且优选地介于0.5米?2米之间。在其它实施方式中，培养容积内的混合足以使溶解氧横跨培养容积的深度以基本均匀的浓度(例如，在10%内)分布。
[0045]温度波动
[0046]在具有小容积的兼养培养条件下实验室或工作台顶级规模生物反应器未解决的另一挑战是改变培养容积的温度。实验室和工作台顶级规模生物反应器能以小的容积(即，热质量)运作，这是因为反应器在受控环境下典型地持续短的时间段。在小容积的生物反应器或出于光路目的具有浅的深度的生物反应器中，培养基的温度当放在商业环境(诸如夜间/白天周期、天气和云可基本改变周围温度历时若干小时的室外)中时可易发生大的改变。温度改变可压迫兼养型微生物，或者减少在温度超出最佳范围时的周期期间生长或产品形成的效率。当培养微生物的温度不能一致地独立维持时，冷却以及加热的方法可能需要添加到生物反应器系统，导致系统的能量效率更低并且资金成本较高。
[0047]当增加生物反应器的深度以保持更大的培养容积时，更大的热质量可能对通过在白昼期间加热并且在夜间期间冷却所造成的温度波动较不敏感。通过设计，大规模兼养型生物反应器将具有比实验室和工作台顶级生物反应器设计更有热惯性的培养容积，并且由此可能经受空间和时间两方面的热梯度。这些大规模生物反应器的一些实施方式可通过物理方式定位在室外，由此暴露至大的环境条件变化。在一些实施方式中，大规模生物反应器可使用冷却以及加热的方法来帮助建立受控的生长环境，并且可使用控制系统来帮助热控制。
[0048]在一些实施方式中，生物反应器可包括在不使用热交换器的情况下足以在24小时周期内使平均温度改变降低至小于1°C _20°C差并且优选地降低至小于1°C -10°C差的容积和深度。在一些实施方式中，生物反应器中的水性培养物的深度可大于0.5米。在一些实施方式中，生物反应器中的水性培养物的深度可介于0.5米和10米之间，优选地介于0.5米和2米之间。因此，由于大容积培养的更大热质量，大容积培养可能不需要更大比例地使用热交换器作为小容积培养来维持最佳温度，并且控制培养温度中的时间改变所需要的每培养容积的能量的量可能小于小容积培养。
[0049]在一些实施方式中，被动冷却、自然蒸发冷却或者在微生物培养容积的表面上由风扇强制的空气流辅助的蒸发冷却可增加微生物培养的热稳定性。可能影响生物反应器系统上的被动或蒸发冷却系统的参数可包括:白昼时间、一年中的白昼、地理位置、太阳的位置、太阳能加热负载、湿度、水分含量、温度、水分压、盖的菲涅耳定律反射率、盖的透射率、生物反应器系统内的反射、生物反应器与天空之间的能量的夜间再辐射、水分蒸发和生物反应器空气流湍流。还可使用与生物反应器表面接触的热交换器、培养容积或者它们的组合通过加热或冷却来辅助维持一致的温度或影响空间温度分布。
[0050]具有光部和暗部的兼养型生物反应器
[0051]为微生物在水性培养物中的光合生长而设计的常规生物反应器聚焦于具有短光路的系统。在水性微生物培养中，光仅可穿透培养物中少至2cm-5cm的距离。通过使用具有短光路的生物反应器，在生物反应器系统中更大百分比的微生物暴露至在光合作用过程中用于能量的光，并且可减轻微生物的自遮光。短的光路可通过降低培养物的深度或光必须穿透的距离来实现，实质指出长的以及浅或窄的反应器必须覆盖大量的表面积以提供高的容积。
[0052]为微生物的异养生长而设计的常规生物反应器没有关注于光的可用性，并且可包括比光合反应器的可比较容积更大和更深的容积(在更小覆盖区中)。在这些异养系统中，系统的机械混合和封闭重要的是确保微生物:维持悬浮；接收被给予的溶解氧和有机碳；并且防止引入竞争和污染生物。虽然机械混合可能对分配有机碳源和气体转移是有效的，但是一些类型的机械混合(例如，开放式推进器、搅拌器)还可将剪切应力施加在微生物上，如果剪切应力水平高于该微生物的耐受性水平，这可能潜在危害微生物。通过限制光路、混合装置的特征或者使系统封闭，兼养型微生物利用多个能量源的灵活性允许兼养型生物反应器系统的设计约束较少。
[0053]在一些实施方式中，用于在水培养基中培养微生物的兼养型生物反应器系统可包括:有机碳供给装置、接收至少一些光的至少一个亮部以及不接收光的至少一个暗部。在一些实施方式中，至少一个亮部和至少一个暗部可以是单一设备(诸如其中亮部可在暗部的顶部或下方分层的深生物反应器)的部件。在一些实施方式中，至少一个亮部和至少一个暗部可以是以流体连通的方式连接的独立设备。在一些实施方式中，生物反应器系统可包括至少一个开放部。在一些实施方式中，生物反应器系统可包括至少一个封闭部。兼养型微生物的培养可经由诸如推进器、栗、桨轮和重力的任何已知手段在至少一个亮部和至少一个暗部之间循环。在一些实施方式中，亮部和暗部可以是生物反应器系统的物理部件，并且通过定时以及使用人工光装置来控制光暗性质。
[0054]在替代实施方式中，混合的方法可实现竖直流动模式，使得流体能以旋转的方式从顶部扫到底部，以更快的频率将细胞带至光。在一个非限制性示例中，使用浸入式推进器创建出旋转、垂直或回旋流，其将微藻或蓝藻细胞带至水性培养物的空气/液体界面，以在返回至包括暗部的水性培养物的深度之前提供几次暴露至光(即，亮部)。在微藻或蓝藻的兼养培养中提供额外的光的一个优点是降低驱动生长的碳能量、形成色素、形成蛋白质、形成在存在光的情况下优先形成的其它产品以及它们的组合。
[0055]在一些实施方式中，至少一个亮部和至少一个暗部之间的循环创建出兼养型微生物的光占空比(light duty cycle)达2%至25%，并且优选地为5%。光占空比被定义为使单独微生物暴露至光的总的光暗微循环的分数。通过使微生物暴露至光的时间除微生物花费在生物反应器系统中的总时间来计算光占空比。所计算的光占空比表示为百分比。在一些实施方式中，生物反应器可包括多个战略间隔的亮部和暗部，用于当使微生物的培养循环时创建重复的光占空比，这可由培养微生物的流量控制。在一些实施方式中，光占空比还可通过定时以及使用人工照明装置来控制。
[0056]至少一个亮部将兼养型微生物的培养物暴露至来自光源的至少一些光。在一些实施方式中，光源可包括提供人工光的至少一个照明装置。至少一个人工照明装置可包括能够将光提供给微生物的培养物的任何照明装置，诸如但不限于荧光管、发光二极管(LED)、微LED、高压钠灯、高强度放电灯、氖灯、金属蒸气灯、卤素灯、硫等离子体灯和白炽灯泡。在一些实施方式中，至少一个照明装置可被选择或调整以提供特定波长光谱或光谱组合的光，诸如但不限于紫(约380-450nm)、蓝(约450_495nm)、绿(约495_570nm)、黄(约570-590nm)、橙(约 590_620nm)、红(约 620_750nm)以及远红(约 700_800nm)、红外(IR)(约1，000-20, OOOnm)和紫外(UV)(约10_400nm)。在一些实施方式中，光的施加可以是连续的、间断的、闪烁的或脉冲的，用以创建任何期望的光/暗周期。在一些实施方式中，由至少一个照明装置供给的光的强度可包括恒定的强度或可变的强度。至少一个照明装置可安装在生物反应器模块上的任何地方，悬置或浸入在培养容积中，或者可与生物反应器模块分开。
[0057]在一些实施方式中，光源可包括诸如阳光的自然光。在一些实施方式中，接收阳光的亮部可包括盖，所述盖被构造成阻挡至少一部分阳光以防止接触微生物的培养物。在一些实施方式中，盖可阻挡5% -95%之间的光。盖可包括:半透明的光伏电池板、选择性地阻挡具体波长范围内的光的薄膜、被动式遮阳布(例如，aluminet遮阳布、阻挡一些光或阻挡具体波长的遮阳布)、半透明聚合物、有色玻璃以及它们的组合。在一些实施方式中，亮部可以是大容积以及深池、槽或罐的光穿透诸如但不限于空气/水表面界面和遇到光穿透的深池或罐的顶部的部分。至少一个亮部能以100-2，500微摩尔光子/m2s接收光，优选为200-500微摩尔光子/m2s。在一些实施方式中，光源可包括提供人工光和自然光(例如，阳光)的至少一个照明装置的组合。
[0058]至少一个暗部包括缺乏用于培养兼养型微生物的光。在一些实施方式中，至少一个暗部可包括由不透明材料制成的盖，所述盖被构造成防止光接触微生物的培养物。在一些实施方式中，至少一个暗部可包括大容积的深度，光可穿透其下方。在一些实施方式中，至少一个暗部可包括与至少一个亮部流体连通的功能设备。功能设备可包括泡沫分离装置(例如，蛋白质撇渣器、鼓泡塔、溶解空气浮罐)、离心机、电脱水装置(例如，将培养物暴露至电场的反应器)、脱水装置(例如，过滤设备、沉淀池)、污染控制装置(例如，用于施加臭氧或其它污染控制溶液的装置)、气体交换装置(例如，除气罐)、保持罐及它们的组合。
[0059]在一个非限制性示例中，至少一个暗部包括具有可调整设定的蛋白质撇渣器，所述蛋白质撇渣器在遮蔽微生物的培养物使其免受光的影响的同时提供多种功能，诸如:气体喷射；除气；以及经由泡沫分离从培养物去除泡沫和组分，诸如污染微生物、悬浮固体、杂物以及超过阈值大小的成群微生物。从培养物去除泡沫和组分可降低与兼养型微生物竞争资源并且延长兼养型微生物的培养物的寿命。
[0060]生物反应器系统实施方式
[0061]以下生物反应器系统实施方式整合了所描述的常规光合或异养系统与兼养系统之间以及小容积与大容积兼养培养之间关于溶解氧分布、温度波动和进入光的差异，以在具有亮部和暗部的生物反应器系统中成功地大规模兼养培养。在第一非限制性实施方式中，被构造成在水培养基中培养微生物的大规模兼养型生物反应器系统可包括:提供亮生物反应器的跑道池、槽或罐生物反应器，其被构造成将水溶性培养物包含在接收来自光源的至少一些光的内容积中；以及提供生物反应器系统的暗部的泡沫分离设备(例如，蛋白质撇渣器、鼓泡塔)，其具有不透明的罐区段，被构造成将水溶性培养物包含在不接收光的内容积中。亮生物反应器可经由附接至该亮生物反应器的进口和出口的管道与泡沫分离设备流体连