(57)【要約】本開示の実施形態は、生物精製システムにおいてバイオマスからエネルギーおよび出力生成物を生成することを対象としたシステム、構成要素、方法を提供する。本システム、構成要素、および方法は、単独で、または統合生物精製システムの一部として組み合わせて使用することができる。本システムは、概して、光バイオリアクタシステムと、嫌気性バイオリアクタシステムと、光バイオリアクタシステムの少なくとも一部分、および嫌気性バイオリアクタシステムの少なくとも一部分を含有するためのエンクロージャであって、エンクロージャは、植物を成長させるための環境を有する、エンクロージャとを含む。
2014509252.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生物精製システムであって、該システムは、
（ａ）光バイオリアクタシステムと、
（ｂ）嫌気性バイオリアクタシステムと、
（ｃ）該光バイオリアクタシステムの少なくとも一部分、および該嫌気性バイオリアクタシステムの少なくとも一部分を含有するためのエンクロージャであって、該エンクロージャは、植物を成長させるための環境を有する、エンクロージャと
を備える、システム。
【請求項２】
前記光バイオリアクタシステムは、藻類コロニーを成長させ、藻類の収穫を産生するように構成される、請求項１に記載の生物精製システム。
【請求項３】
前記嫌気性バイオリアクタシステムは、前記藻類の収穫を消費して、メタン、二酸化炭素、水素、および肥料から成る群より選択される１つ以上の生成物を産生するように構成される、請求項２に記載の生物精製システム。
【請求項４】
前記光バイオリアクタシステムへの原料は、外部システムからの排ガスである、請求項１に記載の生物精製システム。
【請求項５】
前記外部システムは、バイオマス熱分解システム、エネルギー変換システム、嫌気性バイオリアクタ、および煙道ガススタックから成る群より選択される、請求項４に記載の生物精製システム。
【請求項６】
前記光バイオリアクタシステムへの原料は、前記嫌気性バイオリアクタシステムから出力される肥料の少なくとも一部分である、請求項１に記載の生物精製システム。
【請求項７】
植物灌漑用水は、バイオマス熱分解システムからの再生水から受容される、請求項１に記載の生物精製システム。
【請求項８】
前記光バイオリアクタは、バイオマス熱分解システムから再生水を受容する、請求項１に記載の生物精製システム。
【請求項９】
前記エンクロージャは、太陽エネルギーを受容するように設計される、請求項１に記載の生物精製システム。
【請求項１０】
前記エンクロージャは、外部システム、ハイドロニクスシステム、および地熱のうちの少なくとも１つから熱を受容するように設計される、請求項１に記載の生物精製システム。
【請求項１１】
前記システムは、管理された入力および出力を有する、請求項１に記載の生物精製システム。
【請求項１２】
制御システムをさらに備え、該制御システムは、前記システムの中の複数の構成要素を制御するための複数の自律エージェントを含み、該複数の自律エージェントのうちの１つは、統制エージェントである、請求項１に記載の生物精製システム。
【請求項１３】
前記制御システムは、反応型、予測型、適応型、またはそれらの組み合わせであってもよい、請求項１２に記載の生物精製システム。
【請求項１４】
前記制御システムは、目標指向挙動モデル、発見的アルゴリズム、およびフルエントから成る群より選択される解決プロセスを使用することによって、適応型であってもよい、請求項１２に記載の生物精製システム。
【請求項１５】
前記解決プロセスは、その環境の変化に適応する能力がある、請求項１４に記載の生物精製システム。
【請求項１６】
前記制御システムは、別の生物精製システムから情報を受信してもよい、請求項１２に記載の生物精製システム。
【請求項１７】
温室システムの中で植物を成長させる方法であって、該方法は、
（ａ）エンクロージャを形成することであって、該エンクロージャの少なくとも一部分は、太陽エネルギーを受容するように構成される、ことと、
（ｂ）該エンクロージャの中に光バイオリアクタシステムの少なくとも一部分を配置することと、
（ｃ）該エンクロージャの中に嫌気性バイオリアクタシステムの少なくとも一部分を配置することと
を含む、方法。
【請求項１８】
前記光バイオリアクタシステムの中で藻類コロニーを成長させることをさらに含み、該成長させることにより、藻類の収穫を産生する、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記嫌気性バイオリアクタシステムの中で前記藻類の収穫を消費することをさらに含み、該消費することにより、メタン、水素、および肥料から成る群より選択される１つ以上の生成物を産生する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
外部システムから前記光バイオリアクタシステムまで排ガスを送給することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記外部システムは、バイオマス熱分解システム、エネルギー変換システム、嫌気性バイオリアクタ、および煙道ガススタックから成る群より選択される、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記嫌気性バイオリアクタシステムから前記光バイオリアクタシステムまで出力される肥料の少なくとも一部分を送給することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２３】
外部システム、ハイドロニクスシステム、および地熱のうちの少なくとも１つから受容される熱を用いて前記エンクロージャを加熱することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２４】
前記温室システムの中の前記構成要素の作用を制御することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２５】
藻類コロニーを成長させるための光バイオリアクタシステムであって、該システムは、
（ａ）排ガスの源と、
（ｂ）該排ガスを消費して藻類コロニーを成長させるように構成された複数の水路を含む水路システムと、
（ｃ）該水路のうちの少なくとも１つから該藻類コロニーを排出するための弁システムであって、該複数の水路の各々は、該弁システムに隣接するように配置される、弁システムと
を備える、システム。
【請求項２６】
前記光バイオリアクタシステムは、熱、栄養物、および太陽エネルギーのうちの少なくとも１つをさらに受容して、前記藻類コロニーを成長させる、請求項２５に記載の光バイオリアクタシステム。
【請求項２７】
前記藻類コロニーは、周期的に収穫されることにより、藻類の収穫を産生する、請求項２５に記載の光バイオリアクタシステム。
【請求項２８】
前記藻類の収穫は、窒素肥料を産生する嫌気性バイオリアクタまたはエネルギー変換システムのうちの少なくとも１つによって消費されることができる、請求項２７に記載の光バイオリアクタシステム。
【請求項２９】
前記排ガスの源は、バイオマス熱分解システム、エネルギー変換システム、嫌気性バイオリアクタ、および煙道ガススタックから成る群より選択される、請求項２５に記載の光バイオリアクタシステム。
【請求項３０】
前記水路システムは、混合システムを含み、該混合システムは、各水路の中に、混合装置と、少なくとも１つの仕切りとを含む、請求項２５に記載の光バイオリアクタシステム。
【請求項３１】
前記水路システムは、混合システムを含み、該混合システムは、各水路の中に、混合装置と、少なくとも２つの仕切りとを含む、請求項２５に記載の光バイオリアクタシステム。
【請求項３２】
前記藻類コロニーを脱水するための脱水システムをさらに備える、請求項２５に記載の光バイオリアクタシステム。
【請求項３３】
前記脱水された藻類コロニーからの水は、接種のために前記水路に戻される、請求項３２に記載の光バイオリアクタシステム。
【請求項３４】
前記脱水された藻類コロニーは、消化のために嫌気性バイオリアクタシステムに送達される、請求項３２に記載の光バイオリアクタシステム。
【請求項３５】
藻類コロニーを成長させる方法であって、該方法は、
（ａ）複数の水路を含む水路システムを有する光バイオリアクタシステムを提供することと、
（ｂ）排ガスを該藻類コロニーに送達することと、
（ｃ）該藻類コロニーが所定のコロニー密度に達した後に、弁システムを使用して該藻類コロニーを排出することであって、該複数の水路の各々は、該弁システムに隣接するように配置される、ことと
を含む、方法。
【請求項３６】
排ガスを隔離してエネルギーを産生するための生物精製システムであって、該システムは、
（ａ）セルロースバイオマスを消費して排ガスを産生するように構成されたバイオマス熱分解装置と、
（ｂ）該バイオマス熱分解装置からの該排ガスを消費して藻類コロニーを成長させるように構成された光バイオリアクタシステムと
を備える、システム。
【請求項３７】
前記バイオマス熱分解装置は、有機炭素をさらに産生する、請求項３６に記載のシステム。
【請求項３８】
嫌気性バイオリアクタシステムをさらに備え、該嫌気性バイオリアクタシステムは、前記藻類の収穫を消費して水素およびメタンのうちの少なくとも１つを産生するように構成される、請求項３６に記載の生物精製システム。
【請求項３９】
前記嫌気性バイオリアクタシステムは、窒素肥料をさらに産生する、請求項３８に記載のシステム。
【請求項４０】
二酸化炭素を隔離する方法であって、該方法は、
（ａ）バイオマス熱分解システムから二酸化炭素を取得することと、
（ｂ）該二酸化炭素を消費のために藻類コロニーに方向付けることと
を含む、方法。
【請求項４１】
（ａ）約２：１から約４０：１の範囲内の炭素対窒素比と、
（ｂ）約０．５から約７．０パーセントの範囲内のカリウム含有量と
を備える、土壌再生生成物。
【請求項４２】
約０．１５から約１．３パーセントの範囲内の硫酸塩含有量をさらに備える、請求項４０に記載の生成物。
【請求項４３】
約０．５から約６．８パーセントの範囲内のカルシウム含有量をさらに備える、請求項４０に記載の生成物。
【請求項４４】
約０．２５から約１．６パーセントの範囲内のマグネシウム含有量をさらに備える、請求項４０に記載の生成物。
【請求項４５】
約０．７５から約１３ｍｇ／Ｌの範囲内の銅含有量をさらに備える、請求項４０に記載の生成物。
【請求項４６】
約１００から約３５０ｍｇ／Ｌの範囲内のマンガン含有量をさらに備える、請求項４０に記載の生成物。
【請求項４７】
約０．４から約２．０パーセントの範囲内の窒素含有量をさらに備える、請求項４０に記載の生成物。
【請求項４８】
約０．４から約１．５パーセントの範囲内のリン含有量をさらに備える、請求項４０に記載の生成物。
【請求項４９】
約０．５から約１８パーセントの範囲内のナトリウム含有量をさらに備える、請求項４０に記載の生成物。
【請求項５０】
約８４から約２３３．１ｍｇ／Ｌの範囲内の亜鉛含有量をさらに備える、請求項４０に記載の生成物。
【請求項５１】
約６００から約２５００ｍｇ／Ｌの範囲内の鉄含有量をさらに備える、請求項４０に記載の生成物。
【請求項５２】
約５から約１５０ｍｇ／Ｌの範囲合のホウ素含有量をさらに備える、請求項４０に記載の生成物。
【請求項５３】
前記生成物は、約５．４から約９．６の範囲内のｐＨを有する、請求項４０に記載の生成物。
【請求項５４】
土壌再生生成物であって、該生成物は、
（ａ）約２：１から約４０：１の範囲内の炭素対窒素比と、
（ｂ）第２の構成要素と
を備え、該第２の構成要素は、
約０．５から約７．０パーセントの範囲内のカリウム含有量、
約０．１５から約１．３パーセントの範囲内の硫酸塩含有量、
約０．５から約６．８パーセントの範囲内のカルシウム含有量、
約１００から約３５０ｍｇ／Ｌの範囲内のマンガン含有量、
約０．４から約２．０パーセントの範囲内の窒素含有量、
約０．４から約１．５パーセントの範囲内のリン含有量、
約０．５から約１８パーセントの範囲内のナトリウム含有量、
約８４から約２３３．１ｍｇ／Ｌの範囲内の亜鉛含有量、
約６００から約２５００ｍｇ／Ｌの範囲内の鉄含有量、
約５から約１５０ｍｇ／Ｌの範囲内のホウ素含有量、
およびそれらの組み合わせから成る群より選択される、生成物。
【請求項５５】
水を改善する方法であって、該方法は、
（ａ）バイオマス熱分解装置を使用して、有機炭素生成物を生成することと、
（ｂ）該有機炭素生成物を使用して、第１のレベルの不純物を含有する水を濾過することにより第２のレベルの不純物を含有する水を産生することであって、該第２のレベルの不純物は、該第１のレベルの不純物よりも少ない、ことと
を含む、方法。
【請求項５６】
生物精製システムのための制御システムであって、該制御システムは、
（ａ）生物学的プロセスと、
（ｂ）該生物精製システムの中の複数の構成要素を制御するための複数の自律エージェントであって、該複数の自律エージェントのうちの１つは、統制エージェントである、自律エージェントと
を備える、制御システム。
【請求項５７】
前記制御システムは、反応型、予測型、適応型、またはそれらの組み合わせであってもよい、請求項５６に記載の制御システム。
【請求項５８】
前記制御システムは、目標指向挙動モデル、発見的アルゴリズム、およびフルエントから成る群より選択される解決プロセスを使用することによって、適応型であってもよい、請求項５６に記載の制御システム。
【請求項５９】
前記制御システムは、別の生物精製システムから情報を受信してもよい、請求項５６に記載の制御システム。
【請求項６０】
前記自律エージェントのうちの少なくとも１つは、生体系の能力を模倣することにより、進化し、その環境の変化に適応する、請求項５６に記載の制御システム。
【請求項６１】
前記統制エージェントは、生体系の能力を模倣することにより、進化し、その環境の変化に適応する、請求項５６に記載の制御システム。
【請求項６２】
前記自律エージェントは、変化を達成するための新しい方法を継続的に発見する能力がある、請求項５６に記載の制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、米国仮特許出願第６１／４３４３５３号（２０１１年１月１９日出願）の利益を主張し、この出願の開示は、その全体が参照することによって本明細書に援用される。
【背景技術】
【０００２】
（背景）
世界中において拡大する工業化および増加する人口は、エネルギー、食糧、および飲料水の常に増大する需要を生成し続ける一方で、同時に、廃棄物および潜在的に気候を変化させる温室効果ガスの産生を増加させている。化石燃料への歴史的依存があまり確実ではなくなり、および／またはその廃棄副産物を管理することがより高価になりつつあることが、当技術分野で十分に立証されている。同様に、従来の大規模農業の実践および増加している産業廃棄物流出の存在が、土壌養分レベルを低減させ、自然および人工給水に悪影響を及ぼしており、その全てが、我々の地域社会のための持続可能な栄養価の高い食糧供給を生産する能力を低減させる。
【０００３】
したがって、再生可能エネルギーの代替源を生成するための手段、および温室効果ガスを隔離し、土壌生存率を増加させ、給水を改善するための手段を識別および作成する必要性および努力が、当技術分野において多く文書で示されている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本概要は、詳細な説明において以下でさらに説明される概念についての選択を簡潔に紹介するために提供される。本概要は、権利が請求される対象の主要な特徴を同定することを目的としておらず、また、請求対象の範囲を決定する補助として使用されることも目的としていない。
【０００５】
本開示の一実施形態によれば、生物精製システムが提供される。本システムは、概して、光バイオリアクタシステムと、嫌気性バイオリアクタシステムと、光バイオリアクタシステムの少なくとも一部分および嫌気性バイオリアクタシステムの少なくとも一部分を含有するためのエンクロージャであって、エンクロージャは、植物を成長させるための環境を有する、エンクロージャとを含む。
【０００６】
本開示の別の実施形態によれば、温室システム内で植物を成長させる方法が提供される。本方法は、概して、エンクロージャを形成するステップであって、エンクロージャの少なくとも一部分は、太陽エネルギーを受容するように構成される、ステップと、エンクロージャの中に光バイオリアクタシステムの少なくとも一部分を配置するステップと、エンクロージャの中に嫌気性バイオリアクタシステムの少なくとも一部分を配置するステップとを含む。
【０００７】
本開示の別の実施形態によれば、藻類コロニーを成長させるための光バイオリアクタシステムが提供される。本システムは、概して、排ガス源と、排ガスを消費して藻類コロニーを成長させるように構成される複数の水路を含む水路システムと、水路のうちの少なくとも１つから藻類コロニーを排出するための弁システムであって、複数の水路の各々は、弁システムに隣接するように配置される弁システムとを含む。
【０００８】
本開示の別の実施形態によれば、藻類コロニーを成長させる方法が提供される。本方法は、概して、複数の水路を含む水路システムを有する光バイオリアクタシステムを提供するステップと、排ガスを藻類コロニーに送達するステップと、藻類コロニーが所定のコロニー密度に達した後に、弁システムを使用して藻類コロニーを排出するステップであって、複数の水路の各々は、弁システムに隣接するように配置される、ステップとを含む。
【０００９】
本開示の別の実施形態によれば、エネルギーを産生するように排ガスを隔離するための生物精製システムが提供される。本システムは、概して、セルロースバイオマスを消費して排ガスを産生するように構成されるバイオマス熱分解装置と、バイオマス熱分解装置からの排ガスを消費して藻類コロニーを成長させるように構成される光バイオリアクタシステムとを含む。
【００１０】
本開示の別の実施形態によれば、二酸化炭素を隔離する方法が提供される。本方法は、概して、バイオマス熱分解システムから二酸化炭素を取得するステップと、消費のために二酸化炭素を藻類コロニーに方向付けるステップとを含む。
【００１１】
本開示の別の実施形態によれば、土壌再生生成物が提供される。この生成物は、概して、約２：１から約４０：１の範囲内の炭素対窒素比と、約０．５から約７．０パーセントの範囲内のカリウム含有量とを含む。
【００１２】
本開示の別の実施形態によれば、土壌再生生成物が提供される。この生成物は、概して、約２：１から約４０：１の範囲内の炭素対窒素比、および第２の構成要素を含み、この第２の構成要素は、
約０．５から約７．０パーセントの範囲内のカリウム含有量、
約０．１５から約１．３パーセントの範囲内の硫酸塩含有量、
約０．５から約６．８パーセントの範囲内のカルシウム含有量、
約１００から約３５０ｍｇ／Ｌの範囲内のマンガン含有量、
約０．４から約２．０パーセントの範囲内の窒素含有量、
約０．４から約１．５パーセントの範囲内のリン含有量、
約０．５から約１８パーセントの範囲内のナトリウム含有量、
約８４から約２３３．１ｍｇ／Ｌの範囲内の亜鉛含有量、
約６００から約２５００ｍｇ／Ｌの範囲内の鉄含有量、
約５から約１５０ｍｇ／Ｌの範囲内のホウ素含有量、
およびその組み合わせから成る群より選択される。
【００１３】
本開示の別の実施形態によれば、水を改善する方法が提供される。本方法は、概して、バイオマス熱分解装置を使用して有機炭素生成物を生成するステップと、第２のレベルの不純物を含有する水を産生するために、有機炭素生成物を使用して第１のレベルの不純物を含有する水を濾過するステップであって、第２のレベルの不純物は第１のレベルの不純物より少ない、ステップとを含む。
【００１４】
本開示の別の実施形態によれば、生物精製システム用の制御システムが提供される。制御システムは、概して、生物学的プロセスと、生物精製システム内の複数の構成要素を制御するための複数の自律エージェントであって、複数の自律エージェントのうちの１つは、統制エージェントである、自律エージェントとを含む。
【００１５】
前述の側面および本開示の付随する利点の多くは、添付図面と併せて解釈されたときに、以下の詳細な説明を参照してより深く理解されることによって、より容易に認識されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本開示の一実施形態による、光バイオリアクタシステムと、嫌気リアクタシステムと、バイオマス熱分解システムと、エネルギー変換システムとを含む、生物精製システムの概略図である。
【図２】図２−４は、本開示の実施形態による、光バイオリアクタシステム用の水路の種々の実施形態の図である。
【図３】図２−４は、本開示の実施形態による、光バイオリアクタシステム用の水路の種々の実施形態の図である。
【図４】図２−４は、本開示の実施形態による、光バイオリアクタシステム用の水路の種々の実施形態の図である。
【図５】図５は、本開示の一実施形態による、多重水路光バイオリアクタシステムの上面図である。
【図６Ａ】図６Ａおよび６Ｂは、図５の多重水路光バイオリアクタシステムで使用される切替え弁の斜視図である。
【図６Ｂ】図６Ａおよび６Ｂは、図５の多重水路光バイオリアクタシステムで使用される切替え弁の斜視図である。
【図７】図７は、図５の多重水路光バイオリアクタシステムの側面断面図である。
【図８】図８Ａおよび８Ｂは、例えば、図５の多重水路光バイオリアクタシステムで使用するための切替え弁および水帰還システムの代替実施形態の斜視上面図および側面図である。
【図９】図９は、本開示の一実施形態による、嫌気性バイオリアクタシステムにおけるバイオマス変換プロセスのプロセスフロー図である。
【図１０】図１０は、本開示の一実施形態による、嫌気性バイオリアクタシステムの概略図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、本開示の一実施形態による、温室システムの概略図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、本開示の一実施形態による、例示的温室システムの斜視図である。
【図１２】図１２は、本開示の一実施形態による、バイオマス熱分解システムの側面断面図である。
【図１３】図１３は、多重バイオマス熱分解システム用のバイオマス搭載システムの側面図である。
【図１４】図１４は、本開示の別の実施形態による、光バイオリアクタシステムと、嫌気リアクタシステムと、熱エネルギー源と、エネルギー変換システムとを含む、生物精製システムの概略図である。
【図１５】図１５−１９は、本開示の実施形態による、生物精製システム用の種々の制御システムの概略図である。
【図１６】図１５−１９は、本開示の実施形態による、生物精製システム用の種々の制御システムの概略図である。
【図１７】図１５−１９は、本開示の実施形態による、生物精製システム用の種々の制御システムの概略図である。
【図１８】図１５−１９は、本開示の実施形態による、生物精製システム用の種々の制御システムの概略図である。
【図１９】図１５−１９は、本開示の実施形態による、生物精製システム用の種々の制御システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本開示の実施形態は、実質的に閉ループのシステムにおいてバイオマスからエネルギーおよび出力生成物を生成することを対象としたシステム、構成要素、および方法を提供する。本システム、構成要素、および方法は、単独で、または統合生物精製システムの一部として組み合わせて使用することができる。
【００１８】
図１を参照すると、本開示による生物精製システム１００における構成要素の相互関係の一実施形態が示されている。生物精製システム１００は、概して、バイオマス熱分解システム１０２と、光合成バイオリアクタシステム１０４と、嫌気性バイオリアクタシステム１０６とを含む。生物精製システム１００は、例えば、メタンを電気に変換するためのエネルギー変換システム１０８をさらに含んでもよい。
【００１９】
随意的な温室１１０は、システム１００内の構成要素のうちの１つ以上を含有し、植物を成長させる環境を提供するように構成されてもよい。例えば、例示的実施形態では、温室１１０は、光合成バイオリアクタシステム１０４および嫌気性バイオリアクタシステム１０６を含有するように設計されている。図１では完全なシステム１００として示されているが、本開示の実施形態は、システム１００で示される１つ以上の個々の構成要素を対象とし得ることを理解されたい。
【００２０】
例えば、図１で見られるような本開示の生物精製システム、およびそれらの構成要素は、広範囲の産業および用途において、例えば、自然または人工バイオマス、あるいは木質バイオマス廃棄物を含むバイオマス廃棄物を管理することが所望される任意の場所において使用されてもよい。その点に関して、システムへの１つの入力は、バイオマス、特に、木くずおよび木くず燃料を含む木質バイオマス、マカデミアナッツの殻、雑草、まぐさ、および同等物である。そのようなバイオマスを産生する好適な産業および用途の非限定的実施例は、例えば、マカデミアナッツ農場、庭ごみおよび／または生ごみを産生する地域社会、製材所、製紙工場、および他の木材加工産業を含む牧場、農場、および他の農業用途自然発生バイオマスの管理が問題である熱帯気候の産業および共同体、ならびに同等物を含んでもよい。
【００２１】
本システムからの出力は、肥料、土壌改良材、および土壌再生生成物等の土壌再生生成物を含んでもよい。したがって、本開示の実施形態によれば、有用な産業および用途は、高級で栄養豊富な有機土壌再生生成物へのアクセスを所望する共同体および産業を含む。したがって、本開示の実施形態はまた、有機植物栽培および他の農業用途に有用な土壌再生生成物を生成するための組成物、方法、および手段も特色とする。
【００２２】
本明細書で説明される生物精製システムは、本質的に生体系の間の、特に、生態学的共同体内の種の間の持続的適応伝達を模倣する生物模倣システムの役割を果たす能力がある。生態学的共同体内で、構成種は、共同体内の入力および出力の全体的バランスを維持するよう、環境の変化に応答して、経時的に挙動を継続的に適応させて修正する。生物精製システムでは、光バイオリアクタ、嫌気性バイオリアクタ、熱分解装置、および温室空間は、生物精製システムである生態学的共同体内の構成要素または「種」を含む。生物精製システムは、（１）システム内の各構成要素およびシステム全般の現在の挙動を継続的に感知して伝達する、および（２）システムの入力および出力の発展する変化のために必要に応じて構成要素挙動およびシステム挙動の両方を継続的に修正して適応させる能力がある自律制御システムを含む。制御システムは、生態学的共同体が経時的に進化するために行うように、システム構成要素の挙動から学習して、入力および出力の平衡を保つための新しい方法および組み合わせを発見する能力がある。以下で詳細に説明される生物精製装置構造は、特定の生態学的共同体の構成物を接近させ、以下で詳細に説明される制御システムは、生態学的共同体内で自然発生する伝達を加速させる。不要な廃棄物を伴わずに生成物を生成するシステムを提供することに加えて、本システムはまた、自然生成物の生成も加速させる。本質的に、木が分解して土壌を再炭化することに約４００年かかり、自然プロセスが１インチの土壌を作製することに約１，０００年かかる。以下で詳細に説明されるように、生物精製システムは、３０〜５０年で自然の有機炭化土壌および土壌生成物を産生することができる。
【００２３】
（定義）
図１の生物精製システム１００をさらに詳細に説明する前に、生物精製システム１００の種々の構成要素、プロセス、入力、および出力を対象とする定義が提供される。
【００２４】
本明細書で使用されるように、「生物精製装置」または「バイオプロセッサ」という用語は、バイオマスから燃料、電力、熱、および他の付加価値のある化学物質または副産物を産生するために、１つ以上のバイオマス変換プロセスおよび機器を統合する施設を説明する。
【００２５】
本明細書で説明されるように、「バイオマス」という用語は、生物または最近まで生きていた有機体からの生物学的物質をいい、植物、木材、木くず、枯れた木、枝、および木の切り株を含む森林残留物、庭の切り落とし、木材チップ、生ごみ、藻類または藻類消化残渣、光合成微生物およびそれらの消化残渣を含む、植物または他の光合成生物によって産生される全ての物質を制限なく含む。バイオマスはまた、リグノセルロースバイオマスを含んでもよい。
【００２６】
本明細書で使用されるように、「リグノセルロースバイオマス」という用語は、トウモロコシ茎葉または収穫後に畑に残された他の植物残留物等の農業残留物、専用バイオマスエネルギー作物、製材所および製紙工場廃棄物等の廃材および森林の有機堆積物、および紙くずを無制限に含む、セルロース、ヘミセルロース、およびリグニンを含む任意の植物バイオマスを含む。
【００２７】
本明細書で使用されるように、「光合成バイオリアクタ」または「光バイオリアクタ」または「ＰＢＲ」という用語は、二酸化炭素を固定する、および／または炭素が豊富なバイオマスを産生する目的で、微細藻類および／または他の光合成独立栄養生物あるいは光合成微生物を含む藻類を栽培するためのシステムを説明する。有用な生物は、存在することが現在知られている何万もの種をいくつか挙げると、珪藻およびシアノバクテリア（藍藻としても知られている）、クロレラ、スピルリナ、ボトリオコッカス・ブラウニ、ドナリエラ・ターティオレクタ、オゴノリ、円石藻、およびホンダワラを制限なく含む。好ましい実施形態では、藻類および他の光合成微生物は、窒素固定種であってもよい。
【００２８】
微細藻類を含む有用な光合成微生物は、自然または人工池の中で成長し、そこから収集される、名のあるまたは無名の種の組み合わせを含むことができると当業者によって理解されるであろう。一実施形態では、有用な光合成微生物は、リグノセルロースバイオマス等のバイオマスの存在下においてＰＢＲの中で培養される。別の実施形態では、微生物は、使用済みの醸造麦芽汁またはホップ固形物、あるいは同様の発芽穀類組成物の存在下で培養される。別の実施形態では、微生物は、バイオ炭または有機炭素の存在下で培養される。別の実施形態では、微生物は、鉱物および微量元素等の微量栄養素を提供するように、岩石または結晶（全体であるか、または岩石粉末あるいは岩塩として微粉化されるかどうかにかかわらず）の存在下で培養される。
【００２９】
本明細書で使用されるように、「嫌気性バイオリアクタ」または「ＡＢＲ」という用語は、バイオマス消化残渣プロセスまたはシステムを説明する。例示的なＡＢＲバイオマス原料は、ＰＢＲの出力、生ごみ、ならびに水処理設備スラッジおよび／またはスラリーのうちの１つ以上を含んでもよい。本開示の実施形態に従って設計されたＡＢＲは、バイオマス原料の嫌気性消化が価値のある液体および固体バイオエネルギー生成物を産生するための１つ以上の段階を含んでもよい。
【００３０】
一実施形態では、ＡＢＲバイオマス原料は、藻類原料であり、ＡＢＲ出力は、メタン、水素、二酸化炭素、農業土壌改良材または肥料に使用するために好適な高級有機窒素土壌再生生成物を含む、本明細書では消化残渣液と呼ばれる窒素が豊富な液体消化残渣、および栄養豊富な藻類消化残渣固体といった生成物のうちの１つ以上を含んでもよい。原料が、農業に好適ではない材料、例えば、処理設備からのスラッジまたはスラリーを含む場合、消化残渣液体および消化残渣固体は、森林土壌を再構築するため、または地方自制体植林あるいは他の園芸用途で使用するため等に、非農業土壌改良材として使用することができる。ＡＢＲメタンおよび水素出力は、メタンおよび／または水素を電気の形態のエネルギーに変換するために使用することができるエネルギー変換システム用の原料として使用されてもよい。二酸化炭素は、光合成バイオリアクタシステム１０４用の栄養原料として使用することができる。
【００３１】
本明細書で使用されるように、「温室」という用語は、ＰＢＲおよびＡＢＲシステムの少なくとも複数部分を含有する環境またはシステムを説明する。温室内の条件は、ＰＢＲおよびＡＢＲシステムの両方の機能から分離して、離散植物を成長させるために使用されるよう最適化されてもよい。
【００３２】
本明細書で使用されるように、「バイオマスガス化装置」または「バイオマス熱分解システム」という用語は、酸素がない場合の高温度での有機材料またはバイオマスの熱化学分解のためのシステムを説明する。出力は、本明細書では「バイオ炭」、「有機炭素」（実質的に元素炭素に分解されているため）、「炭」、および「活性炭」と呼ばれる、多孔質で安定した炭素が豊富な生成物である。バイオ炭または有機炭素は、炭素含有量が豊富であり、炭素を隔離して土壌の中に留めるために有用であり、当技術分野では大気中炭素捕捉および貯蔵とも呼ばれる、安定した多孔質固体である。
【００３３】
本明細書で使用されるように、「有機炭素熱分解システム」という用語は、本開示のバイオマス熱分解装置またはバイオマスガス化装置の一実施形態を説明する。有機炭素熱分解装置における熱分解の温度は、変化し得る。例えば、一実施形態では、バイオ炭または有機炭素組成物は、少なくとも８００°Ｆの温度で熱分解によって産生される。別の実施形態では、有機炭素組成物は、１，０００°Ｆ未満の温度で熱分解によって生成される。別の実施形態では、本開示で有用な有機炭素組成物は、８００〜９００°Ｆの間の温度範囲で熱分解によって産生される。
【００３４】
図１から分かるように、本開示の実施形態による、有機炭素熱分解システム１０２の出力からの出力は、収集され、閉ループプロセスにおいて利用される。特定の実施形態では、水素およびメタンを含む合成ガスおよびバイオ油出力は、（１）ガス化プロセス自体に電力供給し、および／または（２）エネルギー変換システム用の原料を含むために利用され、ＣＯ２およびＮＯｘ出力は、藻類コロニー成長のための栄養源としてＰＢＲに提供される。別の実施形態では、有機炭素熱分解装置によって生成される熱のうちの一部は、閉ループプロセスを用いて、熱源としてＰＢＲに提供される。なおも別の実施形態では、水蒸気出力が凝縮され、（１）ＰＢＲシステム１０６、（２）ＰＢＲシステム１０６用および／または温室システム１１０用の温水冷暖房システム、および（３）植物栽培用の灌漑源のうちの少なくとも１つのための再生水源として利用される。有機炭素熱分解装置用の有用な原料は、木くずおよび木くず燃料を含む任意の木質バイオマス、マカデミアナッツの殻、雑草、まぐさ、および同等物を制限なく含む。
【００３５】
以下において、個々の装置、生物精製システム、および産生される高価値バイオエネルギー出力、ならびに（１）本開示の方法において本明細書で説明される構成要素およびシステムの好適性を実証し、（２）同システムを作製および使用する方法の説明を提供する、例示的な非限定的実施例の説明が提供される。
【００３６】
（生物精製システム概観）
図１を参照すると、例示的な炭素隔離生物精製システム１００におけるメンバー装置の相互関係が示されている。生物精製システムの機能の要は、システムが実質的にカーボンネガティブであるように、閉ループプロセスを介してその種々の構成要素出力を効率的に利用する能力である。
【００３７】
図１で説明される生物精製システム１００は、例えば、バイオマス熱分解システム１０２内のバイオマスの熱分解によって生成される廃熱および二酸化炭素を消費する。廃熱および二酸化炭素は、藻類等のエネルギーが豊富なバイオマスの培養、および有用な形態へのその変換を支援する。そのようなシステムは、輸送、農場機器、または電気への変換に燃料として使用することができるメタンおよび水素の産生に理想的に適している。図１に示されるシステム１００は、廃棄物を産生しないように設計されており、むしろ、その副産物は、肥料、土壌改良材、および土壌再生生成物等の有益な高級で栄養に富んだ有機土壌再生生成物である。
【００３８】
ここで、図１に示される生物精製システムの個々の構成要素を別々に説明する。構成要素が説明された後に、例示的な生物精製システム内の個々の構成要素の間の相互関係をさらに詳細に説明する。
【００３９】
（光バイオリアクタ）
図２を参照すると、光バイオリアクタシステム２００の例示的実施形態が示される。光バイオリアクタは、本質的に、光合成微生物のための成長装置である。図２の例示的実施形態における光バイオリアクタ２００は、水路２０２と、混合装置２０４および仕切り２０６を含む混合システムとを含む。水路２０２は、水を保持し、したがって、光合成微生物を培養および収穫することができる水性環境を提供する。混合装置２０４は、微生物を循環させて環境混合および微生物成長を増進するように構成される。
【００４０】
光合成微生物は、日光と二酸化炭素とを、糖、デンプン、および油等の炭素が豊富なポリマーに変換し、それらを理想的な自然炭素隔離剤にする。成長期後、炭素が豊富なポリマーは、バイオディーゼルおよび他の有用な燃料を含む多数の高価値バイオ燃料を産生するために、続いて消化および改変されることができる。非限定的実施例として、微生物は、藻類または微細藻類の１つ以上の種である。別の非限定的実施例として、微生物は、光合成細菌、例えば、シアノバクテリア（藍藻としても知られている）等の他の非藻類光合成微生物を含んでもよい。一実施形態では、本明細書で説明されるプロセスによって使用される微生物は、窒素固定種を含んでもよい。
【００４１】
本開示を簡単にするために、光合成微生物は、概して、たとえ好適な光合成微生物が藻類のように挙動する細菌を含み得たとしても、「藻類」と呼ばれるであろう。藻類の有用性、ならびに藻類を成長させて生成物をバイオ燃料に変換する方法に対する全般的な説明が、当技術分野において十分に文書で示されている。上述のように、発明者らは、例示的な作業システム用の好適な光合成微生物種が、珪藻およびシアノバクテリア、クロレラ、スピルリナ、ボトリオコッカス・ブラウニ、ドナリエラ・ターティオレクタ、オゴノリ、円石藻、およびホンダワラ等を含むことを見出している。
【００４２】
異なる藻類種は、異なる成長要件を有し、所与の種が、日中（または夜間）の時間および／または１年の時期、成長環境内に存在する栄養物、鉱物、および他の構成要素の数量および品質、水温、日光レベル、および／または藻類集団の密度に応じて、異なる成長要件を有してもよい。本開示の実施形態によるＰＢＲは、成長条件を管理および変調し、藻類、日光、二酸化炭素、および／または他の所望の成長増進作用物質の継続的または周期的な原料入力を提供する手段を提供してもよい。
【００４３】
ＰＢＲは、典型的には、ほとんどの藻類は好適な成長温度を有するので、給水温度を変調するための手段を有する。ＰＢＲが低温になりすぎた場合、藻類の成長が遅くなり、高温になりすぎた場合、藻類が死滅する。ＰＢＲ、特に、藻類が成長する水路は、以下でさらに詳細に説明されるように、生物精製システム内の１つ以上のメンバー装置（例えば、図１参照）から提供される廃熱を使用することを含む、任意の手段によって加熱することができる。シアノバクテリア等の例示的な光合成微生物のための好適な温度範囲は、約５０°Ｆから約１２０°Ｆの範囲内、代替として、約５０°Ｆから約８５°Ｆの範囲内、代替として、約６５°Ｆから約８０°Ｆの範囲内である。
【００４４】
代替として、温度変調は、熱的に加熱または冷却された空気または水によって提供されることができる。非限定的実施例では、井戸水または地下水を収集し、例えば、温水放射床システムを用いてＰＢＲに提供されるバイオマス熱分解要素の熱出力を利用することによって、例えば、生物精製システムによって加熱されることができる。別の実施形態では、ハイドロニクスシステムで利用される水は、バイオマス熱分解システム１０２から収集される凝結された水蒸気を含む。別の非限定的実施例では、地熱によって加熱または冷却された空気が、所望に応じて、周囲温度を上昇または低下させるために地球自体の地熱エネルギーを利用するアースチューブを用いて提供される。以下でさらに詳細に説明されるような、例示的なアースチューブ５５０が、図５の例示的実施形態で示される。
【００４５】
図２を参照すると、例示的実施形態における水路２０２は、藻類を成長させるための実質的に長方形の水平コンテナであるが、水路は、垂直方向、水平方向、管状、または任意の他の好適な構成で設計されてもよいことを理解されたい。非限定的実施例として、図３および４は、代替的な水路設計、例えば、それぞれ、丸みを帯びた端部を有する長方形の水路３０２および台形の水路４０２を図示する。図３および４に示される水路３０２および４０２は、それらの形状および流体流動動態に関する差異を除いて、図２の水路２０２に実質的に類似することを理解されたい。３００および４００系列を除いて、類似の部品数字が図２で使用されるように図３および４で使用される。
【００４６】
図２の例示的実施形態では、水路２０２は、仕切り２０６の片側に配置された混合装置２０４（電動式パドルホイールとして示される）とともに、中央仕切り２０６を有する。この構成は、（混合装置２０４の旋回方向に応じて、時計回りであろうと反時計回りであろうと）仕切り２０６の周囲の水路２０２内で流路を可能にする。（例えば、それぞれの組の矢印３０８および４０８によって図示される、図３および４の例示的実施形態で示される流体流路を参照されたい。）
水路２０２は、藻類の収穫中に排水孔（図示せず）への水路２０２の排水を容易にするために、一方の端部に向かって傾斜してもよい。以下でさらに詳細に説明されるように、藻類の収穫は、濃縮器タンク５１０（図５および６参照）の中へ排出されてもよい。図２に見られるように、水路２０２は、透明なポリカーボネート蓋等の蓋２１４を含んでもよいが、そのような蓋は必要ではなく、開放または部分的開放水路２０２も本開示の範囲内である。
【００４７】
最小化されたデッドスポットを有する水路内の一定の流体流動が、健全な藻類成長環境を作成するために望ましい。図３を参照すると、水路３０２は、デッドスポットを妨げる丸みを帯びた端部を有する流体流動３０８のために最適化されている。図４を参照すると、実質的に台形状の水路４０２において、発明者らは、単一の仕切りを有する構成が水路４０２内に流体流動デッドスポットを作り出すことを見出した。したがって、台形状の水路４０２の流体動態は、２つの仕切り４０６ａおよび４０６ｂを、２つの仕切り４０６ａと４０６ｂとの間に配置された混合装置４０４（電動式パドルホイールとして示される）とともに含むことによって向上させられた。図４の例示的実施形態では、仕切り４０６ａおよび４０６ｂは、水路４０２の側壁４１０と実質的に平行であるように指向される。結果として、仕切り４０６ａおよび４０６ｂの内側で始まり、矢印４０８によって示されるように、水路４０２の側壁に向かって外向きに流れる２つの流路の中を流れる混合パターンとなる。
【００４８】
ＰＢＲの中での混合は、健全な藻類成長環境を促進し、また、ＰＢＲの中の藻類を収穫するために使用することもできる。例示的実施形態では、混合は、パドルホイールまたは他の好適な混合装置であり得る混合装置によって達成される。混合装置は、異なる速度で動作する、例えば、定常状態および収穫条件で動作するように構成および制御されてもよいことを理解されたい。また、制御システムが混合装置への摩擦力を感知した場合、制御システムは、ある期間にわたって加速し、および／または方向を逆転させて、混合装置を詰まらせ得るＰＢＲ内の任意の材料を粉砕するように混合装置を制御してもよい。本開示の一実施形態では、混合は、藻類成長状態中において定常状態にあるが、収穫中においては、混合は、水路の底部から藻類堆積物を持ち上げるように増加させられる。
【００４９】
図２を参照すると、水路２０２はさらに、水路２０２内で二酸化炭素、空気、窒素、および／または他のガスを水の中へ発泡させるためのガス発泡器２１０を含む。通常は汚染物質と見なされる二酸化炭素が、藻類のための栄養物として使用される。二酸化炭素に加えて、窒素および他のガスもまた、藻類のための栄養物として、水路２０２内で水の中へ発泡させられてもよい。二酸化炭素は、１つ以上の他のシステム、例えば、バイオマス熱分解システム、エネルギー変換システム、嫌気性バイオリアクタシステム、または、例えば、木工場あるいは石炭炉等の工業用炉からの煙道ガスから受容されてもよい。１つの非限定的実施例として、ある栄養ガス源は、バイオマス熱分解システム１０２（図１参照）からの合成ガス出力を燃焼して、そのような燃焼からのエネルギーを利用し、次いで、水路２０２内で燃焼ガスを水の中へ発泡させるものであってもよい。ガスに加えて、嫌気性バイオリアクタから出力される窒素肥料の一部分もまた、藻類のための栄養物として使用されてもよい。
【００５０】
ガス発泡器２１０を介した水路２０２へのガス（二酸化炭素等）および他の栄養物の流量に対するフィードバックは、例えば、水路２０２内の水のｐＨであってもよく、ＰＢＲが温室１１０（図１参照）の中に含有される場合は二酸化炭素濃度であってもよい。これらのパラメータのいずれか一方または両方は、ＰＢＲ２００の中へ発泡させられている過剰または不十分な二酸化炭素（および他の栄養物）を示してもよい。
【００５１】
本開示の実施形態に従って設計される水平水路ＰＢＲは、藻類の成長を持続させるために太陽エネルギーおよび環境の周囲温度に依存する大きな池であってもよい。本開示の実施形態によれば、水路２０２の温度を調節して藻類の培養を増進するために、熱交換器２１２を使用することができる。以下でさらに詳細に説明されるように、熱交換器２１２は、生物精製システム１００内の他の構成要素およびプロセス（例えば、バイオマス熱分解システム１０２）からの不要な熱出力を利用するように構成されてもよい。一実施形態では、熱交換器は、温水放射冷暖房システムの一部である。
【００５２】
制御システムが、複数の環境パラメータを継続的に監視および調整して、藻類の成長速度を最大化するために使用されてもよい。例えば、熱交換器２１２は、藻類の自然日周リズムを模倣するように制御されてもよい。典型的には、成長速度は、温度が日中の８０°Ｆから夜間の６５°Ｆまでの間で変化するときに増加する。より高い温度は、水中のガスの可溶性を低減させるので、成長サイクルは、藻類の自然呼吸サイクルに関係してもよい。
【００５３】
ここで図５を参照すると、図４で見ることができるような複数の台形水路４０２を含む、多重ＰＢＲシステム１０４が示される。示された多重ＰＢＲシステム１０４では、複数のＰＢＲが中心藻類収集および濃縮タンク５２０を有する並列システム内で接合されたときに、台形水路設計が、表面積、したがって、ＰＢＲシステムの体積を最適化するように選択される。しかしながら、図２および３に示されるもの等の長方形の水路２０２および３０２もまた、多重ＰＢＲシステムで使用されてもよいことを理解されたい。例示的実施形態では、システム５００は、８つの水路４０２を含むが、好適なシステムは、任意の数の水路を伴って設計されてもよいことを理解されたい。
【００５４】
例示的実施形態では、水路４０２は、以下でさらに詳細に説明されるように、弁システム５３０に隣接する側面をそれぞれ有する多角形構成で構成される。
【００５５】
多重ＰＢＲシステムの１つの利点は、システム全体の中の藻類の１分画が、成長サイクル中のある期間にわたって、収集され、集中されることができることである。例えば、成長サイクルが約８日である場合、このシステムは、バッチ連続システムを提供するために、１つのＰＢＲが収集タンクへ毎日排出され得るように設計されることができる。また、異なる藻類を個々のＰＢＲ内で成長させることができ、および／または藻類の異なる成長条件を試みて最適化するように、異なる動作条件を個々のＰＢＲ内で設定することができるので、多重ＰＢＲシステムはまた、システム内での実験も可能にする。図５の水路４０２の構成は、以下でさらに詳細に説明されるように、温室１１０の基礎を提供してもよいことを理解されたい。
【００５６】
図５の例示的実施形態における水路４０２は、好ましくは、藻類の収穫中に水路２０２の排水を容易にするために、多角形の中心に向かって傾斜するように指向されている。例示的実施形態では、水路４０２は、複数の水路４０２の中心に配置された藻類濃縮器タンク５２０の中へ排出されてもよい。その点に関して、各水路４０２は、水路から濃縮器タンク５２０の中に至る水路排水路５２２を有する。
【００５７】
切替え弁システム５３０は、任意の所与の時に水路排水路のうちの１つを選択するように構成される。図６Ａおよび６Ｂを参照すると、弁システム５３０は、概して、外部シャフト５３２と、外部シャフト５３２に対して回転する内部シャフト５３４とを含む。内部シャフト５３４は、それぞれの水路排水路５２２に配置された外部シャフト５３２内の穴５４２と整列する穴５４０を有する。したがって、内部シャフト５３４は、その穴５４０を水路排水路５２２と整列させて、収穫されるであろう水路４０２を選択するように回転する。整列させられたとき、水路４０２のコロニーが濃縮器タンク５２０に流入することを可能にするように、収穫弁５４４が起動されてもよい。
【００５８】
図５の例示的実施形態では、６時の水路４０２が選択され、水路排水路５２２および弁５３０を通って濃縮器タンク５２０の中へ排出されている。各水路が約２４時間後に収穫するように構成された場合には、本システムは、８日ごとに循環するように構成されることができる。
【００５９】
弁システム５３０は、外部シャフト５３２に対して内部シャフト５３４を回転させるためのモータ（図示せず）を含んでもよいことを理解されたい。本開示の一実施形態では、内部シャフト５３４内の穴５４２が水路排水路５２２内の穴５４０と整列させられたときを感知するホール効果装置を使用して、個々の水路排水路５２２が割り出される。代替として、モータ（図示せず）は、明確な数のステップを進行して、内部シャフト５３４内の穴５４２を後続の水路排水路５２２内の穴５４０によって割り出すようにプログラムされるステッピングモータであってもよい。
【００６０】
図７を参照すると、ＰＢＲシステム１０４の断面図が示されている。システム１０４は、図５に見ることができるように、水路４０２のうちのそれぞれから藻類排出物を受容する藻類濃縮器タンク５２０を含む。矢印５６０は、個々の水路４０２からの排出流を示す。上記で論議されるように、図示したＰＢＲシステム１０４は、一度に１つの水路４０２の排出を処理するように設計される。しかしながら、他の実施形態では、ＰＢＲシステム１０４は、一度に１つよりも多くの水路４０２の排出を処理するように構成されてもよい。水路切替え弁５３０（図５、６Ａ、および６Ｂ参照）が特定の水路４０２を選択するように配置されたとき、収穫弁５４４が開かれ、水路４０２の内容物が濃縮器タンク５２０の中へ排出される。
【００６１】
藻類排出物が濃縮器タンク５２０の中に受容されるときには、いかなる混合もなく、収穫物が残され、上澄みが除去される。その点に関して、濃縮器タンク５２０の中のそれぞれの線５６２および５６４によって示されるように、藻類スラッジが分離してタンクの底部に沈む一方で、水はタンクの最上部まで上昇する。例示的実施形態では、ポンプ５６６が、ライン５７０によって藻類スラッジを保持タンク５６８へ送出し、次いで、以下でさらに詳細に説明されるように、さらなる処理のためにライン５７２によって嫌気性バイオリアクタシステム１０６（図８参照）へ送出する。本開示の一実施形態によれば、収集された藻類収穫物は、約２４時間の期間にわたって上澄みが除去される。
【００６２】
図７に示されるシステム構成において、保持タンク５６８は、ＰＢＲから垂直方向にオフセットされており、それにより、藻類スラッジを保持タンク５６８まで上向きに移動させるためのポンプが必要である。しかしながら、他のシステムでは、ポンプが必要とされず、重力がＡＢＲ保持タンクへの藻類スラッジの移動を支援するように、嫌気性バイオリアクタが水路より下側に配置されることを理解されたい。
【００６３】
上澄み除去後、上澄みが除去された水が再循環させられ、空になった水路４０２の中で再利用されてもよい。その点に関して、上澄み除去ポンプ５７４が、上澄み除去水位の上に浮遊するフロート５７６の上に配置される。したがって、ポンプ５７４は、ライン５８０を通して、水路切替え弁５３０を介して水路４０２のうちの少なくとも１つを補充する補給水タンク５７８まで水を送出する。上澄みが除去された水に加えて、外部水源もまた、ライン５８０を介して補給水タンク５７８に水を追加してもよい。
【００６４】
例示的実施形態では、補給水タンク５７８は、水路切替え弁５３０の周囲に配置される。したがって、重力は、弁が開いているときに、タンク５７８から選択された水路４０２まで水を送達するであろう。本開示の別の実施形態では、補給水タンク５７８は、例えば、図８の代替実施形態に示されるように、ポンプおよび回転水帰還パイプを使用して、水路切替え弁５３０のほかに別のラインを介して水を水路４０２に補給してもよい。
【００６５】
本開示の実施形態によれば、ＰＢＲの機能を制御するために制御システムを使用することができる。例えば、制御システムは、以下のために使用されてもよい。
１．水路内で藻類を循環させ、ガスおよび栄養物を水路水の中へ混合する、混合装置（またはパドルホイール）の速度および方向を調節する。収穫前に、パドルホイール速度は、排水路を開く前に水路の底部に沈下した藻類を懸濁させるように増加させられる。
２．発泡器を通して流動および二酸化炭素および窒素の混合物（空気）を調節する。
３．藻類を濃縮器タンクへ運搬し、後に、消化のためにＡＢＲに運搬する排水路を開閉する。
４．水路温度を制御するように熱交換器を通る温水流を調節する。
【００６６】
図５に示される多重水路ＰＢＲシステム１０２のアプローチは、複数の小型ＰＢＲを使用し、藻類個体群全体のうちの少量（例えば、８分の１）を頻繁に収穫するものである。しかしながら、より大型の変調されていないＰＢＲもまた、本開示の範囲内であってもよいことを理解されたい。複数のより小型のＰＢＲの利点は、システムの必要性のより優れた感度、システム内のエネルギー消費のより優れた制御、および統合生物精製システムのための最適な出力を支援する解決策を選択するための広範囲の選択肢を提供する、単一の水路内に蓄積される藻類の総量よりもむしろ、ＰＢＲのアレイ内の成長速度に対するより優れた制御である。
【００６７】
図５を参照すると、ハイドロニクスシステム熱交換器に加えて、アースチューブ５５０が、同様にＰＢＲ用の熱交換器の役割を果たすように水路の下に配置されてもよい。アースチューブは、一方の末端が生物精製エンクロージャ（または温室１１０）の外部にあり、他方の末端が内部にある状態で、フロントラインの下に埋設される。図５では、アースチューブは、水路アレイの中心の空気交換ゾーン（図示せず）の中で終端する。より寒冷な気候では、冷気が、受動対流によって外部からアースチューブ５５０に引き込まれ、冷気は、アースチューブ５５０を進行するにつれて暖められ、それより上側のＰＢＲ水路も暖める。暖気は、アレイの中心における交換ゾーンに進入するにつれて上昇し、温室１１０（図１および２参照）内の周囲空気を暖め、ひいては最適なＰＢＲ成長温度の維持を支援する。温室１１０はまた、温室の天井を効果的に下げるように駆動することができる天井スクリーンを有してもよく、それにより、温室１１０内の周囲空気のより速い再循環を支援する。温室１１０はまた、同様に温室１１０内の周囲空気のより速い再循環を支援するためにファンまたは通気システムを有してもよい。
【００６８】
より温暖な気候では、アースチューブ５５０内の空気が地熱で冷却され、プロセスが逆転される。冷却された空気は、交換ゾーンで終端し、より暖かい空気を押し上げ、循環および周囲空気冷却を増加させる。内部アースチューブ末端は地表面にあってもよいか、またはある程度の距離だけ垂直方向に延在してもよいことが、当業者によって理解されるであろう。
【００６９】
したがって、温室１１０の下の地面は、熱電池または蓄熱ユニットの役割を果たす。温水熱交換システムの場合、地面は、本明細書で説明されるシステム内のメンバー装置によって生成される熱出力用の熱電池である。この熱は、所望に応じて、ＰＢＲおよび温室自体に利用可能であってもよい。
【００７０】
上記で説明されたように、藻類成長を増進するために、付加的な作用物質を水路コロニーに追加することができる。非限定的実施例として、好適な作用物質は、リグノセルロースバイオマス、（以下でさらに詳細に説明されるような）熱分解された炭素、醸造生産からの廃棄麦芽汁、発芽米、他の穀類の汁等を含む。パドルの活動が経時的に材料を水路に導入すると考えられるので、例えば、水路の隅の有孔コンテナの中に作用物質を入れるだけで十分である。作用物質の好ましい数量は、藻類の種、水路の容積、および作用物質の組成に応じて変化するであろう。非限定的実施例として、４インチの深さに水がある７０平方フィートの水路については、発明者らは、特に、藻類コロニーがクロレラおよび／またはスピルリナ種を含むときに、２〜４杯の作用物質の追加が、微細藻類成長に良い影響を及ぼすことを見出した。
【００７１】
木材チップまたは有機炭素等のリグノセルロースバイオマスがＰＢＲ内で作用物質として使用される場合、材料は、好ましくは、後に脱水システムの一部になるようにサイズ決定される。その点に関して、藻類は、自らセルロースまたは炭素材料に付着する傾向がある。そのような付着の利点は、藻類が水路４０２内で懸濁したままであり、もつれて固まる傾向が少ないことである。継続的な懸濁は、藻類が光を受容することに役立ち、それにより、その成長速度を向上させる。藻類および水の分離のための図５に示される濃縮タンク５２０の代替案として、制御システムが排水路５２２を開いた後に、代わりに、水路４０２からの藻類排出物が穴を有する大型濾過器に入り得る。その点に関して、濾過器の穴は、新しいバッチを開始するために水（およびいくらかの藻類集団）がＰＢＲの中へ戻される際に、藻類および作用物質の大部分が引き止められるようにサイズ決定されてもよい。即時にＰＢＲの中へ水を戻して循環させることにより、熱を保存し、より長い期間にわたって排水路が開いたままであるため、タンクからより多くの藻類およびセルロースを洗い流す。
【００７２】
木材内のリグニンおよびヘミセルロースは、嫌気的に消化することに長時間かかるが、消化前にリグニンおよびヘミセルロースを分解するために藻類の高窒素含有量を使用することができる。セルロース材料を藻類と混合することにより、以下でさらに詳細に論議されるように、ＡＢＲからのメタン収率を増加させる。発明者らは、熱分解されていないセルロース材料と比較して、藻類はまた、熱分解された炭素に良好に付着することを見出した。加えて、ＰＢＲ内で添加物として熱分解された炭素を混合することが、ＡＢＲ内の消化に役立つ役割を果たす。その点に関して、セルロース材料も消化される必要があるので、セルロース材料は、藻類の消化プロセスを減速する傾向があるが、熱分解された炭素は、概して、その基本形態により消化を必要としない。
【００７３】
ここで、図５および７で見られるようなＰＢＲシステム１０４の動作をさらに詳細に説明する。本システムを起動するために、水路４０２が水および藻類で充填されてもよく、他の随意的な作用物質が追加されてもよい。水は、例えば、藻類濃縮器から、本システムを通して再循環させられることができ、または別の水源によって本システムに追加されることができる。加えて、セルロースバイオマスまたはリグノセルロースバイオマスが、藻類のための栄養物としてシステムに追加されてもよい。他の栄養物もまた、追加されてもよい。二酸化炭素が、水路発泡器（図５に示されていないが、図２の例示的実施形態における発泡器を参照）を通して発泡させられる。加えて、合成ガス、窒素、または空気等の他のガスもまた、発泡させられてもよい。
【００７４】
接種後、ＰＢＲ水路４０２は、特定期間にわたって培養させられる。この時間の間に、混合装置４０４（図４参照）は、約１０ｒｐｍ未満の速度の非限定的実施例で、ゆっくりと絶えず水路４０２を混合する。混合装置４０４が詰まった場合、ユーザまたは制御システムが詰まりを検出し、詰まりを粉砕するように混合を逆転させるか、または混合を加速するかのいずれかを提供してもよい。
【００７５】
制御によって、または特定の培養期間後のいずれかにおいて、藻類成長速度の顕著な減少が検出されたとき、収穫シーケンスが開始され、バイオマスが次の処理段階に移動させられる。本開示の一実施形態では、水路４０２は、約２４時間後に収穫の準備ができるように構成される。本開示の別の実施形態では、水路は、約１日から約８日、より好ましくは、約３日から約８日、さらに好ましくは約５日から約８日の範囲内で、収穫の準備ができるように構成される。
【００７６】
非限定的実施例として、ＰＢＲ制御システムは、藻類の密度を感知するように構成されてもよい。密度が、水路への光浸透性が低減させられる点に達し、より遅い成長速度をもたらすとき、制御システムは、ＰＢＲの底部における排水路を開き、水路４０２から濃縮器タンク５２０まで藻類を移動させる混合装置の速度を増加させてもよい。非限定的実施例として、収穫するとき、混合装置は、最大約３０ｒｐｍの速度で移動してもよい。
【００７７】
脱水後、分離された液体の大部分は、熱および残留栄養物を保持して次の藻類のバッチを開始するためにＰＢＲに戻される。藻類・セルロース原料は、ＡＢＲの加水分解段階（アミノ酸、糖、および脂肪酸といった有機単量体へのタンパク質、炭水化物、および脂質といった有機ポリマーの分解）を開始し、メタン、水素、ならびに窒素土壌再生および施肥生成物への変換を始めるように、保持タンク５６８（図７参照）の中へ送出される。加水分解は、嫌気性バイオリアクタ（図１参照）で実施される、嫌気性バイオリアクタのための準備段階である。
【００７８】
別の非限定的実施例として、ある藻類密度に達したとき、ＰＢＲ制御システムは、混合装置４０４を停止し、発泡器内の二酸化炭素および窒素の流動を停止し、８５°Ｆ以上まで水路温度を上昇させてもよい。栄養物が奪われ、過剰な熱に暴露されると、藻類は、より多くの脂質を産生し始め、次いで、その後すぐに死滅し始める。
【００７９】
１日または２日間この状態で放置された場合、藻類の基質は、水路４０２内で加水分解を受け始める。複数の水路が八角形のアレイで配設される、図５に図示されるもの等のシステムでは、異なる水路が、異なる成長段階における藻類を有してもよい。したがって、消化プロセスの一部としてＰＢＲを一時的に使用することにより、藻類の産生速度を妨げることなく、消化速度を増加させてもよい。
【００８０】
１日または２日後、制御システムは、混合装置４０４を再びオンにし、それを高速で作動させて、沈下した藻類およびセルロースを持ち上げて懸濁させる。次いで、制御システムは、脱水のために藻類を収集タンク５２０の中へ移動させるために、ＰＢＲの底部の排水路を開く。分離された液体の大部分は、熱および残留栄養物を保持して次の藻類のバッチを開始するためにＰＢＲに戻される。濃縮器タンク５２０内での脱水後、藻類・セルロース原料は、エネルギー生成物ならびに施肥および土壌再生生成物へのその変換を完了するために、ＡＢＲの酢酸生成段階６３２（図１０参照）の中へ直接送出されることができる。
【００８１】
（嫌気性バイオリアクタ）
図１を参照すると、嫌気性バイオリアクタまたは「ＡＢＲ」システム１０６は、生物精製システム１００内の構成要素として示されている。一般に、ＡＢＲシステムは、１つ以上の微生物種を使用して、嫌気性環境で有機物質を消化するように構成される。有機原料および所望されるバイオエネルギー生成物出力の選択は、利用される嫌気性微生物の選択およびＡＢＲの段階の数の両方を知らせるであろう。所与のＡＢＲにおける段階の数は、最適な微生物消化を支援する、異なる局所環境の必要性を反映する。
【００８２】
図１の例示的実施形態では、ＡＢＲ１０６は、ＰＢＲ１０４からの出力である藻類原料を主に消化するように構成される。図９を参照すると、メタンおよび水素が所望のバイオエネルギー出力生成物である、藻類原料の消化のフローチャートが提供される。消化プロセスは、ブロック６０８、６１０、および６１２によって示される、糖、脂肪酸、およびアミノ酸への、ブロック６０２、６０４、および６０６によって示される、炭水化物、脂肪、およびタンパク質の変換である加水分解から始まる。加水分解のプロセスは、例えば、水路４０２（図５参照）内、または保持タンク５６８（図７参照）内で起こってもよい。
【００８３】
加水分解後、加水分解からの物質（すなわち、ブロック６０８、６１０、および６１２によって示される、糖、脂肪酸、およびアミノ酸）は、典型的には、ブロック６１４および６１６によって示される炭酸およびアルコール、水素、二酸化炭素、およびアンモニアを形成するように、酸発酵プロセスを受ける。代替として、加水分解および酸発酵は、例えば、単一のタンク内で同時に起こってもよい。
【００８４】
酸発酵後、酸発酵からの物質（ブロック６１４および６１６によって示される、炭酸およびアルコール、水素、二酸化炭素、およびアンモニア）は、ブロック６１８によって示される、水素、酢酸、および二酸化炭素を形成するように酢酸生成を受ける。水素ガスは、エネルギー変換システム用のエネルギー生成物として収集されてもよい。二酸化炭素は、ＰＢＲシステム用の原料として収集されてもよい。
【００８５】
酢酸生成後、酢酸生成からの物質（ブロック６１８によって示される、藻類消化残渣および酢酸）は、ブロック６２０によって示されるメタンおよび二酸化炭素を形成するようにメタン生成を受ける。メタンガスは、エネルギー変換システム用のエネルギー生成物として収集されてもよい。二酸化炭素は、ＰＢＲシステム用の原料として収集されてもよい。
【００８６】
消化のための有用で良性の環境的に安全な微生物種が、容易に入手可能である。具体的な微生物生成物は、入力原料の消化において異なるステップを実施するいくつかの細菌種を含んでもよい。
【００８７】
酢酸生成は、典型的には、ホモアセトジェン、シントロフェス、およびスルホリダクターといった、３つの細菌群を介して起こる。例示的な種は、クロストリジウム・アセチクム、アセトバクター・ウッディ、およびクロストリジウム・テルモオートトロフィクムを含む。
【００８８】
例示的なメタン生成細菌は、メタノバクテリウム・ブライアンティイ、メタノバクテリウム・フォルミクム、メタノブレビバクター・アルボリフィリクス、メタノブレビバクター・ゴットシャルキイ、メタノブレビバクター・ルミナンチウム、メタノブレビバクター・スミシー、メタノカルクラス・チュンシンゲンシス、メタノコッコイデス・ブルトニ、メタノコッカス・エオリクス、メタノコッカス・デルタエ、メタノコッカス・ヤンナシイ、メタノコッカス・マリパルディス、メタノコッカス・バンニエリ、メタノコーパスクラム・ラブレアナム、メタノクレウス・ブルゲンシス（メタノゲニウム・オレンタンジイおよびメタノゲニウム・ブルゲンス）、メタノクレウス・マリスニグリ、メタノフォリス・リミナタンス、メタノゲニウム・カリアシ、メタノゲニウム・フリギダム、メタノゲニウム・オルガノフィルム、メタノゲニウム・ウルフェイ、メタノミクロビウム・モービレ、メタノピュルス・カンドレリ、メタノレグラ・ブーネイ、メタノサエタ・コンシリイ、メタノサエタ・サーモフィラ、メタノサルキナ・アセチボランス、メタノサルキナ・バーケリ、メタノサルキナ・マゼイ、メタノスファエラ・スタッドマナエ、メタノスピリリウム・フンガテイ、メタノサーモバクター・デフルビイ（メタノバクテリウム・デフルビイ）、メタノサーモバクター・サームオートトロフィカス（メタノバクテリウム・サームオートトロフィカム）、メタノサーモバクター・サーモフレクサス（メタノバクテリウム・サーモフレクサム）、メタノサーモバクター・ウルウェイ（メタノバクテリウム・ウルウェイ）、メタノスリックス・ソーエンゲニイを含む。
【００８９】
本明細書で説明されるＡＢＲは、生物精製システム、例えば、図１に示される生物精製システム１００において使用されてもよく、または独立型装置として、あるいは他の原料を消化するための他のシステムにおいて使用されてもよい。使用することができる他の例示的な原料は、水処理設備および／または廃棄物管理設備からのスラッジまたはスラリーを含む。代替として、原料は、嫌気的に消化される能力がある有機廃棄物を含む任意の設備、工場、または産業に由来し得る。本明細書で説明される例示的な藻類原料は、農業用途に好適である生成物を産生してもよい。しかしながら、原料源が産業または都市廃棄物源であるとき、これらの原料からの生成物は、概して、森林改善または非食品園芸用途等の非農業用途に使用されるであろう。
【００９０】
いくつかの用途において、ＡＢＲは、保持時間を短縮して処理量を増加させるために、分散処理および負荷分散とともに、より小型のタンクを使用する。その点に関して、ＡＢＲシステムがより拡張可能であるので、エネルギーおよび土壌産生需要が増大する際に、または有機原料流の量が増加する際に、より多くのリアクタ段階を容易に追加することができる。
【００９１】
図１０を参照すると、例示的な嫌気性バイオリアクタシステム１０６が示される。このリアクタは、酢酸生成段階（タンク６３２によって示される）およびメタン生成段階（並列タンク６３４および６３６によって示される）という２段階消化を採用する。酢酸生成段階での細菌は、藻類原料を、メタンを産生するためにメタン生成段階細菌によって使用される前物質（図１０に示される）に分解する。嫌気性バイオリアクタシステム１０６への原料は、藻類原料であってもよいか、または、上記で論議されたように、ＰＢＲの中で藻類に追加された添加物、例えば、セルロース材料、熱分解された炭素、または麦芽汁と混合されてもよいことを理解されたい。
【００９２】
図７を参照すると、藻類スラッジは、藻類濃縮器タンク５２０から、図９に示されるように、ブロック６０８、６１０、および６１２によって示される糖、脂肪酸、およびアミノ酸への、ブロック６０２、６０４、および６０６によって示される炭水化物、脂肪、およびタンパク質の変換である消化の第１の段階を完了するように、加水分解タンクとしての機能も果たし得る藻類スラッジ保持タンク５６８まで送出される。しかしながら、別個の保持および加水分解タンクもまた、本開示の範囲内であることを理解されたい。
【００９３】
例示的実施形態では、十分な水が、濃縮器タンク５２０から保持タンク５６８まで送出することができるように、濃縮器タンク５２０から退出する濃縮原料の中に残っている。
【００９４】
原料が収集タンク５６８に送出された後に、ＡＢＲシステム１０４を通るバイオマス流は、主に、重力によって駆動される。メタン生成段階が、酢酸生成段階の約２倍長くかかるので、（１つの酢酸生成タンク６３２につき）２つのメタン生成タンク６３４および６３６が、プロセスを連続的に実行させておくために並行して使用される。酢酸生成タンク６３２内のｐＨのセンサは、酢酸生成タンクから下部メタン生成タンク６３４または６３６のうちの１つへ内容物を移動させるためのタイミングを示す。上から装填されているメタン生成タンク６３４または６３６はまた、ライン６４４を介して、その内容物（液体および固形肥料を含有する）をＡＢＲより下側の収集領域（図示せず）の中へ放出する。
【００９５】
温度制御が、ＰＢＲに由来する原料混合物中のセルロースと混合された藻類または別の微生物の急速な消化のために、ＡＢＲシステム１０６において重要である。原料は、少なくとも周囲温度であり、好ましくは、ＰＢＲからＡＢＲまで移動するに際に暖かい。酢酸生成細菌が約７０°Ｆで最も良く機能する傾向があるため、周囲・温暖温度が好ましい。脱水プロセスでいくらかの熱損失があるが、原料は、迅速に温度を上昇させられるほど十分に暖かい収集タンクの中に到達する。第１段階タンクからの熱の上昇が、原料を最適温度まで上昇させる。各タンクは、温度を維持し、必要に応じて変化させるために、別個のコンピュータ制御された熱交換器を使用する。
【００９６】
図１０を参照すると、原料の経路は、矢印６４０、６４２、および６４４によって示される。矢印６４０は、収集タンク５６８（加水分解タンクでもあり得る）から酢酸生成段階タンク６３２の中へ移動する原料を示す。矢印６４２は、右側メタン生成段階タンク６３６の中へ移動する酢酸生成段階タンク６３２の内容物を示す。矢印６４４は、液体および固体が分離される肥料処理領域の中へ出て行く、右側メタン生成段階タンク６３６の内容物を示す。酢酸生成段階タンク６３２からの次の出力は、満杯の左側メタン生成段階タンク６３４がその内容物を取り出す準備をしている間に、現在空である右側メタン生成段階タンク６３６の中へ移動するであろう。
【００９７】
複数の弁５６０、５６２、５６４、５６６、および５６８が、ＡＢＲシステム１０６を通る液体原料の経路を制御するために採用される。弁は、好ましくは、インテリジェント制御システムによってコンピュータ制御される。加えて、メタンオフガスを、メタン生成段階タンク６３４および６３６から取り除いて収集することができる。弁５７０および５７２は、ライン６７８を介して生物精製システム１００内の他の構成要素にメタンガスを供給するように構成される、ライン６７６を介した圧力計またはガス圧縮タンク６７４へのオフガス流を制御する。二酸化炭素もまた、オフガスであってもよく、例示的実施形態に示されるように、熱交換器６８０および６８２は、種々のタンク６３２、６３４、および６３６の温度を制御するために採用されてもよい。
【００９８】
ＡＢＲ内の各タンクの好ましい保持時間は、以下の通りである。
・加水分解タンク：原料は、ほぼ周囲温度（約７０°Ｆから約７５°Ｆ）から約９５°Ｆの間の範囲内の温度で最大約５日間保持することができる。
・酢酸生成段階タンク：原料は、約７０°Ｆから約９５°Ｆの範囲内、または約７５°Ｆから約９０°Ｆの範囲内の温度で、約４〜１４日、より好ましくは、約５〜１０日、さらに好ましくは約５〜８日間保持することができ、次いで、どのタンクが最後に装填されたかに応じて、第２段階タンクのうちの１つの中へ落とされる。
・左側メタン生成段階タンク−原料は、１２５°Ｆから１３５°Ｆの間、または約１２７°Ｆから約１３３°Ｆの範囲内の温度で、約８〜２１日、より好ましくは、約９〜１８日、さらに好ましくは約１０〜１４日間保持することができる。温度は、酢酸生成段階での温度から、より高い範囲まで、約２日の期間にわたってゆっくり上昇させられる。より高い温度は、メタン生成細菌が増殖するために理想的な環境を作成しながら、酢酸生成細菌を死滅させる。
・右側メタン生成段階タンク−原料はまた、左側第２段階タンクと同一の温度で同一の期間にわたって保持される。
【００９９】
したがって、加水分解タンクからメタン生成タンクまでの単一のバッチのＡＢＲ内の合計保持時間は、約１８〜４０日、好ましくは約２０日である。（加水分解を伴わない）酢酸生成およびメタン生成段階を通した保持時間は、約１３〜３５日、好ましくは約１５日である。１つの方法によれば、酢酸生成段階タンクは、約５日の保持時間を有し、メタン生成段階タンクのうちのそれぞれの保持時間は、一方のタンクがメタン産生のピークにあると、他方が産生を増加させているように、約５日ずらされてもよい。メタン生成段階タンクのうちの１つの産生速度が低下し始めるとき、酢酸生成段階タンクは、メタン生成段階タンクを補充する準備ができている。
【０１００】
別個の加水分解ステップとして示されているが、加水分解ステップは、収穫および脱水機能の前にＰＢＲ内で始まってもよいか、または上記でさらに詳細に説明されるように、別個の加水分解タンク内で起こってもよいことを理解されたい。ＰＢＲおよびＡＢＲ機能を組み合わせて重複させることにより、既知のシステムと比べて独特かつ有用な改良を提供し、統合インテリジェント協調生物精製システムの価値を強調する。
【０１０１】
制御システムが、ＡＢＲの機能を調節するように実装されてもよい。例えば、温度、ｐＨ、入力、および出力データが、藻類・セルロース原料の消化を加速するように、デジタル制御システム（ＤＣＳ）によって調節されてもよい。制御システムは、適切な弁を開閉して、適切なときに本システムを通して消化残渣を移動させるように構成される。制御システムはまた、ＡＢＲ内のメタン生成段階から、貯蔵用の圧力計またはガス圧縮タンクの中へのメタンガス流を制御および監視してもよい。収集されるメタンは、例えば、それを電力に変換し得る燃料電池（またはマイクロタービン）に送達するために、保持および圧縮されてもよい。制御システムは、同様に、酢酸生成段階からの水素流を制御および監視してもよい。
【０１０２】
（温室システム）
本開示の一実施形態では、生物精製システムは、温室システムである。図１を参照すると、ＰＢＲおよびＡＢＲシステム１０４および１０６は、植物を成長させるために使用されることができる温室生物精製システム１１０を作成するために、実質的に閉鎖された環境に含有されことができる。その点に関して、本システムによって生成される廃熱が、温室自体に「電力供給する」か、または温室自体を加熱し、ＰＢＲアレイ内の藻類成長を支援する水路および水路構成に日光を提供する窓を、農業および／または園芸用途のために植物を成長させるための空間として協調的に利用することができる。熱源は、外部熱源、ハイドロニクスシステム、または地熱源を含んでもよい。
【０１０３】
加えて、この生物精製装置で産生される高級窒素肥料および栄養豊富な土壌再生材料は、高品質で健全な植物を産生する理想的な成長基質を提供する。また、植物灌漑用水が、以下で詳細に説明されるバイオマス熱分解システム１０２内の再生水から受容されてもよい。
【０１０４】
実施例として、例えば、製材所または木材加工設備で工場および伐採廃棄物を利用する、図１で図示されるような生物精製装置は、（１）炭素および廃熱を隔離する、（２）少なくとも約１２００ｋＷ／日、または約５０〜１００軒、好ましくは、７５軒の家庭のエネルギー需要を管理することに十分なエネルギーを生成する、および（３）有機窒素が豊富な肥料、有機栄養物が豊富な表土物質、有機栽培植物、およびこれらの植物に由来する食品を含む付加的な収益の流れを提供する高価値の副産物を生成するために、廃熱および二酸化炭素、ならびにシステム内の他の出力を回収する閉ループシステムに組み込まれることができる。
【０１０５】
（実施例−温室システム）
図１１Ａを参照すると、製材所の敷地で動作する生産規模温室の入力および出力の例示的概略図が示される。５０００平方フィートの温室生物精製装置に対して毎日産生することができる藻類の量は、５日ごとに約５００ガロンの消化残渣である。バイオマス熱分解システムは、５日ごとに約３．５から約２０トンの有機炭素を産生する１日に約２から約１２トンのバイオマスを処理することができる。均衡のとれたシステムについては、温室生物精製装置は、５日ごとに約２トンの有機炭素および約５００ガロンの消化残渣を産生するであろう。
【０１０６】
メタンおよび水素は、電力に変換することができ、消化残渣の大部分は、高価値の有機土壌再生生成物および／または改良物を産生するように、製材所の敷地で他の廃棄物と混合することができる。５日ごとに約２トンの有機炭素および５００ガロンの消化残渣を産生する単一ＧＰＨに対する複合エネルギー出力は、連続的に産生される約２５０ｋワットである（約０．９ＭＢＴＵ（英熱量単位）／時間）。
【０１０７】
毎日生成される有機炭素の量を増加させることによって、数メガワットの常時電力を得ることができる。入力および出力の平衡は、他のプロセスのための原料として付加的な熱分解出力を提供することによって維持することができる。例えば、付加的な有機炭素をバイオフィルタリアクタで使用することができ、消化を加速するように、付加的な二酸化炭素を埋立地または堆肥化山に提供することができる。代替として、付加的な熱分解出力に適応するように、複数の生物精製装置のシステムをともに構築することができる。生物精製装置の多角形構造は、例えば、６つのユニットのモジュール式グループを作成することを容易にする。
【０１０８】
温室システム１１０は、プロセスを駆動するために、低温（＜１２０°Ｆ）熱および地熱システムを使用してもよい。その点に関して、地熱井戸水および／または再生プロセス水を備える熱交換器およびハイドロニクスシステムが、ＰＢＲ内の藻類を暖かく保つため、および最適な温度でＡＢＲ内の嫌気性消化を保つために使用されてもよい。
【０１０９】
図１１Ｂを参照すると、例示的な温室建造物が示される。温室は、八角形の基礎を伴い、太陽エネルギーを受容する窓を伴って構成された１つ以上の側面を有して設計される。
【０１１０】
（バイオマス熱分解システム）
図１２を参照すると、例示的なバイオマス熱分解システム１０２の概略図が示される。熱分解は、相当量の熱を産生し、熱分解プロセスに電力供給するために燃料として使用することができる炭化水素を（例えば、合成ガスの形態で）排出する。代替として、または加えて、熱分解を開始するために、生物精製システム１００内の他の構成要素（例えば、ＡＢＲシステム１０６）によって産生されるメタンのうちの一部を使用することができる。いったん炭化水素が流れ始めると、プロセスに電力供給するためにそれらを使用することができる。
【０１１１】
図１２に見ることができるように、熱分解システム１０２は、バイオマスを受容するための原料ホッパとして示される入口７１０を含む。例示的実施形態では、熱分解システム１０２は、内部熱分解チャンバ７２０と、内部熱分解チャンバ７２０を包囲する外部排気チャンバ７２２とを有する同心円筒システムである。チャンバ７２０と７２２との間で、熱分解システム１０２は、チャンバを分割する金属隔壁を含んでもよい。
【０１１２】
受容されると、バイオマス原料は、例えば、回転オーガ７２６を使用して、原料ホッパ７１０から熱分解チャンバ７２０まで移動する。熱分解チャンバ７２０内において、バイオマスは、当技術分野において時には「合成ガス」と呼ばれる炭化水素を排出するように加熱される。合成ガスは、合成天延ガスを作製するプロセスに中間形態を含むガス混合物である（したがって、そのニックネームが「合成ガス」である）。サンプル合成ガス成分は、典型的には、メタン、ＣＯ（一酸化炭素）、二酸化炭素、水素、時には、窒素およびＮＯＸガス（微量であり得る）を含み、および硫黄のような不純物微量元素を含み得る。
【０１１３】
熱分解チャンバ７２０は、予熱ゾーン７３０および炭化ゾーン７３２といった２つのゾーンに分割されてもよい。予熱ゾーン７３０は、約１８０°Ｆから約７００°Ｆの温度範囲内、好ましくは、約２００°Ｆから約６００°Ｆの範囲内に維持されてもよい。予熱ゾーン７３０内の温度は、以下でさらに詳細に説明されるように、炭化ゾーン７３２内の加熱装置７３４によって、または別個の加熱装置（図示せず）によって維持されてもよい。
【０１１４】
予熱ゾーン７３０の主な目的は、２１２°Ｆで沸騰して蒸発する、原料バイオマスに閉じ込められ得るあらゆる水を加熱して取り除くことである。水および他の蒸発成分は、出口７３６において収集され、ライン７３８を通って、熱分解チャンバ７２０からの水および他の排気（例えば、以下で説明されるように、合成ガス、生物油、およびアルコール等であるが、それらに限定されない）を凝縮し、除去し、圧縮するためのシステム７４０へ進行する。水は、再利用され、例えば、ＰＢＲシステム１０４の水路４０２内の水として、または温室システム１１０内の植物用の灌漑用水として、生物精製システム１００内の他のシステムで使用されてもよい。
【０１１５】
したがって、原料は、炭化ゾーン７３２への進入に備えて予熱ゾーン７３０内で乾燥させられる。炭化ゾーン７３２内で、予熱されたバイオマス原料は、約６００°Ｆから約１２００°Ｆ、より好ましくは、約７００°Ｆから約８５０°Ｆの範囲内の温度まで加熱される。非限定的実施例では、炭化ゾーン７３２は、約１５から約２０分間、約８００°Ｆまで加熱するように構成される。別の実施形態では、微生物である。加熱は、炭化ゾーン７３２内に配置された一連のバーナとして示される加熱装置７３４によって達成されてもよい。加熱装置７３４への送給ガスは、例えば、生物精製システム１００内の他の構成要素からのメタンまたは水素、熱分解チャンバ７２０から収集される生物油およびアルコール、または他の可燃性ガス源を含んでもよい。加熱装置７３４からの排気は、内部熱分解チャンバ７２０を包囲する外部排気チャンバ７２２の中で収集される。排気は、二酸化炭素および他の排ガスを含んでもよく、流動は、藻類コロニー用の原料としてＰＢＲシステム１０４に方向付けられて送達されてもよい。
【０１１６】
炭化ゾーン７３２内で、バイオマスは、バイオ炭または有機炭素に変換される。合成ガスは、出口７４２で収集され、ライン７４４を通って、コンデンサ、スクラバ、およびコンプレッサシステム７４０へ進行する。そこで、生物油、アルコール、および水が、凝縮され、除去され、分離されてもよい。システム加熱装置７３４に燃料を供給するために使用され得る、任意の構成要素が、ライン７５０を介した加熱装置７３４への送給ガスとして、ライン７４８およびメタン支持弁７５２において入力メタンと組み合わせられるように、ライン７４６を介して送られてもよい。吸気量もまた、ライン７５０と合体するように、ライン７５２および吸気弁７５４を介して加熱装置７３４に方向付けられてもよい。代替案では、加熱装置７３４に送られない過剰なガスは、流量制御弁７５６を介して、ライン７５４を介した発電機またはボイラあるいは生物精製システム１００内の別のシステムに方向転換されてもよい。
【０１１７】
オーガ７２６が、熱分解チャンバ７２０内の予熱および炭化ゾーン７３０および７３２を通してバイオマスを移動させた後に、オーガ７２６は、１つ以上の熱交換器７６２がバイオマスから熱を収集する冷却ゾーン７６０へ有機炭素を移動させる。熱交換器７６２によって収集された熱は、ＡＢＲシステム１０６（図１参照）に、または全体的な生物精製システム１００内の別のシステムに方向付けられてもよい。次いで、冷却された有機炭素は、出力として熱分解システム１０２から除去される。
【０１１８】
熱分解システム１０２のサイズに応じて、例えば、製材所のキルンを操作することを含む、生物精製システム１００および製材所の両方に電力供給するように、十分な熱を収集することができる。毎日６〜３０トンのバイオマスを処理することは、十分に本明細書で説明されるシステムの範囲内である。システム１００は、カーボンネガティブであり、また、炭素規制が可決されたときに、精製所を利用する工業用地にさらなる税金の払い戻しおよび炭素相殺取引奨励の資格を与えることができる。
【０１１９】
ここで、バイオマス熱分解システム１０２の動作をさらに詳細に説明する。最初に、システム１０２は、本プロセスを開始するために、加熱装置７３４に送達されるプロパンまたはメタンのいずれかを使用してもよい。非限定的実施例として、メタンは、ＡＢＲシステム１０６からの出力生成物であってもよい。代替として、プロパン等の外部源が使用されてもよい。
【０１２０】
バイオマス熱分解システム１０２が、熱分解プロセスを支援することに十分な量の合成ガスを産生するとき、本システムは、合成ガスによって、またはガスの組み合わせによって電力供給されてもよい。ガスの燃焼からの排ガスは、藻類のための原料として、ＰＢＲガス発泡器システムを通して放出され、冷却され、送出されてもよい。
【０１２１】
加熱装置７３４がオンになると、炭化ゾーン７３２が温度に達し、熱分解チャンバ７２０を包囲する排気チャンバ７２２を加熱する。これがひいては、予熱ゾーン７３０を加熱してバイオマス原料の温度を上昇させ、上記で説明されたように水蒸気の形態で湿気を排出する。予熱ゾーン７３０からの蒸気は、収集され、凝縮され、例えば、ＰＢＲシステム１０４への水原料として、全体的な生物精製システム１００内の他の構成要素に分配されてもよい。
【０１２２】
熱分解チャンバ７２０からの過剰な熱は、収集され、必要に応じて、全体的な生物精製システム１００内の他の構成要素に、例えば、ＰＢＲおよび／またはＡＢＲシステム１０４または１０６に分配されてもよい。合成ガス産生は、炭化ゾーン７３２で達成される高い温度を必要とする。合成ガス出力は、収集され、次いで、例えば、分別蒸留によって分別され、例えば、熱分解システム１０２にさらに電力供給するために、加熱装置７３４に分配されてもよい。また、水中で溶解するＣＯ２から、溶解しないメタンを分離するために、発泡器またはスクラバを使用することができる。次いで、炭素が豊富な水を、栄養入力として使用するためにＰＢＲシステム１０４に伝送することができる。ＰＢＲシステム１０４によって使用されない過剰な二酸化炭素は、代替的な方法で使用することができ、例えば、堆肥の山または埋立地の廃棄物堆積に送給するように向けることができる。
【０１２３】
有機炭素出力が炭化ゾーン７３２から出て行くにつれて、有機炭素は、ウォータージャケット等の熱交換器７６２を備える熱分解システム１０２の一部に進入する。熱交換器プロセスは、（１）出力ホッパへ移動する時までに周囲温度に達するように、有機炭素を冷却し、（２）次いで、ＡＢＲおよび／またはＰＢＲシステム１０４および／または１０６等の他のメンバー装置に必要に応じて提供することができる過剰な熱を収集する。
【０１２４】
図１３は、共通原料ホッパを共有する、複数のバイオマス熱分解システム１０２の１つの可能な構成を図示する。他の異なる構成が可能であることが、当業者によって理解されるであろう。バイオマス熱分解システム１０２のアレイが利用される場合、別のバイオマス熱分解システム１０２を起動するために、１つのバイオマス熱分解システム１０２によって生成される合成ガスのうちの一部を使用することができる。制御システムはまた、要求に応じてプロセス需要を満たすように、例えば、ラウンドロビン方式で、出力ガスを他のバイオマス熱分解システム１０２に方向付けることもできる。
【０１２５】
好ましい有機炭素組成物は、８００〜１０００°Ｆの範囲内、より好ましくは、８００〜９００°Ｆの範囲内の温度で生成される。バイオマス熱分解システム１０２を通して原料を移動させるためにかかる時間は、例えば、原料の水分含量、原料の種、および全ての合成ガスを除去するために必要な時間を含む、一連の変数に依存し、その全ては、オーガ回転速度に影響を及ぼすであろう。これらの変数は、好適な制御システムによって管理および制御されてもよい。
【０１２６】
加えて、熱分解チャンバ７２０の長さ対直径の好ましい比は、最適な出力産生をもたらし得る。一実施形態では、熱分解チャンバ７２０の長さが図１２の予熱ゾーン７３０の先頭から炭化ゾーン７３２の終端まで測定される、好ましい長さ対直径比は、１２：１である。別の実施形態では、予熱ゾーン７３０の長さ対炭化ゾーン７３２の長さの好ましい比は、２：１である。
【０１２７】
制御システムが、バイオ燃料および電気の最適な産生のために、システム全体を通した熱エネルギーおよび二酸化炭素の流動を感知して調節するために、バイオマス熱分解システム１０２で使用されてもよい。過剰な熱は、他の工業プロセスのために局所的に使用するか、または例えば、アースチューブ５５０または他の地熱交換器によって後に使用するために、地熱貯蔵システムの中へ方向転換することができる。バイオマス熱分解システム１０２によって産生される有機炭素は、その農業および／または土壌再生価値を高めるために、ＡＢＲシステムによって生成される高窒素改良物と混合されることができる。加えて、有機炭素出力は、水処理設備からのような給水からの汚染物、汚染物質、および不純物、または工業用地からの廃水を隔離し、それにより、水を改善し、不要な不純物用の即時収集装置を提供するための基質として使用することができる。
【０１２８】
（実施例−バイオマス熱分解システム）
製材所は、典型的には、材木を乾燥させるキルンに燃料を供給するために、「木くず燃料」（例えば、微粉樹皮、削りくず、おがくず、低級材木、および材木不良品）として知られている木材ごみを使用する。そのキルンを加熱するための標準ボイラシステムを利用する中規模製材所は、そのボイラシステムに燃料を供給するために、１日に約１５０トンの木くず燃料を消費し、ひいては、ボイラシステムが、そのキルンを１８０°Ｆの温度に１日中保つために、８，０００〜２５，０００ポンドの蒸気／時間を使用するであろう。本明細書で説明されるようなバイオマス熱分解システム１０２は、その原料として木くず燃料を使用して、約２００万ＢＴＵ／時間を生成することができる。このＢＴＵの数量は、３０，０００ポンドの蒸気／時間を生成することが可能であり、約１８トンの良質バイオ炭または有機炭素を産生するであろう。
【０１２９】
また、熱分解システム１０２をそのような製材所操業に適応させることにより、ボイラシステムの水の温度を保つことを支援するために、製材所が熱分解システムの熱交換システムを利用することを可能にする。熱分解システムを使用することにより、ボイラシステムの水温変動を２度まで低減させるであろうと計算される。この低減のみで、製材所の炭素排出量を６０％低減させるであろう。１２：１というバイオマスチャンバの長さ対直径比、および２：１という予熱ゾーンの長さ対炭化ゾーンの長さ比を仮定すると、全体的なシステム構成内の３〜５個の熱分解システムのアレイが、中規模製材所の毎日のエネルギー需要、ならびにシステムエネルギー需要を管理するであろう。
【０１３０】
（生成物）
本開示の実施形態は、有機植物栽培および他の農業用途に好適である、栄養豊富な有機土壌改良材または表土代用物または土壌再生生成物を生成するためのシステム、構成要素、および方法を特色とする。一実施形態では、所与の所望される一貫性および栄養物密度を達成するように、特定の比で消化残渣固体および有機炭素を組み合わせることによって、有機土壌改良材および／または再生生成物が形成される。別の実施形態では、所与の所望される一貫性および栄養物密度を達成するように、特定の比で消化残渣固体、有機炭素、および消化残渣液体を組み合わせることによって、土壌改良材が形成される。なおも別の実施形態では、所与の所望される一貫性および栄養物密度を達成するように、特定の比で消化残渣固体、有機炭素、消化残渣液体、および付加的な材料を組み合わせることによって、土壌改良材が形成される。付加的な材料は、制限なく、土壌、微粉砂利または砂を含む廃棄土壌または土壌母材、または汚れていない非腐敗性埋立地、おがくず、木くず燃料、または他の木材残留物バイオマスを含んでもよい。
【０１３１】
以下は、好適な土壌再生生成物の中の構成要素の一連の組成である。
【０１３２】
本開示の一実施形態では、土壌再生生成物は、約２：１から約４０：１、より好ましくは、４：１から約３６：１の範囲内の炭素対窒素比を含む。
【０１３３】
本開示の別の実施形態では、土壌再生生成物は、先述または以下の構成要素のうちのいずれかと、約０．５パーセントから約６．８パーセント、より好ましくは、約１．１１から約６．６パーセントの範囲内のカルシウム含有量とを含む。
【０１３４】
本開示の別の実施形態では、土壌再生生成物は、先述または以下の構成要素のうちのいずれかと、約０．２５から約１．６パーセント、より好ましくは、約０．３３から約１．５パーセントの範囲内のマグネシウム含有量とを含む。
【０１３５】
本開示の別の実施形態では、土壌再生生成物は、先述または以下の構成要素のうちのいずれかと、約０．７３から約１３ｍｇ／Ｌ、より好ましくは、１．５３から約１２．０３ｍｇ／Ｌの範囲内の銅含有量とを含む。
【０１３６】
本開示の別の実施形態では、土壌再生生成物は、先述または以下の構成要素のうちのいずれかと、約１００から約３５０ｍｇ／Ｌ、より好ましくは、約１４０．２から約３２４．５ｍｇ／Ｌの範囲内のマンガン含有量とを含む。
【０１３７】
本開示の別の実施形態では、土壌再生生成物は、先述または以下の構成要素のうちのいずれかと、約０．２から約２パーセント、より好ましくは、約１．１から約１．７パーセントの範囲内の窒素含有量とを含む。
【０１３８】
本開示の別の実施形態では、土壌再生生成物は、先述または以下の構成要素のうちのいずれかと、約０．４から約１．５パーセント、より好ましくは、約０．９から約１．２パーセントの範囲内のリン含有量とを含む。
【０１３９】
本開示の別の実施形態では、土壌再生生成物は、先述または以下の構成要素のうちのいずれかと、約０．５から約７パーセント、より好ましくは、約０．７５から約６．５パーセントの範囲内のカリウム含有量とを含む。
【０１４０】
本開示の別の実施形態では、土壌再生生成物は、先述または以下の構成要素のうちのいずれかと、約０．１５から約１．４パーセント、より好ましくは、約０．２８から約１．２６パーセントの範囲内の硫酸塩含有量とを含む。
【０１４１】
本開示の別の実施形態では、土壌再生生成物は、先述または以下の構成要素のうちのいずれかと、約０．５から約１８パーセント、より好ましくは、約０．１４から約１７．９４パーセントの範囲内のナトリウム含有量とを含む。
【０１４２】
本開示の別の実施形態では、土壌再生生成物は、先述または以下の構成要素のうちのいずれかと、約５５から約２５５ｍｇ／Ｌ、より好ましくは、約８４から約２３３．１ｍｇ／Ｌの範囲内の亜鉛含有量とを含む。
【０１４３】
本開示の別の実施形態では、土壌再生生成物は、先述または以下の構成要素のうちのいずれかと、約６００から約２５００ｍｇ／Ｌ、より好ましくは、約６９５．８４から約２３８５．９２ｍｇ／Ｌの範囲内の鉄含有量とを含む。
【０１４４】
本開示の別の実施形態では、土壌再生生成物は、先述または以下の構成要素のうちのいずれかと、約５から約１５０ｍｇ／Ｌ、より好ましくは、約６．４２から約１１５．７ｍｇ／Ｌの範囲内のホウ素含有量とを含む。
【０１４５】
本開示の別の実施形態では、土壌再生生成物は、先述または以下の構成要素のうちのいずれかと、約５．４から約９．６の範囲内のｐＨを有する。
【０１４６】
本開示の実施形態はさらに、本明細書で説明されるシステムによって生成される有機炭素生成物に水を暴露させ、有機炭素の中の水汚染物質および不純物を隔離することによって、該水を改善するための方法を含んでもよい。ここで、有機炭素が、単独で、または木材チップ、微粒子、または堆肥材料等の他の好適な材料と組み合わせて、バイオフィルタリアクタを形成し、それを通して、水の栄養負荷が有機炭素の多孔質セルの中で捕捉されることを可能にすることに十分な速度で、廃水が流される。好ましい実施形態では、有機炭素は、フィルタの少なくとも１０％、より好ましくは、少なくとも２０％を含む。別の好ましい実施形態では、有機炭素は、リアクタ内の濾過材料の少なくとも５０％、７０％、または１００％を含む。一実施形態では、有機炭素バイオフィルタリアクタは、廃水の栄養負荷を５０％低減させる。別の実施形態では、負荷を６０％低減させる。なおも別の実施形態では、負荷を７０％以上低減させる。別のバイオフィルタリアクタ用途、有機炭素、または有機炭素／木材チップの組み合わせは、工業用炉の煙道ガススタックからの排出物を濾過するであろう。
【０１４７】
（システムのインテリジェント制御）
上記で説明されたように、高価値のバイオエネルギー出力または生成物を産生しながら、望ましくないバイオマス廃棄物を排除するインテリジェント自制炭素隔離装置を構築できることが発見されている。これらの装置は、単独で、または自然体系の挙動を模倣する拡張可能で伸縮性の統合された双方向および協調的なインテリジェント生物精製システムの部材として、有用であり得る。
【０１４８】
本明細書で説明されるような生物精製システム１００およびその構成要素の管理は、本システムの各構成要素またはメンバー装置に必要とされる熱量を送達すること、ならびに本システムを通るバイオマス、ガス、熱、および他の生成物の移動を制御することが可能である高性能の制御システムを必要とする。したがって、各メンバー装置は、本明細書ではバイオプロセッサ自律エージェント（または「ＢＰＡＡ」）と呼ばれる自律エージェントによって制御される。自律エージェントは、産生プロセス全体を監視するように構成される、本明細書では生物精製エージェント（または「ＢＲＡ」）と呼ばれる統制エージェントと通信するように構成される。自律エージェント構成要素を本システムのメンバー装置に追加することにより、システム全体が本質的に「プラグアンドプレイ」になることを可能にする。より多くの構成要素が生物精製装置に追加されるにつれて、自律制御システムは、追加された負荷に適応し、本システムを通るエネルギーおよびバイオマス流を再分配する。したがって、本システムは、本明細書ではインテリジェント生物精製システムと呼ばれ、各メンバー装置は、それ自体がインテリジェント構成要素である。
【０１４９】
インテリジェント生物精製システムのインテリジェントメンバー装置は、相互に協調して、および独立して、両方で稼働するように設計される。各構成要素は、それが変化する環境条件および作業負荷に適応することを可能にする独自のＢＰＡＡ制御システムを有する。独特のインテリジェント生物精製システムを形成するように、複数のインテリジェントメンバー装置を、それらのＢＰＡＡを介して相互接続することができる。その点に関して、インテリジェント生物精製システムは、多数の工業および農業用途をより清潔、より効率的、最終的により有益にするように、これらの工業または農業用途で使用するために調整するか、または適応させることができる。
【０１５０】
例えば、汚染水の改善が所望される場合、フィルタ基質として、汚染水およびバイオマス熱分解システムからの有機炭素出力の両方を受容する能力がある、メンバー装置を、インテリジェント生物精製システムに含むことができる。次いで、メンバー装置のＢＰＡＡは、有機炭素の中の汚染物質を隔離する能力がある速度で、有機炭素を通して水を移動させるプロセスを制御するであろう。精製水および汚染物質を含んだ有機炭素は、装置の出力となり、適宜に、本システムを介して他のメンバー装置にアクセス可能であり得る。このメンバー装置は、本システムに対して特異的に設計および構築することができ、または新しい構成要素を受容する能力があるように、単に装置を修正することによって、既存の装置をインテリジェント生物精製システムに差し込むように適応させることができる。一実施形態では、装置とＢＰＡＡとの間で通信するアダプタを用いて、装置が修正される。
【０１５１】
その機能を向上させるように所与の産業用にインテリジェント生物精製システムを調整することの別の実施例は、廃棄物管理または水処理産業にある。これらの産業にとっての１つの問題は、有機スラッジまたはスラリーの標準嫌気性消化が、廃棄物スラッジの中に蓄積し得るいかなる調合薬またはホルモンも分解しないことである。これは、物質を少なくとも６００°Ｆまで加熱することを必要とする。したがって、調整されたインテリジェント生物精製システムは、スラッジまたはスラリーを受容し、必要に応じて、それを脱水し、それを原料としてＡＢＲに追加して、有機物を消化または分解することができる。次いで、ＡＢＲ消化残渣出力を、必要に応じて、乾燥させ、スラッジ消化残渣の中に残っているホルモンおよび調合薬を分解することに十分な加熱能力を有するバイオマス熱分解装置に原料として提供することができる。次いで、バイオマス熱分解出力を、実施例として、園芸用途または森林改善のために土に戻すことができる。代替として、処理設備が、その廃棄物を消化するための独自の手段を提供する場合、ＡＢＲステップを排除することができる。
【０１５２】
本明細書で説明されるインテリジェント生物精製システムは、廃熱および二酸化炭素を生成する既存の産業と一体化し、炭素を隔離し、廃熱を再生し、価値のあるバイオエネルギー生成物を生成するためのシステムを提供するように設計されている。図１４を参照すると、例示的なインテリジェント生物精製システムが示される。図１と同様に、この概略図は、熱エネルギー源８０２、光バイオリアクタ８０４、嫌気性バイオリアクタ８０６、およびエネルギー変換８０８といった、インテリジェント生物精製システム８００を構成する、４つの基本的構成要素を図示する。この概略図はまた、全体的なシステムの最適な産生を支援する方式で、メンバー装置の間で協調的に入力および出力を共有するための機会も図示する。ＢＰＡＡは、メンバー装置を制御して、全体的なシステムの最適な産生を支援するように設計されている。
【０１５３】
ＢＰＡＡは、変化する条件で安定した生物環境を維持しようとしながら、起こり得る複雑な非線形問題を解決するための手段を、各メンバー装置に与える。制御システムはまた、バイオ燃料、電気、ならびに窒素肥料および土壌再生生成物を産生するように、藻類バイオマスの収穫および加工に役立つ。
【０１５４】
インテリジェント生物精製システムの各メンバー装置は、本開示の実施形態によれば、単純な生物学的原理に基づくプロセスを使用して、バイオエネルギー生成物を産生する。インテリジェント生物精製システムは、自然生物学的プロセスを模倣する適応挙動制御の使用を通して、この概念を次のレベルに上げる。
【０１５５】
ここで、構成要素自律エージェントまたはＢＰＡＡを説明する。上述のように、インテリジェント生物精製システムの各構成要素またはメンバー装置の機能性は、本明細書ではＢＰＡＡと呼ばれるソフトウェアエージェント等の自律エージェントによって統制される。図１５のフローチャートで図示されるように、エージェントは、４つの基本的副次構成要素：
・構成要素の現在の状態を機能的に表す、現状ベクトル
・構成要素の所望の状態を表す、標的状態ベクトル
・構成要素がその現在の状態を修正するように行うことができる、一式のアクション
・標的状態を達成または維持するために、どのようなアクションを構成要素が実行する必要があるかを判定する挙動モジュール
を備える。
【０１５６】
図１５は、どのようにして情報がエージェントの副次構成要素の間を流れるか、ならびに物理的センサと構成要素の物理的状態を修正する制御機構（エフェクタ）との間のデータの流れを図示する。
【０１５７】
現状ベクトルおよび標的状態ベクトルは、フルエントとして知られているソフトウェアオブジェクトから成る。フルエントは、一価であり得、一連の値を表すことができ、または測定された物理パラメータを表すセンサに接続することができる変数である。例えば、ＢＰＡＡの現在の状態が、８０°Ｆという感知された値とともに「水路温度」と呼ばれるフルエントを有することができる一方で、標的状態は、［７８−８２］と書かれる、７８から８２°Ｆの間の区間値を有する「水路温度」と呼ばれるフルエントを有することができる。ＢＰＡＡ挙動モジュールは、８０°が範囲［７８−８２］内であることを認識するため、光バイオリアクタ水路の温度を修正するためにいかなるアクションも行う必要がない。フルエントはまた、区間値フルエントを含むこともできる。実施例は、区間範囲［７５，９０］度に対して設定される目標状態温度フルエント、および８０°Ｆで「感知」される現状温度フルエントである。この場合、状態ベクトルの温度成分が合致するであろう。
【０１５８】
構成要素挙動は、反応型、予測型、適応型、またはこれらの組み合わせであり得る。反応挙動は、標的状態温度に合致するように、熱交換器弁を開放または閉鎖して構成要素内の温度を調整すること等の、現在の状態を調整して標的状態に合致するためにアクションを常に実行する。予測挙動は、急激な寒気を予想して温度を調整し始めるために、インターネットから集められた天気予報等の情報を使用し得る。適応挙動は、最善の結果に基づいて新しい挙動を生成するように、予測および反応挙動を組み合わせることができる。
【０１５９】
インテリジェント生物精製システム全体はまた、本システムのメンバー装置ＢＰＡＡの類似構造を有するが、本システムおよび構成要素エージェントのうちのそれぞれを監視するように設計されている、独自のＢＰＡＡを有してもよい。上述のように、そのようなエージェントは、本明細書では、統制エージェントまたは生物精製装置エージェント（ＢＲＡ）と呼ばれる。この場合、各構成要素エージェントは、ＢＲＡのフルエントと見なされる。
【０１６０】
図１６は、複数の光バイオリアクタおよび嫌気性バイオリアクタと、システム用の地熱源を制御するエージェントとを有する、インテリジェント生物精製システムの制御方式を示す。各自律エージェントは、単一の構成要素の「状態」を維持し、これらのバス上の物質（バイオマス、ＣＯ２、熱等）の流動を制御する責任がある。各構成要素ＢＰＡＡおよびＢＲＡの挙動モジュールは、構成要素またはメンバー装置の状態を修正するためにアクションを使用する、非線形システムソルバと考えることができる。ＢＰＡＡは、どのようなアクションが講じられる必要があるかについて、メンバー装置の現在の状態を標的状態（目標）と比較する。
【０１６１】
図１および１４は、本開示の実施形態による、インテリジェント生物精製システムの概略図である。これらの図は、各メンバー装置の入力および出力、およびどのようにして種々の出力を本システムにわたって入力として共有できるかを図示する。例えば、図１４は、メンバー装置として一般的熱源を利用するインテリジェント生物精製システムを図示し、図１は、熱源メンバー装置がバイオマス熱分解システムである、インテリジェント生物精製システムを図示する。図１７は、図１４に図示されるように、入力および出力が本システムにわたって共有されることを可能にするメンバー装置間の通信経路を図示する、図１４で図示されるインテリジェント生物精製システムのフローチャートであってもよい。同様に、図１６は、図１で図示されるように、入力および出力が本システムにわたって共有されることを可能にする、メンバー装置間の通信経路を図示する、図１で図示されるインテリジェント生物精製システムのフローチャートであってもよい。
【０１６２】
図１８は、図１および１３で図示されるようなインテリジェント生物精製システムの入力および出力の両方、ならびに図１６および１７で図示されるような情報を共有するための通信手段を図示する別のフローチャートである。図１８では、全てのメンバー装置挙動情報が、図面中のデータバス「ライン」を用いて、ＢＲＡ  ＢＰＡＡに伝達され、かつＢＲＡ  ＢＰＡＡから受信される。これは、メンバー装置とデータバスラインとの間の双方向矢印を用いて、図面に示される。メンバー装置入力および出力、およびそれらが本システムにわたって共有される方法は、例えば、メタン、藻類バイオマス、または有機炭素を表す、図面中の参照ラインに至り、およびそこから通じる、適切に印を付けられた矢印によって示される。
【０１６３】
例示的なメンバー装置として、図１２のバイオマス熱分解システム１０２の概略図を見ると、例えば、本システムは、朝にバイオマス熱分解システムを起動することを望む。この情報は、図１８のデータバスラインを介して、ＢＲＡ（図１６）からバイオマス熱分解システムに伝達される。バイオマス熱分解システム１０２のＢＰＡＡは、現状ベクトル内のフルエントを介して、その現在の状態を評価し、ＢＲＡから伝達された所望の標的状態を考慮して適切なアクションを開始し始める（図１６参照）。
【０１６４】
標的状態ベクトル情報は、ある時間量にわたってオンであること、所望量の有機炭素を産生すること、好ましい原料を利用すること、および／または所望量の熱、合成ガス、またはメタンを生成することを含み得る（図１および１４参照）。バイオマス熱分解システムの現在の状態として知覚されるデータに基づいて、バイオマス熱分解システムのＢＰＡＡ挙動モジュールは、フルエントを介してエフェクタに伝達される、一連のアクションを開始するであろう（図１５）。
【０１６５】
例示的なアクションは、インテリジェント生物精製システムからメタンを受容するようにメタン支持弁７５２を開くことを含んでもよい（図１２および図１８参照）。この挙動は、バスラインを介して、ＢＲＡと、ＢＰＡＡ統制挙動モジュールが、その挙動が変化したこと、およびメタン支持が別のメンバー装置によって必要とされていることを把握している、メンバー装置インテリジェント生物精製システムとに伝達される。次いで、インテリジェント生物精製システムＢＰＡＡは、一連のアクション（例えば、その統制挙動モジュールによって知覚されるようなＡＢＲ装置の現在の状態に応じて、メタンを放出する、メタンを収集する、または消化残渣産生を増加させる、図１６参照）開始し、最終的に、図１８の代表的なメタンライン７４８を用いてメタンをバイオマス熱分解装置１０２に提供する。当業者によって理解され、本明細書で上記に説明されるように、本システムは、継続的装置分析、ならびに予測、反応、および／または適応挙動のために設計され、本システムが、継続的に適応する方式で、最適に、協調的に、および調和的に機能することを可能にする。
【０１６６】
インテリジェント生物精製システム設計はまた、所与のインテリジェント生物精製システムが、その統制挙動モジュールを用いて、ローカルであり得るか、またはある距離を置き得る他のインテリジェント生物精製システムと通信すること、およびその情報をそのメンバー装置ＢＰＡＡと共有することも可能にする。例えば、モンタナに位置するインテリジェント生物精製システムが、ハワイで一般的に被り、モンタナのインテリジェント生物精製システム内の藻類成長に特に影響を及ぼし得る、気候条件を被っている場合がある。本明細書で説明されるシステムを使用して、モンタナのインテリジェント生物精製システムは、ハワイのインテリジェント生物精製システム挙動情報にアクセスすることができ、モンタナのインテリジェント生物精製システムＢＰＡＡは、インテリジェント生物精製システムの挙動をその所望の標的状態にすることを目的としているアクションを開始するために、その解決路の一部としてその解決策情報を利用することができる。明確には、当業者によって理解されるように、モンタナのインテリジェント生物精製システムはまた、その挙動情報をハワイのインテリジェント生物精製システムまたは他のインテリジェント生物精製システムと共有する能力もある。
【０１６７】
このシステムにわたって通信する能力は、複数のインテリジェント生物精製システムが局所工業用途でともに稼働する実施形態において、特定の用途を有する。例えば、本開示の一実施形態は、ＢＲＡがインテリジェント温室である、２つ以上のインテリジェント生物精製システムのアレイである。別の実施形態では、温室は、形状が八角形であり、複数の温室が、蜂巣パターンで配列されてもよく、それら全てが、共通側面上の熱的に貯蔵された熱を含むリソースを共有することを可能にする。
【０１６８】
本明細書で説明されるＢＰＡＡインテリジェントプロセス制御は、標準的な一式の構成要素を使用して、最小限のプログラミングを用いてインテリジェント生物精製システムの設計を標的産業に合わせることを可能にする。それはまた、インテリジェント生物精製システムメンバー装置として参加することができるように、既存の非インテリジェント装置を修正することも可能にする。この場合、必要とされる付加的なステップは、必要に応じて、装置から情報を受信し、かつ装置上で変更を達成する能力があるように、物理的センサおよびエフェクタ機構を適応させることであろう。
【０１６９】
適応は、ＢＰＡＡおよび修正される装置とインターフェースをとるアダプタ手段を使用することによって、達成することができる。したがって、アダプタ手段は、必要に応じて、広範囲の現在存在している装置と連動するように修正することができ、インテリジェント生物精製システム自体を大幅に修正するか、または装置全体を新たに再設計あるいは構築する必要なく、それらがインテリジェント生物精製システムに参加することを可能にする。したがって、「プラグインアンドプレイ」型のインテリジェント炭素隔離インテリジェント生物精製システムが、現在では、複数の異なる産業に使用可能である。上記で説明された製材所の実施例では、インテリジェント生物精製システムの一部として製材所のボイラを含むことを所望した場合、そのようなアダプタ手段が、水温を測定するためのセンサと、ボイラに提供される熱量を変調するためのエフェクタとを含み得る。
【０１７０】
本開示の側面によれば、本明細書で説明されるシステムは、インテリジェント生物精製システムであってもよい。インテリジェント生物精製システムは、統合された協調的に作用するメンバー装置を含み、（１）各メンバー装置の挙動を自律的に統制し、および（２）統制エージェントの役割を果たす自律エージェントを通して、その挙動を１つ以上の他のメンバー装置に伝達するために、人工知能を使用し得る、双方向システムである。その点に関して、メンバー装置および本システム自体の挙動は、本システムの必要性に基づいて個々の入力および出力を変調して、メンバー装置が協調的に機能するように設計される。
【０１７１】
本開示の側面によれば、各メンバー装置は、それ自体が、（１）その環境を知覚して、その環境に作用するために、それぞれ、センサおよびエフェクタを使用して、メンバー装置の現在の状態を知覚する、（２）そのローカル環境、ならびにデータベース、他の場所における他のシステムまたは装置、および／または統制エージェントを制限なく含む、他のリソースからの入力に基づいて、標的状態を識別する、（３）メンバー装置の挙動を所望の標的状態に向かって修正することを目的としているアクションを開始する、および（４）標的状態の達成において開始されたアクションの成功または失敗を評価し、それに従って変更を行う能力があり得る、自律エージェントである。
【０１７２】
本開示の側面によれば、自律エージェントは、効果的に継続して「学習」し、以前の模索された解決路の結果を、その解決プロセスに含む。別の側面では、自律エージェントは、継続的に進化し、環境の変化に適応するための自然独自のプロセスを模倣し、所望の結果を達成するための「最善」のプロセスを発見しながら、動的に入力および出力の平衡を保つ。他の側面では、自律エージェントは、その解決プロセスの一部として、目標指向挙動モデルを利用する。別の側面では、自律エージェントは、その解決路の一部として、発見的アルゴリズムまたは機能を利用する。なおも別の側面では、自律エージェントは、その現在の状態および標的状態を理解するプロセスの一部として、および／または（１）算出されたアクションを外部環境内のエフェクタに伝達する、および（２）１つ以上のセンサを通して知覚された外部環境の状態を自律エージェントに伝達するための手段として、フルエントを利用する。
【０１７３】
本開示の側面によれば、インテリジェント生物精製システムメンバー装置の自律エージェントは、メンバー装置が必要に応じて本システムに容易に差し込まれる、または引き抜かれることを可能にし、インテリジェント生物精製システムの携帯性および拡張性、ならびに多数の異なる産業または用途のためのその修正を増進する、共通アーキテクチャおよび構造を有してもよい。
【０１７４】
本開示の側面によれば、ＰＢＲ自律エージェントは、システムの統制エージェントの役割を果たす。なおも別の側面では、メンバー装置（例えば、温室システム）を収納する設備または構造が、統制エージェントの役割を果たしてもよい。別の側面では、温室システムは、機能的な温室としての価値を有する。
【０１７５】
別の側面では、本開示の実施形態は、インテリジェント構成要素を特色とし、そのそれぞれは、本明細書で説明されるような自律エージェントを含む。
【０１７６】
本開示の実施形態は、その精神または本質的な特性から逸脱することなく、他の具体的形態で具現化されてもよい。したがって、本実施形態は、あらゆる点で、限定的ではなく例示的と見なされるものであり、本開示の範囲は、先述の説明よりもむしろ、添付の請求項によって示され、したがって、請求項の同等物の意味および範囲内に入る全ての変更は、その中に包含されることを目的としている。例示的実施形態が図示および説明されているが、本開示の精神および範囲から逸脱することなく、それに種々の変更を行うことができると理解されるであろう。
【０１７７】
独占的な財産または特権が主張される、本発明の実施形態は、以下のように定義される。
【図２】
2014509252.tif 000003
【図５】
2014509252.tif 000004
【図６Ａ】
2014509252.tif 000005
【図６Ｂ】
2014509252.tif 000006
【図１１Ｂ】
2014509252.tif 000007
【図１】
2014509252.tif 000008
【図３】
2014509252.tif 000009
【図４】
2014509252.tif 000010
【図７】
2014509252.tif 000011
【図８】
2014509252.tif 000012
【図９】
2014509252.tif 000013
【図１０】
2014509252.tif 000014
【図１１Ａ】
2014509252.tif 000015
【図１２】
2014509252.tif 000016
【図１３】
2014509252.tif 000017
【図１４】
2014509252.tif 000018
【図１５】
2014509252.tif 000019
【図１６】
2014509252.tif 000020
【図１７】
2014509252.tif 000021
【図１８】
2014509252.tif 000022
【図１９】
2014509252.tif 000023
【国際調査報告】
2014509252.tif 000024
2014509252.tif 000025
2014509252.tif 000026
2014509252.tif 000027