(57)【要約】  水生植物により嫌気的代謝中に産生されるエタノールを回収、精製、および／または抽出する方法およびシステムが提供される。システムには、水および水生植物が入っているセル、水からエタノールを除去するためのセルと流体連通しているエタノール抽出アセンブリが含まれる。エタノールは、水生植物に到達する光合成誘発光を調節することなど、植物における嫌気的過程を開始することによって、水生植物により放出される。
2014527829.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
植物副産物を除去するように構成された水用セルであって、
水と、
微粒子材料を含む基材と、
少なくとも１種の水生植物であって、少なくとも根部が前記基材中に配置されている、少なくとも１種の水生植物と、
前記セルに水を送るように構成された給水口と、
前記セルから水を除去するように構成された排水口と、
前記排水口に流体連結したエタノール抽出アセンブリと、
を備え、
前記給水口と前記排水口とのうちの少なくとも一方は、前記セルにおいて前記基材の高さにまたはそれより低い高さに配置されており、前記給水口と前記排水口とのうちの他方は、前記セルにおいて前記基材の高さにまたはそれより高い高さに配置されており、前記セルから前記排水口を通って除去される水が前記基材を通って抜き出される、
水用セル。
【請求項２】
前記排水口が前記基材の高さにまたはそれより低い高さに配置されており、前記給水口が前記基材の高さにまたはそれより高い高さに配置されている、請求項１に記載の水用セル。
【請求項３】
前記排水口が、前記基材より低い高さの前記セルの壁または床に配置されている、請求項１に記載の水用セル。
【請求項４】
前記水が、第１の温度の上階層と、第２の温度の下階層を含み、該第２の温度は該第１の温度よりも低い、請求項１に記載の水用セル。
【請求項５】
前記給水口は、前記下階層内かつ前記基材より高い高さに配置されている、請求項４に記載の水用セル。
【請求項６】
前記基材の高さに対する水深の比は約１：１〜１：２の間にある、請求項１に記載の水用セル。
【請求項７】
前記少なくとも１種の水生植物は、ヒルムシロ科と、マツモ科と、アリノトウグサ科と、ミカン科とのうちの１つから選択される、請求項１に記載の水用セル。
【請求項８】
前記少なくとも１種の水生植物は、ヒルムシロ科から選択される、請求項１に記載の水用セル。
【請求項９】
前記少なくとも１種の水生植物は、リュウノヒゲモ植物、またはその交雑種もしくは雑種である、請求項１に記載の水用セル。
【請求項１０】
水の第１の温度を有する上階層と第２の温度を有する下階層とを含む水であって、該第２の温度は該第１の温度よりも低い、水と、
前記下階層内に配置されている給水口と、
下の温度階層の高さにまたはそれより低い高さに配置されている基材であって、土壌の上層と、少なくとも１種の微粒子材料を含む下層とを含む基材と、
少なくとも１種の水生植物であって、少なくとも根部が前記基材中に配置されている、少なくとも１種の水生植物と、
を備える水用セル。
【請求項１１】
前記微粒子材料は砂利を含む、請求項１０に記載の水用セル。
【請求項１２】
前記基材は鉱物材料の第３の層を含む、請求項１０に記載の水用セル。
【請求項１３】
前記給水口は、前記第１の温度よりも低い温度を有する水源に流体連結されている、請求項１０に記載の水用セル。
【請求項１４】
前記水生植物の光合成を選択的に阻害するように構成された光合成光調節器をさらに備える、請求項１０に記載の水用セル。
【請求項１５】
前記光合成光調節器は光合成光バリアを含む、請求項１０に記載の水用セル。
【請求項１６】
前記少なくとも１種の水生植物は、リュウノヒゲモ植物、またはその交雑種もしくは雑種である、請求項１０に記載の水用セル。
【請求項１７】
前記セルにおいて前記基材の高さにまたはそれより低い高さにある排水口をさらに備え、前記セルから前記排水口を通って除去される水が前記基材を通って抜き出される、請求項１０に記載の水用セル。
【請求項１８】
水と、微粒子基材と、少なくとも１種の水生植物であって少なくとも根部が前記基材中に配置されている少なくとも１種の水生植物とを含む水用セルから水を回収する方法であって、
前記基材を通して、エタノール回収アセンブリと流体連通している排水口へ水を抜き出す工程、
を備える方法。
【請求項１９】
前記排水口は前記基材の高さにまたはそれより低い高さに配置されており、前記抜き出す工程は、前記基材の高さまたはそれより高い高さの領域から下方へと前記排水口へ前記水を抜き出す工程を含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記セルに上側の水階層と下側の水階層とを形成する工程をさらに備える、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
下側の階層に水を導入する工程であって、下側の階層は上側の階層の水温よりも低い温度を有する、工程をさらに備える、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記エタノール回収アセンブリに抜き出される水からエタノールを除去する工程をさらに備える、請求項１８に記載の方法。
【請求項２３】
水が前記排水口に抜き出される際、前記セルの光合成が阻害される、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、水生植物を栽培するためのセル、ならびにこうしたセルから水を回収する方法およびシステムに関する。エタノールを含む様々な水生植物の副産物は、回収水から除去することができる。
【背景技術】
【０００２】
現在のエタノール生産方法は、主に、バイオマス源のエタノールへの直接転化に依存している。穀物をベースとするエタノール生産では、例えば、トウモロコシなどの穀物は、機械的、熱的、および／または化学的に処理されて、この処理済み穀物から抽出される画分が、微生物含有発酵槽に入れられる。発酵抽出物は、次に蒸留される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来のエタノール生産の欠点には、原料（すなわち、穀物）消費、副産物の生成、ならびに水およびエネルギーの消費が高いことが挙げられる。したがって、従来のエタノール生産の代替法が求められてきた。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
一実施形態は、水、基材、少なくとも１種の水生植物、給水口、および排水口を備えるセルである。給水口および排水口のうちの少なくとも一方は、セルにおいて基材の深さの位置またはそれより低い位置にあり、給水口および排水口のうちの他方は、セルにおいて基材の深さの位置またはそれより高い位置にある。セルから除去される水は排水口から流れるか、または除去される前に基材を通して引き抜かれる。
【０００５】
別の実施形態は、第１の水温の上階層（ｓｔｒａｔｕｍ）と第２の温度の下階層とを有する水を含むセルであり、第２の温度は第１の温度よりも低い。該セルは、少なくとも１種の水生植物と、下階層の深さに配置されている給水口と、下温度階層の高さにまたはそれより低い高さに配置されている基材とをさらに備える。該基材は、土壌の上層と、少なくとも１種の微粒子材料を含む下層とを含んでもよい。
【０００６】
さらなる実施形態は、水と、微粒子基材と、少なくとも１種の水生植物であって少なくとも根部が前記基材中に配置されている少なくとも１種の水生植物とを含む水用セルから水を回収する方法である。水は基材を通して、基材の高さにまたはそれより低い高さに配置されている排水口へと抜き出され、この基材は水回収アセンブリに連結されている。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本開示の一実施形態による、水生植物を栽培するシステムの概略図。
【図２】本開示の一実施形態における、水生植物を栽培するための基材の断面図。
【図３】本開示の一実施形態における、水生植物を栽培するための基材の断面図。
【図４】本開示の一実施形態による、水生植物を栽培するシステムの概略図。
【図５】本開示の一実施形態による、水生植物からエタノールを分離するシステムの概略図。
【図６】本開示の一実施形態による、水生植物により産生されるエタノールを得る方法を例示している図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
続く本開示の詳細な説明が一層よく理解され、当分野への本発明の寄与が一層よく認識
され得るように、本開示のより重要な特徴をこのようにかなり広く概説してきた。以下に記載され、本出願に添付されている特許請求の範囲の主題を形成する本開示の追加の特徴が存在する。
【０００９】
本開示の目的は、本開示を特徴づける新規性の様々な特徴とともに、この開示の一部に帰属され、その一部を形成する特許請求の範囲において詳細に示される。
以下の本開示の詳細説明を考慮すると、本開示が一層よく理解され、また上で説明されたもの以外の目的が明らかになろう。こうした記載は、添付された図面を参照する。
【００１０】
図１は、水１２、セル１０の底部近辺の水より低い位置に一般に配置される基材１４、および１つまたは複数の水生植物１６を含む、水用セル１０の略図である。
セル１０の寸法は、セルに導入される水生植物のサイズおよび種類ならびに数、水深、および基材高さに依存し得る。各セルの深さは、約１０ｃｍ〜約２０ｍ（例えば、１０ｃｍ〜１００ｃｍ、５０ｃｍ〜１ｍ、１００ｃｍ〜１ｍ、５００ｃｍ〜３ｍ、１ｍ〜５ｍ、４ｍ〜１０ｍ、５ｍ〜７ｍ、５ｍ〜１０ｍ、または１０ｍ〜２０ｍ）の範囲とすることができる。
【００１１】
広範囲の水深を利用することができる。深部における通常にはない高い水温などの他の環境要因が存在すれば、一部の植物は、かなり深い深度で生長することがあることが見いだされている。例えば、リュウノヒゲモ（Ｓｔｕｃｋｅｎｉａ  ｐｅｃｔｉｎａｔａ）は、２０ｍよりも深い水深において生長することが示されており、この場合、熱水噴出孔は、少なくとも、北米の湖においてこうした深さで通常見いだされると思われるよりも暖かい水を提供する。他の実施形態では、かなり浅い水深が使用され得る。
【００１２】
セルの幅および長さは、本システムには重要ではない。セルの幅および長さは等しい必要はなく、また本システムで使用される植物数および種類に適応するように調節することができ、またセル形状、利用可能な土地面積、原材料入手、および費用管理にさらに依存し得ることを理解すべきである。セルが単一の植物を保持する寸法にされる場合、本システムにおいて２つ以上のセルを含むことが有利なことがある。
【００１３】
セル１０に含有している水１２は、例えば、熱交換器またはセル内蔵型ヒータを使用して、温度制御されてもよい。セル用熱はまた、隣接したエタノール加工プラントまたは他の任意の好都合な廃熱源により発生する廃熱から確保（ｓｅｑｕｅｓｔｅｒｅｄ）してもよい。好都合な場合、地熱および太陽などの追加の熱源も利用してもよい。一実施形態では、汚水処理プラントまたは電力施設から出る水を、温度を調節するため、および水生植物に追加の栄養素を提供するための両方に利用してもよい。さらに、特に高温の気候では、セルは、別の面で植物に害を与えると思われる温度を回避するために、冷却を必要とすることがある。利用される水生植物の品種に応じて、植物生長およびエタノール産生を最適化する温度範囲を選択することができる。例えば、リュウノヒゲモなどの選択される一部の植物は、最適な生長のために約３２℃〜２３℃の間に維持され得るが、生長およびエタノール産生のため総合的な温度範囲は、はるかに広い範囲にあることを理解すべきである。温度を制御する１つの方法は、セルを地中に埋めることであり、この場合、セル周辺の土壌が、セルの温度を適度に保つ。
【００１４】
一部の実施形態では、セル中の水温は、異なる水深において様々な水温領域が存在するように、制御される。特に、水温は、図１に示される温度階層１８および２０などの、一般に水平方向の２つ以上（例えば、３つ、４つまたは５つ）の温度階層に階層化することができる。各階層の温度は、一般に一様とすることができるか、または勾配を反映させてもよい。
【００１５】
階層間の境界は、物理的障壁（バリア）を持たせて、または持たせることなく維持することができる。一実施形態では、階層１８、２０間の少なくとも約１℃の温度差は、障壁境界をつくらない。各温度領域における水移動および温度変動を最小限にすることにより、物理的障壁を使用することなく、階層間の温度差を維持する利点を実現することができる。しかし、ある程度の水流または循環を使用して、温度領域間の境界を安定化することができる。代替的または追加的に、それらを通って植物が生長できる、布、メッシュまたは他の材料などの物理的障壁を使用して、この階層化を安定化することができる。一部の実施形態では、物理的障壁は、領域間の温度差が約１℃よりも大きい場合に使用される。さらに、物理的障壁は、ある温度領域中の水に伝達される放射エネルギー（例えば、光源からの）量を低減することができる。一部の実施形態では、植物の定着前に物理的障壁が導入され、この障壁を通して該植物は生長することができる。
【００１６】
水温が階層化される場合、温度領域は、使用されている水生植物に適するよう、サイズ、場所、および温度の調節を行うことができる。例えば、図１に示されている通り、階層２０は、植物１６の葉の部分が繁殖している水１２の表面から、植物１６の茎の部分が繁殖している深さまで延在する。階層１８は、階層境界から少なくとも基材表面まで、ならびに可能性として、植物１６の茎下部および／または根が繁殖している基材１４にまで延在する。
【００１７】
上階層２０は、最大約３７℃、より詳細には最大約３２℃、さらにより詳細には最大約３１℃（約２℃〜約２１℃、約２℃〜約１６℃、約４℃〜約１８℃、約４℃〜約１０℃、約１０℃〜約１３℃、約１６℃〜約２０℃、約１７℃〜約１９℃、約１７℃、約１８℃、約１８℃、約１９℃などを含む）の温度を有することができる。下階層１８における水温は、上階層２０の温度よりも約１〜１４℃低くすることができ、より詳細には、上階層２０の温度よりも約２〜６℃低くすることができる。各階層は、一般に、温度を一様とすることができるか、またはより深いほど温度を徐々に低下させることができる。
【００１８】
各階層における温度は、任意の適切な手段を使用して制御してもよい。例えば、一部の実施形態では、水面近くの水は、太陽または人工光源などの光源からの放射熱に曝露させることにより加熱される。あるいは、水面近くの水を発熱体などの熱源を使用して加熱するか、または水をセル外部で加熱してセルの表面近くに導入することができる。より低い温度領域の温度は、例えば、物理的障壁または色素（例えば、青色色素）などの他の手段の使用により放射エネルギー源（例えば、光）への曝露を制限する、温度制御した水を導入するなどにより、制御することができる。
【００１９】
一実施形態では、セル１０は少なくとも１つの給水口を含み、各給水口は１つの階層の深さに配置されている。給水口は、温度制御した水を階層に導入する水源に連結されている。図１に例示されているセル１０では、給水口２２は、下階層１８の深さ内に配置されている。給水口２２は水源２４に連結されており、上階層２０の温度よりも低い温度、より詳細には下階層１８について望ましい温度またはその付近の温度の階層１８に送水するよう構成されている。このように、水階層１８のより低い温度が維持され、水階層１８および水階層２０は、障壁が使用されることなく存在する。別の実施形態では、各階層に対応する給水口を、独立して水温制御するために使用する。
【００２０】
温度階層の他に、他の水条件（例えば、溶存ガスレベル、栄養素レベル、水流など）を、階層１８、２０または他の領域中で変えて、植物生長、炭水化物産生、および／またはエタノール産生に利点をもたらすことができる。例えば、植物１６の葉の領域またはその近傍における水条件には、炭水化物産生を促進するために、溶存ＣＯ２の添加を含むことができる。植物１６の茎領域または根領域に対応する水領域では、ＣＯ２濃度をより低くすることができる。別の例では、水生植物の葉の領域またはその近傍における水の流速を
調節して、葉の上の藻類の堆積を防止することができる。
【００２１】
別の例では、栄養分は、階層内またはセル１０の他の領域間で異なっていてもよい。茎の区域に相当する領域の水の栄養分は、葉に相当する領域の水よりも多量栄養素および／または微量栄養素の濃度を高く含有してもよい。一部の実施形態では、基材表面近傍の水は、他の領域の水よりも高い窒素濃度を有することができる。栄養素濃度は、栄養素を水生植物に供給するように、かつ藻類の生長を低く保つように、調節することができる。
【００２２】
基材１４は、植物１２の根系を定着させ、さらに以下で説明するように、エタノールなどの植物副産物が放出される領域を含んでもよい。一実施形態では、基材には、主要な定着機構として働く微粒子材料が含まれる。しかし、根がそこに絡みついて根自体が結びつく、格子または網などの機械的定着デバイスも場合により同様に使用することができる。基材の厚みに対する水深の比は、約２：１〜約１：２の範囲とすることができる。一実施形態では、水深は、基材の厚み以下、例えば、水深／基材の厚みの比は、約１：１以下、より詳細には約１：１〜約１：２とすることができる。さらなる実施形態では、水深は、基材の厚み未満、例えば水深／基材の厚みの比は、１：１未満である。
【００２３】
一実施形態では、基材１４は、多孔性鉱物材料から形成された粗粒子を使用してもよい。他の実施形態では、基材１４は、層として形成することができる２種以上の材料を含んでもよい。各基材層の特性は、必要に応じて、化学組成（例えば、栄養分またはｐＨ）、物理組成（例えば、粗さまたは密度）、生物組成（例えば、細菌）などの変動を含め、使用される植物に関して構成することができる。
【００２４】
一部の実施形態では、基材１４の１つの層は、水中に硝酸塩を蓄え放出する能力のある土壌組成物（腐植土を含んでもよい）を含み、基材１４の別の層は、窒素固定細菌などの細菌の定着に適した多孔性材料を含む。基材材料の、水、熱、ガス、および／または栄養素を透過させる能力などの、他の特性も考慮することができる。追加的または代替的に、基材は、水が基材を通過して流れることができる、豆砂利などのより大きな粒子材料の層を含んでもよい。
【００２５】
図２は、一実施形態による基材１４の断面図である。基材１４は、基材１４の表面から約１５ｃｍ〜約３０ｃｍ（例えば、約１５〜約２５ｃｍ、約２０ｃｍ〜約３０ｃｍ、約２５ｃｍ〜約３０ｃｍ、約１５ｃｍ、約１８ｃｍ、約２０ｃｍ、約２５ｃｍなど）の深さまで延在する土壌または腐植土の上層２４を含む。上層２４は、植物根に栄養素を供給することができ、かつ／または硝酸塩などの栄養素を基材１４の上の水中に浸出することができる。下層２６は、本明細書においてさらに説明される理由のために、水が基材を通過して流れるのに適した豆砂利などの粗粒子材料である。下層２６は、発熱体が基材より低い位置に配置される場合、熱伝導を促進することもある。下層２６は、約１５ｃｍ〜約３０ｃｍ（例えば、約１５〜約２５ｃｍ、約２０ｃｍ〜約３０ｃｍ、約２５ｃｍ〜約３０ｃｍ、約１５ｃｍ、約１８ｃｍ、約２０ｃｍ、約２５ｃｍなど）の深さを有することができる。
【００２６】
図３は、別の実施形態による基材１４の断面図であり、多孔性鉱物材料（例えば、モンモリロナイト、焼成ヘマタイト）を含む追加の層２８を含む。追加の層２８は、好気性および嫌気性の窒素固定細菌のための付着部位を設けることができる。追加の層２８は、基材１４の一番上の層として例示されており、約１５ｃｍ〜約３０ｃｍ（例えば、約１５〜約２５ｃｍ、約２０ｃｍ〜約３０ｃｍ、約２５ｃｍ〜約３０ｃｍ、約１５ｃｍ、約１８ｃｍ、約２０ｃｍ、約２５ｃｍなど）の高さを有することができる。代替実施形態では、層２８は、層２４と層２６の中間層として設けてもよい。
【００２７】
一部の実施形態では、栄養素が基材に添加されて、植物および／または窒素固定細菌に、多量栄養素および／または微量栄養素を供給する。肥料ペレットまたは富栄養水の添加など任意の適切な方法を使用して、例えば、給水口２０を通して、基材に栄養素を添加することができる。
【００２８】
水生植物１２は、直接水中、または恒久的な飽和土のような水生環境中または同環境上で容易に生息するどのような水生植物からも選択することができる。より一般には、用語「水生植物」は、水中に常時浸かっているかまたは湛水期間中に断続的に浸かっているかのどちらかに対して耐用性の高い、任意の藻類、水生植物または半水生植物を含むことができる。さらに、２種以上の種類の水生植物が、単一セル内で使用されてもよい。
【００２９】
より詳細には、適切な植物には、本明細書で記載される条件下で、エタノールを排出するものが含まれる。一部の実施形態では、水生植物１６は、非遺伝子組換え植物である。他の実施形態では、水生植物１６は、遺伝子組換え植物である。遺伝子組換えは、非限定的に、有害生物に対する耐性、殺虫剤または除草剤に対する耐性、熱に対する耐性、寒冷に対する耐性、および／または高濃度の植物副産物（例えば、エタノール）に対する耐性を付与する導入遺伝子を組み込ませることを含むことができる。
【００３０】
適した水生植物には、例えば、以下に限定されないが、リュウノヒゲモ（以前にはポタモゲトン・ペクチナトゥス（Ｐｏｔａｍｏｇｅｔｏｎ  ｐｅｃｔｉｎａｔｕｓ）として知られており、一般にサゴヒルムシロ（Ｓａｇｏ  Ｐｏｎｄｗｅｅｄ）と呼ばれる）、スツケニア・バギナタ（Ｓｔｕｃｋｅｎｉａ  ｖａｇｉｎａｔａ）、スツケニア・フィリフォルミス（Ｓｔｕｃｋｅｎｉａ  ｆｉｌｉｆｏｒｍｉｓ）、エビモ（Ｐｏｔａｍｏｇｅｔｏｎ  ｃｒｉｓｐｕｓ）、ヒルムシロ（Ｐｏｔａｍｏｇｅｔｏｎ  ｄｉｓｔｉｎｔｃｕｓ）、ポタモゲトン・ノドスス（Ｐｏｔａｍｏｇｅｔｏｎ  ｎｏｄｏｓｕｓ）、カワツルモ（Ｒｕｐｐｉａ  ｍａｉｔｉｍａ）、ホザキノフサモ（Ｍｙｒｉｏｐｈｙｌｌｕｍ  ｓｐｉｃａｔｕｍ）、クロモ（Ｈｙｄｒｉｌｌａ  ｖｅｒｔｉｃｉｌｌａｔａ）、オオカナダモ（Ｅｌｏｄｅａ  ｄｅｎｓａ）、スギナモ（Ｈｉｐｐｕｒｉｓ  ｖｕｌｇａｒｉｓ）、アポノゲトン・ボイビニアヌス（Ａｐｏｎｏｇｅｔｏｎ  ｂｏｉｖｉｎｉａｎｕｓ）、アポノゲトン・リギディフォリウス（Ａｐｏｎｏｇｅｔｏｎ  ｒｉｇｉｄｉｆｏｌｉｕｓ）、アポノゲトン・ロンギプルムロスス（Ａｐｏｎｏｇｅｔｏｎ  ｌｏｎｇｉｐｌｕｍｕｌｏｓｕｓ）、ディディプリス・ディアンドラ（Ｄｉｄｉｐｌｉｓ  ｄｉａｎｄｒａ）、ジャワモス（Ｖｅｓｉｃｕｌａｒｉａ  ｄｕｂｙａｎａ）、ハイグロフィラ・アングスティフォリア（Ｈｙｇｒｏｐｈｉｌｉａ  ａｕｇｕｓｔｉｆｏｌｉａ）、ラージパールグラス（Ｍｉｃｒａｎｔｈｅｍｕｍ  ｕｍｂｒｏｓｕｍ）、エイクホルニア・アズレア（Ｅｉｃｈｈｏｒｎｉａ  ａｚｕｒｅａ）、アメリカ半夏生（Ｓａｕｒｕｒｕｓ  ｃｅｒｎｕｕｓ）、クリプトコリネ・リングア（Ｃｒｙｐｔｏｃｏｒｙｎｅ  ｌｉｎｇｕａ）、ヒドロトリケ・ホトニフローラ（Ｈｙｄｒｏｔｒｉｃｈｅ  ｈｏｔｔｏｎｉｉｆｌｏｒａ）、オランダプラント（Ｅｕｓｔｒａｌｉｓ  ｓｔｅｌｌａｔａ）、バリスネリア・ルブラ（Ｖａｌｌｉｓｎｅｒｉａ  ｒｕｂｒａ），ハイグロフィラ・サリチフォリア（Ｈｙｇｒｏｐｈｉｌａ  ｓａｌｉｃｉｆｏｌｉａ）、シペルス・ヘルフェリー（Ｃｙｐｅｒｕｓ  ｈｅｌｆｅｒｉ）、クリプトコリネ・ペッチー（Ｃｒｙｐｔｏｃｏｒｙｎｅ  ｐｅｔｃｈｉｉ）、バリスネリア・アメリカーナ（Ｖａｌｌｉｓｎｅｒｉａ  ａｍｅｒｉｃａｎａ）、バリスネリア・トルータ（Ｖａｌｌｉｓｎｅｒｉａ  ｔｏｒｔａ）、ヒドロトリケ・ホトニフローラ（Ｈｙｄｒｏｔｒｉｃｈｅ  ｈｏｔｔｏｎｉｉｆｌｏｒａ）、クラウスラ・ヘルムシー（Ｃｒａｓｓｕｌａ  ｈｅｌｍｓｉｉ）、キクモ（Ｌｉｍｎｏｐｈｉｌａ  ｓｅｓｓｉｌｉｆｌｏｒａ）、ヒロハノエビモ（Ｐｏｔａｍｏｇｅｔｏｎ  ｐｅｒｆｏｌｉａｔｕｓ）、ロタラ・ワリッキー（Ｒｏｔａｌａ  ｗａｌｌｉｃｈｉｉ）、クリプトコリネ・ベケッティ（Ｃｒｙｐｔｏｃｏｒｙｎｅ  ｂｅｃｋｅｔｉｉ）、ブリクサ・アウベルティ（Ｂｌｙｘａ  ａｕｂｅｒｔｉｉ）およびハイグロフィラ・ディフォルミス（Ｈｙｇｒｏｐｈ
ｉｌａ  ｄｉｆｆｏｒｍｍｉｓ）などの藻類、沈水生草本（ｓｕｂｍｅｒｓｅｄ  ａｑｕａｔｉｃ  ｈｅｒｂｓ）、以下に限定されないが、スピロデラ・ポリュリザ（Ｓｐｉｒｏｄｅｌａ  ｐｏｌｙｒｒｈｉｚａ）、ミジンコウキクサ（Ｗｏｌｆｆｉａ  ｇｌｏｂｏｓａ）、ヒンジモ（Ｌｅｍｎａ  ｔｒｉｓｕｌｃａ）、イボウキクサ（Ｌｅｍｎａ  ｇｉｂｂａ）、コウキクサ（Ｌｅｍｎａ  ｍｉｎｏｒ）、およびヒメウキクサ（Ｌａｎｄｏｌｔｉａ  ｐｕｎｃｔａｔａ）などのウキクサ、以下に限定されないが、ボタンウキクサ（Ｐｉｓｔｉａ  ｓｔｒａｔｉｏｔｅｓ）などのウォーターキャベツ、以下に限定されないがキンポウゲ属（Ｒａｎｕｎｃｕｌｕｓ）などのキンポウゲ（ｂｕｔｔｅｒｃｕｐｓ）、以下に限定されないが、トラパ・ナタンス（Ｔｒａｐａ  ｎａｔａｎｓ）およびトラパ・ビコルニス（Ｔｒａｐａ  ｂｉｃｏｒｎｉｓ）などのオニビシ（ｗａｔｅｒ  ｃａｌｔｒｏｐ）、ヨザキスイレン（Ｎｙｍｐｈａｅａ  ｌｏｔｕｓ）、スイレン科（Ｎｙｍｐｈａｅａｃｅａｅ）およびハス科（Ｎｅｌｕｍｂｏｎａｃｅａｅ）などのスイレン（ｗａｔｅｒ
ｌｉｌｙ）、以下に限定されないがホテイアオイ（Ｅｉｃｈｈｏｒｎｉａ  ｃｒａｓｓｉｐｅｓ）、ボルビティス・ヒュデロッティ（Ｂｏｌｂｉｔｉｓ  ｈｅｕｄｅｌｏｔｉｉ）およびカボンバ属（Ｃａｂｏｍｂａ）などのウォーターヒヤシンス、ならびに以下に限定されないがヘテランテラ・ゾスティフォリア（Ｈｅｔｅｒａｎｔｈｅｒａ  ｚｏｓｔｅｒｉｆｏｌｉａ）、ポシドニア科（Ｐｏｓｉｄｏｎｉａｃｅａｅ）、アマモ科（Ｚｏｓｔｅｒａｃｅａｅ）、トチカガミ科（Ｈｙｄｒｏｃｈａｒｉｔａｃｅａｅ）、シオニラ科（Ｃｙｍｏｄｏｃｅａｃｅａｅ）などの海草、ならびにこうした植物の雑種を含むことができる。さらに、様々な実施形態のうちの１つでは、宿主藻類は、緑藻類、紅藻類、褐藻類、珪藻類、海藻類、淡水性藻類、単細胞藻類、多細胞藻類、海草、低温耐性藻類、熱耐性藻類、エタノール耐性藻類、およびそれらの組合せからなる群から選択することができる。
【００３１】
より詳細には、水生植物１６は、種（例えば、天然種）、ヒルムシロ科（Ｐｏｔａｍｏｇｅｔｏｎａｃｅａｅ）、マツモ科（Ｃｅｒａｔｏｐｈｙｌｌａｃｅａｅ）、アリノトウグサ科（Ｈａｌｏｒａｇａｃｅａｅ）、およびミカン科（Ｒｕｐｐｉａｃｅａｅ）の１つから選択される科の交雑種または雑種である。リュウノヒゲモの種、ならびにその交雑種および雑種（例えば、リュウノヒゲモ×スツケニア・バギナタ、およびスツケニア・フィリフォルミス×リュウノヒゲモ）が特に適している。こうした水生植物は、好気的ＣＯ２生成に対する嫌気的ＣＯ２生成の比を増大させる大きなパスツール効果を有することがある。通常、この比は、１：３の程度であるが、リュウノヒゲモなどの水生植物はこの比が２：１まで向上することがある。
【００３２】
水生植物は、湖または池から集める、タンクでそれらを栽培する、またはセル１０で直接それらを栽培するなどの任意の従来的な方法で得て、セル中に入れることができる。セル中で使用される水の種類は、植物の種類に基づいて変わることになるが、淡水、塩水、および汽水が様々な実施形態にすべて適している。
【００３３】
図４は、セル１２の別の実施形態を例示したものであり、基材１４の深さの位置かまたは空間３４など基材より低い位置で、セル１０に流体連結された排水口３０をさらに含む。排水口３０は、図５にさらに記載した水回収アセンブリ３４に流体連結されている。水は、ポンプを使用して排水口３０から抜き出されるので、例えば、追加の水をセル１０の水線より上の開口部などの給水口から導入する（ポンプ注入）ことができるか、または水源２４に連結した給水口２２からポンプ注入することができる。
【００３４】
水回収アセンブリ３４は、水から異なる様々な成分または副産物を抽出するために使用することができる。一実施形態では、エタノールは、エタノール抽出アセンブリにより水から回収され、このアセンブリは、図５についてさらに詳細に示して説明されている。本明細書で説明される実験結果は、エタノールは植物により下階層１８および／または基材
１４に放出され得ることを示している。こうして、基材より高い位置にある水源を備えた、基材の位置またはそれより低い位置での排水口３０の配置により、水は、エタノール（または、他の副産物）が最も濃縮されている基材領域を通して抜き出すことができる。給水口２２が、基材１４の深さの位置またはそれより低い位置に配置され、かつ排水口３０が該基材の深さの位置またはそれより高い位置に配置されているよう、セル１２が構成されている場合も、類似した結果を得ることができる。
【００３５】
図５は、セル６０とエタノール除去アセンブリ６６との間に循環ループ６７を含むシステム５０を図示している。このシステムはさらに、ポンプ６３により循環ループ９０を通過する水を処理するための、通気器７８および／または酸素除去装置７６を有する任意選択の循環ループ９０を含む。システム５０は、単独または光バリアと組み合わせて光調節システム６２として働く、任意選択の人工光源８６を含む。特に、人工光源８６は、明期間は光合成誘発光を、および／または暗期間は、非光合成誘発光を供給することができる。
【００３６】
エタノール除去アセンブリ６６は、水からエタノールを抽出および回収することができる、様々なシステムおよびシステム構成要素を含んでもよい。例示した実施形態では、アセンブリ６６は、エタノールと水を分離する機能を有する、１つまたは複数の蒸留器８４を含む。蒸留器８４は、蒸気を精製するための１種または複数の分子ふるい７０もしくはエタノール蒸気を捕捉するためのコンデンサー（図示せず）、および／またはエタノールを貯蔵するための容器７４と流体連通している。所望により、浸透気化器（図示せず）および／またはガスストリッパーも使用することができる。例えば、ガスストリッパーは、システム中のエタノールの濃度が比較的低い場所に含めることができる一方、蒸留器８４は、システム中のエタノール濃度がより高い場所に含めることができる。アセンブリ６６は、セル中で実施される工程を中断することなく、エタノールを連続的に除去することを可能にする。エタノール除去アセンブリは、システムの任意の場所に、かつシステムにおいて水からエタノールを除去するのに適した任意の組合せで含めることができる。一部の実施形態では、エタノール除去アセンブリは、システムにおいて複数の場所に含まれる。
【００３７】
さらなる実施形態では、例示したシステムのいずれかのエタノール除去アセンブリは、１つまたは複数のエタノール吸収型回収システムを単独、または本明細書で開示されている他の構成要素のいずれかと組み合わせて使用することができる。一般的に言って、エタノール吸収型回収システムには、エタノールと水を分離するための膜または他の吸収技術、および他の外来材料が利用される。こうした膜の一例は、ベイパーマガスセパレーションソリューションズ（Ｖａｐｅｒｍａ  Ｇａｓ  Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ）社製の「シフテック（Ｓｉｆｔｅｋ）」膜である。
【００３８】
水は、１つまたは複数のポンプ６３により、閉ループシステム６７を通ってセルから抜き出され、該セルに再導入されて、セル６０とエタノール除去アセンブリとの間に流体連通をもたらすことができる。こうした閉ループシステムでは、排水口８０は、基材の位置またはそれより低い位置に配置することができ、また給水口９２は、基材の位置またはそれより高い位置に配置することができる。この構成により、かなり濃度が高いエタノールが存在し得る基材を通して水を抜き出すことができる。閉ループシステム６７は、水を大気に過度に曝露させることなく、上で説明したすべての添加剤を水に供給することができる、水へのアクセスポイントを含むことができる。
【００３９】
光合成光調節システム６２は、セルへの光合成誘発光を選択的に許容／阻害するために用いられる。方法１００に関して、いくつかの光調節手段が説明され、それらのいずれも光調節システム６２のすべてまたは一部を構成することができる。例えば、光調節システム６２は、セル６０全体の遮光カバーまたはバリアを含むことができる。代替的または追
加的に、光調節システム６２は、セル６０が収容されるか、または含まれる構造物を含む。光調節システム６２は、すべての光がシステムの植物に到達することを阻害することができるが、これは必ずしも必要ではないことを理解すべきである。むしろ、光調節システム６２は、システムの植物において光合成を誘発すると思われる波長または強度の光のみを阻害してもよい。例えば、光調節システム６２は、光合成を誘発しない波長のみを通過させるフィルタとすることができる。光合成を誘発する波長の例には、約３８０ｎｍ〜約７１０ｎｍの波長が含まれる。使用される植物に応じて、光合成を誘発する波長の範囲は、より広くなるか、またはより狭くなり得るが、公知の方法を用いて確認することができる。一実施形態において、密封バリア６５および光調節システム６２は、分離可能であってもよく、または分離可能でなくてもよい単一構造物を構成する。
【００４０】
光調節システム６２は、好気的代謝中などのある時点においては光合成誘発光を選択的に許容するか、または好気的代謝を誘発するが、嫌気的代謝中などの他の時点においては光合成誘発光を阻害するか、または嫌気的代謝を誘発するように、構成することができる。例えば、光調節システム６２は、取り外し可能とすることができる。別の例では、光調節システム６２は、装置の不透明度または色が電流の印加により制御することができるように、エレクトロクロミックとすることができる。一部の実施形態では、光調節システム６２は、光合成誘発光および／または光合成を誘発しない光を供給するための、人工光源８６を含むことができる。こうした人工光源８６は、所望の条件に適した強度またはスペクトルの光を放出するように構成することができる。例えば、人工光源８６は、嫌気的代謝期間中、または嫌気的代謝を誘発するための、システムの植物にとって強度の低い光または光合成誘発光の範囲外の波長を有する光を放出することができる。同様に、人工照明は、システムの植物の好気的代謝の間に、または好気的代謝を誘発するため、光合成を誘発するための強度または波長の光を放出することができる。
【００４１】
図面に例示して本明細書に記載したセルおよびシステムの様々な構成要素は、方法１００を実施するために様々な組合せで用いることができることは明らかであろう。さらに、水流の制御、微粒子の除去、水のパラメーター（例えばｐＨ）の監視および／または維持、エタノール濃度の監視、プラントパラメーターの監視および／または維持、植物の切断、損壊、または除去などのために、従来の構成要素を含むことができる。例えば、例示的なシステムは、弁８２、フィルタ８０、光センサおよび／またはメータ（例えば、光合成有効放射センサ）、ｐＨ計などの構成要素を含むことができる。
【００４２】
図６は、本発明の一実施形態によりエタノールを形成および回収するための方法１００を例示しており、水生植物（種子、塊茎、植物などの形態）はセルに導入される（ブロック１１０）。水生植物がセル中に定着すると、該植物における光合成は阻害され、これにより植物は水中にエタノールを放出する（ブロック１１２）。場合により、この過程は、セル中に光合成誘発光および／または酸素を再導入することによって、植物の光合成を促進し（ブロック１１４）、その後にここでもやはり光合成を阻害することによって繰り返されてもよい。水（または、水中に含有している副産物）は、所望に応じてセルから除去される（ブロック１１６）。
【００４３】
種子または塊茎として植栽した場合、水生植物にとって適した生育条件下では十分に成熟し、図６で例示されている処理工程に耐えて実行可能となるまでに、１４日間〜１２ヶ月間あたりかかることがある。リュウノヒゲモに関すると、実行可能となるまでに該植物には５ヶ月間〜８ヶ月間かかり得る。
【００４４】
光合成は、光合成を促進する光源から植物を遮蔽することにより阻害されてもよい。以下の例においてさらに実証される通り、この暗期はエタノールの放出を促進し、光合成による酸素の形成が妨げられる。光は任意の従来の方法により調節され、セル内に暗状態を
生じさせることができる。遮断されるべき「光」という用語は、光合成触媒として作用し、各植物によって用いられる化学的受容体の種類に依存する放射または光の波長の形態のみに当てはまると理解すべきである。したがって、本明細書で使用される「暗」という用語は、光合成を促進する周波数の光が実質的に不在であることを示すことが意図される。
【００４５】
水生植物に到達する光合成誘発光を調節する（例えば、選択的に遮断する／許容する）ための様々な手段を使用してもよい。こうした手段には、例えば、少なくとも嫌気的過程中に光バリアとして働くバリア、カバー、ドームまたは他の囲い構造物が含まれる。これらの前記のバリア、カバーなどは、水生植物を嫌気状態に維持することがもはや望ましくない場合には、取り外し可能とすることができる。一実施形態では、セルは、ヒトには可視であるが植物にとっては「暗」状態を促進する光によって照明される。他の適当な調節手段には、光合成誘発光を拡散する光フィルタが含まれる。嫌気状態が望ましくない場合、暗状態を維持するため、かつ／または選択的に光合成を許容するために、人工光源が用いられてもよい。一部の実施形態では、「明」状態から「暗」状態、および／またはその反対の段階的移行は、植物にショックを与える危険性を低減するのに望ましい。
【００４６】
場合により、暗期と組み合わせて、有機的、化学的または機械的手段の使用により、酸素を厳密に激減（すなわち、無酸素にする）させたセル中に水を導入することによって、セルの酸素含量を低減することができる。これはまた、セルに含有している水から酸素を除去することによっても行われてよい。「無酸素の」という用語は、恐らく非常に少量の酸素は水中に溶解しているので、酸素が必ずしも水中に完全に存在していないことを示すわけではないと理解すべきである。
【００４７】
代替的または追加的に、酸素レベルを激減させるために、酸素および糖を消費すると同時に二酸化炭素を産生するトウモロコシ、酵母、細菌（例えば遺伝子改変細菌および／または発酵を行うことができる細菌）または酵素などの酸素低減添加剤をセルに添加してもよい。酸素レベルの激減を推進するために、二次的な炭水化物源、例えばトウモロコシ、糖蜜、小麦、または他の糖源を、酸素低減添加剤による使用のため、水に添加してもよい。この二次的な炭水化物源は、システムからかなりの量の酸素を除去する十分に強力な反応を引き起こすために、酵母とともに添加することができる。酸素の低減の利点の１つは、酸素低減添加剤によるエタノールの追加的な産生となり得る。
【００４８】
上で述べた過程により、水生植物が炭水化物を代謝して、エタノールを産生することが引き起こされる。エタノールの産生は、化学触媒およびＣＯ２の導入によりさらに促進され得る。適切な化学触媒には、酢酸および２，４−ジクロロフェノキシ酢酸（一般に２，４ｄとして知られている）が含まれる。ＣＯ２は、電力施設および石油精製所などの廃棄物源から得てもよい。水生植物の生長を促進するために、追加的な栄養素、およびカリウム、窒素およびリンの塩などの塩がさらに添加されてもよい。さらに、使用されている水生植物の種に応じて、以下に限定されないが、スクロース、グルコースおよびアセテートなどのものを含む有機基質もセルに添加されてもよい。
【００４９】
光合成は、１日〜数日間植物中で阻害されることがある。リュウノヒゲモの場合には、光合成は１〜１４日間、より詳細には２〜１０日間、さらにより詳細には３〜７日間、阻害されることがある。所要時間は、光拡散、栄養素の利用度、セルのサイズ、植物のサイズ、植物品種、および植物の炭素含量などの多くの要因に依存することになる。時間の長さの決定は、光合成を再導入することにより植物をやはり回復させながら、主にエタノールの産生量を最大にするのに依存する。植物が、有益なパラメーターを超過して、そのエタノール産生を減少させた場合、該植物を無酸素状態に保持する必要はないことがある。さらに、水が極度に酸性または塩基性になるのを防止するために、セルのｐＨを監視しなければならない。これは、炭酸カルシウムおよび塩素酸カルシウムなどのカルシウム緩衝
化合物によって、または（塩基性水への）ＣＯ２の導入によって、あるいはＣＯ２を激減させてｐＨを向上（例えば、ストリッピングまたは光合成推進性激減）することにより中和することができるが、最終的にはセル内の特定の水生植物種の耐性に依存することになる。一部の実施形態では、細胞内のｐＨの低下（例えば、約０．２ｐＨ単位の低下）は、エタノール形成の引き金となり得る。ｐＨは、エタノール形成を誘発する直前に向上させて、ｐＨ低下が植物耐性および／または細胞内アシドーシスの限度を超えないようにすることができる。
【００５０】
さらなる実施形態では、嫌気的過程は、セルを１つまたは複数の密封バリアにより覆い、該セルを出入りするガス（例えば、空気、酸素、ＣＯ２、窒素など）の移動を調節することによって促進され得る。例えば、密封バリアは、セル内への酸素の不要な導入を予防することができる。特にＣＯ２がセルに添加されている場合、この密封バリア（または追加的な密封バリア）は、ＣＯ２をセル内に保持するために用いることもできる。さらに、水中にある、またはシールとセルとの間に捕捉されているＯ２をさらに希釈するために、高いＮ２レベルが、同様に維持されていてもよい。密封バリアは、セルを密封して、該セルと隣接する大気との間の流体連通を防止すると思われる。これにより、酸素がセルに入ることが阻害されることになり、嫌気的過程が促進されることになる。一部の実施形態では、この密封バリアは、水面上の湿度レベルの維持も促進して、浸かっている葉から乾燥を予防することもできる。さらに、葉は乾燥を予防するために、水を散布するか噴霧してもよい。密封バリアは、水生植物に光を供給するために、自然および／または人工のいずれかで使用される光源からの放射熱の捕捉を促進する半透明バリアであってもよい。この密封バリアは、上記で説明した通り、嫌気的過程中に光がセルに入るのを防止するために、該セル上に位置する遮光バリアを構成してもよいし、またはやはり構成しなくてもよい。密封バリアおよび遮光バリアは、従来の材料から作製することができる。しかし、セル周囲に構成される居住施設、タンク、ドームまたは他の構造物もまた、それらがこうした能力において用いられる場合、密封バリアおよび遮光バリアを画定することができることを理解すべきである。
【００５１】
一実施形態では、上記の過程は、植物における光合成の再開により先行されるか、後続されるか、または交互に行われる。水生植物は、光合成を誘発し、セル内において含酸素状態（ｏｘｙｇｅｎａｔｅｄ  ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）を許容することによる嫌気的過程を停止するために光に曝露され、これにより、好気的過程が開始および／または促進される。この明期は、本明細書で説明する光調節手段およびシステムを操作することによって行うことができる。例えば、天然または人工の光合成誘発光が水生植物に到達できるように、光バリア、カバー、またはフィルタなどが除去されてもよい。代替的または追加的に、光バリアは所定の位置に依然として維持してもよく、また人工光源は光合成誘発光が水生植物に到達できるように調節される。
【００５２】
明期中、好気的過程は、セル中に含酸素状態を生じさせることによってさらに開始することができ、これにより、水生植物による炭水化物の産生および貯蔵が促進される。この含酸素状態は、様々な手法によって生じさせることができ、この手法は独立して用いられてもよく、または組み合わせて用いられてもよい。一実施形態では、セルに含酸素水を添加するか、またはセルに含有している水に酸素を直接導入する。別の実施形態では、ガスバリアを除去して、水の酸素濃度が自然に増大するのを可能にする。したがって、この含酸素状態は、該セルに含酸素水を導入すること、無酸素水を除去すること、ならびに／または植物の酸素放出および含酸素雰囲気への曝露により水へ自然に酸素を送り込ませることによって行うことができる。
【００５３】
好気的過程中に、栄養素をセルに加えて、水生植物に栄養素を供給してもよい。さらに、水生植物の生長を促進する温度調節となるように、日光／人工光の最大ろ過が促進され
る。光はそれ自体、人工光を足すことによって強度を高めることができる。
【００５４】
一般に、明期は、水生植物が炭水化物を再形成することができるよう、１／２日〜１５日間、より一般的には少なくとも３〜１０日間、継続されるが、この時間枠は植物に特異的な要件に対して調節され得る。この期間、水生植物は、代謝過程により炭水化物をつくり、維持する。好気的過程の継続時間は、いくつかの要因に依存するが、通常、炭水化物の産生が遅くなり始めるか、または所定レベルに達したときに終了することになる。ポタモゲトン・ペクチナトゥス（リュウノヒゲモ）では、セル内の環境状態に応じて、２日間〜１４日間、より詳細には３〜１０日間とすることができる。本明細書で使用する場合、用語「日」とは、２４時間の期間を意味する。
【００５５】
明状態および暗状態の操作により、水生植物がエタノールおよび糖を産生する方法が特に、影響を受け得ることが分かった。例えば、一部の水生植物は、明期と定める連続する数日間にわたり光にさらされ、その後、暗期と定める連続する数日間にわたり光が制限されて、エタノール産生過程が促進される。一実施形態では、暗期は、嫌気状態の開始と同時に、または開始直前もしくは直後に、好ましくは互いに１〜３日間以内に生じるように設定される。
【００５６】
明期が終了すると、有酸素期（ｏｘｙｇｅｎａｔｅｄ  ｐｈａｓｅ）と無酸素期との間に、酸素量が激減していく移行期が存在してもよい。移行期の間に、酸素の減少を刺激し、エタノールの産生を可能にする酵母をセルに加えると有益なことがある。酵母により形成されるエタノールは、植物による嫌気的活性のための触媒として作用することができ、またさらなるエタノール産生量をもたらす。酵母とともに加えられた糖または他の炭水化物が、嫌気的活性をさらに増強することがある。
【００５７】
一般に、明期に対する暗期の比は、１：２以下から１：１０程度であり、より一般的な比は１：２〜１：７である。明期と暗期の両方の間に、水にＣＯ２を添加して、糖およびエタノールの両方の形成を促進することができることを理解すべきである。最終的に、ある種の植物は４時間未満の暗期の後にエタノールを産生することがあるので、上記の明期および暗期を制御する能力および本明細書に記載した比が、すべての水生植物に適用可能なわけではない。これらの種類の水生植物については、暗期に対する明期の比が、２：１より大きくてもよいが、こうした水生植物は、エタノール産生に関すると、リュウノヒゲモなどの植物により経験を受けるものとは異なる制限を有することがある。
【００５８】
最多の炭水化物形成、または所定レベルの炭水化物形成に一旦近づくと、暗期を再び開始して、炭水化物代謝およびエタノール形成の過程が始まる。光合成状態を阻害する工程および再導入する工程を繰り返して、エタノール産生とその後の炭水化物産生を連続的に促進することができる。一部の実施形態では、「明」および「暗」期間は、日中および夜間の状態を疑似するパターンで設定するかまたは調節してもよい。その前のエタノールに転化するための「明」期間中に貯蔵された炭水化物の利用度を最大化するための「暗」期間の開始時に、エタノール産生が開始されるのが望ましい可能性がある。
【００５９】
植物生長により、植物老化に失われる植物体とエタノール産生の確立された耐性をもはや満たさない植物の両方が補充されるので、この過程は自立持続型サイクルを作り出す。補充目的、または別のセル用の植物性材料の供給目的に使用することができないさらなる植物生長物は、従来の方法を用いて取り除かれて発酵され、やはりエタノールを産生することができる。発酵過程中に放出される二酸化炭素は捕捉されて、炭水化物産生を促進するためにセルに戻してもよい。植物廃棄物は、発酵過程の前または後の両方において、セルへの栄養素の補充のための供給材料としてさらに用いられてもよく、かつ／または、エタノールおよびディーゼル生物燃料、医薬品、化粧品、着色剤、塗料などの生化学工業的
用途のために加工されてもよい。
【００６０】
方法１００が実施されている間に、細菌および藻類ブルームが生じることがあり、これらは、抗生物質、重硫酸塩、ホップ、殺藻剤、塩素処理、紫外線曝露および他の一般的作業によって制御することができる。追加的に、炭水化物濃度を低下させて、細菌増殖を阻害する目的で、セルにエタノール産生酵母を添加することができる。代替的に、または酵母と組み合わせて、酵素または細菌を使用して炭水化物濃度を低下させることもできる。酵母の添加の利点の可能性は、エタノール産生量の増加である。特に無酸素状態が確立されて約３日間を超えて維持された後には、酵母の補充を必要とすることがあるが、これは使用される酵母の菌株に依存する。二次的な炭水化物源もシステムに添加して、酵母をより強力に反応させてもよい。
【００６１】
前記の過程は、以下を含むことがより広範に定義され得る。１）水に酸素が注入される、かつ／または炭水化物が形成されるように植物が光に曝露される、回復期（ｒｅｃｈａｒｇｅ  ｐｈａｓｅ）、２）セルが光合成誘発光を奪われており、かつ／または酵母を添加してエタノールを形成して酸素を激減させることができる移行期、および３）植物がエタノールを放出する発酵期。任意選択の第４期は、光合成が再導入される、第２の移行期として定義することができる。上記の期は各々、植物生長およびエタノール産生量を最大にするために、本明細書において教示される通り変更されてもよい。１つの方法では、回復期は０．５〜１２日間にわたって生じ、０．５〜６日間の移行期が続いてもよく、次に少なくとも６日間の無酸素期が後続し、この無酸素期は利用される植物の種類に応じて２１日以上に増えてもよい。別の方法では、回復期は３〜１０日間にわたって生じ、２〜６日間の移行期が続いてもよく、次に少なくとも２日間の暗期が後続し、この暗期は利用される植物の種類に応じて２１日以上に増えてもよい。回復期の後、かつ無酸素期の前に水のレベルを低下させて、水量を少なくし、さらに無酸素期の間のエタノールを高めるのが利点となり得る。
【００６２】
明期または暗期中の任意の時に、エタノールなどの副産物を抽出するために、水をセルから除去することができる。図４および図５に例示されているセルを使用して実行することができる一実施形態では、水は、エタノール除去アセンブリに連結されている排水口へ基材を通して水を流すことにより除去される。例においてさらに示される通り、かなりの量のエタノールが、基材内および／または水の下階層領域内に含有される。基材を通して排水口へと水を抜き出すことにより、エタノール抽出効率の改善を実現することができる。一実施形態では、排水口は、基材の位置またはそれより低い位置にあり、また水は基材を通って排水口に抜き出される。水は、セルの最上部に水を加えることによるものを含め、給水口によってシステムに導入することができる。
【００６３】
実施例中でさらに示されている通り、エタノールはある条件下で酢酸に転化することができる。したがって、酢酸転化が始まりエタノール濃度が総合的に低下する前に、暗期中にエタノールを抽出することが有益であり得る。追加的または代替的に、セル条件を操作して、水中の酢酸菌の存在を制限することができる。
【００６４】
実施例
実施例１
付着した塊茎を有する２本のリュウノヒゲモ植物をストック栽培用タンクから取り出して、煮沸済み蒸留水３５ｍｌを含む試験管に個々に入れた。無酸素状態を示すよう、この水にはレサズリン指示薬を含ませた。これらの無酸素試料を箔ラップ内に配置して、光合成誘発光が植物に到達するのを防止することにより暗状態を生じさせ、これにより植物細胞内の水が再度有酸素化するのを可能にした。次に、細胞外試料の水が再度有酸素化するのを防止するため、陽圧窒素雰囲気を有するチャンバ内に該試料を配置した。次に、これ
らの試料をこのチャンバ内において約２４℃で３日間インキュベートした。４日目の朝に、各試料から２ｍｌの水試料を抜き取り、エタノールの存在を検出するために、サウスダコタ州立大学（Ｓｏｕｔｈ  Ｄａｋｏｔａ  Ｓｔａｔｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）において高速液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）により分析した。各試料中のＨＰＬＣピークは、エタノールが存在することを示した。
【００６５】
実施例２
リュウノヒゲモ植物試料をサウスダコタ湖（Ｓｏｕｔｈ  Ｄａｋｏｔａ  ｌａｋｅｓ）から収集した湖の物質から採取し、煮沸済み蒸留水を含むバイアル内に入れ、植物を覆うためだけにもたらされる無酸素状態を実現させた。８つの試料Ｄ５〜８、Ｄ１１およびＤ１４〜１６を、該試料に暗状態を実現するために、インキュベーター内の密封されたステンレス鋼ポット内に入れた。残りの試料Ｄ１〜４、Ｄ９〜１０およびＤ１２〜Ｄ１３を、エアロックを備えた透明プラスチッククォート容器内に入れた。細菌によるエタノールの酢酸への転化を防止するために、試料Ｄ９〜Ｄ１６に抗生物質を添加した。これらの試料を、約２１℃のインキュベーターに入れて、７日間インキュベートした。エタノールおよび酢酸の濃度を測定するために、各試料から水を抜き出し、サウスダコタ州立大学で高速液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）によって分析した。
【００６６】
暗状態において抗生物質なしでインキュベートした４つの試料Ｄ５、Ｄ６、Ｄ７およびＤ８は、それぞれ、１０．８２５ｇ／Ｌ、６．８１７ｇ／Ｌ、７．７３３ｇ／Ｌおよび１０．５９５ｇ／Ｌの濃度でエタノールを含有していた。暗状態において抗生物質とともにインキュベートした試料Ｄ１１およびＤ１４は、それぞれ、６．５７３ｇ／Ｌおよび４．２３７ｇ／Ｌのエタノール濃度を有した。さらに、試料Ｄ１１は酢酸を含有していない一方、試料Ｄ１４は２．１９２ｇ／Ｌの濃度で酢酸を含有しており、試料１４における抗生物質の量が細菌によるエタノールの酢酸への転化を防止するのに不十分であったことを示唆している。透明容器内でインキュベートした試料は検出可能なエタノールを含有しておらず、光合成により植物試料によるエタノール産生が妨害されたことを示唆している。結果をテーブル１に示す。
【００６７】
【表１】
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実施例３
長さ約１８４ｃｍ、幅約４６ｃｍ、および深さ約５８ｃｍを有するセルを、基材および水で満たした。基材は深さ約８ｃｍであり、水は深さ約４３ｃｍとした。基材には、下層に約４ｃｍの黒色土、上層に市販の農業用石灰（プロチョイスワン（Ｐｒｏｃｈｏｉｃｅ
Ｏｎｅ）社からのプレミアムインフィールド（Ｐｒｅｍｉｕｍ  Ｉｎｆｉｅｌｄ））が含まれた。タンク上部、タンク中間部、および基材層の下部に、試料用ポートが含まれた。
【００６８】
セルにおよそ７０本のリュウノヒゲモ植物を植え、２ヶ月間生長させた。この間、水を循環しなかった。植物が生長して定着すると、食卓用スプーン３杯の糖を、セル由来の少量の水と該糖とを混合して、次にさらに混合することなく、セル中にその量の水を加えて戻すことにより、セルの最上部から加えた。蒸発が促進されないよう透明プラスチック製カバーを水面上に置き、セルを遮光用プラスチックにより覆い、タンクの最上部を密封した。このタンクは、６日連続してこのように維持した。次に、空気を３時間セル中に通気し、その後、明状態を段階的に再導入するために、遮光用プラスチックの一部を除いた。経時的に、残りの遮光用プラスチックを除いた。
【００６９】
光合成を阻害させた６日間中、毎日、上部ポート、中間部ポート、および下部ポートから水試料を抜き取った。エタノールおよび酢酸について、試料を試験した。結果を１リットルあたりのグラムで以下のテーブル１に示す。
【００７０】
【表２】
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テーブル１の結果は、基材のレベルにある下部試料ポートから採取した試料において、最も高いエタノール濃度が観測されたことを示している。これは、暗期中の最初の数日間に、植物の根／塊茎の領域からエタノールが放出されていることを示唆している。同様に、暗期の後半部の間に下部ポートから採取した試料において、最も高い酢酸濃度が主に観
測された。これは、水中のエタノールが、恐らく基材中に存在している酢酸菌によって、酢酸に転化されたことを示している。
【００７１】
暗期前のセルへの糖添加は、測定エタノール濃度には実質的に寄与しないように思われる。第１に、糖はさらに混合することなくタンクの最上部に加えられるが、下部ポートから採取した試料中にエタノールが主に観測されており、エタノールが別の供給源に由来していることが示される。さらに、測定されたエタノール／酢酸濃度は、１００パーセント転化率と仮定した場合でさえも、添加糖から得ることができる理論収率よりも高かった。
【００７２】
明状態を再導入した７日後に、１１本の植物茎が生存し、新しい葉の生長が示された。茎が生存しなかった植物の中のいくつかは、該植物の基部付近に新しい葉の生長が示された。
【００７３】
上記の記載に関して、本開示によって可能となる実施形態の各部分に対する、サイズ、材料、形状、形態、機能、ならびに操作、アセンブリ、および使用の方法における変形物を含めた、最適の寸法関係は、当業者に容易に明らか、かつ明白であると考えられ、また図面に例示されているもの、本明細書中に記載されているものと均等な関係にあるものはすべて、本開示の実施形態によって包含されることが意図される。
【００７４】
したがって、前記のものは、本開示の原理の実例に過ぎないものとみなされる。さらに、多数の修正および変更が当業者によって容易に着想されるので、本開示を、図示および記載した厳密な構成および操作に限定することは望ましいものではなく、したがって、すべての適当な修正および均等物が使用されて、本開示の範囲内に含まれ得る。
【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６】
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【図５】
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【国際調査報告】
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