互连互联光合作用基质矩阵和生物能量生产系统的制作方法

互连互联光合作用基质矩阵和生物能量生产系统
发明领域
1.本发明通常涉及生物能量学。更具体地说，所公开的过程和方法涉及增加二氧化碳下降速率、增强初级生物能量系统(如果蝇群体)，以及从增强的生物能量系统中收获高产量的电子、质子和atp。所收获的能量可立即使用，也可进行储存，供人类以后使用。


背景技术：

2.二氧化碳是地球上生命的一种自然副产品，来源很多，如动物呼吸、有机产品(植物、动物等)腐烂、汽车和工业等。目前，人类所采用的能量生产方法正在加剧地球大气和生态系统的失衡。更具体地说，随着人口的持续增长，二氧化碳排放量继续高于碳汇的吸收速率。由于大气中的二氧化碳量会直接影响地球的温度，因此，二氧化碳来源增加而碳汇并无直接增加，将导致环境负效应。由于人口增长似乎并未放缓，因此需要一种方法来增加碳汇的速率和/或来源。
3.相对广泛使用的替代能量技术示例包括向岸风、离岸风、常规涡轮机、联合循环涡轮机、地热、太阳能光伏、水力发电、太阳能热、csp、生物质、生物燃料、核能和煤。但是，这些形式的能量也存在几个主要缺点。按照实际需要的材料形式，对环境提出特定的需求。这些方法也是间歇性的，因为太阳可能不会很亮，风也不会一直刮。此外，从可再生来源收获的能量往往无法储存和/或只能在产生重大损失的情况下进行转移，因此，通常必须立即转移到电网中。所以，人们需要一种安全、可再生的环保型能量来源，其富能，可在一个位置生产，可以储存并在需要时提供。


技术实现要素：

4.一般而言，本文讨论了三个公开系统。第一个系统通过遗传选择过程以及从幼虫中制备富能匀浆来增加能量可用性。第二个系统通过使用植物提取物和单细胞光合作用鞭毛虫来减少二氧化碳。在某些情况下，可将atp加入第二个系统中，以加快系统降低二氧化碳浓度的速率。第三个系统是一种组合系统，可使用第一个系统中富能匀浆中的atp来改善第二个系统的光合作用。第一个系统提供atp，这是光合作用所需的一种能量。第二个系统提供葡萄糖，用于制备富能匀浆的幼虫所需的一种能量。在一些实施例中，第三个系统可能是一种自动再生、永存的生物能量系统，可消耗大气中过多的二氧化碳，并生产供人类使用的能量。
5.所公开的互联光合作用矩阵和生物能量生产系统可更快地消耗二氧化碳，并通过不会危害人类或环境的技术增加供人类使用的生物能量可用性。此外，可以在一个位置生产生物能量。所述系统基于一种主要储存高水平能量的可再生生物过程(选择、繁育果蝇品系)。此类能量可按照需要采用一种类似于化石燃料且不受环境条件影响的有效方式供人类使用。
6.本文所述的生物能量生产系统涉及三个主要组成部分：(1)使用选择压力产生能量增强的有机体；(2)通过产生富能匀浆，从能量增强的有机体中提取能量，可向这种匀浆
中添加nad；(3)将提取的能量转移到装置中，如电网或储能装置。
7.本发明还提出了一种互补光合作用矩阵，所述矩阵可降低大气二氧化碳水平，产生葡萄糖，从而驱动果蝇生物能量生产系统。更具体地说，所述矩阵可能包括一种植物/叶绿体提取物，并消耗大气二氧化碳，产生葡萄糖、氧气和水。产生的葡萄糖反过来还可以喂养果蝇品系，也可以与富能匀浆结合或添加到富能匀浆中。所选果蝇品系以及添加nad的富能匀浆可产生atp，也可将atp加入光合作用矩阵中，以促进所述矩阵中的光合作用。在某些情况下，可直接将生物能量生产系统加入光合作用矩阵中，提高反应速率，形成一个自我维持的系统。
8.一方面，本发明提供了一种互联光合作用矩阵和生物能量生产系统，所述互联系统包括：一个生物能量生产系统，包括一个选择过程和一个提取过程；以及一种光合作用矩阵，包含二氧化碳和叶绿体溶液。在一些实施例中，选择过程可应用于多代第一有机体品系，以产生能量可用性增强的第二有机体品系，提取过程可从能量增强的有机体品系中产生富能匀浆。叶绿体溶液可能包含均质植物材料和atp溶液，而atp溶液可从富能匀浆中提取。
9.在一些实施例中，生物能量生产系统可产生供人类使用的电子和质子。此外，光合作用矩阵可消耗二氧化碳，产生葡萄糖。光合作用矩阵还可安装在至少一架无人机中，无人机包括电线，可吸引更多的二氧化碳分子。
10.在一些实施例中，光合作用矩阵中的葡萄糖可用作生物能量生产系统的食物来源。此外，光合作用矩阵使用atp溶液的速率可与生物能量生产系统使用葡萄糖的速率相同。在某些情况下，生物能量生产系统也可在选择过程中使用葡萄糖。
11.在一些实施例中，可将互联系统纳入到无源电池阵列中。一些版本的无源电池阵列可能包括一组电池，其中，无源电池阵列中的每个电池均包含富能匀浆溶液和叶绿体溶液。在其他版本中，无源电池阵列中的每个电池可能包含富能匀浆溶液或叶绿体溶液。此外，每个富能匀浆溶液电池可能被叶绿体溶液电池包围，而每个叶绿体溶液电池则可能被富能匀浆溶液电池包围。因此，每个电池可与各相邻电池连接，以转移输出成分，输出成分可能包括富能匀浆溶液电池中的atp以及叶绿体溶液电池中的葡萄糖。
12.在一些实施例中，可将互联系统纳入到有源阵列中，包括：多个有源室，每个有源室包含富能匀浆、叶绿体溶液或两者的组合溶液；一个捕获室，可从包含富能匀浆的每个腔室中捕获atp、电子和质子，并从包含叶绿体溶液的每个腔室中捕获葡萄糖；一个保存室，可接收并保存atp、电子、质子和葡萄糖，供后续使用；以及一个再分配室，可接收并向有源阵列内的其他腔室再分配atp、电子、质子和葡萄糖。有源阵列中的每个电池可能进一步包括一个clark室，可减少其他腔室之间的连接距离。
附图说明
13.图1为代谢中碳流和电子流的示意图。
14.图2为使生物能量可供人类使用的一个系统的一个实施例。
15.图3为提取系统的一个实施例。
16.图4为描述了本发明一个实施例中反馈回路的示意图。
17.图5为描述了针对有机体中能量可用性增强的选择完成后从有机体中提取的能量
如何与各种技术结合供人类使用的示意图。
18.图6为描述了有机体中能量可用性增强的整体选择过程并进一步描述了对所选有机体处理供人类使用的各种方式的示意图。
19.图7为描述了所公开系统仪器配置的示意图。
20.图8为描述了所公开系统选择过程的一个实施例的示意图。
21.图9为描述了从有机体中产生匀浆的过程的示意图。
22.图10为描述了在从有机体中提取能量后所公开系统中出现的碳流和电子流的示意图。
23.图11为描述了可对富能匀浆进行处理供人类或储能装置使用的各种方式的示意图。
24.图12为描述了从有机体中提取能量的过程的示意图。
25.图13为描述了通过所公开系统产生的各种富能匀浆以及这些匀浆如何用作能量以供人类使用的示意图。
26.图14为描述了所公开系统选择过程的一个实施例的示意图。
27.图15为描述了所公开系统选择过程的一个实施例的示意图。
28.图16为描述了互联光合作用矩阵和生物能量生产系统的大气影响的示意图。
29.图17为描述了光合作用矩阵和生物能量生产系统之间的正反馈回路的示意图。
30.图18为描述了两个主要系统各发生的化学过程的示意图。
31.图19为显示了实验光合作用矩阵的各组成部分的原理图。
32.图20为显示了除生物能量生产系统葡萄糖输出之外的实验光合作用矩阵的各组成部分的原理图。
33.图21为描述了在互联系统各个步骤发生的化学过程的示意图。
34.图22为光合作用底物、机制和矩阵与果蝇底物、机制和矩阵物理结合的示意图。
35.图23为光合作用矩阵的可缩放模型。
36.图24说明了所公开的光合作用矩阵如何利用无人机技术。
37.图25显示了应用于富能匀浆溶液时电子沿电子传输链的移动。
38.图26显示了照入阳光的示例电池阵列。
39.图27显示了照入阳光的示例电池阵列，其中，电池相互连接。
40.图28显示了照入阳光的示例电池阵列，其中，电池相互连接。
41.图29显示了照入阳光的示例电池阵列，其中，电池相互连接。
42.图30显示了照入阳光的示例电池阵列，其中，电池相互连接。
43.图31显示了照入阳光的示例电池阵列，其中，电池相互连接。
44.图32显示了电池接口，其中，两个电池相互连接。
45.图33为先进设计的示例，其中纳入了具有连接和交换功能的特定腔室和溶液。
46.图34为先进设计的示例，其中纳入了具有连接和交换功能的特定腔室和溶液。
47.图35为先进设计的示例，其中纳入了具有连接和交换功能的特定腔室和溶液。
具体实施方式
48.参照附图对各个实施例进行详细说明，在几个视图中，相同参考数字始终表示相
同零件和组件。对各个实施例的提及并不限制所附权利要求的范围。此外，本说明书中所列的任何示例并不用于限制目的，而仅是列出了所附权利要求的一些可能实施例。应理解，根据具体情况，作为权宜之计，可以考虑省略和替代等同物，但是，这些旨在在不脱离所附权利要求的精神或范围的情况下涵盖各种应用或实例。还应理解，本文所用的措词和术语旨在进行说明，不应视为限制。
49.概述
50.所公开的互联光合作用矩阵和生物能量生产系统属于自我维持的生物系统，使用所述系统的第一部分(在此称为“生物能量生产系统”)，可以在生物有机体(如果蝇)中生产能量。这种能量可供人类使用和/或可分配至系统的第二个部分(在此简称为“光合作用矩阵”)，即光合作用发生的位置。使用光合作用矩阵时，系统可以减少二氧化碳水平，并为生物能量生产系统提供葡萄糖(例如，当产生能量增强的果蝇品系时，可在选择过程中提供葡萄糖)。这两个系统可在一个反馈回路中一起工作，可实现连续化学反应。
51.生物能量生产系统概述
52.本发明描述了一种从生物碳基材料收获、转移和储存能量以提供能量供人类使用的方法和过程。图1说明了nad在能量代谢中的核心作用。具体地说，它说明了在能量代谢中收集电子以及将电子转移到电子传输链(etc)中的核心作用。一般而言，所公开的系统(如图5
‑
6和图12所示)将来自生物有机体的电子和质子转移到电网或储能装置中。选择能量增强的果蝇品系后，可产生富能匀浆，并直接与燃料电池、太阳能电池板(pvs)、线性加速器或电子传输链(etc)能量系统结合(如图2
‑
3、图7和图12所示)。
53.因此，生物能量生产系统包括图8简要图示的选择过程、图9简要图示的提取过程以及转移过程，提供可供人类使用的即时能量或直接进入电网或储能装置。选择过程通常涉及将选择压力施加于生物有机体上，以增强其能量可用性。这些所选生物有机体是初级能量储存器。提取过程通常包括从生物有机体中提取呈电子、质子和atp形式的能量。转移过程通常涉及从生物有机体转移能量，以及(1)提供可供人类使用的即时能量，或(2)将能量转移到电网或储能装置。
54.选择过程
55.在一些实施例中，所公开的选择过程(如图8、图14和图15所示)涉及使用两种有机体品系作为生物能量来源，每种品系的发育时间不同(例如，使用两种黑腹果蝇品系：品系f(快速发育时间)和品系s(缓慢发育时间))；严重的营养应激；连续多代选择；使用补充nad和选择目标(示例：电子传输链)；放松选择以确保世代连续性；使用“真空”系统，即在具有特定emf的法拉第笼中培养；基于发育时间缩短和能量可用性增加，所选品系和亲本品系之间以各种排列杂交；监测所选品系、亲本品系和组合品系随时间的变化；确定发育时间缩短和能量可用性增加的品系。随后，所选果蝇品系可以作为初级能量储存来源。
56.由于应激暴露了自然遗传变异，所以通过选择剂nad可以将其用作确定能量代谢和能量可用性变化的工具。所公开的选择过程的目的是通过将有机体暴露于应激食物条件来产生生物能量可用性增加的有机体。图1为代谢中的能量流。图10为所公开系统中的代谢能量流。营养物质(如碳或葡萄糖)被系统消耗，当代谢时，辅酶烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nad)可用。nad是产生atp(即能量)的etc的直接参与者(如图1所示)。因此，在果蝇幼虫发育时，补充nad可增加可用atp的比例，并增加atp/adp比率(如图8所示)。
57.所公开的选择过程是一种新颖的应激选择稳定模型，可生产生物能量可用性增强的生物材料。选择过程可利用生物有机体的整个基因组以及无突变或克隆的群体水平过程。
58.在选择过程的一个实施例中，两种果蝇品系f和s用于选择(如图14所示)，以增加遗传多样性，从而增强能量可用性。这两种品系的发育时间、能量可用性和遗传变异性均有所不同。可对多代(例如，g1至g5)进行能量可用性增加的密集选择，必要时，利用放松选择来保持群体连续性。由于能量可用性、atp/adp比率和etc活性增加导致发育时间缩短，因此，可将发育时间变化用作能量可用性增加的一个指标。
59.更具体地说，可在添加nad的应激食物上培养果蝇成虫的亲本品系，并在产卵后取出。应激食物可能包括水、酵母和琼脂。在添加nad的应激食物上的卵孵化出后代后，可收集并在标准食物上培养这些新生果蝇(“g1”)，并在产卵后从标准食物培养物中取出。标准食物可能包括即食干燥食物和水。现在，g1果蝇已在添加nad的应激食物上孵化，转移到标准食物培养物上，并在标准食物上产卵。从标准食物培养物中取出这些果蝇，然后将它们放回添加nad的应激食物上，继续在培养物上产卵。如果这些g1成虫均未存活，则标准食物条件下的新生果蝇(g1后代)可代替g1，将它们放在添加nad的应激食物上，以完成下一代选择。但是，如果任何g1成虫存活，则将它们放在添加nad的应激食物上，直至产卵，并产卵后将它们取出。然后，新生果蝇(“g2”)将完成与g1果蝇相同的过程，其中，在它们孵化后，将它们取出放在标准食物培养物上产卵，然后移回添加nad的应激食物上产卵，如果它们孵化，则成为g3果蝇。
60.在一个实施例中，每一代成虫可在添加nad的应激食物上完成为期两天的产卵期。然后，可以取出这些成虫，在18摄氏度下在实验食物瓶中进行培养。收集实验食物瓶中的所有存活后代，随后转移至标准食物瓶中培养24小时。然后，将这些后代转移到实验食物上完成为期两天的产卵期，产生下一代。如果实验食物上的存活后代太少，则可使用在标准食物上培养24小时后存活的成虫的其他后代，在实验食物上重新产生后代。
61.因此，亲代(g0)可产生在添加nad的应激食物上孵化的后代(g1)；在孵化后，将g1移至标准食物上；g1在标准食物上产下“备用”卵；将g1移回添加nad的应激食物上；g1在添加nad的应激食物上产卵；从添加nad的应激食物中取出g1；g1后代在添加nad的应激食物上产卵(这些后代称为g2)，并移至标准食物上；g2在标准食物上产下“备用”卵；将g2移回添加nad的应激食物上；g2在添加nad的应激食物上产卵；从添加nad的应激食物中取出g2；g2后代在添加nad的应激食物上产卵(这些后代称为g3)，并移至标准食物上；g3在标准食物上产下“备用”卵；将g3移回添加nad的应激食物上；g3在添加nad的应激食物上产卵；从添加nad的应激食物中取出g3等。
62.可根据最初存活果蝇繁殖下一代的能力，有条件地选择每一代。此过程确保了能量选择过程的连续性，并保留了能量代谢变化和底层遗传结构变化。在一个实施例中，经过五代或六代后，成功品系将在选择过程中出现，并且可用于剩余的选择过程(例如，g5至g10、g6至g10或g6至g11)。
63.完成选择过程后，具有最大生物能量可用性的亲本品系和选择品系可留在标准食物上，并且可监测品系性能。存在nad时幼虫发育时间缩短(例如，从12.5天缩短至11天)可归因于生物能量可用性增加。
64.可以选择生物能量可用性增强的成功品系，并与其他成功品系结合。例如，可以结合多种成功的选择品系来产生新品系。或者，仅能结合两种成功的选择品系来产生新品系。
65.然后，新品系可与来自不同品系的所选品系结合(例如，从品系f开始和进化的三种品系可与从品系s开始和进化的一种品系结合)。这种新品系可与两种亲本品系结合，产生最终品系，在一段时间后，最终品系将变为离散世代。虽然随着时间的推移，可能发生遗传分离，但与所有其他品系相比，最终品系的发育时间缩短、成虫存活量大，因此能量可用性始终增强。
66.总之，所公开选择过程的主要步骤如下：对生物有机体的两种或多种品系使用交替应激和非应激食物条件；测量能量可用性；选择能量可用性增强的品系；随着时间的推移稳定和结合这些品系；随着时间的推移，允许所选品系的能量可用性因群体水平遗传分离而产生差异，在不同的时间结合能量可用性增强的各种品系；以及选择并结合在整个时间段内能量可用性始终增强的品系。
67.产生所需有机体品系后，其储存的能量可通过各种方式供人类使用(例如，通过使用果蝇制备富能匀浆)。可使用下述以及图9所示的提取过程从果蝇中制备富能匀浆。此后，可将富能匀浆用于燃料电池、太阳能电池板、线性加速器或etc能量系统中，以产生可供人类使用或转移到电网或储能装置中的能量。
68.提取过程
69.提取过程(如图9
‑
13所示)提供富能溶液，此类溶液可以下列多种方式用于提供供人类使用的能量：(1)作为燃料电池的组件；(2)作为太阳能电池板的组件；(3)与线性加速器组件结合，或(4)通过使用下述etc能量系统。组成提取系统300的材料如图3所示，可能包括但不限于样品托盘302、微型离心机304、富能匀浆冷冻容器306、ph计和标准物、称重天平、冷冻离心机310、均质器308、试管、刮刀、玻璃器皿、移液器、液氮、储存和分配设备以及至少一个低温生物提取装置。
70.一般而言，提取过程可产生两种形式的富能匀浆：未经处理的匀浆和经补充nad处理的匀浆，两种匀浆均可采用以下两种方式开展深入处理：不提取nad、atp、adp和amp或使用甲酸(例如4.2m)和氢氧化铵(例如4.2m)提取nad、atp、adp和amp，以及冷冻
‑
解冻匀浆。因此，如图13所示，有以下四种富能匀浆可用于进行相对能量产量评估：(1)未经处理、不提取的匀浆；(2)未经处理、提取的匀浆；(3)经处理、不提取的匀浆；以及(4)经处理、提取的匀浆。
71.具体而言，在提取过程匀浆制备部分的一个实施例中，可使用从单一培养物的三龄幼虫中制备的单一幼虫匀浆进行提取(如图9所示)。可在0
‑
3℃的纯水(例如，约500微升)中对幼虫进行均质化处理。可从最初的组合中获得少部分的匀浆(例如100微升)，并将其立即转移到冰上的离心管中。向管中加入匀浆前，管内可能是空的，也可能添加蒸馏水或nad。管中的水量或nad量可能有所不同，但在一些实施例中为100微升。匀浆部分和补充物(如有)可以混合并储存在冰上一段时间(例如，10分钟)，以促进代谢活性。
72.在提取过程的第二个实施例中，可使用从单一培养物的三龄幼虫中制备的单一幼虫匀浆进行提取。可将幼虫转移到微量离心管中、称重并在预定量的冰冷纯水(例如250微升)中进行均质化处理。可将预定量或预定浓度(例如250微升的0.01m nad或纯水)的nad或纯水加入微量离心管中。或者，不向微量离心管中加任何东西。然后，溶液可以混合并储存
在冰上一段时间(例如，40分钟)，以促进代谢活性。
73.在一些实施例中，任一实施例的上述管中的富能匀浆可立即转移到检测/电子转移系统(例如esacoulochem ii/iii)中(如下所述以及如图13所示)，或可用于燃料电池、太阳能电池板或线性加速器中(如图13所示)。
74.在另一个实施例中，可使用甲酸和氢氧化铵(例如4.2m甲酸和4.2m氢氧化铵)从上述管中的富能匀浆中提取nad、atp、adp或amp。在本实施例中，富能匀浆的代谢活性停止。在上述处理后，可将剩余富能匀浆转移到检测/电子转移系统中(如图10
‑
11和图13所示)，或可用于燃料电池、太阳能电池板或线性加速器中，作为可供人类使用的能量(如图11和图13所示)。
75.在成功获得富能匀浆(即完成所选品系的均质化处理)后，用于加入到均质溶液中的补充nad可能尚未用尽。补充nad的其他用途详见下文。
76.etc能量系统：转移过程
77.在转移过程中，使用图2所示的转移系统200，可通过高压液相色谱(hplc)泵208或通过全hplc装置206将富能匀浆直接转移到电化学/电量测定仪器/检测器中，如esacoulochem ii或iii(在图中缩写为cii或ciii)，并且可评估输出电压。全hplc装置206可能包括hplc泵208、匀浆样品位置210、分离柱212、流动相设备204、梯度创建器、pda检测器202、管402、电压表216和一个计算系统。
78.hplc泵208或全hplc装置206可用于连接电量测定仪器(例如电量测定装置214)，此仪器可将生物学上所确定的增强etc活性(一种化学渗透过程)与复杂电化学过程相结合，以便将能量(即电子和质子)从果蝇转移到电网或储能装置，以供人类使用。可通过hplc泵208或通过全hplc装置206将富能匀浆直接转移到电量测定装置214中。然后，可使用电压表216评估输出电压，并收集特定能量分子以供后续使用。
79.如图7所示，将hplc泵208连接至电量测定装置214后，可通过进样阀704手动注入匀浆702。在一个实施例中，使用1ml/min的流速。在一个实施例中，hplc泵208可彻底启动，并提供恒定流速。如果使用分离柱212，则分离柱212可产生背压，使hplc泵208可以有效地运行。或者，一长段窄孔管也可生成背压线圈。在另一个实施例中，可使用全自动进样的全hplc装置206，将匀浆转移到电量测定装置214中。
80.燃料电池
81.富能匀浆可作为新型反应矩阵，直接用于燃料电池。在一个实施例中，使用类似于酶生物燃料电池或改良酶生物燃料电池的一种装置，其包括一个阳极和一个阴极。可通过适用于生物燃料转化的氧化酶或此类酶的复合物催化酶生物燃料电池的阳极，实现生物燃料的完全氧化。例如，被氧化的生物燃料可能是葡萄糖，催化剂可能包括燃料氧化酶，例如葡萄糖氧化酶、葡萄糖脱氢酶和乙醇脱氢酶。酶生物燃料电池的阴极可能包括将分子氧用作最终电子受体并在中性或微酸性介质中催化还原成水的一种氧化还原酶。
82.对于改良酶生物燃料电池，上述富能匀浆可用作生物燃料，nad可用作催化剂来代替目前使用的酶。或者，富能匀浆可作为燃料的补充物，nad可作为酶的补充物，而不是完全代替现有燃料和酶。第三种选项可能包括使用氧气作为底物、nad作为催化剂以及富能匀浆作为电子来源。可使用质子交换膜(pem)进一步分离阳极和电极。
83.太阳能电池板
84.富能匀浆也可作为新型反应矩阵，直接用于太阳能电池板中。例如，在一个实施例中，所公开系统可与太阳能伏打电池结合。标准太阳能伏打电池包括两个硅半导体，它们位于金属触点之间，由电网保护。因此，通过将富能匀浆与半导体之间的接合点结合，太阳能伏打电池可与所公开系统集成。如上所述，在将nad加入富能匀浆中时，富能匀浆中的nad池相对氧化。因此，氧化nad池增强了电子传输。电子转移增强可改变太阳能伏打电池的氧化还原电位，导致两个硅半导体之间的电子传输加速。
85.线性加速器
86.富能匀浆也可直接与收集所产生粒子的线性加速器组件一起使用。线性加速器本质上是较大的电磁铁。因此，当富能匀浆与线性加速器组件结合时，可能很容易将电子和质子从富能匀浆转移到储能装置或电网中。总之，如往常一样，通过逆转在系统中的流向，此过程可从富能匀浆中提取电子和质子。
87.储能装置
88.能量增强的果蝇品系中的生物能量(示例：nad、atp、adp和amp)和电能(电子和质子)主要储存在所选果蝇品系中，这与化石燃料中的能量储存在化石燃料中类似。在提取和转移过程中，可能释放能量增强的果蝇品系中的生物能量和电能。更具体地说，为立即直接使用储存在果蝇中的能量，可通过燃料电池、太阳能电池板、线性加速器或etc能量系统从富能匀浆中提取生物能量、电子和质子(如图10
‑
11所示)，并且可立即使用电能。但是，可将能量储存在电容器、其他燃料电池、发电厂、太阳能电池板或其他系统中，而非从果蝇中提取电能并立即使用这些能量。
89.在用作能量储存器的燃料电池技术的一个示例中，如上所述，从果蝇中提取能量，并以氢气的形式储存。例如，可将果蝇中的过多电能输入电解槽中，把水分解成其组成成分氧气和氢气。然后，将氢气储存在任何类型的燃料电池中，这种燃料电池是将氢气转化回电能最有效的方式。电解槽和燃料电池属于互补技术。因此，当需要能量时，燃料电池可将储存的能量释放回电网中。或者，可将储存的氢气转移，出售给燃料电池电动汽车车主，他们使用质子交换膜燃料电池为其车辆提供动力，而不是将能量释放到电网中。
90.在能量储存器的一个示例中，如上所述，从果蝇中提取能量，将这些能量转化为氢气，并储存在醌基液流电池中。在另一个示例中，可将从果蝇中提取的能量转化为热量，这些热量可储存在储热库中。储热库的一个示例为将来自果蝇的转化热能储存在熔融盐中，这种熔融盐可吸收极高温度，但不改变形态。
91.光合作用矩阵概述
92.如上所述，本发明描述了三个系统。第一个系统为生物能量生产系统，已在上面详细描述。第二个系统为光合作用矩阵，如下所述，此系统可作为一个独立的系统。第三个系统为第一个系统和第二个系统的组合。
93.所公开的光合作用矩阵可通过提高植物材料吸收二氧化碳的自然光合作用能力来降低大气二氧化碳水平，并产生葡萄糖、氧气和水。大规模使用时，光合作用矩阵可通过加快二氧化碳下降速率，从而减轻因全球气候变化而造成的环境损害来改善温室气体水平。
94.模型系统可能包括一个密闭室、二氧化碳、均质植物材料(例如，包含菠菜叶或莱茵衣藻的叶绿体溶液)以及atp溶液。更具体地说，在基本模型系统中，均质植物材料可能包
含叶绿体溶液，制备完成后可转移至托盘中。可将托盘转移到密闭室中，置于摇床顶部。可向密闭室中通入二氧化碳，并随着时间的推移，使用adi气体分析仪测量密闭室内的气体浓度。
95.在一些实施例中，由于atp和nadp在光合作用中的还原当量作用，可将atp和/或nadp引入叶绿体溶液中，以提高光合活性，从而加快二氧化碳浓度降低过程。例如，二氧化碳和水利用atp产生葡萄糖最终产物。在某些情况下，可加入atp，作为纯atp溶液。在其他情况下，可从生物能量生产系统中提取atp，以产生生物反馈回路(如图16
‑
17所示)。图16为组合系统结果的简要概述，其中，将大气二氧化碳1602加入系统时，光合作用会消耗大气二氧化碳1604，因此大气二氧化碳浓度降低1606。光合作用也会增加葡萄糖浓度1608，然后，生物能量生产系统可消耗额外的葡萄糖1610。葡萄糖浓度降低1612导致产生基于dnn的反馈回路1614，驱动系统继续运行。
96.图17为所述回路的另一个简化版本，其中，光合作用矩阵1704在照射阳光1702时，会产生葡萄糖1706，这些葡萄糖可进入生物能量生产系统1708。然后，生物能量生产系统1708将葡萄糖1706用于电子传输链，产生供人类使用的能量1710以及额外的atp 1712。额外的atp 1712可输回光合作用矩阵1704，缩短二氧化碳浓度降低过程1714。
97.图18和图25说明了与生物能量生产系统的atp产生相结合时更详细的光合作用化学过程。成功产生富能匀浆(即完成所选品系的均质化处理)后，可加入均质溶液中的补充nad可能未用尽。例如，在图18和图25中，nad池理论上不会分解，nad分子可重复代谢(还原)，形成nadh，然后再代谢(氧化)，所包含的电子可沿电子传输链传递。从而可通过氢气连续转移电子，从而不断聚集能量。此外，如图25所示，补充nad可增强相关途径中的nad池，使电子转移速率增加，并在能量可用性方面实现乘数效应。如上所述，富能匀浆中产生的atp可用于增强光合作用矩阵，而这种矩阵将二氧化碳作为底物。光合作用矩阵产生葡萄糖，葡萄糖可用于将能量重新分配回富能匀浆中。
98.因此，此处公开了光合作用矩阵的三个实施例。第一个实施例是单独的叶绿体溶液。第二个实施例是一种系统，其中，将atp引入叶绿体溶液中。第三个实施例也是一种系统，其中，如上所述，将添加nad的富能匀浆加入叶绿体溶液中，以加入atp，提高光合活性。
99.示例
100.在实验示例中，如图19
‑
20所示，将叶绿体溶液1902放在摇床1906顶部的腔室1904中。腔室1904配备风扇1908，可移动二氧化碳分子，并使它们接触溶液1902，在所述系统的实际应用中，此类情况会自然发生。为更好地控制腔室1904内的二氧化碳浓度水平，配备直接通往腔室1904的气体输入口1910和输出口1912。还可以配备直接通往腔室1904的溶液输入口1914，从而无需执行二氧化碳“稳定过程”。图20包括附加溶液输出口1916，在此处，可取出并向上述生物能量生产系统提供叶绿体溶液1902及其相应增加的葡萄糖。
101.在一些实施例中，通过在预定时间(例如，一夜或24小时)内使含水托盘处于光照条件下，在预定时间(例如，一至三小时)内使植物材料(如菠菜叶)处于水面上，在250毫升的冰冷0.5m蔗糖中对植物材料采取均质化处理，并将悬浮液过筛(例如，通过漏斗和一层或多层粗棉布筛入500ml烧瓶中)，可产生均质植物材料(即叶绿体溶液)。为了对材料进行均质化处理，可将材料放在搅拌器中，轻轻塞满，然后，通过粗棉布过滤到空烧瓶中。在某些情况下，在完成过滤后，可向烧瓶中加入40ml的冰冷0.01m atp，与植物提取物混合2分钟，随
后将整个溶液转移至腔室中。或者，可在不加入atp的情况下，将溶液转移到腔室中。此程序具有伸缩性。
102.在一些实施例中，可通过腔室前面板将溶液导入腔室中。但是，由于这会使溶液和腔室接触大气二氧化碳，可能很难获得结果。因此，在其他实施例中，可通过穿过腔室上面板小孔的管道引入溶液。在本实施例中，可在不影响腔室内当前二氧化碳水平的情况下引入溶液，因此，在引入溶液后，可快速获得准确的结果。为了在引入溶液前更好的平衡气体，可打开风扇，将空托盘放在已激活的摇床上，并在预定时间(例如，5分钟)内将腔室密封。然后，使用气体输入口将二氧化碳引入腔室中，重新密封腔室，并在第二个预定时间段内静置(例如，另外5分钟)，使二氧化碳沉淀。
103.设置二氧化碳水平后，可通过管道引入溶液，并使用溶液输入口将溶液加入摇床顶部的托盘中，这可防止腔室内的气体浓度波动。将溶液加入托盘中并第三次密封腔室后，混合溶液两分钟。混合后，adi气体分析仪可跟踪二氧化碳浓度随时间的变化。
104.在其他实验中，由于加入40毫升0.01m atp、220.4mg atp粉末或与atp、nad和蔗糖结合的幼虫提取物，二氧化碳浓度可能进一步显著降低。更具体地说，与(i)没有叶绿体溶液；(ii)无任何补充物的叶绿体溶液；(iii)添加20毫升0.01m nadp的叶绿体溶液；以及(iv)250毫升非均质植物材料溶液相比，添加40毫升0.01m atp的均质植物材料可显著降低二氧化碳浓度。因此，所进行的实验支持以下结论：加入atp可提高叶绿体溶液降低二氧化碳浓度的能力。
105.由于atp可提高光合活性，模型系统的一个实施例可纳入上述能量增强的生物有机体以及相应的生物能量生产系统。更具体地说，在上述生物能量系统(即与atp、nad和葡萄糖结合的富能匀浆)中选择的果蝇品系可作为初级能量储存来源，当果蝇饮食添加nad时，通过果蝇匀浆可用的atp部分以及atp/adp比率增加(如图8所示)。
106.在一个实施例中，可在40毫升水中对3200毫克的幼虫提取物进行均质化处理。可将此溶液过筛，并加入40毫升0.01m nad。七分钟后，将整个溶液冷冻(也可以选择冻干)。随后，解冻溶液、过筛并加入叶绿体溶液中。
107.在另一个实施例中，可在0.5ml冷水中对40mg三龄幼虫进行均质化处理，然后加入0.01m nad。因此，对于包含atp的植物提取物中所使用的40ml补充物，可使用3.2g的三龄幼虫。因此，可首先确定幼虫质量，然后计算混合所需的水体积。在一个示例中，如果三龄幼虫质量为3200mg，则可混合40ml的水。如果三龄幼虫质量为2000mg，则可混合25ml的水。
108.更具体地说，为了产生腔室溶液，可执行以下步骤：收集三龄幼虫并称重；计算加入的冷水体积；在计算量的冷水中对幼虫进行均质化处理；将幼虫匀浆过筛；加入0.01m冷冻nad，以促进电子传输链活性和atp产生；在预定时间(例如，10分钟)内使溶液发生反应；然后将溶液加入包含叶绿体溶液的烧瓶中，在混合两分钟后，并转移到测试室中。在一些实施例中，可对溶液进行离心，将其分成上清液和颗粒组分。在其他实施例中，无需离心，溶液即可分成上清液和颗粒。可将各个组分(上清液和颗粒)分别加入植物提取物中，混合，然后引入平衡后的腔室。
109.在一些实施例中，可执行进一步的步骤。例如，组合溶液的ph和电导率水平可能与单独的植物提取物的ph和电导率水平相匹配；可将幼虫匀浆冻干，然后加入植物提取物中；可改变温度和压力，使所需结果最大化(即去除二氧化碳)；和/或可使用hplc程序从富能匀
浆中提取atp，并将其用作光合作用矩阵的atp来源。
110.应用
111.模型系统可适应实际应用，并且足够灵活，可按需缩放。更具体地说，可对光合作用矩阵进行缩放，适应特定时间点所需的二氧化碳下降速率。因此，随着二氧化碳量的持续增加，可放大光合作用矩阵，以消耗过多的二氧化碳，并防止其留在大气中。
112.缩放系统的一个示例包括通过无人机技术输送叶绿体溶液(如图24所示)。更具体地说，光合作用矩阵2402包含所需叶绿体溶液，将其放在无人机上或两架或多架无人机2404之间，可消耗不同海拔的空气中的二氧化碳。无人机装置可将二氧化碳吸引到动脉/静脉状系统2406，动脉/静脉状系统2406包括较小的细电线，可吸引二氧化碳分子形式的能量。由于二氧化碳分子被装置吸引，叶绿体溶液可使用它们促进光合作用，并产生葡萄糖、氧气和水。
113.如图16和图21所示，光合作用矩阵提供的葡萄糖反过来可用于供给生物能量生产系统。然后，生物能量生产系统可产生atp水平及atp/adp比率增加的生物有机体。此类有机体可进行上述处理，产生atp水平及atp/adp比率增加的富能匀浆，这种富能匀浆可用于叶绿体溶液和光合作用矩阵中，使矩阵以更快的速率继续吸收二氧化碳。当富能匀浆通过特定反应物和产物成功与光合作用矩阵结合时，溶液可通过适当的生化途径重复循环。更具体地说，通过为富能匀浆系统和光合作用矩阵提供可回收的关键分子，可产生自动再生、永存的生物能量系统(如图18所示)。
114.如图21所示，所述系统的第一步可能是消耗二氧化碳2102。更具体地说，大气二氧化碳(底物2104)、光合作用(机制2106)、植物提取物2108(矩阵)和阳光作为能量来源，可在共同消耗二氧化碳2102的同时产生葡萄糖2110，而葡萄糖则为第二步能量代谢的底物2112。在第二步，采用上述富能匀浆系统产生供人类使用的生物能量、电子、质子和水2114。消耗葡萄糖2116可调节光合作用矩阵活性以及二氧化碳水平。此外，atp可用于光合作用矩阵中。
115.在一个实施例中，产生与光合作用矩阵一起使用的幼虫材料的增强程序可能包括以下步骤：(1)成虫交配，在20℃下产卵3天；(2)取出成虫，将培养物发酵4
‑
6天，其中，酵母溶液可能为1.8g/60ml，向瓶培养物中加入5ml酵母溶液，向瓶培养物中加入4滴酵母溶液；(3)将培养物转移到18℃下，并进行监测，直至孵化出幼虫；(4)将酵母溶液用作提取液，从培养物中收集幼虫；以及(5)将包含幼虫的酵母溶液转移到滤纸上，进行最终幼虫收集。
116.如上所述，光合作用矩阵提供的葡萄糖可为生物能量生产系统(例如，在选择过程中可提供葡萄糖)提供动力，通过生物能量生产系统产生的atp可使用和/或储存，供人类以后使用(如图21所示)。更具体地说，可在两个系统之间以恒定速率来回输送能量(即通过反馈回路回收能量)，在此过程中，可消耗二氧化碳。由于富能匀浆可消耗光合作用矩阵产生的葡萄糖，因此，可提供供人类使用的电子和质子。
117.在一些实施例中，可使用组合溶液，其中，光合作用矩阵和生物能量生产系统混合在一起(如图22
‑
23所示)。在原型模型中，如图22所示，叶绿体溶液2202和富能匀浆2204组合在一起，形成组合溶液2206。在可缩放模型中，如图23所示，可通过溶液输入口2304将组合溶液2206加入腔室2302中(如上所述)，溶液2206可能包含植物提取物(160g/1升水)、衣藻提取物(7.5g/升生长培养基)和/或富能匀浆(80g/1升水加0.01m nad)。可改变腔室2302
的温度和压力，并控制进入腔室2302的空气流速(例如，100毫升/分钟)。然后，所述系统可去除输入腔室2306的空气中的二氧化碳，并从腔室2308中输出清洁空气。此外，可取出进入腔室2310内的溶液，此溶液可能包含反应溶液中额外的atp，以及供人类使用的电子和质子2312。
118.所述组合溶液可自我维持，并且可用于实际应用中。例如，如果使用无人机系统，使互联光合作用矩阵和生物能量生产系统接触二氧化碳，则这两个系统可共同减少或消除在生物能量生产系统和光合作用矩阵之间转移atp和葡萄糖所需的时间。如图24所示以及如上所述，无人机矩阵可能由消耗二氧化碳的生物系统组成，并且可能包括碳纤维生物材料。这种矩阵主要基于植物材料和/或衣藻提取物的光合作用，可作为主要的碳汇。所述系统还可能通过使用富能匀浆得到改进和自动再生，并通过深度神经网络技术进行调制。
119.电池阵列
120.如图26
‑
32所示，单块电池或电池阵列可用于实现上述富能匀浆环境和/或光合作用矩阵。各种物理装置可能从非常小到非常大不等。例如，所述装置可安装在无人机上，进行局部精准的低级别操作(如上所述)。还可将所述装置放大，使其可以在住宅、办公综合楼、公寓、工厂和/或其他大型建筑级别运行(类似与太阳能电池板)。以这种方式，所述系统可最终代替目前依赖化石燃料的发电厂。
121.在每个实施例中，电池中的溶液可能是富能匀浆溶液(erh)、光合作用矩阵溶液(p)或包含添加nad的富能匀浆和光合作用矩阵的组合溶液(c)。接口技术可基于标准hplc和coulochem ii/iii技术。在某些情况下，可通过线性加速器技术来增强hplc和coulochem ii/iii电池。
122.图26
‑
27说明了阵列内的电池的初始概念和设计。图26是阵列内电池的基本布局，可在此基础上开发其他概念(如下所述)。图26中的每个电池可能包含erh和/或光合作用溶液，此类电池可暴露于阳光下，以增强系统。图27说明了下一个阶段，纳入了阵列内电池之间的连接和接口，其中，电池和电池之间的接口为焦点。
123.正如图26一样，在图27所示的阵列中，每个电池可能包含一种或两种溶液，这些电池可暴露在阳光下，以增强系统。所述阵列可自行驱动，因此其结构和配置可使每个电池与各相邻电池连接(如图32所示)。这种连接可实现各种产物的无源转移和交换，包括但不限于生物材料或生物溶液，这种转移和交换可促进代谢活性，降低二氧化碳浓度，并产生能量。在一些实施例中，两个电池3204之间的接口3202可能是一种允许产物移动的隔板(如图32所示)。例如，隔板可能是一种多孔隔板，允许某一尺寸的产物不断通过。或者，可采用实心隔板，可打开，定期让所有产物通过。
124.如上所述，将富能匀浆输入电池中，可能会输出供atp和人类使用的电子和质子。此外，将光合作用矩阵输入包含二氧化碳和光合作用溶液的电池中，可能会输出葡萄糖以及二氧化碳浓度降低的空气/气体。由于阳光不利于仅包含富能匀浆的溶液(如仅包括erh电池的图28所示)，旨在降低二氧化碳浓度的装置可能包括包含光合作用溶液的电池(如图29所示)。光合作用溶液可促进减少二氧化碳，并且可通过阳光提高其效率。
125.如图30所示，在某些实施例中，每个电池可能包含富能匀浆溶液(erh电池)或光合作用矩阵溶液(p电池)。但是，由于每个电池可与其各个相邻电池连接，每个电池的输出可能包含某些成份，促使阵列进行自我调节并自我维持。此类成分可能包括atp(p电池)和葡
萄糖(erh电池)。此外，erh电池和p电池也可分别输出有利于人类的其他成分(如用作能量的电子和质子)以及二氧化碳浓度降低的空气/气体。为了便于与相反电池连接，每个erh电池的各内边可由p电池包围，而每个p电池的各内边可由erh电池包围(如图30所示)。erh电池和p电池相互连接的示例如图32所示。更具体地说，图32显示了两种电池之间的接口，其中，一种电池包含富能匀浆溶液，另一种电池包含光合作用溶液。如图所示，所述接口使每个途径的底物、中间物和产物可回收并在相互之间转移。
126.在一些实施例中，阵列中的每个电池可能包含富能匀浆和光合作用矩阵的组合溶液，而不是每个电池都是erh电池或p电池(如图31所示)。更具体地说，图31中所示的装置使每个电池可与相邻电池连接，并转移必要分子。除使电池相互连接之外，各途径的底物、中间物和产物可通过装置在相邻电池之间以及电池内部进行转移。这个转移过程有助于促进自动再生系统。为了进一步优化这一过程，电池阵列可能与本文所阐述的有所不同。
127.在一些实施例中，电池可相互独立布置。电池可采用单面板的形式或三维结构。通过形成电池阵列，使表面积最大化，并获得理想的能量产量和二氧化碳减少量。电池尺寸可能非常小，这可进一步使能量产量和二氧化碳减少量最大化。最终，可形成基于单一电子传输链途径和/或单一光合途径的电池。
128.图26
‑
32显示了在本质上无源性更高的电池阵列，而图33
‑
35则显示了在本质上有源性更高的阵列内的各腔室功能。鉴于图33
‑
35所示阵列的有源性质，可在全县区域级别或更高级别应用所公开的连接系统，而不是图26
‑
32所示的无源连接系统的住宅、办公综合楼、公寓、工厂和/或其他大型建筑级别。在一些实施例中，有源阵列与hplc的运行方式类似，其中，每个腔室与其他腔室分开，可独立保存溶液，直至阀门激活。阀门打开时，可使用溶剂等将溶液从腔室中抽出，并通过管道将溶液运至新腔室中。
129.在一些实施例中，设想将在设计制作时使用hplc硬件及技术，其中包括hplc级腔室、管和玻璃器皿、阀门、标准进样回路、泵、传感器、过滤器以及调节转移量并控制反应和捕获过程的先进软件。在较大规模，此结构可用于代替燃烧化石燃料的发电厂和/或核电厂。
130.更具体地说，图33
‑
35所示为三种先进概念和设计的布局和结构。此类概念和设计所采用的腔室可设置为主动保存并向其他特定腔室转移富能匀浆和光合作用矩阵，以促进生化反应，产生各种产物，如所需分子和组分。然后，可向其他腔室再分配这些产物，以进一步促进反应。或者，或此外，可评估各种产物(例如，电子、质子、atp、水)，以供人类使用。在本文中，腔室包括有源室、捕获室、保存室、再分配室和clark室。
131.有源室可包含富能匀浆和光合作用矩阵的特定反应。捕获室可捕获各种分子和组分，供以后使用，并基于hplc技术(atp)、coulochem iii(在图中缩写为cii或ciii)技术(电子和质子)以及其他技术(葡萄糖、二氧化碳和水)。保存室可保存各种分子和组分，供以后使用，并基于所需途径、底物和辅因子。再分配室可保存多组分子和组分，此类分子和组分可移动至其他电池中进行回收。clark室可能是最终设计，可减少所有组件之间的距离，使效率和灵敏度最大化。
132.图33显示了包含上述腔室和阀门3320的一种阵列布局，其可保存和释放溶液，使这些溶液从一个腔室流到另一个腔室。仅有源输入的腔室可能包含富能匀浆3302、二氧化碳3304或光合作用矩阵溶液3306，有源输入/输出腔室可能包含光合作用矩阵3308(例如，
在内室中)或组合溶液3310(例如，在外室中)，同时也接收阳光3322。捕获室3312可捕获输入/输出室中的分子，并继续向电网3314输出电子和质子。或者，或此外，捕获室3312可能向保存室3316输出各种产物，如葡萄糖、atp、电子和质子。保存室可在预定时间内保存此类产物，然后将其释放到再分配室3318，在此处，可在周期的早期将它们再分配到其他腔室(例如，有源输入/输出室3308、3310)。
133.图34显示了与图33类似的第二阵列，但其中不存在相互叠加的内室或外室，而是包括三个单独的主有源室，其中，一个有源室包含erh 3402，一个有源室包含光合作用溶液3404，除产物之外还可接收阳光3418，另一个有源室包含组合erh和光合作用溶液3406。第四个有源室3408可输入并向光合作用室3404输出二氧化碳。上述每个有源室可输出到一个或多个捕获室3410，其中，捕获室3410捕获有源室3402、3404、3406中所含溶液的特定输出产物(atp、nad、电子/质子和/或葡萄糖)。与第一阵列一样，保存室3412可保存上述所有产物。第一阵列和第二阵列之间的另一个差异是，第二阵列允许所有腔室配备输入和输入阀3416。因此，除有源室3408以及可将电子和质子输送到电网的捕获室之外，所有腔室均可通过再分配室3414输入和输出各种分子和组分。因此，几乎每个腔室均可通过使用再分配室3414与另一个腔室进行输入和输出通信。
134.第三阵列布局如图35所示，与图33
‑
34类似，此阵列包括有源室，其中包含erh3502、光合作用溶液3504、组合溶液3506以及仅与有源室3504发生相互作用的二氧化碳输入3508。包含光合作用溶液3504和3506的两个腔室也可能包含阳光输入3520。与上述一样，捕获室3510可捕获有源室3502、3504、3506中所含溶液的特定输出产物(atp、nad、电子/质子和/或葡萄糖)。保存室3512可通过捕获室3510、再分配室3514或通过clark室3516收集所有产物。通过包含clark室3516，系统可减少所有组件之间的距离，使效率和灵敏度最大化。在第三阵列中，设想至少一个捕获室3510和clark室3516向电网3518输出电子和质子。与第二阵列一样，第三阵列允许所有腔室配备输入和输入阀3524。
135.上述各个实施例仅用于说明目的，不应解释为限制所附权利要求的范围。本领域的技术人员将很容易识别可能在不遵守本文所述的示例实施例和应用以及在不脱离以下权利要求的真正精神或范围的情况下所做的各种修改和变更。