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技術 燃料及び他の目的用の生物学的有機体の生育用装置と方法

出願人 オハイオ・ユニバーシテイ
発明者 ベイレス,デイビツド・ジエイビス-チアソン,モーガン・ルフエイスチユアート,ベンクレマー,グレゴリー・ジー
出願日 2007年5月10日 (13年9ヶ月経過) 出願番号 2009-510166
公開日 2009年10月15日 (11年4ヶ月経過) 公開番号 2009-536528
状態 特許登録済
技術分野 微生物・酵素関連装置 微生物、その培養処理
主要キーワード ガス含有物 多量供給 排気スタック 光収集器 配分器 複数ガス トラフ状 ピーエイチ
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図面 (7)

課題・解決手段

コンテナー(20)が、水、栄養物及び光合成微生物スラリーを有する室を規定する側壁(22)、床(24)及び天井(26)を、中に備えているバイオ反応器装置(10)。その各々が、該室の外部に配置された第1端部と、該混合物の中の第2端部と、を有する複数の光フアイバー(80)。該コンテナーから隔てられた光収集器(70)はその上に入射する光を有し、該光を該複数の光フアイバーの該第1端部上に焦点合わせし、それにより該光が該混合物内に運ばれることを可能にして光合成を促進する。少なくとも1つのノズル(30)は、二酸化炭素を含む化石燃料燃焼パワープラントからの排気の様な、ガスソース流体的に連通している。該ノズルは該ガスを該混合物内に噴射するために、該光フアイバーの該第2端部の下で該混合物内に配置される。

概要

背景

石油誘導燃料及び石炭の様な化石燃料は供給が限られていることは良く知られている。加えて、この様な燃料の燃焼大気向けの実質的炭素に寄与する。この様な燃料内に長く蓄えられた炭素の解放は、気候変動及び他の環境問題に関する大局的な関心の主題である。それにも拘わらず、化石燃料は自動車及びエネルギー生産設備の最大の燃料源である。

バイオ燃料は最近生きた有機体又はそれらの代射副産物から誘導されるが、化石燃料とは異なる水素及び炭素含有分子を有する。バイオ燃料は車両燃料及びエネルギー生産用化石燃料に対抗するのに充分なエンタルピーを有する。大抵のバイオ燃料は、それらの炭素の大気中への解放では中立的と考えられ、それは該生きた有機体が空気中から炭素を除去し、その炭素は次に、蓄積太陽光エネルギーから仕事を生じる化学反応時、解放されるからである。

バイオ燃料は石油、石炭、及び核燃料の様な他の天然資源と異なり、再生可能エネルギー源である。或るバイオ燃料は農場の様な従来の環境で生育されるが、他のものは独特な、管理された環境で生育されねばならない。バイオ反応器は1つの容器であり、その中で、有機体又は、この様な有機体から誘導された生化学的に活性物質、を含む化学過程が行われる。公知のバイオ反応器は、例えば、化石燃料燃焼パワープラント排気ガス取り上げ、その中のCO2を、微小藻類及び他の光合成微生物の生育を”活気付ける”ため使用する。この様なバイオ反応器は、排気ガス流れからの炭素が空気中に解放されることを防止し、追加のエネルギーを提供するバイオ燃料をそれから生じる。空き池型バイオ反応器システムは或る期間存在したが、特に大きなCO2源用には、多くの面で不適当である。

肉微小藻類は地上農作物より遙かに速い成長速度を有する。バイオ反応器及びその品種により、藻類からのオイル単位面積当たりイールドパームオイルである、最良の次に良い農作物より多数倍大きいと推定される。藻類オイルは地上ベースの農作物から誘導されるオイル程の容易さでバイオディーゼルに処理される。藻類からの効率的バイオディーゼル生産の困難は、充分な脂質を有する藻類の品種に最良に適合した費用効果的なバイオ反応器を見出すことにある。

燃料の多量生産用藻類の研究は主として、マクロ藻類(海草)と相対する肉微小藻類に焦点を合わせられている。肉微小藻類は直径が2mmより小さく、光合成の出来る有機体である。これらは珪藻と藍細菌を有する。肉微小藻類に向かうこの選択は主として、その複雑さの少ない構造、早い成長速度、そして或る種類での高いオイル含有量のためである。

バイオ燃料の科学的利点と、この様な燃料を作ることが出来るバイオ反応器の利用可能性と、にも拘わらず、経済的欠点が、バイオ反応器が実現される程度を限定して来た。例えば、従来のバイオ反応器の1欠点は、それらが自然光が使われる時のみ経済的に実用可能な事実である。微生物を充分な自然光に曝す能力は、従来のバイオ反応器の露出表面積関数である。CO2の多量供給がもたらされる所で、空間は必ずしも入手可能でない。この様なバイオ反応器から作られるバイオ燃料は、それらの生産が、規模経済性が存在するのに充分な程大きい場合のみ、石油ベースの燃料と対抗出来る。これは従来のバイオ反応器では難しい。

従って、炭素除去とバイオ燃料生産とを、エネルギー生産産業により受け入れられるのに充分な程経済的に実行可能にするバイオ反応器のニーヅが存在する。

概要

コンテナー(20)が、水、栄養物及び光合成微生物のスラリーを有する室を規定する側壁(22)、床(24)及び天井(26)を、中に備えているバイオ反応器装置(10)。その各々が、該室の外部に配置された第1端部と、該混合物の中の第2端部と、を有する複数の光フアイバー(80)。該コンテナーから隔てられた光収集器(70)はその上に入射する光を有し、該光を該複数の光フアイバーの該第1端部上に焦点合わせし、それにより該光が該混合物内に運ばれることを可能にして光合成を促進する。少なくとも1つのノズル(30)は、二酸化炭素を含む化石燃料燃焼パワープラントからの排気の様な、ガスソース流体的に連通している。該ノズルは該ガスを該混合物内に噴射するために、該光フアイバーの該第2端部の下で該混合物内に配置される。

目的

この様なバイオ反応器は、排気ガス流れからの炭素が空気中に解放されることを防止し、追加のエネルギーを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

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請求項1

(a)中に液体及び光合成微生物の混合物が収容される室を規定する側壁及び床を備えるコンテナーと、(b)該室の外部にあり、上に光が入射する第1端部と、該混合物内に配置された第2端部と、を備える少なくとも1つの光伝送フアイバーと、そして(c)該微生物により吸収される物質を含有するガスソース流体的に連通する少なくとも1つのノズルと、を具備しており、該ノズルは、該ガスを該混合物内に噴射するために、前記少なくとも1つの光伝送フアイバーの該第2端部の下で該混合物内に配置されることを特徴とするバイオ反応器装置

請求項2

前記少なくとも1つの光伝送フアイバーの少なくとも1部分を、該コンテナーに対し安定化させる手段を更に具備することを特徴とする請求項1記載のバイオ反応器装置。

請求項3

前記ガスが二酸化炭素を有することを特徴とする請求項2記載のバイオ反応器装置。

請求項4

光を収集し、該光を前記少なくとも1つの光伝送フアイバーの該第1端部上に焦点合わせするための、該コンテナーから隔てられた手段を更に具備することを特徴とする請求項3記載のバイオ反応器装置。

請求項5

該コンテナーから隔てられた光収集器と、その上の入射光最大化するため該光収集器を変位させる手段と、を更に具備することを特徴とする請求項3記載のバイオ反応器装置。

請求項6

該ガスのソースが化石燃料燃焼からの排気ガスを有することを特徴とする請求項3記載のバイオ反応器装置。

請求項7

前記少なくとも1つの光伝送フアイバーが光フアイバーであることを特徴とする請求項3記載のバイオ反応器装置。

請求項8

前記少なくとも1つの光伝送フアイバーが複数の光フアイバーを更に備えており、前記光フアイバーの各々が、該室の外部にあり上に光が入射する第1端部と、該混合物内に配置された第2端部と、を有しており、前記複数の光フアイバーの各々の該第2端部が横に離れ隔てられることを特徴とする請求項3記載のバイオ反応器装置。

請求項9

前記複数の光フアイバーの各々の該第2端部が軸方向に隔てられることを特徴とする請求項8記載のバイオ反応器装置。

請求項10

前記少なくとも1つのノズルが更に、該室の1領域に配置された第1ノズルと、該室の第2の、より高い領域に配置された第2ノズルと、を備えており、該第1ノズルは該光フアイバーの前記第2端部の少なくとも幾つかの下にあり、該第2ノズルは該第1ノズルの上で、かつ、該光フアイバーの該第2端部の少なくとも幾つかの下にあることを特徴とする請求項9記載のバイオ反応器装置。

請求項11

該液体が水であることを特徴とする請求項1記載のバイオ反応器装置。

請求項12

(a)水及び光合成微生物のスラリーを収容する室を規定する側壁、床及び天井を備えるコンテナーと、(b)室の外部に配置された第1端部と混合物内に配置された第2端部とを夫々有する複数の光フアイバーと、(c)該コンテナーから隔てられ、上から入射する光を該複数の光フアイバーの該第1端部上に焦点合わせする収集器と、(d)少なくとも二酸化炭素を有するガスのソースと流体連通する少なくとも1つのノズルと、を具備しており、該ノズルは該ガスを該混合物内に噴射するために該光フアイバーの該第2端部の下で該混合物内に配置されることを特徴とするバイオ反応器装置。

請求項13

上からに入射する光を最大化するために該光収集器を変位させる手段を更に具備することを特徴とする請求項12記載のバイオ反応器装置。

請求項14

該コンテナー側壁に設置され、該光フアイバーの該第2端部が該フアイバーの該第2端部を横に離れて隔てるために通って延びるハンガーを更に具備することを特徴とする請求項13記載のバイオ反応器装置。

請求項15

該ガスのソースが化石燃料の燃焼からの排気ガスを含むことを特徴とする請求項12記載のバイオ反応器装置。

請求項16

前記複数のフアイバーの各々の該第2端部が横に離れて隔てられていることを特徴とする請求項15記載のバイオ反応器装置。

請求項17

前記複数のフアイバーの各々の該第2端部が軸方向に離れて隔てられていることを特徴とする請求項16記載のバイオ反応器装置。

請求項18

前記少なくとも1つのノズルは、該室の1領域に配置された第1ノズルと、該室の第2の、より高い領域に配置された第2ノズルと、を更に備えており、該第1ノズルが該フアイバーの前記第2端部の少なくとも幾つかの下にあり、該第2ノズルが該第1ノズルの上で、該フアイバーの該第2端部の少なくとも幾つかの下にあることを特徴とする請求項17記載のバイオ反応器装置。

請求項19

該液体が水であることを特徴とする請求項18記載のバイオ反応器装置。

請求項20

該ハンガーが、実質的に固定した軸方向位置で該フアイバーの該第2端部を保持することを特徴とする請求項14記載のバイオ反応器装置。

請求項21

(a)室を規定する側壁及び床を有するコンテナー内に水及び光合成微生物の混合物を配置する過程と、(b)該室の外部にある光伝送フアイバーの第1端部を光に露出する過程と、(c)該光伝送フアイバーの第2端部を該混合物内に延ばす過程と、(d)該光伝送フアイバーの該第2端部の下で該混合物内にノズルを配置する過程と、そして(e)該微生物により吸収されるガス含有物質を該ノズルを通して該混合物内に噴射する過程と、を具備することを特徴とする微生物を成長させる方法。

請求項22

更に、前記少なくとも1つの光伝送フアイバーの少なくとも1部分を該コンテナーに対し安定化させる過程を更に具備することを特徴とする請求項21記載の方法。

請求項23

光を収集する過程と、該光を前記少なくとも1つの光伝送フアイバーの該第1端部上に焦点合わせする過程と、を更に具備することを特徴とする請求項21記載の方法。

請求項24

該室の外部に光収集器を配置する過程と、該光を前記少なくとも1つの光伝送フアイバーの該第1端部上に焦点合わせする過程と、そしてその上の入射光を最大化するために該光収集器を変位させる過程と、を更に具備することを特徴とする請求項21記載の方法。

請求項25

第1ノズルを該室の1領域に、第2ノズルを該室の第2の、より高い領域に、配置する過程を更に具備することを特徴とする請求項21記載の方法。

請求項26

該ガスを噴射する該過程が、該フアイバーを横に変位させ、それにより該側壁に接触させる過程を更に備えることを特徴とする請求項21記載の方法。

請求項27

ハウジングを有し、排気ガスを創るパワー発生装置の該排気を使って微生物を成長させる方法に於いて、(a)室を規定する側壁及び床を有するコンテナー内に水及び光合成微生物の混合物を配置する過程と、(b)該ハウジング内に該コンテナーを配置する過程と、(c)複数の光伝送フアイバーの複数の第1端部を光に露出する過程と、を具備しており、前記第1端部は該ハウジングの外部で、かつ、該室の外部にあり、該方法は又、(d)該光伝送フアイバーの複数の第2端部を該混合物内に延ばす過程と、(e)該光伝送フアイバーの該第2端部の下で、該混合物内にノズルを配置する過程と、そして(f)該排気ガスを該ノズルを通して該混合物内に噴射する過程と、を具備することを特徴とする方法。

請求項28

ハウジングを有し、排気ガスを創るパワー発生装置との、バイオ反応器装置の組み合わせに於いて、(a)水及び光合成微生物のスラリーを収容する室を規定する、側壁、床及び天井を備えるコンテナーを具備しており、該コンテナーは該ハウジング内に配置されており、(b)複数の光フアイバーを具備しており、該光フアイバーの各々は、該室の外部で、かつ、該ハウジングの外部に配置された第1端部を備え、かつ、該混合物内に配置された第2端部を備えており、(c)該コンテナーから隔てられ該ハウジングの外部の光収集器を具備しており、該光収集器はその上に入射する光を、該複数の光フアイバーの該第1端部上に該光を焦点合わせするために、備えており、(d)該排気ガスと流体連通する少なくとも1つのノズルを具備しており、該ノズルは、該排気ガスを該混合物内に噴射するために、該光フアイバーの該第2端部の下で該室内に配置されることを特徴とする組み合わせ。

請求項29

その上に入射する該光を最大化するために該光収集器を変位させる手段を更に具備することを特徴とする請求項28記載の組み合わせ。

請求項30

該コンテナー側壁に設置され、該光フアイバーの該第2端部が該フアイバーの該第2端部を横に離れて隔てるために通って延びるハンガーを更に具備することを特徴とする請求項29記載の組み合わせ。

請求項31

前記複数のフアイバーの各々の該第2端部が横に離れて隔てられることを特徴とする請求項28記載の組み合わせ。

請求項32

前記複数のフアイバーの各々の該第2端部が軸方向に離れて隔てられることを特徴とする請求項31記載の組み合わせ。

請求項33

前記少なくとも1つのノズルが、該室の1領域に配置された第1ノズルと、該室の第2の、より高い領域に配置された第2ノズルと、を更に備えており、該第1ノズルは該フアイバーの前記第2端部の少なくとも幾つかの下にあり、該第2ノズルは該第1ノズルの上で、該フアイバーの該第2端部の少なくとも幾つかの下にあることを特徴とする請求項32記載の組み合わせ。

請求項34

(a)水及び光合成微生物のスラリーを収容する室を規定する側壁、床及び天井を備える複数のコンテナーを具備しており、前記コンテナーの各々は該ハウジング内に配置されており、(b)該排気ガスと流体連通する複数のノズルを具備しており、前記ノズルの1つは該コンテナーの各々内に配置され、該ノズルは該排気ガスをそれぞれのコンテナーの該混合物内に噴射することを特徴とする請求項28記載の組み合わせ。

技術分野

0001

本発明は二酸化炭素を含む排気ガスから可能な限り光合成微生物を生育する装置と方法に関する。

背景技術

0002

石油誘導燃料及び石炭の様な化石燃料は供給が限られていることは良く知られている。加えて、この様な燃料の燃焼大気向けの実質的炭素に寄与する。この様な燃料内に長く蓄えられた炭素の解放は、気候変動及び他の環境問題に関する大局的な関心の主題である。それにも拘わらず、化石燃料は自動車及びエネルギー生産設備の最大の燃料源である。

0003

バイオ燃料は最近生きた有機体又はそれらの代射副産物から誘導されるが、化石燃料とは異なる水素及び炭素含有分子を有する。バイオ燃料は車両燃料及びエネルギー生産用化石燃料に対抗するのに充分なエンタルピーを有する。大抵のバイオ燃料は、それらの炭素の大気中への解放では中立的と考えられ、それは該生きた有機体が空気中から炭素を除去し、その炭素は次に、蓄積太陽光エネルギーから仕事を生じる化学反応時、解放されるからである。

0004

バイオ燃料は石油、石炭、及び核燃料の様な他の天然資源と異なり、再生可能エネルギー源である。或るバイオ燃料は農場の様な従来の環境で生育されるが、他のものは独特な、管理された環境で生育されねばならない。バイオ反応器は1つの容器であり、その中で、有機体又は、この様な有機体から誘導された生化学的に活性物質、を含む化学過程が行われる。公知のバイオ反応器は、例えば、化石燃料燃焼パワープラントの排気ガスを取り上げ、その中のCO2を、微小藻類及び他の光合成微生物の生育を”活気付ける”ため使用する。この様なバイオ反応器は、排気ガス流れからの炭素が空気中に解放されることを防止し、追加のエネルギーを提供するバイオ燃料をそれから生じる。空き池型バイオ反応器システムは或る期間存在したが、特に大きなCO2源用には、多くの面で不適当である。

0005

肉微小藻類は地上農作物より遙かに速い成長速度を有する。バイオ反応器及びその品種により、藻類からのオイル単位面積当たりイールドパームオイルである、最良の次に良い農作物より多数倍大きいと推定される。藻類オイルは地上ベースの農作物から誘導されるオイル程の容易さでバイオディーゼルに処理される。藻類からの効率的バイオディーゼル生産の困難は、充分な脂質を有する藻類の品種に最良に適合した費用効果的なバイオ反応器を見出すことにある。

0006

燃料の多量生産用藻類の研究は主として、マクロ藻類(海草)と相対する肉微小藻類に焦点を合わせられている。肉微小藻類は直径が2mmより小さく、光合成の出来る有機体である。これらは珪藻と藍細菌を有する。肉微小藻類に向かうこの選択は主として、その複雑さの少ない構造、早い成長速度、そして或る種類での高いオイル含有量のためである。

0007

バイオ燃料の科学的利点と、この様な燃料を作ることが出来るバイオ反応器の利用可能性と、にも拘わらず、経済的欠点が、バイオ反応器が実現される程度を限定して来た。例えば、従来のバイオ反応器の1欠点は、それらが自然光が使われる時のみ経済的に実用可能な事実である。微生物を充分な自然光に曝す能力は、従来のバイオ反応器の露出表面積関数である。CO2の多量供給がもたらされる所で、空間は必ずしも入手可能でない。この様なバイオ反応器から作られるバイオ燃料は、それらの生産が、規模経済性が存在するのに充分な程大きい場合のみ、石油ベースの燃料と対抗出来る。これは従来のバイオ反応器では難しい。

0008

従って、炭素除去とバイオ燃料生産とを、エネルギー生産産業により受け入れられるのに充分な程経済的に実行可能にするバイオ反応器のニーヅが存在する。

0009

バイオディーゼルへの精製用の供給原料としての肉微小藻類の生産は、最小空間内で、最小の人工光と他のエネルギー入力で、最高生産性を可能とするバイオ反応器を要する。現在のバイオ反応器の設計は、主にそれらの設計が外部から光を得て、それを透明壁を通しての該藻類への透過により貫入させることに全く基礎を置いているので、日照時間中の動作に限定される。簡単な経済分析は、人工光のみの使用は余りに高価であることを示す。しかしながら、太陽光エネルギーの利用可能でない夜間時生産をしないことにより、可成りの生産性が失われる。

0010

本発明のバイオ反応器は従来のバイオ反応器設計の重要な問題に取り組む。第1に、本発明は、光合成的に活性の放射最適レベルで該肉微小藻類に送られるよう、太陽光収集伝送特徴点を使う。第2に、本発明は光伝送フアイバーが該バイオ反応器内部に終端を持ち、それにより別の配分システム無しで光の直接印加を提供する。第3に、本発明はバイオフイルムシステム上での生産性を高めるために藻類スラリーを使う。該循環するスラリーは、暗反応用の時間を提供するために該バイオ反応器にとって内部となる暗ゾーンを創る輸送過程使い、かくして藻類生産性を可能性として非常に高める。最後に、該光伝送及び配分システムは、該バイオ反応器が垂直方向に建てられることを可能にして、それにより池又はレースウエイ栽培部上の該構造の空間消費を減じる。

0011

図面で図解される本発明の好ましい実施例の説明では、明確化のために特定用語に依存する。しかしながら、本発明はその様に選択された該特定用語に限定されるよう意図されておらず、各特定用語は、同じ目的を達成するために同様な仕方で動作する全ての技術的等価物を含むことは理解されるべきである。例えば、用語、結合された又はそれと同様な用語、が屡々使われる。それらは直接結合に限定されず、この様な結合が当業者により等価であると認識される所では、他の要素による結合も含む。

0012

本発明の好ましい実施例が図1で示され、該図ではバイオ反応器10が好ましい構成で示される。コンテナー20は側壁22,床24及び天井26を有する円柱チューブである。該コンテナー20は好ましくは直径約10.16cm(約4インチ)、高さ約2.13m(約7フィート)であるのがよい。該コンテナー20は、透明なアクリル又はポリカーボネートの様なプラスチック材料製であってもよく、或いはそれは不透明な金属又は他の材料で作られてもよい。該コンテナー20は透明である必要はないが、透明であってもよい。該コンテナー20が作られる材料が水及び藻類混合物を含むのに充分な程強くされねばならぬことは明らかであるが、例え光透過特性が考えられても、該光透過特性を有する必要はない。勿論、該コンテナー20が作られる材料用に複合材料セラミック及び他のプラスチックも考えられる。該コンテナー20は室を規定し、該室がスラリーの水及び微生物で実質的に充たされるのが好ましい。栄養物の様な他の材料と汚染体が該コンテナー20内にあり得るが、これらはコンテナー20の中味の小部分しか占めない。

0013

該コンテナー20の床に、又は床の近くに、ノズル30が、好ましくは床24へのアタッチメントにより、又は導管32への堅い結合により、位置的に固定されるのがよい。該導管32は、気密及び水密シールで、該コンテナー20の側壁22を通るよう延びるチューブであるのが好ましい。該導管32は流体、好ましくは、純粋な形でか又は混合物でか、何れかの、CO2の様なガスがよいが、それのソース流体的に連通する。該ガスソースは好ましくは高圧であるのがよく、該ガスは、該コンテナー20内に含まれる該流体内へ該ノズル30から噴射されるために、該導管32を通ってノズル30内へ運ばれる。これは下記でより詳細に説明される。該コンテナー20内への流れ得る該ガスの量を限定するために、弁(示されてない)が間に介在しなければ、該導管32の内部は該コンテナー20と流体的に連通するのが好ましい。

0014

該ノズル30は複数の開口部を有するのが好ましく、該開口部を通して該ガスが該ノズル30を逃げ出し、該コンテナー20に入る。これらの開口部は、該コンテナー20の断面積全体に亘りガスを配分するために、示される様に、該ノズル30付近に配分されるのが好ましい。

0015

配分器40,50及び60は、該コンテナー20の高さに沿って隔てられた間隔でコンテナー20内に設置される。該配分器は、接着剤による、又はねじの様なフアスナーによる様にして、該側壁22に設置されるのが好ましい。勿論、どんな適当なフアスナーが使われてもよい。該配分器40−60は、この距離が該システムの寸法と流体力学により、変わってもよいが、該コンテナー20の高さに沿って約61cm(約24インチ)の間隔で隔てられるのが好ましい。該配分器60は、この距離は種々のサイズのシステム用に変えられてもよいが、該ノズル30上で約30.5cm(約12インチ)にあるのが好ましい。

0016

光収集器70は、日光の様な入射光を、反射器72上へ導く第1収集ミラーを有し、該反射器は該光を光フアイバー80の束の端部74上へ反射する。該光フアイバー80はコンテナー20内へ延びるが、該コンテナー20から隔てられ、好ましくは水密及び気密シールを通して延びるのがよい。該フアイバー80はより小さいクラスターに分けられ、該クラスターの各々は、下記で更に説明する様に、光配分器40,50及び60の1つまで延びる。各フアイバーは、直径3.0mmのガラスフアイバーの様な、従来の光フアイバーであってもよい。

0017

該光収集器70は該コンテナー20から隔てられ、該コンテナー20を収容する建物の様な1つの建物又は他の構造体の外部に設置されるのが好ましい。該収集器70はかくして太陽光放射を収集し、それを該フアイバー80上に焦点合わせするので、該放射は該コンテナー20の内部へ伝送される。皿70は、その上に入射する自然光の量を最大化するために、従来の仕方で太陽の経路に従うよう、一日中動くべく制御されるのが好ましい。使用するため考慮された1種の光収集器はサンライトダイレクト(Sunlight Direct)によりソーラートラッカー(Solar Tracker)の名前販売されている。勿論、他の従来の光収集器が該光収集器70と交換されてもよい。重要な特徴は、可視スペクトル内の光子を該フアイバー上に集中することである。

0018

ガス出口90は気密及び水密シールで該コンテナー20の天井26内に設置される。該ガス出口90は、該導管32を通って該コンテナー20内へ流れるガスが該コンテナー20から外へ流れることを可能にする。好ましいコンテナー20はどんな流体用にも1つの入り口(導管32)と1つの出口(出口90)を有するのがよい。他方、該コンテナー20はどんなガス又は液体にも不浸透性であるのが好ましい。

0019

該光配分器40,50及び60は図2で詳細に示され、該図は該配分器が実質的に同一であるよう見えさせる。従って、配分器40のみを説明するが、その説明は実質的に配分器50及び60にも適用される。

0020

フアイバー80の束からのフアイバーの1クラスターは光配分器40まで延びる。そのクラスター内のフアイバー42の各々は、図2で図解される様に、この構成で該フアイバーを支えハンガー44の付近で、該クラスター内の全ての他のフアイバーから隔てられる。該フアイバー42は又図6に図解される様に、該ハンガーの中央領域内へ挿入される。該ハンガー44はアパーチャーを有して編まれたナイロンメッシュであるのが好ましく、該フアイバーは該アパーチャーを通過しており、かつ、摩擦により保持されるが、該フアイバーが堅いので曲げても該フアイバーを該アパーチャーから軸方向に変位させるのに充分でない事実も該保持に役立っている。該フアイバーは、水が該フアイバー先端付近を循環する時、該フアイバーが曲がり半径方向に変位させられるよう、該ハンガー44の下に延びるのが好ましい。水循環によるこの半径方向移動と、他のフアイバー及びコンテナー側壁22との衝撃と、は該光ビームが出て、他方藻類が集まり、付着する該フアイバー先端を清掃するのに役立つ。望ましい隔てられた構成で該フアイバーを保持するには、クランプブラケット及びスクリーンを含めて、多くの構造体があるが、それらを当業者はここの説明から認識するであろうし、それらは余りに多いので列挙出来ない。

0021

該光配分器50はフアイバー80の束からのフアイバーの異なるクラスターを有し、これらは実質的に同じ仕方でハンガー54に取り付けられる。該光配分器60のハンガー64は第3の異なるフアイバーのクラスターを受け、同じ仕方で設置する。本発明では、光配分器40,50そして60の各々は、相互から軸方向に隔てられ端部を有する光フアイバーのユニークなクラスターを備え、該フアイバーを通して太陽光放射は該収集器70から、該コンテナー20の内部へ、そして各それぞれのハンガーに保持されたフアイバーへ運ばれる。

0022

ノズル30は該配分器の下に設置され、ガスは上記の様に導管32によりノズル30に入る。ガスはCO2を含むのが好ましいが、どんなガスであってもよい。該ガスは、石炭燃焼パワープラント、天然ガス燃焼パワープラント、ガソリン内燃機関水性ガスシフト反応器又は何等かの他の炭素装荷ガス生産装置、の様な化石燃料燃焼からの排気により供給されるのが好ましい。代わりに、該ガスソースは光合成微生物により利用され得るガス含有元素及び/又は化合物を発生するどんな装置でもよい。ノズル30に入る該ガスは同部を出て、高圧で該開口部34を通りコンテナー20内の水に入り、それにより該コンテナー20内の該水内に、多くの小バブルを形成し、乱れを創る。この乱れは該水及び藻類の混合体を動かし、それにより該藻類の多くを該光フアイバーの端部の近くを通らせる。

0023

勿論、他のノズルが図解された該ノズル30と交換するよう考えられる。例えば、該ノズル30は上方へ向けられた多くの開口部を有するが、もっと多くの開口部を有するノズルが考えられる。図5に示す様にコンテナー20の周囲付近のみの様にもっと少ない開口部を有するノズルが使用されてもよい。実際、遙かに少ない開口部、又は1つの開口部が該好ましいノズルと交換されてもよい。該ノズル開口部は又、該コンテナーの軸線に対し45度の様な、或る水平角でガスを該水の中に噴射するよう配向されてもよく、ノズル開口部は該軸線に対し或る垂直角でガスを噴射してもよい。この様な角度付けされたノズルは該水/藻類の混合物の螺旋状の又は他の有利な循環を支援することが出来る。

0024

該光フアイバーの端部を過ぎるよう短時間に移動することにより、該藻類は光に曝され、それは光合成成長を引き起こす。加えて、該藻類が、約数分の1秒の様な短時間該光の近くに留まり、次いで該光から離れて過ぎるので、該藻類は明及び暗のサイクルに曝され、それは更に該藻類の成長を高める。該藻類が吸収する二酸化炭素(CO2)ガスを使って水/藻類混合物を循環することにより、該藻類の成長は高められる。

0025

該水/藻類混合物の循環は又該フアイバーを、それらのそれぞれのハンガーとの接触点に対し半径方向に(横に)外方及び内方へ運動させる。この運動は、光が通り過ぎて該コンテナー20内へ入るのが好ましい唯一の部分である該フアイバーの先端を”洗浄”し、該先端をクリーンに保つ。該運動は又該先端が他のフアイバー及び該コンテナー20の側壁22と接触することを可能にし、該フアイバー先端を更に清掃する。

0026

藻類は該光合成過程でCO2をO2に変換するので、出口90を通って該コンテナー20を出るガスは好ましくは炭素を少ししか含まないか、又は実質的に含まないのがよい。代わりに、該藻類は成長するためにそれらの普通の呼吸で炭素を使い、それにより大気中に開放されるガスから隔離されるのが望ましいガス材料を空にする。出口90からのガスは、もしそれがCO2を含むなら、CO2又は他の汚染体を除くために更に処理されてもよく、或いはそれはもし許されるなら大気中に解放されてもよい。実際、該コンテナー20はガスが大容積でもっと望ましいガス又は複数ガスに変換されるリサイクルシステムの1部であってもよい。

0027

かくして、本発明はバブル−カラムバイオ反応器を有し、該反応器内ではガスは、該ガスが水及び藻類のスラリー内へ噴射される底部ヘッダーから、該ガスが液体から分離され、該コンテナーを出る頂部まで、流れる。該液体スラリーは該ガスの運動で流動化され、該藻類が明−暗サイクルに曝される程度を高めるよう循環される。ポンプ作用は該スラリーを再循環させるために該ガスに対し向流式に頂部から底部へ該スラリーを流すため使われる。

0028

藻類懸濁液の流れは、該ハンガーにより該バイオ反応器内の固定位置に固定されフアイバー束の領域上を運ばれる。該フアイバーは概略該ハンガーの高さで終端し、光合成用に活性の放射を該スラリーへ放射する。該藻類が該ハンガーを通過すると、それらはより暗い領域内に入り、それにより持続時間が1秒より短い暗サイクル反応を促進する。光源へ向かい、それから離れる該藻類スラリーの連続運動は光合成を刺激し、該バイオ反応器内の栄養物輸送保証し、該フアイバー端部を藻類形成から自由に保つ。

0029

該フアイバー80に送られた光は2つの同様なソースから来る。第1の、そして主たるソースは上記説明の1つ以上のトラッキングミラーである。これらのミラー用の代わりの設計は、光を該フアイバー80上に焦点合わせする第2ミラー上へ、光を焦点合わせする主要トラフを有する、トラフ状配備である。該トラフは1日中太陽をトラックすることが出来て、入射太陽光放射を最大化する。該伝送フアイバーは、光抑制を防止し、光子利用効率を最大化する、約200マイクロモルm-2s-1のレベルを提供する。利用可能な太陽光光子が無い時、第2光源の、人工的ソースが使われ、それにより常時生産を見込んでいる。この様な光源はバイオ反応器用の従来行われている。

0030

該フアイバーの端部は、藻類が約0.5秒内で、該光に近づきそれから離れる所に設置される。勿論、このタイミングは流量、圧力そして他のパラメーターにより修正されてもよい。更に、該フアイバーは水の流れに影響する。従って、該コンテナー内で、該藻類が噴射ガスにより上方へドライブされ、次いで該ガスのエネルギーが失われか、適度に減じられた時下方へ流れるよう、流れが少ないか又は全く無い領域(”デッドゾーン”)を有することが望ましい所に、該フアイバーを配置するのが望ましい。

0031

該フアイバーは疎水性を保有するのが好ましく、すなわち該フアイバーは水分子によりフアイバーへの吸着拒絶すべきである。この特性は、光が外へ投射されるフアイバーの表面へ付着する藻類の能力を減じる。この特性は多くのプラスチックスで共通であり、それによりプラスチックフアイバーをガラスの魅力的代替えとするが、それはガラスフアイバーで同じように難なくは達成されない。かくして、藻類は、光が投射されるフアイバーの端部に疑いなく付着する。従って、該藻類を該フアイバーから取り外す或る作用があることが望ましい。上記の様に、好ましい反応器構成では、フアイバーは水流により動揺し、該ハンガーはフアイバーが該コンテナーの側壁に接触することを可能にし、それを促進さえする。この接触は衝撃時に、該フアイバーに付着した何等かの藻類を取り外す衝撃を創る。

0032

該バイオ反応器内で使用するよう考慮された3種の藻類はエイエムピーエイチオー(AMPHO)46{アンホラ(Amphora)(珪藻)}、オーオーシーワイエス(OOCYS)09{オーシスチス(Oocystis)(緑藻類オリヅルラン)}及びエスワイエヌイーシー(SYNEC)05{シネココクス(Synecococcus)(藍細菌)}である。勿論、他の、自然に存在する微生物が使われ得ること、そして有機体がもっと有効に作動するよう変質され得ることが考えられる。バイオディーゼルの様なバイオ燃料の生産用に、実用可能な程速く最多の脂質を作る藻類を使うことが望ましい。勿論、他の栄養と薬効のあるもの、調合薬化合物又は他の栄養化合物の生産用に、種々の微生物が考慮される。エタノール及びブチノールの生産用には、とりわけ、高澱粉微生物がより望ましい。

0033

該バイオ反応器はバイオディーゼル精製用に高脂質供給原料を作る目的では、最高の藻類生産性を有する。勿論、該藻類又は他の光合成微生物は、他のバイオ燃料、栄養物及び炭素隔離を含むが、それに限定されない、他の目的用に使われてもよい。該バイオ反応器は日中に生産性を最大化するよう配分した太陽光エネルギーを利用し、そして適当な太陽光エネルギーが無い時間は、生産性を高めるため人工照明を使う可能性を提供する。又該システムは該光フアイバーからの熱放散問題を最小化する。

0034

該バイオ反応器は多くの有利な特徴を有する。それは多くのソースからガスを取り込み、それを、環境への負の影響を僅かしか、又は全く与えずに、高い比率で他の、より望ましいガスに変換する。実際、該環境への影響は、炭素隔離の場合の様に、建設的である。追加例として、該バイオ反応器は、例えば酸素不足している所で酸素を作るために、二酸化炭素リサイクリングシステムの部分とされてもよい。該バイオ反応器は又、否定環境影響も無しに、実質的量の光合成微生物を作る。この様な有機体は、炭化水素ワックス及びジェット燃料を作るための石炭のガス化での、動物飼料供給用の様な、そしてここで他に述べた様に、多くの目的用に使われてもよい。

0035

他のサイズも考えられるが、上記で論じた該反応器のサイズは重要である。該コンテナー内には該スラリーが再循環する領域があらねばならない。もし該コンテナーが上記で論じたそれより実質的に大きいなら、ガス噴射装置の実質的修正無しには、流体輸送特性は向上せず、悪化さえする。好ましい実施例では、小さな直径のコンテナーを通して動く実質的な量のガスがあるので、該ガスが上方へ流れると、該ガスは全部の該藻類/水のスラリーを持ち上げる。勿論、該コンテナー20の高さに沿ってノズルを追加することによりこれを達成出来る。例えば、1つの考えられる代替え実施例は、全てのハンガーの下にノズル30と実質的に同一なノズルを有することである。かくして、もし該ハンガーが垂直に約61cm(24インチ)隔てられるなら、該ノズルも又約61cm(24インチ)毎に隔てられ、次の隣接ハンガーからは約30.5cm(12インチ)隔てられる。これは該コンテナー20内に多数の循環ゾーンを形成する。混合物を出来るだけ多く循環させるために連続し、一貫した流れを持つことが最も望ましい。

0036

好ましい実施例では、該藻類は、該フアイバーが位置的に保持される所で、該ハンガーに接触する。ガスはノズル開口部で上方に流れ、該コンテナー20の外側付近で上方へ続く。しかしながら、該ガスはそれが該ハンガーに達する時までにそのエネルギーの多くを失い、従って該藻類の流動化は停止する。かくして、該藻類が該ハンガーの上に流れた時、それは、図5で矢印で示す様に、望ましくは該コンテナー20の内部付近で、再び下方へ戻るよう循環し始める。

0037

本発明の1つの考えられる実施例では、建物又は他のハウジングが、本発明の装置10に似たバイオ反応器で充たされる。かくして、大きな室は該コンテナー20に似たコンテナーを多数有し、該コンテナーの各々は該建物の屋根の上の収集器の様な、外部光源へ導く光フアイバーの束を有する。1つ又は多数の収集器は該フアイバーを通して太陽光放射を該バイオ反応器の各々へ運ぶ。各この様なバイオ反応器は、パワープラントの排気スタックの様なソースから来るCO2装荷ガスの1部分を受け、各バイオ反応器は該ガスからCO2を除くために上記説明の様に機能する。かくして、充分な該バイオ反応器を用いて、システムはパワープラントが作る毎時数百万立方メートル(フィート)のガスを受けることが出来る。この様なバイオ反応器は、成長用に適切な環境を該微生物に提供するのに必要なだけ多く離れ隔てられる。

0038

該コンテナーサイズは流体力学、望まれる効率そして噴射されるガスの圧力の関数である。最適なチューブ直径は入力ガス圧力とその容積流量の関数である。例えば、好ましい実施例では、噴射点でのガスの嵩流れは毎秒約2mと4mの間で最適であることが決定された。勿論、この量は、或る藻類成長をなお成就しながら、変えられてもよい。

0039

図面に連携したこの詳細説明は、主に本発明の現在の好ましい実施例の説明として意図されており、本発明が作られ、利用される唯一の形式を表すよう意図されてない。該説明は図解された実施例と連携して本発明を実施する設計、機能、手段及び方法を表明する。しかしながら、同じ又は等価な機能と特徴は、これ又本発明の精神と範囲の中に含まれるよう意図された異なる実施例により達成されてもよく、本発明すなわち付記請求項の範囲から離れることなく種々の変型が採用されてもよい、ことは理解されるべきである。

図面の簡単な説明

0040

本発明の好ましい実施例を図解する斜視図である。
図1の好ましい実施例の好ましい内部部品組立分解図を図解する斜視図である。
図1の実施例を図解する側面図である。
図1の実施例を図解する平面図である。
図1の実施例を図解する側面図である。
光フアイバーハンガーを図解する平面断面図である。

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