(57)【要約】  本発明は、農業ユニットであって、養殖で水生生物を育成し、水耕栽培で植物を栽培するための組み合わされた水生環境を提供するように適合されたタンクシステムを備え、これにより、前記水生生物の排出物が前記植物のための栄養分を産生するために前記水生環境中へ直接放出され、農業ユニットはさらに、電気化学装置を備え、前記電気化学装置は、電気エネルギ源によって提供される電気エネルギを消費しながら水素および酸素を産生するための電解モードで動作可能であり、前記電気化学装置はさらに、産生された前記水素を酸化することによって電気エネルギおよび熱を産生するための燃料電池モードで動作可能であり、前記電気化学装置は、産生された前記熱および産生された前記酸素の少なくとも一部を前記水生環境に移送するように前記タンクシステムに動作可能に連結されている、農業ユニットに関する。本発明はまた、このようなユニットの使用に関する。
2019516414.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
農業ユニット（１００）であって、
養殖で水生生物を育成し、水耕栽培で植物を栽培するための組み合わされた水生環境を提供するように適合されたタンクシステム（１１０）を備え、これにより、前記水生生物の排出物が前記植物のための栄養分を産生するために前記水生環境中へ直接放出され、前記農業ユニット（１００）はさらに、
電気化学装置（１３０）を備え、
前記電気化学装置（１３０）は、電気エネルギ源（１２０）によって提供される電気エネルギを消費しながら水素および酸素を産生するための電解モードで動作可能であり、前記電気化学装置（１３０）はさらに、産生された前記水素を酸化することによって電気エネルギおよび熱を産生するための燃料電池モードで動作可能であり、
前記電気化学装置（１３０）は、産生された前記熱および産生された前記酸素の少なくとも一部を前記水生環境に移送するように前記タンクシステム（１１０）に動作可能に連結されている、農業ユニット（１００）。
【請求項２】
前記電気エネルギ源として前記電気化学装置（１３０）に連結される再生可能エネルギ変換手段（１２０）をさらに備える、請求項１に記載の農業ユニット（１００）。
【請求項３】
前記再生可能エネルギ変換手段（１２０）は、光電池を備える、請求項２に記載の農業ユニット（１００）。
【請求項４】
前記再生可能エネルギ変換手段（１２０）は、風によって駆動されるタービンを備える、請求項２に記載の農業ユニット（１００）。
【請求項５】
前記再生可能エネルギ変換手段（１２０）は、潮力および／または波エネルギによって駆動されるタービンを備える、請求項２に記載の農業ユニット（１００）。
【請求項６】
前記水生生物は、テラピア、コイ、ニシキゴイ、マス、ナマズ、バラマンディ、ジェイドパーチ、およびブルーギルなどの淡水魚を含む、水生生物の産生のための、請求項１〜５のいずれか１項に記載の農業ユニット（１００）の使用。
【請求項７】
前記水生生物は、クレイフィッシュおよび淡水エビなどの甲殻類を含む、水生生物の産生のための、請求項１〜５のいずれか１項に記載の農業ユニット（１００）の使用。
【請求項８】
レッドリーフ、ルッコラ、ラディッキオ、レタス、チンゲンサイ、エンダイブ、クレソン、チコリ、スイカ、カンタロープ、ハニデューメロン、キュウリ、トマト、オクラ、中国エンドウ、シュガーピース、ズッキーニ、金糸ウリ、バジル、オレガノ、パセリ、チャービル、コリアンダ、グリーンオニオン、およびタイムから選択される植物の産生のための、請求項１〜５のいずれか１項に記載の農業ユニット（１００）の使用。
【請求項９】
前記水生生物の量と前記植物の量との間の比率が所定の供給速度率を維持するように管理される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の農業ユニット（１００）の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
技術分野
本発明は、アクアポニックユニット、特にエネルギ的に独立または自律しているアクアポニックユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
背景
養殖は、狭く限られたタンクで巻き貝、魚、エビおよびロブスターなどの水生動物を育成することを含む周知技術である。十分な量の食料を分配することに加えて、周知の養殖システムは、水生環境を適正な温度に保つための電動加熱装置、および生物の寿命を維持するのに十分な酸素を供給するための電動曝気装置を用いなければならない。加えて、生物の種類に応じて、水の流れを生成するために、電気ポンプが設けられるべきであり得る。
【０００３】
水耕栽培は、土壌ベースの生育環境の代わりに水中で野菜およびハーブを栽培することを含む周知技術である。水は、植物の寿命を維持するのに十分な栄養分を備えていなければならない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の概要
本発明の局面によれば、農業ユニットであって、養殖で水生生物を育成し、水耕栽培で植物を栽培するための組み合わされた水生環境を提供するように適合されたタンクシステムを備え、これにより、前記水生生物の排出物が前記植物のための栄養分を産生するために前記水生環境中へ放出され、農業ユニットはさらに、電気化学装置を備え、前記電気化学装置は、電気エネルギ源によって提供される電気エネルギを消費しながら水素および酸素を産生するための電解モードで動作可能であり、前記電気化学装置はさらに、産生された前記水素を酸化することによって電気エネルギおよび熱を産生するための燃料電池モードで動作可能であり、前記電気化学装置は、産生された前記熱および産生された前記酸素の少なくとも一部を前記水生環境に移送するように前記タンクシステムに動作可能に連結されている、農業ユニットが提供される。
【０００５】
特開平６−１９７６６４号公報は、養魚水タンクおよび電解装置を備えた養魚装置を開示している。ＵＳ２０１５／１９６００２は、自動化された多産アクアポニックシステムを開示している。
【０００６】
用語「アクアポニックユニット」は、本願において、養殖技術を水耕技術と組み合わせるユニットを示すために用いられる。用語「タンクシステム」は、本願において、システムの様々な部品間の水の規則的または連続的な移送によって（たとえば、タンク間に水を輸送すること、したがって、１つのタンクから次のものまで排泄物または栄養分を運び、任意には適切なフィルタベッド等を通して水を通過させることによって）組み合わされた水生環境を形成する単一の容器またはいくつかの容器のシステムを示すために用いられる。
【０００７】
アクアポニックユニットの利点は、自律型のシステムで、共通の水生環境によって維持された植物体と生物体と細菌間との間に、相乗効果が生み出されることである。これら３つの群の生命体は各々、生存するために他に依存する。細菌は、魚の排泄物を消費して魚のために水をきれいに保つ。細菌によって助けられる魚は、植物に利用可能な形態の栄養分を提供する。植物は、魚が住む水をきれいにすることを助ける。結果として、アクアポニックユニットは、最低限の水および空間を用い、健康な魚（食事のタンパク質の源）および野菜（食事の食物繊維およびビタミンの源）を得る、食料（特に、人間の消費のための）を育てる非常に効率的な方法を提供する。さらに、アクアポニックシステムは、伝統的な養殖で典型的に生じる、廃水を環境中へ放出する必要を低減する。
【０００８】
本発明に係るアクアポニックユニットは、電気エネルギ源が不規則であるまたは周期的にのみ利用可能であるときであってもシステムが連続的に動作することを可能にするという追加の利点を有する。このような場合、エネルギ貯蔵容量は、電気エネルギ源の非利用可能性の期間を補うために必要とされる。源の産生期間の間に水素を蓄えることによって、電気化学装置は、源の非産生期間の間の効率的なエネルギ産生を可能にするバッファを生成する。
【０００９】
本発明に係るアクアポニックユニットは、電気化学装置によって産生された熱および酸素の両方を水生環境中へ持ち込むことによって、水生生物に関する生産力を見事に高めるという追加の利点を有する。酸素の利用可能性は、外部の空気を用いるよりもはるかに効率的に（外部の空気は、わずか約２０％の酸素ガスを含み、これは水にほとんど溶解可能でないため）、かつ複雑な電気ポンプシステムを要求することなく、水生環境の曝気を可能にする。
【００１０】
実施形態において、本発明に係る農業ユニットはさらに、前記電気エネルギ源として前記電気化学装置に連結される再生可能エネルギ変換手段を備える。
【００１１】
周知の再生可能エネルギ源（太陽光、風、波エネルギ）は、周期的（たとえば、昼間に起こる）または不規則的な利用可能性を有する傾向にある。したがって、これらの再生可能エネルギ源は、特に本発明によって提供される電気化学装置のエネルギバッファ容量（水素の形態での）から利益を得る。
【００１２】
特定的な実施形態では、前記再生可能エネルギ変換手段は、光電池を備える。別の特定的な実施形態では、前記再生可能エネルギ変換手段は、風によって駆動されるタービンを備える。さらに別の特定的な実施形態では、前記再生可能エネルギ変換手段は、潮力および／または波エネルギによって駆動されるタービンを備える。
【００１３】
本発明の局面によれば、水生生物の産生のための上述されたような農業ユニットの使用が提供される。これらは、とりわけ、テラピア（tilapia）、コイ（carp）、ニシキゴイ（koi carp）、マス（trout）、ナマズ（catfish）、バラマンディ（barramundi）、ジェイドパーチ（jade perch）、ブルーギル（blue gill）などの淡水魚、ならびにクレイフィッシュ（crayfish）および淡水エビ（freshwater prawn）などの甲殻類を含み得る。
【００１４】
これらの種は、特に養殖によって育成されるのに適していることが知られている。これらの種はさらに、向上された加熱および曝気を有する、本発明に係るユニットによって提供される水生環境から利益を得る。さらなる利点は、塩水または汽水では商業的魅力のある植物はごくわずかしか生長することができないため、植物体と水生環境を共有する目的で、列挙された水生生物が淡水で生存するということである。
【００１５】
本発明の局面によれば、以下から選択される植物の産生のための上述されたような農業ユニットの使用が提供される：レッドリーフ（red leaf）、ルッコラ（arugula）、ラディッキオ（radicchio）、レタス（lettuce）、チンゲンサイ（bok choy）、エンダイブ（endive）、クレソン（watercress）、チコリ（chicory）、スイカ（watermelon）、カンタロープ（cantaloupe）、ハネデューメロン（honeydew melon）、キュウリ（cucumbers）、トマト（tomatoes）、オクラ（okra）、中国エンドウ（Chinese peas）、シュガーピース（sugar peas）、ズッキーニ（zucchini）、金糸ウリ（summer squash）、バジル（basil）、オレガノ（oregano）、パセリ（parsley）、チャービル（chervil）、コリアンダ（coriander）、グリーンオニオン（green onion）、およびタイム（thyme）。
【００１６】
これらの種は、特に水耕栽培によって育成されることに適していることが知られている。これらの種はさらに、向上された加熱および栄養分を有する、本発明に係るユニットによって提供される水生環境から利益を得る。
【００１７】
本発明の局面によれば、水生生物の量と植物の量との間の比率が所定の供給速度率を維持するように管理される、上述されたような農業ユニットの使用が提供される。
【００１８】
システムに供給され、水生生物によって消費される生物飼料の量は、水生環境中へ放出され得る植物栄養分の量を決定する。産生される植物栄養分の量が、植物が吸収することのできる量と等しくなるように水生生物の量と植物の量との均衡を保つことは、持続可能に健全な水生環境を確保する。適切な量は、肥沃されるべき植生表面に対する、供給されるべき生物飼料の量と関係する、供給速度率にしたがって決定され得る。
【００１９】
本発明の実施形態のこれらのおよび他の技術的な効果ならびに利点は、ここで、添付の図面を参照して説明されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態に係る農業ユニットを概略的に示す図である。
【図２】本発明の実施形態において生じる生物学的プロセスに基づく窒素循環を概略的に示す図である。
【図３】本発明の実施形態において電気エネルギ源として用いられ得る例示の太陽電池パネルアセンブリを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
実施形態の詳細な説明
本発明の実施形態に係る農業ユニットは、以下、図１を参照して説明される。
【００２２】
農業ユニット１００は、養殖で水生生物を育成し、水耕栽培で植物を栽培するための水生環境を提供するように適合されたタンクシステム１１０を備える。一般性を失うことなく、タンクシステム１１０は、魚タンク（左側）および「深水栽培」（ＤＷＣ（deep water culture））タイプの植物タンク（右側）の、２つの別個のタンクを備えるものとして示される。読者は、代替的に、本発明に係る農業ユニット１００は、単一のタンクを有して、または異なる機能を有し得る複数のタンクを有して動作することが可能であることを理解するであろう。代替的なタンクシステム配置（図示せず）は、魚を育成し魚に飼料を与えるための１つ以上の飼育タンク、水が集められそれが再分配されるシステムの最下点に設けられる排水タンク、養魚用の小魚タンク、硝化細菌が成長しアンモニアを硝酸塩に変換することができるバイオフィルタ、および植物が水から過剰な栄養分を吸収しながら生長する水耕桶を備え得る。
【００２３】
先に示されたように、このような「アクアポニックシステム」は、植物体と生物体と細菌との間の相乗効果を提供する。したがって、植物のための栄養分を産生するために、水生生物の排出物が水生環境中へ放出される。特に、本来、土、水および空気の中に生存する硝化細菌は、図２に示されるように、アンモニアをまず亜硝酸塩に、その後植物が消費することのできる硝酸塩に変換する。
【００２４】
ユニット１００はさらに、電気エネルギ源１２０によって提供される電気エネルギを消費しながら水素および酸素を産生するための電解モードで動作可能であり、産生された前記水素を酸化することによって電気エネルギおよび熱を産生するための燃料電池モードで動作可能である、電気化学装置１３０を備える。水素タンクは、その後の使用のために産生された水素ガスを蓄えるために、電気化学装置１３０に連結され得る。この電気化学装置１３０は、産生された熱および産生された酸素の少なくとも一部を水生環境に移送するように、タンクシステム１１０に動作可能に連結される。
【００２５】
一般性を失うことなく、電気エネルギ源１２０は、風力タービンとして図１に示される。当業者は、他のタイプの電気エネルギ源１２０、好ましくは再生可能エネルギ源が用いられ得ることを理解するであろう。本発明の実施形態において用いられ得る再生可能エネルギ源の１つの特に有利なタイプは、パネルを終日最適な向きに（太陽に向かって）保持するようにモータ駆動される移動可能な支持体上に設置される太陽電池（光）パネルのアセンブリを備える。支持体およびパネルは、それらが使用されていないときには、安全な保管（たとえば、容器の中に）のために、全体がコンパクトな形態でともに折りたたまれることを可能とするように配置され得る。このような移動可能で折りたたみ可能な太陽電池パネルアセンブリの例が、図３に示される。
【００２６】
好ましくは、電気化学装置１３０は、一連の膜・電極一体構造を備える可逆燃料電池であり、連続的な双極性電極間には、イオン伝導膜が配置される。電解（水および電気からの水素および酸素の産生）およびエネルギ生産（水素および酸素からの電気の産生）を可能にするために、電極と膜と間には、好適な電解触媒層が設けられる。本発明の電気化学装置としての使用に適した電気化学装置は、Solar Energy Conversion Power Corporation（ベルギー）によって販売されるSolenco Powerboxである。このような電気化学装置の動作は、国際特許出願公開第ＷＯ２０１２／０２８４９１Ａ１号およびＷＯ２０１３／１９００６６Ａ１号に詳述されており、電気化学装置の詳細を開示する目的のために、その内容は明示的にこの参照によって組み込まれる。
【００２７】
このような電気化学装置１３０の使用は、アクアポニックユニットを驚くべき程度までより効率的にする。その動力として、電気化学装置１３０は、電気エネルギ源、好ましくは、光起電性の太陽エネルギ設備または風力タービンなどの再生可能エネルギ源からの余剰電気、および降水、貯蔵タンク、または利用可能な都市配水網から得られ得る水を有する。その産出物として、電気化学装置１３０は、電気、酸素、水素および熱を有する。
【００２８】
電気化学装置１３０によって生産される電気は、格子依存性なく、システムの必要を賄うであろう。装置１３０は水素を蓄えることができるため、電気は、夜間または供給停止の間に産生されることができる。電気は、送水ポンプ、灯火システム、および強制喚気システムの電気消費を賄うことができる。
【００２９】
電気化学装置１３０によって生産される酸素は、システムの生物学的要求を満たすために、システムに注入され得る。これは、空気ポンプシステムの必要を低減する、または取り除く。
【００３０】
本発明に係る農業ユニットの実施形態の以下の記載は、特定の技術効果および利点を得るために独立して実施され得る様々な構成およびオプションを示すために提供される。
【００３１】
例示のユニットは、省エネルギを考慮して設計され、再生可能エネルギ、および水をできるだけ多く下流に（重力を利用して）流すことにより低減された数のポンプを用いる。好ましくは、システムは、以下の水運動をもたらす、単一の送水ポンプを用いる。
・水は、排水タンク（例示的な排水タンクの体積は、５００リットルであり得る）から魚タンク（例示的な魚タンクの体積は、１０００リットルであり得る）まで、汲み上げられる
・魚タンクから、水は、バイオフィルタとして作用する媒体充填ベッドを通る。
・グロウベッド（ＤＷＣ）およびタワープラント（ＮＦＴ）は、魚の排泄物に由来する栄養分で満たされた水（これらは、約５００リットルの例示の保水量を示し得る）を受容する。
・両者は、排水サブシステムに排出する。
【００３２】
発明者らは、例示の体積に従うシステムのためのポンプ要求は、９０Ｗの最小電力でポンプによって満たされ得ると予測している。
【００３３】
Solenco Powerboxなどの電気化学装置は、排水タンクおよび魚タンクに純酸素を注入する（１０ｍｇ／ｌの溶存酸素）。
【００３４】
本発明に係るユニットにおいて、魚タンクは、１ｍ3の水あたり最大４０ｋｇの魚を放たれ得る（参考点として、これは、１２リットルの水あたり１つの成熟したテラピアに相当する）。これは、現在の養殖システムの典型的な密度の約２倍であり、この増加は、本発明によって提供される大幅に向上された曝気および水精製に起因する。したがって、本発明に係るユニットの生物の産出および植物産生は、類似の大きさの従来のユニットのそれの最大２倍であり得る。
【００３５】
利用可能な太陽光を最大限利用するために、植物を含むユニットのユニット全体または少なくとも一部は、温室で提供され得る。温室のための加温／冷却要求は、所望の内部温度および予想される外気温の範囲を考慮して決定され得る。約２２℃の内部温度は、多くの種類の作物に適していると考えられている。
【００３６】
電気化学ユニット３００は、そのエネルギ産生プロセスの一部として温水を産生する。この温水は、循環し、魚タンクを通るようにされてもよい。回路を配管する温水は、温室に入り、適切に寸法決めされたファンを備える放熱器の形態を取り得る熱交換器まで流れる。このように、温水からの熱は、大気に移され、温室にわたって噴出される。冷却の目的のために、暖かい空気が温室から吹き出され、熱をより冷たい周囲へ分散させることを可能にする地下の熱交換器を通る。
【００３７】
本発明に係るシステムの植物栽培（水耕）側は、媒体充填ベッド、栄養分フィルム技術（ＮＦＴ（nutrient film technique））、深水栽培（ＤＷＣ）など周知の配置を利用し得る。
・媒体充填ベッドは、中程度の膨張粘土の岩で充填された容器を用いる。魚タンクからの水は、媒体充填ベッドにわたって輸送され、植物はベッドで生長する。媒体は、物理的な支持および細菌が生存するための場所を提供する。このシステムは、機械的な濾過の必要性を低減し得るまたは取り除き得る、自然のバイオフィルタとして作用することができる。植物の根系および細菌体の利益のために媒体の十分な酸素供給を得るために、媒体ベッドには、サイフォンまたは指定時刻に作動するポンプなどの往復水位制御手段が設けられ得る。
・ＮＦＴシステムでは、栄養分が豊富な水は、薄層（「栄養分フィルム」）を形成する取り囲まれた側溝に輸送される。植物は、それらの根が水に接近し栄養分を吸収することを可能とする小さなプラスチックのカップに配置される。ＮＦＴは、根系が限られた空間範囲を有し、それらの発達の間にあまり重くなることはない、緑葉野菜に特に適していることがわかっている。
・ＤＷＣシステムでは、植物は、根が水の中でぶら下がることを可能にする、水面の頂部上に浮く。魚タンクからの水は、濾過システム（媒体充填ベッドなど）を通って、その後、植物で満たされたいかだが、植物が栄養分を抽出することを可能にする水面上に浮く、長いチャネルの中へ、輸送され得る。植物を運ぶいかだを魚タンクの水面上に直接浮かべることも可能であり、したがって複数の水容器およびそれらの間のポンプシステムの必要性が除かれることが留意されるべきである。
【００３８】
固体の排泄物の効率的な除去、酸を中和するための塩基を添加すること、水の酸素供給および類似の機能を維持することを可能とするために、本発明の実施形態に係るユニットは、いくつかの部品またはサブシステムにグループ化され得る。これらの部品の機能は、水中に存在するある物質（たとえば、炭酸カルシウム、塩素、アンモニア、硝酸塩、亜硝酸塩、酸素、微生物汚染）の量、温度、およびｐＨの測定など、水生環境のある特性を測定することによって制御され得る。これらの測定に基づき、システムは、所望の（生物学的に最適な）条件を獲得し維持するように制御され得る。たとえば、
・約２２℃の温度（ターゲット温度は生物の種に応じて変化し得る）
・７と７．５の間の範囲のｐＨ
・約１０ｍｇ／ｌの水中の溶存酸素レベル（ターゲットレベルは生物の種に応じて変化し得る、以下参照）
・１５０ｍｇ／リットル未満の硝酸塩レベル（アンモニア、生物の糞の成分、は細菌の窒素サイクルによって硝酸塩へと変換される）
・塩素の最少の存在、過剰分は、濾過によって除去される、または、添加物および／もしくは空気処理と太陽光処理によって中和される
・高レベルの炭酸カルシウムを有する硬水が、システムに添加される前にリン酸で処理され得る
・微生物汚染のリスクを有する水が、砂濾過され、紫外線光での処理に曝され得る
上記に示されたように、生物寿命（魚および甲殻類）および細菌の活動を維持するために、酸素または溶存酸素レベルを十分高く保つことが重要である。酸素は、水に溶けにくく、したがって水生動物種は、水から少量の溶存酸素を回収するために多量のエネルギを費やす。温度、気圧、および塩分濃度はすべて、空気および水の両方における酸素濃度に直接的に影響を及ぼす。加えて、各種は、低レベルの溶存酸素に対し異なる許容度を有している。サケ類（マスなど）は、群として、６．０〜８．０ｍｇ／ｌの溶存酸素を必要とする。ナマズおよびテラピアについては、推奨されるレベルは５．０〜６．０ｍｇ／ｌであるが、許容される最小レベルは２．０または３．０ｍｇ／ｌほど低くてもよい。
【００３９】
本発明の利点は、電気化学装置によって産生される酸素を水中へ（特に、（もしあれば）排水タンクの中へ、および／または、直接魚タンクへ）注入することによって、水生環境における溶存酸素のレベルが所望のレベルまで増加されることができるということである。栄養分の過不足の蓄積を回避するために、生物および植物の量ならびに細菌のサイズは、すべて平衡に保たれる必要がある。一日にシステムに入り、生物によって消費される毎５０〜８０ｇの生物飼料は、１ｍ2の植物生長領域を肥沃にすることができる（この比率は供給速度率として知られる）ことが文献から知られている。したがって、要求される生物集団のサイズは、供給速度率に従って肥沃にされるべき総植物生長領域に対応する飼料の量から、容易に算出されることができる。
【００４０】
本発明は特定的な実施形態を参照して上記に記載されたが、これは説明するためにされたものであって発明を限定するためのものではなく、その範囲は添付の請求項を参照することによって決定されるべきである。
【図１】
2019516414.tif 000003
【図２】
2019516414.tif 000004
【図３】
2019516414.tif 000005
【国際調査報告】
2019516414.tif 000006
2019516414.tif 000007
2019516414.tif 000008