BRPI0718293A2 - Sistema fechado de fotobio-reator para produção, separação, coleta ee remoção in situ, diariamente continuadas, de etanol, a partir de organismos fotossintéticos geneticamente otimizados - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMA FECHADO DE FOTOBIORREATOR PARA PRODUÇÃO, SEPARAÇÃO, COLETA E REMOÇÃO IN SITU, DIARIAMENTE CONTINUADAS, DE ETANOL, A PARTIR DE ORGANISMOS FOTOSSINTÉTICOS GENETICAMENTE OTIMIZADOS".

REFERÊNCIA A PEDIDOS DE PATENTE RELACIONADOS

O presente pedido de patente reivindica o benefício de Pedido de Patente Provisório dos Estados Unidos N0 60/864.091, depositado em 2 de novembro de 2006, que é aqui incorporado através de referência em sua totalidade até o ponto em que não há consistência com a presente descrição.

Antecedentes

A presente invenção refere-se aos campos da engenharia, microbiologia, biologia marinha, físico- química e dinâmica dos fluidos.

A invenção proporciona um fotobiorreator fechado, de grande volume, para a produção diária continuada de etanol, ou outros biocombustíveis, a partir de meios de cultura compreendendo cianobactérias ou algas geneticamente otimizadas e separação in situ do etanol dos meios de cultura através de evaporação por meio da Iuz do sol e subsequente condensação e coleta de etanol no fotobiorreator. O aparelho do fotobiorreator é projetado para permitir a manutenção de uma cultura estável, de alta densidade, compreendendo cianobactérias ou algas geneticamente otimizadas e separação e coleta do etanol produzido no mesmo aparelho. Uma modalidade da invenção é a remoção de etanol da cultura compreendendo cianobactérias ou algas geneticamente otimizadas, em que o etanol é removido da cultura, sem energia adicional, externa, feita pelo homem.

Dado ao custo elevado e em expansão do combustível fóssil com base em combustíveis de transporte, a enorme demanda mundial por esses combustíveis e o impacto ambiental negativo do uso disseminado, tem havido um deslocamento significativo acionado pelo mercado para o uso de combustíveis alternativos, que são mais limpos e renováveis, a saber, os biocombustíveis. Correntemente, a produção de biocombustíveis, particularmente etanol, é dominada pela conversão de substratos alimentícios de alto custo, tais como a cana de açúcar, o milho, o óleo de palma e outras colheitas terrestres predominantemente usadas como 5 alimento para consumo humano/animal. Embora a tecnologia existente converta esses estoques de abastecimento em etanol e biodiesel para uso como combustíveis de transporte, não há terras aráveis ou recursos de água potável suficientes para satisfazer a enorme demanda do mercado global de combustíveis de transporte. Somente os Estados Unidos usam mais de 140 10 bilhões de galões, anualmente. O impacto econômico do desvio de quantidades significativas de milho do mercado de alimentos humano /animal para o mercado de combustíveis de transporte tem causado um aumento maior do que 50% no preço de mercado do milho nos mercados globais de mercadorias. Esses impactos sobre os mercados de mercadorias 15 alimentícias não são sustentáveis a longo prazo e grandes quantidades de esforços estão sendo despendidas para descobrir alternativas renováveis para produção em maior escala.

A tecnologia alternativa mais predominante que está sendo desenvolvida é a conversão de biomassa, a saber, a conversão de produtos residuais baseados em celulose em biocombustíveis usando um processo industrial. Permanecem desafios técnicos significativos para trazer esta tecnologia para uma realidade comercial. Dado o alto custo do transporte do estoque de abastecimento de celulose para a instalação de processamento e altos custos de capital, essa tecnologia poderia ser limitada em escala às instalações que produzem 5-100 milhões de galões de biocombustível, anualmente. Portanto, existe e permanecerá uma necessidade de uma tecnologia de produção de biocombustíveis industriais que não use ou desloque um estoque de abastecimento que é para consumo humano /animal, não usa terra arável, pode ser feito em quantidades muito grandes em um baixo preço e não usa recursos preciosos de água potável. Uma dessas tecnologias é o uso de cianobactérias fotoautotrópicas, algas e outros organismos fotoautotróficos, geneticamente otimizados, para converter açúcares internos diretamente em etanol, butanol, pentanol e outros alcoóis superiores e outros biocombustíveis.

Por exemplo, cianobactérias geneticamente modificadas, tendo constructos compreendendo fragmentos de DNA codificando enzimas de piruvato descarboxilase (pdc) e álcool desidrogenase (adh), são descritas na patente 6.699.696 (Woods, e outros para “Genetically modified cyanobacteria for the production of ethanol, the constructs and method thereof’). Cianobactérias são bactérias fotossintéticas que requerem luz, elementos inorgânicos, água e uma fonte de carbono, em geral, dióxido de carbono (CO2), para metabolizar e se desenvolver. O processo usando a tecnologia descrita em Woods, e outros, tem possibilitado o desenvolvimento da produção industrial de etanol em uma escala massiva, usando substratos de alimentação econômicos, prontamente disponíveis, a saber, água e CO2. A produção de etanol usando cianobactérias geneticamente projetadas também foi descrita em Pedido de Patente PCT Publicado WO 2007/084477 (Fu e outros para “Methods and Compositions for Ethanol Producing Cyanobacteria”).

A produção de biocombustíveis usando cianobactérias fotoautotrópicas geneticamente otimizadas, algas e outros organismos fotoautotróficos abre uma nova área na produção industrial de biocombustíveis. O benefício principal dessa tecnologia é a combinação do processo da conversão de energia solar em energia bioquímica celular (a produção de "açúcares") com a fermentação desses "açúcares" internos diretamente em etanol em uma única célula. Essa abordagem "direto para 0 etanol" elimina a necessidade de, separadamente, desenvolver e coletar o substrato de alimentação, então, convertê-lo no biocombustível. Outros benefícios dessa tecnologia são a capacidade para usar terra marginal não- arável, não-produtiva ou deserta para instalações de produção, a capacidade para usar água salgada, água ligeiramente salgada, água potável ou água poluída como um substrato de alimentação, a capacidade para reciclar quantidades enormes de dióxido de carbono em um combustível de transporte e a capacidade de construir instalações para produção em grande escala com milhões a bilhões de galões de capacidade de produção anual, tudo com base em um organismo fotoautotrófico geneticamente otimizado.

Organismos fotoautotróficos são aqueles que podem sobreviver, crescer e se reproduzir com energia derivada inteiramente do sol através do processo de fotossintese. A fotossintese é, essencialmente, um processo de reciclagem de carbono através do qual dióxido de carbono (CO2) inorgânico é combinado com energia solar, outros nutrientes e processos bioquímicos celulares para sintetizar carboidratos e outros compostos críticos para a vida. A fotossintese absorve Iuz em uma faixa limitada do espectro solar total, apenas na faixa de comprimento de onda de 400 - 700 nm. Essa faixa representa somente cerca da metade da energia solar total. Embora nesse tempo pouco possa ser feito para expandir a faixa de absorção de comprimento de onda de fotossintese, esforços podem ser feitos para otimizar a energia que pode ser absorvida.

No ambiente aberto, a eficiência fotossintética global raramente excede 6%. Uma combinação de fatores, incluindo respiração durante períodos escuros, o comprimento do fotoperíodo, a intensidade e a incidência da luz, o teor de clorofila, nutrientes disponíveis e tensão todos 20 reduzem ainda mais a eficiência de instalações abertas no ambiente externo natural. Em fotobiorreatores de laboratórios, é possível alcançar uma eficiência fotossintética de mais de 24%. A meta de todos os sistemas de produção de fotobiorreatores é otimizar as condições ambientais e a sintonia fina do processo de produção global para obter alta produção de biomassa e 25 rendimentos de fotossintese bem além daqueles capazes no ambiente natural e em sistemas de crescimento em reservatórios abertos.

Esforços anteriores para produção em maior escala têm se focalizado sobre o crescimento de organismos fotoautotróficos em reservatórios abertos ou canais que proporcionam condições de 30 desenvolvimento similares encontradas na natureza. Uma grande desvantagem dessa abordagem é que as condições de desenvolvimento não podem ser bem controladas, resultando em saídas de produção incertas, contaminações de lotes e custos de fabricação incertos. Esses sistemas abertos também não são adequados para cultivar, de maneira eficiente, os organismos geneticamente otimizados (GE) hoje disponíveis.

O gargalho corrente para a produção industrial de organismos fotoautotróficos é uma ausência de sistemas de cultivo em grande escala efetivos em custo, utilizando fotobiorreatores. Produção volumétrica muito alta é necessária para reduzir o tamanho global do sistema de produção instalado, bem como reduzir o custo de produção e de processamento a jusante. Fatores chave desses sistemas são uma alta concentração de biomassa por volume, alta eficiência fotossintética e a capacidade que têm esses sistemas de uso de muito pouca energia feita pelo homem. O projeto de sistemas de fabricação ultragrandes (milhões a bilhões de galões de rendimento de produção anual), efetivos em custo, que são necessários para produzir quantidades muito grandes de biocombustíveis, tem sido um grande desafio técnico não solucionado até agora.

Vários estudos têm resultado em desenhos de fotobiorreatores fechados para a cultura de organismos fotoautotróficos, utilizando várias tecnologias. Nesses ambientes controlados, produtividade de biomassa muito maior foi alcançada, mas as taxas de crescimento de biomassa não 20 foram altas o bastante para deslocar os custos do capital dos sistemas onerosos utilizados para a produção de biocombustíveis de baixo custo. A pesquisa nesse campo tem se focalizado no desenvolvimento dos sistemas de fotobiorreator de múltiplos desenhos incluindo reatores de placa (também conhecidos como painéis planos, fotobiorreatores verticais com gás 25 espargido, reatores de coluna de bolhas, reatores de suspensão a ar, reatores de suspensão a ar de laço externo e fotobiorreatores tubulares. Cada um desses sistemas permite vários graus de controle e otimização do processo, resultando em condições aperfeiçoadas de desenvolvimento, a fim de obter volume e custo predizíveis. Todos esses sistemas têm demonstrado 30 a capacidade de maior produção de biomassa volumétrica, quando comparado com sistemas de reservatório aberto; contudo, todos esses sistemas requerem energia externa significativa para operar os sistemas de biorreatores. Para a produção de biocombustíveis, será necessário limitar a quantidade de energia requerida para operar o sistema a fim de assegurar o maior equilíbrio de energia positiva para os biocombustíveis produzidos.

Os fotobiorreatores são, em geral, cilíndricos ou tubulares na forma (tubo) (Yogev e outros, na patente norte-americana N0 5.958.761), usualmente, são orientados horizontalmente e requerem energia adicional para proporcionar mistura (por exemplo, bombas), assim, adicionando, despesa significativa de capital e operacional, eles não têm espaço livre intencional, exceto aquele criado pelo O2 aprisionado. Oxigênio, produzido pela fotossintese, também pode se tornar aprisionado nesses tipos de sistema e inibir, negativamente o crescimento e a produção de biocombustível. Os fotobiorreatores, tais como colunas de bolhas ou suspensões de ar, podem ser orientados verticalmente e agitados pneumaticamente, o que pode reduzir a necessidade de bombeamento de fluido. Esses biorreatores são principal ou unicamente para acúmulo de biomassa. Alguns desenhos de fotobiorreatores contam com iluminação artificial, por exemplo, lâmpadas fluorescentes (como descrito por Kodo e outros, na patente norte-americana No. 6.083.740). Contudo, fotobiorreatores que não utilizam energia solar, mas, ao contrário, contam somente com fontes de Iuz artificial , requerem tanta entrada de energia que não são práticos ou efetivos em custo para produção em escala industrial de biocombustíveis. Fu e Dexter (WO 2007/084477) usaram lâmpadas GE x 26 watts para proporcionar Iuz para o sistema de biorreator Bioflo R® 110.

Diversos estudos de algas cultivadas em fotobiorreatores têm usado tubos de furo estreito dispostos em paralelo e horizontal ao solo e sobre prateleiras. Essas, tipicamente, contêm pontos de alimentação e de colheita para produzir a biomassa e requerem grandes áreas de superfície. Esses sistemas contam com forte agitação proporcionada por bombeamento de biomassa/meio de crescimento através da tubulação em várias velocidades elevadas. O custo de bombeamento nesses sistemas os impedirá de serem usados na produção e biocombustíveis em uma grande escala. Esses sistemas também não são práticos em uma escala muito grande, como centenas, se não milhares de hectares de cobertura, devido ao alto custo dos sistemas de tubulação.

Colunas de bolhas, tipicamente, são recipientes translúcidos, de grande diâmetro, verticalmente orientados, enchidos com algas suspensas em meio líquido, em que gases são borbulhados no fundo do recipiente. Uma vez que linhas de fluxo precisamente definidas não são formadas reproduzivelmente em sistemas muito grandes, pode ser difícil controlar as propriedades de mistura do sistema, o que pode levar a baixos coeficientes de transferência de massa, fotomodulação pobre e baixa produtividade.

Reatores de suspensão a ar, tipicamente, consistem em recipientes tubulares concêntricos, verticalmente orientados, em que os gases são borbulhados no fundo do tubo interno. O gradiente de pressão criado no fundo do tubo menor cria um fluxo anular de líquido para cima, através do tubo interno e, então, para baixo, entre os tubos. O tubo externo é feito de material translúcido, enquanto o tubo interno, usualmente, é opaco. Portanto, as algas são expostas à luz, enquanto passando entre os tubos, e à escuridão, enquanto no tubo interno. O ciclo Iuz - escuridão é determinado pelo desenho geométrico do reator (altura, diâmetros dos tubos) e por parâmetros operacionais (por exemplo, taxa de fluxo de gás).

Biorreatores de suspensão a ar podem ter coeficientes maiores de transferência de massa e produtividade de algas, quando comparados com os sistemas convencionais, mecanicamente agitados. Análogo à produção de células de mamíferos, grandes bolhas resultam em pobre transferência de massa de gases críticos. Bolhas que são pequenas demais resultam em maior cisalhamento perto do ponto de criação de bolhas e, portanto, mais células danificadas ou mortas. Ambas, células danificadas e mortas podem liberar componentes no meio de crescimento, que, se altos demais, podem prejudicar grandemente a saúde e, assim, a produtividade do sistema. Contudo, o controle sobre os padrões de fluxo dentro de um biorreator de suspensão a ar muito grande para obter um nível desejado de mistura e fotomodulação é difícil ou impraticável. A exigência de energia para um fotobiorreator de suspensão a ar, tipicamente, é muito menor do que aquela para um sistema agitado e Poe ser adequada para produtos de valor mais alto do que o combustível para transporte de mercadorias, mas mesmo os custos de bombeamento requeridos para um fotobiorreator de suspensão a ar são grandes demais para combustíveis para transporte de 5 mercadorias de baixo valor.

Além disso, por causa das restrições do desenho geométrico na maioria dos sistemas correntes, os fotobiorreatores cilíndricos sofrem de baixa produtividade, quando usados para produção de algas ao ar livre em grande escala, devido aos fatores relacionados com a reflexão de Iuz e 10 efeitos de autossombreamento (em que uma coluna está sombreando a outra). Essa tecnologia é impraticável para uso na produção de combustíveis para transporte de mercadorias de baixo valor, tal como etanol.

É importante para desenho otimizado da instalação e engenharia para compreender que quando do crescimento de organismos fotossintéticos em alta densidade, o sombreamento de células por outras células reduzirá a absorção solar global.

Mecanismos de mistura apresentam um desafio em um biorreator volumoso e podem ser problemáticos, uma vez que as células passam da área de mistura do biorreator para os tubos de coleta solares 20 onde a fotossintese ocorre. Um grande desafio para modificar o tamanho em um sistema de fotobiorreator é a tensão de cisalhamento aumentada proveniente da mistura ou turbulência que resulta em danos à célula (Gudin C., Dhaumont D. 1991. “Cell fragility is a key problem of microalgae mass production in closed photobioreactors,” Bioresource Technology 38:145-151). 25 As células são, frequentemente, mais resistentes ao cisalhamento hidrodinâmico estático e menos resistentes ao cisalhamento criado por uma superfície de líquido /ar. Danos às células e Iise podem ocorrer em diversos pontos, incluindo criação de bolhas, subida de bolhas e, como para as células de mamíferos, explosão de bolhas na interface líquido/ar. Paredes de 30 células de plantas, frequentemente, contêm material celulósico que lhes dão alta resistência à tensão, mas podem ter resistência ao cisalhamento extremamente baixa. Os impulsores de lâmina fixa ou fluxos de ar excessivos em biorreatores de suspensão a ar produzem altas taxas de cisalhamento que resultam em ruptura da célula. O nível otimizado de turbulência para mistura, que cria tensão de cisalhamento para as células, é um resultado do fluxo de fluido e da velocidade do gás. À medida que a 5 densidade da célula aumenta, a viscosidade do fluido sobe, o que trabalha contra a mistura uniforme e a transferência de massa otimizada subsequente de nutrientes. Altas taxas de fluxo de ar em altas densidades de células em um biorreator de suspensão a ar pode resultar em cisalhamento, tornando- se grande demais e o rompimento da célula ocorre. Algas, similar a outras 10 espécies de plantas em cultura de suspensão, variam na resistência ao cisalhamento. Isso tem sido um grande desafio no desenvolvimento de um fotobiorreator padrão, em que todas as células podem ser desenvolvidas.

Rápida alteração entre altas intensidades de Iuz e escuridão tem sido mostrada consistentemente para acentuar significativamente a 15 eficiência da fotossintese, com ciclos mais curtos tendo efeitos maiores (Matthijs, e outros. Application of Iight emitting diodes in bioreactors: flashing Iight effects and energy economy in algal culture. Biotechnol. Bioeng. 50:98- 107). Tem sido especulado que a redução de aceitadores de elétrons em fotossistema Il (PSII), com a oxidação correspondente daqueles aceitadores, 20 resulta em alta captura de energia solar durante a luz.

O sistema de tubo de absorção solar, contendo áreas claras e escuras com misturadores em linha e um tempo de permanência otimizado através de controle de fluxo de fluido seria capaz de ciclos de Iuz para escuridão de frações de um minuto a diversos minutos, conforme ditado 25 pelas espécies de algas. Um caminho melhor para se obter transições de Iuz escuridão é misturar algas, assim, elas são alternadamente sombreadas por outras algas ou expostas à luz. A eficiência global do sistema depende de sua área e de seu rendimento. Uma área escura não está contribuindo para o produto. As algas podem ser mais eficientes, mas o sistema como um todo 30 não é. Mas, se sombreamento por algas for usado, a Iuz está sempre sendo absorvida por um elemento ativo. Janssen, M, e outros. (Scale-up aspects of photobioreactor s: effects ofmixing induced light/dark cycles. J. Appl. Phycol. 12:225-237.) demonstrou que um gradiente de luz, que ocorre em Iuz do sol natural durante um dia típico, tem impacto significativo sobre o rendimento da biomassa de uma dada energia de luz. É esperado que à medida que alguém se move para longe do equador, norte ou sul, o gradiente de Iuz será 5 mais pronunciado durante o ano, resultando em menores eficiências, quando do movimento para longe do equador. O desenho de muitos fotobiorreatores de suspensão a ar resulta em biomassa menor do que o esperado, mesmo quando dióxido de carbono e outros nutrientes são aumentados. Isso é devido ao desenho físico da maioria dos sistemas, que facilita ciclos de Iuz 10 escuridão de comprimento médio, que tem sido mostrado reduzir o rendimento de biomassa. A agitação é rápida demais em sistemas de suspensão a ar de movimento rápido e sistemas de coluna de bolhas.

Sistemas de suspensão a ar podem ser projetados para proporcionar transferência de massa otimizada de oxigênio e dióxido de 15 carbono, embora em densidades de peso seco acima de 70 gL a manutenção de dióxido de carbono dissolvido adequado se torne difícil. Em altas densidades de célula e durante altas taxas de fotossintese, a produção de oxigênio e a rápida utilização de dióxido de carbono frequentemente requeriam ventilação do sistema. Isso torna-se um problema em fototubos 20 longos vedados e é uma razão principal para que os fototubos longos externos tenham comprimentos limitados, quando não ventilados. Mas esses sistemas de canos ou tubos de diâmetro pequeno são, predominantemente para produção de biomassa e etanol como um produto produzido diretamente não está sendo feito.

Tão cedo quanto 1959, Tulecke e Nickell, e em 1963, Wang e

Staba, produziram biorreatores de 20 litros para a cultura de células de plantas. No início da década de 1970, Kato e seus colegas na Japan Tobacco and Salt Public Corporation investigaram o uso de ar na mistura até 1500 litros. Mais tarde, um sistema de 20.000 litros foi usado por Noguchi na 30 mesma companhia. No meio da década de 80, Wagner e Vogelmann demonstraram que o sistema de suspensão a ar era superior a todos os outros no fornecimento de boa produtividade e um bem-definido e controlado sistema de parâmetros, resultando em características de fluxo reproduzíveis. Eles ainda sugerem que o movimento do fluido pode ser melhor controlado através do uso de um tubo de sucção interno através do qual a mistura de ar é borbulhada. Embora esses sistemas possam ser significativamente 5 maiores, sua operação requer muita energia externa e, portanto, eles não são efetivos em custo para uso como sistemas de produção para biocombustíveis. Além disso, o sombreamento mútuo em sistemas de suspensão a ar vertical tem um impacto sobre a capacidade total do sistema instalado em um dado espaço.

Javanmardian e Palsson (1991, High-density photoautotrophic

algal cultures: design, construction, and operation of a novel photobioreactor system. Biotechnology & Bioengineering: 38, p 1182-1189,) desenvolveram uma equação para a profundidade de penetração de luz. A aplicação dessa equação a um sistema de reservatório de alta densidade sugere que em 15 densidades de células de 50g/L, a penetração de Iuz será menor do que 2 mm. Isso demonstra que a penetração de Iuz limita, claramente, a produção de biomassa de algas em situações típicas de reservatório aberto. Ogbanna e Tanaka (1997, Industrial-size photobioreactor s. Chemtech: 27(7), p43-49.) demonstraram que a fotossintese é mantida com uma intensidade de Iuz de 20 7,3 pmol/m2/s. Além disso, Lee e Palsson (1994, High-density algal photobioreactors using light-emitting Diodes. Biotechnology and Bioengineering: 44, p1161-1167,) verificaram que o curso da Iuz e a intensidade da Iuz aumentaram a produção de biomassa de algas com o curso da Iuz possivelmente tendo um impacto maior.

As pessoas têm trabalhado maneiras para suplementar a Iuz

natural com iluminação artificial a fim de aumentar a eficiência da fotossintese. Lee e Palsson (High density algal photobioreactors using Iight emitting diodes. Biotech. BioEng. Vol 44. 1161-1167:1994) usaram diodos emissores de Iuz altamente eficientes(LED compreendendo chips de 30 arsenieto de gálio alumínio) para demonstrar que Iuz artificial em comprimentos de onda específicos (680 nm de Iuz vermelha monocromática) poderiam aumentar, significativamente, a densidade da cultura da célula. Eles verificaram que a suplementação com Iuz em um comprimento de onda de 680 nm produziria uma concentração de célula de mais de 2 x 109 células/ml (ou mais de 6,6% v/v) e uma taxa de produção de oxigênio tão alta quanto 10 mmols de oxigênio/L cultura/h, usando ultrafiltração on-line 5 para proporcionar, periodicamente, meio fresco. Embora este processo seja oneroso e possa ser impraticável para escalas ultragrandes requeridas na produção de biocombustíveis, ele demonstrou a possibilidade de otimizar a produtividade global através de iluminação suplementar.

Hu e outros (1998, Ultra-cell-density culture ofmarine green alga 10 chlorococcum Iittorale in flat-plate photobioreactor. Applied Microbiology Biotechnology: 49, p 655-662) relataram a produção de 84g/L de algas em um fotobiorreator de placa plana com uma intensidade de Iuz de 2.000 microeinsteins por segundo por metro quadrado. Em uma análise da literatura até aquele momento, 3-12g/L eram as densidades de células 15 típicas obtidas em fotobiorreatores.

Fernandez e outros (2001, Airlift-driven external-loop tubular photobioreactors for outdoor production of microalgae: assessment of design and performance Chemical Engineering Science 56 (2001) 2721-2732) relataram os resultados do desenho de um sistema de suspensão a ar que 20 incorporou 80m de tubulação (cano) livre como um receptor solar. O sistema foi capaz de manter culturas de algas de alta densidade e usou pouca energia externa para acionar o sistema. Esse desenho global do sistema e a operação tornam o mesmo um candidato atraente para produção em grande escala, mas o sistema do receptor solar tem limitações para produção em 25 grande escala.

Todos os sistemas de fotobiorreatores correntes têm várias limitações para uso na produção industrial em grande escala de biocombustíveis de baixo custo. A maior parte dos sistemas não são possíveis por causa de sua necessidade de quantidades significativas de 30 energia externa para operação otimizada. Outro problema com os sistemas existentes é o alto custo dos materiais para construir os sistemas. Muitos são montados em onerosos sistemas de suportes de metal e não são colocados no chão. O problema mais significativo de todos os fotobiorreatores existentes é que eles são projetados para maximizar a produção de biomassa. Os fotobiorreatores existentes se concentram na reprodução das células através de divisão e aumento no número e na massa 5 com o objetivo de coletar as algas ou biomassa e extração de produtos da biomassa em etapas separadas ou usando a própria biomassa, ou secando a biomassa. Os sistemas de fotobiorreatores correntes têm várias limitações para uso na produção industrial em grande escala de biocombustíveis de baixo custo usando micro-organismos fotossintéticos geneticamente 10 otimizados que fazem biocombustíveis. A maior parte dos sistemas não são possíveis por causa de sua necessidade de quantidades significativas de energia externa para operação otimizada. Outro problema com os sistemas existentes é a complexidade e o alto custo dos materiais para construir os sistemas. Os sistemas de tubos ou canos são feitos tradicionalmente de 15 acrílico ou policarbonato e isto é muito oneroso e não adequado para produção em grande escala. Além disso, os sistemas de canos ou tubos são colocados em prateleiras de metal pesado para suportar a cultura de líquido fora do solo e que também é muito onerosa. Os fotobiorreatores existentes são projetados para maximizar a produção de biomassa. Os fotobiorreatores 20 existentes se concentram na otimização de produção de biomassa através da reprodução de células por divisão a aumento no número e na massa, ou um lipídio ou proteína particular com a meta de coletar os micro-organismos ou biomassa do fotobiorreator e, então, extraindo os produtos desejados da biomassa. A coleta do produto da biomassa requer energia e esforço 25 significativos e, tipicamente, requer que o micro-organismos ou biomassa do fotobiorreator sejam substituídos para o ciclo seguinte de produção de biomassa. De preferência, um sistema de fotobiorreator, usando organismos fotoautotróficos geneticamente otimizados para a produção de etanol, coletará o biocombustível produzido, sem ter que remover os micro- 30 organismos ou biomassa do fotobiorreator. Fotobiorreatores tradicionais são incapazes de fazer isso visto que eles são projetados para produzir biomassa e isso requererá que a biomassa seja coletada ou separada da água, sacrificada e processada em muitas etapas a fim de obter o produto final de etanol ou lipídio. Além disso, a divisão celular requer uma quantidade significativa da energia bioquímica disponível da célula. Portanto, é desejável manter a cultura em um estado constante e converter tanta 5 energia bioquímica celular em etanol quanto possível. Os sistemas de biorreatores correntes não são projetados, tipicamente, para manter culturas em estado constante. Os sistemas de fotobiorreatores industriais correntes não têm um meio para aprisionar etanol produzido por micro-organismos fotossintéticos geneticamente otimizados, que é liberado diretamente no 10 meio de cultura. Portanto, em sistemas de biorreatores correntes, o etanol no meio de cultura será ventilado para a atmosfera durante remoção dos níveis saturados ou supersaturados de O2 produzido durante a fotossintese, volatilizando para fora do meio de cultura.

Para resolver o problema das ineficiências envolvidas na recuperação de biocombustíveis, tais como etanol, de biomassa coletada em fotobiorreatores, a presente invenção vence as restrições de uso de energia externa e materiais de sistemas de fotobiorreatores existentes, ao mesmo tempo em que mantém culturas de alta densidade para produção de biocombustíveis de baixo custo. Os sistemas correntes têm grandes exigências de energia para crescimento e manutenção de biomassa. A presente invenção usa energia solar e apenas pequenas quantidades de energia criada pelo homem. A presente invenção proporciona a recuperação de biocombustível de condensado em uma porção superior do fotobiorreator e/ou de uma corrente de exaustão de gás de uma parte superior da câmara. A presente invenção usa um grande espaço livre acima do meio de cultura como um meio de permissão para que o etanol evapore do meio de cultura e entre na fase gasosa do aparelho. O etanol pode, então, condensar nas paredes da parte superior do aparelho e correr em calhas de coleta, ou a fase gasosa pode ser coletada enquanto deixa o aparelho e os gases enriquecidos com etanol podem seguir através de meio externo de coleta do etanol da fase gasosa. Como O2 é produzido pelos organismos na cultura e quaisquer quantidades traço pequenas de CO2 introduzidas na cultura escapam e como a água é mudada de uma fase líquido para uma fase gasosa, O2 e gás etanol, além do etanol no condensado, serão empurrados do fotobiorreator e o etanol deve ser recuperado a fim de maximizar a eficiência do sistema. Na presente invenção isso pode ser realizado, predominantemente, com energia solar.

Além disso, a presente exposição proporciona recuperação do biocombustível do condensado em uma porção superior do fotobiorreator e/ou de uma corrente de exaustão de gás de uma parte superior da câmara. O aparelho e os métodos aqui descritos permitem que pelo menos, aproximadamente, 80% a cerca de 100% do produto biocombustível total sejam recuperados por condensação da porção superior do fotobiorreator e ou uma corrente de gás de exaustão sem recuperação ou, no máximo, apenas cerca de 1% a cerca de 20% da produção de biocombustíveis total a ser recuperada da biomassa em uma porção inferior do fotobiorreator.

A produção de biocombustíveis usando organismos fotoautotróficos geneticamente otimizados em uma escala industrial requer sistemas de fotobiorreatores que cubram centenas, se não milhares, de hectares de terra e contenham milhões, se não bilhões de galões de água para crescimento de organismos. Esses sistemas nunca foram antes desenvolvidos e possuem desafios de engenharia significativos. Como o produto que está sendo produzido é uma mercadoria de baixo custo, não um produto de alto valor, baixos custos de fabricação são críticos para o sucesso comercial global. Essa restrição sozinha elimina, efetivamente, todos os desenhos correntes de sistemas de fotobiorreatores de tamanho industrial para a fabricação de biocombustíveis em uma grande escala. A presente invenção permite sistemas de fotobiorreatores que podem produzir, eficientemente, biocombustíveis de micro-organismos fotossintéticos geneticamente otimizados em uma grande escala em baixo custo.

Quando expostos à Iuz suficiente, tal como a Iuz do sol, os organismos geneticamente otimizados liberam o biocombustível no meio de crescimento aquoso, onde ele evapora como um gás na parte superior da câmara. A água e o biocombustível se condensam na superfície interna da parte superior da câmara e as goticulas correm pela superfície interna abaixo em uma calha de coleta, que, em uma modalidade, usa a gravidade para drenar para uma área inferior para destilação. Embora essas evaporação e condensação aconteçam continuamente durante o dia, a 5 maior produção de evaporação e condensação, mais provavelmente, venham a acontecer à noite, durante o tempo em que há um diferencial de temperatura maior entre o interior do biorreator e a temperatura externa do ar ambiente.

Como os organismos geneticamente otimizados liberam o 10 biocombustível no meio de crescimento circundante onde ele evapora, nada ou muito pouco da cultura tem que ser coletado ou removido para recuperar o biocombustível. Isso resulta em eficiência significativamente aumentada e ganho líquido de energia do sistema comparado com os sistemas de fotobiorreatores que têm que despender recursos para remover a maior 15 parte ou toda a cultura do fotobiorreator, separar a biomassa da cultura, processar a biomassa por centrifugação ou sacrifício de camada para extrair um produto, então, os novos organismos têm que ser cultivados e inoculados e, então, o organismo é substituído na cultura no fotobiorreator. Nenhuma dessas etapas é trivial ou econômica.

Os fotobiorreatores e métodos aqui descritos são especialmente

aplicáveis para uso como fotobiorreatores externos em grande escala, onde a Iuz solar é utilizada como a fonte de luz. O termo "em grande escala" em referência aos fotobiorreatores significa fotobiorreatores tendo um volume maior do que cerca de 1.000 litros ou, em algumas modalidades, maior do 25 que 10.000 litros. Os fotobiorreatores compreendem formas fechadas que podem ser qualquer forma incluindo, mas não limitado àquelas com seções transversais retangulares, triangulares, cilíndricas, circulares, ovais, irregulares ou poligonais. Os fotobiorreatores podem ser moldados em tubos, domos hexagonais ou de múltiplos lados ou domos circulares. O 30 fotobiorreator é fechado ao ambiente circundante no sentido de que a perda por evaporação de biocombustível é mantida baixa para impedir a contaminação de bactérias heterotróficas e outros organismos e seu resíduo; evaporação de água; redução em mudanças na salinidade; contenção dos organismos; roubo e o vandalismo é minimizado.

Os biocombustíveis capazes de serem produzidos e liberados na presente invenção incluem, mas não estão limitados aos mesmos, etanol, butanol, pentanol e outros alcoóis superiores. Em uma modalidade preferida, o biocombustível é etanol.

Constructos e métodos para a produção de etanol de cianobactérias geneticamente modificadas têm sido descritos (Ref: Woods et al., Fu/Dexter, Coleman et al.). Esses métodos proporcionam a produção e a liberação de etanol líquido em um meio de cultura de cianobactérias expostas à Iuz do sol e proporcionaram água, CO2 e nutrientes. Existem métodos e dispositivos para o crescimento, a manutenção e a coleta de biomassa de algas e cianobactérias a partir de culturas aquosas em pequena escala. A maior parte é projetada para uso em um laboratório e usam Iuz artificial para estimular a fotossintese. Métodos para separar etanol de soluções aquosas também são descritos. Todos esses dispositivos de separação requerem energia na forma de energia feita pelo homem gerada externamente para acionar o processo de separação, quer resulte de aquecimento (destilação) ou resfriamento (pervaporação). Correntemente, não há dispositivos disponíveis ou descritos que proporcionem o crescimento externo, em grande escala e manutenção de culturas cianobacterianas produzindo etanol que também permitem a separação de etanol da cultura aquosa no mesmo aparelho onde as cianobactérias está sendo cultivadas, em que certas modalidades são feitas de modo econômico, são acionadas por energia solar, usam variação diurna em Iuz e temperatura e são projetadas para controlar a quantidade de nutrientes, luz, água e CO2 aos quais as cianobactérias são expostas.

A presente invenção resolve esses problemas. Ela proporciona um fotobiorreator fechado, externo, de grande volume, para a produção diária continuada de etanol de um meio de cultura compreendendo cianobactérias ou algas geneticamente otimizadas e separação do etanol do meio de cultura através de evaporação pela Iuz do sol e condensação subsequente e coleta de etanol na mesma câmara do fotobiorreator em que as cianobactérias crescem. Uma modalidade da invenção inclui o uso de uma única câmara composta de plástico translúcido, que contém um espaço para crescimento e manutenção das cianobactérias em um meio de cultura 5 aquoso, um espaço livre para evaporação do etanol da solução aquosa usando Iuz do sol e uma superfície para condensação de etanol do gás evaporado. Essa modalidade tem calhas para a coleta do metanol líquido condensado que pode, então, ser movido através de tubos anexos até um aparelho separado para processamento do etanol até a pureza desejada. 10 Em outra modalidade, a parte superior da câmara do fotobiorreator tem compartimentos adicionais para refrigerante em contato térmico com o gás na parte superior da câmara. Um refrigerante fluido é passado através do compartimento de refrigerante que resfria mais o gás na parte superior da câmara e otimiza a condensação do biocombustível nas calhas de coleta. O 15 fotobiorreator pode ser construído como uma peça única ou como peças múltiplas, como uma parte superior separada da câmara e uma parte inferior da câmara, juntas, e em uma modalidade é feito de materiais leves e econômicos, incluindo materiais rígidos, tais como plástico extrudado, domos de plástico moldados, vidro, fibra de vidro, folhas ou painéis de plástico e 20 materiais flexíveis, tais como película de plástico ou uma combinação e materiais flexíveis e rígidos. A parte superior da câmara é revestida, opcionalmente, com um material ou construída de materiais que, seletivamente, filtram comprimentos de onda de luz. Por exemplo, a parte superior da câmara pode ser revestida ou construída de um material que 25 filtra Iuz UV potencialmente prejudicial e/ou apenas transmite uma faixa de comprimento de onda especificada, otimizada para fotossintese pelos organismos no biorreator.

O fotobiorreator pode conter orifícios para a injeção de dióxido de carbono ou outros gases. A injeção de gás é destinada a produzir agitação da cultura aquosa. A agitação e a mistura no meio de crescimento permitem culturas com maior densidade e maior produção de biocombustível através da minimização dos efeitos do sombreamento mútuo. A agitação e a mistura também proporcionam troca de gás aumentada do meio de crescimento para a fase gasosa na parte superior da câmara e da fase gasosa até o meio de crescimento. Uma vez que é sabido que o oxigênio inibe a fotossintese, a remoção do oxigênio produzido durante a fotossintese 5 do meio de crescimento ajuda a otimizar a produção de biocombustível. A agitação também ajuda o dióxido de carbono na fase gasosa a passar para o meio de crescimento a fim de suportar a fixação de carbono e aumentar a produção de biocombustíveis. A agitação pode ser controlada através do uso de placas defletoras e barragens, dispositivos de mistura, injeção de gases, 10 tais como dióxido de carbono, através do meio de crescimento, bem como pelo fluxo de líquido através do fotobiorreator. O oxigênio em excesso no meio de crescimento ou no gás imediatamente acima da cultura pode inibir a produção celular de etanol ou outros biocombustíveis. Em conseqüência, orifícios ou saídas podem remover oxigênio em excesso.

Desse modo, a presente invenção é um dispositivo que

proporciona crescimento externo, em grande escala, e manutenção das culturas cianobacterianas, produzindo etanol, que também permitem a separação de etanol da cultura aquosa no mesmo aparelho onde a cianobactérias estão sendo cultivadas, em que certas modalidades são 20 feitas de modo econômico, são acionadas por energia solar, usam variação diurna na Iuz e na temperatura e são projetadas para controlar a quantidade de nutrientes, luz, água e CO2 aos quais as cianobactérias são expostas.

A discussão acima inclui informação conhecida pela técnica anterior antes da data do depósito e informação que faz parte da exposição 25 da presente invenção. A inclusão de qualquer afirmação neste parágrafo, quer como uma caracterização de uma referência publicada ou em uma discussão de problemas técnicos e suas soluções , não deve ser tomada como uma admissão que essa afirmativa é técnica anterior.

Sumário da Invenção A presente invenção é dirigida a um fotobiorreator fechado do

ambiente externo, compreendendo uma câmara que compreende: um espaço; uma parte superior da câmara que compreende uma região translúcida ou clara, a fim de permitir a entrada da Iuz do sol: uma parte inferior da câmara que compreende um meio de crescimento aquoso compreendendo uma cultura de organismos geneticamente otimizados, dispostos no meio de crescimento, em que os referidos organismos são 5 selecionados do grupo que consiste em algas e cianobactérias, e em que os referidos organismos produzem metanol em uma base diária continuada, que entra no meio de crescimento; em que o metanol no meio de crescimento evapora no espaço, se condensa na superfície interna da parte superior da câmara e é coletado em uma calha de coleta e a câmara possui 10 uma pluralidade de aberturas para tubos de entrada e de saída.

Uma modalidade da invenção está baseada na descoberta que a concentração de etanol na calha de coleta pode ser maior do que a concentração de etanol dentro do meio de crescimento aquoso. A presente invenção é distinta da técnica anterior pelo fato de que a superfície interna 15 da parte superior da câmara está funcionando para condensar etanol da fase gasosa para a fase líquido. Abordagens anteriores, tais como aquela modalidade em Fu e Dexter WO 2007/084477, condensam material da fase gasosa em material da fase líquido, usando apenas um condensador localizado fora da câmara. A presente invenção, desse modo, dá uma nova 20 função à parte superior da câmara, uma superfície na qual o material de fase gasosa pode se condensar para a fase líquido, além da função de permitir que a Iuz entre na câmara. Separadamente, o resultado de que o etanol condensado na câmara superior esteja enriquecido em etanol em relação ao conteúdo de etanol na fase líquida do meio de crescimento aquoso da 25 câmara inferior é imprevisível e inesperado. Dentro da câmara, no limite de obtenção de equilíbrio termodinâmico, as concentrações de etanol serão as mesmas em ambas as fases líquido (aquela da calha de coleta e aquela do meio de crescimento aquoso). A calha de coleta da presente invenção permite capturar o benefício inesperado.

Uma outra modalidade é um aparelho para a produção diária

continuada de etanol e oxigênio do dióxido de carbono e água em um volume de reação fechado, em que: o volume de reação compreende um volume de fase líquida e um volume de fase gasosa; o dióxido de carbono e a água são convertidos em etanol e o oxigênio e no volume de fase líquido através de micro-organismos geneticamente modificados selecionados do grupo que consiste em algas , cianobactérias; o etanol, água e o oxigênio 5 entram na fase gasosa e ocupam o volume da fase gasosa; o etanol e água no volume da fase gasosa são condensados em um volume de condensado em que a concentração do etanol no volume de condensado é maior do que a concentração de etanol na fase líquido contendo os micro-organismos.

Uma outra modalidade é um aparelho para a produção de etanol e o oxigênio a partir de dióxido de carbono e água, compreendendo extrusões plásticas modulares, pelo menos parcialmente claras ou translúcidas no topo, montadas no solo; um volume de reação de fase líquido; um volume de espaço; um meio de introdução de dióxido de carbono no volume de reação de fase líquido; um meio de conversão do dióxido de carbono em etanol e oxigênio dentro do volume de reação de fase líquido, em que oxigênio vai do volume de reação de fase líquido para o volume de espaço; um meio de separação de etanol do volume de reação de fase líquido através da formação de etanol de seguido por condensação do etanol de fase gasosa em etanol de fase líquido, etanol de fase líquido condensado que circula para um volume de coleta.

Uma outra modalidade da invenção é um aparelho com uma câmara compreendendo um recipiente que compreende uma mistura compreendendo etanol de face líquido e água de fase líquido, compreendendo um espaço que compreende etanol de fase gasosa e água 25 de fase gasosa, compreendendo uma superfície interna em que o etanol de fase gasosa e a água de fase gasosa podem se condensar e uma calha de coleta para coletar os referidos etanol e água condensados, em que a concentração de etanol na calha de coleta é maior do que no recipiente que compreende um meio de cultura de fase líquido.

Uma outra modalidade é um método de produção de etanol

compreendendo: colocação de uma cultura de organismos geneticamente otimizados, capazes de produzir etanol selecionado do grupo que consiste em algas, cianobactérias, em um fotobiorreator, em que o referido fotobiorreator compreende: a) uma parte inferior da câmara contendo um meio de crescimento aquoso; e b) uma parte superior cheia com gás da câmara, em que a parte superior da câmara é pelo menos parcialmente 5 translúcida; permissão para que o etanol evapore do meio de crescimento na parte superior da câmara; condensação do etanol evaporado; e coleta do etanol condensado em uma ou mais calhas de coleta.

Breve Descrição dos Desenhos

Os aparelhos e métodos serão descritos daqui em diante em

conjunto com os desenhos anexos, onde designações similares denotam elementos similares.

A figura 1 mostra um fotobiorreator da presente invenção, tendo uma forma de tubo retangular, uma parte superior e uma inferior da câmara.

A figura 2 mostra um fotobiorreator da presente invenção tendo

uma forma de domo hexagonal.

As figuras 3A e 3B mostram desenhos alternativos do fotobiorreator para um fotobiorreator moldado em tubos, similar ao fotobiorreator da figura 1. Os desenhos alternativos representados na figura 3 não contêm meios para troca de calor abaixo do meio de crescimento.

A figura 4A mostra um fotobiorreator tendo dois compartimentos

superiores de refrigerante, estendendo-se através da parte superior da câmara a partir dos lados. A figura 4B mostra um fotobiorreator onde o compartimento superior de refrigerante é um painel plano ao longo do lado da câmara.

As figuras 5A e 5B mostram desenhos alternativos de tubos de

fotobiorreator similares ao fotobiorreator da figura 1.

As figuras 6 e 7 também mostram vistas tridimensionais de formas e desenhos diferentes dos tubos de fotobiorreatores adequados com a presente invenção.

A figura 8 mostra uma vista tridimensional das extremidades de

dois fotobiorreatores colocados adjacentes um ao outro.

A figura 9 mostra fotobiorreatores em forma de domo hexagonal fundidos juntos, tendo múltiplas posições para entradas e saídas de gás e nutrientes.

A figura 10 mostra uma vista posterior seccional transversal e frontal de tampões de extremidades usados para vedar as entradas e saídas de um fotobiorreator similar àquele mostrado na figura 1.

A figura 11 mostra uma vista tridimensional do tampão de extremidade da figura 10 instalado na extremidade de um fotobiorreator em forma de tubo.

A figura 12 mostra uma vista tridimensional de uma unidade de conector de fluxo de fotobiorreator que é usada para unir fotobiorreatores moldados em tubos separados.

A figura 13 mostra uma vista frontal e traseira da unidade de conector de fluxo da figura 12 .

A figura 14 mostra uma vista seccional e de extremidade, tridimensional, de uma unidade de acoplamento de fotobiorreatores que é usada para unir dois fotobiorreatores moldados em tubos separados, com o fluxo continuando em uma direção.

A figura 15 mostra uma unidade de acoplamento de fotobiorreatores instalada em um fotobiorreator pronto para receber um segundo fotobiorreator.

As figuras 16-19 mostram as vistas de topo e lateral de vários desenhos e configurações das barragens de fluxo e placas defletoras colocadas no fundo de um fotobiorreator, utilizando uma bomba ou fluxo de líquido através da câmara inferior.

A figura 20 mostra uma vista tridimensional de vários encaixes

de tubos, usados para conectar os tubos de entrada e de saída para os fotobiorreatores da presente invenção.

As figuras 21A e 21B ilustram a turbulência e a troca de gás em dois fotobiorreatores tendo placas defletoras e barragens.

A figura 22 ilustra a troca de gás acima e abaixo do meio de

crescimento e diferentes fases de etanol em um fotobiorreator. Descrição Detalhada

São aqui descritos sistemas e métodos que permitem a cultura de organismos fotoautotróficos geneticamente otimizados que podem alcançar altas densidades de biomassa e altas taxas de conversão 5 fotossintéticas. Além disso, combinações de tecnologias conhecidas que podem controlar a temperatura, os nutrientes, os gases e o resíduo podem ser aqui usadas. Esse aparelho receptor solar externo, fechado, em grande escala, de grande volume, para sistemas de fotobiorreatores externos para produção em escala industrial não foi mostrado até agora, usando Iuz solar 10 natural para acionar a fotossintese para a produção de biomassa e requerendo quantidades mínimas de energia externa para operar.

O desenho e a operação do sistema total de fotobiorreator são otimizados para a remoção de calor em excesso, para manter pH correto, a salinidade, a evaporação máxima de etanol, a evaporação mínima de água, a fim de reduzir ou eliminar a perda de água para o ambiente, para limitar a possibilidade de contaminação e permitir o desenvolvimento de uma concentração substancial de um biocombustível tal como etanol, no meio de crescimento, e limitar mutações espontâneas nos organismos cultivados e regular a temperatura a fim de maximizar a quantidade total de organismos no meio de crescimento, que recebem Iuz através da agitação vigorosa dos organismos no meio de crescimento do topo para o meio e para o fundo e para trás até o topo, a fim de maximizar a taxa fotossintética dos organismos através da limitação de saturação de Iuz e minimizando períodos de escuridão ou sombreado no tubo e equilibrar o efeito de saturação e sombreamento e limitar o efeito de mutações espontâneas nos organismos na cultura.

Uma modalidade do fotobiorreator aqui proporcionado tem uma forma e desenho que maximiza a incidência de absorção de energia solar durante a fotossintese. O desenho do fotobiorreator é usinado para reduzir a variação diária da temperatura quando colocado em localização na instalação de produção.

Desenhos para fotobiorreatores na técnica anterior são destinados para a produção, principalmente de biomassa e, em segundo lugar, de produtos derivados da biomassa. Eles requerem entradas de dióxido de carbono, água, nutrientes minerais e luz. Têm saídas de oxigênio e biomassa. Como uma questão prática, também podem ter saídas no meio 5 de crescimento, que devem ser separadas da biomassa, do vapor d'água e de componentes incidentais da fase gasosa, como nitrogênio. Têm sido descritos métodos para produção de hidrogênio usando culturas de organismos em um fotobiorreator projetado e operado para aquela finalidade. Fotobiorreatores de produção de hidrogênio proporcionam um 10 ambiente anaeróbico em que a produção de hidrogênio ocorre. Pode haver a produção interna de biomassa que é consumida como parte do processo de produção de hidrogênio. A única saída essencial é hidrogênio e as únicas entradas essenciais são água e luz. Como uma questão prática, pode ser necessário introduzir alguns nutriente minerais no reator para permitir o 15 crescimento suficiente para a substituição da célula, mas a adição de nutrientes minerais não é inerente no desenho do processa como é em um fotobiorreator de produção de biomassa. Um método de redução de heterotróficos pode ser realizado com um meio de crescimento deficiente em nutrientes.

A presente invenção proporciona um fotobiorreator fechado,

externo, de grande volume para a produção in situ diária, continuada, de etanol de cianobactérias geneticamente otimizadas, ou algas em cultura, liberação de etanol através de evaporação da cultura no espaço principal do dispositivo, coleta de etanol através de condensação e remoção do etanol 25 através de calhas de coleta no dispositivo. Especificamente, o fotobiorreator compreende uma câmara que compreende uma parte superior da câmara que compreende uma região translúcida ou clara a fim de permitir a entrada da Iuz do sol e uma superfície interna da parte superior da câmara em que etanol e água da superfície interna podem se condensar. O fotobiorreator 30 compreende uma parte inferior da câmara que compreende um meio de crescimento aquoso, compreendendo uma cultura de organismos geneticamente otimizados dispostos no meio de crescimento. O fotobiorreator pode ser feito de plástico claro ou outro material translúcido e moldado em formas desejadas como tubos extrudados ou domos moldados. O topo do fotobiorreator é claro para permitir que a Iuz do sol entre através dele e que a fotossintese ocorra nas cianobactérias ou 5 algas na cultura. As cianobactérias ou algas na cultura produzem o etanol intracelularmente a partir de Iuz solar, CO2, água e, então, liberam o mesmo para o meio de cultura. O fotobiorreator é projetado para promover a evaporação de etanol do meio de cultura e, então, condensar o etanol em um líquido que pode ser capturado em calhas e removido para destilação 10 posterior. A parte interna superior do fotobiorreator é o onde o etanol se condensa e é coletado para seguir pelas calhas. A parte superior da câmara do fotobiorreator pode ter câmaras internas adicionais para refrigerantes, com o refrigerante fluido passando através das mesmas a fim de maximizar a condensação de etanol para coleta nas calhas. O fotobiorreator tem 15 entradas que permitem a introdução de água, CO2 e nutrientes e saídas para a remoção de etanol, água, subprodutos e O2. O fotobiorreator poderia ser feito sem as câmaras internas de refrigerante, incluindo quando as condições não requerem a temperatura mais baixa para condensar o etanol. A parte superior da câmara pode ser dividida em seções para permitir que o 20 calor suba acima e para longe da cultura. A parte superior da câmara pode ter materiais aplicados à superfície que maximizam a condensação de etanol. O fotobiorreator pode ser feito em uma peça ou em múltiplas partes e montado.

A parte inferior da câmara também tem trilhos para permitir o 25 uso de um dispositivo de mistura, se necessário. A parte inferior da câmara tem entradas incorporadas nos lados e nas extremidades para permitir a introdução de nutrientes e o retorno de água. A parte inferior da câmara tem múltiplas entradas incorporadas no fundo para permitir o borbulhamento de gás CO2. A câmara de fundo, quando necessário, é enchida com fluido de 30 regulação da temperatura. 0 fotobiorreator poderia ser feito sem o compartimento de manutenção de temperatura sob a parte inferior da câmara para uso em climas moderados, mas com compartimentos de manutenção de temperatura e o fluido de regulação da temperatura, o fotobiorreator pode ser adaptado às temperaturas mais altas em muita terra marginal e áreas de deserto. As propriedades de regulação do fotobiorreator permitem que as condições adequadas sejam reguladas e mantidas para maximização da produção de etanol durante diferentes horas do dia e durantes as mudanças de estação. Além disso, o desenho do fotobiorreator permite a regulação de nutrientes internos, subprodutos, gases e otimização das condições de produção de etanol na cultura. O fotobiorreator pode ter dispositivos de monitoração e regulação da cultura presos a ele.

O meio líquido de crescimento pode ser qualquer meio de crescimento útil para a manutenção de uma cultura de cianobactérias e algas. Por exemplo, pode ser um meio aquoso de crescimento, tal como água somente, água e dióxido de carbono ou uma solução compreendendo água, dióxido de carbono e nutrientes que são úteis ou necessários para manutenção da cultura. O fotobiorreator tem entradas que permitem a introdução de água e nutrientes, e dispositivos de medição, monitoração e dispositivos de regulação da cultura que podem detectar quando o nível de água e ou nutrientes na parte inferior da câmara está fora de um certo nível predeterminado. Um controlador empreende ação corretiva e ativa a bomba ou válvula para regular o bombeamento ou a passagem de água e ou nutrientes através da entrada e na parte inferior da câmara para manter os níveis dentro de uma certa faixa predeterminada.

A presente invenção elimina a necessidade desses sistemas de troca de gás pelo uso de um espaço livre significativo (fase gasosa) contatado à cultura física. Quando combinado com um sistema de mistura de baixa energia e/ou meio para introdução de CO2 por um sistema de borbulhamento, CO2 pode ser injetado para uso pelos organismos e o O2 liberado da fase líquido para o espaço da fase gasosa.

O desenho de um aparelho fotobiorreator como parte de um sistema de biorreator total é otimizado para a remoção de calor em excesso, a fim de manter pH e temperatura corretos, para limitar a evaporação para o ambiente externo, para limitar ou controlar mudanças na salinidade, para limitar a possibilidade de contaminação e permitir o desenvolvimento de uma concentração substancial de um biocombustível, tal como etanol no meio de crescimento e limitar as mutações espontânea nos organismos na cultura. O aparelho de fotobiorreator tem um tamanho suficiente para maximizar a 5 absorção de energia solar pela cultura a fim de facilitar fotossintese máxima durante cobertura da superfície do solo de maneira eficiente para maximizar a área de superfície do aparelho do fotobiorreator, maximizar a cobertura total do solo da instalação, minimizar as áreas de abastecimento e serviço a fim de reduzir o custo global da instalação.

O aparelho de fotobiorreator compreende uma porção superior

composta de um material transparente ou translúcido para permitir a passagem de Iuz para o interior do aparelho. A face interna da porção superior estará em contato com os gases fornecidos para o sistema de cultura, bem como os gases produzidos durante a fotossintese. A porção 15 inferior do aparelho fotobiorreator pode ser feita do mesmo material que a porção superior, mas não tem que ser composta de um material transparente ou translúcido.

Durante operação do fotobiorreator, as células podem aderir às paredes de vasos e mostrar formação de espuma. A formação de espuma 20 cria bolsas de ar e a aderência de célula às paredes do fotobiorreator restringe a penetração de Iuz solar e, assim, a absorção uniforme pelas células. A formação de espuma pode ser mitigada através do uso de agentes antiformação de espuma, tais como polipropileno glicol (PPG). Adicionalmente, a superfície interna do fotobiorreator é tratada, 25 opcionalmente, com um material antisujeira para impedir a aderência de célula.

Onde a produção de etanol é melhor otimizada pela mistura da cultura, então, existem diversas opções neste fotobiorreator, um dispositivo de mistura pode ser adicionado ou a cultura pode ser bombeada para uma 30 extremidade onde um aparelho pode ainda compreender meios de mistura internos. Por exemplo, misturadores estáticos compreendem uma série de placas defletoras de fluxo internas, que imitam a mistura e a agitação em um leito de corrente, enquanto minimizam os danos pelo cisalhamento aos organismos, a fim de proporcionar fluxo turbulento e mistura e agitação apropriadas da cultura, a fim de assegurar exposição uniforme de todas as células à radiação solar. Além disso, o fluxo turbulento assim produzido não 5 só proporciona mistura para a fotossintese máxima, mas também serve para remover o oxigênio dissolvido e acentuar para a absorção de dióxido de carbono no espaço livre acima da cultura. Misturadores ou placas defletoras internas estáticas podem ser usados em sistemas que são instalados em superfícies apropriadamente inclinadas que proporcionam fluxo de líquido 10 suficiente para obter a mistura e a agitação desejadas, bem como tempo de permanência suficiente no sistema para produzir etanol com custo efetivo. Os misturadores estáticos são apropriados, se um meio de circulação for proporcionado, de modo que o fluxo de água exista. Métodos estáticos são efetivos apenas se houver um fluxo diário. Opcionalmente, o aparelho 15 fotobiorreator pode ser adaptado com barragens para controlar o fluxo de cultura através do aparelho em áreas onde há uma inclinação para a superfície onde o fotobiorreator está situado.

Em localizações típicas onde a terra é plana ou apenas ligeiramente inclinada, ou se as bombas de recirculação não são usadas, pode ser necessário, com certas cianobactérias ou algas fotoautotróficas geneticamente otimizadas, instalar sistemas de mistura internos. Esses sistemas podem ter numerosos desenhos, mas devem ser capazes de operar usando energia externa mínima, ao mesmo tempo em que proporciona mistura suficiente para produção otimizada de etanol e remoção de gás. Há uma ampla variedade de meios para mistura de fluidos que poderiam ser adaptados para misturar a cultura dentro do reator, bem- conhecidos por aqueles versados na técnica. Por exemplo, aqueles meios de mistura usados no desenho de biorreatores não-fotossintéticos e operados em níveis de energia apropriados para produção de combustível poderiam ser usados. Outros meios de mistura não usados agora em biorreatores também podem ser aplicáveis. O uso correto desses misturadores elimina o alto consumo de energia associado com a circulação bombeada de meio de crescimento comum a muitos desenhos de biorreatores.

Mas, na maioria dos casos com cianobactérias ou algas fotoautotrópicas, geneticamente otimizadas, o fotobiorreator é projetado para 5 manter uma cultura estática em alta densidade de célula, com crescimento e divisão mínima de célula, com muito do fluxo de energia da fotossintese indo para produção de etanol e não apenas acúmulo de biomassa.

O oxigênio em excesso pode ser permitido escapar. Isso pode ser realizado através da ventilação da fase gasosa. Uma pequena 10 quantidade de etanol também será perdida, quando o oxigênio for ventilado, a menos que a ventilação de oxigênio use um ou mais dos métodos de retenção de etanol descritos abaixo. No caso de oxigênio ser particularmente inibidor para o organismo em cultura, pode ser desejável ainda reduzir o nível de oxigênio no envoltório fotossintético. Isso pode ser realizado por 15 diversos meios. Por exemplo, um gás condutor, tal como ar normal, pode ser passado através do sistema, de modo que a ventilação é mais rápida do que seria pelo acúmulo de pressão de oxigênio somente, assim a concentração de oxigênio de estado constante está entre níveis atmosféricos normais e 300% de oxigênio, com o nível real determinado pelo desenho do sistema. 20 Adicionalmente, toda a fase gasosa pode ser removida mecanicamente de cima da cultura e passada através de um número de dispositivos existentes que extraem etanol da fase gasosa, incluindo um desflegmador, resfriamento de trocadores de calor ou outros métodos de extração forçada da fase gasosa fora do fotobiorreator. Métodos de não-ventilação também estão 25 disponíveis, tais como a passagem da fase gasosa além de uma membrana permeável ao oxigênio. A pressão reduzida, por exemplo, proporcionada por uma bomba de vácuo no outro lado da membrana proporciona um gradiente de pressão para acionar o oxigênio, mas não outros componentes da fase gasosa, através da membrana.

Uma vez que organismos aquáticos fotoautotróficos,

geneticamente otimizados liberam o etanol que eles produzem diretamente no meio de crescimento, há um desafio técnico significativo para extrair o etanol usando energia externa mínima. Uma maneira de coletar o etanol é tirar algum do meio de crescimento e a usar métodos de industriais de purificação de etanol bem estabelecidas (destilação, por exemplo), resultando na produção de etanol, uma corrente de água residual e resíduos 5 secos que podem ter valor na alimentação ou outras aplicações. Se o meio de crescimento for removido, deve ser substituído por um meio fresco. Algas adicionais serão adicionadas para compor a que foi removida, a menos que o crescimento interno seja suficiente para compor as algas removidas. A coleta de biomassa para recuperar o biocombustível requer energia 10 externa para movimentar a mistura de meio de crescimento/biomassa, para a separação física de organismos e a extração separada de biocombustível. O custo e a energia requeridos para esse tipo de processo torna impossível o uso em grande escala. A presente exposição proporciona um meio alternativo para remover o biocombustível do fotobiorreator sem a 15 necessidade de movimentação do meio de crescimento, bombeamento separando os organismos através de filtração ou centrifugação, produção do biocombustível através de sacrifício de camada e processamento adicional. Embora esse processo possa ser feito, ele requererá uma quantidade de energia externa para movimentar a mistura de meio de 20 crescimento/biomassa para a separação física de organismos e extração separada de etanol.

A invenção proporciona um meio alternativo para remover o etanol do meio de crescimento sem a necessidade de bombeamento e/ou filtração, usando apenas a energia do sol. Isso é realizado pelo fornecimento 25 de um espaço livre (fase gasosa) significativo acima da cultura; Esse espaço permite que o sol cause evaporação do etanol e da água no espaço livre. Uma vez que o espaço no interior do biorreator é mais quente do que a temperatura externa do ar ambiente, o vapor de água e etanol se condensará na superfície interna da superfície de topo do biorreator. O vapor 30 de água e etanol se condensa na superfície interna do aparelho fotobiorreator e as gotículas correm pela superfície interna abaixo e caem em uma calha de coleta, que usa gravidade para drenar para uma área central de coleta para destilação. Embora essa evaporação e condensação aconteçam o dia todo, a maior produção será à noite, no momento em que há um diferencial de temperatura maior entre interior do biorreator e a temperatura externa do ar ambiente. Esse método de remoção do etanol da 5 cultura, sem movimentar ou perturbar a cultura global é muito importante na redução da energia global necessária para o sistema de produção.

Se houver condensado em excesso, o excesso pode ser retornado para o biorreator como um fluido ou evaporado em uma corrente de gás. Outro método alternativo de coleta de etanol é bombear a fase 10 gasosa para uma unidade externa de condensação que pode servir a um ou muitos biorreatores e proporcionar uma superfície resfriada em que a condensação pode ocorrer, subsequentemente retornando a fase gasosa resfriada e esgotada de etanol para os biorreatores. O resfriamento pode ser proporcionado por qualquer meio econômico e os custos de energia podem 15 ser minimizados, se desejado, pelo uso de trocadores de calor ou similares. A temperatura até a qual a corrente de gás é resfriada deve ser menor do que a temperatura dos biorreatores para obter a condensação, mas precisa não ser tão baixa que todo ou uma grande fração do etanol seja removida da corrente de gás, uma vez que a corrente de gás nesse caso não é ventilada 20 para a atmosfera, etanol que não é condensado para líquido não é perdido, mas retornado para o sistema. O condensado coletado dessa maneira, então, será ainda purificado por destilação ou outro meio. Uma outra modificação desse método de coleta e remoção de etanol, que pode ser valiosa seria passar a fase gasosa ou uma porção da fase gasosa através 25 de um coletor de frio, que resultaria na remoção, essencialmente, de todo o etanol da fase gasosa. Essa porção da fase gasosa poderia, então, ser ventilada para o ar a fim de permitir a remoção de oxigênio em excesso ou o oxigênio poderia ser coletado e usado. Trocadores de calor e similares podem ser usados para reduzir os custos de energia associados com o 30 resfriamento. Pode ser valioso no processo de coleta de etanol usando os métodos acima usar um dispositivo tal como um desflegmador, que passa a fase gasosa através de um gradiente de temperatura com um processo de condensação e evaporação reminiscente, que resulta na produção de uma corrente de líquido enriquecida em água e uma corrente de gás enriquecida em etanol, de modo que o etanol condensado tem maior pureza e purificação subsequente é mais simples e menos onerosa. Pode se mostrar mais econômico usar uma abordagem combinada, em que a maior parte do etanol é removida usando a condensação interna do fotobiorreator, com uma temperatura de condensação relativamente alta e custos de operação muito baixos para o volume de remoção de etanol e usar o condensador de baixa temperatura com um desflegmador para processar o menor volume de gás que deve ser removido para obter liberação de oxigênio em excesso. Pode ser valioso no processo de coleta de etanol usando os métodos acima usar um dispositivo tal como um desflegmador. Esses desflegmadores são conhecidos na técnica e passam a fase gasosa através de um gradiente de temperatura com um processo de condensação e evaporação reminiscente, que resulta na produção de uma corrente de líquido enriquecida em água e uma corrente de gás enriquecida em etanol, de modo que o etanol condensado tem maior pureza e purificação subsequente é mais simples e menos onerosa. Aqueles versados na técnica serão capazes de desenhar um sistema otimizado usando esses componentes que proporciona coleta de etanol e remoção de oxigênio.

Em localizações geográficas onde calor interno no aparelho fotobiorreator tem um efeito negativo sobre o crescimento da cultura, pode ser necessário ter um compartimento separado abaixo da cultura no aparelho para ter água que pode ser usada para resfriar ou aquecer a 25 cultura global. Essa massa extra de água também pode ser usada para regular o ciclo natural de calor e resfriamento do dia para a noite em localizações com oscilações diárias de temperatura, tais como localizações desertas. Resfriamento adicional pode ser necessário, especialmente durante períodos de tempo quente ou no sol alto de meio-dia. O resfriamento 30 pode ser proporcionado por evaporação de água, por exemplo, através de colocação ou submersão do aparelho fotobiorreator em um reservatório contendo água, o referido reservatório tendo uma superfície exposta ao ar de modo que resfriamento evaporativo ocorre. O aparelho fotobiorreator, por sua vez, é resfriado através de contato com a água de resfriamento. Muitas disposições diferentes são possíveis. Envoltórios fotossintéticos podem ficar flutuando na superfície da água, submersos ou submersos parcialmente, 5 móveis dentro do reservatório ou a profundidade da água do reservatório pode ser ajustada para obter qualquer grau desejado de transferência de calor e resfriamento evaporativo. Taxas de transferência de calor, evaporação, temperatura do reservatório como uma função das condições climáticas e similares podem ser preditas por aqueles versados na técnica e 10 usadas para obter a temperatura desejada no envoltório fotossintético. Alternativamente, refrigerante, água ou outro material conveniente, que pode ser passado através do compartimento de fundo de manutenção da temperatura, pode ser bombeado, circulado ou passado para um local de processamento e resfriado por outros meios, tais como uma torre de 15 resfriamento evaporativo. Alternativamente, água pode ser bombeada de uma localização fria, tal como uma localização no oceano profundo usada para resfriamento e, então, descartada.

Além disso, não é necessário continuar a aumentar a biomassa da cultura em algumas modalidades. Quando a cultura tiver alcançado um tamanho adequado para o fotobiorreator, as atividades celulares se desviarão para longe da réplica continuada, que demanda maior presença de nutrientes, e em direção à produção de biocombustíveis.

Os envoltórios podem ser feitos de materiais rígidos, tais como plástico extrudado, domos plásticos moldadas ou folhas ou painéis plásticos, 25 ou materiais flexíveis, tais como película plástica ou uma combinação de materiais flexíveis e rígidos. Podem incluir elementos de armação ou transmitir resistência ou forma para os materiais, tais como extrusão de plástico, painéis ou película que, de outro modo, teriam propriedades mecânicas para criar a estrutura desejada.

O biorreator deve ser dotado de CO2 e água para proporcionar

substrato para conversão fotossintética de CO2 em açúcar, que é, então, subsequentemente, convertido em biocombustível dentro das células e, a seguir, disperso no meio. O CO2 pode prontamente ser introduzido como um gás, na fase gasosa ou borbulhado no meio através de um líquido onde o CO2 é supersaturado, dissolvido no líquido.

O fotobiorreator pode ser construído como uma peça única ou como peças múltiplas, como uma parte superior separada da câmara e uma parte inferior da câmara, juntas, e, além disso, os compartimentos inferiores de manutenção de temperatura podem ser unidos para compreender o aparelho e, em uma modalidade, exigências de nutrientes de um aparelho fotossintético de produção de biocombustível, de preferência, são baixas, uma vez que a cultura estaria produzindo, principalmente, biocombustíveis destituídos de conteúdo de nutrientes minerais. Os nutrientes podem vazar das células para o meio e serem reutilizados. Ao contrário de outros nutrientes, nitrogênio frequentemente está presente em níveis baixos, mas significativos, na forma volátil, assim, pode haver uma perda gradual de amônia da cultura no envoltório fotossintético. Se for esse o caso, pode ser substituído, na fase gasosa ou líquido.

A porção inferior do aparelho fotobiorreator pode ser feita do mesmo material que a parte superior, mas não tem que ser composta de um material transparente ou translúcido. Adicionalmente, o aparelho pode ser 20 feito hermético ao ar e será à prova d'água e todas as conexões e encaixes no sistema serão mantidos em um mínimo e serão projetados para impedir a contaminação da cultura.

A parte superior da câmara ou uma porção significativa da parte superior da câmara é transparente ou pelo menos parcialmente translúcida. 25 Como aqui usado, "parcialmente translúcido" será compreendido como permitindo passagem de Iuz suficiente, particularmente a Iuz do sol, no fotobiorreator, para permitir a fotossintese por organismos fotoautotróficos dentro do fotobiorreator. Em uma de suas modalidades, a parte superior da câmara o uma porção significativa da parte superior da câmara é clara, 30 transparente ou parcialmente transparente. A parte superior da câmara é, opcionalmente, revestida com um material ou construída de materiais que filtram, seletivamente, os comprimentos de ondas de luz. Por exemplo, a parte superior da câmara pode ser revestida ou construída de um material que filtra Iuz UV potencialmente prejudicial e/ou apenas transmite uma faixa de comprimento de onda especificada para fotossintese pelos organismos no biorreator. Esses materiais usados na construção e revestimentos de dispositivos transparentes e translúcidos são bem-conhecidos na técnica.

O aparelho fotobiorreator tem tamanho suficiente para maximizar a absorção de energia solar pela cultura a fim de facilitar fotossintese máxima, enquanto cobrindo a superfície do solo de maneira eficiente para maximizar a área de superfície do aparelho fotobiorreator, maximizar a cobertura total do solo da instalação e minimizar áreas de abastecimento e de serviço para menor custo global da instalação.

Durante a operação do fotobiorreator, as células podem aderir às paredes de vasos e mostrar formação de espuma. A formação de espuma cria bolsas de ar e a aderência de célula às paredes do fotobiorreator restringe a penetração de Iuz solar e, assim, a absorção uniforme pelas células. A formação de espuma pode ser mitigada através do uso de agentes antiformação de espuma, tais como polipropileno glicol (PPG). Adicionalmente, a superfície interna do fotobiorreator é tratada, opcionalmente, com um material antissujeira para impedir a aderência de célula.

Também, durante a operação do fotobiorreator, as células podem aderir às paredes de vasos e também é conhecido na técnica que certas substâncias hidrofóbicas e hidrofílicas promovem o bordeamento ou coleta de líquidos de condensação em uma superfície. A superfície interna da parte superior da câmara é construída ou tratada, opcionalmente, com essa substância para promover a condensação na parte superior da câmara.

A agitação e a mistura no meio de crescimento permitem culturas de densidade maior e produção maior de biocombustíveis através da minimização dos efeitos de sombreamento mútuo. A agitação e a mistura também proporcionam troca de gás aumentada do meio de crescimento para a fase gasosa na parte superior da câmara e da fase gasosa para o meio de crescimento. Uma vez que é sabido que o oxigênio inibe a fotossintese, a remoção de oxigênio produzido durante a fotossintese de meio de crescimento ajuda a otimizar a produção de biocombustíveis. A agitação também ajuda o dióxido de carbono na fase gasosa a passar para o meio de crescimento a fim de suportar a fixação de carbono e aumentar a produção 5 de biocombustível. A agitação pode ser controlada através do uso de placas defletoras e barragens, dispositivos de mistura, injeção de gases, tais como dióxido de carbono através do meio de crescimento, bem como pelo fluxo de líquido através do fotobiorreator.

Em uma modalidade, o fotobiorreator compreende um meio de mistura interno em adição ao meio de borbulhamento de dióxido de carbono. O fornecimento de mistura ou agitação no meio de crescimento assegura exposição uniforme de todas as células à radiação solar e distribui nutrientes e CO2, uniformemente, no meio de crescimento. Além disso, a mistura e a agitação não só proporcionam mistura para fotossintese máxima, mas também servem para remover oxigênio dissolvido do meio de crescimento e acentuam a absorção de dióxido de carbono da fase gasosa acima da cultura. Esses sistemas de agitação e mistura podem ter numerosos desenhos, mas eles seriam capazes de operar usando energia externa mínima, enquanto proporcionam mistura suficiente para produção otimizada de biocombustível e remoção de gás. Há uma ampla variedade de meios para mistura de fluido, tais como agitadores que podem ser adaptados para misturar a cultura dentro do reator por meios bem-conhecidos por aqueles versados na técnica. Por exemplo, aqueles meios de agitação e mistura usados no desenho de biorreatores não fotossintéticos e operados em níveis de energia apropriados para produção de combustível poderiam ser usados. Outros meios de mistura usados em outros campos que não biorreatores também podem ser aplicáveis. O uso correto desses misturadores elimina o alto consumo de energia associado com a circulação bombeada de meio de crescimento comum aos muitos desenhos de biorreatores. A parte inferior da câmara pode compreender trilhos ou outras estruturas de suporte a fim de permitir o uso de um dispositivo de agitação e mistura. A parte inferior da câmara também é moldada, opcionalmente, a fim de permitir a fácil agitação e mistura da cultura e nutrientes pelo borbulhamento de CO2 e a dissolução aumentada do gás CO2 na cultura, como tendo uma superfície de fundo corrugada, inclinada ou em pico (conforme mostrado nas figuras 1, 3a e 4).

Em uma outra modalidade, o fotobiorreator pode compreender misturadores estáticos, tais como uma série de placas defletoras de fluxo internas, que imitam a mistura e a agitação em um leito de corrente ao mesmo tempo em que minimizam danos por cisalhamento aos organismos em cultura. Misturadores estáticos internos, tais como placas defletoras podem ser usados sistemas que estão instalados em superfícies inclinadas a fim de proporcionar fluxo de líquido suficiente para obter a mistura e a agitação desejadas, bem como tempo de permanência no sistema suficiente para produzir etanol em custo efetivo. Os misturadores estáticos são apropriados, se um meio de circulação mecânica for proporcionado, de modo que existe um fluxo de líquido em terras planas. Opcionalmente, o aparelho fotobiorreator pode ser adaptado com barragens para controlar o fluxo de cultura através do aparelho em áreas onde há uma inclinação em relação a superfície onde o fotobiorreator está situado. Oxigênio em excesso no meio de crescimento ou no gás imediatamente acima da cultura pode inibir a produção celular de etanol ou outros biocombustíveis. Em conseqüência, oxigênio em excesso será removido. Isso pode ser realizado através de ventilação ou remoção do gás na parte superior da câmara.

Oxigênio suficiente será removido para impedir a inibição da produção de biocombustível abaixo de níveis que são economicamente sustentáveis. Por exemplo, a concentração de oxigênio dentro da parte 25 inferior da câmara, em geral, será mantida abaixo do nível que causaria inibição de oxigênio naquela cultura particular. Gás pode ser removido mecanicamente de cima da parte superior da cultura na câmara através de uma saída de esgotamento de oxigênio posicionado na parte superior da câmara. Adicionalmente, gás, incluindo oxigênio em excesso e 30 biocombustível evaporado, pode ser removido da parte superior da câmara e passado através de um número de dispositivos de coleta de gás conhecida na técnica, que extrai no biocombustível da fase gasosa, incluindo um desflegmador, resfriamento de trocadores de calor ou outros métodos de extração forçada da fase gasosa, que podem estar localizados fora do fotobiorreator. Métodos de não ventilação também estão disponíveis, tais como a passagem da fase gasosa além de uma membrana permeável ao oxigênio. Pressão reduzida, por exemplo, proporcionada por uma bomba de vácuo no outro lado da membrana, proporciona um gradiente de pressão para acionar oxigênio, mas não outros componentes da fase gasosa, através de um separador de membrana. Pressão no fotobiorreator poderia ter o mesmo efeito e empurrar O2 do interior do fotobiorreator. Adicionalmente, uma modalidade preferida do aparelho pode ser feita hermética e deve ser à prova d'água. Além disso, todas as conexões e encaixes no sistema serão mantidos em um mínimo e devem ser projetados para impedir a contaminação da cultura. Adicionalmente, uma modalidade preferida do aparelho é que um ou mais tubos de entrada ou saída, abastecimento e de drenagem podem servir para uma ou mais funções.

Além disso, para proporcionar um fotobiorreator em grande escala ao mesmo tempo em que se assegura que a energia requerida para produzir o produto biocombustível é menor do que o valor da energia do biocombustível produzido, é necessário minimizar as entradas de energia 20 feita pelo homem para a criação do biocombustível e recuperação do biocombustível. Nenhum fotobiorreator corrente usa energia solar para criar, separar e recuperar o biocombustível. A presente invenção pode ser realizada, predominantemente, com energia solar.

Nenhum fotobiorreator existente tem a capacidade de produzir um biocombustível que é liberado e volatilizado da cultura, removido e coletado do fotobiorreator sem coleta da biomassa de algas. As características chave que distinguem a invenção de desenhos de fotobiorreatores anteriores são: (1) é pretendido produzir biocombustíveis diretamente, com a produção de pouca ou nenhuma biomassa, nem coleta da biomassa; (2) os biocombustíveis produzidos, tais como etanol, podem ser voláteis, assim, medidas são tomadas para impedir a perda em excesso de biocombustíveis nas correntes de gás associadas com a remoção de oxigênio; (3) custos, incluindo as entradas de energia, são reduzidos, de modo que os combustíveis podem ser oferecidos em um preço substancialmente menor do que aqueles disponíveis de outros sistemas de biorreatores; (4) ao contrário do etanol derivado de milho e cana de açúcar, 5 que crescem separadamente, passam por colheita, são processados e, então, seus açúcares são convertidos em etanol em processos separados, a invenção permite que um único recipiente desenvolva o fotoautotróficos geneticamente otimizado de produção de etanol, libere o etanol, colete e remova o etanol.

A câmara é a estrutura do aparelho que contém um meio de

cultura líquido e o espaço livre. O volume do espaço livre é definido pelos contornos do interior da parte superior da câmara e a superfície superior do meio de cultura líquido, conforme mostrado na figura 1. Gás H2O e etanol, contidos no interior do espaço livre, se condensam na superfície interna da 15 parte superior da câmara. O espaço livre contém os gases acima da cultura e incluirá cada um dentre ar, CO2, O2, H2O e etanol.

A parte superior da câmara contém um espaço livre e o condensado. A parte superior da câmara pode ser dividida em múltiplas partes menores. A parte superior da câmara pode conter compartimentos de refrigerante que facilitam ainda mais a condensação.

Os compartimentos de refrigerante da parte superior da câmara estão em contato térmico com 0 espaço livre na parte superior da câmara e compreendendo um refrigerante, em que o refrigerante poderia ser selecionado do grupo que inclui a água, água do mar ou outro refrigerante conhecido por uma pessoa versada na técnica.

A parte inferior da câmara contém o meio de cultura ali que este compreende água, água do mar, a água salobra ou água poluída, as cianobactérias ou algas geneticamente otimizadas, os nutrientes que poderiam ser selecionados do grupo que inclui nitrogênio, nitratos, fosfatos, 30 amônia, BG-11, CO2, carbonatos, elementos traços agentes para promover o crescimento dos organismos, solutos selecionados do grupo que consiste em nutrientes e, fertilizantes, antibióticos e algicidas. Uma lista de dispositivos de medição e sensores incluirá pH, CO2, temperatura, salinidade e sondas e sensores de etanol e outros conhecidos por uma pessoa versada na técnica .

A razão para 0 uso de agentes de bloqueio de UV e 5 estabilização, revestimentos ou películas, no plástico ou na superfície do plástico, é incluir redução de calor na cultura e rompimento do plástico e mutação dos organismos.

O desenho e a operação do sistema total do fotobiorreator são otimizados para a remoção de calor em excesso, a fim de manter pH, 10 salinidade, evaporação e temperatura corretos, para reduzir a possibilidade de contaminação, maximizar as quantidade total de organismos no meio de crescimento que recebem Iuz através do rolamento dos organismos no meio de crescimento do topo para 0 meio e fundo e parte posterior para o topo, para maximizar a taxa fotossintética dos organismos por meio da limitação 15 de saturação de Iuz e minimizar períodos de escuridão ou sombreado no tubo, ou equilibrar o efeito da saturação e do sombreamento e limitar o efeito de mutações espontâneas nos organismos na cultura.

A modalidade preferida da presente invenção é um comprimento e um desenho que maximizam a incidência de absorção de energia solar 20 durante a fotossíntese. A geometria do fotobiorreator é usinada para reduzir a variação diária da irradiação solar, quando colocado na localização na instalação de produção. O espaço livre a cultura também serve para moderar o calor durante períodos de alta radiação solar.

Como parte do sistema do fotobiorreator, misturadores estáticos 25 internos proporcionam mistura apropriada, o que é crítico para assegurar a exposição uniforme de células à radiação solar. Fluxo linear através de tubos solares pode reduzir a fotossíntese global, uma vez que as células perto do meio ou do fundo dos tubos recebem menos Iuz do que aquelas na direção do topo. A presente invenção vence esta limitação através do uso de placas 30 defletoras de fluxo internas, projetadas para facilitar a mistura. Essas placas defletoras de fluxo são estáticas em natureza, assim, não requerendo entrada de energia adicional além da taxa de fluxo determinada pela gravidade. O equilíbrio cuidadoso da mistura nos tubos com a criação de fluxo turbulento é importante, uma vez que as células de algas são sensíveis ao dano por dilaceramento durante mistura pesada. O desenho do aparelho fotobiorreator imita a mistura e a agitação em uma corrente natural revestida 5 com rochas. O fluxo turbulento em um fotobiorreator não só proporciona mistura necessária para a fotossíntese máxima em culturas de alta densidade, mas também serve para remover o oxigênio dissolvido e otimizar a absorção de CO2. Isso também ajuda a estabilizar o pH da cultura e aumenta o tempo de permanência da biomassa no fotobiorreator para 10 fotossíntese.

O fotobiorreator também pode ser adaptado com barragens de alturas variadas que podem ser usadas para controlar o fluxo da cultura em áreas onde há uma inclinação natural maior. Isso permite que superfícies mais escarpadas sejam usadas para os locais de produção e menores custos globais de instalação.

Além disso, as barragens podem aumentar a agitação para culturas que crescem em densidades maiores e precisam de mais mistura. As barragens também servem como mecanismo de controle para o meio de crescimento e saída de organismos fotoautotróficos através da manutenção 20 de uma saída na extremidade do fotobiorreator igual a entrada no começo do fotobiorreator enquanto em uma inclinação.

A barragem serve como um mecanismo de controle econômico no momento em que 0 organismo passa no tubo do fotobiorreator. As barragens também servem como um controle da pressão do meio de 25 crescimento que ocorreria no fundo de uma inclinação em um tubo normal. A barragem permite que o fotobiorreator seja colocado em uma inclinação e elimina a necessidade de misturadores e agitadores mecânicos que aumentam o custo da produção de biocombustíveis. O meio de crescimento e o organismo foto autotrópico podem ser bombeados ou derramados por 30 gravidade no topo do aparelho inclinado, sem necessidade adicional de mistura ou bombeamento durante a fase de crescimento.

Um sistema fotobiorreator de funcionamento adequado será hermético ao ar e hermético à água. Desse modo, a modalidade preferida da invenção tem o número de conexões e encaixes no sistema total mantidos em um mínimo, de preferência, através de extrusão do fotobiorreator no local em seções longas. De preferência, pode ter 3,047 a 91,439 metros (10 a 300 5 pés) de comprimento. Outros métodos de fabricação podem ser empregados, como a moldagem dos tubos.

A modalidade preferida da invenção pode ser fabricada de qualquer material, incluindo o vidro, mas, de preferência, um plástico que tenha a claridade ótica para permitir a fotossíntese e possa resistir à 10 exposição á radiação UV a longo prazo e exposição à água salgada corrosiva, ao calor e ao frio e à expansão e à contração. Vidro, e plásticos opacos ou translúcidos também podem ser usados, desde que satisfaçam as necessidades dos organismos fotoautotróficos a serem desenvolvidos no sistema. Qualquer pessoa versada na técnica dos termoplásticos pode 15 desenhar, especificamente, um plástico ou misturas de plásticos que pode ser usadas para o tubo fotobiorreator. Resinas virgens podem ser usadas para fabricar os tubos, mas, uma vez que o custo é um fator provavelmente significativo, plásticos reciclados são preferidos. Uns poucos dos plásticos particulares podem incluir Polietileno de Alta Densidade (HDPE), Tereftalato 20 de Polietileno (PET), acrílico, Lucite, polipropileno e policarbonato. A localização da instalação, o custo desejado da instalação, a durabilidade desejada do fotobiorreator todos são fatores que devem ser considerados antes de decidir sobre o tipo de material a ser usado.

Desenhos para fotobiorreatores na técnica anterior são 25 destinados à produção, principalmente, de biomassa e, em segundo lugar, de produtos derivados da biomassa. Eles requerem entradas de dióxido de carbono, água, nutrientes minerais e luz. Têm saídas de oxigênio e biomassa. Como uma questão prática, eles também podem ter saídas no meio de crescimento, que devem ser separadas da biomassa, do vapor 30 d'água e dos componentes incidentais da fase gasosa, como nitrogênio. Têm sido descritos métodos para produção de hidrogênio usando cultura de organismos em um fotobiorreator desenhado e operado para aquela finalidade. Fotobiorreatores de produção de hidrogênio proporcionam um ambiente anaeróbico em que a produção de hidrogênio ocorre. Pode haver produção interna de biomassa que é consumida como parte do processo de produção de hidrogênio. A única saída essencial é hidrogênio e as únicas 5 entradas essenciais são água e luz. O sistema fotobiorreator de produção de etanol da presente invenção tem entradas de dióxido de carbono e água e luz. Como uma questão prática, pode ser necessário introduzir alguns nutrientes minerais no fotobiorreator a fim de permitir crescimento suficiente para substituição de células, mas a adição de nutrientes minerais não é 10 inerente no desenho do processo como é em um fotobiorreator de produção de biomassa. Os presentes métodos de produção de etanol e outros biocombustíveis podem ser realizados com um meio de crescimento deficiente em nutrientes.

Ao contrário do fotobiorreator de produção de hidrogênio, dióxido de carbono é requerido. Além disto, em contraste com fotobiorreator de produção de biomassa, o fotobiorreator de produção de etanol da presente invenção tem saídas de oxigênio e etanol e não requer que a cultura seja coletada a fim de recuperar qualquer biocombustível produzido. Com uma questão prática, pode haver alguma descarga de biomassa dos fotobiorreatores da presente invenção a fim de impedir o desenvolvimento de culturas com densidade de célula excessiva ou coletar uma amostra de teste, mas a produção da biomassa não é uma característica desejada. Ao contrário do fotobiorreator de produção de hidrogênio, o fotobiorreator de produção de etanol não produz hidrogênio, mas produz oxigênio e etanol. Além disso, embora o fotobiorreator de produção de etanol da presente de invenção possa ser utilizado para remover oxigênio em excesso, ele não requer condições anaeróbicas, conforme requerido pelos fotobiorreatores de hidrogênio.

Ambos, os fotobiorreatores de produção de hidrogênio e os fotobiorreatores de produção de massa são tolerantes de contaminantes heterotróficos que não são organismos de doenças. Alguns métodos mesmo pedem a adição de heterotróficos. Os produtos de hidrogênio e biomassa não são suscetíveis à degradação biológica. Em contraste, etanol é prontamente degradado por muitos heterótrofos na presença de oxigênio, assim, é essencial que esses heterótrofos sejam excluídos ou seu crescimento de outro modo impedidos no fotobiorreator de produção de 5 etanol. Todos os líquidos e gases que entram nos fotobiorreatores da presente invenção podem ser esterilizados usando UV e/ou filtração para reduzir a possibilidade de contaminação por micro-organismos estranhos, indesejados.

O tamanho global dos fotobiorreatores e o número de fotobiorreatores usados em conjunto um com o outro podem variar grandemente. Dada a enorme escala requerida para fabricar volumes industrialmente significativos de biocombustíveis usando organismos fotoautotróficos, as dimensões dos fotobiorreatores serão grandes. Uma grande instalação de biocombustíveis cobrirá um mil a muitas centenas de milhares de acres. Uma modalidade preferida compreende uma largura de cerca de 61 a cerca de 91 cm (cerca de 2 a cerca de 3 pés) para o fotobiorreator é a média que seria otimizada, mas qualquer tamanho que incorpore os aspectos globais do projeto da tecnologia do fotobiorreator pode ser usado. A largura e a altura globais dos fotobiorreatores podem ser determinadas por meio de avaliação de um número de fatores no local de instalação. O volume anual de produção de biocombustíveis desejado, o custo desejado e a vida útil da instalação, o terreno fixo do local de instalação, a exposição solar e o tipo de organismos que serão desenvolvidos na instalação são todos considerados quando do desenho de fotobiorreatores para uma localização particular. Uma pessoa versada na técnica de engenharia de instalações pode calcular as várias relações de custo/dimensão para os tubos de fotobiorreatores. Os fotobiorreatores de tubos serão tão longos quanto possível a fim de minimizar o número de conexões no sistema, o que reduz a possibilidade de vazamentos que poderiam levar à contaminação. Os fotobiorreatores em tubos podem ser construídos similares à maneira como as tubulações convencionais, que requerem um ambiente hermético a ar ou hermético a líquido completamente fechado, são construídas. Avanços recentes em tecnologias de extrusão de plásticos permitem a extrusão de estruturas plásticas de grande diâmetro de mais de 183 cm (6 pés) de diâmetro. Elementos plásticos extrudados podem compor a estrutura total dos fotobiorreatores. Também é possível ter uma 5 parte inferior extrudada da câmara feita de plástico rígido e ter a parte superior da câmara feita de plástico flexível, folhas que são mantidas no lugar por pressão interna de ar ou suportadas por elementos de armação plásticos ou não corrosivos em intervalos. Pode-se também fabricar o fotobiorreator por moldagem através de qualquer técnica de moldagem 10 adequada disponível, incluindo moldagem por sopro ou moldagem rotacional ou extrusão, em uma ou mais partes e onde necessário, então, unindo as unidades moldadas uma à outra.

De preferência, pouca ou nenhuma energia externa é necessária para operar os fotobiorreatores. Em particular, seria preferível se energia não fosse usada para bombear meio de crescimento através dos fotobiorreatores; contudo, em alguns casos, pode ser necessário assim fazer a fim de proporcionar agitação e mistura ao meio de crescimento, o que assegura exposição uniforme de células à radiação solar e promove troca de gás entre o meio de crescimento e o gás na parte superior da câmara. Fluxo linear através de tubos solares pode reduzir a fotossíntese global uma vez que células perto do meio ou do fundo dos tubos recebem menos Iuz do que aqueles no topo. Uma modalidade utiliza um fluxo de meio de crescimento, de preferência, devido à gravidade e misturadores estáticos internos, tais como placas defletores para proporcionar mistura apropriada. Essas placas defletoras de fluxo são estáticas em natureza, assim, não requerendo entrada de energia adicional além da taxa de fluxo determinada pelo sistema de bombeamento e gravidade. O equilíbrio cuidadoso de mistura nos tubos com criação de fluxo turbulento é importante, uma vez que as células são sensíveis ao dano por desvio, durante a mistura pesada. O desenho do fotobiorreator nesta modalidade imita a mistura e a agitação em uma corrente natural revestida com pedras. O fluxo turbulento no fotobiorreator não só proporciona a mistura necessária para fotossíntese máxima em culturas em alta densidade, mas também serve para remover oxigênio dissolvido e acentua a absorção de CO2 da mistura de ar/C02 no espaço livre acima da cultura. Isso também ajuda a estabilizar o pH da cultura e aumenta o tempo de permanência da biomassa no fotobiorreator para 5 fotossíntese.

O fotobiorreator também pode ser adaptado com barragens de alturas variadas que podem ser usadas para controlar o fluxo da cultura em áreas onde há uma inclinação natural maior. Isso permite que superfícies mais escarpadas sejam usadas para os locais de produção e menores 10 custos globais de instalação. Em uma outra modalidade, as barragens podem proporcionar a quantidade de agitação necessária para culturas, tais como Synechococcus ou Synechocystis, que crescem em altas densidades e turbulência necessária.

As dimensões do fotobiorreator aqui proporcionadas podem ser 15 variadas para permitir a cultura de massa de vários gêneros de organismos fotoautotróficos. Além disso, o fotobiorreator pode acomodar níveis diferentes de meio de crescimento para satisfazer as necessidades de vários organismos. De preferência, o meio de crescimento tem uma profundidade entre cerca de 15 cm e 30 cm (cerca de 6 polegadas e 12 polegadas).

Uma outra modalidade desse método de coleta e remoção de

etanol é passar a fase gasosa ou uma porção da fase gasosa através de um coletor de frio, que resulta na remoção, essencialmente, de todo o etanol da fase gasosa. Essa porção da fase gasosa pode, então, ser ventilada para o ar, a fim de permitir a remoção de oxigênio em excesso ou o oxigênio pode 25 ser coletado e usado. Trocadores de calor e similares podem ser usados para reduzir os custos de energia associados com o resfriamento.

Embora a presente invenção possa ser adaptada a um vasto número de configurações físicas globais substancialmente similares àquelas mostradas nas figura 1 - 7, os conceitos para o desenvolvimento de 30 organismos fotoautotróficos em um sistema fechado em grande escala para a produção de biocombustíveis permanecem os mesmos. A presente invenção vence os problemas bem documentados com sistemas abertos de produção em reservatório, o crescimento e o acúmulo, bem como possibilita a construção efetiva em custo de sistemas fechados de produção de grande capacidade. Será compreendido por alguém versado na técnica que a invenção não estará limitada aos desenhos específicos e estruturas 5 ilustradas nos desenhos.

A figura 1 mostra um fotobiorreator da presente invenção. O fotobiorreator compreende uma parte superior da câmara 1 e parte inferior da câmara 2. A câmara superior 1 é pelo menos parcialmente translúcida, de preferência, transparente. Um compartimento de manutenção de 10 temperatura 3 está localizado abaixo da parte inferior da câmara para resfriar ou aquecer o meio de crescimento 8. O fotobiorreator pode ter, opcionalmente, uma aba de travamento 6 para prender o fotobiorreator a um fotobiorreator contíguo ou uma aba de fixação 7 para fixar o fotobiorreator a uma superfície de suporte. Uma ou mais entradas de abastecimento 5 15 adicionam água, nutrientes, dióxido de carbono ou quaisquer outras entradas necessárias ao sistema. Etanol, ou outro biocombustível, liberado por organismos geneticamente otimizados no meio de crescimento 8, evapora no espaço livre 9 na parte superior da câmara 1 e se condensa na superfície interna 10 da parte superior da câmara 1.

O fotobiorreator representado na figura 1 está na forma de um

tubo retangular; contudo, outras formas e configurações são possíveis. A figura 2 mostra um fotobiorreator na forma de um domo hexagonal. As entradas de abastecimento 5 podem ser posicionadas perto do fundo da parte inferior ou qualquer outra parte da câmara 2. Adicionalmente, o 25 fotobiorreator pode conter um tubo de drenagem 14, um dispositivo de mistura 15 (nesta modalidade um braço que é girado em torno do fotobiorreator) e um tubo de serviço 17 no topo da parte superior da câmara

1, a fim de proporcionar acesso ao fotobiorreator. O fotobiorreator também pode ter tubo de coleta de condensado 16 conectado à calha de coleta 4 no interior da parte superior da câmara 1 e saídas de gás 13. As saídas de gás 13 são usadas para remover gás da parte superior da câmara 1 para um aparelho de coleta e separação de gás (não mostrado) e pode servir como uma válvula de esgotamento de oxigênio, para ventilar oxigênio em excesso para fora do fotobiorreator. A figura 3 mostra fotobiorreatores da presente invenção tendo também desenhos diferentes.

As figuras 4A e 4B mostram um fotobiorreator similar àquele 5 representado na figura 1, contendo, adicionalmente, múltiplos compartimentos superiores de refrigerante 18. Os compartimentos superiores de refrigerante 18 na figura 4A se estendem através da parte superior da câmara 1 e separam a parte superior da câmara 1 em múltiplas porções. Além de promover a condensação do biocombustível através do 10 resfriamento do gás 9 na parte superior da câmara 1, os compartimentos superiores de refrigerante 18 proporcionam superfícies internas aumentados 10 para a condensação ocorrer. O compartimento superior de refrigerante 18 também pode ser posicionado ao longo da superfície da parte superior da câmara 1, conforme representado na figura 4B.

A figura 5 ilustra formas e desenhos adicionais similares ao

fotobiorreator da figura 1. Os desenhos em forma de tubo incluem tubos circulares e outras formas poligonais. As figuras 6 e 7 ilustram diferentes desenhos adicionais de tubos fotobiorreatores adequados com a presente invenção.

Em uso, múltiplos fotobiorreatores podem ser colocados em

seguida um ao outro, figura 8 e figura 9 para maximizar a produção de etanol de outro biocombustível. A figura 8 mostra uma vista extrema tridimensional de dois fotobiorreatores da presente invenção colocados adjacentes um ao outro. Essa configuração proporciona fácil acesso às entradas de 25 abastecimento 5. O etanol condensado é removido do fotobiorreator através de tubos de drenagem de coleta de condensado 16, que são conectados à calha de coleta 4 (não mostrada). Alternativamente, um sistema fotobiorreator é projetado como diversos fotobiorreatores fundidos juntos, conforme mostrado na figura 9.

Ambas as extremidades de um fotobiorreator moldado em tubo

podem ter tubos de entrada e de saída, porém, em algumas modalidades apenas uma extremidade pode precisar ter entradas e saídas. A figura 10 mostra uma vista traseira, uma vista lateral e uma vista frontal de um bujão de extremidade 20 que proporciona uma terminação hermética a ar e à água nas extremidades de fotobiorreator. O bujão de extremidade 20 se encaixa confortavelmente nas extremidades ou, alternativamente, sobre as 5 extremidades do fotobiorreator e proporcionam conexões às entradas de abastecimento 5 e 19, tubos de drenagem 14 e 16 e saídas de gás 13. Também, tampas podem ser instaladas sobre todas as entradas 5, 19 e saídas 14, 14 e 16 para vedar quaisquer encaixes. Os bujões de extremidades 12 podem ser vedados permanentemente nas extremidade do 10 fotobiorreator ou eles podem ser mantidos no lugar com vários sistemas de fixação e vedados. Através de vedação não permanentemente do bujão de extremidade 12 acesso ao fotobiorreator pode ser ganho para reparos ou limpeza. As conexões podem ser de qualquer tamanho ou forma que permitam a troca eficiente de ar e entradas no fotobiorreator e podem ser 15 conexões de tubo reto ou rosqueadas. O bujão de extremidade 20 pode ser feito como uma peça única através de moldagem ou outro meio aceitável. Bujões de extremidades 20 podem ser instalados em um fotobiorreator, conforme mostrado na figura 11.

As figuras 12 e 13 representam vistas frontais, posteriores e tridimensionais do conector de fluxo de fotobiorreator 21.0 conector de fluxo

21 é usado para conectar às extremidades de dois fotobiorreatores separados a fim de continuar o fluxo nos tubos unidos na direção oposta. O conector de fluxo 21 tem aberturas no topo e na parte posterior para acesso ao fotobiorreator e para limpeza e reparo. O coletor de fluxo 21 é conectado 25 aos fotobiorreatores através da inserção nas extremidades abertas de cada um e vedando, permanentemente, os fotobiorreatores com adesivos apropriados. O desenho final do conector de fluxo 21 será tal que será capaz de unir fotobiorreatores correspondentes separados, independente de seu desenho final.

A figura 14 representa a unidade de acoplamento 22, que é

usada para unir um fotobiorreator a outro fotobiorreator. A vista seccional transversal da figura 14 mostra o desenho do acoplamento, bem como a maneira pela qual o acoplamento é preso ao fotobiorreator. Os acoplamentos serão presos, permanentemente, a dois fotobiorreatores separados usando adesivos. A unidade de acoplamento 22 permite a conexão de dois tubos curtos de fotobiorreatores em um tubo mais longo.

5 A figura 15 mostra uma vista tridimensional de uma unidade de acoplamento de fotobiorreator instalado 22. O desenho final da unidade de acoplamento 28 será tal que será capaz de unir fotobiorreatores correspondentes separados, independente de seu desenho final.

As figuras 16 e 19 mostram várias configurações não- abrangentes das barragens de fluxo 24 e 28 e placas defletoras 23, 25, 26, 27, 29, 30, 31, 32 e 33, prensadas e moldadas em, ou presas com adesivos no fundo interno do fotobiorreator. As figuras 16-19 não concretizam todas as variações potenciais concretizadas na invenção. A figura 20 mostra uma vista tridimensional de vários encaixes de fotobiorreatores. Vários encaixes 34, 35, 36 e 37 podem ser fixados ao fotobiorreator por meio do corte do furo de tamanho apropriado no corpo do biorreator e fixando os encaixes usando adesivos, solventes ou silicones. Os encaixes 34, 35, 36 e 37 podem ser usados para ventilação de oxigênio em excesso, adição ou remoção de vários gases, nutrientes, meio de crescimento, água e tampões, bem como para várias sondas e dispositivos de monitoração ambiental. Cada encaixe pode conter uma válvula 37, eletrônica ou manual, para controlar quando o encaixe é aberto ou fechado.

Em situações onde o meio de crescimento é bombeado ou de outro modo levado a circular através do fotobiorreator, a presente invenção 25 proporciona diversos aspectos que proporcionam um ambiente otimizado para crescimento de organismo. Em particular, mistura ou agitação assegura que as células na cultura são mais uniformemente expostas à Iuz solar, libera oxigênio dissolvido em excesso do meio de crescimento e aperfeiçoa a absorção de dióxido de carbono. O fotobiorreator mostrado na figura 21A é 30 colocado em uma inclinação e utiliza gravidade para transportar o meio de crescimento 8 através da parte inferior da câmara 2. Alternativamente, o meio de crescimento 8 é bombeado através da parte inferior da câmara 2, conforme mostrado na figura 21B. Conforme mostrado nas figuras 21A e 21B, a superfície de fundo da parte inferior da câmara 2 contém várias barragens de fluxo integradas 24 e 28 e placas defletoras 23, 25, 26, 27, 29, 30, 31 e 32 para proporcionar agitação significativa também podem ter as 5 configurações representadas nas figuras 16-19. Essas barragens de fluxo

24 e 28 e as placas defletoras 23, 25, 26, 27, 29, 30, 31 e 32 podem ser integradas na superfície de fundo ou presas à superfície de fundo da parte inferior da câmara 2. Uma pessoa versada na técnica da dinâmica dos fluidos pode, prontamente, desenhar a configuração otimizada das 10 barragens de fluxo 24 e 28 e placas defletoras 23, 25, 26, 27, 29, 30, 31 e 32, com base nas variáveis da localização da instalação e necessita dos organismos.

Conforme ilustrado na figura 22, a Iuz do sol entra através do topo da parte superior da câmara 1. Algas no meio de crescimento 8 usam a Iuz do sol para produzir e liberar etanol no meio de crescimento, onde ele é evaporado 9 na parte superior da câmara 1. O gás 9 na parte superior da câmara incluirá oxigênio, água evaporada e etanol. O etanol se condensará na superfície interna 10 da parte superior da câmara 1 e o condensado 11 se coletará na calha de coleta de condensado 4. Conforme representado na figura 22, dióxido de carbono é proporcionado para o meio de crescimento 8 como um gás presente na parte inferior da câmara 1. Desse modo, o meio de crescimento 8 absorve dióxido de carbono e libera oxigênio na parte superior da câmara 1. Várias entradas 5 e 19 abastecem as entradas necessárias no sistema e as saídas removem 13, 14 e 16 removem gases, líquido e biomassa do sistema.

Os processos biológicos na presente invenção não produzem etanol na presença de água e outros materiais ou outro produto biocombustível. Antes, o produto deve ser purificado para separá-lo da água e, possivelmente, outros produtos celulares e contaminantes. Portanto, um 30 aspecto adicional da produção de etanol com um fotobiorreator é a purificação de etanol ou outros biocombustíveis. O produto biocombustível pode ser purificado da fase gasosa do fotobiorreator bem como dos condensados. A eliminação de oxigênio de um fotobiorreator de produção de biomassa é realizada, em geral, através de ventilação de uma fase gasosa enriquecida em oxigênio para a atmosfera. Embora esse mesmo método possa ser usado com a presente invenção, a corrente de oxigênio conterá o 5 produto biocombustível e pode reduzir, substancialmente, a produtividade do fotobiorreator a menos que medidas sejam tomadas para impedir a perda excessiva de produto. Portanto, outro aspecto da presente invenção é o controle da perda de biocombustível, particularmente perda de etanol, na corrente de esgotamento de oxigênio.

O condensado pode ser removido como líquido e purificado por

qualquer meio conhecido, tal como destilação, pervaporação, desflegmação, etc., e pode ser ainda desidratado por qualquer meio conhecido, tal como desidratação de zeólito ou desidratação de membrana.

Integração de Processos de Esgotamento de Oxigênio e Coleta de Etanol A remoção de uma quantidade substancial de etanol na fase

gasosa é inevitável devido às exigências para remoção de oxigênio. Em um mínimo, é necessário evitar a perda de etanol demais como uma conseqüência da liberação de oxigênio. A retenção de etanol durante a liberação de oxigênio é um processo de separação e pode ser que a 20 liberação de oxigênio e a separação de etanol da corrente de vapor possam ser combinadas em uma única operação que é mais efetiva em custo do que seriam as operações independentes. Por exemplo, a fase gasosa do fotobiorreator poderia ser bombeada além de uma membrana permeável ao oxigênio em uma pressão elevada e deixada equilibrar com ar através da 25 membrana. A pressão parcial de oxigênio no gás de saída desse sistema estará acima de 21 kPa por um valor dependente de como o equilíbrio é aproximado. O restante da fase vapor será etanol e água. A fase vapor poderia ser passada através de um desflegmador para remover a maior parte da água restante.

Exclusão de heterotróficos

Como o etanol não é sempre estável na degradação biológica na presença de oxigênio, é importante excluir, inibir ou matar os organismos heterotróficos de modo que a degradação de etanol por heterotróficos seja mínima. Métodos para esterilização de equipamento, soluções e gases são bem-conhecidos por aqueles versados na técnica, como é a preparação e a manutenção de culturas de cianobactérias ou algas, que são axênicas, isto 5 é, que não contêm organismos de qualquer outra espécie que não o tipo de cianobactérias ou algas que estão na cultura. Tratamentos químicos, tais como antibióticos, também são bem-conhecidos, visto que são técnicas para fazer linhas de células de cianobactérias ou algas que são resistentes a antibióticos particulares. Os antibióticos podem ser adicionados às culturas 10 nos fotobiorreatores a fim de eliminar quaisquer organismos heterotróficos presentes na cultura como uma medida profilática contra infecção potencial. Métodos adicionais para o controle de heterotróficos, como conhecido na técnica, também podem ser efetivos. A modalidade preferida da invenção é que os organismos de cianobactérias ou algas produzem etanol no 15 fotobiorreator e quanto esse nível está perto ou acima de 5% na cultura, o próprio etanol matará os heterótrofos e auxiliará na manutenção da cultura estável e quase estéril.

Tendo agora descrito completamente os fotobiorreatores e métodos aqui proporcionados em alguns detalhes à guisa de ilustração e 20 exemplos para fins de clareza de compreensão, será óbvio para alguém versado na técnica que a modificação ou mudança das configurações do fotobiorreator e os métodos para utilizar condições equivalentes, elementos, etapas e outros parâmetros está dentro do escopo das reivindicações anexas.

Alguém versado na técnica apreciará que matérias-primas,

substratos, elementos de dispositivos, métodos analíticos, mistura e combinações de componentes que não aqueles especificamente exemplificados podem ser empregados na prática da invenção sem recorrer à experimentação indevida. Todos equivalentes funcionais conhecidos da 30 técnica, de qualquer um desses materiais e métodos, estão incluídos nos dispositivos e métodos aqui descritos. Os termos e expressões que foram empregados são usados como termos de descrição e não de limitação e não há intenção no uso de sistemas e expressões de excluir quaisquer equivalentes dos aspectos mostrados e descritos ou de suas porções, mas é reconhecido que várias modificações são possíveis dentro do escopo das reivindicações. Desse modo, deve ser compreendido que, embora os 5 fotobiorreatores e métodos aqui proporcionados tenham sido descritos, especificamente, em termos de modalidades, aspectos opcionais, modificações e variações dos conceitos aqui descritos podem ser utilizados por aqueles versados na técnica e essas modificações e variações são consideradas estarem dentro do escopo das reivindicações anexas.

Como aqui usado, "compreendendo" é sinônimo de "Incluindo"

ou "Contendo" e é inclusivo ou aberto e não exclui elementos adicionais não citados ou etapas do método.

Quando um grupo de materiais, composições, componentes ou compostos é aqui descrito, é compreendido que todos os elementos individuais daqueles grupos e todos os seus subgrupos são descritos separadamente. Quando um grupo Markush ou outro agrupamento é usado aqui, todos os elementos individuais do grupo e todas as combinações e subcombinações no possíveis do grupo são destinados a serem individualmente incluídos na exposição. Cada formulação ou combinação de componentes aqui descrita ou exemplificada pode ser usada para pôr em prática a invenção, a menos que de outro modo mencionado. Quando uma faixa é dada na especificação, por exemplo, uma faixa de temperatura, uma faixa de tempo ou uma faixa de composição, todas as faixas intermediárias e subfaixas, bem como todos os valores individuais incluídos nas faixas dadas são destinadas a serem incluídas na exposição. Na exposição e nas reivindicações "e/ou" significa adicional ou alternativamente. Além disso, qualquer uso de um termo no singular também envolve formas do plural.

Todas as referências aqui citadas são incorporadas através de referência em sua totalidade até o ponto em que não há inconsistência com a exposição desta especificação. Algumas referências aqui proporcionadas são incorporadas através de referência a fim de proporcionar detalhes referentes à fonte de matérias-primas, matérias-primas adicionais, reagentes adicionais, métodos de análise adicionais, materiais biológicos adicionais, células adicionais e usos adicionais da invenção. Todos os cabeçalhos aqui usados são apenas por conveniência. Todas as patentes e publicações mencionadas na especificação são indicativas dos níveis de habilidade 5 daqueles versados na técnica à qual a invenção se refere e são aqui incorporadas através de referência até o ponto como se cada publicação, patente ou pedido de patente individual fosse específica e individualmente indicado para ser aqui incorporado através de referência. As referências aqui citadas são incorporadas através de referência em sua totalidade para 10 indicar o estado da técnica quando de sua data de publicação ou depósito e é pretendido que essa informação possa ser aqui empregada, se necessário, para excluir modalidades específicas que estão com a técnica anterior.

O significado de termos inclui texto como segue.

O termo " fechado do ambiente externo" inclui o significado de que bactérias fora do fotobiorreator são impedidas de entrarem no fotobiorreator e que etanol formado dentro do fotobiorreator é impedido de deixar o fotobiorreator de outro modo que não aquele pré-projetado.

O o termo "câmara" inclui o significado do corpo do fotobiorreator que compreende um meio aquoso de crescimento, 20 compreendendo uma cultura de organismos geneticamente otimizados, dispostos no meio de crescimento, em que os referidos organismos são selecionados do grupo que consiste em algas e cianobactérias e um meio para fornecer Iuz do sol aos organismos.

Há uma parte superior da câmara que compreende uma região 25 translúcida ou clara para permitir a entrada de Iuz do sol. Há uma parte inferior da câmara que compreende um meio aquoso de crescimento. A câmara envolve um volume da fase gasosa ou espaço livre. A câmara envolve um volume de fase líquido que compreende o meio aquoso de crescimento. Há uma superfície interna da parte superior da câmara em que 30 a água da fase gasosa e o etanol no podem se condensar. O significado do termo câmara pode ser também compreendido a partir das figuras.

O termo parte superior da câmara" ou "câmara superior " compreende a região da câmara que é translúcida ou clara.

O termo "parte inferior da câmara" ou "câmara inferior" compreende a região da câmara compreendendo meio aquoso de crescimento. Nenhuma barreira física entre as partes superior da câmara e as partes inferiores da câmara é requerida.

O termo "base diária continuada" inclui significado a operação do fotobiorreator e se refere à produção continuada de etanol a partir de dióxido de carbono pelos organismos durante os tempos continuados para os quais Iuz suficiente está disponível. O termo "base diária continuada" 10 ainda inclui e o significado de que etanol pode ser formado dia após dia, desde que haja Iuz suficiente, dióxido de carbono e nutrientes presentes O termo "base diária continuada" ainda inclui o significado de que a produção de etanol será influenciada pelas condições climáticas, incluindo a presença ou a ausência de sol ou nuvens e pela necessidade de incluir nutrientes, 15 promotores e dióxido de carbono na câmara e pelas exigências de manutenção da rotina, incluindo a necessidade de substituir a biomassa e /ou componentes do fotobiorreator.

O termo "superfície interna da parte superior da câmara" inclui a porção interna da câmara na qual etanol de fase gasosa e água se condensam na fase líquido.

O termo "tubos de entrada e de saída" se refere a tubos conectados às aberturas na câmara do fotobiorreator.

O termo "compartimentos de refrigerante" se refere a compartimentos que contêm o material que pode ser usado para resfriar a câmara do fotobiorreator.

O termo "dispositivo de mistura" se refere a qualquer dispositivo que pode ser usado para misturar ou agitar os conteúdos do meio aquoso de crescimento.

O termo "dispositivos de medição" se refere a dispositivos que podem fazer medições de parâmetros relacionados com o fotobiorreator e inclui dispositivos para medir a temperatura, a pressão e a quantidade de dióxido de carbono, carbonato, sal, íon de hidrogênio, água, etanol, oxigênio e níveis de nutrientes do meio de crescimento.

O termo "tratamento do interior da parte superior da Câmara" inclui qualquer tratamento químico ou físico da superfície do interior da parte superior câmara do fotobiorreator, que pode afetar a condensação de etanol 5 de fase gasosa.

O termo "modificações de aditivos, revestimentos e físicas" inclui quaisquer modificações químicas ou físicas da câmara do fotobiorreator que podem afetar a reação de fotossíntese ou a condensação de etanol ou água no interior da câmara. Aditivos podem incluir agentes de 10 bloqueio de UV1 agentes de estabilização de UV1 revestimento de bloqueio de UV, película de bloqueio de UV, um aditivo para estabilização do material plástico e agentes para estabilização do material plástico.

O termo "volume de reação fechado" inclui o significado de que o volume definido pela câmara do fotobiorreator é restrito à entrada de 15 entidades prejudiciais à reação fotossintética e restrito quanto à saída de etanol do volume de reação. O termo "volume de reação fechado" não indica que oxigênio não deixe o volume de reação ou que etanol não deixe o volume de reação.

O termo "fase líquida" inclui o líquido na cultura e o líquido como um condensado e inclui H2O e etanol líquidos.

O termo "extrusões plásticas modulares montadas no solo" inclui o significado de uma pluralidade de unidades de fotobiorreatores, compreendendo plástico modular, montado no solo.

O termo "meio de regulação de temperatura do meio aquoso de 25 crescimento" se refere a um meio de regulação de temperatura que inclui estruturas que regulam a temperatura através da variação de entrada de Iuz ou variação de temperatura pela entrada de fluidos aquecidos ou resfriados. A temperatura do meio aquoso de crescimento pode ser regulada através de aquecedores elétricos ou contato térmico com fluidos aquecidos ou 30 resfriados.

O meio de introdução de fluidos e gases poderia incluir um bocal, uma válvula e um venturi conectado a uma fonte de CO2, que poderia incluir gás combustível de uma instalação de força de CC>2de um cilindro. O meio de introdução de dióxido de carbono pode incluir a introdução através de um tubo de um cilindro de CO2 ou de gases de combustão de uma unidade de combustão de combustível fóssil.

Os meios de conversão de dióxido de carbono em etanol incluem processos fotossintéticos envolvendo micro-organismos selecionados do grupo que consiste em algas e cianobactérias geneticamente otimizadas. Algas e cianobactérias geneticamente otimizadas (conforme descrito, por exemplo, na patente norte-americana N0 6.699.696) convertem dióxido de carbono em etanol.

Os meios de separação de etanol da fase líquida incluem uma estrutura que permite a evaporação de etanol de um meio aquoso de crescimento em um espaço livre e condensação subsequente na superfície de uma câmara. A estrutura pode incluir uma membrana permeável.

Uma descoberta importante da presente invenção é que para o fotobiorreator da presente invenção a evaporação solar permite uma otimização na concentração de etanol. Para uma dada concentração X de etanol na fase líquido, incluindo os micro-organismos, temos dados sugerindo que o condensado formado por evaporação solar da mesma fase líquido é maior do que X. Isso é baseado nos dados para a evaporação de etanol e água de um líquido de etanol e água em um fotobiorreator protótipo conforme ilustrado abaixo, com os dados denotados ("Fotobiorreator") correspondendo ao líquido inicial e com os dados denotados ("Condensado") correspondendo ao líquido evaporado e então condensado. O aparelho Fotobiorreator # 5 e o Aparelho Fotobiorreator # 6 são dois fotobiorreatores de exemplo que concretizam a invenção e ilustram a concentração de etanol de enriquecimento ou otimizado: Tabela Aparelho Fotobiorreator #5_Aparelho Fotobiorreator #6

Data da Hora da Tipo de etanol (mM) Data da Hora da Tipo de etanol (mM) amostra Amostra Amostra amostra Amostra Amostra Dia 1 9:00 AM Fotobiorreator 222,04 Dia 1 9:00 AM Fotobiorreator 230,84 Dia 1 9:00 AM Condensado 279,23 Dia 1 9:00 AM Condensado 289,87 Dia 2 9:30 AM Fotobiorreator 224,99 Dia 2 9:30 AM Fotobiorreator 231,89 Dia 2 9:30 AM Condensado 275,83 Dia 2 9:30 AM Condensado 292,67 Dia 3 9:00 AM Fotobiorreator 222,37 Dia 3 9:00 AM Fotobiorreator 227,12 Dia 3 9:00 AM Condensado 254,80 Dia 3 9:00 AM Condensado 267,81 Dia 6 10:00 AM Fotobiorreator 221,61 Dia 6 10:00 AM Fotobiorreator 228,27 Dia 6 10:00 AM Condensado 256,30 Dia 6 10:00 AM Condensado 270,83 Dia 7 9:00 AM Fotobiorreator 215,26 Dia 7 9:00 AM Fotobiorreator 225,92 Dia 7 9:00 AM Condensado 273,83 Dia 7 9:00 AM Condensado 273,39 Dia 8 9:00 AM Fotobiorreator 212,93 Dia 8 9:00 AM Fotobiorreator 229,38 Dia 8 9:00 AM Condensado 247,37 Dia 8 9:00 AM Condensado 273,83 Dia 9 9:00 AM Fotobiorreator 216,86 Dia 9 9:00 AM Fotobiorreator 232,04 Dia 9 9:00 AM Condensado 253,06 Dia 9 9:00 AM Condensado 280,41 Dia 10 9:00 AM Fotobiorreato 210,78 Dia 10 9:00 AM Fotobiorreato 233,75 Dia 10 9:00 AM Condensado 253,93 Dia 10 9:00 AM Condensado 272,41

Claims (25)

1. Fotobiorreator fechado do ambiente externo, compreendendo uma câmara que compreende: a. uma folga de fechamento; b. uma parte superior da câmara que compreende uma região translúcida ou clara para permitir a entrada da Iuz do sol; c. uma parte inferior da câmara que compreende um meio aquoso de crescimento, compreendendo uma cultura de organismos geneticamente otimizados, dispostos no meio de crescimento, em que os referidos organismos são selecionados do grupo que consiste em algas e cianobactérias e em que os referidos organismos produzem etanol em uma diária continuada, que entra no meio de crescimento; d. uma pluralidade de aberturas para tubos de entrada e de saída; e e. em que o etanol no meio de crescimento evapora na folga de fechamento, se condensa na superfície interna da parte superior da câmara e é coletado em uma calha de coleta.

2. Fotobiorreator, de acordo com a reivindicação 1, ainda compreendendo um tubo de saída conectado a uma abertura da câmara conectada à calha de coleta com a finalidade de remover etanol que se condensou na superfície interna da parte superior da câmara.

3. Fotobiorreator, de acordo com a reivindicação 1, ainda compreendendo um tubo de saída conectado a uma abertura da parte superior da câmara com a finalidade de remover o gás O2, o gás etanol e o vapor d'água da folga de fechamento em que o etanol é ainda condensado e o etanol é coletado como um líquido.

4. Fotobiorreator, de acordo com a reivindicação 1, ainda compreendendo um tubo de entrada conectado a uma abertura da parte inferior da câmara com a finalidade da introdução de CO2 no meio aquoso de crescimento.

5. Fotobiorreator, de acordo com a reivindicação 1, ainda compreendendo um tubo de entrada conectado a uma abertura da parte inferior da câmara com a finalidade da introdução de água no meio aquoso de crescimento.

6. Fotobiorreator, de acordo com a reivindicação 1, ainda compreendendo um tubo de entrada conectado a uma abertura da parte inferior da câmara com a finalidade da introdução de uma solução aquosa compreendendo solutos selecionados do grupo que consiste em nutrientes, fertilizantes, antibióticos e algicidas.

7. Fotobiorreator, de acordo com a reivindicação 1, ainda compreendendo compartimentos superiores de refrigerante em contato térmico com a folga de fechamento na parte superior da câmara e compreendendo um refrigerante.

8. Fotobiorreator, de acordo com a reivindicação 1, ainda compreendendo um dispositivo de mistura.

9. Fotobiorreator, de acordo com a reivindicação 1, ainda compreendendo uma pluralidade de dispositivos de medição.

10. Fotobiorreator, de acordo com a reivindicação 1, ainda compreendendo um meio de regulação de temperatura do meio aquoso de crescimento.

11. Fotobiorreator, de acordo com a reivindicação 1, ainda compreendendo um tratamento do interior da parte superior da câmara selecionada do grupo que consiste em aditivo, revestimento e modificações físicas.

12. Fotobiorreator, de acordo com a reivindicação 1, em que a forma da câmara é selecionada do grupo que consiste em tubo, círculo, retangular, hexágono, octógono, domo, quadrado, pirâmide, irregular, polígono, triângulo.

13. Fotobiorreator, de acordo com a reivindicação 1, em que a superfície interna da parte inferior da câmara é moldada para criar estruturas do grupo que consiste em barragens, defletores e inclinações com um meio de introdução de líquidos e gases.

14. Fotobiorreator, de acordo com a reivindicação 1, em que a câmara compreende um material plástico compreendendo um material selecionado do grupo que consiste em agente de bloqueio de UV1 agente de estabilização de UV1 revestimento de bloqueio de UV1 película de bloqueio de UV1 um aditivo para estabilização do material plástico e um agente para estabilização do material plástico.

15. Fotobiorreator, de acordo com a reivindicação 1, em que a parte superior da câmara compreende um material selecionado do grupo que consiste em revestimento de otimização de comprimento de onda de luz, películas de otimização de comprimento de onda de luz, agentes de otimização de comprimento de onda, agentes de otimização de comprimento de onda de luz, aditivos de otimização de comprimento de onda de luz, revestimento hidrofóbico, revestimento super-hidrofóbico, aditivo hidrofóbico, aditivo super-hidrofóbico, revestimento hidrofílico, revestimento super- hidrofílico, aditivo hidrofílico, aditivo super-hidrofílico, agente hidrofóbico, agente super-hidrofóbico, agente hidrofílico, agente super-hidrofílico, material anti-incrustações, agente anti-incrustações e aditivo anti- incrustações.

16. Fotobiorreator, de acordo com a reivindicação 1, em que a câmara compreende um material plástico suportado por elementos de armação, tensão aplicada externamente e pressão interna.

17. Fotobiorreator, de acordo com a reivindicação 1, em que o etanol coletado na calha de coleta é de uma concentração maior do que o etanol no meio de crescimento.

18. Aparelho para a produção diária continuada de etanol e oxigênio a partir de dióxido de carbono e água em um volume de reação fechado em que: o volume de reação compreende um volume de fase líquido e um volume de fase gasosa; o dióxido de carbono e a água são convertidos em etanol e oxigênio no volume de fase líquido por micro-organismos modificados geneticamente, selecionados do grupo que consiste em algas e cianobactérias; o etanol, a água e o oxigênio entram na fase gasosa e ocupam o volume da fase gasosa; e o etanol e água no volume de fase gasosa são condensados até um volume condensado em que a concentração do etanol no volume condensado é maior do que a concentração de etanol na fase líquido, contendo os micro-organismos.

19. Aparelho para a produção de etanol e oxigênio a partir de dióxido de carbono e água, compreendendo: extrusões plásticas modulares, montadas no solo; volume de reação de fase líquido; um volume de folga de fechamento; um meio de introdução de dióxido de carbono no volume de reação de fase líquido; um meio de conversão do dióxido de carbono em etanol e oxigênio dentro do volume de reação de fase líquido, em que o oxigênio vai do volume de reação de fase líquido no volume de folga de fechamento; e um meio de separação de etano do volume de reação de fase líquido através da formação de etanol de fase gasosa seguido pela condensação do etanol de fase gasosa para o etanol de fase líquido, que o etanol de fase líquido condensado circula para um volume de coleta; e em que a concentração de etanol no volume de coleta é maior do que aquela no volume de reação de fase líquido.

20. Método de produção de etanol compreendendo: a. colocação de uma cultura de organismos geneticamente otimizados capazes de produzir etanol selecionado do grupo que consiste em algas e cianobactérias em um fotobiorreator, em que o fotobiorreator 25 compreende: a) uma parte inferior da câmara contendo um meio aquoso de crescimento; e b) uma parte superior da câmara cheia de gás, em que a parte superior da câmara é pelo menos parcialmente translúcida; permissão para que o etanol evapore do meio de crescimento na parte superior da câmara; condensação do etanol evaporado; e coleta do etanol condensado em uma ou mais calhas de coleta.

21. Método, de acordo com a reivindicação 20, ainda compreendendo uma etapa de purificação do etanol coletado.

22. Método, de acordo com a reivindicação 20, compreendendo a detecção de uma quantidade de uma substancia selecionada do grupo que consiste em dióxido de carbono, carbonato, sal, íon de hidrogênio, água, etanol, oxigênio e níveis de nutrientes do meio de crescimento, determinação se a quantidade cai fora de uma faixa predeterminada e, se fora da faixa predeterminada, empreendendo ação corretiva, ajustando o nível para permanecer dentro da faixa predeterminada.

23. Método, de acordo com a reivindicação 20, ainda compreendendo uma etapa de fornecimento de agitação ao meio de crescimento.

24. Método, de acordo com a reivindicação 20, ainda compreendendo uma etapa de resfriamento da parte superior da câmara.

25. Método de produção de etanol compreendendo: colocação de um cultura de organismos geneticamente otimizados, capazes de produzir etanol selecionado do grupo que consiste em algas e cianobactérias em um fotobiorreator, em que o referido fotobiorreator compreende: a) uma câmara inferior contendo um meio aquoso de crescimento; e b) uma câmara superior, em que a câmara superior é pelo menos parcialmente translúcida, em que a câmara superior compreende uma folga de fechamento e em que a câmara superior contém calhas; permissão para que etanol e água evaporem do meio de crescimento na folga de fechamento; condensação de etanol e água; coleta do etanol líquido condensado e água nas calhas; remoção de gás da folga de fechamento, o referido gás compreendendo O2, gás etanol e vapor de água e separação de etanol do gás removido de folga de fechamento.