(57)【要約】      （修正有）【課題】人類の食糧及びエネルギーの確保を達成する能力を制限することが予想されている従来型の屋外二次元農法に関する問題を解決する。【解決手段】少なくとも１種の生産物を生産するための、少なくとも１つの種の植物種の成長を維持するための保護されたサンソイル環境と、経済的実行可能性指数を最大にするように環境を制御するための手段とを備え、エネルギー変換効率は利得係数を乗じられることを特徴とする生物体の光合成成長のためのサンソイル農法システム。【選択図】図２Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
2014209900.tif 000191
【請求項２】
2014209900.tif 000192
【請求項３】
2014209900.tif 000193
【請求項４】
2014209900.tif 000194
【請求項５】
前記ＥＶＩを最大にするための手段が、利得係数を、１を超え１０未満に調整することを含む、請求項１記載のシステム。
【請求項６】
前記ＥＶＩを最大にするための手段が、利得係数を、１０を超え１００未満に調整することを含む、請求項１記載のシステム。
【請求項７】
前記ＥＶＩを最大にするための手段が、利得係数を、１００を超え１０００未満に調整することを含む、請求項１記載のシステム。
【請求項８】
2014209900.tif 000195
【請求項９】
2014209900.tif 000196
【請求項１０】
2014209900.tif 000197
【請求項１１】
2014209900.tif 000198
【請求項１２】
前記ＥＶＩを最大にするための手段が、１より大きい値、さらに好ましくは２より大きい値、最も好ましくは３より大きい値に、ＥＶＩを乗じたＲＣＲの調整を含む、請求項１記載のシステム。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの種が全植物である、請求項１記載のシステム。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの種が、光合成生物体である、請求項１記載のシステム。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの種が、藻類及び藍色細菌、並びに他の二酸化炭素同化微生物を含む光合成微生物である、請求項１記載のシステム。
【請求項１６】
前記少なくとも１種の生産物が、ヒト及び動物のための食糧である、請求項１記載のシステム。
【請求項１７】
前記少なくとも１種の生産物が、植物由来の燃料である、請求項１記載のシステム。
【請求項１８】
前記少なくとも１種の生産物が、植物由来のタンパク質、ワクチン、栄養補助食糧及び薬剤である、請求項１記載のシステム。
【請求項１９】
前記少なくとも１種の生産物が、工業的用途のため、及びパーソナルケア製品のための、植物由来の物質である、請求項１記載のシステム。
【請求項２０】
前記保護されたサンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）環境が、害虫、微生物、制御不能な液体、気体、及び微粒子に影響されない前記環境を構成する手段を備える、請求項１記載のシステム。
【請求項２１】
前記保護されたサンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）環境が、内部を制御不能な温度変化から遮断及び隔離する手段を備える、請求項１記載のシステム。
【請求項２２】
前記保護されたサンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）環境が、ＵＶ、赤外線が入ることを防止するための手段と、制御不能な条件下での成長を防止する可視スペクトルの部分とを備える、請求項１記載のシステム。
【請求項２３】
前記保護されたサンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）環境が、閉鎖型であり、人及び植物の成長に必須の成分の消毒を可能にするロードロックシステムを備える、請求項１記載のシステム。
【請求項２４】
前記保護されたサンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）環境が、植物の成長に適した構造体を備え、該構造体が土壌を含まない、請求項１記載のシステム。
【請求項２５】
前記保護されたサンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）環境が、少なくとも１つのサンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）栽培層（少なくとも１つのサンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）栽培要素、ＳＧＥを備えている）を備えた三次元構造を有し、該三次元構造、少なくとも１つの層及びＳＧＥが、最大の空間利用効率を有するよう設計されている、請求項１記載のシステム。
【請求項２６】
前記三次元構造、少なくとも１つの層及びＳＧＥが、光学的に透明な材料を用いて前記構造を構築することによって、最大の光利用効率を可能にするよう設計されている、請求項２５記載のシステム。
【請求項２７】
屋内で植物及びその他の光合成生物体を成長させるためのサンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）方法であって、
１．実質的に不浸透性の環境１０１を供給する工程と、
２．植物種の成長を維持することができる少なくとも１つの栽培層１０３及び、例えば図２Ｂに示すような、少なくとも１つの一体的に製造されたＳＧＥ１、を供給する工程と、
３．更なる成長を存続できる苗木の定着を可能にする少なくとも１つのＳＧＥで成長する種子を供給し、又はＳＧＥ中に固定される少なくとも１つの苗木を供給して、順応して更なる成長を存続できるようにする工程と、
４．最適な波長、強度及び時間的特性を有する光を供給する工程と、
５．所望の生産物のための最適な成長軌跡を与えるように設計された、植物種のための最適な時間的工程及びパラメータ値を備えた、制御システム内に貯蔵されたプログラムを選択する工程と、
６．前記制御システムを起動し、所望の種のための成長プロトコールを開始する工程と、
７．必要に応じて、制御システムを調節し、結果として計画的な成長軌道を可能にするセンサーを用いて栽培条件を監視する工程と、
８．生成物を収穫する工程と、
９．バッチモード培養又は連続培養のいずれかについてサイクルを繰り返す工程と、を含む、サンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）方法。
【請求項２８】
2014209900.tif 000199
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、食糧、エネルギー及び他の有機体物質の農業、園芸、農学及び農業経済学の分野に関する。具体的には、本発明は、植物、収穫量、光合成エネルギー変換効率、並びに他の供給源（時間、空間、水及び栄養素を含む）の利用効率を理解し、最適化することに関する。より具体的には、本発明は、太陽エネルギー又は土壌に依存しない、三次元空間における、屋内での環境制御農法に関する。また、本発明は、人類の食糧及びエネルギーの確保を達成する能力を制限することが予想されている従来型の屋外二次元農法に関する問題を解決する必要性に対処する。
【背景技術】
【０００２】
世界の人々に適切に食糧を供給することができる充分な食糧生産は可能であろうか。
栄養状態の改善と併せて、健康科学と技術の発展により、幼児死亡をほとんど根絶する道ができた一方で、平均寿命が８０才を超えようとしている。その結果として、世界人口が２０５０年までに、少なくとも９０億人になると予測されている。このように予測される人口規模は、我々の地球が抱える最大の課題として、長年、認識されているが、食糧、エネルギー、土地、水などの限られている資源を圧迫し、かつ、すべての質の高い生活とライフスタイルを獲得し維持するために厳しい競争と対立を助長している。
【０００３】
本課題は、近年、２００９年１０月１２〜１３日にローマで開催された「２０５０年の世界の食糧問題」と題するハイレベル・エクスパート・フォーラムの成果を発表した国際連合食糧農業機関（ＦＡＯ）により強調されている。さらに、二酸化炭素ならびに地球変動研究センターが発行しているＣＯ２−Ｓｃｉｅｎｃｅ（発行、２０１１年６月１５日）の「２０５０年の世界の食糧生産予測：世界の人々に適切に食糧を供給することができる充分な食糧生産は可能か。」と題する論文の中で、Ｃ．Ｄ．Ｉｄｓｏ博士は、本課題を強調した（非特許文献１）。
【０００４】
ＦＡＯもＩｄｓｏ博士も、次の憂慮すべき点で合意している。それは、１人当たりの世界の食糧生産、耕地、水資源、主食農作物の農産物の圃場収穫量の大幅な減少である。破滅的な結末を避けるために、両者は、食糧生産技術、システム、方法の急激なパラダイム・シフトの必要性を指摘している。現在の食糧の需給ギャップでは、世界の多くの地域で飢餓、栄養不良、餓死が起こる荒廃的な結果が継続する。ＦＡＯによると、２０１２年は１０億人が飢餓状態である。２０５０年の９０億人の人口では、このギャップがさらに拡大することが予想される。世界の多くの地域の飢餓に加えて、地政学的な不安定さによって、人類の福祉に計り知れないほどの悪影響を及ぼすだろう。
【０００５】
これらの課題は、以下の３つの矛盾に現れている。
矛盾  Ｎｏ．１：食糧  ｖｓ．  二酸化炭素低減
多くの人々は、二酸化炭素の排出が地球温暖化を引き起こしていると憂慮している。そのような人々は化石燃料の使用削減に取組み、ＣＯ２の削減を主張し、政府に要求している。人々は政府を動かす影響力を持っており、世界中でＣＯ２を増やす資源の使用を抑制する法律が施行されている。しかしながら、これは、第一優先順位である生命を維持し世界の人々に食糧を供給するニーズと直接的に矛盾するものである。現在、１０億人の飢餓が緊急の問題であり、２０５０年には３０〜４０億人に膨れ上がる。「地球温暖化」を心配するグループが、疑わしい光合成モデルを使用し、２１００年の人類の悲惨な結末を予想する一方、植物性食物効率が０．５％未満（表１）である理由を理解するのに同じモデルを使用できないのは矛盾である。完全で正確な理解があれば、ＣＯ２が多いほど熱をよく吸収すると同時に、食糧とバイオ燃料が緊急に必要な現状に対応できることがわかるだろう。要するに、ＣＯ２は食糧と生命の主要な成分である（生物には炭化水素が重要である）。
【０００６】
矛盾  Ｎｏ．２：食糧  ｖｓ．燃料
脱地球温暖化によって生じた直接的な結果は、バイオマス由来のＣＯ２排出ゼロの輸送用燃料、バイオ燃料を生産する、米国、ＥＵ、及び他の国が課した規制である。これにより、世界の人口を養うことを最優先にした場合、さらに、第２の矛盾が生じている。食糧生産に今まで向けられていた希少な資源、例えば、耕地、水、種子、肥料、除草剤、農機具を別の方向へ向けるバイオ燃料は、問題を悪化させるのではないかと多くの人々が心配する。その結果として起こる食糧及びエネルギー価格の圧力により、地球上の恵まれない多くの人々の栄養格差問題の解決がより難しくなるであろう。そのような人々の数は増えると心配されている。また、食糧とエネルギーの確保の両立にも矛盾が存在する。
【０００７】
矛盾  Ｎｏ．３：食糧  ｖｓ．森林
表１に示したように、植物科学者及び農学者は、効率測定値は０．５％未満であると同意するが、損失の発生源である、９９．５％未満の損失を充分に説明できていない。このように本発明に関連して詳細に説明するように、この損失を十分に説明することがそれを最小化する進歩的な方法の鍵である。
【０００８】
植物は、炭水化物、糖類、デンプン、セルロース、タンパク質類の分子結合エネルギーの形態で太陽エネルギーを蓄える。一般的に入手可能な主食農作物（砂糖類、穀物、豆類、葉物野菜、ポテト、ヤムイモ、キャッサバなどのイモ類）を経済的に生産するにあたり、従来の農法は、太陽エネルギーがゼロ・コスト（ＺＣＯＥ）であることに依存している。これにより、太陽の放射が単位面積（ヘクタール、エーカー、平方メートル）当たりワット単位で送達されるので、屋外での耕作、つまり、二次元的な土地での耕作を行うことになる。
【０００９】
従って、ＺＣＯＥへの依存は、約０．１〜０．５％の効率を受け入れる従来の農法を強要してきた（表１を参照されたい）。このような効率の低下をもたらす主な要因の１つは、植物成長を支えるための土壌、及び容易に制御できない土壌栄養素を用いることを必要とすることである。後述するように、土壌は有用ではない。さらに、ＺＣＯＥへの依存は、水、太陽放射線及び許容温度変動を提供する、適切で快適な居場所を探し求めることにより不利な環境条件を受け入れることを意味する。
【００１０】
従って、ＺＣＯＥに依存すると、生産者、食物生産企業は制限され、制御を行うことができない。一方、このことにより、二次元の耕地、水、肥料、農薬等の充分に使用されていない膨大な資源が必要とされてきた。１８００年代の１０億人から現在の７０億人という人口増加に対応するために、急速な森林伐採が行われた。地球規模で、森林伐採による地球温暖化に悪影響を与えるのを恐れ、政府は法律と規則を制定して森林伐採による農地の増加を制限している。これが、世界の人々に食糧を供給することとエネルギー確保との両立における第３の矛盾である。
【００１１】
【表１】
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【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Ｃ．Ｄ．Ｉｄｓｏ，“Ｅｓｔｉｍａｔｅｓ  ｏｆ  Ｇｌｏｂａｌ  Ｆｏｏｄ  Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｉｎ  ｔｈｅ  Ｙｅａｒ  ２０５０：Ｗｉｌｌ  Ｗｅ  Ｐｒｏｄｕｃｅ  Ｅｎｏｕｇｈ  ｔｏ  Ａｄｅｑｕａｔｅｌｙ  Ｆｅｅｄ  ｔｈｅ   Ｗｏｒｌｄ？”，Ｃｅｎｔｅｒ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  Ｓｔｕｄｙ  ｏｆ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｄｉｏｘｉｄｅ  ａｎｄ  Ｇｌｏｂａｌ  Ｃｈａｎｇｅ，Ｊｕｎｅ  １５，２０１１．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記を考慮し、太陽への依存は、ＺＣＯＥという、１つの利点を有する。しかし、それは多くの不利益を有する。従って、人類の食糧及びエネルギーの両者の確保を達成するために、上記矛盾を解決する必要がある。本発明の目的の一つである、これを達成する一手段は、ＺＣＯＥ依存及びそれに関する不利益を伴う土壌の使用を放棄するだけでなく、乏しい耕作地及び二次元の土地や制御不能な屋外農法を排除する革新的な本発明の農法の教示である。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本明細書においては、我々は、土壌の必要性を排除する、閉鎖型屋内農法として定義される、サンソイル（サンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ））という用語を用いる。多くのサンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）の実施態様において、太陽は、光合成のための主要な光源としては排除される場合もある。他のサンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）の実施態様においては、太陽は、単独で、又は他の人工光と組み合わせて用いられる場合がある。多くのサンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）の実施態様において、三次元構造は最も有利であると思われる。三次元の使用により、立方メートルあたりの収穫量の生産性が用いられ、それを最大にし、結果として土地面積の使用を最小にする手段が求められている。
【００１５】
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【００１６】
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【発明の効果】
【００１７】
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【図面の簡単な説明】
【００１８】
以下の図面は、好ましい実施例及び動作原理を示す。ここにおいて、大きさ、スケール、形、簡潔さのために示していない特定の必要コンポーネントの有無に関しては当業者に周知であり、限定的または制限的であることを意図したものではない。
【００１９】
図１Ａ〜図１Ｃは、種々の光量、ＰＡＲ、二酸化炭素レベルに対する、二種類のレタス及びイチゴ苗の実験的光合成反応を示す。これらは、入力の飽和又は限界レベル現象を示す。
【００２０】
図１Ｄは、微細な温度制御、光合成の飽和反応におけるその影響を示す図である。
【００２１】
図１Ｅは、種々の周期におけるパルス照射の光合成反応を示し、これはハイパスフィルターに類似するハイカットオフ周波数を示す。
【００２２】
図１Ｆ〜図１Ｈは、パルス照射下における種々の植物の光合成の時間的変化を示し、約３〜１０の時間的利得係数を示す。
【００２３】
図２Ａは、植物の成長を維持するための保護された環境、利益、経済的実行可能性指数（ＥＶＩ）及び収益性を最大にするように、成長軌跡を調整するためのプログラムを伴う制御サブシステムを有するサンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）屋内農法システムを示す。
【００２４】
図２Ｂは、保護された環境内で三次元多層構造によって支持及び維持される、複数のサンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）成長要素、ＳＧＥの１つの詳細を示す。
図３は、栽培試験に使用した栽培棚を示す図である。
【００２５】
図４は、栽培試験に使用した栽培トレイ（図４Ａ）及びレタスをウレタン苗床と共に定植した栽培トレイ（図４Ｂ）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
Ｉ．確かな科学の原理の必要性
現状によると、上記の３つの矛盾する議論には勝算がない。主な理由は、それらが、食糧に関する事業の基礎科学及び経済の理解の欠如、あるいは、せいぜい、不完全な理解に基づいているからである。この結論を裏付けする例示的証拠は、この引用：「Ｆａｒｍｉｎｇ  ｉｓ  ｎｏｔ  ａ  ｍｏｎｅｙｍａｋｉｎｇ  ｐｒｏｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｉｎ  ａｎ  ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  ｅｃｏｎｏｍｙ」から入手される。農学の分野の熟練の専門家で、２０冊の書籍及び多数の出版物の著者であるＧｅｎｅ  Ｌｏｇｓｔｏｎによれば、決してそうでないであろう。
【００２７】
当然、農業に関する事業の実行可能性についての彼の立場が、人口増加を支えた１０，０００年間の食糧生産という事実によって立証されていないことは明らかである。
【００２８】
他の例は、アーカンサス大学農業経営部、農業及び天然資源のＳｃｏｔｔ  Ｓｔｉｌｅｓらの「Ｄｉａｇｎｏｓｉｎｇ  ａ  Ｆａｒｍ  Ｐｒｏｆｉｔａｂｉｌｉｔｙ  Ｐｒｏｂｌｅｍ」ＦＳＡ９５１２という標題のついた論文に見られる。著者は、植物の生理学的効率を論じるもの、太陽のＺＣＯＥが収益性において機能する役割を除き、考えられるほとんどのパラメータに言及している。
【００２９】
「Ａ  Ｌｏｏｋ  Ｂａｃｋ  ａｔ  ｔｈｅ  Ｕ．Ｓ．  Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｅｎｅｒｇｙ’ｓ  Ａｑｕａｔｉｃ  Ｓｐｅｃｉｅｓ  Ｐｒｏｇｒａｍ．Ｂｉｏｄｉｅｓｅｌ  ｆｒｏｍ  Ａｌｇａｅ」という標題のついた彼らの報告ＮＲＥＬ／ＴＰ−５８０−２４１９０において、Ｓｈｅｅｈａｎらは、バイオ燃料のための藻類の養殖及び収穫の広範囲の専門家の評価を示し、特に光合成太陽エネルギー変換効率の影響について深い科学的根拠に基づいた議論を示している。彼らは「十分な太陽エネルギー変換の理論的限界とは何かについて理解しているわけではない」という事実を指摘している。
【００３０】
「Ａ  Ｒｅａｌｉｓｔｉｃ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ａｎｄ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ  ｏｆ  Ａｌｇａｅ  Ｂｉｏｆｕｅｌ  Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ」という標題のついた、藻類の培養の光合成効率及び生産性に関するさらに他の報告において、Ｌｕｎｄｑｕｉｓｔらは、「不幸にも、藻類オイル生産における現在の興味の多くは、この技術の科学的基礎の理解の欠如、従来の技術報告書の読み間違え、読んでいないことに基づいている」と結論づけている。
【００３１】
具体的には、下記及び第ＩＩ及び第ＩＩＩ項に示すように、水、空間、時間、ＣＯ２、並びに一次及び二次微量栄養素を含む、他の供給源のエネルギー変換効率及び利用効率を根本的に理解するための信憑性のある試みがなされていない。最も科学的に進歩した信憑性のある試み（後述する）は、９９．５％〜９９．９％のプラントの損失を十分かつ正確に説明することができない（表１）。十分に理解することは、上記矛盾を解決しながら「世界の人々に食糧を供給する」という目標を実現するための本発明の技術的解決を実行可能にするきっかけになるであろう。全世界の効率を単に１％に増加させることにより主食農作物の１ヘクタールあたりの収穫量を２倍にするであろう。この道筋は、適切に世界の人々に食糧を供給するのに十分な食糧、世界中にエネルギーを与えるのに十分なバイオ燃料を産生し、それによって単に豊富で強力でない惑星の居住者のための食糧及びエネルギーの両方の確保を達成する。
【００３２】
Ｉ．１公知の科学的及び技術的事実
科学的な観点からは、適切な栄養源を与えることにより植物が再生産し、増殖し、急速に増殖する。人々は、それらの供給源がどのように植物に送達されるか、それらがどこから来たかについて無関心である。現在では、現代の制御された農業環境、ＣＥＡ法により屋内で植物が成長し得るという事実が証明されている。収穫量の向上、害虫の排除、水の需要の低下、栄養の需要の低下及び種特異的栄養レシピを含む多くの利点を考慮し、ＣＥＡの採用が促進されている。また、高度なＣＥＡにおいて、植物は、非土壌、サンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）、気耕給液法を用い、人工的な光の下で成長することが証明されている。
【００３３】
証明された基本的な科学的事実から、排他的に太陽又は土壌のいずれかが食糧の成長に必要ではなく、耕作地は、もはや限定的な供給源ではないという論理的結論がもたらされる。言い換えると太陽及び土壌の代用物がある。我々は、空間が限定されていない三次元を含むいずれかの場所で成長させることができる。密封し得る、屋内の三次元ＣＥＡ農法構成物において、水分子は漏れ出すことができない。蒸散により生成した水は濃縮され、再利用され、従来型の屋外二次元農法に比べ、約１００分の一の節水をもたらす。
【００３４】
植物は、主に炭化水素内に光子を変換することにより光合成により成長する。炭化水素の構成要素（最も簡単な）は、化学式（ＣＨ２Ｏ）６を有するグルコース糖である。質量保存の法則に基づき、植物は、１個のグルコース分子を生成するために、６個の水分子（Ｈ２Ｏ）及び６個の二酸化炭素分子（ＣＯ２）のみを必要とする。さらに、各細胞の水分含有量は乾燥重量の６０〜８０％である。乾燥バイオマスの保存された部分でない全ての水を再利用することが可能である。従って、全体として密封された環境を用い、農法に必要な水を、少なくとも２桁減少させることができる。
【００３５】
故に、水は制限因子ではない。従って、密封型屋内農法を用い、我々は、少量の水を最も効率的に用いられるという条件で、乾燥地及び砂漠を含むいずれの場所でも食糧を成長させるための重要な機会を得ることができる。
【００３６】
エネルギー保存法則に基づき、ＣＯ２分子当たり植物に同化されるには、光源からの約１０〜１２個の光子が必要である。植物光収集機構は、現在の最適化された能力に進化してきた。この最適化は、植物界全体を通して「進化的に保存する」機能を実行し、特定の遺伝子のような植物のゲノムに保存されている。この機能は、単一細胞藻類、サトウキビ、巨大なレッドウッドツリーでも同じである。この機能は、クロロフィル分子の選択的吸収スペクトルを中心に最適化されてきた。しかし、植物は、約４００ｎｍのスペクトルの青色領域、及び約６８０ｎｍの近赤色領域の光で成長することができるが、これらの分子は、青色エネルギーを必ずしも必要としない。
【００３７】
これは、太陽照射に依存している屋外農法によりどのくらいのエネルギーが浪費されているのかを明らかにする。本発明の態様によると、また、それは、６５０ｎｍ付近の狭い光バンドを与える発光ダイオード、ＬＥＤを含む低コスト高効率光源から選択された単一波長のみを用いる屋内「無太陽」農法に、チャンスを提供する。当然、青色ＬＥＤを用いることができるが、これは無駄が多く費用がかかる。現在では、植物研究者は、屋内農法のための青色照射の役割について議論している。
【００３８】
Ｉ．２  本発明の根拠
第一の根拠：事実
上記基本的な科学及び技術的事実に基づく結論を以下に要約する：
１．太陽は必要なく、人工光が実行可能な代替物である。
２．土壌は必要でない。植物は、重力のない外部空間のいずれの場所でも成長することがわかった。
３．特に水再利用手段が用いられる場合にグルコース糖１単位あたりほんの６個の水分子で、水は無限のものとなる。これは、節水のために大変有利な条件である。
４．屋内農法は、特に害虫を回避するという点で屋外農法よりも、より効率的であり、良好に制御される。
５．食糧及びバイオエネルギーの確保が実現し、上記３つの矛盾が解決される。
【００３９】
第二の根拠：農法の収益性及び経済的実行可能性の発見
上記結論１〜４は、科学的、技術的なかなり重要な事実に基づくが、結論５は、農学又は農業経済的裏付けを欠いている。具体的には、結論５の認識は、約１０，０００年前の発明以来、太陽をベースとする屋外農法を有益なものとする経済的実行可能性（収益性）条件を満足させなければならない。この経済的実行可能性の成功は、現在までの人間の生活や約７０億人への人口増加を維持するのに重要である。
【００４０】
しかし、経済的実行可能性指数（ＥＶＩ）には定量的な解析定義があり、それは、測定可能なパラメータと、農業に関する事業を存続能力のあるもの（収益性があるもの）にすることを決定する予測力から成る。ＥＶＩの存在により、新しい事業の開始、既存の事業の改善と拡大、又は存続できない事業を解散するための意思決定が非常に容易にできるようになる。これは、バイオ燃料をベースとする藻類の急成長分野（第三世代バイオ燃料とも呼ばれる）において特にあてはまる。ＥＶＩを公式化する際に遭遇した障壁は、費用ゼロ、すなわち、ＺＣＯＥの無料の太陽エネルギーを説明する困難さであった。このあいまいさのため、多くのバイオ燃料に関するベンチャー企業が破産に追い込まれたと考えられており、現時点では、他の多くの企業は、根拠のない主張に基づいて事業を継続させることを希望しているに過ぎない。
【００４１】
出願人の研究及び分析は、生存能力のある（実行可能な）植物の成長モデルがない理由はＺＣＯＥを説明するＥＶＩが存在しないことにあると結論付けた。そのようなモデルは、植物成長の生理学的態様（側面）だけでなく本質的なエネルギー変換効率に関連付けて農業の生産性を明確に定量化するし、吸収された太陽エネルギーを明確に説明する。太陽のＺＣＯＥを説明できないことはＥＶＩの透明性の欠如をもたらし、また、農業の農業経済学のよりよい理解を妨げると考えられている。ＺＣＯＥを説明できないことは、食糧とエネルギー安全保障の使命を実現する道を開くであろう上述の３つの矛盾の解決の進行をも遅らせている。
【００４２】
従って、屋外農法が非常に長い間実行可能であった理由を明確にするため、出願人は、この数式（第ＩＩ項）により記載される農業の収益性を保証する法則（ＡｇｒｉＰＡＬ）と呼ばれる農業経済法則を定式化することに成功した。なお、本発明においては農業経済法則を定式化することに伴い、略号や記号を多く用いる。表２に代表的な用語と記号の簡単な説明を示す。
【００４３】
【表２】
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【００４４】
【数１】
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【００４５】
2014209900.tif 000009
【００４６】
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【００４７】
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【００４８】
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【００４９】
2014209900.tif 000013
【００５０】
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【００５１】
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【００５２】
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【００５３】
従来の太陽をベースとする屋外農法が、なぜ１千年の間、経済的に実行可能（収益性がある）であるかについて、最初に理解し、定量的かつ明確に説明することが、本発明の態様に関わる、太陽の非存在下における人工照明を用いた屋内農法の上記経済的実行可能性を再現する唯一の道である。具体的には、第一の根拠の結論１〜５は、今や、ＡｇｒｉｌＰＡＬの式（２）により提供される農学係数の十分な理解の結果として理解される。
【００５４】
第三の根拠：屋内農法の収益性及び実行可能性
これは、ＥＶＩの知識と第一の前提の結論１〜５の組み合わせ、並びに第二の前提からのＡｇｒｉＰＡＬの式（２）の農業パラメータとの関係性に関する。具体的には、ＡｇｒｉＰＡＬを用い、人工照明をベースとし、経済的に実行可能な屋内（太陽のない）食糧生産事業の設立を可能にすることである。この屋内事業の成功は、太陽エネルギー費用ゼロを享受している既に実績のある実行可能な屋外農法を模倣し、モデルとした。
【００５５】
ＡｇｒｉＰＡＬと結論１〜５の組合せは、３つの矛盾なく、食品およびエネルギーの安全保障の使命のために、屋内農法の実用的で利益を生む実現への道を開く。本発明によると、これは第三の前提であり、（主食やその他の食物のための）独創的な屋内農法の方法や手段によって使命を達成するために必要とされた難問の三番目の要素である。以下の論理的順序によれば、このような屋内の方法や手段は手ごろな価格で主食を生産するために、従来の太陽エネルギーをベースとした屋外農法の収益性および成功を模倣する。
【００５６】
2014209900.tif 000017
【００５７】
2014209900.tif 000018
【００５８】
2014209900.tif 000019
【００５９】
2014209900.tif 000020
【００６０】
2014209900.tif 000021
【００６１】
2014209900.tif 000022
【００６２】
2014209900.tif 000023
【００６３】
ｈ．工程ｇが満たされると、無競争での全ての食糧及びバイオ燃料を生産する使命は、第一の根拠の結論１〜５により、現在は達成されている。
【００６４】
2014209900.tif 000024
【００６５】
2014209900.tif 000025
【００６６】
2014209900.tif 000026
【００６７】
第四の根拠：先行技術のモデルの限界
植物の効率についての科学的理解の先行技術のレベルの状態はＺｈｕら、Ａｎｎｕ．Ｒｅｖ．Ｐｌａｎｔ  Ｂｉｏｌ．２０１０．６１：２３５．６１による「Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ  Ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ｆｏｒ  Ｇｒｅａｔｅｒ  Ｙｉｅｌｄ」という最近の論文で強調されている。これは、今までのところ、ストレス（水、熱、病原体）耐性が増強した遺伝子工学で作られた生物体を含む、これまでに改良された増殖法により改良された植物の遺伝形質の観点からの収穫量に関して最も広範囲に取扱っている論文である。遺伝形質をベースとする収穫量がゆっくりと著しく上昇しているので、著者らは、生産性の上昇を再開するために最も有望な方向として、生理学的光合成効率、酵素整合性係数を調査する必要があると指摘している。
【００６８】
著者らは、以下の式により収穫量を説明する。
【００６９】
【数２】
2014209900.tif 000027
【００７０】
2014209900.tif 000028
【００７１】
2014209900.tif 000029
【００７２】
１個のＣＯ２分子を同化するために１０〜１２個の光子を必要とすると認識されているが、これは、飽和強度ではなく、非常に低い光レベルで起こる。この飽和強度の近く又は上で、損失は著しく増大する。後述するように、これらの損失が、高速反応ＰＳＩＩ及びＰＳＩ並びに遅いＣａｌｖｉｎ（Ｒｕｂｉｓｃｏ）の間の時間的なミスマッチと関連することを、出願人は発見した。出願人は、これらの損失が４を超え９未満であることを測定し、本発明の態様における利得として主張した。
【００７３】
従って、先行技術のエネルギー効率モデルの上記限界を考慮し、生物の多数の基本的構成要素をより正確でより明白に示し、植物系で経験される損失に対する理由をより正確に説明する代替実用モデルに緊急性がある。
【００７４】
具体的には、新モデルは、太陽をベースとする屋外農法の収益性の成功を首尾よく模倣するために、第三の前提の工程ｄを実現することができなければならない。さらに具体的には、新モデルは、生物体の時間と空間の側面を正確に尺度とすることができなければならない。このような正しいモデルは、科学者や技術者に植物の生産性を向上させる独創的（革新的）なシステムや方法を提供することができ、また「食糧か燃料か」という矛盾をなくすことで食糧とエネルギー安全保障の両方を確保する。
【００７５】
2014209900.tif 000030
【００７６】
2014209900.tif 000031
【００７７】
【数３】
2014209900.tif 000032
【００７８】
太陽をベースとする屋外農法のための基準ＰＧＭ：
【００７９】
【数４】
2014209900.tif 000033
【００８０】
【数５】
2014209900.tif 000034
【００８１】
【数６】
2014209900.tif 000035
【００８２】
屋外ＡｇｒｉＰＡＬ条件に従う：
【００８３】
【数７】
2014209900.tif 000036
【００８４】
2014209900.tif 000037
【００８５】
【数８】
2014209900.tif 000038
【００８６】
【数９】
2014209900.tif 000039
【００８７】
【数１０】
2014209900.tif 000040
【００８８】
屋内ＡｇｒｉＰＡＬ条件に従い：
【００８９】
【数１１】
2014209900.tif 000041
【００９０】
2014209900.tif 000042
【００９１】
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【００９２】
2014209900.tif 000044
【００９３】
2014209900.tif 000045
【００９４】
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【００９５】
2014209900.tif 000047
【００９６】
2014209900.tif 000048
【００９７】
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【００９８】
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【００９９】
Ｉ．３  ３つの矛盾のない食糧及びエネルギーの確保
本出願の実施態様及び関連する同時係属出願は、上記５つの科学的前提をベースとする。それらは、植物生理学、エネルギー変換効率、微視的（ミクロン、ミリ秒）及び巨視的（メートル、時間、日）スケールの時間的及び空間的ドメインとの関係についてより深く理解することができる深い洞察を与える。それらは、複数の生理学的パラメータのそれぞれが果たす役割を明白にし、それによって、技術者が集中的にボトルネックを特定し、修正することができる。
【０１００】
この前例のない知識が従来の考え方からの根本的な転換点であり、本発明の驚くべき特徴をもたらしている。具体的には、永続的に９９．５％の損失の仕組みについて正確な定量的説明を追求することにより、意外にも９〜１０億人の人々のための食糧及びエネルギーの需要（主食）を満たす改良された農法によって、古い二次元型農法と、太陽エネルギーのゼロコスト及び土壌をベースとする栽培への直接依存とを放棄しなければならないという結論を我々にもたらす。紀元前１０，０００年以来のこの依存関係により栽培者は、その意図しない制約やＺＣＯＥの不利益を強要されている。
【０１０１】
さらに、ＺＣＯＥ及び土壌をベースとする屋外農法への依存は、「あなたが見るものはあなたが得るものである、ＷＹＳＷＹＧ」農法と我々が呼ぶ、制御不能な農法を意味する。このケースにおいて、農家は、成長に必要な重要な資源を管理できない。具体的には、彼は主要要素：日射強度、温度、水、ＣＯ２レベル、土壌鉱物、極端な気象条件、又は害虫を制御できない。
【０１０２】
この伝統的農法を放棄する代わりに、主食農産物の生産にとっても、効率的であり収益性がある、新規の三次元（３Ｄ）多層屋内農法がもたらされる。
【０１０３】
従来の二次元屋外農法においては、年間の二次元収穫量（二次元植物生産性）は、二次元面積単位（ヘクタール、エーカー又はｍ２）あたりのトン又はｋｇで計量される。しかし、三次元の収穫量（三次元容積の生産性）は、ｍ３あたりのｋｇで計量される。
【０１０４】
具体的には、古い農学的な二次元農法を根本的に放棄し、又は逸脱し、本発明の新しいモデル、システム及び方法によって、以下の重要な農法の４本柱への依存を排除することができる：
・太陽が、直接的な植物の主要なエネルギー源として排除される。
・土壌が、植物を成長させるための培地として排除される。
・大量の水を有する農耕地が不要である。
・収益性を得るには、農学先進領域では２５０ヘクタール程度の最小土地面積で栽培する必要がある。
【０１０５】
上記の農法の４本柱にもはや束縛されないときに、全く新しい進歩的な工学的解決法が可能になると考えられる。この展開により、植物の生産性を１０倍以上増加させ、相反する３つの矛盾を解決しつつ、食糧及びエネルギーの確保の両立を達成するという直接的な結果がもたらされる。
【０１０６】
太陽がなく、土壌を用いない、三次元計量の三次元屋内農法の新しい考え方への適用の結果は以下の意外な結果をもたらす：
１．サトウキビは全農産物の２１％を占める、最も耕作されている食糧である。それは約８０トン／ヘクタールの年間二次元収穫量を有し、砂糖含有量は約１０％であり、４メートルの高さまで成長する。サトウダイコンは、５０トン／ヘクタールの二次元収穫量を有し、砂糖含有量は約２５％であり、０．８メートルの高さまで成長する。二次元から三次元の収穫に変えることにより、サトウダイコンは、［（０．２５）（５０／０．８）］／［（０．１）（８０／４）］＝７．８からわかるようにサトウキビよりも生産性が高くなる。意外にも、サトウキビがエタノール燃料のための最も生産的な植物であるという以前の常識を覆す。
２．本発明によれば、サトウダイコンの屋内三次元農法は効率的で収益性があり、１０〜１００層を有する多層三次元農法により、土地を追加することによる侵害がなく、食用の砂糖を生産し、エタノールバイオ燃料に醗酵させることができる。これは、より増加する森林破壊への懸念を軽減し、食糧対燃料のジレンマを解決する。
３．多層農法用の三次元（超高層ビル）を開発することにより、世界の人々に食糧を供給するために又は世界の人々にエネルギーを供給するためにバイオ燃料を生産するための土地の制約はもはや存在しない。
４．三次元屋内農法を用いることにより、外部から密閉することができるので、水の需要は、少なくとも２桁減少する。
【０１０７】
従って、本発明による、農法の理論的枠組みは、数学的な解析及び植物の効率に関する基礎科学的なよりよい理解に焦点を当て、損失に関する相対的かつ正確な説明を行う。
【０１０８】
ＩＩ．農業の収益性を確保する法則（ＡｇｒｉＰＡＬ）
人類は、紀元前１０，０００年頃に、農業を発明した。そして、狩猟採集者から農場、村及び町の定住者へライフスタイルを転換している。農法は原始的であった。それは、肉体労働に基づいており、動物及び原始的な道具により支えられた。農場の生産性、収穫量は、収率が認識されて増加する産業革命の恩恵を受けた、イギリスで導入された１９世紀の技術革新までは低かった。革新的な農具及び機械だけでなく、化学肥料は、より良好な農業生産性に重要な貢献したものの１つである。
【０１０９】
農業が利益をあげているという証拠は、それが現在の水準までの人口増加を支えた事実によって裏付けされている。この結論は、最も小さい自営農業や何百、何千というヘクタールで評価される最も大きい農場に適用される。しかし、多くの農家、経済学者、農業経済学者、科学者及び会計士は、原始的な概念及び道具を用いて生産性及び収益性を議論し続けている。最も簡単な道具が、利益を算出するために、農産物の全収入から全費用を引いたスプレッドシートモデルである。数学的分析ツールを用いた、モデルの収益性の試みが行われた。農業は、地域、国及びその農場の方針に依存するので、そのモデルは局地的に適用可能である。
【０１１０】
以下が、農場の生産性及び収益性モデルに対応する先行技術文献の例である。
（１）Ｂ  Ｇｒｏｖｅ，Ｗａｔｅｒ  ＳＡ  Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．５，ＷＲＣ  ４０−Ｙｅａｒ  Ｃｅｌｅｂｒａｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｉａｌ  Ｅｄｉｔｉｏｎ  ２０１１
（２）Ｊ．  Ｅｄｗａｒｄ  Ｔａｙｌｏｒ及びＩｒｍａ  Ａｄｅｌｍａｎ，Ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  Ｅｃｏｎｏｍｉｃｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｈｏｕｓｅｈｏｌｄ  Ｖｏｌ．１，Ｎｏ．１  ２００３）．
（３）Ｋｉｎａｍｂｕｇａ  Ｄｅｎｎｉｓ，“Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ  ｔｏ  ｐｒｏｆｉｔａｂｌｅ  ｓｍａｌｌｈｏｌｄｅｒ  ｄａｉｒｙｉｎｇ：  Ａ  ｃａｓｅ  ｏｆ  ＮＡＫＵＲＵ  ＣＯＵＮＴＹ，  ＫＥＮＹＡ”，Ｅｇｅｒｔｏｎ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｎｏｖｅｍｂｅｒ，２０１０．
（４）Ｆｒｅｄ  Ｃｈｕｄｌｅｉｇｈ，Ｈｏｗａｒｄ  Ｃｏｘ及びＶｅｒｏｎｉｃａ  Ｃｈａｐｍａｎ，Ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｅｄ  ｐａｐｅｒ  ｔｏ  ｔｈｅ  ４６ｔｈ  Ａｎｎｕａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ａｕｓｔｒａｌｉａｎ  Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ  ａｎｄ  Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ  Ｅｃｏｎｏｍｉｃｓ  Ｓｏｃｉｅｔｙ，Ｃａｎｂｅｒｒａ，Ｆｅｂｒｕａｒｙ  ２００１．
（５）“Ｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ  ａｎｄ  Ｆａｒｍ  Ｐｒｏｆｉｔ  &#8211;  Ａ  Ｍｉｃｒｏｅｃｏｎｏｍｉｃ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｃｅｒｅａｌ  Ｓｅｃｔｏｒ  ｉｎ  Ｅｎｇｌａｎｄ  ａｎｄ  Ｗａｌｅｓ”，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｅｃｏｎｏｍｉｃｓ  ４０，０５（２００８）６１３−６２４．
（６）Ｒａｊｉｎｄｅｒ  Ｐａｌ  Ｓｉｎｇｈ及びＪｏｈｎ  Ｌａｃｙ，“Ｔｈｅ  ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ  ｗａｔｅｒ  ａｌｌｏｃａｔｉｏｎｓ  ｏｎ  ｒｉｃｅ  ｆａｒｍ．
ｐｒｏｆｉｔａｂｉｌｉｔｙ  ｉｎ  ｔｈｅ  ＭＩＡ”，ＩＲＥＣ  Ｆａｒｍｅｒ’Ｎｅｗｓｌｅｔｔｅｒ，Ｎｏ．１７０，Ｓｐｒｉｎｇ  ２００５．  
（７）ＥＵＲＯＰＥＡＮ  ＣＯＭＭＩＳＳＩＯＮ，ＥＵ  Ｃｅｒｅａｌ  Ｆａｒｍｓ  Ｒｅｐｏｒｔ−２０１１−，Ｕｎｉｔ  Ｌ３  Ｄ（２０１２）．
（８）Ｊａｍｅｓ  Ｓｅｖｅｒｎ，“Ｃｅｒｅａｌｓ  Ｏｕｔｌｏｏｋ&#8211;Ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ  Ａｒａｂｌｅ  Ｐｒｏｆｉｔａｂｉｌｉｔｙ”，Ａｎｄｅｒｓｏｎｓ  Ｎｏｒｔｈｅｒｎ，１６  Ｊｕｎｅ，２０１２．
【０１１１】
しかし、これらの先行技術を作成した人及び経済学者は、いずれも、植物の生理学的効率に対する農場の収益性及び生産性、並びに太陽、労働力及びその他の消耗燃料からのエネルギーの使用について言及していない。ＺＣＯＥの説明は、これらの初期研究者が遭遇する主要な障壁となっている。この障壁は、農業経済学の不完全な理解をもたらした。食糧及びバイオエネルギーのための栽培に関する経済的実行可能性に対する全てのパラメータを正確に説明する万能ツール及びＺＣＯＥが他の供給源に関連して果たす役割を説明するツールなしで上述の課題に適合することはほとんど不可能である。太陽エネルギーは主要な資源であるが、それは無料なので、従来技術の会計モデルには存在しない。
【０１１２】
2014209900.tif 000051
【０１１３】
出願人は、農業の収益性を確保する法則（ＡｇｒｉＰＡＬ）と呼ばれる、このような数学的法則を発見した。出願人は、この法則の一般的重要性及び有用性を、農学の進歩的なツールとして認識している。本出願の進歩的な実施態様は、このＡｇｒｉＰＡＬツールをベースとする。
【０１１４】
より具体的には、種々の農業およびエネルギー事業の経済的実行可能性や収益性を正確に評価するために、新規のエネルギー中心解析と導出であるＡｇｒｉＰＡＬは以下の式で具体化される。
【０１１５】
【数１２】
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【０１１６】
2014209900.tif 000053
【０１１７】
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【０１１８】
2014209900.tif 000055
【０１１９】
式（２）に示されるＡｇｒｉＰＡＬは、全ての項がエネルギー量又はエネルギー費用の無次元比であることで、エネルギー中心であることに留意されたい。食糧（生命のためのエネルギー）及びエネルギーは、この取り扱いにおいて、一般に同意語として用いられるので、全ての食糧又はエネルギー生産事業の場合、ＡｇｒｉＰＡＬは、この形式で、又はさらに一般的な形式（ここでは示されていない）で、経済活力及び収益性を決定するための進歩的なアルゴリズムとして用いられる重要な手段である。
【０１２０】
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【０１２１】
2014209900.tif 000057
【０１２２】
2014209900.tif 000058
【０１２３】
収益性があることを前提に稼働しているバイオ燃料企業が数十社ある。実際、彼らはＡｇｒｉＰＡＬ条件に違反している。彼らは、いつか化石燃料が乏しくなり、その結果、彼らの製品に、化石燃料の適正価格よりも高い価格をつけることができ、それによって、収益性が得られであろうという議論によってミスリードされている。我々のＡｇｒｉＰＡＬによれば、ＲＣＲはほとんど変わらないだろう。すなわち、価格は、化石燃料に費やされるエネルギー費用に追随する。ＲＣＲトラッキングの詳細は後述する。
【０１２４】
ＡｇｒｉＰＡＬの実用的応用
ＡｇｒｉＰＡＬは、式（２）の条件が満たされない限り、事業が実行可能ではないと示している。ＡｇｒｉＰＡＬにより、食糧及びエネルギーに関する事業について、エネルギーパラメータを明白にし、一瞥して興味深い価値のある洞察を行うことができる。それは、新しい事業に着手し、拡大し、移転し、製品構成を改善し、製品構成に投機し、より良い条件で競争し、多くの手段によってコストを削減するための意思決定のリスクを下げるのを補助するためのツールである。
【０１２５】
以下の実施例は本発明に関連し、それらは従来技術の限界を強調し、正しい視点で進歩的な特徴を検証する。
【０１２６】
実施例１：従来の主食農産物の収益性：
次のものを含む農産物（主食）：穀類、大豆、サトウキビ及びサトウダイコンに由来する砂糖、塊茎、じゃがいも、ヤムイモ及びキャッサバを耕作した場合、式（２）の右辺は、少なくとも１．３であることを示す（わずかに収益のある企業）。世界市場は、０．２５ドル／ｋｇ〜０．５ドル／ｋｇの範囲で商品価格を決定する。これらの農作物は、約＄３ｋＷｈ／ｋｇの平均固有エネルギー量を有する。ディーゼルの費用は約０．０８＄／ｋＷｈであるが、太陽エネルギーの費用はゼロである。
【０１２７】
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【０１２８】
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【０１２９】
2014209900.tif 000061
【０１３０】
実施例２：  太陽エネルギーを用いた温室農法の収益性
実施例１から、我々が、同じ主食農作物を屋内、温室で育て、我々が年２回の作物の利点を有する場合、式（２）は以下のように変換される。
【０１３１】
【数１３】
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【０１３２】
2014209900.tif 000063
【０１３３】
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【０１３４】
実施例３：他の食糧の温室農法の収益性
農作物として本明細書で定義された他の食糧は、実施例１に説明された主食農産物でない農産物である。特に、収穫サイクル時間を３０〜６０日の範囲で短くすることのできる食糧及び作物は、毎年ｎ回を超えて植えることが可能である。これらの作物には、種子のための生産ではなく、開花前に収穫する葉菜、ハーブ、その他が含まれる。これらの生産物のため、式（２）を以下のように変換する：
【０１３５】
【数１４】
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【０１３６】
2014209900.tif 000066
【０１３７】
実施例４：人工光を用いた屋内農法の収益性
高効率照明システム、特に発光ダイオード（ＬＥＤ）の出現は、太陽に依存しない屋内農法を奨励してきた。人工照明を用いて作物を成長させるシステム及び方法の特許文献に多くの教示がある。
【０１３８】
このケースについて、我々のＡｇｒｉＰＡＬの式（２）は以下のように変換される：
【０１３９】
【数１５】
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【０１４０】
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【０１４１】
2014209900.tif 000069
【０１４２】
これは、人工照明、生産物の選択、及び収益性を確保するための価格設定により、屋内農法への参入を決定したことの評価を補助するための、式（２ｃ）によるＡｇｒｉＰＡＬ値の他の例示的説明である。
【０１４３】
実施例５：本発明の収益性
実施例２、３及び４は、主食農作物の栽培を屋内で実施するという課題と、屋外農法である実施例１が、なぜ、世界の人々に食糧を供給するために主食農作物を栽培するための現在利用可能な唯一の実行可能な選択肢なのかを強調している。この実行可能な選択肢は、ゼロコストの太陽エネルギーに継続的に依存し、大規模な土地及び大量の水の需要と、それらの非効率的な利用とに関する欠点を有する。さらに、屋外農法の強制は、生産者を、微小な病原体、雑草、干ばつ、洪水、極端な天候不順温度変化を含む種々の要因による予想外の作物の損失の環境リスクにさらす。
【０１４４】
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【０１４５】
2014209900.tif 000071
【０１４６】
莫大な植物の多様性のために、変換効率の値は同じ品種内においても個々の種によって異なる。これらの違いは、環境条件、ストレスや特定の地形や土壌条件で育てられた栽培品種に固有の特性の結果である。ここで示す例は概念を説明するために用いられており、限定することを意図しない。
【０１４７】
ＩＩＩ−新植物栽培モデル（ＰＧＭ）
第Ｉ節及び第ＩＩ節において、特に、なぜ、人口増加を現在のレベルに維持する従来の農法が実行可能であり採算がとれるかの説明におけるＡｇｒｉＰＡＬの重要性を説明した。ＡｇｒｉＰＡＬの発見は、本発明の出願人に、食糧生産及びエネルギー生産に関する事業の農業経済的実行可能性を決定する進歩的な方法をもたらす。これまで、この方法は、上記事業を開始し、拡張し、改善し、又は解散するリスクを低減し、資源科学及び農業の実践に基づく合理的な意思決定によりこれらの事業を支援するために利用できないツールである。
【０１４８】
ＡｇｒｉＰＡＬは、以下の３つの形態をとる：
Ａ．  太陽−土壌をベースとする屋外農法：
【０１４９】
【数１６】
2014209900.tif 000072
【０１５０】
Ｂ．  人工光屋内農法：
【０１５１】
【数１７】
2014209900.tif 000073
【０１５２】
Ｃ．  ハイブリッド型の、太陽を強化した屋内農法：
【０１５３】
【数１８】
2014209900.tif 000074
【０１５４】
ＩＩＩ．１  ＲＣＲのための世界的規模の安定均衡
先述のＩｄｓｏ博士によれば、生命を維持するために栽培された全食糧のほぼ７５％は主食農作物：すなわち、約２５％を占めるサトウキビ及びサトウダイコン；約３４．５％を占める穀物（トウモロコシ、コメ、小麦、大麦、オート麦、ライ麦、雑穀、ソルガム）；１０．５％を占める塊茎：（ジャガイモ、キャッサバ、サツマイモ、及びヤムイモ）：及び約５％を占める油糧種子作物である。
【０１５５】
世界の人々に食糧を供給するこれらの主食農産物の生産者は、自分の製品の価格設定を制御することができない。世界的な一次産品市場がこれらの価格を設定する。オーストラリア又は中国における長引く干ばつは、世界の他の国の価格を上昇させ、アフリカ及びアジアの最貧国に悪影響を与える。
【０１５６】
世界の一次産品市場によって価格が設定される他の商品、エネルギーの場合にも同様の結論である。従って、商品について、平均ＲＣＲ、エネルギー費用（＄／ｋＷｈ）に対するエネルギーあたりの収益（＄／ｋＷｈ）の比率はほとんど一定であり、１〜２の間でほとんど変わらず、作物の性質及び地域特有の資源に依存している。
【０１５７】
2014209900.tif 000075
【０１５８】
ＲＣＲの世界的均衡に対する他の洞察はブラジルから得られる。ブラジルは、３８％を占める最大のサトウキビ生産者であり、サトウキビエタノールの二番目に大きな生産者である。その市場シェアのリーダーシップのおかげで、ブラジルは、価格及びＲＣＲを調整することができると期待されるであろう。それは間違いである。フランスの干ばつがサトウダイコンの供給に影響を与え、砂糖の需要が増加又は供給が減少した場合、価格が上昇し、より収益性があるため、ブラジル人は、さらに砂糖を生産するだろう。
【０１５９】
これにより、エタノールの供給を減少させ、その価格を上昇させる。後者のエネルギー価格の上昇は、他の農場製品に影響する他のエネルギー資源の価格を上昇させるであろう。最終的に、世界的な安定均衡にＲＣＲを回帰している。
【０１６０】
政府の権力、法律の制定、命令、完全な政策、法則は、伝統的にこの平衡を乱す。これらの事象は、禁輸措置、貿易戦争、関税、バイオ燃料を使用すること、又はＣＯ２排出を削減することを含む。このようなケースでさえ、ＲＣＲは平均的範囲内の平衡値に人為的に設定された高いレベルあるいは低いレベルでおそらく安定するであろう。
【０１６１】
2014209900.tif 000076
【０１６２】
2014209900.tif 000077
【０１６３】
2014209900.tif 000078
【０１６４】
2014209900.tif 000079
【０１６５】
５０年代及び６０年代の緑の革命を生み出した作物収穫量の着実な加速的増加は、この成功に寄与している。それは、多くの国々で飢饉を回避し、収益性を確保し、米国、メキシコ及びインドを含む多くの国々で食糧自給が十分に行われた。
【０１６６】
2014209900.tif 000080
【０１６７】
2014209900.tif 000081
【０１６８】
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【０１６９】
高付加価値生産物には、植物性材料、タンパク質、栄養補助食品、医薬品、ワクチンが含まれる。例えば、最近、石油及びガス水素化分解製法等を用いる工業用グアーゴム（グアー豆由来）の不足により、価格が１０倍に上昇した。この物質は、非常に珍重で独特のレオロジー特性を有する多糖類である。この物質は、食糧であることに加え、パーソナルケア製品にも用いられる。
【０１７０】
2014209900.tif 000083
【０１７１】
さらには、多少の収穫増が有ったとしても、１人当たりの需要増で相殺されている。屋外における、太陽と土壌を主体とする農法は効率が低く、制御が欠如しているため、二次元の耕地、水、肥料、農薬に対するとどまることのない需要などの、非効率に使用されている膨大な資源が必要である。
【０１７２】
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【０１７３】
この実行可能な選択肢は、ゼロコストの太陽エネルギーへの継続的な依存であり、欠点を伴い、効率的に使用されていない膨大な資源を必要とする。加えて、屋外農法の制約は、農業生産者が、環境及び経済的リスク、病原体による予期せぬ作物被害、雑草、干害、洪水、異常な温度変化などに曝されることである。
【０１７４】
これらは、総称して土壌に基づく農法の不利益を具現化している。上記で議論したように、超微量栄養素、特にヒ素に関し、制御できない土壌パラメータに関連づけられている健康への懸念は、土壌の不利益を強調し、屋外での土壌をベースとする農法を放棄し、本発明のサンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）法を採用することを推進する。
【０１７５】
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【０１７６】
Ａ．  最初に、植物（生物体）の生理学的効率、及び植物由来の生産物を生産するための経済的実行可能性におけるその直接的影響に関する解析表現を提供すること。
【０１７７】
Ｂ．  正確で明白な量的な様式で、生理学的な、製造及び市場の全パラメータを経済的持続可能性に連結すること。
【０１７８】
Ｃ．  植物生産において、及び生理学的効率との直結において、ゼロコストでの太陽エネルギーが果たす役割を説明するための数学的及び量的な正確な記述を可能とし、それによって、なぜ太陽をベースとする屋外農法が経済的に採算がとれるのかを説明することを初めて可能とする。
【０１７９】
Ｄ．  ＡｇｒｉＰＡＬにより説明するように、太陽をベースとする屋外農法の経済的成功は、本発明の屋内農法の人工照明の収益性を実現する主なきっかけであった。
【０１８０】
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【０１８１】
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【０１８２】
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【０１８３】
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【０１８４】
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【０１８５】
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【０１８６】
【数１９】
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【０１８７】
2014209900.tif 000093
【０１８８】
生きた生物体には：植物、動物、単細胞微生物（藻類、酵母、細菌及びシアノバクテリアが含まれる）のサイズの範囲の菌類から１００ｍの高さのセコイアの木及び２００トンのシロナガスクジラまでもが含まれる。私は、これら全ての生物の成長動態が、エネルギー及び質量保存法則から導かれる反応速度式の解であることを発見した。
【０１８９】
それらは、同様の成長パターンを有しているが、それらの成長率及び基材（資源）の利用効率は種に依存して異なっている。その差異は、数百万から数十億年の時間をかけて進化し、それらのゲノムに貯蔵されている。全ての生物体は、自然淘汰によって最適化され、細胞レベルで同一の機能を実行する酵素生産の発現を再訓練される進化的に保存された遺伝子を共有する共通の祖先から進化した。
【０１９０】
私の分析及び誘導（本明細書では示していない）により、以下のＢＭ成長関数によって、生物体の成長、特に植物の成長を説明することができる。
【０１９１】
【数２０】
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【０１９２】
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【０１９３】
上記複数の成長速度は、ミリ秒又はサブミリ秒の時間スケールで起こる多くの酵素生合成反応のカスケードを表す。これらのカスケード（並列及び連続的）活動の組み合わせは、秒、分、時間及び年の時間スケールで観測される複合成長関数を合計し、算出する。複合関数はｔ＝０で開始せず、その代わりに、種子（胚）が環境に適合して発芽し、苗として出現することで開始される。
【０１９４】
式（４）の複合成長関数は減速し、式（４）とほぼ同じ指数関数を繰り返すことで、周期的な急成長において加速を再開する。
【０１９５】
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【０１９６】
複合成長関数によって表現される生物体は関連性があり、本発明の多くの態様に含まれている。それらには、特定のオーダーメード機能を実施し、又は商業的に関心のある材料を送達するために、その遺伝子型及び表現型が、当該技術分野において周知の組換え生物工学の実践により変化する、天然又は合成生物体が含まれる。様々な大きさの組換え生物体には、単細胞、多細胞、微生物及び肉眼で見える生物体が含まれる。
【０１９７】
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【０１９８】
【数２１】
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【０１９９】
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【０２００】
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【０２０１】
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【０２０２】
式（３）及び式  （４ａ）から、エネルギー効率は以下の通りに表すことができ：
【０２０３】
【数２２】
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【０２０４】
新ＰＧＭフォームを導入する：
【０２０５】
【数２３】
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【０２０６】
【数２４】
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【０２０７】
【数２５】
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【０２０８】
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【０２０９】
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【０２１０】
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【０２１１】
巨視的な効率ξは、１つまたはそれ以上の全ての生物の巨視的な成長側面に対処し、秒から日の範囲の時間スケール、及びセンチメートルからヘクタールの範囲の空間スケールを含んでいる。
【０２１２】
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【０２１３】
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【０２１４】
【数２６】
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【０２１５】
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【０２１６】
図１Ａ〜図１Ｃは、光合成の実験測定、２００ｐｐｍ〜５００ｐｐｍの範囲の異なるＣＯ２入力レベル、８０％の相対湿度に対する、光強度、ＰＡＲの関数としてのレタス及びイチゴ品種のＣＯ２同化を示す。それは、ＬＩ−ＣＯＲシステム６４０００ｘｔ装置を用いて実施した。この実験において、我々は、レベルを３９０ｐｐｍの平均環境レベルよりも高い５００ｐｐｍまで上昇させた。他の実験は、さらに高いレベル（＞１０，０００ｐｐｍ）のＣＯ２レベルが藻類種によって同化されたことを示した。
【０２１７】
実験は、大気中のＣＯ２（従来の屋外農法）かつ飽和強度よりも低い光強度で、植物の生産性が、はるかに高い最適値から減少していることを示している。
【０２１８】
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【０２１９】
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【０２２０】
なお、全ての栄養素、一次栄養素又は二次栄養素、主要な基質、環境要因、遺伝的要因及びエネルギー投入の式（５）、（５ａ）、（５ｂ）に含まれる明白なものの１つの主要な態様は、これらの各パラメータの値の平等な取扱いに注意することである。いずれかの欠如は、全体を非常に低い値（サイズ、色、味、方向、栄養等）の状態にし、生物体の死さえももたらすであろう。例えば、銅がどんなに微量でも、特定の植物では、その欠如は生物体を役に立たなくするであろう。
【０２２１】
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【０２２２】
制御に必要な一次栄養素、二次栄養素及び微量栄養素に加え、土壌地理学から場所により変化する超微量レベルの栄養素が存在する。これらの栄養素の植物に対する利点は十分に確立されていない。しかし、人は、人の健康に有害なレベルのヒ素を含む植物を摂取する可能性がある。以下は、超微量栄養素、植物の成長におけるその役割、人及び彼らの超栄養素に及ぼす潜在的な影響を議論する例示的な文献である。
（１）Ｋ．Ｏ．Ｓｏｅｔａｎ，Ｃ．Ｏ．Ｏｌａｉｙａ及びＯ．Ｅ．Ｏｙｅｗｏｌｅ，”Ｔｈｅ  ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ  ｏｆ  ｍｉｎｅｒａｌ  ｅｌｅｍｅｎｔｓ  ｆｏｒ  ｈｕｍａｎｓ，ｄｏｍｅｓｔｉｃ  ａｎｉｍａｌｓ  ａｎｄ  ｐｌａｎｔｓ：Ａ  ｒｅｖｉｅｗ”，Ａｆｒｉｃａｎ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｆｏｏｄ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｖｏｌ．４（５），２００−２２２，Ｍａｙ  ２０１０．
（２）Ｓｅｒｅｎａ  Ｍａｒｓｈａｌｌ及びＪｉｍ  Ａｖｉｌａ，”Ａｒｓｅｎｉｃ  ｉｎ  Ｒｉｃｅ：  Ｎｅｗ  Ｒｅｐｏｒｔ  Ｆｉｎｄｓ‘Ｗｏｒｒｉｓｏｍｅ  Ｌｅｖｅｌｓ’”，ａｂｃ  ＧＯＯＤ  ＭＯＲＮＩＮＧ  ＡＭＥＲＩＣＡ，Ｓｅｐｔ．１９，２０１２．
（３）Ｗｏｒｌｄ  Ｈｅａｌｔｈ  Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ，”Ｅｘｐｏｓｕｒｅ  ｔｏ  Ａｒｓｅｎｉｃ：  Ａ  ｍａｊｏｒ  ｐｕｂｌｉｃ  ｈｅａｔｈ  ｃｏｎｃｅｒｎ”，ＷＨＯ（２０１０）．
【０２２３】
最近では、主要な消費者雑誌は、ヒ素に関する懸念から、米国人に、大量のコメを摂取することを制限するよう警告している。そして、ＦＤＡが本問題を調査中である。研究者は、国の他の地域由来の米試料より高いヒ素レベルを含んでいるアーカンソー州、ルイジアナ州、ミズーリ州、及びテキサス州で成長した白米により、ヒ素レベルにおける地理的な違いを発見した。それらの４つの州は、生産された国産米の７６パーセントを占める。この驚くべき発見は、米国議会に行動するように拍車をかけている。
Ａｍａｎｄａ  Ｌ．Ｃｈａｎ，”Ｒｉｃｅ  Ａｃｔ：Ｃｏｎｇｒｅｓｓｍｅｎ  ｐｌａｎ  ｔｏ  ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ  ｂｉｌｌ  ｔｈａｔ  ｗｏｕｌｄ  ｌｉｍｉｔ  ａｒｓｅｎｉｃ  ｌｅｖｅｌｓ  ｉｎ  ｒｉｃｅ”，ＨＵＦＦＰＯＳＴ  ＨＥＡＬＴＨＹ  ＬＩＶＩＮＧ，Ｓｅｐｔ．２１，２０１２．
【０２２４】
制御できない土壌パラメータに関連づけられている健康への懸念は、土壌の不利益を強調し、土壌をベースとする屋外農法を放棄し、本発明のサンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）法を採用することを推進する更なる別の根拠である。
【０２２５】
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【０２２６】
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【０２２７】
土壌成分の制御の欠如、植物及び人間に対する毒性、害虫の存在、極端な温度に対する制御されていない露出、及び他の不利な環境及びクライマックスは、ともに土壌の不利益を具現化している。
【０２２８】
微視的な生理学的効率成分
式（５ａ）は、集合Ｓを関連グループに分類する。以下は、分類スキームの非限定的な例である。他のスキームは、有利であることを証明し、成長及び収穫量に影響を及ぼすことが知られている生理的及び／又は物理的パラメータを他の成分に組み込むことができる。いくつかの例によって、特定のパラメータの役割を説明する；議論から離れた他のパラメータは、本発明の実施態様が構築されているベースとなる前提を限定するものではない。
【０２２９】
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【０２３０】
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【０２３１】
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【０２３２】
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【０２３３】
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【０２３４】
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【０２３５】
本発明の一つの重要な側面は、我々が、サンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）農法とも呼ぶ、従来の土壌の制約から切り離した屋内農法である。具体的には、本発明により、種々の特定の地域のための品種の品種改良における制約を排除することができる。本発明の閉鎖型制御農法は、規則及び成長パラメータを遵守するという条件で、可能な限り高い収穫量で、任意の地理的位置において、全ての生物体の成長を可能にする。これは、屋外農法では不可能である。
【０２３６】
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【０２３７】
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【０２３８】
本発明の一態様は、有益な栄養素の取り込みを増大させるために、並列又は直列に葉に栄養素を供給すること、及び根に栄養素を供給することの組み合わせを用いることである。本発明の他の態様は、連続的に栄養素のグループを投与する、すなわち、第一栄養素グループは、第一の短時間で一気に投与され、その後、第二栄養素グループが、第二の短時間で一気に投与される。一連の投与は必要に応じて繰り返される。
【０２３９】
植物（生物体）のこれらの特徴は、人間による干渉の前に長い時間をかけて進化してきた。人間は、関連する食料作物の栽培化以来数千年にわたって品種改良を実施してきた。その後、それらは、メンデルの法則によって導かれた品種改良の方法論を促進して完成された。これは、収穫量の１０倍以上の増加及び１９６０年代の緑の革命に対する重要な貢献であった。１９９０年以来、遺伝子組換え生物工学技術は、植物の生産性、病害虫抵抗性を増加させる遺伝子組み換え作物の品種を生み出してきた。
【０２４０】
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【０２４１】
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【０２４２】
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【０２４３】
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【０２４４】
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【０２４５】
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【０２４６】
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【０２４７】
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【０２４８】
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【０２４９】
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【０２５０】
巨視的効率成分
上記に詳細に説明された微視的な生理学的収穫量成分の式（５ａ）は、効率成分、及び以前には明らかに調査されていなかった利得及び損失のパラメータを明らかにする。式（５ｂ）は、以前に明示的に確認されず、又は植物科学者及び農学者によって説明されていなかった、全ての収率の全体にわたって影響する、追加の巨視的成分について説明する。それらの関連は、ＡｇｒｉＰＡＬによる経済実効性及び収益性と関連している。生産者及び農学者がゼロコストでの太陽エネルギーへの依存の結果として、成長条件に対し、制御を全くまたは限定的にしか行わなかったので、これは屋外土壌ベースおよび太陽ベース農業に対する意図しない怠慢であるかもしれない。
【０２５１】
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【０２５２】
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【０２５３】
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【０２５４】
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【０２５５】
我々が、主食農作物のための屋内農法は問題にならないと結論を下したので、３つかそれ以上の時間的効率の係数についての潜在能力は、従来技術の屋外農法で実現可能ではない。
【０２５６】
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【０２５７】
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【０２５８】
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【０２５９】
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【０２６０】
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【０２６１】
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【０２６２】
従って、本発明の他の態様は、進歩的な三次元農業、多層またはマルチレベル農業の教示である。それは、少なくとも１０倍の係数で、空間利用効率を向上させる。さらに、垂直層の数を約１００まで増やすことにより、体積収穫高は増大する。
【０２６３】
１つの好ましい実施態様において、我々は、ユニークな方法で全ての空間や栄養素を共有して成長植物が現れる（植物が成長する）ように、一体化植物栽培モジュール、一体化植物栽培要素または栽培構造体を作り、その多数は、空間の超コンパクト化や空間の圧縮を特徴とする三次元生育構造として作られた発明について説明する。
【０２６４】
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【０２６５】
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【０２６６】
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【０２６７】
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【０２６８】
ＩＩＩ．５  ＡｇｒｉＰＡＬを満足させる、ＰＧＭ効率制御オプション
上述したように、太陽及び土壌に依存する、従来の屋外農法は、以下に繰り返す式（５）により与えられるＰＧＭの説明を具現化した多数の生理的及び物理的損失メカニズムから農学者を遠ざけた。
【０２６９】
【数２７】
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【０２７０】
【数２８】
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【０２７１】
【数２９】
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【０２７２】
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【０２７３】
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【０２７４】
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【０２７５】
図２Ａは、サンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）の保護された制御環境１０１、及び、制御サブシステム１０２を含む、屋内サンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）農法システム１００を例示的に示す。サンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）の保護された制御環境１０１は、害虫、望ましくない気体、液体、粒子、その他の異物に対して実質的に、不浸透性であるように設計される。好ましくは、前記保護された環境は、栽培に最も適し、かつ、生産性を最大にする所望の温度を維持するために外部温度の変化から充分に隔離され、保護される。
【０２７６】
特定の状況では、太陽の放射は、光合成栽培での人工光を補強することがある。このような状況では、紫外線、赤外線、特定の可視波長を含めて、望ましくない太陽の波長を取り除くフィルターをサンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）環境１０１に取付ける。
【０２７７】
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【０２７８】
また、サンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）環境は、種子／苗の搬入１０５、収穫物の搬出に対応する構造から成る。好ましくは、前記構造は、無菌、または、ほぼ無菌の状態を維持するために、ロードロックなどの適切なシール構造を組込むように設計される。サンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）棚の不浸透性及び無菌性を達成する手段は、当業者に周知である。サンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）環境１０１は、内部に三次元空間に配置された複数のサンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）植物培養層を収容する。サンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）植物層は、光学的に透明な構造及び材料からできている。これにより、層が吸収されていない光を共有し、再利用することを可能にするので、光エネルギー利用効率を向上させる。
【０２７９】
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【０２８０】
１つ以上の相互作用パラメータから成る群は、調整と最適化が同時にされても良い状況がある。例えば、二酸化炭素を、暗反応酵素密度により制限される最適値に調整するには、明反応酵素密度により制限されるまで、光のレベルを調整することが必要となる。最適化の手順は、調整が必要なコントローラ値と繋がれている適切なセンサーにより支援される。
【０２８１】
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【０２８２】
各ＳＧＥ１は、植物２、茎２ｓ、根部２ｒを収容し、かつ、栄養源３、３ａに接続されている一体的に製造された構造体１ａ、１ｂから成る。栄養素は、カップの形の部分構造体の中の根部に向かって、下方に垂れるか、スプレーする。本発明における１つの重要な様態は、根からの吸収を迂回して、植物の葉から直接吸収されるミクロン大の流体粒子（ドロプレット）を供給する噴霧サブシステム（またはミスト）による、当該分野において周知の葉面施肥と本発明の施肥の組合せである。各ＳＧＥ１は、任意に、かつ、一体的に光源４、及びセンサー５を含む。
【０２８３】
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【０２８４】
本出願と同時に出願された「高密度三次元多層農業」と標題のついた、本出願の同時係属特許出願は、その全体が参照として本明細書に組み入れられ、光の浪費を最小限にするための光の再利用、無駄な空間を最小にするための根の空間及び茎の空間の重複、１以上の根及び葉への栄養供給オプションを提供する透明層１０３及びＳＧＥを含む、小型化と高スペース利用効率のいくつかの例を特徴付ける三次元構造を詳細に述べる。
【０２８５】
屋内で植物及びその他の光合成生物体を成長させるためのサンソイル（ＳａｎＳＳｏｉｌ）方法は、以下の工程を含む：
１．実質的に不浸透性の環境１０１を供給する工程。
２．植物種の成長を維持することができる少なくとも１つの栽培層１０３及び、例えば図２Ｂに示すような、一体的に製造された少なくとも１つのＳＧＥ１、を供給する工程。
３．更なる成長を存続できる播種を可能にする少なくとも１つのＳＧＥで発芽する種子を供給する工程、又は順応し、さらなる成長を始めるようにＳＧＥ中に固定される少なくとも１つの苗木を供給する工程。
４．最適な波長、強度及び時間的特性を有する光を供給する工程。
５．所望の生産物のための最適な成長軌跡を与えるように設計された、植物種のための最適な時間的工程及びパラメータ値を備えた、制御システム内に保存されたプログラムを選択する工程。
６．上記制御システムを起動し、所望の種のための成長プロトコール（手順）を開始する工程。
７．必要に応じて、制御システムを調節し、結果として計画的な成長軌跡を可能にするセンサーを用いて栽培条件を監視する工程。
８．生産物を収穫する工程。
９．バッチモード栽培又は連続栽培のいずれかについて、上記１〜８のサイクルを繰り返す工程。
【０２８６】
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【０２８７】
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【０２８８】
図１Ａ〜図１Ｈは、出願人によって得られた様々な種の成長及び利得パラメータを制御する能力の例示的な実験的説明を提供する。温度、湿度、ＣＯ２、酸素、光強度（ＰＡＲ）、種々の周波数のパルス状照射、及び負荷サイクルを含む、様々なパラメータに対する光合成反応を測定するために、Ｌｉ−ＣＯＲ  ７４００ＸＴ光合成装置が用いられた。
【０２８９】
図１Ａ〜図１Ｃは、光強度及びＣＯ２が変化する時の、２種類のレタス品種及びイチゴの反応を測定している。これは、上述の微細な細胞の酵素生化学反応によって決められ、制限されているよく知られた飽和レベルを確認する。測定結果は、屋内農法が、ＣＯ２及び光強度を、従来の利用可能な屋外農法よりも高いレベルに増大させるという本発明の根拠の１つを確認し、結果的により高い植物生産性をもたらしていた。これは、植物が屋外で十分に活用されていないという結論、すなわち、植物は、太陽及び土壌の制約が原因で、実質的に実現可能であるはるかに高い能力を有しているという結論を実証する。
【０２９０】
屋外農法において，温度は、毎日、季節的に、植物生産性に対する制御を難しくする、２０〜４０℃で変化し得る。一方、図１Ｄは、屋内農法に利用できる、良好な温度制御を説明する。この実施例においては、グラフは、２℃の温度変化に反応し、測定可能な相違を示している。このことは、最大の生産性を達成する値に固定された温度を保持する能力及び特別の種のための利得係数の正当性を立証する。
【０２９１】
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【０２９２】
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【０２９３】
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【０２９４】
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【０２９５】
この時間は、進化的に保存されているように考えられ、全ての植物に見られる。パルス光照射に対する植物反応の他の研究者は利得を測定していなかった：（１）Ｄａｎｉｅｌ  Ｊ．（Ｔｅｎｎｅｓｓｅｎ，Ｒａｙｍｏｎｄ  Ｊ．Ｂｕｌａ及びＴｈｏｍａｓ  Ｄ．Ｓｈａｒｋｅｙ，“Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ｏｆ  ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｉｎ  ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  ａｎｄ  ｐｕｌｓｅｄ  ｌｉｇｈｔ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅ  ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ”，Ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  ４４：２６  １−２６９，１９９５．（２）米国特許出願公開第２００４−０１０９３０２Ａ１号（ＷＯ２００２／０６７６６０、特開２００２−５６７０４２）．
【０２９６】
これら従来技術の調査は、飽和強度をかなり下回る光強度を引用したが、その場合、効率は非常に高いか、（効率は）遅い暗反応と速い明反応の相互関係を関連付けられていないか、またはこの時間的ミスマッチを予測できていない。図１Ｆ〜図１Ｇに測定された利得は、まさに飽和値のすぐ下の値に調整された（光）強度で得られている。それは光合成を最大にする値であり、また、いかなる損失も見られない。当該技術分野において、飽和レベルを十分に上回る光強度の増大は、実質的な光呼吸の損失をもたらす。本発明は、２つの利益：時間利得係数の最大化及び光呼吸の損失の回避を達成するために、そのレベルのすぐ下の強度を維持する。
【０２９７】
2014209900.tif 000166
【０２９８】
時間利得を測定することにおける出願人の成功は、少なくとも一部で、モデルＰＧＭの正当性を立証する。また、時間利得制御は、屋内植物生産の収益性がＡｇｒｉＰＡＬに従って実現されるまでＥＶＩを増加する、現在、有効で確実な少なくとも一つの目的達成手段であることも示す。
【０２９９】
以下は、利得係数及び実用的に実現可能な値の特定のグループの本発明による制御の度合いのいくつかの追加例である。
【０３００】
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【０３０１】
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【０３０２】
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【０３０３】
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【０３０４】
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【０３０５】
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【０３０６】
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【０３０７】
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【０３０８】
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【０３０９】
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【０３１０】
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【０３１１】
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【０３１２】
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【０３１３】
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【０３１４】
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【０３１５】
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【０３１６】
（２）光源
光合成に必要な人工光源としてＬＥＤ照明を用いた。ＬＥＤ照明はＣＣＳ社のＩＳＬ−３０５×３０２−ＲＲＲＲを１台用いた。ＬＥＤの波長は６７０ｎｍであり、照明としての発光面は３０ｃｍ× ３０ｃｍであった。ＬＥＤ照明はキャビネット内の天井に発光面を下方にして設置した。光量子束密度（ＰＰＦＤ）は、メイワフォーシス社製の光量子センサー（ＬＩ−１９０ＳＡ）と光量子データ読み取り装置（データロガーＬＩ−１４００）を用いて測定した。なお、太陽光は用いなかった。
【０３１７】
（３）栽培棚および栽培トレイ
図３及び図４に、今回の栽培試験に使用した栽培棚（図３）及び栽培トレイ（図４Ａ）を示す。栽培棚は上中下の３段とした。ＬＥＤ照明から３段の栽培棚までの各距離は、上段が１０ｃｍ、中段が２０ｃｍ、下段が ４０ｃｍであった。各栽培棚は約５ｃｍ角の格子状の空間を有している。この栽培棚の上に縦６００ｍｍ、横５０ｍｍ、厚さ１ｍｍの透明なＰＥＴ製栽培トレイを設置して栽培を行った。このとき、栽培トレイは、それぞれの栽培棚においてＬＥＤ照明からの光の光量子束密度がほぼ同じ値になるように、上の段の植栽位置から少しずらした場所に配置した。栽培トレイは透明であるため、その表から裏、または裏から表へ光を透過することができる。また、栽培トレイには植物を植栽する複数の穴（ＳＥＧ）が設けられている。このＳＧＥは水分や養分を供給するための流路によって隣り合うもの同士が連結部で連結されている。
【０３１８】
（４）栽培植物
栽培植物にはリーフレタスの一種であるレッドファイヤー（以下、レタス）を用いた。ここで、種子はタキイ種苗の晩抽レッドファイヤーを使用した。
【０３１９】
（５）栽培条件および実験
まず、レタスを別途用意したウレタン苗床に播種し、光量子束密度が１００μｍｏｌ・ｍ−２・ｓｅｃ−１の蛍光灯下で２４時間×１４日間かけて発芽、成長させた。次にその苗を、栽培トレイ内のＳＥＧにウレタン苗床のまま定植した（図４Ｂ）。そして、この栽培トレイをキャビネット内で栽培棚に設置した（図３）。
【０３２０】
ＬＥＤを周波数５ＫＨｚ、デューティーサイクル５０％（点灯と消灯各０．１ｍｓｅｃ）の条件でパルス発振させて、光量子束密度を約８０μｍｏｌ・ｍ−２・ｓｅｃ−１として栽培期間中レタスに照射した。また、肥料は水に混ぜて養液で供給した。
【０３２１】
肥料としては、大塚アグリテクノ社の大塚ハウス１号と２号の混合液(大塚Ａ処方)を用い、水１０００Ｌに対してそれぞれ１５００ｇ、１０００ｇを溶解して養液とした。養液とキャビネット内雰囲気温度は２２℃に、湿度は５０％ＲＨに制御した。養分はｐＨとＥＣとを管理することで制御を行い、栽培トレイの流路に５００ｍｌ／３０分（３０分毎に５００ｍｌ）供給した。
【０３２２】
なお、図示しないが、養液は栽培トレイの一端（幅広端）から供給された後、栽培トレイを伝って移動し、他端（幅狭端）から下方にこぼれ落ちるようにして移動する。また、植物を植栽する複数の穴（ＳＥＧ）からも下方に落下する。
【０３２３】
そして栽培トレイからこぼれ落ちた養液は、養液受けで集められた後、ポンプを使って最上段に移動するように循環する。
【０３２４】
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【０３２５】
同様に、ＬＥＤを栽培期間中パルス光ではなく連続光（ＣＷ）にしたこと以外は、栽培例１と同じ装置、同じ条件で２１日間栽培実験を行った（比較栽培例１）。
【０３２６】
（６）結果
定植から２１日後にレタスを茎の部分から根を切り落とし、残った葉と茎の平均重量を測定した結果を表３に示す。
【０３２７】
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【０３２８】
【表３】
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【０３２９】
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【０３３０】
次にその苗を、栽培トレイ内の３個のＳＥＧに定植した。そして、２つのキャビネットを用意して、この栽培トレイを各キャビネット内で中段と下段の栽培棚にそれぞれ３列置いた。また、上段には実際に使用する状況を考慮して、ウレタン苗床にレタスの種子を播種してＳＧＥに入れた栽培トレイを３列置いた。
【０３３１】
こうすることで、キャビネットの天井に置いた１台のＬＥＤ照明の光は上段の栽培棚による損失を経て、中段の栽培棚、さらに下段の栽培棚に減衰しながら届く。
【０３３２】
キャビネットでは、ＬＥＤを周波数２００Ｈｚ、デューティーサイクル５０%（点灯と消灯各２．５ｍｓｅｃ）の条件でパルス発振させ、栽培期間中レタスに照射した。このときの光量子束密度（ＰＰＦＤ）を測定したところ、中段が約７５μｍｏｌ・ｍ−２・ｓｅｃ−１、下段が約３５μｍｏｌ・ｍ−２・ｓｅｃ−１であった。
【０３３３】
そして、養液の作製や各種プログラム制御は実施例６と同じにして、２１日間の栽培を行ったところ、定植時の重量に対して中段は約４倍に、下段は約２倍の重量にレタスは成長していた。
【０３３４】
このことから、透明な栽培トレイを使用すればＬＥＤ照明1台でも多段に配置した植物の成長が可能であることを確認した。
【０３３５】
2014209900.tif 000187
【０３３６】
周波数が低いから収量が多いわけでもなく、また逆に周波数が高ければ収量が多いこともない。このことから収量を多くする周波数には最適値があり、その値の範囲に周波数を制御する必要があることがわかった。
【０３３７】
【表４】
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【０３３８】
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【０３３９】
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【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図１Ｆ】
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【図１Ｇ】
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【図１Ｈ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年3月11日(2014.3.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2014209900.tif 000212
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
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