而生成生物物质。正如前面所述的，为了在光生物反应器中维持优化的藻类生物浓度或其他具有光合作用功能的生物体浓度，这些生物物质将通过液体介质出口管线921、922和924从光生物反应器中定期地取出，比如取出带水的藻类生物。

带水的藻类生物从光生物反应器被送入干燥器912，正如前面所述的，高温烟道气也进入干燥器912。在干燥器中，高温烟道气被用来将带水藻类生物中至少一部分水分蒸发掉，从而产生干燥的藻类生物物质，这些干燥的生物物质通过管线926取出。在某些实施方案中，除了可对藻类生物进行干燥并对进入光生物反应器之前的烟道气流进行冷却外，干燥器912的优势在于它还能对烟道气流进行加湿，从而降低气流中的烟尘含量。由于烟尘是光生物反应器的潜在污染物和\或能够造成光生物反应器内气体分配器的阻塞，所以在进入光生物反应器之前除去烟道气中的烟尘颗粒是十分有益的。

从进入干燥器912的带水藻类生物中脱除下来的水分通过管线928进入冷凝器930，从而生成制备光生物反应器新鲜液体介质所用的水。在所示的实施方案中，从冷凝器930所回收的水在经过过滤而除去在干燥器912中所积累的颗粒物质后，或经其他处理而除掉潜在的污染物后，可使用水泵932将其输送到介质储罐934，该储罐中的物料构成了光生物反应器的液体介质。

从干燥器912中取出的干燥生物物质可直接用作为设备908中燃料装置的固体燃料和/或被转化成燃料级油品(比如“生物柴油”)和/或可燃性有机燃料气。用于制造油品或生产燃料气的藻类生物物质可在热解过程和/或热化学液化过程中分解，从而生成油品和/或可燃性气体。从藻类生物物质生产燃料级油品和燃料气的这些方法是本领域中所共知的(见Dote、Yutaka在《燃料》上发表的“通过热化学液化过程从富含碳氢化合物的微藻类物质中回收液体燃料”一文(73：第12期，1994年)Ben-Zion Ginzburg在《可再生能源》上发表的“从喜盐藻类生物生产液体燃料(油)：一种可再生的无污染能源”一文(第三期，249-252页，1993年)、Benemann John R.和Oswald William J发表的“能源部最终报告：将二氧化碳转化成生物物质的微藻类生物池塘的系统及经济性分析”，DOE/PC/93204-T5，1996年3月、“Sheehan等人1998”，以上文献在此通过引证被并入本文)。

在某些实施方案中，尤其是涉及燃烧装备的实施方案中，按照规定，经过光生物反应器处理过的气体需要经某一特定高度的烟囱释放到大气中(即不能按以前所述的将处理后的气体直接排放到大气中)，经过处理后的气流936可注入到烟囱938的底部，从而排放到大气中。在某些实施方案中，经过处理后的气流936的温度不足以使气流有效在排出烟938。在这样的实施方案中，经冷却处理的烟道气936可穿过换热器940，从而在进入烟囱前将气流温度提高到适当的水平。在这样一个实施方案中，经过冷却和处理后的烟道气流936在换热器940中被燃烧装置所释放出的高温烟道气所加热，其中高温烟道气作为热源进入换热器940。

正如从以上说明可以理解的，集成光生物反应器气体处理系统900可以根据生物技术来控制空气污染，并为燃烧化石燃料的装置提供了一种能源再生方案，比如为发电装置提供了能源再生方案。光生物反应器系统可包括排放控制装置和再生系统，排放控制装置和再生系统可除去气体和其他污染物，比如除去对人体和环境均有危害的烟尘颗粒。此外，集成光生物反应器系统产生出可作为可再生能源的生物物质，从而降低了燃烧化石燃料的需求。

此外，在某些实施方案中，集成光生物反应器燃烧气体处理系统900还可包括一个或多个其他的气体处理设备，这些气体处理设备是作为集成系统的一部分，并与光生物反应器之间有流体流动。举例而言，当前所用的控制汞和/或含汞化合物的一种有效技术是使用活性碳或注入二氧化硅(见“提交国会的汞研究报告”，EPA-452/R-97-010，第3期，1997年，此后称为“EPA，1997”)。然而，这项技术对温度的依赖性很大。目前，如果要使这项技术得到有效的应用，则需要对烟道气进行大幅的冷却。在传统燃烧装置中，安装烟道气冷却装置需要额外的投资和操作费用。

本发明具有的优势是，由于烟道气在干燥器912中对藻类生物进行干燥的过程中已在集成系统900内得到了冷却，所以，在本发明中，脱除汞和含汞化合物的装置很容易集成到冷却烟道气的流动通道中，即集成到光生物反应器的上游部分942和/或光生物反应器的下游部分944中。无论集成到光生物反应器的上游部分942和/或光生物反应器的下游部分944，集成系统900所生成的降温烟道气与已知的汞控制技术是高度兼容的，并与多种污染物(氮氧化物、二氧化碳、汞)控制系统相兼容。

同样，已知的各种基于沉降过程的硫氧化物脱除技术也要求烟道气事先得到冷却处理(见“EPA，1997”)。因此，与前面所述的汞脱除技术相同，这些硫氧化物沉降和脱除装置在集成系统900内可以安装在与上述汞脱除系统相近的位置上(如942和944)，硫氧化物沉降和脱除装置与光生物反应器之间有流体流动。

通过以下的实例可更全面地理解本发明这些实施方案和其他实施方案所具有的功能和优势。下面的实例虽然表明了本发明的某些实施方案，但这些实例并不以实例的方式指定了本发明的全部范围。

例1：使用含有三个三角形管式光生物反应器的光生物反应器模块脱除二氧化碳和氮氧化物当前实例所用模块中的每个光生物反应器都由3根横截面为圆形的透明聚碳酸酯导管组成，光生物反应器的结构如图1所示，其中α1＝45°，α2＝90°。在这一三角形结构中，竖直管的长度为2.2米，直径为5厘米，水平管的长度为1.5米，直径为5厘米，斜管的长度为2.6米，直径为10厘米。该光生物反应器模块由3个并行排列的光生物反应器单元组成，与图2所示的结构相似。该光生物反应器模块的占地面积为0.45平方米。

本实例所用的气体混合物在组成上与烟道气组成相似(见“Hiroyasu等人1998”)。气体总流量为715毫升/分钟10升光生物反应器模块。气体在竖直导管的气体分配器与斜管的气体分配器之间的分配比例为50：50。光生物反应器模块中的平均气泡直径为0.3毫米。使用烟道气分析仪(QUINTOXTM，俄勒冈州Keison产品公司生产)对光生物反应器入口和出口的二氧化碳和氮氧化物含量进行测量。

本实例中的光源为“SUNSHINETM”全光谱灯光，光照强度为3 90瓦/平方米，光线只照射斜管。使用TES光度计测量光线的照射强度(台湾台北TES电气电子公司生产)。藻类生物在循环过程中有12小时见光，12小时处于黑暗条件下。光生物反应器的操作温度维持在26℃。

藻类物质的热值用“Burlew 1996”中的微氧弹热量计进行测量。

本实例所用的藻类生物为Dunaliella parva(UTEX)微藻类生物。之所以选择这种藻类生物是因为它在大规模生产过程有良好的性能、对烟道气组成的适应性好以及有能力生成高质量的生物燃料。

本实例中所用的液体介质为改性的F/2，该液体介质中含有：22克/升的氯化钠、16克/升的人造海水海盐(INSTANTOCEAN，俄亥俄州水系统公司)、0.425克/升硝酸钠、5克/升氯化镁、4克/升硫酸钠、1毫升金属溶液/升介质(见下面的物料溶液的组成)+5毫升维生素溶液(见下面的物料溶液的组成)/升介质。液体介质的PH值维持在8。

物料溶液组成：金属溶液—微量金属物料溶液/升乙二胺四乙酸钠               4.160克6水三氯化铁                  3.150克5水硫酸铜                    0.010克7水硫酸锌                    0.022克6水二氯化钴                  0.010克4水二氯化锰                  0.180克2水钼酸钠                    0.006克维生素溶液—维生素物料溶液/升维生素B120.0005克盐酸维生素B10.1克维生素H                    0.0005克本实例中使用680纳米下得到的分光光度计测量值(见“Hiroyasu等人1998”)计算细胞密度。

在这些实验条件下，本实例达到了下述性能：脱除了90％的二氧化碳(在光线照射条件下)；脱除了98％和71％的氮氧化物(分别在光线照射及黑暗条件下)；太能量的利用效率为19.6％。

例2-5：使用光生物反应器矩阵脱除发电厂烟道气中的污染物并生产藻类生物物质所有以下实例均涉及250兆瓦的燃煤电厂，该电厂的烟道气流量为781，250标准立方英尺/分钟，耗煤量为5，556吨/天。烟道气含有二氧化碳(14％体积)、氮氧化物(250ppm)以及经洗涤后的残量硫氧化物(在US1990清洁空气修正案中规定为200ppm)。每天的光照时间假定为12小时，太阳光的平均照射强度为6.5千瓦/平方米/天，这一光照强度与美国西南部的一般光照强度相仿。根据例1中的数据和文献值(“Burlew1961”)，假定藻类生物的太阳量效率为20％。根据例1中的数据和文献值(“Sheehan等人1998”、“Hiroyasu等人1998”)，假定藻类生物白天脱除二氧化碳和氮氧化物的效率分别为90％和98％，夜间脱除二氧化碳和氮氧化物的效率分别为0％和75％。藻类生物物质生成生物燃料的能力为3.6桶/吨藻类物质(干燥重量)(“Sheehan等人1998”)。表2列出了不同生产力和操作条件下的系统尺寸和性能。

表2：例2-5的尺寸和生产能力结果

*：不考虑二氧化碳**：不考虑氮氧化物***：假定发电厂的效率为35％

虽然本文对本发明的几个实施方案进行了图解说明和描述，但本领域的普通技术人员会很容易地认识到，各种其它的装置和结构也能实现本文所述功能和/或取得本文所述的结果或优势，这些其它的装置和结构以及每种这样的变化和修改均被认为在本发明的范围之内。更一般而言，本领域的技术人员会很容易地认识到，本文所述的所有参数、尺寸、材料以及结构是示范性的，实际的参数、尺寸、材料和结构将取决于本发明的具体应用情况。本领域的技术人员将认识到或有能力确定，只不过使用常规的实验方法就可以得到与本文所述本发明的具体实施方案相等同的效果。因此，应该理解的是，前面所述的实施方案只是以实例的方式给出的，在本文所附权利要求及等同条款的范围内，本发明可以以本文具体所述之外的方式加以实现。本发明与本文所述的各个特性、系统、材料和/或方法相关。此外，只要在这些特性、系统、材料和/或方法不相互冲突的情况下，这些特性、系统、材料和/或方法中的两种或多种组合均在本发明的范围之内。在权利要求(以及上述技术说明)中，所有的过渡性词语或涵盖性词语，例如“包含”、“包括”、“带有”、“具有”、“含有”、“由…构成”、“由…形成”以及类似的词语应被理解为开放性的词语，即这些词语意味着“包括…，但不限于…”。只有“由…组成”和“基本上由…组成”这些过渡性词语或涵盖性词语被分别认为是封闭性或半封闭性词语。