(57)【要約】  藻を用いて二酸化炭素を固定する方法及び装置は複数の垂直に吊り下げられたバイオリアクタを有し、それぞれのバイオリアクタは、半透明であり、複数のバッフルによって形成された流路を有する。培養タンクは水及び少なくとも一つの藻の懸濁液を含み、懸濁液中に二酸化炭素含有ガスを導入するための複数のガス噴出口を有する。培養タンクは、光の存在下で懸濁液を流路に流すために、それぞれの流路の導入口と流体連通している。
2009539608.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素を固定するための装置であって、
一つ以上の半透明のバイオリアクタを有し、
前記バイオリアクタは、光の存在下において藻を含む懸濁液を連続して流すためのバイオリアクタを通る流路を有する装置。
【請求項２】
水及び少なくとも一つの藻の懸濁液を含む培養タンクを更に有し、
前記培養タンクが前記懸濁液中に二酸化炭素含有ガスを導入するための複数のガス噴出口を有する請求項１に記載の装置。
【請求項３】
バイオリアクタが一つ以上のバイオリアクタの上部に配置された導入口を有し、
それぞれの導入口が培養タンクと流体連通している請求項２に記載の装置。
【請求項４】
一つ以上のバイオリアクタの導入口に懸濁液を送るためのポンプを更に有する請求項３に記載の装置。
【請求項５】
一つ以上のバイオリアクタが流路を形成する複数のバッフルを有する請求項２に記載の装置。
【請求項６】
前記複数のバッフルが水平に向けられている請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記複数のバッフルが一定の角度に向けられている請求項５に記載の装置。
【請求項８】
前記複数のバッフルが上向きの角度に向けられている請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記複数のバッフルが様々な角度に向けられている請求項７に記載の装置。
【請求項１０】
一つ以上のバイオリアクタが垂直に吊るされている請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
一つ以上のバイオリアクタが半透明である請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
一つ以上のバイオリアクタが可撓性ポリマー材料で作られている請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
ポリマー材料が、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリエステル、ポリアクリル酸、又はこれらの組み合わせから成る群から選択される請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
一つ以上のバイオリアクタがガス導入口を有する請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
流路が複数の垂直なバッフルを有する請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
藻がクロレラである請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
流路が３インチ（７．６２ｃｍ）以下の幅である請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
一つ以上のバイオリアクタがマトリクス形状に配置されている請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
人工光源を更に有する請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
一つ以上のバイオリアクタの底部が、前記懸濁液を培養タンクに戻す排出口を有する請求項１に記載の装置。
【請求項２１】
培養タンクと流体連通している藻収穫機を更に有する請求項１に記載の装置。
【請求項２２】
培養タンクと流体連通している水再循環装置を更に有する請求項２に記載の装置。
【請求項２３】
各バイオリアクタが少なくとも二つの部材の間に配置されており、前記少なくとも二つの部材はそれぞれのバイオリアクタの両面上を水平に移動可能に配置されている請求項１に記載の装置。
【請求項２４】
二酸化炭素を固定する方法であって、
水及び藻の懸濁液を形成することと、
一つ以上の半透明なバイオリアクタ中に形成されている流路に懸濁液を流すことと、
藻を光に当てることと、
光合成によって二酸化炭素を有機化合物へと変換することと
を有する方法。
【請求項２５】
二酸化炭素が懸濁液に溶けるように二酸化炭素含有ガスを懸濁液が充填された培養タンクに導入することと、
重力流によって懸濁液を前記培養タンクから流路に流すことと
を更に有する請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
流路は複数のバッフルを有し、前記バッフルは流路を通る懸濁液の流れの中に渦を作り出す請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
複数のバッフルが、渦を作り出すために上に向けられている請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
懸濁液を流路の導入口へとポンプ輸送することを更に有する請求項２４に記載の方法。
【請求項２９】
約１０ガロン（３７．８５リットル）／時の流速で懸濁液を流路に流すことを更に有する請求項２４に記載の方法。
【請求項３０】
ガスが外気である請求項２５に記載の方法。
【請求項３１】
懸濁液が日光に当てられる請求項２４に記載の方法。
【請求項３２】
懸濁液を培養タンクへ戻すことを更に有する請求項２４に記載の方法。
【請求項３３】
それぞれの流路を透過する光のレベルをモニタすることを更に有する請求項２４に記載の方法。
【請求項３４】
一つ以上のバイオリアクタに二酸化炭素含有ガスを導入することを更に有する請求項２４に記載の方法。
【請求項３５】
光のレベルが約２５０フート・カンデラ（２６９１ルクス）以上に到達するまで、流路を通る懸濁液の流れを持続することを更に有する請求項２６に記載の方法。
【請求項３６】
光のレベルが約２５０フート・カンデラ（２６９１ルクス）に到達した後に、ろ過によって藻を除去することを更に有する請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
懸濁液の細胞密度を測定することを更に有する請求項２４に記載の方法。
【請求項３８】
一つ以上の半透明なバイオリアクタ中に形成されている流路に懸濁液を流すことが、約５ｃｍ／秒から約１５ｃｍ／秒の範囲の流速で懸濁液を流すことを有する請求項２４に記載の方法。
【請求項３９】
一つ以上の半透明なバイオリアクタ中に形成されている流路に懸濁液を流すことが、滅菌状態で懸濁液を流路に流すことを有する請求項２４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
連邦支援の研究開発に関する記述
不適用
背景
発明の分野
本発明は概して二酸化炭素の固定の分野に関連しており、より詳細には藻を用いた二酸化炭素を固定する装置及び方法に関連する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
二酸化炭素（ＣＯ2）の地球規模の増加は、ここしばらくの間の世界的な懸念事項である。体積に関して測定されると、産業革命の開始時の空気１００万部中に二酸化炭素は約２８０部であったが、今日では１００万あたり３６０部（ｐｐｍ）であり、３０パーセント増加している。一年あたりの増加は２ｐｐｍであり、増加し続けている。現在の傾向が続くと、大気中の二酸化炭素濃度は２１世紀の後半において二倍になり約７００ｐｐｍになるであろう。現在、多くの科学者は、過去５０年に見られた地球温暖化のほとんどは人間の活動由来のこの二酸化炭素の増加が原因であると考えている。
【０００３】
緑の植物が光合成によって二酸化炭素を取り込むことは周知である。光合成は日光の持続的なエネルギーを生物が利用可能なエネルギーへと変換する。クロロフィルの存在下において植物は日光を用いることで、二酸化炭素および水を、食物を必要とするほぼ全ての動物及び人間に直接又は間接的に供給する炭化水素、およびこの作用の副産物として放出される酸素といくらかの水とに変換する。光合成の速度に影響を与える主要な因子は、好ましい温度、光強度のレベル、及び二酸化炭素の利用可能性である。大半の緑の植物は現在の大気レベルよりかなり高い二酸化炭素濃度に非常に好ましく反応する。
【０００４】
植物などの生物システムにおいて二酸化炭素の取り込みを増加させる方法は多数あるものの、費用効率の良い方法においてそれを行うことは困難であることが示されてきた。様々な種類の藻が最速の二酸化炭素の取り込みを示す。海での濃縮計画は侵襲的であり、それらが解決するより多くの問題をもたらすであろう。特にその計画は藻の形態の海草を生育しようとし、エコシステム全体に障害を与える又は破壊するであろう。さらに、そのような方法で産生された藻を収穫する手段はない。
【０００５】
地上での藻のシステムは二酸化炭素を捕捉するのに非常に効果的であるが、利用可能な土地およびコストによって制限される。開放的な受動又はバッチシステムにおいては、一年あたり１ヘクタールで藻から約１５０メートルトン（１５０，０００ｋｇ）の乾燥バイオマスを生産することができるのみである。これらの数字を用いると、天気や水の利用可能性を考慮しないとしても、１０００メガワットのガスタービン発電所から排出されるものを捕捉するためには、２００ヘクタール以上の開けた土地が必要であろう。大量の藻の産生に不可欠なものは光の存在である。藻は光を用いて二酸化炭素を糖へと変換する、すなわち、光合成を行う。残念なことに、光は藻の活性的な培養物中に数センチメートル透過するのみである。藻類生物が繁殖して培養物の密度が上昇するにつれて、光の透過度は低下する。いくつかの研究は光ファイバの使用を活用しており、それは非常に高価で非効率的であった。
【０００６】
結果的に、藻を用いて二酸化炭素を固定する装置及び方法であって、費用効果が良く藻を十分な量の光に当てることができるものが望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】ＵＳ５９８１２７１Ａ
【発明の概要】
【０００８】
概要
藻を利用して気体から二酸化炭素を固定および除去するための装置および方法が本明細書中で説明される。開示される装置および方法は一つ以上のバイオリアクタを用いて二酸化炭素の固定のための連続的な処理を提供し、各バイオリアクタは藻を二酸化炭素と反応させるバッフル付きの流路を有する。それぞれのバイオリアクタは透明又は半透明なポリマー材料で作られており、それは容易に製造可能であるとともに安価なバイオリアクタを通る流路を形成する。さらに、透明又は半透明なポリマー材料による流路は露光のための大きな表面積をもたらすことで、流路の形状に関する可撓性とともに、より長い藻の露光を可能にする。
【０００９】
ある実施形態においては、二酸化炭素を固定するための装置は水および少なくとも一種の藻の懸濁液を含む培養タンクを有する。培養タンクは、二酸化炭素含有ガスを懸濁液に導入するための複数のガス噴出口を有する。また、装置は一つ以上のバイオリアクタを有し、各バイオリアクタはそこを通る懸濁液の流れのための流路を形成し、それぞれのバイオリアクタは複数のバッフルと導入口とを有する。それぞれの導入口は各バイオリアクタの上部に配置されていることが好ましく、培養タンクと流体連通している。さらに、装置は懸濁液を一つ以上のバイオリアクタの上部にある導入口に送るためのポンプを有する。
【００１０】
別の実施形態においては、二酸化炭素を固定する方法は、二酸化炭素が懸濁液中に溶解するように、水および少なくとも一つの藻の懸濁液が充填された培養タンクに二酸化炭素含有ガスを導入することを含む。方法は、垂直に吊るされた複数のバイオリアクタに培養タンクから重力流によって流すことを更に有し、複数のバイオリアクタはそれぞれ複数の水平なバッフルを備える培養流路を有する。さらに、方法はバイオリアクタを光に当てることを有する。また、方法は光合成によって二酸化炭素を少なくとも一つの有機化合物に変換することを有する。
【００１１】
開示される方法及び装置の多くの利点の内の一つは、バッチ法よりもダイナミック又は連続的である処理の導入である。連続処理は常に動く藻の流れに対する最大の露光を可能にする。したがって、バッチシステムと比較すると、各藻類生物は閉じたシステムを継続的に流れるため、最終的には光に照らされる。
【００１２】
前述の記載は本発明の特徴及び技術的な利点を広く概説しており、それは以下に続く本発明の詳細な説明をより良く理解できるようにするためである。本発明の更なる特徴及び利点はこれ以降において説明され、それは本発明の請求の範囲の対象を形成する。構想及び開示される特定の実施形態は、本発明と同一の目的を果たすための別の構造を改良又は設計するための基礎として利用できることが当業者によって理解されなければならない。また、当業者はそのような同等の構成が添付された請求項に規定される発明の精神及び範囲から逸脱しないことを認識すべきである。
【００１３】
本発明の好適な実施形態の詳細な説明のために、以下添付の図について記載する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】藻を用いて二酸化炭素を固定するための装置の概略図を示している。
【図２】バイオリアクタの培養流路の実施形態の一部分の側断面図および正面図を示している。
【図３】バイオリアクタの培養流路の他の実施形態を示している。
【図４Ａ】垂直のバッフルを有するバイオリアクタの正面図を示している。
【図４Ｂ】上向きのバッフルを有する実施形態の正面図を示している。
【図４Ｃ】上および下向きの平行に配置されたバッフルを有する実施形態の正面図を示している。
【図４Ｄ】全てが下を向いたバッフルを有する実施形態の正面図を示している。
【図５Ａ】一つ以上のバイオリアクタの長方形のマトリクス形状である配置の上面図を示している。
【図５Ｂ】一つ以上のバイオリアクタの別の長方形のマトリクス形態である配置の上面図を示している。
【図５Ｃ】一つ以上のバイオリアクタの多角形状の配置の上面図を示している。
【図６】バイオリアクタのための清浄装置を示している。
【００１５】
表記および命名
ある用語が、特定のシステム要素を参照するために以下の記載および請求項において使用される。この文書は、名称の点で異なる要素間を区別することを意図しておらず、機能の点で異なる要素間を区別することを意図している。以下の説明においては、用語「含んでいる」および「有している」は、非制限用法として使用しており、したがって、「含んでいるが、・・・に限定されない」を意味していると解釈されるべきである。
【００１６】
好適な実施形態の詳細な説明
図１は、藻を用いて二酸化炭素を固定するための装置の実施形態を示している。この実施形態において、装置は培養タンク１０１、ポンプ１２２および一つ以上のバイオリアクタ１３１を有している。培養タンク１０１、ポンプ１２２およびバイオリアクタ１３１は、互いに全て流体流通するとともに複数の導管或いはラインを介して互いに全て接続されている。
【００１７】
培養タンク１０１は藻および水の懸濁液で満たされている。通常、培養タンク１０１は長方形構造を有している。しかしながら、培養タンク１０１はいかなる構造でも構わない。すなわち、藻を培養するために最適である通常の技術内の一つとして既知の円筒形でもよい。培養タンク１０１は、ポリマー或いはステンレス鋼のような腐食に耐える材料からできている。好適な実施例では、培養タンク１０１はプラスチック、プラスチックライナ、処理金属、或いはそれらの組み合わせからできている。他の実施形態によれば、培養タンク１０１は装置１００がクローズドシステムであるように大気に対して閉じられる。クローズドシステムを持つことによって、水の蒸発と同様に藻の懸濁液の汚染を防止できる。培養タンク１０１に入ってくる唯一のガスは、ガス噴出口１０３を介する。さらに、バイオリアクタ１３１に入ってくる全ての培地および流体は、汚染をさらに防止するために殺菌されることが望ましい。すなわち、懸濁液は殺菌状態でバイオリアクタ１３１を通って流れる。ここで、無菌状態とは、当業者が細菌或いは微生物の汚染がない無菌環境を維持することができるような既知の状態を指している。
【００１８】
培養タンク１０１は、少なくとも一つのガス噴出口１０３も有している。ガス噴出口１０３は、二酸化炭素含有ガスを培養タンク１０１に案内する。ガス噴出口１０３は、適切なタイプの入口、たとえばバルブ、ノズル、或いはガスディフューザを有している。好適な実施形態においては、複数のガス噴出口１０３は複数のガスディフューザを有している。ガスディフューザは、案内されたガスを小さくてより可溶性の高い泡へと細かくする。もう一つの好適な実施形態によれば、複数のガス噴出口１０３は、培養タンクの底部に配置される。
【００１９】
あらゆる適切な藻がタンク１０１で培養可能である。好適な実施例において、藻の種であるクロレラ(Chlorella)が使用される。適切な藻の種の他の例は、紅藻類、褐藻類、スピルリナ（Spirulina）、或いはそれらの組み合わせを含んでおり、制限はない。好適な実施形態によれば、藻の種は、装置を詰まらせないように繊維状でないことが好ましい。一つの実施形態では、藻の種は、約１ミクロンから約１５ミクロンの範囲内にある単細胞の藻の種である。
【００２０】
通常、水、すなわち水道水或いは蒸留水が藻を培養するために使用される。一つの実施形態では、水は殺菌されており、いかなる汚染物質も存在しない。或いは、塩水種の藻を培養するために塩水が使用される。しかしながら、当業者に既知のあらゆる適切な培地が特定の藻の種に応じて使用可能である。他の実施形態では、複数の魚が培養タンク１０１に維持される。魚は糞の形で硝酸塩を作り出すとともに藻を摂取する。魚の糞は、藻をさらに培養するために使用される。さらなる実施形態では、培養タンク１０１は藻にさらなる栄養物を導入あるいは提供するための一つ以上の飼料導入口を有している。この一つ以上の飼料導入口は、特定の種類の栄養物、鉱物、培地などが充填された一つ以上の飼料タンクに接続される。一つの実施形態では、一つ以上の飼料タンクが培養タンクに直列に或いは並列に配置される。飼料導入口および飼料タンクは、殺菌状態の下で維持されるのが好ましい。
【００２１】
飼料導管１２０は、培養タンク１０１からポンプ１２２へと延びている。ポンプ１２２は、懸濁液をポンプでくみ上げ可能な適切な装置であればよい。適切な装置の例は、遠心力ポンプ、インペラーポンプ、或いは回転ポンプを含んでおり、これに限定されない。一つの実施形態では、飼料導管１２０は、より多くの二酸化炭素含有ガスで藻の懸濁液を飽和可能にする空気導入口バルブ１２４をさらに有している。空気導入口バルブ１２４によって、ガスは飼料導管１２０に入ることが可能となるが、いかなる藻の懸濁液も逃がさないようになっている。このように、藻の懸濁液は、二酸化炭素を常に供給されている。飼料導管１２０は、さらに、ポンプ１２２から導入口連結管１５１へと延びている。導入口連結管１５１は、二酸化炭素の豊富な藻の懸濁液を各バイオリアクタ１３１の導入口１３２に分配する。各バイオリアクタ１３１の導入口１３２は、図２に示されるように、藻の懸濁液がバイオリアクタを介して下方に流れるように、各バイオリアクタ１３１の上端に配置されるのが好ましい。
【００２２】
バイオリアクタ１３１は、通常は、透明或いは半透明のポリマー材料で構成されている。言い換えると、光を透過するポリマー材料である。さらに、ポリマー材料は可撓性の材料が好ましい。可撓性材料によって、バイオリアクタは扱いがより容易になるとともに異なる流速の補正が可能となる。幾つかのケースでは、ポリマー材料は弾性特性さえ有している。適切な材料の例は、制限するのではないが、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリプロピレン−ポリエチレンの共重合体、ポリウレタン、或いはそれらの組み合わせを含んでいる。好適な実施形態では、バイオリアクタ１３１はポリエチレンでできている。高濃度のポリエチレン或いは低濃度のポリエチレンを含んだあらゆるタイプのポリエチレンが使用可能である。さらに、ポリマー材料は、繰り返しの露光及び長時間の露光に耐えるように、UV処理されている。
【００２３】
ポリマー材料の厚さは、約３ｍｍから約１０ｍｍの範囲内であり、さらに好ましくは、約４ｍｍから約６ｍｍの範囲内である。ポリマー材料は、少なくとも５０ガロンの水の重さに耐えることのできる引張強度を有しているのが望ましい。
【００２４】
ポリマー材料は、通常はチューブの形で生成されて、ヒートシール可能である。チューブ状のポリマー材料は折り曲げられて隣接側部を形成し、隣接側部がヒートシールされることによって、チューブ状のポリマー材料の上端及び下端を閉じて内部流路１３３を形成することができる。以下において、より詳細に記載される。当然のことながら、バイオリアクタ１３１は、バイオリアクタ１３１の両側をシールするためにヒートシールされたポリマー材料の二つの平面シートからできていてもよい。
【００２５】
好適な実施形態では、バイオリアクタ１３１は、ほぼ平面の形状である。例示的な実施形態では、各バイオリアクタは、高さ約１０フィート（約３０４．８ｃｍ）で幅約２フィート（約６０．９６ｃｍ）であり、或いは高さ約１０フィート（約３０４．８ｃｍ）で幅約４フィート（約１２１．９２ｃｍ）、或いは高さ約１０フィート（約３０４．８ｃｍ）で幅約１０フィート（約３０４．８ｃｍ）である。しかしながら、他の実施形態では、各バイオリアクタは、約４フィート（約１２１．９２ｃｍ）の幅から約３０フィート（約９１４．４ｃｍ）の幅および約５フィート（約１５２．４ｃｍ）の高さから約２０フィート（約６０９．６ｃｍ）の高さの範囲内でもよい。さらに、各バイオリアクタの高さ：幅の比率は、いかなる比率でもよい。実施形態においては、各バイオリアクタの高さ：幅の比率は、約１０：１から約１：１の範囲内である。さらに、各バイオリアクタ１３１は、循環する藻に対する露光を最適化するために、異なる高さおよび幅を有してもよい。
【００２６】
流路１３３は、複数のバッフル或いは仕切り１３５によって形成される。バッフル１３５は、各流路１３３において藻の滞留時間を最大化するのに役目を果たす。藻の滞留時間が長ければ長いほど、バイオリアクタ１３１内の藻はそれだけ長く露光される。実施形態では、バイオリアクタ１３１内の藻の滞留時間は、約１分から約６０分、或いは約５分から約４５分、或いは約１０分から約１５分の範囲内である。一つの実施形態において、バッフル１３５は、材料の隣接する側に沿った特定の場所でポリマー材料をヒートシールすることによって作り出される。
【００２７】
バッフル１３５は、各バイオリアクタ１３１内に流路１３３を形成する。図２は、バイオリアクタ１３１の典型的な実施形態における流路１３３の断面を示している。図２において、各流路１３３の高さ（各バッフル１３５間の空間）をｈと呼び、各流路１３３の最大幅をｗと呼ぶ。ｈは、約３インチ（約７．６２ｃｍ）以下が好ましい。さらに、ほとんどの実施形態では、ｈは約２インチ（約５．０８ｃｍ）以下が好ましい。各流路の幅ｗは、各流路１３３を流れる藻が生存するのに十分な光を受けるように設定される。バイオリアクタを流れる懸濁液の重量はポリマー材料を伸ばし、その結果、ポリマー材料を透過する光が流路１３３を流れる懸濁液内の全ての藻に到達することが可能となるように、幅ｗを最小に維持させるようになっている。この重量により流路１３３が膨張することを防止されることによって、幅ｗが増加し、流路１３３の中央を流れる藻に光が到達することを防止することができる。
【００２８】
ある実施形態では、ほぼ水平の流路１３９および端の流路１３７を形成するために、バッフル１３５は交互に水平に配置される。各水平の流路１３９は、開放端１４１および閉端１４３を有している。端の流路１３７は、上方のバッフル１３５の開放端１４１および隣接する下方のバッフル１３５の閉端１４３の周辺に形成される。バッフル１３５によって、流路１３３は蛇行の形になる。各バッフルの端１４１は、藻の懸濁液がバイオリアクタ１３１を下方に流れるにつれて、藻の懸濁液内に乱流を発生させる。この乱流は、これらの端１４１において渦を発生させ、これによって、藻の懸濁液のより良い混合を可能にする。培養懸濁液の滞留時間をさらに増加させるため、追加のバッフル（図４Ａ）は、水平に配置されたバッフル１３５に対して垂直向きに形成されることができる。
【００２９】
ここで図３を参照すると、別の実施形態において、バッフル１３５が上に向けられることによって、図３に示されるようにバイオリアクタ１３１における藻の滞留時間を長くすることができる。すなわち、それぞれのバッフル１３５は、バイオリアクタ１３１の側部１５７とバイオリアクタ１３１の上部に向いた上向きの鋭角１５５を形成する。角１４９又はポケットが、それぞれのバッフル１３５とバイオリアクタ１３１の側部１５７との交差部において形成される。角１４９は循環する藻および培地中に渦を形成することができる。藻がバイオリアクタ１３１を流れるにつれて、藻はそれぞれの角１４９に形成された渦または混合領域で一時的に循環し又は渦巻き、結果的にバイオリアクタ１３１中の藻の露光時間を長くすることができる。いくつかの実施形態においては、バッフル１３５は図４Ｄに示されるように下に向けられることができる。このように、バッフル１３５は、バイオリアクタ１３１の側部１５７から約３０度から約１６０度の範囲であるあらゆる適切な角度に向けることができることが想定される。
【００３０】
通常、各バッフル１３５は同じ角度に向けられている。しかしながら、別の実施形態においては、各バッフル１３５は相互に異なる角度に向けられることができる。図４Ａ−Ｄは、バイオリアクタ１３１に利用可能な様々な形態のバッフル１３５を示している。図４Ｂは、バッフルが全て上に向けられた実施形態を示している。図４Ｃは、バッフル１３５が交互に上又は下に向けられている平行な配置に形成されている一つの実施形態を示している。図４Ｄは、バッフル１３５が全て下に向けられている一つの実施形態を示している。バッフル１３５の配置はこれらの実施形態に限定されず、藻による二酸化炭素の固定を増加するための無数の形状を有することができることが理解される。複数のバイオリアクタ１３１を備える実施形態においては、各バイオリアクタは異なるバッフルの配置又は形状を有することで、藻の滞留時間を最適化することができる。
【００３１】
好適な実施形態においては、複数の透明なバイオリアクタ１３１が垂直に垂れ下げられる又は吊るされる。バイオリアクタ１３１はあらゆる適切な形態で吊るされることができる。しかしながら、バイオリアクタ１３１にとって、各流路１３３が最大量の光に照らされるよう吊り下げられることが望ましい。図５Ａ−Ｃは、バイオリアクタ１３１がトップダウンの視点から垂れ下げられる又は吊るされている様々な変形体の模式的な平面図を図示する。図５Ａは、バイオリアクタが長方形マトリクス形状に形成されている典型的な実施形態を示している。例えば図５Ａにおいて、マトリクスは二つのバイオリアクタの幅であり、６つのバイオリアクタの流路の深さである。図５Ｂは、マトリクスが６つのバイオリアクタの幅であり、二つのバイオリアクタの深さである更に別の実施形態を示している。バイオリアクタがマトリクス形状に配置されている実施形態においては、バイオリアクタ１３１は６インチ（１５．２４センチ）以下離れていることが好ましい。図５Ｃは、バイオリアクタが多角形状に配置されている別の実施形態を図示している。このように、バイオリアクタは培地の露光を最大にするための形状に関してほぼ無限の可能性を有する。
【００３２】
ある実施形態においては、複数のバイオリアクタ１３１は異なる高さに吊るされている。異なる高さにバイオリアクタ１３１を吊るすことは、各バイオリアクタ１３１を通る藻の懸濁液の流速を変化させる。各バイオリアクタ１３１に対して流速を変えることは、各バイオリアクタ１３１に対する改善された光の分配をもたらすと考えられる。
【００３３】
ここで図１を参照すると、排出口連結管１５３は、各バイオリアクタ１３１の排出口１３４からの流れを案内する。通常、排出口１３４はそれぞれのバイオリアクタ１３１の底に配置されており、排出口連結管１５３に通じている。排出口連結管１５３は流れを排出管１３９へと分配する。排出管１３９は、藻の懸濁液を培養タンク１０１に戻るよう再循環させる。或いは、それぞれのバイオリアクタ１３１は各排出口１３４に連結された個別の排出管を有する。そして、各排出管は培養タンクに直接流れ出る。別の実施形態においては、各バイオリアクタ１３１は図２に見られるガス導入口１６３を有する。ガス導入口１６３は、通常各バイオリアクタ１３１の底又は下端に配置されている。しかしながら、ガス導入口１６３はバイオリアクタ１３１のあらゆる部分に配置可能である。ある実施形態においては、ガス導入管１６３はガス供給ライン１０７に連結可能である。さらに、ガス導入口１６３はバイオリアクタ１３１へのガスの流れを調整するためのバルブを有することができる。ガス導入口１６３の機能は以下においてより詳細に説明される。別の実施形態において、排出口連結管１５３は、バイオリアクタ中に存在する過剰な酸素を排出するための一つ以上の穴を有することができる。一つ以上の穴は一つ以上のパージバルブを有することができる。さらに、一つ以上の穴は、バイオリアクタ１３１内の殺菌状態を維持するため等のように過剰な酸素を排出することができる。
【００３４】
ここで図６を参照すると、別の実施形態においては、バイオリアクタ１３１は少なくとも二つの洗浄部材１４８を有することによって、バイオリアクタ１３１の内部に付着したあらゆる藻を落とし、バイオリアクタ１３１内に流すことができる。いくつかの実施形態において、洗浄部材１４８はバイオリアクタ１３１の両面に平行移動可能に配置された細長い棒又はローラである。言い換えると、バイオリアクタ１３１は洗浄部材の間に配置されている。ある実施形態では、洗浄部材１４８はバイオリアクタ１３１の両側に配置された垂直トラック１４６に連結されている。洗浄部材１４８は、それぞれの部材１４８の間にバイオリアクタ１３１を有し、バイオリアクタ１３１の高さにわたって垂直に上又は下に移動することで、バイオリアクタ１３１の内面に付着したあらゆる藻を除去することができる。さらに、洗浄部材１４８が上および下に移動することによって各バイオリアクタ１３１を圧迫又は解放できるように、洗浄部材１４８は移動可能なスクリューアームによって垂直トラック１４６に連結可能である。洗浄部材１４８はコンピュータ制御又は手動で操作可能である。
【００３５】
別の実施形態においては人工光源が設置されている。光源は自然な日光が好ましいものの、一つ以上の人工光源も利用可能である。適切な人工光源の例は、蛍光灯、ハロゲンランプなどである。特定の実施形態においては、金属ハロゲンライトとナトリウム蒸気ライトとの組み合わせが利用される。人工光源は一つ以上のバイオリアクタ１３１の周りに配置されることによって、各バイオリアクタ１３１内の藻に多量の光を供給することができる。
【００３６】
再び図１を参照すると、別の実施形態においては、装置は藻収穫機１７１を有する。タンクの排出管１６３は培養タンク１０１から藻収穫機１７１へと延びている。通常、藻収穫機１７１は藻の懸濁液から藻をこすためのフィルタを有する。また、藻収穫機１７１はコンベヤを有し、前記コンベヤは加熱装置のそばを通過することで、藻から水分を除去することができる。コンベヤは収集機へと延びており、前記収集機は乾燥した藻をこすことができる。
【００３７】
別の実施形態においては、装置は水再生装置又は再循環装置１７３を有する。水蒸気は、培養タンク１０１から水再循環導管１６１を介して水再循環装置１７３へとポンプによって輸送される。ある実施形態においては、水際循環装置１７３はコンデンサを有し、前記コンデンサは水蒸気を凝結する。さらに水再循環装置１７３は、再循環される水を培養タンクに送り戻される前に浄化するためのろ過システムを有する。或いは、水再循環装置１７３は当業者に周知の水を純化するためのあらゆる装置を有することができる。
【００３８】
さらに別の実施形態においては、一つ以上のバイオリアクタ１３１が保護シェル１８１によって完全に覆われている。シェル１８１の機能は、バイオリアクタ１３１の寿命を延ばすことと、それらを風や雨などの環境要素から保護することである。ある実施形態においては、保護シェル１８１はクォンセット型（Quonset-type）シェルである。クォンセットシェルは光を透過可能な全天候型材料で作られることが好ましい。適切な材料の例には、限定するのではないが、ポリエチレン、ポリカーボネート、ポリビニルクロライド、ポリプロピレン又はガラスが含まれる。別の実施形態においては、保護シェル１８１は温室型の筐体である。そのような実施形態では、追加人工光源に電力供給するために温室型の筐体内で生じた熱は電力に変換可能である。
【００３９】
別の実施形態においては、導入管１２０又は排出管１３９などの様々なラインが地下深くを走ることによって、培地及び藻を冷却することができる。理論によって制限されることなく、地面は自然のヒートシンク又は熱交換機として機能することによって、ライン中の暖かな流体から熱を吸収することができる。暑い夏の月の間でさえ、地面は装置１００を流れる培地および藻を冷却するのに十分に冷たく保たれる。
【００４０】
ある実施形態においては、二酸化炭素を固定する方法は、藻と水との懸濁液を含む培養タンク１０１へとガス噴出口１０３を介して二酸化炭素含有ガスを入れることを含む。ガス噴出口１０３は藻の懸濁液の中でガスを泡にする。ある実施形態においては、ガス噴出口１０３はガス供給ライン１０７からガスを供給される。外気が培地タンク１０１の中で泡にされることが好ましい。通常、飼料導管１２０に入る藻の懸濁液は所定の二酸化炭素濃度を有する。ある実施形態においては、二酸化炭素レベルは約５０００ｐｐｍ以下であり、又は約２５００ｐｐｍ以下であり、或いは約１０００ｐｐｍ以下である。あるレベル以上の二酸化炭素濃度は、藻の懸濁液を酸性にするため、藻の生育を阻害する。二酸化炭素に富む藻の懸濁液は、培養タンク１０１から飼料導管１２０を通って導入口連結管１５１へとポンプ輸送される。
【００４１】
ある実施形態においては、培養タンク１０１は地下に配置されている。したがって、ポンプ１２２は、藻の懸濁液を地下の培養タンク１０１から飼料導管１２０を介してバイオリアクタ１３１の上部へと送る。別の実施形態においては、培養タンク１０１はバイオリアクタ１３１の上部と同じ高さに持ち上げられている。そのような実施形態においては、藻の懸濁液は重力によって培養タンクから導入口連結管１５１へと流れる。ポンプ１２２は、その代わりに藻の懸濁液を排出管１３９から培養タンク１０１へと送り込む。
【００４２】
導入口連結管１５１は、垂直に吊るされた各バイオリアクタ１３１の上部に藻の懸濁液を分配する。藻の懸濁液は、重力流によって導入口連結管１５１からバイオリアクタ１３１の迂回流路１３３を通って下へと流れる。懸濁液がバイオリアクタ１３１を通って下に流れるにつれて、混合物中の藻は光、好ましくは自然の日光にさらされる。藻は懸濁液に溶解した二酸化炭素を取り込み又は固定し、それを光合成の過程を経て糖及び炭水化物に変換する。光合成において、光子が生体内のクロロプラストに当たる。クロロプラストは化合物であるクロロフィルを有する。クロロフィルおよび二酸化炭素の存在下においては、化学反応が起きて炭水化物、糖、および酸素を生成する。したがって、光合成の自然作用を経て、藻は二酸化炭素を固定し、それを他の有用な炭素化合物へと変換する。生成された化合物は藻にとっての栄養源であり、更なる藻の生育及び産生を可能にする。光が利用できない場合は、藻は細胞呼吸を行い、更なる藻を産生するために糖をエネルギーへと変換する。ある実施形態においては、１ヘクタールの土地あたり約１０００から約２０００トンの二酸化炭素が１年で固定可能である。
【００４３】
藻の懸濁液の流速は、他の因子の中でもバイオリアクタ１３１の高さに依存している。通常、各バイロリアクタを流れる懸濁液の流速は約１ガロン（３．７８５リットル）／時間から約１００ガロン（３７８．５リットル）／時間の範囲、好ましくは約５ガロン（１８．９３リットル）／時間から約７５ガロン（２８３．９リットル）／時間の範囲、より好ましくは約１０ガロン（３７．８５リットル）／時間から約５０ガロン（１８９．３リットル）／時間の範囲である。或いは、バイオリアクタを通る藻の懸濁液の流速は約１ｃｍ／秒から約５０ｃｍ／秒、好ましくは約３ｃｍ／秒から約２５ｃｍ／秒、より好ましくは約５ｃｍ／秒から約１５ｃｍ／秒の範囲である。
【００４４】
ある実施形態においては、藻の懸濁液は、バイオリアクタ１３１を出て、各バイオリアクタからの排出口を一つの排出管１３９へと連結している排出口連結管１５３を通ることで、豊富な藻を培養タンク１０１へと送ことができる。別の実施形態において、それぞれのバイオリアクタ１３１は、直接培養タンク１０１へと流れこむ排出管を有する。或いは、それぞれのバイオリアクタ１３１は、別のバイオリアクタ１３１の導入口へと藻を導く排出管を有する。このように、一つより多いバイオリアクタ１３１を有する実施形態においては、藻は少なくとも一度それぞれのバイオリアクタ１３１を通って回る又は循環することによって、藻の露光を最大にすることができる。結局、一つ以上のバイオリアクタ１３１由来の藻は最終的に培養タンク１０１へと戻り、その後に何度も連続的に一つ以上のバイオリアクタ１３１を通って循環される。このように、連続処理の利点は、いくらかの藻は一回の循環において十分な光を受けることができないとしても、一つ以上のバイオリアクタ１３１を通る藻の連続的な再分配によってそれらの藻が最終的に露光される機会があることである。
【００４５】
ある実施形態においては、二酸化炭素などのガスがガス導入口１６３を通って各バイオリアクタ１３１に導入される（例えば泡にされる）。ガスはガス供給１０７又は外気などの他の供給源から導入可能である。あらゆる適切なガスは、ガス導入口を介してバイオリアクタ１３１へと導入可能である。バイオリアクタ１３１へと導入されたガスは、いくつかの目的を果たすことができる。例えば、バイオリアクタ１３１を通るガスの泡立て作用は、バイオリアクタ１３１内の藻および培地の更なるかき混ぜ及び混合を促進することができる。理論によって制限されることなく、光合成反応が二酸化炭素濃度に依存するため、ガスの導入は藻による光合成の速度を維持するのに役立つ。バイオリアクタ１３１内の二酸化炭素濃度が低下しすぎると、藻はその光合成を停止させるであろう。さらに、ガス導入口を介するバイオリアクタ１３１への二酸化炭素含有ガスの導入は、外気から二酸化炭素を吸収又は固定する更なる手段を提供できる。
【００４６】
ある実施形態においては、藻の生育又は濃度は、各バイオリアクタを透過する光のレベルを測定することによってモニタ可能である。例えば、光のレベルが約２５０フート・カンデラ（２６９１ルクス）より小さい場合、藻の生育は、光がバイオリアクタの最深領域を透過することができない飽和点又は飽和濃度に到達しているであろう。別の実施形態においては、藻の生育又は濃度は、当業者にとって既知の細胞密度（すなわち、培養溶液の細胞数／ｍｌ）を測定する方法又は装置を用いて測定可能である。例えば、限定するのではないが、コールターカウンタ（登録商標）（Coulter Counter (R)）又は遠心分離などの装置および方法が細胞密度を決定するために使用することができる。藻の生育が最大に達したことを光のレベルから判定されると、藻の懸濁液が培養タンク１０１から収穫導管１６３を通って藻の収穫装置１７１へとポンプで輸送される。また、装置１００内の状態は、あらゆる適切なタイプのモニタ装置を用いてモニタ可能である。モニタされる他の変更可能な要素には、限定するのではないが、ｐＨ、温度、流速、および圧力が含まれる。
【００４７】
通常、藻の収穫装置１７１は、藻が別の目的のために使用できるように藻を除去及び回収するよう用いられる。ある実施形態においては、藻は藻の懸濁液からろ過されて、その後にコンベヤーベルト上に堆積される。コンベヤーベルトは乾燥チャンバ又はヒータを通ることによって、藻を乾燥させることができる。そして、乾燥した藻は次なる使用のために収集される。いくつかの実施形態においては、乾燥した藻はバイオディーゼル用の油を生産するために用いられる。乾燥した藻は、限定するのではないが、家畜用の栄養タブレット、薪ストーブ用の燃料、および製紙用の材料を含む多くの用途に用いることができる。ろ過された水は循環導管１６５を通って培養タンク１０１に戻される。通常、開示された方法及び装置は、約１００ｐｐｍから約１９００ｐｐｍの範囲の量だけ領域内の二酸化炭素レベルを減少させることができる。
【００４８】
本発明及びその利点は詳細に開示されているものの、添付された請求項によって規定される発明の範囲から逸脱することなく様々な変更、置換及び修正をこの中ですることができることが理解される。同様に、請求項中の工程の順次的な記載は、工程が順番に行われること、又は別の段階の開始前に特定の段階が完了することを必要とすることを意図していない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【国際調査報告】
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