(57)【要約】所望の用途に用いられるバクテリアを連続的に培養し回収するのに有用なバイオマス発生器である。発生器は、バクテリア培養チャンバーを有しており、水入口ポート及び栄養物入口ポートと、上部の排出ポート及び下部の出口ポートと、起泡及びポンプのキャビテーションを制御しつつ、培養チャンバーの中で渦流を形成するために流体を引き出して再導入する再循環ポンプと、培養チャンバー内部の渦流より上方に空気を送給する低圧空気入口ラインと、培養チャンバーの上部排出ポートからのバクテリア含有流体が通る流体排出ラインと、洗浄水を流体排出ラインに導入するフラッシュラインと、ソレノイド駆動弁及び供給機構と協同作用する電気コントローラと、を具えており、水と栄養物はチャンバー内へ周期的に導入され、同時に、バクテリア含有流体が、培養チャンバー上部の排出ポートを通って排出されるようにしている。前記装置を用いて、バクテリアを培養する方法についても開示する。【選択図】  図７
2007501613.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バクテリアを連続的に培養する装置であって、
円筒形側壁、円錐形底部及び開口上面を有し、該開口上面には取外し可能に設けられたカバーを有するバクテリア培養チャンバーと、
吸込側が、前記円錐形底部との間で流体の流通が可能であり、吐出側に、前記円筒形側壁に接線方向を向くように設けられた吐出口との間で流体の流通が可能な流体再循環ラインを有する流体再循環ポンプと、
前記カバーを通じて、バクテリア培養チャンバーとの間で流体の流通が可能な充填水供給ラインと、
充填水供給ラインに配備された第１ソレノイド弁と、
前記開口上面近傍の側壁に設けられたバクテリア排出ポートとの間で流体が流通可能なバクテリア捕獲ラインと、
バクテリア排出ポート及びバクテリア捕獲ラインの上方に配備され、バクテリア捕獲ラインとの間で流体が流通可能なフラッシュ水供給ラインと、
フラッシュ水供給ラインに配備された第２ソレノイド弁と、
バクテリア培養チャンバーの上方に配備され、カバーを通じて、栄養物をバクテリア培養チャンバーの中へ導入する栄養物定量供給装置と、
カバーを通じてバクテリア培養チャンバーに連通する送給ラインを有する空気ポンプと、
所定の間隔で、所定の時間、充填水及びフラッシュ水を導入するために、第１ソレノイド弁及び第２ソレノイド弁を周期的に作動させることができるようにプログラミング可能な電気コントローラと、
低電圧電流を、流体再循環ポンプ、第１ソレノイド弁、第２ソレノイド弁、栄養物定量供給装置及び空気ポンプへ供給する電力源と、を具えている装置。
【請求項２】
流体再循環ラインとバクテリア捕獲ラインとの間で流体が流通する浄化ラインをさらに具えている請求項１の装置。
【請求項３】
浄化ラインに弁が配備されている請求項２の装置。
【請求項４】
空気ポンプと定量供給装置との間に空気送出ラインが配備されている請求項２の装置。
【請求項５】
定量供給装置の上方に配備された供給ホッパーをさらに具えている請求項１の装置。
【請求項６】
バクテリア培養チャンバー、再循環ポンプ、第１ソレノイド弁、第２ソレノイド弁、定量供給装置、空気ポンプ及び電気コントローラは、全て、キャビネットの内部に配備される請求項１の装置。
【請求項７】
キャビネットは、水密の底部とフロートスイッチを具えており、前記底部とフロートスイッチの間は流体が通ることができる請求項６の装置。
【請求項８】
充填水供給ラインは、空気ギャップを横切って、バクテリア捕獲ラインへ水を供給する請求項１の装置。
【請求項９】
フラッシュ水供給ラインは、空気ギャップを横切って、バクテリア捕獲ラインへ水を供給する請求項１の装置。
【請求項１０】
キャビネットを、培養チャンバーを収容する第１の内部セクションと、再循環ポンプを収容する第２の内部セクションとに分割する断熱部をさらに具えている請求項６の装置。
【請求項１１】
キャビネットの第２の内部セクションは、キャビネット壁及びキャビネットドアの一方又は両方から通気が行われる請求項１０の装置。
【請求項１２】
キャビネットの第１の内部セクションに接続された温度コントローラをさらに具えている請求項６の装置。
【請求項１３】
第１及び第２の流れ自動制御装置は、単一の水の流れを、充填水の第１の流れと、フラッシュ水の第２の流れに分岐させる請求項１の装置。
【請求項１４】
第１の流れ自動制御装置は、培養チャンバーの中へ導入された水の量と圧力の両方を制御する請求項１の装置。
【請求項１５】
定量供給装置は、供給物を受ける直立位置と、供給物を排出する反転位置との間で回転可能な供給カップを具えている請求項１の装置。
【請求項１６】
定量供給装置は、供給物を受ける位置と、供給物を排出する位置との間のスタンバイ位置まで回転可能な供給カップを具えている請求項１の装置。
【請求項１７】
栄養物の定量供給装置は、６時間に１度、栄養物を培養チャンバーの中へ供給することができるように制御可能である請求項１の装置。
【請求項１８】
バクテリアを連続的に培養し、所定の間隔でバクテリアを捕獲する装置であって、
円筒形側壁、円錐形底部、カバーが取外し可能に設けられた開口上面、カバーに設けられた充填水用、栄養物供給用及び空気用の入口ポート、円錐形底部に設けられた流体出口ポート、開口上面近傍の側壁に設けられたバクテリア捕獲用ポート、を有するバクテリア培養チャンバーと、
培養チャンバーの底壁の出口ポートを通じて、バクテリア含有液体を連続的に引き出し、液体を加圧し、加圧された液体を培養チャンバーの中へ側壁を通して接線方向に再導入することによって、培養チャンバーの内部に液体の渦流を形成する再循環ポンプと、
予め決められた量の栄養物を培養チャンバーの中へ第１の所定間隔にて周期的に導入する栄養物自動定量供給装置と、
加圧された空気を、培養チャンバーの渦流上方に連続的に導入する空気ポンプ及び空気送給ラインと、
充填水を、第１の所定時間、第２の所定間隔にて、培養チャンバーへ周期的に導入する第１の流れ自動制御装置と、
フラッシュ水を、第２の所定時間、第３の所定間隔にて、バクテリア捕獲ラインへ周期的に導入し、バクテリア捕獲用ポートから受けたバクテリアを、バクテリア捕獲ラインの下方へフラッシングする第２の流れ自動制御装置と、
装置の使用中、再循環ポンプと空気ポンプを連続的に作動させ、第１の所定間隔で栄養物定量供給装置を作動させ、第１の所定時間、第２の所定間隔にて、第１の流れ自動制御装置を作動させ、第２の所定時間、第３の所定間隔にて、第２の流れ自動制御装置を作動させるようにプログラミングされた電気コントローラと、
電気を、再循環ポンプ、空気ポンプ、栄養物定量供給装置、第１の流れ制御装置及び第２の流れ制御装置へ供給する低電圧源と、を具えている装置。
【請求項１９】
第１及び第２の流れ自動制御装置は、ソレノイドによって駆動する弁である請求項１９の装置。
【請求項２０】
キャビネットをさらに具えており、該キャビネットには、バクテリア培養チャンバー、再循環ポンプ、栄養物定量供給装置、第１の流れ制御装置及び第２の流れ制御装置が配備されている請求項１８の装置。
【請求項２１】
キャビネットは、水密の底部とフロートスイッチを具えており、前記底部とフロートスイッチの間は流体が通ることができる請求項２０の装置。
【請求項２２】
フロートスイッチは、水密の底部に水が存在するとき、第１の流れ制御装置及び第２の流れ制御装置への電力を遮断する請求項２１の装置。
【請求項２３】
再循環ポンプとバクテリア捕獲ラインの間に浄化ラインが配備され、該浄化ラインに弁が配備されており、再循環ポンプによって送り出された液体を、バクテリア捕獲用ポートより下のバクテリア捕獲ラインに供給できるようにしている請求項１８の装置。
【請求項２４】
栄養物を、栄養物定量供給装置へ供給する栄養物供給ホッパーをさらに具えている請求項１８の装置。
【請求項２５】
空気ポンプと栄養物定量供給装置との間に空気ラインが配備されている請求項１８の装置。
【請求項２６】
キャビネットを、培養チャンバーを収容する第１の内部セクションと、再循環ポンプを収容する第２の内部セクションとに分割する断熱部をさらに具えている請求項２０の装置。
【請求項２７】
キャビネットの第２の内部セクションは、キャビネット壁及びキャビネットドアの一方又は両方から通気が行われる請求項２６の装置。
【請求項２８】
キャビネットの第１の内部セクションに接続された温度コントローラをさらに具えている請求項２０の装置。
【請求項２９】
第１及び第２の流れ自動制御装置は、単一の水の流れを、充填水の第１の流れと、フラッシュ水の第２の流れに分岐させる請求項１８の装置。
【請求項３０】
第１の流れ自動制御装置は、培養チャンバーの中へ導入された水の量と圧力の両方を制御する請求項１８の装置。
【請求項３１】
定量供給装置は、供給物を受ける直立位置と、供給物を排出する反転位置との間で回転可能な供給カップを具えている請求項１８の装置。
【請求項３２】
定量供給装置は、供給物を受ける位置と、供給物を排出する位置との間のスタンバイ位置まで回転可能な供給カップを具えている請求項３１の装置。
【請求項３３】
栄養物の定量供給装置は、６時間に１度、栄養物を培養チャンバーの中へ供給することができるように制御可能である請求項１８の装置。
【請求項３４】
バクテリアを連続的に培養し、捕獲する装置であって、
円筒形側壁、円錐形底部、カバーが取外し可能に設けられた開口上面、カバーに配備された充填水用、栄養物供給用及び空気用の入口ポート、円錐形底部に設けられた流体出口ポート、開口上面近傍の側壁に設けられたバクテリア捕獲用ポート、を有するバクテリア培養チャンバーと、
培養チャンバーの底壁の出口ポートを通じて、バクテリア含有液体を連続的に引き出し、液体を加圧し、加圧された液体を培養チャンバーの中へ側壁を通して接線方向に再導入することによって、培養チャンバーの内部に液体の渦流を形成する再循環ポンプと、
予め決められた量の栄養物を、所定間隔にて、培養チャンバーの中へ周期的に導入する栄養物自動定量供給装置と、
加圧された空気を、培養チャンバーの渦流上方に連続的に導入する空気ポンプ及び空気送給ラインと、
充填水を培養チャンバーへ連続的に導入し、フラッシュ水をバクテリア捕獲ラインへ連続的に導入し、バクテリア捕獲用ポートから受けたバクテリアをバクテリア捕獲ラインの下方へフラッシングする少なくとも１つの流れ制御装置と、
電気を、再循環ポンプ、空気ポンプ及び栄養物定量供給装置へ供給する低電圧源と、を具えている装置。
【請求項３５】
キャビネットをさらに具えており、該キャビネットには、バクテリア培養チャンバー、再循環ポンプ、栄養物定量供給装置、第１の流れ制御装置及び第２の流れ制御装置が配備されている請求項３４の装置。
【請求項３６】
キャビネットは、水密の底部とフロートスイッチを具えており、前記底部とフロートスイッチの間は流体が通じる請求項３５の装置。
【請求項３７】
フロートスイッチは、水密の底部に水が存在するとき、第１の流れ制御装置及び第２の流れ制御装置への電力を遮断する請求項３６の装置。
【請求項３８】
再循環ポンプとバクテリア捕獲ラインとの間に浄化ラインが配備され、該浄化ラインに弁が配備されており、再循環ポンプによって送り出された液体を、バクテリア捕獲用ポートより下のバクテリア捕獲ラインに供給できるようにしている請求項３４の装置。
【請求項３９】
栄養物を、栄養物定量供給装置へ供給する栄養物供給ホッパーをさらに具えている請求項３４の装置。
【請求項４０】
空気ポンプと栄養物定量供給装置との間に空気ラインが配備されている請求項３４の装置。
【請求項４１】
キャビネットを、培養チャンバーを収容する第１の内部セクションと、再循環ポンプを収容する第２の内部セクションとに分割する断熱部をさらに具えている請求項３５の装置。
【請求項４２】
キャビネットの第２の内部セクションは、キャビネット壁及びキャビネットドアの一方又は両方から通気が行われる請求項４１の装置。
【請求項４３】
キャビネットの第１の内部セクションに接続された温度コントローラをさらに具えている請求項３５の装置。
【請求項４４】
第１及び第２の流れ自動制御装置は、単一の水の流れを、充填水の第１の流れと、フラッシュ水の第２の流れに分岐させる請求項３４の装置。
【請求項４５】
第１の流れ自動制御装置は、培養チャンバーの中へ導入された水の量と圧力の両方を制御する請求項３４の装置。
【請求項４６】
定量供給装置は、供給物を受ける直立位置と、供給物を排出する反転位置との間で回転可能な供給カップを具えている請求項３４の装置。
【請求項４７】
定量供給装置は、供給物を受ける位置と、供給物を排出する位置との間のスタンバイ位置まで回転可能な供給カップを具えている請求項４６の装置。
【請求項４８】
栄養物の定量供給装置は、６時間に１度、栄養物を培養チャンバーの中へ供給することができるように制御可能である請求項３４の装置。
【請求項４９】
バクテリアを連続的に培養し、バクテリアを周期的に捕獲する自動化された方法であって、
バクテリア培養チャンバーの中に、初期量の水、スタータバクテリア及び栄養物を導入して、バクテリア含有流体を生成する工程、
空気を、培養チャンバーのバクテリア含有流体の上方へ連続的に導入する工程、
培養チャンバー内の底部出口を通して流体を引き出し、再循環ポンプの中で流体を加圧し、加圧された流体を培養チャンバーの接線方向に戻すことにより、バクテリア含有流体を連続的に再循環させて、培養チャンバー内にバクテリア含有流体の渦流を形成する工程、
充填水は所定間隔にて所定時間だけ供給されるようにパルス化され、パルス化された充填水を培養チャンバーへ周期的に導入する工程、
培養チャンバーの渦流の少し上方に配備されたバクテリア捕獲用ポートを通じて、パルス化された充填水の培養チャンバーへの導入に対応する時間間隔にて、バクテリアを周期的に捕獲する工程、
フラッシュ水の流れを、バクテリア捕獲用ポートに連通するドレンラインへ周期的に導入する工程であって、フラッシュ水の流れは、前記充填水の導入と実質的に同時に開始され、十分な時間をかけて、十分な量が供給されるようになし、前記バクテリア捕獲用ポートから受け取ったバクテリアをフラッシングして、ドレンラインの下方の使用サイト又は貯蔵容器へ送る工程、
培養するバクテリアによって消費された栄養物を補給するために、所定量の栄養物を培養チャンバーの中へ周期的に導入する工程、を有する方法。
【請求項５０】
循環するバクテリア含有流体の温度は、約１６℃〜約４０℃の範囲に維持される請求項４９の方法。
【請求項５１】
循環するバクテリア含有流体の温度は、約２９℃〜約３２℃の範囲に維持される請求項５０の方法。
【請求項５２】
パルス化された充填水が導入される間隔は、約１〜約１５時間の範囲である請求項４９の方法。
【請求項５３】
充填水のパルス長さは、約４.５〜約１２秒の範囲である請求項４９の方法。
【請求項５４】
バクテリア培養チャンバーの容積は約３リットルである請求項４９の方法。
【請求項５５】
バクテリア培養チャンバーに導入される充填水の量のパルス範囲は、約１８５〜約５００ｍｌである請求項５４の方法。
【請求項５６】
フラッシュ水が導入される間隔は、約１〜約１５時間の範囲である請求項４９の方法。
【請求項５７】
フラッシュ水の流れが連続する時間は、約１５〜約２４０秒の範囲である請求項４９の方法。
【請求項５８】
バクテリア捕獲ラインへ導入されるフラッシュ水の流れは、１周期につき、約６２５〜約１００００ｍｌである請求項５４の方法。
【請求項５９】
栄養物は、６時間毎にバクテリア培養チャンバーに導入される請求項４９の方法。
【請求項６０】
バクテリア培養チャンバーへ導入される栄養物の量は、毎日、約２９グラムであることが好ましく、約６時間間隔で４回に分けて、約７.２５グラムずつ導入される請求項５４の方法。
【請求項６１】
バクテリアを連続的に培養し捕獲する自動化された方法であって、
バクテリア培養チャンバーの中に、初期量の水、スタータバクテリア及び栄養物を導入して、バクテリア含有流体を生成する工程、
空気を、培養チャンバーのバクテリア含有流体の上方へ連続的に導入する工程、
培養チャンバー内の底部出口を通じて流体を引き出し、再循環ポンプの中で流体を加圧し、加圧された流体を培養チャンバーの接線方向に送り出すことにより、バクテリア含有流体を連続的に再循環させて、培養チャンバー内にバクテリア含有流体の渦流を形成する工程、
充填水を培養チャンバーへ連続的に導入する工程、
培養チャンバーの渦流の少し上方に配備されたバクテリア捕獲用ポートを通じて、バクテリアを連続的に捕獲する工程、
十分な量のフラッシュ水の流れを、バクテリア捕獲用ポートに連通するドレンラインへ連続的に導入し、前記バクテリア捕獲用ポートから受け取ったバクテリアをフラッシングして、ドレンラインの下方の使用サイト又は貯蔵容器へ送る工程、
培養するバクテリアによって消費された栄養物を補給するために、所定量の栄養物を培養チャンバーの中へ周期的に導入する工程、を有する方法。
【請求項６２】
循環するバクテリア含有流体の温度は、約１６℃〜約４０℃の範囲に維持される請求項６０の方法。
【請求項６３】
循環するバクテリア含有流体の温度は、約２９℃〜約３２℃の範囲に維持される請求項６２の方法。
【請求項６４】
栄養物は、６時間毎にバクテリア培養チャンバーに導入される請求項６０の方法。
【請求項６５】
バクテリア培養チャンバーへ導入される栄養物の量は、毎日、約２９グラムであることが好ましく、約６時間間隔で４回に分けて、約７.２５グラムずつ導入される請求項６０の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
＜発明の分野＞
本発明は、好気性バクテリアを培養し(growing)、捕獲する(harvesting)装置及び自動化された方法に関するもので、様々な産業、農業、環境及び商業的用途において好適に用いられる。
【背景技術】
【０００２】
＜関連技術の説明＞
好気性バクテリア株を培養するシステムを開示した米国特許として、例えば、第４２４４８１５号、第４４２６４５０号、第４８８８２９４号、第５３５０５４３号、第５４４７８６６号、第５６５４１９７号、第６１６８９４９Ｂ１号及び第６３３５１９１Ｂ１号が挙げられる。
【０００３】
所望される有用な用途を有し、好気性バクテリア菌株を培養するのに有用なシステムとして、望ましいシステムは、米国特許第６３３５１９１Ｂ１号に開示されている。このシステムの場合、バクテリアは、自動化されたバッチ工程で培養し、周期的に、最も好ましくは１日１回、ドレン又は収集容器へ放出される。バクテリア培養に関する先行技術のその他システム及び装置は、例えば、米国特許第６３３５１９１Ｂ１号に開示されている。
【０００４】
公知のシステム及び装置を用いて得られる利点はあるけれども、構造があまり複雑でなく、安価で、信頼性が高く、オペレータの介入なしで数日乃至数週間稼働することのできる連続フロー式バイオマス発生器が依然として要請されている。このような装置及び方法は、従来のバイオマス発生器を用いたときのように、過度の起泡(foaming)を起こすことなく、好気性バイオマスの急速培養を促進できることが望ましい。公知の装置の多くは、加圧された空気を、培養チャンバーの液面の下に投入してバブリングを起こすか、又は、排出装置を通って流れる循環液体の加圧蒸気を用いて、バクテリア培養チャンバーへ戻すようにしている。これら公知のどの装置も、過度の起泡を起こすことなく、バクテリアの培養及び捕獲について満足が得られる程の大きな収量を得られるものはない。
【発明の開示】
【０００５】
＜発明の要旨＞
本発明の望ましい一実施例は、リアルタイムで、又は引き続いて所望の用途に使用されるバクテリアを連続的に培養し回収するのに有用な連続フロー式バイオマス発生器(biomass generator)である。本発明のこの実施例におけるバイオマス発生器は、バクテリア培養チャンバー(bacteria growth chamber)と、水入口ポートと、栄養物入口ポートと、栄養物供給機構と、空気送給ラインと、培養チャンバーの底部の出口から流体を引き出し、前記流体を接線方向に再導入して、培養チャンバー内に渦流(vortex)を形成する再循環ポンプと、培養チャンバーからバクテリア含有流体を連続的に引き出す流体送出ラインと、洗浄水を流体排出ラインへ導入するフラッシュライン(flush line)と、を有している。本発明のバイオマス発生器は、培養チャンバーの中に機械的撹拌装置が設けられておらず、外気を、培養チャンバーのバクテリア含有液体の表面より下に導入するものでない。
【０００６】
本発明の望ましい他の実施例は、前記の連続フロー式バイオマス発生器を用いてバクテリアを培養し捕獲する方法である。この方法は、バクテリア培養チャンバーの中に飲料水、スタータ(starter)バクテリア及びスタータ栄養物を装填する工程、培養チャンバーの接線方向に媒体の一部を連続的に引き出し、再循環させ、再注入して渦流を作り、低圧空気を、培養チャンバー内の渦流の上方に連続的に注入する工程、制御弁又は圧力調節器を使用し、培養チャンバーの中へ再循環される流速よりも遅くなるように制御された流量で、水を、重力の流れにより、培養チャンバーへ連続的に加える工程、培養チャンバーからバクテリアを連続的に捕獲し、捕獲したバクテリアをバクテリア捕獲ラインへフラッシングする工程、培養チャンバーの中のバクテリア栄養物を周期的に補給する工程を有している。捕獲されたバクテリアを、バクテリア捕獲ラインへフラッシングするのに用いられる水は、培養チャンバーの中へ制御されながら導入される水の過剰分又はオーバーフローであることが望ましい。
【０００７】
本発明の望ましい他のさらなる実施例は、培養チャンバー内で連続的に培養するバクテリアを周期的に捕獲する際、パルス化された水を培養チャンバーの中へ周期的に導入することを利用したバイオマス発生器である。本発明のこの実施例で用いられる装置は、上記方法の実施例で記載されたものと同様であるが、幾つかの点で異なる。第１に、パルス水の培養チャンバーへの流れは、タイマーで作動するソレノイド弁によって制御される。第２に、培養チャンバーからバクテリアを捕獲するのに用いられるバクテリア捕獲ラインは、パルス水の導入と同時又は直後にタイマーで作動する第２のソレノイド弁を通じて供給された水が周期的にフラッシングされる。第３に、発生器の停止中、供給機構の内部に好ましくないバクテリアが蓄積しないように、追加の空気ラインを配備して、供給機構を乾燥することである。第４に、装置の機械要素又は電気要素の故障により、液体がキャビネットの底部に蓄積したときはいつでも、システムを自動停止できるように、フロート弁が、バイオマス発生器が収容されたキャビネットの底部に配備される。第５に、タイマーと電子コントローラから独立した装置の様々な動作を手操作で開始させるための押ボタンが設けられている。第６に、装置の操業が不定期で停止したとき、培養チャンバーのドレン抜きとフラッシング(flushing)するために、再循環ポンプと培養チャンバーの間の流体再循環ループの中に、手動で制御される弁が配備されている。
【０００８】
本発明の望ましい他のさらなる実施例は、培養チャンバー内で連続的に培養するバクテリアを周期的に捕獲すると共に、パルス化された水を培養チャンバーへ周期的に導入することを利用したバイオマス発生器に関して、バクテリアを培養する方法であり、培養チャンバーの中に、水、スタータ用バクテリア及び栄養物を導入する工程、培養チャンバーの底部に配備されたオリフィス要素を通してバクテリア含有液体媒体を連続的に引き出す工程、引き出された媒体を、ポンプを用いて再循環させて培養チャンバーの中へ戻し、再循環した液体媒体を、培養チャンバー内の液体の中へ略接線方向に再導入して、培養チャンバーの中に渦流を形成する工程、培養チャンバー内の渦流の上方に低圧空気を導入することにより、起泡を制御しながら、培養チャンバー内の液体媒体に酸素を供給する工程、追加の水を培養チャンバーへ周期的に導入する工程、培養チャンバーからバクテリア含有液体媒体を周期的に捕獲し、捕獲された媒体を、収容容器又は流れラインの中へフラッシングする工程、追加の栄養物を培養チャンバーの中へ周期的に分配する工程、を有している。
【０００９】
本発明の望ましい他のさらなる実施例は、キャビネットを具えるバイオマス発生器であり、該キャビネットの内部には、バクテリア培養チャンバー、栄養物供給機構及び再循環ポンプが配備されており、キャビネットは、第１セクション及び第２セクションに分割され、バクテリア培養チャンバーと再循環ポンプは、互いに断熱されている。本発明の特に望ましい他の実施例では、培養チャンバーが収容されるキャビネットのその部分は、温度制御が行われる。
【００１０】
本発明のバイオマス発生器の中で培養したバクテリアは、捕獲された後直ちに使用されるか、又は所望により、次の使用のために貯蔵される。本発明の装置及び方法は、好ましい使用サイト又はその近傍における特定の用途のために、バクテリアを培養するのに特に有効である。本発明の内蔵型システムは、特定の作業者だけがアクセスできるようにロック可能なキャビネットの内部に配備されることができる。キャビネットは壁に取り付けられるので、システムを設置するためのフロアスペースは不要であり、唯一必要なユーティリティは、水源と１１０ボルトの電源である。従来のシステムとは異なり、本発明の装置及び方法は、酸素供給と温度制御のすばらしさにより、長期操業に有害な過度の起泡及びポンプキャビテーションを生ずることなく、有用なバクテリアの選択された菌株の急速培養を達成できることである。
【００１１】
本発明の装置及び方法は、長期に亘って、バクテリアの連続培養を維持できるから、得られたバクテリアは、連続的な又は周期的な補給が必要とされる用途に利用されることができる。また、生きたバクテリアを、適当な生命維持用収集容器の中で貯蔵される用途に利用されることができる。本発明の装置は、栄養物の供給ホッパーへの定期的な補給と、一般的な検査、浄化及びメンテナンスのための操業停止を必要とするだけである。
【００１２】
＜望ましい実施例の説明＞
図１乃至図３を参照すると、本発明のバイオマス発生器(10)は、キャビネット(20)の内部に、バクテリア培養チャンバー(12)、フィーダ機構(14)、再循環ポンプ(16)及び空気ポンプ(18)が配備されている。キャビネット(20)は、好適には、上壁(56)、後壁(57)、側壁(58)(60)、底壁(62)及びドア(64)を具えている。ドア(64)は、断熱パネル(72)によって分離された第１の内部(74)セクション及び第２の内部セクション(76)へ容易にアクセスできるように、ヒンジ(66)によってキャビネット(20)へ取り付けられる。
【００１３】
図示はしないが、使用中、キャビネット(20)の内部へ無許可でアクセスできないように、錠又はケーブルシールを設けることができる。本発明の一実施例において、バクテリア培養チャンバー(12)は、取付可能なカバー(28)を有する半透明のポリマー容器から作られる。バクテリア培養チャンバー(12)の容積は、約３リットルが好ましいが、より大きな容積又はより小さな容積のバクテリア培養チャンバーを用いることも本発明の範囲内である。キャビネット(20)は、金属シートから作られることが好ましいが、グラスファイバー等のその他同様に有効な材料を用いることができる。
【００１４】
温度制御ユニット(68)は、好適には、側壁(58)の内側に配備され、第１の内部セクション(74)に通じており、１１０ボルトのＡＣ電流が供給される。再循環ポンプ(16)が収容された第２の内部セクション(76)の通気を行なうために、側壁(58)(60)の一方に通気口(70)を設けることが好ましい。また、所望により、複数の通気口を排気ファン(図示せず)と組み合わせて、第２の内部セクション(76)の内部を換気するために用いることができる。キャビネット(20)の内部の過熱を防止するために、バクテリア培養チャンバー(12)と再循環ポンプ(16)の間に断熱パネル(72)を用いることが望ましい。これは、再循環ポンプ(16)が著しい熱を発生する場合、又は、キャビネット(20)の内部温度が、急速なバクテリア培養を維持するのに望ましい温度よりも高くなる場合に特に好ましい。なお、環境及び周囲温度によっては、バクテリア培養チャンバー(12)の温度を所定温度範囲内に維持するのに、温度制御ユニット(68)が必要でない場合もある。急速なバクテリア培養を維持するための温度範囲は、バクテリアの種類等によって異なるが、約１６〜約４０℃(約６０〜１０４°Ｆ)が好ましく、約２９〜約３２℃(約８４〜約９０°Ｆ)が最も好ましい。温度制御ユニットは、一般的には、バクテリア培養チャンバー(12)が配備されたキャビネットの内部に配置されると有利である。
【００１５】
バクテリア培養チャンバー(12)は、好適には、円筒形の側壁(22)、該側壁(22)の底部から中央の出口ポート(26)へ延びる円錐形の底壁(24)、及びカバー(28)をさらに具えており、前記カバー(28)には、水入口ポート(31)、空気入口ポート(32)及び栄養物入口ポート(34)の各入口ポートが設けられている。装置の使用中、水は、流れ制御装置(30)を介して、入口ポート(31)からバクテリア培養チャンバー(12)へ連続的に導入される。これについては、後で詳しく説明する。流れ制御装置(30)へは、水供給ライン(50)から水が送られる。水供給ライン(50)は、好ましくは、キャビネット(20)の外部の加圧水源(図示せず)に接続されている。低圧空気が、空気ポンプ(18)に接続された空気ホース(82)から入口ポート(32)を通り、バクテリア培養チャンバー(12)へ連続的に導入される。空気ポンプ(18)は、培養チャンバー内で生じた渦流(vortex)を妨げることなくバクテリア培養チャンバー(12)へ進入するのに十分な圧力にて、バクテリア培養チャンバー(12)へ十分な空気を送給し、バクテリアの急速培養が維持される。また、好ましくはペレットの形態で、培養されるバクテリアの培養を促進するように選択された栄養物質が、定量供給装置(48)により、供給物貯蔵ホッパー(46)から入口ポート(34)を通ってバクテリア培養チャンバー(12)へ供給される。このような栄養物質がペレットの形態で供給されると、バクテリア培養チャンバー(12)内の流体(84)の中へ沈む傾向があるので好ましい。栄養物質が粉末及び液体の場合、表面に浮かぶことがあり、捕獲されたバクテリア含有流体と共に、ライン(40)を通って排出される可能性があるため、好ましくない。
【００１６】
再循環ポンプ(16)の吸込口(42)は、バクテリア培養チャンバー(12)の出口(26)と流体が通るように接続され、ポンプ(16)の出口から送り出された加圧流体は、流体送出ライン(44)により、バクテリア培養チャンバー(12)の下部、好ましくは側壁(22)の底部よりも僅かに上方の位置へ戻される。ライン(44)の排出端部位置にある再循環流体吐出口(38)は、渦流の形成を促進するために、再循環した流体が、側壁(22)内部の接線方向に送り出されるように構成することが好ましい。流体排出ライン(40)とバクテリア培養チャンバー(12)の内部は、排出ポート(36)を介して連通している。前記排出ポート(36)は、図４に示されるように、バクテリア培養チャンバー(12)の内部の液面最高位の近傍に配置される。バクテリア培養チャンバー(12)の内部の液面は、入口ポート(31)を通って水が送られて上昇するので、バクテリア含有流体は、排出ポート(36)を通って連続的に取り出されるが、好適には、フラッシュ水ライン(52)から排出ライン(40)へ流れるフラッシュ水により、流体排出ライン(40)を通して、下向きにフラッシングされるのがよい。
【００１７】
図４を参照すると、側壁(22)及び底壁(24)の前方に延びる部分は破断して示されており、バクテリア培養チャンバー(12)の内部、及び、下向きに傾斜する底壁の中央の出口(26)に配備された渦流破砕要素(vortex breaker element)(88)が示されている。渦流破砕要素(88)の主な機能は、渦流(77)の安定性の維持を助けることであり、渦流(77)の下端で内部の空気が出口ポート(26)を通って再循環ポンプ(16)の吸込口(42)へ下向きに引き出されないようにすることであり、これによって、ポンプ(16)のキャビテーションを防止する。ポンプのキャビテーションは、ポンプのインペラー表面の摩耗を促進し、好ましくない「スラグ流(slug flow)」を引き起こす。このスラグ流の中では、大きな空気ポケットが発生し、流体送出ライン(44)内の液体が分離して不規則な流れを生ずるため、渦流が乱れる結果、スラグがバクテリア培養チャンバー(12)に再び進入すると泡(foam)が形成されて、好ましくない。ポンプ(16)は、２４ボルトＡＣ又は１２ボルトＤＣで作動するモータによって駆動されることが好ましい。バクテリア培養チャンバー(12)の容積が約３リットルの場合、ポンプ(16)の定格は、毎分約１５〜２３リットル(４〜６ガロン)の再循環率(recirculation ratio)であることが好ましい。
【００１８】
本発明の一実施例によれば、渦流破砕要素(88)は、略円筒形の本体であり、上端部壁(85)、円筒形側壁(83)を有し、前記側壁(83)には、液体(84)が通過する複数のオリフィス(89)がその円周方向に間隔をあけて形成されている。オリフィス(89)の大きさ、形状及び数は、本発明の範囲内で変更可能であるが、流体(84)のポンプ吸込口(42)への流れをあまり制限しすぎると、再循環ポンプが故障するので、開口の合計面積は、出口ポート(26)の横断面積とほぼ等しくすることが最も好ましい。所望により、渦流破砕要素(88)の上端部壁(85)に小さなオリフィスを設けることもできる。なお、小球又はペレット状のスタータバクテリア又は栄養物が、流体(84)の中で溶解して出口ポート(26)を通ってバクテリア培養チャンバー(12)から出て行かないように、オリフィス(89)の各々はできるだけ小さいことが好ましい。なお、ポンプ(16)を故障させることなく、渦流がポンプ吸込口(42)の中へ引き込まれるのを防止できるものであれば、異なる形状及び構造を有する渦流破砕要素(88)を、本発明の装置及び方法に対して同じように用いることができる。
【００１９】
図４に示されるように、空気送給ライン(82)は、酸素が渦流(77)へ直接供給されるように、流体(84)内の渦流(77)によって形成される空気キャビティの中に配置されたチップ(87)で終端することが好ましい。チップ(87)は、好ましくは、再循環ポンプ(16)が作動する前は、バクテリア培養チャンバー(12)内の液体(84)の液面よりも約３.８ｃｍ(１.５インチ)下に位置し、ポンプ(16)が作動した後は、液体(84)の液面よりも上に位置することにより、連続運転中、チップ(87)は渦流(77)の中にあり、液体(84)によって覆われない。好ましくないバクテリアがチャンバー内に進入して定着しないように、空気ポンプ(18)により、バクテリア培養チャンバー(12)の内部を約０.５ｐｉｓｇの正圧に維持することが好ましい。バクテリア培養チャンバー(12)の内部容積が約３リットルのとき、空気ポンプ(18)と空気入口ライン(18)は、約２〜約６リットル／分の空気流量が供給されるようなサイズが好ましい。
【００２０】
水の流れ制御装置(30)の望ましい実施例について、構造と作用を、図５を参照してさらに詳細に説明する。水は、水供給ライン(50)を通って、装置(30)の入口通路(102)へ供給されることが好ましい。前記供給ライン(50)は、ホースジョイント(98)及びクランプ(100)を用いて、又は公知の接続具、又は他の同様な有効手段を用いて、装置(30)へ取り付けられることができる。流れ制御装置(30)へ供給された水は、所望により、フィルター、軟水器等により、前処理されることができる。このような前処理は、水の入力源が飲用水源であるときは必要ないであろう。流れ制御装置(30)は、流れコントローラ及び圧力コントローラとして機能することが好ましく、圧力と流量を２段階で下げることができるのが最も好ましい。流れ制御装置(30)は、ヘッド(92)、本体(94)及び基部(96)を具えている。基部(96)は、図１及び図４に示されるように、バクテリア培養チャンバー(12)のカバー(28)の上面部に取付可能であることが好ましい。水は、入口通路(102)から、ヘッド(92)の小径の通路(104)を通って下向きに流れ、重力作用で落下して観察窓(116)を通り、本体(94)のウエル(106)の中へ入る。通路(104)の底部とウエル(106)の上面部との間の垂直方向の距離は、逆流防止のために１インチの空気ギャップを要求する配管コードに適合するように、１インチ以上であらねばならない。通路(104)の直径は、水が速い速度又は細流で落下してウエル(106)の中へ入るようなサイズであることが好ましい。流量は、連続運転中、バクテリア培養チャンバー(12)へ供給するのに必要な量よりも多くの水がウエル(106)に蓄積されるようにすることが好ましい。水の一部は、本体(94)及び基部(96)の内側に配置されたニードル弁(110)のボア(108)を通って下向きに流れて、過剰の水がウエル(106)の中に蓄積される。そして、矢印(120)に示されるように、上面を超えて本体(94)の環状部(122)へ流れる。水は、ニードル弁(110)を通り、ウエル(106)から下向きに流れて、小滴又は細流となり、基部(96)の観察ポート(118)を通って落下する。流れ(112)は、好適には、バクテリア培養チャンバー(12)のカバー(28)の入口ポート(31)(図１参照)に向かって進み、流れ(112)は流体(84)の表面(86)へ落下する。
【００２１】
環状部(122)へ流れる過剰の水は、出口通路(124)を通り、クランプ(126)で装置(30)に取り付けられたフラッシュライン(52)へ送られる。なお、フラッシュライン(52)に必要な過剰の水を供給するために、通路(104)を通る水の流量は、ニードル弁(110)を通る水の流量よりも十分に多くなるようにせねばならない。流体排出ライン(40)が、フラッシュライン(52)を流れる水によって連続的にフラッシングされない場合、バクテリアは、所望の使用サイト又は貯蔵容器へ運ばれず、流体排出ライン(40)の壁に取り残されるものが多くなる。
【００２２】
本発明の装置に好適に用いられる他の水供給装置(152)について、図７を参照して説明する。図７に示されるように、装置(152)は、図１乃至図３を参照して説明したように、キャビネット(20)に取付可能であることが好ましい。装置(152)は、同期サイクルタイマーモータ(60)によって駆動される、ピストン駆動による容積式入口装置である。外部源から入口ポート(162)を通って入ってきた水は、出口ポート(164)へ送給される。その流量は、調節ノブ(160)及びネジ付きリンケージ(158)を手操作で回転させて、本体(154)内部に配備されたシリンダーの位置を選択的に調節することによって制御される。ピストン(図７では見えない)は、本体(154)に配備された同期モータ(156)によって駆動される。出口ポート(164)は、可撓性ポリマーの流れライン(図５には示さず)により、培養チャンバー(12)のカバー(28)の入口ポート(31)へ接続されることが望ましい。培養チャンバー(12)へ水を供給するのに流れ制御装置が用いられる場合、装置(152)の上流に配置した別個のニードル弁(図示せず)を用いて、フラッシュライン(52)へ水を供給することが望ましい。
【００２３】
なお、この説明により、他の同様に有効な水供給装置についても、本発明の装置及び方法に用いられることは理解されるであろう。本発明のこの実施例の場合、通常の運転状況では、チャンバー(12)への毎日の水流入量及びチャンバー(12)からの毎日の流体(84)の流出量は、チャンバーの容積の約３分の１乃至約２分の１であることが望ましい。しかしながら、この量は、バクテリア濃度及び培養速度に応じて変えることができることは勿論であり、これらは、バクテリアの種類、栄養物の量及び種類、バクテリア培養チャンバー(12)内の温度、流体(84)内の酸素レベル等の様々なファクターに依存することは理解されるであろう。本発明の一実施例によれば、定常状態の運転中、バクテリア培養チャンバー(12)への水の流入量は、毎日約１.６リットルであり、これは、略等しい量の水が、流体排出ライン(40)を通じて排出されることを意味する。排出ポート(36)から排出されたバクテリアが、排出ライン(40)からフラッシングされるように、フラッシュライン(52)を通る流量は、毎日約２〜約２０リットル(約０.５〜約５ガロン)が好ましい。
【００２４】
フィーダ機構(14)の好ましい定量供給装置(48)の構造及び作用について、図６及び図６Ａ〜図６Ｃを参照してさらに説明する。図６を参照すると、定量供給装置(48)は、バクテリア培養チャンバー(12)(図４参照)のカバー(28)に取付可能な基部部材(130)と、水平方向に設けられ、略円筒形のボアを有するハウジング(128)とを具えており、ハウジングにはコア部材(132)が回転可能に配備され、横方向の円筒形ボア(134)がコアの中をほぼ全体に亘って延びている。底壁(138)及び上縁(140)によって境界が形成された円筒形側壁(136)を有する供給用カップ(135)は、運転中、コア部材(132)に固定されている。ハウジング(128)(図３参照)の円筒形ボアの背後に配備された低電圧ＤＣモータは、ピン(125)によりコア部材(132)に接続されたギアドライブを具えている。予めプログラミングされた電子コントローラからの信号を受信すると、ピン(125)により、コア部材(132)と供給カップ(135)は、ハウジングに関して所定角度位置に回転させられる。コア部材(132)が、ピン(125)によって回転し、供給カップ(135)の上縁(140)が直立位置にある円(127)上の位置になったとき、貯蔵ホッパー(46)(図１)から重力によって供給される所望量の栄養物が供給カップ(135)に収容されるように、供給カップ(135)の直径と容積を定めることが好ましい。
【００２５】
供給カップ(135)の好ましい直径と容積、及び、貯蔵ホッパー(46)の下側の排出ポートの直径は、所望される栄養物の量、供給される栄養物の粒子サイズ及び形状により変えることができる。異なる種類の粒状物は異なるアスペクト比を有し、重力の流れによって排出される開口を塞ぐ傾向は異なるからである。本発明の特に望ましい実施例では、市販の食品ペレットが周期的にホッパー(46)へ装填される。ホッパー(46)は、バイオマス発生器(10)が日常的に稼働されるときはいつでも、キャビネット(20)の中へ及びキャビネット(20)から、簡単に滑動できるように構成される。バクテリア培養チャンバー(12)の容積が３リットルのとき、チャンバー(12)の中へ、１回約７.２５グラムで４回に分けて６時間間隔で、約２９グラムの栄養物が毎日導入されることが望ましい。それゆえ、供給カップ(135)は、最大約７.５グラムの栄養物を収容できる容積を有するべきである。
【００２６】
図６Ａ乃至図６Ｃは、ピン(125)、コア部材(132)及び供給カップ(135)が、本体(128)に関して異なる角度位置まで回転していること以外は、同じ構造を示している。図６Ａにおいて、供給カップ(135)は、矢印(137)で示される１８０度の回転により、右方向下向きに回転している。供給カップ(135)は完全に反転した位置にあり、カップ(135)の中に入れられた全ての供給栄養物の粒子は、矢印(146)で示されるように、基部(130)の出口ポート(144)を通じて、重力により排出され、カバー(28)の入口ポート(34)から培養チャンバー(12)(図１参照)の中へ排出される。図６Ｂにおいて、供給カップ(135)は、矢印(148)で示される９０度回転位置まで戻され、次の供給サイクルまでその位置にとどまる。供給カップ(135)の開口端が被覆され、保護されるように、供給カップ(135)は９０度位置に保持されることが望ましい。供給カップ(135)が供給停止中、直立位置にあると、培養チャンバー(12)への排出中に取り込まれた水分により、ペレットの軟化及び凝集が起こる。供給カップ(135)が、供給停止の間、下向き位置にあると、供給カップにバクテリアの蓄積が起こる。図６Ｃにおいて、供給カップ(135)は、供給された栄養物で再充填するために、図６に示される位置まで再び回転させられる。
【００２７】
本発明の方法の望ましい実施例について、図１〜図６を参照して更に説明する。まず図１及び図４を参照すると、装置の起動中、約１.６リットルの水が、排出ポート(36)のレベルよりも下の初期充填レベルになるまで、培養チャンバー(12)の中へ導入される。開始時の水量は、チャンバー(12)の内部容積と、新鮮水がチャンバーへ進入するドリップ速度に依存することは勿論である。初期充填レベルは、スタータバクテリア及び栄養物が加えられる排出ポート(36)よりも十分に下の位置であらねばならない。それにより、再循環が開始するときに渦流が形成され、その後、有意量のバクテリア含有流体を誤って排出することなく、装置を数時間稼働させることができる。この間に、スタータバクテリアは、所望の培養集団又は濃度に達する。スタータバクテリアが時間の経過によって増殖するにつれて、補給水が、流れ制御装置(30)を通って培養チャンバー(12)へ入るため、液面の最高位(90)は徐々に上昇して、排出ポート(36)のレベルに達する。
【００２８】
初期量の水が、流れ制御装置(30)を通してゆっくりと導入されるが、好適には、カバー(28)を取り除いて、水をチャンバー(12)の中へ注入することにより、又は、流れ制御装置(30)を配置する前に、入口ポート(31)からホースを挿入することにより、又はその目的で設けられた着脱可能な他のポート(図示せず)の中へ流し込むことにより、より迅速に導入される。初期水は、バクテリア培養を促進する温度でチャンバー(12)へ導入されることが望ましいが、スタータバクテリア及び栄養物を導入する前に、そのような温度に平衡化させることもできる。所望により、初期量の水は、周囲温度で導入されることができるが、温度があまり低すぎる場合は、温度が所望の値(一般的には約１６〜２６℃（約６０〜約８０°Ｆ))に達するまで温度コントローラ(68)を用いて加熱したり、或いはまた、ポンプ(16)によって再循環させることができる。バイオマス発生器(12)の操業を維持及び連続させる間、バクテリア培養を促進するために、温度は約１６〜４０℃（約６０〜約１０４°Ｆ)の範囲が望ましく、約２９〜３２℃（約８４〜約９０°Ｆ)の範囲が最も望ましい。
【００２９】
水温がバクテリアの培養促進に適当な温度に達すると、所望種類の所定量のスタータバクテリアが、カバー(28)から、或いはまた同様に有効な手段により、培養チャンバー(12)へ導入されることが好ましい。また、適当にペレット化された所定量の栄養物をチャンバー(12)内の流体(84)へ導入するために、定量供給装置(48)を用いることが好ましい。ここに記載する培養チャンバー(12)への供給物の導入は、約７.２５グラムに分けて行なうことが好ましい。
【００３０】
図１及び図４を参照すると、所望量の水、スタータバクテリア及び栄養物が培養チャンバー(12)へ導入され、カバー(28)が、公知の適当な手段によりチャンバー(12)の上面に取り付けられたとき、再循環ポンプ(16)が始動し、流体(84)は、出口ポート(26)を通って吸込口(42)に向けて下向きに送られる。再循環ポンプ(16)によって加圧されると、水、バクテリア、栄養物及び濃縮空気(enriched air)を含む流体が、流体送出ライン(44)及び再循環流体吐出口(38)を通り、培養チャンバー(12)の中へ戻される。
【００３１】
送出ライン(44)と再循環流体吐出口(38)は、過度の起泡を生ずることなく、図４に示される如く、培養チャンバー(12)の内側の流体(84)に渦流(77)が形成されるように構成され、配置されることが望ましい。バクテリア含有流体に酸素を供給するために、液面下に空気を注入して、好気性バクテリアの培養を促進する従来の装置とは異なり、本発明は、渦流(77)の内側の空間へ低圧空気を供給し、渦流による接触面積の増大により、培養チャンバー(12)の内側の流体(84)に酸素を供給する。流体を通じて上向きに空気をバブリングするのではなく、また、流体送出ライン(44)に設けられた排出装置を用いるのではなく、このように流体(84)に酸素を供給することにより、バブル及び過度の起泡を生成することなく、流体(84)に酸素を分子レベルで供給することができる。
【００３２】
本発明の望ましい実施例では、流体(84)は培養チャンバー(12)の中へ接線方向に再注入される。ここで用いられる「接線方向(tangentially)」という語は、バクテリア培養チャンバー(12)の内側表面(16)の周りで略水平方向に最初に形成される屈曲した流路を意味し、培養チャンバー(12)の内側表面の周りで連続するときは水平から分岐し、出口ポート(26)の渦流破砕要素(88)の上方の培養チャンバー(12)の中央に、下向き螺旋状の渦流(77)を生成する。
【００３３】
ポンプ(16)及びライン(44)を通る再循環ループがここに記載したように一旦形成されると、渦流(77)は、培養チャンバー(12)の内側の最高液面レベル(90)から、渦流破砕要素(88)までの略全部の距離に亘って下向きに形成されるので、これにより、複合湾曲部(compound curvature)を有する略円錐形の液面(86)を画定し、その最大内径は上部液面(90)又はその近傍にあり、その最小内径は培養チャンバー(12)の底部の出口ポート(26)又はその近傍にある。再循環は、このように約６時間続けられ、その間、バクテリア培養チャンバー(12)内の流体(84)の温度は約１６〜約４０℃(約６０〜約１０４°Ｆ)、最も好ましくは約２９〜約３２℃(約８４〜約９０°Ｆ)の範囲に維持され、入口ポート(31)を通して水を連続的に導入し、チップ(87)を通して低圧空気を連続的に導入し、排出ポート(36)から流体排出ライン(40)へ流体を連続的に排出し、排出ポート(36)の下に配置されたフラッシュライン(52)から流体排出ライン(40)へ送られた水により、流体排出ライン(40)から連続的にフラッシングすることによって達成される。
【００３４】
６時間後、コントローラ(54)により供給機構(48)は、好適には、図６に示される供給カップに栄養物ペレットを再充填し、それらを入口ポート(34)を通じてバクテリア培養チャンバー(12)の中へ排出する。同じプロセスは、６時間間隔で供給ホッパー(46)が空になるまで続けることが好ましく、定期的な検査及び浄化のためにプロセスを意図的に停止するまで、供給ホッパー(46)の内部に栄養物ペレットを補給することが好ましい。浄化及びメインテナンスのための操業停止の頻度は、１か月に約一度より多くないことが好ましく、２か月に約一度が最も好ましい。
【００３５】
図８は、他の実施例を開示しており、この実施例では、電子コントローラ、タイマー及びソレノイド弁を用いて、制御されたパルス水がバクテリア培養チャンバー及びバクテリア捕獲ラインに導入され、捕獲されたバクテリアが、使用サイト又は蓄積及び貯蔵容器の中へフラッシングされる。図８の実施例を用いて、制御された水を周期的に培養チャンバーへ導入することにより、無機化合物(mineral)の蓄積及び目詰まりを回避することができる。これらの蓄積及び目詰まりがあると、図１、４及び５を参照して説明したニードル弁を通じて、水を連続的に滴下させるときに困難を生じる。これは、水道水の供給ラインから直接得た水を用いるとき、ミネラル分が多いため、特に重要である。
【００３６】
図８を参照すると、バイオマス発生器(200)は、好適には、キャビネット(201)、バクテリア培養チャンバー(214)、再循環ポンプ(224)、供給ホッパー(230)、定量供給装置(232)、空気ポンプ(240)、電気トランスフォーマー(264)、タイマー(266)及びコントローラ(268)を具えている。バイオマス発生器(200)は、内蔵型(self-contained)が好ましく、接続は、公知の電力アウトレット、水供給ライン及びバクテリア捕獲ライン又は培養チャンバー(214)から捕獲されたバクテリアを蓄積するためレセプタクルに対して必要とするだけである。キャビネット(201)は、上面(203)、底部(206)、側部(202)(204)及び後部(210)を有し、その前面には、ヒンジ付きドア(208)が配備されており、所望により、壁に取り付けられるか、又はスタンド若しくはテーブルに設置される。ドア(208)は、汚染又は流体漏れが起こる可能性を少なくするために、周囲シール(図示せず)を配備し、業務連絡以外に内部(212)へ許可なくアクセスできないようにロックできるようにすることが望ましい。底部(206)は、好ましくは、水が漏らないようになっており、培養チャンバー(214)からオーバーフロー又は漏洩があった場合、水又は生きたバクテリアが出て行かないように、バクテリア培養チャンバー(214)の容積と少なくとも同じ位の液体量を捕獲するのに十分な容積を有する溜まり部(sump)を有することが望ましい。フロートスイッチ(280)は、好適には、溜まり部(207)の中に配備され、コントローラ(268)に接続されて、溜まり部(207)の中の水蓄積量が増えた場合、ノーマルクローズのソレノイド式水入口弁(276)(278)への電力が遮断されるようにしている。
【００３７】
バクテリア培養チャンバー(214)は、図１、図３及び図４を参照して先に説明したバイオマス発生器(10)の培養チャンバー(12)と同様なものであり、好ましくは、上面(220)を有する略円筒形の側壁(216)と、培養チャンバー(12)に関して先に説明した渦流破砕要素を有するドレンポート(222)付きテーパ状底部(218)を具えている。再循環ポンプ(224)により、入口(282)を通して培養チャンバー(12)からバクテリア含有流体が送られ、加圧された流体は、接線方向に、再循環ライン(226)及び再循環流体吐出口(228)を通じて、培養チャンバー(214)の中へ送り出される。ユニットを定期メンテナンスを行なう間ポンプ(224)から送出された流体を、浄化ライン(258)からバクテリア捕獲ライン(256)へ再び供給するために、弁(260)が配備される。該弁は、手動式(図示の如く)でもよいが、所望により、他の電気式ソレノイドで制御されることもできる。弁(260)は、通常の稼働中、バクテリア培養に悪影響を与える乱流、剪断及び衝撃を回避して、バクテリア含有液が弁の中を真直通って流れるように構成され、再循環ライン(226)の中に配備されることが好ましい。また、バクテリアの蓄積ができるだけ起こらないように、浄化ライン(258)は、上向きに傾斜した弁(260)を通ることが好ましい。
【００３８】
図８に示されたバイオマス発生器(200)と、図１〜図４を参照して説明したバイオマス発生器(10)との主な違いは、バクテリア培養チャンバー(214)及びバクテリア捕獲ライン(256)へ水を送給する要素の構造と作用である。図８を再び参照すると、供給ライン(234)を通ってキャビネット(201)へ入る水は、調節され、ソレノイド弁(276)からライン(235)、ソレノイド弁(278)をからライン(250)へ分配される。ライン(235)(250)の水圧は、約３０ｐｓｉ、即ち、水道水の標準ライン圧の上限を超えないことが望ましい。ライン(234)の水圧を制御するために、所望により、公知の流れ調節器を設けることもできる。
【００３９】
容量約３リットルの培養チャンバー(214)を有するバイオマス発生器(200)の場合、約４５ｍｌのパルス水が、弁(276)及びライン(235)を通じて、１時間毎に培養チャンバー(214)の中へ送り出されることが望ましい。典型例として、約４５ｍｌの水を送り出すのに、約３/４秒間送給を行なう必要がある。水は、上面(220)の入口ポートを通り、ライン(235)から培養チャンバー(214)へ下向きに送り出される。配管規格に適合させるために、１インチの空気ギャップが設けられており、虫その他の汚染物がキャビネット(201)の内部(212)へ進入して培養チャンバー(214)の中へ入らないように、好ましくは円錐形のスクリーン又はストレーナ(238)が配備される。
【００４０】
培養チャンバー(214)に入ってくる水は、所定周期にて、培養チャンバーの内側に形成された渦流の中へ下向きに送られる。この渦流は、図４に示された培養チャンバー(12)に関して説明した如く既に形成されており、前記水は、ポンプ(224)を通って再循環される。このように、培養チャンバー(214)の内部を再循環する液量が増えるにつれて、液面は上昇し、バクテリア含有液は培養チャンバー(214)の排出ポート(248)から出て、Ｙコネクター(253)へ流れる。コネクター(253)の内部に入ると、捕獲されたバクテリアは、弁(278)及びライン(250)から供給された水により、スクリーン又はストレーナ(254)及び大径のバクテリア捕獲ライン(256)を通って下向きにフラッシングされる。円錐形のスクリーン又はストレーナ(254)のメッシュサイズは、虫等がキャビネット(201)の内部(212)への進入しないように十分小さく、かつ、フラッシュ水又はバクテリアのバクテリア捕獲ライン(256)への流れをあまり妨げないようなサイズが望ましい。
【００４１】
新しい水は所定の間隔で培養チャンバー(214)の中へ注入されるため、フラッシュ水は、ポート(248)を通るバクテリア含有流体の排出と一致するように、所定の間隔でソレノイド弁(278)によって放出されることが望ましい。ライン(250)を通ってバクテリア捕獲ライン(256)へ放出されるフラッシュ水の周期的な流れは、ライン(235)を通って入る水の流れよりも、量が多く、放出時間が長いことが好ましい。本発明の望ましい実施例では、フラッシュ水の供給サイクルは、培養チャンバー(214)の中へ水が投入されると同時又はその直後に開始する。フラッシュ水の流れは約３０秒間は継続させることが好ましい。ティー部(253)及びバクテリア捕獲ライン(256)から、貯蔵容器(図示せず)の中又は直接最終の使用場所へ送られるバクテリアを十分に洗浄できるようにするためである。なお、フラッシュ水を３０秒間流す間、約１.８〜２リットルの水が放出されることが特に望ましい。
【００４２】
充填水及びフラッシュ水の導入は１時間間隔で行なうことが望ましいが、その間隔をさらに長くすることも本発明の範囲内である。このように、充填水及びフラッシュ水の導入間隔は、例えば、所望により、約１時間から約１５時間以上の範囲内で行なうことはできる。このような場合、パルス時間は、充填サイクルの場合、約４.５〜約１２秒の範囲が望ましく、その間に放出される水量は、約１８５〜約５００ｍｌの範囲が望ましい。フラッシングサイクル時間は、約１５秒〜約２４０秒であり、フラッシュ水の放出量は、約６２５ｍｌ〜約１０リットルである。
【００４３】
バイオマス発生器(200)の連続稼働中、水は培養チャンバー(214)へ１時間毎に導入されるが、それに加えて、栄養物を６時間に１回の割合で、定量供給装置(232)から加えることが好ましい。図８及び図９を参照すると、以下に説明する場合を除いて、定量供給装置(232)は、図１、図３−４及び図６−６Ｃに関して説明した定量供給装置(48)と実質的に同じ要領にて作られ、機能を有することが好ましい。定量供給装置(232)は、好適には、ハウジング(284)を有し、該ハウジングは、供給物入口ポート(286)、供給物出口ポート(288)、横型の円筒形ボアを有する回転可能なコア(290)、及び該コア(290)に関して固定された供給カップ(292)を有している。低電圧ＤＣモータの取付を容易にするために、ハウジング(284)の突起にネジ孔(298)が設けられる。前記モータにより、コア(290)は、前述した予めプログラミングされた電子コントローラから受信した信号に応答して、矢印(294)で示されるように、前方又は後方のどちらかへを回転することができる。
【００４４】
図８を参照すると、低圧空気ポンプ(240)は、前述した空気ポンプ(18)と同様に機能し、好適には、空気送給ライン(242)を通ってバクテリア培養チャンバー(214)の上部に空気を導入して、培養チャンバー(214)の内部を約０.５ｐｉｓｇの正圧に維持し、好ましくないバクテリアがチャンバーの中へ進入して蓄積するのを防止する。キャビネット(201)が緊密に密封されているので、側壁(204)に空気入口(241)を設けることにより、周囲空気は空気ポンプ(240)への導入が容易になることは理解されるであろう。追加の望ましい特徴を、定量供給装置(232)に関して説明するが、所望により、定量供給装置(48)にも用いられることができる。図９を参照すると、第２の空気送出ライン(246)が、低圧空気ポンプ(240)と定量供給装置(232)の間に配備される。供給サイクルの間、供給カップ(292)が「３時」の位置にあるとき、空気ライン(246)により、空気は、ポート(296)を通り、定量供給装置(232)のハウジング(284)の中へ送り出される。この空気は、供給サイクルの間に供給カップ(292)を乾燥させ、水分を供給ペレットから除去するための乾燥ゾーンバリアを形成する。これにより、定量供給装置(232)内部でのバクテリア培養は少なくなる。ポート(296)から導入された空気がハウジング(284)から出て行くことができるように、ハウジング(288)に、１又は複数の小さな通気孔(295)が設けられる。
【００４５】
図８に示すバイオマス発生器(200)は、水供給ライン(234)、バクテリア捕獲ライン(256)、浄化ライン(258)、空気入口(241)及び電源コード(262)は全て、キャビネット(201)の側壁(204)を通るように設けられるが、これら要素を他の箇所に配置することは可能であり、それも発明の範囲内である。例えば、１つの側壁に全ての水ラインと接続具を設け、全ての電気要素を対向壁に配置することが好ましい場合もある。その他にも、そのような接続の好ましい配置は、使用場所において既に配置されているユーティリティの位置に依存することがある。
【００４６】
本発明のバイオマス発生器(200)を稼働させて、バクテリアを連続的に培養させる方法及び制御システムの望ましい実施例について、図８を参照してさらに説明する。標準のＡＣ電流が電源コード(262)を通り、バイオマス発生器(200)へ供給され、その後、必要に応じて、予めプログラミングされた電気コントローラ(268)により分配される。なお、該電気コントローラは、変圧器(264)、ＡＣ−ＤＣコンバータ(266)、プログラマブル内部タイマー及び手動制御ボタン(270)(272)(274)をさらに具えている。コントローラ(268)は、好適には、１２ボルトの直流を、定量供給装置(232)のモータ及びソレノイド(276)(278)へ供給し、望ましくは１８ボルトに電圧を下げた交流を、空気ポンプ(240)及び再循環ポンプ(224)へ供給する。しかしながら、空気ポンプ(240)及び再循環ポンプ(224)は、所望により、直流電流で動作させることもできることは理解されるであろう。一般的に、キャビネット(201)内部の要素については、キャビネット内部での電気ショートに関する危険性を少なくするために、低電圧で作動できるように構成することが好ましい。なお、低電圧電流だけがキャビネットに入るように、所望により、ステップダウントランスをキャビネット(201)の外部に設置できることは理解されるであろう。
【００４７】
バイオマス発生器(200)を始動させる間、電源コード(262)を公知の電気アウトレットにプラグインし、ボタン(270)を押すことにより、ソレノイド弁(276)を介して約２リットルの水をバクテリア培養チャンバー(214)の中へ導入し、その後、好ましくは約３０グラムのスタータバクテリア及びペレット化された栄養物の初期チャージが、手操作によって、バクテリア培養チャンバー(214)の中へ導入される。培養チャンバー(214)の内部へのアクセスは、リフト式蓋(220)によって行われることが望ましい。
【００４８】
次に、ボタン(272)を押し、コントローラ(268)内部のタイマーに対し、バイオマス発生器(200)が「装填(charge)」モードであることを示す信号を与えることにより、再循環ポンプ(224)と空気ポンプ(240)は作動する。その間、バクテリア含有流体は、最初の２４時間、水又は栄養物をさらに追加することなく循環する。２４時間経過後、コントローラ(268)は自動的に「運転(run)」モードに進む。運転モードにあるとき、バイオマス発生器(200)のコントローラ(268)は、周期的及び自動的に、ソレノイド弁(276)(278)へ信号の送信を開始する。バクテリア培養チャンバー(214)へ導入されるべき新しい水は、ソレノイド弁(276)によってパルス水となり、捕獲されたバクテリアをバクテリア捕獲ライン(256)へフラッシングするためのフラッシュ水は、ソレノイド弁(278)によりＹ型接続具(253)の上方に導入される。各パルスの時間、パルスとパルスの間隔は、前述したように、コントローラ(268)の中へ予めプログラミングされることができる。或いは、所望により、バイオマス発生器(200)に、水の充填及びフラッシュ水サイクルの間隔及び実施時間を設定するための装置を配備することもできる。どちらの場合も、バイオマス発生器(200)の自動運転は、始動後、２か月間はオペレータの介入無しで続けられることが望ましい。
【００４９】
バイオマス発生器(200)が、温度制御された建物の中で使用される場合で、室温が急速なバクテリア培養が行われる範囲内のとき、キャビネット(201)内部(212)の補助加熱又は冷却は必要でない。しかしながら、使用環境が内部空間(212)に左右され、その温度が、急速なバクテリア培養を促進するには高すぎる場合又は低すぎる場合は、キャビネット(201)に公知の温度制御装置を追加する必要がある。
【００５０】
供給ホッパー(230)の容積によっては、ホッパーへの栄養物ペレット再充填を、２か月間隔よりも頻繁に行なう必要がある場合がある。しかしながら、そのような補給は、前述したバクテリア培養チャンバー(214)及びその付属設備の稼働を中断することなく行なうことが望ましい。連続稼働中、捕獲されたバクテリアは、アキュムレータ、貯蔵容器等の中へ送り込まれ、バクテリア捕獲ライン(256)で洗浄した後、使用サイトへ直接送られる。
【００５１】
操業停止及び浄化の頻度は、好ましくは毎月に１度より多くなく、最も好ましくは２か月以上であるが、操業停止及び浄化が必要な場合はいつでも、ボタン(274)を押すことにより、「運転」モードを終わらせることができる。浄化が行われる間、バクテリア培養チャンバー(214)の内部はブラシで落とされ、チャンバー底部の流れを制限する要素が除去及び浄化されることができる。スクリーン(238)(254)は取り外され、バック洗浄が行われる。バクテリアの蓄積、膜又はスラッジを、流れライン、入口ポート、出口ポート、弁等から除去するために、漂白剤、酢その他適当な洗浄用化合物又は薬剤をシステムの中を循環させることができる。培養チャンバー(214)の洗浄及びすすぎを行なう間、弁(260)を手動操作するか、又は、再循環ポンプ(224)により排出された流体を、ライン(226)から排出ライン(258)及びバクテリア捕獲ライン(256)へ方向転換させる。所望により、追加のボタン又はスイッチをキャビネット(201)の内部に配備し、これを手動で操作し、サイクル弁(276)(278)の開閉を行ない、浄化を行なう間、追加の充填水及びフラッシュ水を供給することができる。
【００５２】
本発明のバイオマス発電において、バクテリアの有用な他の適用例として、限定するものではないが、植物の分解、動物(家禽類及び人間を含む)の排泄物、油及び化学剤漏洩の処理、毒性化合物の転換、藻類の消化、虫類及び菌類の制御、イースト生成物、食物加工、産業有機廃棄物の分解を挙げることができる。
【００５３】
当該分野の専門家であれば、本願の開示に基づいて、発明の変形及び変更をなし得るであろう。それゆえ、本発明の範囲は、発明者らが法的に資格を有する特許請求の範囲の最も広義の解釈によってのみ制限されるものである。当該分野の専門家であれば、本発明の開示に基づき、バクテリア、栄養物、水供給装置、空気供給装置、制御装置、容器及びポンプの物理的サイズ、配置及び種類について、具体的適用の必要に応じるために、発明の範囲内で変更又は変形をなすことはできる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の連続フロー式バイオマス発生器の望ましい実施例を一部破断して示す正面図である。
【図２】図１の連続フロー式バイオマス発生器の左側面図である。
【図３】図１及び図２の連続フロー式バイオマス発生器を一部破断して示す右側面図である。
【図４】本発明の連続フロー式バイオマス発生器の培養チャンバーの内側を、一部を破断し、一部を断面で示した正面図である。
【図５】図４の５−５線に沿う断面を示したもので、本発明で用いられる望ましい水流制御機構の拡大断面図である。
【図６】図３の６−６線に沿う断面を示したもので、本発明で用いられる望ましい栄養物供給機構の下部の拡大断面図であって、供給カップが栄養物の投入を受ける直立位置を示している。
【図６Ａ】図６の栄養物供給機構の供給カップが下向きに回転したもので、栄養物を排出する反転位置を示している。
【図６Ｂ】図６の栄養物供給機構の供給カップが上向きに回転したもので、中間のスタンバイ位置を示している。
【図６Ｃ】図６の栄養物供給機構の供給カップが、スタンバイ位置から、図６の直立位置まで上向きに回転したもので、供給カップが栄養物の投入を受ける直立位置を再び示している。
【図７】本発明のバイオマス発生器に好適に用いられる水流制御装置の他の実施例を簡素化して示す正面図である。
【図８】本発明の連続フロー式バイオマス発生器の望ましい他の実施例を一部破断して示す正面図である。
【図９】本発明で使用される望ましい栄養物供給機構下部の断面正面図であって、供給カップの中間スタンバイ位置と、乾燥を容易に行なうために空気を供給カップに送り込む空気ラインを示している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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