(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマスを液体燃料およびシアノバクテリアをベースとする生物肥料に転換させる方法であって：
ａ．バイオマス原料を、炭化水素液体を製造するための条件および十分な時間にわたり前記原料を水素化処理することにより直接的に液化する工程；
ｂ．液体燃料および／または化学原料を製造するために工程ａにより製造された炭化水素液体および副生成物のアンモニアをアップグレードする工程；
ｃ．工程ａで製造されたバイオマス残留物のマイクロ波熱分解により、２０〜４００Åの範囲にある平均孔径を有する構造化バイオ炭および副生成物のＣＯ２を製造する工程；
ｄ．前記直接液化およびバイオ炭製造工程の一方または両方により製造された副生成物のＣＯ２を使用することにより光バイオリアクター（ＰＢＲ）内でシアノバクテリアを製造する工程；および
ｅ．工程ｃおよびｄにおいて製造されたバイオ炭およびシアノバクテリアを組み込んでいる生物肥料を製造する工程を含む方法。
【請求項２】
前記生物肥料中に包含するためにジアゾトロフ微生物を前記シアノバクテリアに加える工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
バイオ炭中に無機物を吸収する工程によって前記直接液化の前に前記バイオマス原料からまたは前記炭化水素液体から無機物を除去する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記生物肥料中に組み込まれた構造化バイオ炭が前記吸収された無機物を含有する、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
所定の作物のための土壌の全炭素および活性窒素含有量を、シアノバクテリア、ジアゾトロフ微生物およびマイクロ波熱分解により製造された２０〜４００Åの範囲にある平均孔径を有する構造化バイオ炭の組み合わせを含有する生物肥料でそのような土壌を処理する工程により最適化するための方法であって、前記生物肥料中のシアノバクテリア対ジアゾトロフ微生物の比率は、前記土壌中の所望の全化学的に活性な炭素および窒素含有量を達成できるように選択される方法。
【請求項６】
シアノバクテリア、ジアゾトロフ微生物およびマイクロ波熱分解により製造された２０〜４００Åの範囲にある平均孔径を有する構造化バイオ炭を含む組成物を有する生物肥料。
【請求項７】
自由生活窒素固定ヘテロトロピック細菌、放線菌、光合成細菌、菌根菌もしくは地衣類菌およびそれらの組み合わせからなる群から選択される１種以上の追加の微生物をさらに含む、請求項６に記載の生物肥料。
【請求項８】
前記窒素固定ヘテロトロピック細菌は、アゾトバクター属（Ａｚｏｔｏｂａｃｔｅｒ）、フランキア属（Ｆｒａｎｋｉａ）もしくはアルトロバクター属（Ａｒｔｈｒｏｂａｃｔｅｒ）からなるアゾバクテリアキア科（Ａｚｏｂａｃｔｅｒｉａｃｅａｅ）もしくはフランキア科（Ｆｒａｎｋｉａｃｅａｅ）から選択される、請求項７に記載の生物肥料。
【請求項９】
前記光合成細菌は、ロドスピルム属（Ｒｈｏｄｏｓｐｉｒｉｌｌｉｕｍ）、ロドシュードモナス属（Ｒｈｏｄｏｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ）およびロドバクター属（Ｒｈｏｄｏｂａｃｔｅｒ）を含むロドスピルム科（Ｒｈｏｄｏｓｐｉｒｉｌｌａｌｅｓ）から選択される、請求項７に記載の生物肥料。
【請求項１０】
前記菌根菌はグロムス属（Ｇｌｏｍａｌｅｓ）に属し、前記地衣類菌はコレマ属（Ｃｏｌｌｅｍａ）、ペルティゲラ属（Ｐｅｌｔｉｇｅｒａ）、Ｐｓｏｒａ属、Ｈｅｐｐｉａ属およびＦｕｌｇｅｎｓｉａ属のうちの１つ以上を含む属に属する、請求項７に記載の生物肥料。
【請求項１１】
前記生物肥料は、スプレー乾燥、ｒｅｆｒａｃｔａｎｃｅ−ｗｉｎｄｏｗ乾燥法、天日乾燥法、風乾法または凍結乾燥法からなる群から選択される技術によって休眠状態に置かれている、請求項６に記載の生物肥料。
【請求項１２】
乾燥後生存性を増加させるためのソルビトール、マンニトール、スクロース、ソルビタンモノステアレート、ジメチルスルホキシド、メタノール、βカロテンおよびβ−メルカプトエタノールからなる群から選択される１つ以上の乾燥防止剤添加物を含む工程をさらに含む、請求項６に記載の生物肥料。
【請求項１３】
繊維状、セルロース系マルチ材料、ポリマー粘着付与剤、クレイ、ジオテキスタイルおよびそれらの組み合わせを含む群から選択される添加物を含む、請求項６に記載の生物肥料。
【請求項１４】
根圏細菌属（ｒｈｉｚｏｂａｃｔｅｒｉａ）をさらに含む、請求項６に記載の生物肥料。
【請求項１５】
前記バイオ炭中に吸収された栄養素をさらに含む、請求項６に記載の生物肥料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＯ２を使用して藻類を製造する工程および藍藻類＋ジアゾトロフ微生物を他の液化副生成物とともに使用して特殊調製された生物肥料を製造する工程によりＣＯ２および無機物排出量が実質的に減少もしくは排除される統合バイオマス液化方法に関する。本発明は、先行技術を用いて可能であるより効果的な生物肥料調製物ならびに土壌の化学的に活性な炭素および窒素含有量を同時に制御可能に増加させる方法にさらに関する。
【背景技術】
【０００２】
石油コストの増大および将来の不足に関する懸念は、有用な燃料および化学製品を製造するためのバイオマスなどの他の炭素質エネルギー源への関心の高まりをもたらした。バイオマスは、エネルギー自給を保証し、同時に関連する方法の全体的ＧＨＧフットプリントを減少させる目的で国内資源を使用するための包括的なエネルギー戦略の重要な構成成分である。そのような材料を、ガソリン、ディーゼル燃料、航空燃料および暖房用オイルを含む液体および気体燃料製品に、ならびに一部の場合には例えば潤滑油、化学薬品および合成肥料などの他の製品に転換させるために様々な方法が提案されてきた。
【０００３】
これらの経路の広範囲にわたる使用を阻んできた多数の問題には、従来型技術の相当に低い熱効率ならびに有益な効果を得るために例えばＣＯ２、炭および廃棄無機物などの様々な工程副生成物を使用できないことが含まれる。およそ１：１から約２：１までの水素対炭素（Ｈ／Ｃ）比を有するバイオマスの全部もしくは選択された部分から炭化水素生成物、例えば２：１よりいくらか高いＨ／Ｃ比を有する燃料などへの転換は、バイオマス中の炭素の半分までがＣＯ２へ転換されて大気中へ排気され、そこで空費されることを生じさせる。さらに、今までは特にバイオマスから有用な製品への転換における廃棄物としてＣＯ２の形態にある大量の温室ガス（ＧＨＧ）が大気中へ放出されるという事実が、バイオマス液化燃料（ＢＴＬ）方法が多くは環境上の観点から疑問視されるという問題を引き起こしてきた。
【０００４】
そこで二酸化炭素を捕獲してそれを地下層へ再投入することにより隔離することによってＧＨＧ問題を少なくとも部分的に克服することが提案されてきた。そのような計画は、費用が高額になる、工程エネルギー効率をさらに低下させる、転換施設の近傍のどこかで適切な地下層が利用可能であることを必要とする、後に大気中への二酸化炭素漏出が起こることへの懸念、および二酸化炭素に含まれる炭素含有量のエネルギー潜在力の空費などの短所がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
直接熱分解法はバイオマスなどの炭質材料を液化するために開発されてきたが、これらの方法は価値が限定されるか価値のない炭や無機物などの望ましくない副生成物もまた生成する。さらに、これらの提案された計画はいずれも、経済的および環境的に魅力的にするために必要とされるであろう熱効率、低コストおよび実質的に減少したＧＨＧ排出の組み合わせを達成しない。そこで依然として、ＣＯ２、炭素および無機副生成物の効率的な使用と結合された、二酸化炭素排出の減少を生じさせる経済的なバイオマス液化燃料転換方法に対する重要なニーズがある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の１つの態様によると、例えば高級燃料および化学原料ならびに新規な統合方法の炭素フットプリントを実質的に減少させる、または排除さえする自己再生生物肥料などの両方の液体を製造するため高度に効率的な統合バイオマス液化燃料（ＩＢＴＬ）方法スキームが開発されている。統合工程は、４つの主要な工程：
１−  水素化処理によりバイオマス原料の全部もしくは一部を直接的に液化する工程；
２−  液化工程からのバイオマス残留物および任意選択的にバイオマス原料の一部分を熱分解することにより構造化バイオ炭および水素を製造する工程；
３−  燃料および／または化学原料を製造するために液体をアップグレードする工程；および
４−  藻類をベースとする生物肥料を製造するために工程生成ＣＯ２を使用する工程を含んでいる。
【０００７】
本発明の重要な態様によると、熱分解中に製造された構造化バイオ炭は、藻類の製造を促進するための核形成剤として、例えばリン、カリウムおよび他の金属などの無機物を液化の前にバイオマス原料から、または液化の液体生成物から抽出するための吸収剤として、および／または本発明の生物肥料の担体成分として使用される。本発明のまた別の態様によると、熱分解条件は、藻類核形成剤、吸収剤、または製造される生物肥料中の保水剤のいずれかとしての有用性を実質的に最適化する制御された孔径を有するバイオ炭を製造するために制御される。吸収剤として使用されてきたバイオ炭の生物肥料中への組み込みは、例えばリンおよびカリウムなどの有益な無機成分を生物肥料へ加える大きな有益性を有する。他の起源からの追加の有益な成分は、さらに生物肥料の一部として使用されるバイオ炭内に吸収され得る。吸収剤としてのバイオ炭の使用は、水もしくは他の有益な成分が土壌中に大まかに制御された速度で放出され、それにより「徐放性」機能を提供するようにバイオ炭の孔径を制御できるというまた別の長所を有する。
【０００８】
バイオマス原料は、種子作物、食用作物製造の副生成物、農業、食品製造、食用油、地方自治体業務からの廃棄物、または他の従来型起源および／または藻類から入手されてよい。水素化処理および／またはアップグレードする工程のために必要とされる水素の全部もしくは一部には、熱分解中に製造される、または別の起源からの水素によって供給することができる。
【０００９】
工程生成ＣＯ２から藻類および特別には藍藻類（シアノバクテリア）への転換は、好ましくは密閉型光バイオリアクター（ＰＢＲ）内で実施されるが、開放型ＰＢＲもまた使用できる。製造された藻類の一部は、バイオマスの一部として使用されてよい。好ましくは、藻類の全部もしくは大部分が本発明の生物肥料を製造するために使用される。
【００１０】
好ましくは、本発明の生物肥料には、さらにまた、例えば好ましくは藻類製造ＰＢＲから別個に製造されるリゾビウム属（Ｒｈｉｚｏｂｉｕｍ）、アゾトバクター属（Ａｚｏｔｏｂａｃｔｅｒ）およびアゾスピリリウム属（Ａｚｏｓｐｉｒｉｌｌｕｍ）などの窒素固定および／またはリン酸塩可溶化ジアゾトロフ生物が含まれる。生物肥料中のそのようなジアゾトロフ生物の濃度および組成は、生物肥料を施肥すべき土壌の組成および特定用途のための所望量の窒素固定を提供するためにその中で成長させるべき特定作物に基づいて選択されてよい。
【００１１】
藻類をベースとする生物肥料、特に藍藻類（シアノバクテリア）の土壌への植菌後には、藻類およびジアゾトロフ微生物は、日光、大気からの窒素およびＣＯ２を使用して自然再生により土壌中で土壌に最初に適用された濃度よりはるかに高い濃度で再増殖し、それにより生活環をベースとする全ＩＢＴＬ工程のＣＯ２フットプリントを実質的に減少させる、または排除さえする、さらに植物成長のための土壌の生産力を実質的に増加させる。
【００１２】
本発明の生物肥料は、それに生物肥料を適用すべき土壌もしくは土壌のタイプ内に、好ましくは既に存在する、または既に存在する細菌に類似するシアノバクテリアを含む一連の微生物から培養された土壌接種菌を含んでいる。生物肥料土壌施肥量は、土壌のタイプおよび土壌含水量に依存して１ｇ／１ｍ２〜２５ｇ／１ｍ２超の範囲に及ぶことができる。これは土壌（陸生）炭素隔離への高度のレバレッジ効果を提供し、土壌の生産力を大きく増加させる。ＢＴＬ工程で製造される１トンのＣＯ２から開始して、本発明の生物肥料の使用は、生活環ベースでは、大気から数十トンのＣＯ２が追加して除去されて処理土壌中への隔離を生じさせることができる。
【００１３】
本発明のさらにまた別の態様によると、例えば藻類を製造するための光合成を駆動する十分な利用可能な周囲日光が存在しない曇った日や夜間などの期間中には、本発明のＩＢＴＬ工程によって製造されるＣＯ２は日光を利用できるようになるまで、例えばＣＯ２を液化するため、または藍藻類を製造するために使用されるＰＢＲの一部であってよい、または隣接する空気袋内に減圧下で貯蔵することによって貯蔵されてよい。または、藻類の生産力を維持するために非日照時間中にＰＢＲの内容物を照明することもまた可能である。
【００１４】
その全効率および経済的魅力に実質的に寄与する本発明のＩＢＴＬ工程およびシステムにおける重要で有益な相乗作用には、熱分解および液化中に製造されるＣＯ２流は高度に濃縮されていて藻類を製造するための理想的な原料である、およびアップグレードする工程において本質的に製造されるＮＨ３は藻類製造工程における重要な栄養素であるという事実が含まれる。微粒状モリブデン触媒が液化工程において使用される場合、モリブデン触媒はインサイチューでリンモリブデン酸（ＰＭＡ）前駆体から調製することができる。有益にも、リンはＰＭＡ触媒前駆体から単離し、藻類製造工程における栄養素として使用できる。さらに藻類の製造において生成される酸素もまた熱分解システムに供給することができる。
【００１５】
有益にも多数の、それ以外では実質的に価値のない反応副生成物、例えば炭および無機物を組み入れている藻類をベースとする生物肥料を製造するための工程生成ＣＯ２の使用を最大化することにおける本発明の統合バイオマス液化方法の利点に加えて、そのような調製された生物肥料の自己複製の性質は、本発明の方法の全炭素隔離能力を高度に拡大する極めて大量の追加量の大気中ＣＯ２を陸生で隔離する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明による藻類からの生物肥料の製造を行う、統合バイオマス液化システムの１つの実施形態の略フローチャートを示す図である。
【図２】本発明の例示した実施形態において使用するために適切なバイオマス転換システムの略図を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
ここで図面の図１を参照すると、本発明の統合バイオマス液化（ＩＢＴＬ）方法およびシステムであって、バイオマスが液化システム１０１内で液体に転換され、液化工程からのバイオマス残留物および／または他の炭素含有工程廃棄物ならびに任意選択的に追加のバイオマスが熱分解システム１０３内で熱分解されて構造化バイオ炭、水素、バイオ油および任意選択的に間接的液化方法、例えばフィッシャー−トロプシュ（Ｆｉｓｃｈｅｒ  Ｔｒｏｐｓｃｈ）合成もしくはメタノール合成（図示していない）のための合成ガスが製造される好ましい実施形態が例示されている。バイオマス原料は、種子作物、食用作物製造における副生成物、農業、食品製造、食用油、地方自治体業務からの廃棄物または他の従来型起源および／または藻類から入手されてよい。共供給される水もしくは酸素を用いて運転される場合の熱分解システム１０３、または統合ＩＢＴＬ方法の水素製造システムは、さらに、好ましくは光合成を通して藻類、および特にシアノバクテリア（藍藻類）を製造するための１つ以上の密閉型光バイオリアクター（ＰＢＲ）を含む藻類製造システム１０５に供給される大量の濃縮された純粋ＣＯ２も生成する。
【００１８】
液化システム１０１へのバイオマス原料は、（ａ）好ましくは大部分のＨ２Ｏが取り除かれている生バイオマス、（ｂ）生バイオマスから抽出されている、トリグリセリド抽出後に熱分解システム１０３へ供給されるバイオマス残留物を含むトリグリセリド、または（ｃ）トリグリセリドをトランスエステル化する工程によって製造されている脂肪酸メチルエステルのいずれかであってよい。原料の特異性は、液化工程において所望の炭化水素製造を達成するために必要とされる水素の全化学量論量を決定することになる。
【００１９】
最初に脂質を抽出し、次にその脂質を脂肪酸メチルエステルに転換させることによる液化の前にバイオマス原料の望ましくない成分を除去する工程は、液化方法中のより少ないＨ２の使用および生成物選択性のより良好な制御を達成する能力を可能にする長所を有する。好ましくは、バイオマス原料中の無機物、例えばカリウム、リンおよび他の金属もまた液化の前に原料から、または例えば熱分解システム１０３によって製造されるようなバイオ炭床による吸収によって液体生成物からのいずれかで除去される。
【００２０】
製造された藍藻類は、本発明の生物肥料組成物の主要成分である。好ましくは、窒素固定ジアゾトロフ生物もまた生物肥料組成物の構成成分である。製造された藻類の一部分は、液化システム１０１および／または熱分解システム１０３への追加の原料として任意選択的に使用されてもよい。
【００２１】
熱分解システム１０３内で製造された構造化バイオ炭は、ＰＢＲシステム１０５内で藻類を製造するための核形成部位を提供するために、リン、カリウムおよび他の金属をバイオマス原料または液化システム１０１内で製造された液体を除去するための吸収剤として、および吸収された無機物およびバイオ炭中の他の吸収された物質が生物肥料に有益な特性を付与するための栄養素として作用する本発明の生物肥料の成分として使用される。構造化バイオ炭とは、例えばバイオ炭内で生成された細孔構造が大まかに制御された細孔の径および長さを有するようにそのマクロおよびミクロ細孔構造の実質的な程度の制御を可能にするマイクロ波熱分解のような方法によって製造されているバイオ炭を意味する。
【００２２】
液化システム１０１内で製造された液体および熱分解システム１０３からのバイオ油はそれらがその中で高級燃料、例えばガソリン、ディーゼルおよびジェット燃料および／または化学原料を製造するためにアップグレードされる生成物分離およびアップグレーディングシステム１０７へ供給される。アップグレーディングシステム１０７は、さらに藻類製造システム１０５へ栄養素として供給されるＮＨ３もまた製造する。リンは、液化システムがモリブデン触媒の使用を組み込んでいる場合は、ＰＭＡ触媒前駆体から回収することもできる。任意選択的に、代替法として、追加の天然ガス原料は、液化およびアップグレーディング工程のための追加の水素、および間接的液化のための合成ガスを製造するために水蒸気メタン改質法（ＳＭＲ）によって反応させられてよい。
【００２３】
液化方法において有用な触媒には、これにより参照により全体として本明細書に組み込まれる米国特許第４０７７８６７号明細書、同第４１９６０７２号明細書および同第４５６１９６４号明細書に開示された触媒が含まれる。本発明のシステムにおいて使用するために適切な熱分解法および反応器システムは、これにより参照により全体として本明細書に組み込まれる米国特許出願公開第２０１２／０２３７９９４号明細書および同第２００８／０２６４７７７１号明細書に開示されている。
【００２４】
本発明によるバイオマスの液化を実施するために適切な反応器システムの例示的な実施形態は図面の図２に示した。バイオマス原料は、従来型ガス掃引式ローラーミル２０１内で含水量１〜４％まで乾燥させて圧搾される。圧搾および乾燥バイオマスは、そこでスラリー蒸気を形成するために再生ボトムを含有する担体溶媒および任意選択的に液化触媒前駆体と任意選択的に混合される混合タンク２０３内へ供給される。
【００２５】
典型的な作動温度は、２５０〜６００°Ｆおよびより好ましくは３００〜４５０°Ｆの範囲に及ぶ。スラリーは、スラリー混合タンクからスラリーポンプ２０５に送達される。適切な混合条件は、処理される特定スラリーブレンドの流動学的特性を定量化する実験研究に基づいて選択される。
【００２６】
スラリーは、混合タンク２０３から約３００〜５００°Ｆ（１３９〜２６０℃）で離れる。バイオマス中の水分の大部分は、混合タンク内に高温リサイクル溶剤（６５０／１，０００°Ｆもしくは３５３／５３８℃）およびボトムが供給されるために混合タンクから駆逐される。そのような水分および同伴揮発性物質は酸性廃水として凝縮される（図２には図示していない）。混合タンク２０３を離れるスラリー中のバイオマスは、約０．１〜１．０％の水分を有する。バイオマススラリーは混合タンク２０３からポンプで排出され、圧力はスラリーポンピングシステム２０５により所望のレベルに上昇させられる。生じる高圧スラリーは、任意選択的に水素と混合されて熱交換器内で予備加熱され（図示していない）、その後に加熱炉２０７内で加熱される。
【００２７】
バイオマススラリー（および任意選択的に水素混合気）は、直列接続液化反応器２０９、２１１および２１３の第１段のインプットへ約６００〜７００°Ｆ（３４３℃）および２，０００〜３，０００ｐｓｉｇ（１３８〜２０６ｋｇ／ｃｍ２ｇ）で供給される。反応器２０９、２１１および２１３は、上向流管状容器であり、３基の反応器の全長は５０〜１５０フィートである。温度は、様々な発熱反応の結果として１つの反応器段から次段へ上昇する。各段において最高温度を約８５０〜９００°Ｆ（４５４〜４８２℃）未満に維持するために、好ましくは追加の水素が反応器段間に注入される。各段における水素部分圧は、好ましくは少なくとも約１，０００〜２，０００ｐｓｉｇ（６９〜１３８ｋｇ／ｃｍ２ｇ）で維持される。
【００２８】
液化反応器の最終段からの排液は、ガス流および液体／固体流に分離され、液体／固体流は、分離および冷却システム２１５内で圧力を低下させられる。ガス流は冷却されてナフサ、蒸留物および溶媒の液体蒸気が凝縮されて除去される。残留ガスは、その後にＨ２ＳおよびＣＯ２を除去するために処理される。
【００２９】
処理ガスの大部分は次に、その中に含有された水素を回収するための従来型手段によるその後の処理のために水素回収システム２１７へ送られ、回収された水素は次にバイオマススラリーと混合されて再利用される。処理ガスの残留部分は、再循環ループ内での軽留分の堆積を防止するためにパージされる。そこから回収された水素は、下流水素化処理アップグレーディングシステム内で使用される。
【００３０】
減圧された液体／固体流およびガス冷却中に凝縮された炭化水素は、空気精留塔２１９に送られ、そこで軽留分、ナフサ、蒸留留分およびボトム留分に分離される。軽留分は、燃料ガスおよび他の目的に使用できる水素およびＣ１−Ｃ４炭化水素を回収するために処理される。ナフサは、ジオレフィン類および他の反応性炭化水素化合物を飽和させるために水素化処理される。ナフサの１６０°Ｆ＋留分は、ガソリンを製造するために水素化処理して電力形成することができる。蒸留留分を水素化処理すると、例えばディーゼルおよびジェット燃料などの製品を製造することができる。
【００３１】
空気精留塔２１９は、好ましくは６００〜７００°Ｆ＋（３１５〜３７１℃＋）のボトム留分の一部分を溶媒として使用するためにポンプ輸送せずにスラリー混合タンク２０３へ再循環させられるように十分に高い圧力で作動させられる。
【００３２】
空気精留塔２１９から製造された残留ボトムは、真空精留塔２２１へ供給され、そこで１，０００°Ｆ留分と１，０００°Ｆ＋留分とに分離される。１，０００°Ｆ留分は、スラリー混合タンク２０３へ再循環させられる溶媒流に加えられる。
【００３３】
１，０００°Ｆ＋留分は、ボトム熱分解システム２２３に供給され、そこで反応内容物をバイオ炭、バイオ油、Ｈ２、ＣＯ２およびＣＯへ転換させるために５分間〜３時間以上の時間にわたり３２０〜７５０℃の温度へ制御雰囲気下の密閉型反応器内で加熱される。熱分解雰囲気は、制御された濃度の酸素および蒸気を含有する可能性がある。雰囲気が蒸気もしくは酸素を本質的に含有しない場合、バイオ液体およびバイオ炭の製造は最大化される。蒸気およびＯ２の量が増加するにつれて、熱分解システム２２３が製造するＨ２、ＣＯ２およびＣＯの量はますます多量になり、製造されるバイオ液体およびバイオ炭はますます少なくなる。バイオマス液化およびその生成物のアップグレーディングのために追加の水素が必要とされる場合、追加して必要とされる水素を製造するためにガス掃引式ローラーミル２０１からのバイオマスの一部分が熱分解システム２２３に供給される。熱分解システム２２３内で製造されるバイオ炭は、光バイオリアクター１０５内の藻類核形成剤として、液化の前にバイオマスから金属を除去するための吸収剤として、および最終生物肥料中の成分として使用できる。
【００３４】
液化システム１０１および熱分解システム１０３の液体生成物をアップグレードするための方法は、その開示がこれにより参照により全体として組み込まれる米国特許第５１９８０９９号明細書に開示されている。液化システム１０１および熱分解システム１０３の液体生成物をアップグレードするために適切な他の方法およびシステムは、例えば、Ｈａｌｄｏｒ  Ｔｏｐｓｏｅ社、ＵＯＰ社、Ａｘｅｎｓ社、Ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ社などの供給業者から市販で入手できる。
【００３５】
Ｈ２Ｓ、ＣＯ２およびＨ２を含有する熱分解システム２２３からのガスは、次に例えばＲｅｃｔｉｓｏｌもしくはＳｅｌｅｘｏｌなどの分離システムに送られる。Ｓｅｌｅｘｏｌの１つの重要な利点は、Ｓｅｌｅｘｏｌが例えばＭＥＡなどのスクラビング工程より高い圧力でＣＯ２を製造することである。これはＣＯ２を貯蔵するため、またはＣＯ２を藻類製造システム１１１へ輸送するために必要とされる圧縮の量を減少させる。Ｈ２ＳおよびＣＯＳは、いったん加水分解されると、例えば有機溶媒中での溶解もしくは有機溶媒との反応によって除去され、元素の硫黄もしくは硫酸などの高価値の副生成物へ転換される。ＵＯＰ社およびその他の企業がＳｅｌｅｘｏｌ工程のライセンスを有している。
【００３６】
フィッシャー−トロプシュ（ＦＴ）合成
ＦＴ合成を実施するための反応器、触媒および条件は当業者には周知であり、多数の特許および他の刊行物において、例えばそれらの内容がこれにより参照により全体として本明細書に組み込まれる米国特許第７１９８８４５号明細書、同第６９４２８３９号明細書、同第６３１５８９１号明細書、同第５９８１６０８号明細書および再発行特許第ＲＥ３９０７３号明細書に記載されている。ＦＴ合成は、固定床、移動床、流動床、沸騰床もしくはスラリー反応器内で様々な触媒を使用して、所望の一連の生成物および他の因子に基づいて選択される様々な作動条件下で実施できる。典型的なＦＴ合成生成物には、一般に式ｎＣＨ２によって表されるパラフィン類およびオレフィン類が含まれる。所定の生成物流に対する生産力および選択性は、反応器のタイプ、温度、圧力、空間率、触媒タイプおよび合成ガス組成を含むがそれらに限定されない反応条件によって決定される。
【００３７】
ＦＴ合成についての化学量論的合成ガスＨ２／ＣＯ比は約２．０である。バイオマスから生成された合成ガス中のＨ２／ＣＯの比率は２未満であり、典型的には約０．５〜１．０までである。この比は、バイオマス製造合成ガスを軽質炭化水素から生成された合成ガスもしくは天然ガスと混合することによって増加させることができる。そのような混合する工程がＨ２／ＣＯ比を適切に増加させない、および追加の水素が他の入手源から便宜的に入手できない場合は、そのような比は水−ガスシフト反応によってさらに増加させられてよい。水−ガスシフト反応を促進しないコバルト系触媒を使用して実施されるＦＴ合成転換の場合には、バイオマス製造合成ガスのＨ２／ＣＯ比は、例えば合成ガス生成システム１０９によって製造される水素によって、ＦＴ合成反応器内に導入される前に好ましくは約２．０である。水−ガスシフト反応を誘発するＦＴ合成転換が鉄系触媒を使用して実施される場合は、別個のシフト転換器を使用する必要はない。しかしどんな場合でも、水−ガスシフト反応は追加のＣＯ２を生成する。
【００３８】
水素化脱酸素反応
液化システム１０１への原料が完全にバイオマス、例えば藻類および／または他のバイオマス起源から抽出された脂質からなる場合、液化システム１０１は、または触媒水素化脱酸素反応および異性化（ＣＨＩ）システムもしくは類似システム、例えばその内容がこれにより参照により全体として本明細書に組み込まれる国際公開第２００９／０２５６６３号パンフレット、同第２００９／０２５６３５号パンフレット、同第２００８／８１２４６０７号パンフレットもしくは米国特許第４９９２６０５号明細書に開示されたシステムを使用して実施することもできる。
【００３９】
ＣＯ２の捕獲および再使用
上述したように、本発明の方法によって製造されたＣＯ２は捕獲されてＰＢＲにおいて藻類を製造するために使用される。ＰＢＲシステムは、密閉型もしくは開放型反応器システムを包含することができる；閉鎖型システムは、特異的に選択された藻類の菌株の最大生産量を可能にするため、水分損失および外部起源からの藻類菌株の汚染を最小限に抑えるため、ならびに全ＩＢＴＬ方法における他の燃焼もしくは熱分解関連工程において使用するための藻類製造工程において製造される酸素の捕獲を可能にするために好ましい。多数の市販で入手できる藻類製造システムが存在する。例示的な閉鎖型ＰＢＲシステムは、これにより参照により全体として本明細書に組み込まれる米国特許出願第２００７／００４８８４８号明細書、同第２００７／００４８８５９号明細書、同第２０１２／０１０７９２１号明細書、同第２０１３／０２７３６３０号明細書および同第２００８／０１６０５９１号明細書に記載されている。好ましくは、構造化バイオ炭は、製造される藻類のための核形成部位として作用させるためＰＢＲ内の食塩水溶液に、および生物肥料製品内に含まれる食塩水から栄養素を吸収させるために加えられる。ＰＢＲ内のバイオ炭は、藻類がＰＢＲ内でより良好に再生することを誘発し、後の加工処理において食塩水から藻類を分離することをより容易にさせる藻類の「付着増殖」を促進することが見いだされている。構造化バイオ炭中に吸収された栄養素は、さらに土壌に適用された後に生物肥料中の藻類およびジアゾトロフ生物の再生もまた支援する。
【００４０】
ＰＢＲ内で製造された藻類は、土壌の炭素含有量を増加させるための土壌処理材料として使用するため、および土壌中で追加の藻類を製造するための光合成を誘導するために水流中で単離できる。ジアゾトロフ生物は、好ましくは藻類を乾燥させる前、または乾燥させた後のいずれかに藻類に加えられる。生じた生物は、次に好ましくは添加物、例えば有機結合剤、熱分解システム１０３および／または液化システム１０１からのアルカリ含有残留物と結合され、最終混合物は天然生物肥料として使用される。この能力において、この材料はさらに土壌中での光合成による藻類およびジアゾトロフ生物の成長を生じさせ、これによりその天然炭素含有量の増加を生じさせるだけではなく、様々な形態の藻類、特に藍藻類（シアノバクテリア）および他のジアゾトロフ生物が、その全部が処理された土壌中での植物の成長を促進し、本発明のＩＢＴＬ方法のフットプリントであるＧＨＧ、および特にＣＯ２を大きく減少させる窒素を固定することも誘発する。ジアゾトロフ生物は、好ましくは例えばオートクレーブなどの未知のタイプのバイオリアクター内で藻類増殖用ＰＢＲから別個に製造される。この方法では、土壌中もしくはそれに生物肥料が適用される土壌タイプ内で発生するシアノバクテリア、または類似の一連の微生物を含む微生物の天然型補体は、最適化されて増殖させられ、そして生じる材料は脱水して乾燥させられ、所望の添加物を用いて処理される；その後に粒状化され、任意選択的に拡散性を最適化するための材料で被覆され、施肥すべき、または回復させるべき土壌上に分布させられる。
【００４１】
生物肥料の製造において藻類により消費されるＣＯ２を陸生的に隔離することによる本発明のＩＢＴＬシステムのＧＨＧフットプリントの有益な減少に加えて、本発明の統合システムは、特に本発明によって製造される生物肥料の場合には、藻類および他の光合成微生物が、生物肥料が特にそれに適用されて光合成を通して増殖し、それにより大気からより多くのＣＯ２を抽出して大気窒素を固定する土壌の構成に適合するように選択されたために土壌に適合したという追加の極めて重要な有益な特徴を有する。この特徴は、本発明のＩＢＴＬ方法における藻類の製造中に消費されるＣＯ２に比較して係数３０以上、および潜在的には１５０倍という高さまで正味ＣＯ２の増加を生じさせ、土壌の生産力を大きく高める。
【００４２】
天然生物肥料の品質（本発明のＩＢＴＬ方法における他の工程からＰＢＲへ提供される水の品質およびＣＯ２の純度ならびに他の栄養素量により影響を受ける）は、様々な食用作物の成長を強化する際に使用するための食品等級／ＦＤＡ認定材料；生物活性地殻の形成によって風食を予防もしくは阻害するための乾燥地土壌を再生するための土壌改良材料として役立つための中等度材料；または生物反応性材料の添加が排出される水の品質を改善するために汚染土の浸出および浸食阻害する場合に使用済み鉱山土壌の再生に使用するための低純度材料を生成するために制御することができる。添加されたバイオ炭成分（下記で説明する）は、さらに土壌の保水特性を制御するために生物肥料調製物の全体的親水性および疎水性をさらに制御するために適用できる。この機序により、特定作物の製造における最適使用に合わせて生物肥料調製物を調整することができる。
【００４３】
天然生物肥料は、従来型のアンモニアをベースとする生物肥料に対する直接代替品として使用することができるが、このとき生物肥料はさもなければＮＨ３およびあらゆる種類のアンモニアをベースとする生物肥料の製造において生成されるであろうさらに大量のＣＯ２を相殺する。これはさらに、例えば下流水路を汚染させ、藻類および他の水生植物の望ましくない異常発生を誘発するＮＨ３をベースとする成分の流出量の減少などの他の下流効果をもたらす。
【００４４】
生物肥料調製物
本発明はさらに、ＩＢＴＬフロースキームからの工程流の様々なブレンド、シアノバクテリアおよび好ましくは他のジアゾトロフ生物、バイオ炭、ならびに熱分解工程からの無機残留物から構成される特異的生物肥料調製物を提供する。生物肥料調製物は、元素組成、全窒素レベル、組成物の全平均表面積、個別バイオ炭成分もしくはそれらの混合物の表面積、全アルカリおよび個別アルカリ成分が特定作物もしくは最終使用に合わせて調整される方法で制御されることを可能にする。
【００４５】
好ましい生物肥料の製造では、ＰＢＲにはそれに生物肥料が適用される土壌と類似の土壌および環境特性を有する健常な未攪乱土壌の中央１センチメートル中の正常滞留から取り出せる生物学的培養物が、または１つ以上のシアノバクテリア菌株および好ましくは生物肥料を使用すべき場所において肥料として使用するために適切な他の光合成微生物を含む生物学的培養物が接種される。事実上、これらの土壌微生物は土粒子を適所に接着させ、それにより風食および水食を制限する、ならびに肥沃化および植物活力を提供すること含む多数の機能に役立つ生物学的土膜（「ＢＳＣ」）を形成する。シアノバクテリアおよび「藍藻地衣類」は、乾燥生態系における固定大気窒素の主要供給源である。
【００４６】
米国西部における研究は、研究場所に依存して５〜４９種のシアノバクテリア分類群を観察している。ノストック属（Ｎｏｓｔｏｃ）、シゾトリックス属（Ｓｃｈｉｚｏｔｈｒｉｘ）、アナベナ属（Ａｎａｂａｅｎａ）およびトリポスリックス属（Ｔｏｌｙｐｏｔｈｒｉｘ）は、最も頻回に遭遇する異種細胞属である。ミクロコレウス属（Ｍｉｃｒｏｃｏｌｅｕｓ）およびフォルミディウム属（Ｐｈｏｒｍｉｄｉｕｍ）は、一般に遭遇する非異種細胞属である。西部のコロラド州では、例えば、異種細胞属であるスキトネマ属（Ｓｃｙｔｏｎｅｍａ）が頻回に観察される。異種細胞は、窒素固定の責任を担う分化した特異性細胞である。異種細胞には、水分解性Ｏ２発生光化学系ＩＩ装置が欠けている。この順応は、Ｏ２によるニトロゲナーゼ活性の阻害を排除するために進化してきたが、依然として光化学系Ｉ活性を保持することによりＡＴＰエネルギーを生成する。
【００４７】
多数の非異種細胞性のシアノバクテリア属はニトロゲナーゼを含有することが公知であり、微小好気性もしくは嫌気性条件下の暗所では窒素を固定する場合がある。ミクロコレウス・バギナツス（Ｍｉｃｒｏｃｏｌｅｕｓ  ｖａｇｉｎａｔｕｓ）は、発生頻度および形態に基づくと極めて重要な短命地殻成分である。ミクロコレウス・バギナツス（Ｍｉｃｒｏｃｏｌｅｕｓ  ｖａｇｉｎａｔｕｓ）の粘骨性被殻糸状体は、砂粒子を結合させること、そこで浸食を減少させて藍藻地衣類および他の微生物のコロニー形成のための安定性基質を生成することに高度に効果的である。ミクロコレウス・バギナツス（Ｍｉｃｒｏｃｏｌｅｕｓ  ｖａｇｉｎａｔｕｓ）は、直接的に窒素を固定することはできないが、その粘骨性鞘は嫌気性微小環境および着生ジアゾトロフ細菌のための炭素源を提供すると考えられている。
【００４８】
藍藻地衣類は、砂漠生態系における固定窒素および短命地殻地被の主要誘因でもある。地衣類は、真菌（ミコビオント）と藻類（フィコビオント）との間の双利共生である。ほとんどの場合、地衣類のフィコビオントは緑藻類、通例はトレボウキシア（Ｔｒｅｂｏｕｘｉａ）であるが、藍藻地衣類のフィコビオントは、シアノバクテリア、最も一般的にはノストック属（Ｎｏｓｔｏｃ）、スキトネマ属（Ｓｃｙｔｏｎｅｍａ）もしくはアナベナ属（Ａｎａｂａｅｎａ）からなる。これらの藍藻地衣類は、特徴的に黒色で、質感は粘着性であり、成層化されていない。例えばツメゴケ属（Ｐｅｌｔｉｇｅｒａ）およびカブトゴケ属（Ｌｏｂａｒｉａ）などの亜高山生物群系に生息する所定の成層化地衣類は、緑色トレボウキシア（Ｔｒｅｂｏｕｘｉａ）および窒素固定シアノバクテリアであるノストック属（Ｎｏｓｔｏｃ）の両方を含有する。例えば乾燥した米国西部の藍藻地衣類は、地被の４０〜１００％を占める可能性があり、土壌安定化およびＮ２固定に重大に寄与する。土壌および非生物的環境に依存して、５３属を代表する１５９種までの地衣類種が観察されている。最も一般的に遭遇する属の一部には、コレマ属（Ｃｏｌｌｅｍａ）、プラシンチウム属（Ｐｌａｃｉｎｔｈｉｕｍ）、レプトギウム属（Ｌｅｐｔｏｇｉｕｍ）およびヘピア属（Ｈｅｐｐｉａ）が含まれる。
【００４９】
活用すべきシアノバクテリア属は、生物学的土膜から入手されてよく、以下の属：ノストック属（Ｎｏｓｔｏｃ）、アナベナ属（Ａｎａｂａｅｎａ）、スキトネマ属（Ｓｃｙｔｏｎｅｍａ）、トリポスリックス属（Ｔｏｌｙｐｏｔｈｒｉｘ）、カロスリックス属（Ｃａｌｏｔｈｒｉｘ）、ミクロコレウス属（Ｍｉｃｒｏｃｏｌｅｕｓ）、リブラリア属（Ｒｉｖｕｌａｒｉａ）、フォルミディウム属（Ｐｈｏｒｍｉｄｉｕｍ）、シンプロカ属（Ｓｙｍｐｌｏｃａ）、シゾトリックス属（Ｓｃｈｉｚｏｔｈｒｉｘ）、スチゴネマ属（Ｓｔｉｇｏｎｅｍａ）、プレクトネマ属（Ｐｌｅｃｔｏｎｅｍａ）およびクロロコッカス属（Ｃｈｒｏｏｃｏｃｃｕｓ）が含まれるがそれらに限定されない。これらのシアノバクテリアに加えて、例えばクラミドモナス属（Ｃｈｌａｍｙｄｏｍｏｎａｓ）、トレボウキシア属（Ｔｒｅｂｏｕｘｉａ）、イカダモ属（Ｓｃｅｎｅｄｅｓｍｕｓ）などの真核性藻類を含めるのが望ましい場合がある。さらにまた、例えばアゾバクタ−属（Ａｚｏｔｏｂａｃｔｅｒ）、ロドスピリリウム属（Ｒｈｏｄｏｓｐｉｒｉｌｌｉｕｍ）もしくはロドシュードモナス属（Ｒｈｏｄｏｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ）などの自由生活窒素固定細菌を含めることも望ましい。その他の重要な土壌細菌、例えばアルトロバクター属（Ａｒｔｈｒｏｂａｃｔｅｒ）ならびにフランキア属（Ｆｒａｎｋｉａ）、ノカルディア属（Ｎｏｃａｒｄｉａ）、ストレプトマイセス属（Ｓｔｒｅｐｔｏｍｙｃｅｓ）およびミクロモノスポラ属（Ｍｉｃｒｏｍｏｎｏｓｐｏｒ）を含む様々な放線菌類もまた栄養素の循環を強化するために含まれてよい。最後に、塩基性光合成生物肥料の微生物成分を完成するために、地衣類菌、腐生菌および菌根菌を含むのが望ましい場合もある。これらの従属栄養微生物は、標準方法を使用して製造されるであろう。
【００５０】
生物肥料は、好ましくは、土壌窒素および炭素を提供することに加えて、腐食制御剤として挙動するために設計される。大多数の場合は、生物肥料単独が所望の結果を達成するであろう。生物肥料の柔軟性に基づくと、例えば繊維性根覆いおよび粘着付与剤などの伝統的な浸食制御法と結び付けて使用することができ、そこでこれらの伝統的製品の有効性を強化する。例えば、硬岩鉱くず、廃棄物および表土は、特徴的には細菌による硫黄の酸化を通して酸性（ｐＨ＜３）になる。これらの酸性環境は、種子発芽を阻害し、シアノバクテリアのｐＨ下限（ｐＨ＜５）を超える。しかし、根覆いの層が表面に適用された場合は、種子発芽および生物肥料の成長を許容する化学的隔離体として役立つことが証明されている。植物の根は窒素欠乏性の酸性鋼くず中に貫通し、生物肥料によって窒素が供給されると成長し続ける。
【００５１】
根圏細菌（ｒｈｉｚｏｂａｃｔｅｒｉａ）は土壌中で見いだされる微生物の重要な成分であることが見いだされている。シアノバクテリアは、特に根圏細菌と組み合わせて存在する場合は、植物刺激因子として作用し、植物がそれらに接近できるように、そこで植物成長のための重要な刺激因子である鉱物が土壌中に溶解するのに役立つギベレリン酸および酢酸ならびに他のモノおよびポリカルボン酸を含む有機酸を生成すると考えられている。さらに、様々な種類の土壌形成は、様々な作物および天然植物種が根を張って繁茂するための土壌の生産力に寄与する天然型微生物の様々な補完物を有することが見いだされている。例えば、中国科学院砂漠研究所（Ｄｅｓｅｒｔ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｃｈｉｎｅｓｅ  Ａｃａｄｅｍｙ  ｏｆ  Ｓｃｉｅｎｃｅｓ）は、砂漠の土壌において、砂中で主要表面層微生物がフラギラリア属（Ｆｒａｇｉｌａｒｉａ）、オシラトリア・ウィレイ（Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｉａ  ｗｉｌｌｅｉ）およびフォルミジウム・オケニイ（Ｐｈｏｒｍｉｄｉｕｍ  ｏｋｅｎｉｉ）であることが見いだされたことを見いだした。表面層が藻類地殻である場所では、主要微生物はシネココッカス・パルブス（Ｓｙｎｅｃｈｏｃｏｃｃｕｓ  ｐａｒｖｕｓ）、チコネマ・グラヌラツム（Ｔｙｃｈｏｎｅｍａ  ｇｒａｎｕｌａｔｕｍ）およびフォルミディウム・レツリ（Ｐｈｏｒｍｉｄｉｕｍ  ｒｅｔｚｌｉ）であることが見いだされた。表面層が地衣類地殻である場所では、主要微生物はオシラトリア・ウィレイ（Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｉａ  ｗｉｌｌｅ）、オシラトリア・カルボニチフィラ（Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｉａ  ｃａｒｂｏｎｉｃｉｐｈｉｌａ）およびフォルミディウム・レツリ（Ｐｈｏｒｍｉｄｉｕｍ  ｒｅｔｚｌｉ）であることが見いだされた。苔地殻表面層の場合は、主要微生物はシネココッカス・パルブス（Ｓｙｎｅｃｈｏｃｏｃｃｕｓ  ｐａｒｖｕｓ）、シネコシスティス・パバレキイ（Ｓｙｎｅｃｈｏｃｙｓｔｉｓ  ｐａｖａｌｅｋｉｉ）およびフォルミディウム・レツリ（Ｐｈｏｒｍｉｄｉｕｍ  ｒｅｔｚｌｉ）であることが見いだされた。そのような天然コロニーが形成されるように育てることは特に有益であり、特に乾燥地域においては、天然植物相の回復は、土壌に炭素および他の栄養素を補給する際の土壌を土壌安定化および天然植物コロニーの生産の増加にとって有益な可能性がある。上記研究所は、これらの微生物の所定の種がゴビ砂漠および中国の近隣の砂漠における土壌サンプル中で優勢であると報告しており、これらの種は本発明の最終生物肥料調製物に組み込まれるべき生物集団の潜在的メンバーとして特に関心が高い。例えば、Ｙａｎｍｅｉ  Ｌｉｕ  ｅｔ  ａｌ．による近年の報告書「Ｔｈｅ  Ｅｆｆｅｃｔｓ  ｏｆ  Ｓｏｉｌ  Ｃｒｕｓｔｓ  ｏｎ  Ｓｏｉｌ  Ｎｅｍａｔｏｄｅ  Ｃｏｍｍｕｎｉｔｉｅｓ  Ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ  Ｄｕｎｅ  Ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ  ｉｎ  ｔｈｅ  Ｔｅｎｎｇｅｒ  Ｄｅｓｅｒｔ，Ｎｏｒｔｈｅｒｎ  Ｃｈｉｎａ，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｓｏｉｌ  Ｅｃｏｌｏｇｙ，ｖｏｌ  ４９，ｐｐ１１８−１２４（２０１１）を参照されたい。
【００５２】
ＢＳＣ中の微生物の多数はさらに光合成作用があり、それらが光合成性ではなく土壌中のより深部で見いだされる集団微生物へ順に栄養および固定窒素を製造して提供できるように、日光からエネルギーを引き出す。ＢＳＣおよびそれに栄養を供給するより深部の集団微生物の作用は、協働して土壌を安定化させ、経時的に土壌基質中への土壌の粒子から植物から入手できる栄養を引き出す。重要なことに、ＢＳＣの優勢シアノバクテリア成分は大気からの炭素ならびに窒素を固定する。ＢＳＣから始めて、これらの微生物の結合作用は、牧草、灌木および作物のような維管束植物の定着および成長の利益になる条件を作り出す。事実上、ＢＳＣは、経時的に維管束植物の定着のために適切および有益にさせるむき出しの地表上に生息する天然型の太陽光をエネルギーとする生物肥料である。しかし、ＢＳＣ微生物は乾燥気候では緩徐に繁殖して余り運動性ではないために、耕作、家畜放蓄のような物理的攪乱および火災は土壌およびＢＳＣにとってＢＳＣの有益な作用を停止させる可能性があり、さらにこれらの利点は乾燥気候において自然に回復するためには数十年もしくは数百年を要する可能性がある。
【００５３】
好ましい生物肥料の製造は、工業規模ではＰＢＲ内で天然型選択的ＢＳＣ微生物を急速に再生させる。微生物は次に、好ましい生物肥料を構成する、および現在は健常な土壌地殻コロニーが欠如している土地上に広げられ、そこで土壌の自然回復を促進するこれらの微生物の「接種用種子」を形成するために注意深く混ぜ合わされる。生物肥料が土壌表面上で増殖するにつれて、大気ＣＯ２からますます多量の炭素を土壌中に引出し、炭素は土壌中では生きている持続可能な微生物共同体の一部になり、この大気炭素を土壌中に効果的に隔離する。好ましい生物肥料を用いた土壌接種、土壌上での自然増殖および続発性の維管束植物成長の強化を通して、１トンのＣＯ２から次に適切な土壌上に適用される好ましい生物肥料への転換は、大気気体の直接光合成取り込みを通して毎年大気からの５０トンまでのＣＯ２の減少をもたらすことができる。
【００５４】
生物肥料を製造するために使用されるシアノバクテリアおよびそれらの土壌共同体は、好ましくはそれらの内容がこれにより参照により全体として本明細書に組み込まれるＦｌｙｎｎへの米国特許出願公開第２００８／０２３６２２７号明細書（本明細書では以後「Ｆｌｙｎｎ」と呼ぶ）に教示された方法で接種菌内へ培養され、Ｆｌｙｎｎによっても教示された増殖用ＰＢＲに接種するために使用されるが、このとき培養物は栄養素、二酸化炭素、日光および水圧混合への容易な接近によって液体培地中で迅速に増殖することができる。ＰＢＲには、日光、栄養素および最も一般には二酸化炭素であるが、重炭酸ナトリウムもしくは他の生物利用可能な形態などの固定形であってよい炭素源によって栄養が補給されてよい。
【００５５】
本発明による生物肥料を製造するための好ましい方法は、以下の：
（１）天然微生物種の組成を密接に反映する多種培養物を生成するために重要な光合成生物学的土膜微生物を単離する工程；
（２）好ましくはバイオマス生産力を最大化するために設計された制御条件下にあるＰＢＲ内で培養物を培養する工程；
（３）例えば、単純重力駆動沈降およびろ過、浄化もしくは遠心分離によって、製造されたバイオマスを収穫する工程；
（４）好ましくは、別個に製造されたジアゾトロフ微生物をバイオマスに加える工程；
（５）例えば、ｒｅｆｒａｃｔａｎｃｅ−ｗｉｎｄｏｗ乾燥技術、または例えば風乾法、スプレー乾燥法、真空乾燥法、または細胞が生存したままであるような凍結法などの他の方法によってバイオマスを保存する工程；および
（６）生物肥料の包装、貯蔵、輸送および最終散布を促進するために乾燥シアノバクテリアおよびジアゾトロフ微生物を粉砕、細片化または粉末化する工程を含む。
【００５６】
ＰＢＲ内で増殖させた後、土壌微生物は捕獲され、好ましくはジアゾトロフ微生物と混合され、製品の生物肥料を作り出すための混合剤およびコーティング剤を使用して混ぜ合わせられる。生物肥料は、農地もしくは損傷した土地の上に標準農作業、例えば農薬散布、潅漑用水との混合または散布機を用いた施肥を使用して施肥することができる。いったん土壌表面上に置かれると、二酸化炭素および空気中の窒素の自然な入手可能性は、利用可能な共用水もしくは潅漑用水および日光とともに、生物肥料が微生物の特異的共同体のための増殖条件の適合性に比例して土壌微生物のコロニー増殖を誘導することを誘発する。
【００５７】
局所的に適合した生物肥料中の微生物の共同体は、好ましくは処理された土壌のための最善および最高の所望の微生物学的転帰を表す、処理対象の領域内の土壌への非生物学的構成および環境因子において類似している所望の標的転帰土壌パッチから引き出される。このような方法で、微生物の共同体は、その領域内で処理すべき標的化土壌上で生残、成長および肥沃化するために最も好ましい微生物を含む特定地域タイプの生物肥料を製造するために特異的に選択することができる。これが実施されて生物肥料が十分な表面密度に散布されると、その後には地殻が自然増殖に明確に先行して加速された速度で再定着されるであろう。農地造成の活動では、十分な塗布密度は生物肥料粒子が１ｃｍ２（平方センチメートル）当たりおよそ０．１〜２個である。加速された肥沃化能力が必要とされる農業用途では、十分な適用密度は生物肥料粒子数が１ｃｍ２当たりおよそ１〜２０個である。
【００５８】
微生物が土壌中および土壌上で成長および増殖するにつれて、大気からのＣＯ２の取り込みは集団サイズ、衝突光、水の利用性、土壌のタイプおよび土壌の正味主要生産力をさらに増加させる可能性のある続発性維管束植物成長の発生に比例して増加する。大気から減少させられるＣＯ２の量は、これらの因子に依存して広範囲に変動することになる。地殻が土地改良用途において成熟するまで成長させられると、１年当たり１ｍ２（平方メートル）当たりおよそ１００ｇのＣＯ２を大気から減少させると推定される。
【００５９】
接種用ＰＢＲの目的は、標的転帰土壌から生物を入手してＰＢＲの液体培地中での集団複製の増殖を開始させることである。接種用ＰＢＲによって製造される集団は実質的に同一またはさもなければ十分な微生物共生メンバーを、および土壌中に大まかには実質的に自然に存在していた場合と同一またはさもなければ十分な平衡を有していなければならなかった。ＰＢＲオペレーターは、インプットおよびアウトプット集団ならびに増殖培地アッセイデータを使用して、例えば光線、ｐＨ、温度、ＣＯ２および栄養素レベルならびに培養器のアウトプットへの所望の増殖速度および集団平衡特性に影響を及ぼすための混合速度などの増殖インプットパラメーターを調整する。類似の方法で、増殖器および製造用ＰＢＲのオペレーターは、ＰＢＲのインプットとアウトプットとの間の集団および増殖培地アッセイ結果を見て、所望の結果を得られるように同一増殖条件を調整する。一部の場合には、所望の生成物集団比は標的転帰土壌において見いだされる比と異なる場合があるが、その差によって適用後により良好な結果をもたらすであろう。
【００６０】
ＰＢＲシステム内のｐＨおよび光合成の速度は、Ｐｏｉｎｔ  Ｆｏｕｒ  Ｓｙｓｔｅｍｓ社（Ｒｉｃｈｍｏｎｄ、Ｂｒｉｔｉｓｈ  Ｃｏｌｕｍｂｉａ  Ｃａｎａｄａ）から入手できるコントローラー、捕捉ソフトウエア、溶存酸素、ｐＨおよび温度プローブを含むＰＴ４モニターを使用して測定できる。下方および上方プローブアレイ間の溶存酸素の差は、光合成の尺度を提供する。同様に、下方および上方プローブアレイ間のｐＨの差は、ＣＯ２消費量の尺度である。照明下では、微生物は光合成してＣＯ２を吸収して培地のｐＨ上昇を引き起こすことになる。ｐＨが選択された設定点、好ましくはｐＨ７．５に上昇すると、コントローラーは１００％のＣＯ２をＰＢＲ内に導入するが、これは炭酸および関連複合体が形成される結果としてｐＨ低下を誘発することになる。
【００６１】
ＰＢＲのアウトプットは、その中に様々な任意選択的混合物を適用できるろ過および乾燥ベルト内に供給されてよい。結果として生じる乾燥フレークおよびその任意選択的コーティングは、次に生物肥料になるために粒状化されてよい。最終生物肥料生成物は様々な農業用および土地改良用散布機によって土壌に分配および施肥することができる。有益にも、生物肥料ペレットは、それらが周囲の風によって吹き飛ばされないように回転式散布機もしくは飛行機によって散布することができる。生物肥料は、さらにまた潅漑用水と混合して作物上にスプレーすることもできる。
【００６２】
任意選択的に含むことのできる様々な混合物は、複合混合物／バイオマスフレークが粒状化によってサイズが減少している場合でさえ、さらに望ましくは微生物共同体と同一の相対的比率で物理的に関連したままである。フレークが製造されるにつれて一様に層化して混合物をフレーク全体に均質に注入することによって、その後混合物／バイオマスのこれらの相対的比率は、粒状化および粒子コーティング工程中維持することができる。乾性混合物成分は、さらにバイオマスマットが固化し始めるにつれて加えられてよいが、これは統合型シアノバクテリアのフィラメント内に乾性混合物の一部を取り込むことによってそれらをバイオマスとともに機械的に統合するために役立つ。湿性混合物は、典型的には、しかし排他的ではなく、乾性保護剤ならびに乾燥するにつれて全ての成分を結合および接着するために機能する従属栄養共同体メンバーである栄養添加物の糖をベースとする組成物である。このために実際の粘液もしくは他の水溶性接着剤、または溶剤をベースとするがＵＶ分解性の結合剤を使用することも、このために検討することができる。
【００６３】
下記は、任意選択的混合物およびそれらの目的である：
１）酸化防止剤、例えばβカロテンは、乾燥工程中および貯蔵中の生物肥料を保護することができる。
２）乾性保護剤、例えばスクロースおよび他の糖類、または生物学的に誘導された乾性保護剤と呼ばれるトレハロースは、急速な乾燥および経時的な長期にわたる乾燥から細胞損傷を防止できる。
３）成長栄養素には、定着の初期段中に非光合成コホートに供給するための糖を含む、Ｆｌｙｎｎによって教示される全ての土壌微生物によって必要とされる微小栄養素が含まれる。
４）砂もしくは粘土充填材は、２つの目的に役立つ。１つは結果として生じる顆粒状粒子の重量密度を上昇させ、それによって飛行機および地上ベースの散布機からより空気力学的に散布可能および気流に耐性にさせることである。もう１つの目的は、微生物自体を分割することはない粒状化中に乾燥させられた微生物間の破壊線のための非損傷場所を提供することである。
５）散布パターントレーサーは蛍光添加物であってよい。また別のトレーシングタグは、生物肥料が繁殖するのと同一速度および同一空間特性で増殖する微生物の１つの内の遺伝性であるが非作動性の固有の遺伝子配列の使用であってよい。これにより、研究者もしくは炭素クレジット監査官は、生物肥料の最初の適用の数カ月後もしくは数年後に１区画の土壌を訪問し、どのくらいの土膜もしくは地表下バイオマスが特異的にタグ付けられた生物肥料の増殖および有益な作用に直接起因するのかを知ることができるであろう。
６）修復用草のような維管束植物種子もしくは実際の作物種子は、混合物の一部になってよい。この場合、生物肥料は施肥結果の所望の回復を達成して最大化するために埋め込まれた維管束植物種子と生物学的に一致して作用するように設計されるであろう。
７）粘着付与剤は、風食もしくは水食によるそれ以上の移動を防止するために最初に環境上で湿潤したら粒子を他の土粒子と迅速に結合するために混合物に加えられてよい。
８）他の微生物は、乾性混合物もしくは湿性混合物のいずれかに加えられてよい。これらの他の微生物は、良好な粘着付与剤であるようなそれらの補助特性のために選択されてよい、またはそれらが生物肥料の生物学的共同体の重要な一部であるために選択されてよい；それでも例えば増殖培地のタイプの不適合性もしくは捕食への感受性などの様々な理由のために、それらは生物肥料共同体メンバーの残りと同一ＰＢＲ内で共成長することができなかった。
９）バイオマスの熱分解からのバイオ炭は、特に、全炭素含有量を強化するために、および様々な他の鉱物成分およびシアノバクテリア成分のための強力な吸着剤を提供するために加えられる。これは調製された生物肥料の全部の水分および栄養素の保持能力を変化させ、それを特殊な作物および地理的な位置のニーズに合わせて調整することを可能にする。
１０）バイオマス熱分解からの無機灰および結果として生じる残留物の酸化は、全Ｋ送達能力を制御し、処理すべき土壌の全ｐＨを調整するために調製された生物肥料に加えられてよい。ここで再び、レベルは特定の作物もしくは土壌処理プロトコールのニーズに合わせて調整できる。その他の無機元素は、燃焼もしくは熱分解処理、特に本発明の生物肥料製造工程と統合工程で作動させられる処理から加えられてよい。アルカリもしくはアルカリ土類金属を硫黄もしくは窒素含有対イオンとともに含有する材料は、特に有用である。硫酸カルシウムおよび硝酸塩、硝酸カリウムおよび他の窒素含有塩もまた有用である。
【００６４】
生物製剤は、さらにまた粒子の外側にスプレーコーティングされてもよい。これに関連して「生物製剤」は、土壌が生物肥料微生物によってコロニー形成される受容力に影響を及ぼす全ての生細胞もしくは死細胞または生物活性物質を意味することができる。または、これらの物質は例えば昆虫、他の微生物、鳥類もしくは他の人間や動物などの他の生物による生物肥料の消費もしくは破壊を防止することが意図される場合がある。
【００６５】
構造化バイオ炭を製造する好ましい方法は、下記に提供する代表的な結果をもたらすマイクロ波熱分解による。
【００６６】
【表１】
0006444386.tif 000002
【００６７】
マイクロ波熱分解経路に関する詳細な調査は、バイオ炭の個々の特性が総エネルギー入力、触媒（例えばＫ２ＣＯ３もしくはＮａ２ＣＯ３）充填およびシステムの作動条件を制御することにより変化させられることを証明している。
【００６８】
【表２】
0006444386.tif 000003
【００６９】
さらに、この現象は、以下に示すように他の熱分解温度を用いた場合にも観察される。
【００７０】
【表３】
0006444386.tif 000004
【００７１】
【表４】
0006444386.tif 000005
【００７２】
【表５】
0006444386.tif 000006
【００７３】
上記から明らかなように、加熱分解工程における作動条件を制御し、調製された生物肥料中のバイオ炭成分の総空隙率および吸収性を制御することによりバイオ炭成分の全有効表面積を特別に調整することが可能である。藻類核形成部位として使用されるバイオ炭についての平均孔径の好ましい範囲は、２０〜４００Å（オングストローム）までに及ぶ。無機物吸収培地として使用するためのバイオ炭は、好ましくは４０〜２００Åまでの範囲に及ぶ平均孔径を有する。生物肥料成分として保水培地として使用されるバイオ炭は、好ましくは２０〜４００Å、より好ましくは１００〜４００Åの平均孔径を有する。生物肥料組成物中に含まれるバイオ炭濃度は、最終調製物の１０〜５０％重量の範囲に及ぶ。
【００７４】
同様に、特定レベルのＫ２ＣＯ３または他のアルカリもしくはアルカリ土類酸化物もしくは塩が熱分解の前にバイオマスに加えられる工程からのバイオ炭と結合される非触媒熱分解からの生バイオ炭の比率を制御することによって、全表面積、全カリウムＫレベルおよび利用可能な全アルカリを変動させることが可能である。バイオ炭の特徴および例示的な調製方法は、Ｐａｖｉｔｈｒａ  Ｓｅｌｌａｐｅｒｕｍａｌが生物資源科学の理学修士の学位を得るための要件を部分的に充足する際にＭｃＧｉｌｌ大学に２０１１年８月に提出した「Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ  Ｏｆ  Ｔｈｅ  Ｔｈｅｒｍｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｏｆ  Ｖａｒｉｏｕｓ  Ｌｉｇｎｏｃｅｌｌｕｌｏｓｉｃ  Ｂｉｏｍａｓｓｅｓ  Ｆｏｒ  Ｂｉｏｃｈａｒ  Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ」と題する論文に記載されている。
【００７５】
本発明のシステムにおけるＣＯ２フットプリントを最小限に抑え、ＣＯ２の実質的に全部を藻類に転換させるために、製造されたＣＯ２は、好ましくは藻類バイオマス生成によるＣＯ２消費を駆動するための光合成のための十分な光がない微小光もしくは暗闘の期間中は貯蔵される。本発明によって生活環ベースでＣＯ２フットプリントをさらに最小限に抑えるため、藻類は次に、好ましくは上述したシステムにしたがって生物肥料として使用される。これらの工程を一緒に結合すると、人工光を使用せずにオープンポンドもしくはＰＢＲを使用して藻類へのＣＯ２転換を２７０倍という高さと等価の回収および再使用が可能になる。貯蔵されないと、再使用されるＣＯ２の量は、係数２以上減少する。ＣＯ２の貯蔵技術には、ＣＯ２の液化、周知の従来型化学的方法によるＣＯ２から硫化水素アンモニウムもしくは尿素への転換、物理的貯蔵などが含まれる。
【００７６】
本発明の新規な工程統合は、ＩＢＴＬ設備の１つの区間から別の区間への副生成物流の原料としてのより効果的な利用もまた可能にする。この優れた設計は、全体的効率を改良し、総投資額を１５〜２０％減少させるので、これで代替バイオマス液化経路に比較してバイオマス１トン当たりほぼ２倍の数値の生成を可能にすることによって重大な参入障壁を取り除く。
【００７７】
水素を一酸化炭素から分離するために利用できる数種の市販システムが存在する。圧力スイング吸着（ＰＳＡ）方法は、圧力下では気体が固体表面に引き付けられる、または「吸着される」傾向があるという事実に依存している。圧力が高いほど、より多くの気体が吸着され；圧力が低下すると、気体は放出または脱着される。ＰＳＡ方法は、様々な気体は様々な固体表面に多かれ少なかれ強力に引き付けられる傾向があるため、混合気中で気体を分離するために使用できる。Ｈ２、ＣＯおよびＣＯ２の合成ガス混合物は、ＰＳＡによって分離して水素富化流を生成することができる。または、合成ガスは、最初に水性ガスシフト法にかけて、これをＰＳＡによって、または当分野において公知の他の手段、例えば膜分離法（純粋水素流を分離するためにＨ２がＣＯ２よりはるかに効果的に浸透する）によって分離できるＨ２およびＣＯ２の二成分混合物を生成することができる。最後に、パラジウムおよびその他の関連金属合金の活性金属膜を使用すると、他の気体から水素を分離することができ、市販で利用できる選択肢が作り出されている。米国特許第５７９２２３９号明細書、同第６３３２９１３号明細書および同第６３７９６４５号明細書ならびに米国特許出願第２００３／３１９０４８６号明細書および同第２００９／００００４０８号明細書は、そのような分離技術の様々な方法を記載しており、全体として参照により本明細書に組み込まれる。
【００７８】
ＣＯ２の回収は、吸着、吸収（例えば圧力スイング吸着（ＰＳＡ）および置換パージサイクル（ＤＰＣ））、深冷分離、膜分離、それらの組み合わせなどを含むがそれらに限定されない様々な従来型回収方法を使用して実施することができる。合成ガスもしくは排ガスからＣＯ２を回収するために１つ以上の回収工程が必要とされる場合があるが、改質装置もしくはＣ３＋生成物改良装置からの副生成物は、容易に感知できる量のＨ２もしくはＨ２Ｏを含有しておらず、そこで重炭化水素（Ｃ６＋）の凝縮を除いて回収工程を全く必要としない可能性がある。さらに、本発明の方法では回収されたＣＯ２を使用することが望ましいが、回収されたＣＯ２を統合された複合体中の代替起源から得られたＣＯ２と置換することもまた可能である。
【００７９】
本発明の方法からの生成物流は、例えば、合成粗生成物流および他の個別生成物流、例えば液化石油ガス（Ｃ３−Ｃ４）、凝縮物（Ｃ５−Ｃ６）、オクタン価の高いブレンド成分（Ｃ６−Ｃ１０芳香族含有流）、ジェット燃料、ディーゼル燃料、他の蒸溜燃料、別個の生成物として製造および販売できる潤滑油ブレンドストックもしくは潤滑油ブレンド原料を含むことができる。
【００８０】
例示的な生物肥料製造手順
生物肥料の成分として多数の様々な細菌菌株を有益に使用できる。ジアゾトロフ生物であるリゾビウム属（Ｒｈｉｚｏｂｉｕｍ）、アゾトバクター属（Ａｚｏｔｏｂａｃｔｅｒ）およびアゾスピリリウム属（Ａｚｏｓｐｉｒｉｌｌｕｍ）を製造するための例示的方法は、使用されるブロス培地もしくは液体培地が好ましくは様々な生物について異なることを除いて、下記の工程を含んでいる。各生物のために使用される好ましい培地は：
ｉ）リゾビウム属（Ｒｈｉｚｏｂｉｕｍ）：酵母エキス−マンニトール
ｉｉ）アゾトバクター属（Ａｚｏｔｏｂａｃｔｅｒ）：アッシュビー培地
ｉｉｉ）アゾスピリリウム属（Ａｚｏｓｐｉｒｉｌｌｉｕｍ）：Ｏｋｏｎ  ｅｔ  ａｌ．（１９７７）によって調製された培地
ｉｖ）リン酸塩可溶化細菌：Ｐｉｋｉｙｓｋａｙａ培地、である。
【００８１】
１．母培養もしくはスターター培養の調製：
選択されたジアゾトロフ菌株のスターター培養は、温室およびフィールドレベルでの性能を解明した後に得られる。窒素固定性ジアゾトロフ生物の効率的菌株の純粋培養を傾斜地上の各寒天培地上で増殖させ、研究室内で維持する。各傾斜地からの接種菌でいっぱいのループは、適切な液体培地を含有する容量が各２５０ｍＬの三角フラスコに移す。三角フラスコは生物の成長が早いか遅いかに依存して、３〜７日間にわたり回転式振とう機上で維持する。母培養もしくはスターター培養と呼ばれるフラスコの内容物は、通常は細胞１０５〜１０６個／ｍＬの充填量に達する。この母培養をより大きなフラスコ内でさらに増殖させる。
【００８２】
２．ブロス培養の調製：
各生物に対して等量の適切な液体培地を大きな三角フラスコ（１，０００ｍＬ）内で調製し、１５ｌｂｓの圧力で１／２時間にわたりオートクレーブ内で滅菌する。滅菌後、各フラスコに１：５の比率で無菌的に母培養を接種する。フラスコは、１ｍＬ当たりの生菌数が細胞１０９個に達するまで９６〜１２０時間にわたり回転式振とう機上で維持する。ブロスは、濃度が高くより粘性になる。このブロス培養は、周囲温度で２４時間を超えて貯蔵してはならない、またはより長期期間にわたり貯蔵する場合は温度４℃で維持しなければならない。
【００８３】
３．担体の調製：
担体は、以下の特性を有していなければならない：
ａ）高有機物  −  ６０％超
ｂ）難溶性塩  −  １％未満
ｃ）高保水能力  −  １５０〜２００重量％
ｄ）細菌増殖のための栄養培地を提供し、培養中ならびに接種種子上での生存期間を延長する。
構造化バイオ炭は好ましい担体であり、生物肥料の調製では褐炭もしくは泥炭もまた担体として使用されてよい。担体は破砕して２００〜３００メッシュに粉末化する。泥炭もしくは褐炭粉末は、１％の炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）を添加して中和し、オートクレーブ内で３〜４時間にわたり１５ｌｂｓの圧力で滅菌する。
【００８４】
４．接種菌の調製：
滅菌および中和された褐炭、泥炭もしくは他の担体材料は亜鉛メッキトレイ内で高密度ブロス培養と混合する。約１重量部のブロスが２重量部の乾燥担体に対して必要とされる。最終含水量は、担体の品質に依存して４０〜５０％で変動する。
【００８５】
５．硬化もしくは成熟：
亜鉛メッキトレイ内のブロス培養および担体粉末を混合した後、トレイは硬化させるために室温（約２８℃）で５〜１０日間維持する。硬化させた後、トレイの内容物は、濃縮増殖ポケットを分散させて塊を崩壊させるためにふるいにかける。
【００８６】
６．充填およびパッキング：
硬化させた後、ふるいにかけた粉末を厚さ０．５ｍｍのポリエチレンバッグ内に貯蔵し、細菌へ給気するためにスペースの約２／３を空いたままにし、バッグを密封する。
【００８７】
７．貯蔵：
接種菌は、直火から離れた好ましくは１５℃〜３０℃±２℃を超えない温度の冷所に最大６カ月間にわたり貯蔵しなければならない。微生物をより長期間生存させるためには、バッグは温度４℃で低温貯蔵しなければならない。
【００８８】
微生物の培養
リゾビウム属（Ｒｈｉｚｏｂｉｕｍ）、アゾスピリリウム属（Ａｚｏｓｐｉｒｉｌｌｕｍ）、アゾトバクター属（Ａｚｏｔｏｂａｃｔｅｒ）およびホスホバクテリア属（Ｐｈｏｓｐｈｏｂａｃｔｅｒｉａ）の大量生産のために好ましい培地は、下記のとおりである。
【００８９】
【表６】
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【００９０】
ｐＨを６．８に調整した後および寒天を加える前に、水１Ｌに１０ｍＬのコンゴレッドストック液（水１００ｍＬに溶解させたコンゴレッド２５０ｍｇ）を加える。
【００９１】
【表７】
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【００９２】
【表８】
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【００９３】
【表９】
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【００９４】
ブロスをフラスコ内で調製し、母培養からの接種菌をフラスコに移す。培養は液内培養として３０±２℃で浸透条件下で増殖させる。培養は、１０１０〜１０１１ｃｆｕ／ｍＬの最大細胞集団が製造されるまでインキュベートする。最適条件下では、この集団レベルはリゾビウム属（Ｒｈｉｚｏｂｉｕｍ）に対しては４〜５日間以内；アゾスピリリウム属（Ａｚｏｓｐｉｒｉｌｌｕｍ）に対しては５〜７日間；ホスホバクテリア属（Ｐｈｏｓｐｈｏｂａｃｔｅｒｉａ）に対しては２〜３日間およびアゾトバクター属（Ａｚｏｔｏｂａｃｔｅｒ）に対しては６〜７日間以内に達成できよう。フラスコ内で得られた培養は、スターター培養と呼ばれる。接種菌の大規模製造のためには、スターター培養からの接種菌を大型フラスコ／種子タンク型発酵槽に移し、必要なレベルの細胞数に達するまで増殖させる。
【００９５】
バッチ培養での細菌増殖は、４種の異なる期：誘導期（Ａ）、対数期もしくは指数増殖期（Ｂ）、静止期（Ｃ）および死滅期（Ｄ）を用いてモデリングできる。
１．対数期中、細菌は増殖条件に適合する。対数期は、個々の細菌が成熟しているが未だ分割できない期間である。細菌増殖サイクルの対数期中、ＲＮＡ、酵素およびその他の分子の合成が発生する。
２．対数期（時々は対数増殖期もしくは指数増殖期と呼ばれる）は、細胞倍加を特徴とする期間である。単位時間当たり出現する新規細菌の数は、現行集団に比例する。制御された条件下でシアノバクテリアは、１日４回それらの集団を倍加することができる。しかし、培地はまもなく栄養素が枯渇して廃棄物が富裕になるので、指数増殖は無期限に継続できない。
３．静止期は、増殖限定因子、例えば必須栄養素の枯渇および／または例えば有機酸などの阻害生成物の形成などに起因することが多い。静止期は、増殖速度および死滅速度が同等である状態から生じる。
４．死滅期（衰退期）では、細菌は栄養分を消費し尽くして死滅する。
【００９６】
接種菌の調製
以下は、藻類もしくはジアゾトロフ生物接種菌を調製するための例示的手順である。
・  適切な培地を含有する５００ｍＬ、３Ｌおよび５Ｌのフラスコに対応するスターター培養もしくは母培養を接種する（対数期に）。
・  大量の上記培地を発酵装置内で調製し、滅菌して冷却する。
・  発酵装置内の培地には５Ｌフラスコ内で増殖させた対数期培養を接種する。通常は１〜２％の接種菌で十分であるが、接種は、より大きなフラスコ内での培養の増殖に依存して５％までで実施する。
・  細胞は発酵装置内で給気を提供して（滅菌空気を圧縮装置ならびにガラス綿、脱脂綿、酸などの滅菌剤に通過させて）継続的に撹拌しながら増殖する。
・  ブロスは、もしあれば増殖期に接種された生物および汚染の集団についてチェックする。
・  細胞は、インキュベーション期間後に細胞１０９個／ｍＬの集団充填量で収穫する。
・  １０−６の希釈レベルで真菌もしくは他の細菌汚染が全く存在してはならない。
・  発酵後に２４時間を超える長期間にわたりブロスを貯蔵するのは賢明ではない。生菌数は、４℃でさえ減少し始める。
【００９７】
担体材料の加工処理
適切な担体材料の使用は、優れた品質の生物肥料の製造に寄与する。泥炭土壌、褐炭およびバイオ炭は、好ましい担体材料である。バーミキュライト、木炭、圧搾泥、堆肥および土壌混合物もまた担体として使用できる。中和された泥炭土壌および褐炭は、相当に低いコスト、有機物質含有量が高い、非毒性、加工し易いおよび５０％を超える保水能力を有するという利点を有している。
・  担体材料は、２１２μのＩＳふるいを通過できるように粉末にする。
・  泥炭土壌および褐炭担体材料のｐＨは、酸性（４〜５のｐＨ）である炭酸カルシウムを用いて中和する（１：１０の比率）。
・  中和した担体材料はオートクレーブ内で汚染物質を除去するために滅菌する。
【００９８】
接種菌パケットの調製
・  中和されて滅菌された担体材料は、清潔で乾燥した無菌金属製もしくはプラスチック製トレイ内に広げる。
・  発酵装置から取り出した細菌培養を滅菌した担体に加え、しっかりと混合する。培養懸濁液を集団に依存して４０〜５０％の保水能力のレベルまで加える。この濃度は、大量の水分の半分を再び保持することができ、依然として自由流動性である初期湿潤点に対応する。
・  接種菌は、密閉されて室温で２〜３日間かけて硬化させられる２００ｇの量でポリエチレンバッグ内に包装される。
・  ボリエチレンバッグは低密度グレードでなければならず、約５０〜７５μの厚さを有していなければならない。
【００９９】
菌根ジアゾトロフ生物肥料の大量生産および使用
下記は、菌根（ＡＭ）菌を製造するための例示的方法である：
・  溝（１ｍ×１ｍ×０．３ｍ）を形成し、植物成長用タブとして使用する黒色ポリエチレンシートでライニングする。
・  ５０ｋｇのバーミキュライトおよび５ｋｇの滅菌土壌を混合し、溝内に２０ｃｍの高さまで充填する。
・  １ｋｇのＡＭ接種菌（母培養）をバーミキュライトの表面の２〜５ｃｍ下方に塗布する。
・  ２分間かけて５％の次亜塩素酸ナトリウムで表面を殺菌したトウモロコシ種子を撒く。
・  種子を撒く時点に各溝に対して２ｇの尿素、２ｇの過リン酸石灰および１ｇの塩化カリウムを塗布する。さらに各溝に対して種を撒いて３０日後および４５日後に１０ｇの尿素を２回塗布する。
・  根サンプル中のＡＭコロニー形成に関する品質試験は第３０日および第４５日に実施する。
・  ストック植物を６０日間（８週間）生長させる。接種菌は、ストック植物の根を全部切断することにより入手する。製造された接種菌は、バーミキュライト、胞子、菌糸片および感染した根片の混合物からなる。
・  ６０日間以内に５５ｋｇのＡＭ接種菌を１ｍ２の面積から生成することができた。この接種菌は、１１，０００本の苗を有する５５０ｍ２の苗床領域を処理するために十分である。
【０１００】
育苗適用のためには、１ｍ２当たり１００ｇのバルク状バーミキュライト支持ＡＭ（ＶＡＭ）接種菌を使用すれば十分である。接種菌は、播種の時点に土壌表面から２〜３ｃｍ下方に適用しなければならない。種子／挿木は、感染を誘発するためにＶＡＭ接種菌の上方に播種／植付けしなければならない。
【０１０１】
ポリエチレン隆起作物のため：各パケットに対して５〜１０ｇのバルク状ＶＡＭ接種菌で十分である。１０ｋｇの接種菌を１，０００ｋｇの砂注封混合物と混合し、播種の前にポリエチレンバッグ内に注封混合物をパッキングする。
【０１０２】
移植のため：苗木１本当たり２０ｇのＶＡＭ接種菌が必要とされる。接種菌を植付けの時点に塗布する。■
【０１０３】
現在ある樹木のため：樹木１本に接種するためには２００ｇのＶＡＭ接種菌が必要である。接種菌は、生物肥料塗布の時点に根の表面地殻に塗布する。
【０１０４】
シアノバクテリアの大量生産および現場塗布
複合培養を含む藍藻類（ＢＧＡ）の接種は、単一培養接種よりはるかに効果的であることが見いだされている。田んぼの条件下で藍藻類の複合培養の大規模生産のための技術が開発され、土壌をベースとするＢＧＡ接種菌は２年間を超えて生存できることが見いだされた。藻類接種が３〜４の連続作期にわたって使用された多くの場所では、接種された藻類は定着し、効果はその後の米作にわたって持続した。藍藻類接種菌は数種の方法、つまりタブ内、亜鉛メッキトレイ内、小窩内およびフィールド条件にある閉鎖型もしくは開放型ＰＰＲ内で製造されてよい。しかし農業従事者が容易に採用できるフィールド条件下での大規模製造が好ましいことが多い。
【０１０５】
Ｉ．トレイ内での増殖
・  小規模生産のためには大型金属製トレイ（６’×３’×６’’ｌｂｈ）を使用できる。
・  １０ｋｇの水田土壌を取り出し、粉末化された土壌をしっかりと乾燥させて広げる。
・  水を３’’の高さまで充填する。
・  接種菌としての２５０ｇの乾燥藻類フレーク（土壌をベースとする）を加える。
・  １５０ｇの過リン酸石灰および３０ｇの石灰を加え、土壌としっかりと混合する。
・  昆虫を防除するために２５ｇのカルボフランを振りかける。
・  トレイ内の水位を維持する。
・  １０〜１５日間後に、ＢＧＡの花が水源上に浮遊し始める。
・  この段階で散水を停止して排水する。土壌を完全に乾燥させる。
・  乾燥土壌をベースとする接種菌をフレークとして収集する。
・  乾燥した場所に貯蔵する。この方法によって５〜７ｋｇの土壌をベースとする接種菌を入手できる。
【０１０６】
ＩＩ．フィールド条件下での増殖
材料
・  田んぼ
・  過リン酸石灰
・  カルボフラン
・  複合ＢＧＡスターター培養
手順
日光に直接的に露光される水源近くの４０ｍ２（２０ｍ×２ｍ）の地域を選択する。この小区画を全部囲む高さ１５ｃｍまでの支持塀を作成し、透水を原因とする水の損失を防止するためにこの塀をプラスチックもしくは高密度の砂の非透過層でコーティングする。
・  小区画をしっかりと準備し、一様に平滑化して水の深さを５〜７．５ｃｍにさせ、１２時間沈着させた。
・  ２ｋｇの過リン酸石灰および２００ｇの石灰を小区画に面積全体に一様に塗布する。
・  ５ｋｇ当たり８〜１０種を含有するＢＧＡの土壌をベースとする複合スターター培養をしっかりと粉末化して散布する。
・  ＢＧＡ内で発生する土壌昆虫を防除するためにカルボフランもまた２００ｇで塗布する。
・  水は、水位の高さが常に５ｃｍで維持されるように定期的間隔で注入する。
・  接種の１５日後、小区画を日光下で完全に乾燥させ、藻類フレークを収集して貯蔵する。または、ＢＧＡ細胞を水から単離するためには、気泡分離もしくは他の分離手段が使用されてよい。
・  浮遊性藻類フラスコは緑色もしくは青緑色である。各収穫物から、小区画から３０〜４０ｋｇの乾燥藻類フレークが得られる。
【０１０７】
ＩＩＩ．田んぼ内でのＢＧＡの接種方法
藍藻類は、以下に記載する方法にしたがって田への土壌をベースとする接種菌として塗布されてよい。
・  土壌をベースとする藻類フレークを粉末化する。
・  それを１０ｋｇの土壌もしくは砂（１０ｋｇの土壌／砂を含む１０ｋｇの粉末状藻類フレーク）と混合する。
・  ＢＧＡは、田植えの７〜１０日後に接種しなければならない。
・  ＢＧＡ接種時点およびその後１カ月間は最高ＢＧＡが得られるように３〜４’’の水位を維持しなければならない。
・  ＢＧＡ接種の１週間後、藻類の成長を見ることができ、藻類マットは２〜３週間後に水上に浮遊するであろう。藻類マットの色は緑色または緑褐色もしくは黄緑色であろう。個々の微生物は田んぼに別個に適用されてもよいが、通常はこれらの微生物の多成分混合物をシアノバクテリア、ジアゾトロフ生物および構造化バイオ炭の物理的混合物を用いて１回の適用で適用するのが好ましい。この方法で、本発明者らは、個別性分の連続適用の必要を排除する。
【０１０８】
アカウキクサ属（Ａｚｏｌｌａ）ジアゾトロフ生物の大量生産および現場塗布
アカウキクサ属（Ａｚｏｌｌａ）は、水中で浮遊して窒素固定藍藻類のアナベナ属の一種であるアナベナ・アゾラエ（Ａｎａｂａｅｎａ  ａｚｏｌｌａｅ）と結び付いて大気窒素を固定する浮遊性水性シダである。アカウキクサ属（Ａｚｏｌｌａ）の葉状体は、浮遊性根茎および小さな重なり合う二裂葉および根を備える胞子体からなる。アカウキクサ属（Ａｚｏｌｌａ）は、水稲のための生物肥料として使用され、１米作当たり４０〜６０ｋｇのＮｈａ−１に貢献することが公知である。本発明によると、アカウキクサ属（Ａｚｏｌｌａ）は、実質的にアカウキクサ属（Ａｚｏｌｌａ）単独に比して改良された特性を有する生物肥料として構造化バイオ炭および藍藻類と組み合わせて１回の適用で、または連続的に適用される。
【０１０９】
Ｉ．フィールド条件下でのアカウキクサ属（Ａｚｏｌｌａ）の大量増殖
農業従事者が容易に採用できるように、フィールドでアカウキクサ属（Ａｚｏｌｌａ）を大規模増殖するための単純なアカウキクサ属（Ａｚｏｌｌａ）育苗法が開発されている。
材料
・  面積が１セント（４０ｍ２）の小区画
・  牛糞
・  過リン酸石灰
・  フラダン
・  新鮮アカウキクサ属（Ａｚｏｌｌａ）接種菌
手順
・  水田を選択し、完全に準備して一様に水平にする。
・  水田に適切な堤防と用水路を備えることによって１セントの小区画（２０×２ｍ）をマーキングする。
・  水位を１０ｃｍの高さに維持する。
・  １０ｋｇの牛糞を水２０Ｌ中に混合し、フィールド内に散布する。
・  規定用量として１００ｇの過リン酸石灰を適用する。
・  各ポットに８ｋｇで新鮮アカウキクサ属（Ａｚｏｌｌａ）バイオマスを接種する。
・  アカウキクサ属（Ａｚｏｌｌａ）の接種４日後および８日後に最上層生物肥料として過リン酸石灰を１００ｇで適用する。
・  アカウキクサ属（Ａｚｏｌｌａ）の接種７日後に１００ｇ／小区画でカルボフラン（フラダン）を適用する。
・  ２週間もしくは３週間の成長期間を通して水位を高さ１０ｃｍに維持する。
・  小区画上に浮遊するアカウキクサ属（Ａｚｏｌｌａ）マットを収穫し、排水してバイオマスを記録する。
【０１１０】
ＩＩ．アカウキクサ属（Ａｚｏｌｌａ）を米作に接種する方法
アカウキクサ属（Ａｚｏｌｌａ）生物肥料は、水田の稲に様々な方法で適用されてよい。第１の方法では、新鮮アカウキクサ属（Ａｚｏｌｌａ）バイオマスが水田に接種され、その後に移植して緑肥として組み込まれる。この方法は極めて大量の新鮮アカウキクサ属（Ａｚｏｌｌａ）を必要とする。他の方法では、アカウキクサ属（Ａｚｏｌｌａ）は田植え後に接種されてよく、米との二重培養として生育させて引き続いて組み込まれてよい。
Ａ．米作のための緑肥としてのアカウキクサ属（Ａｚｏｌｌａ）バイオマスの組み込み
・  新鮮アカウキクサ属（Ａｚｏｌｌａ）バイオマスをアカウキクサ属（Ａｚｏｌｌａ）育苗小区画から収集する。
・  湿地帯をしっかりと準備し、容易な組み込みに丁度十分となるように水を維持する。
・  新鮮アカウキクサ属（Ａｚｏｌｌａ）バイオマス（１５ｔｈａ−１）を主要田畑に適用し、農機具もしくはトラクターを使用してアカウキクサ属（Ａｚｏｌｌａ）を組み込む。
Ｂ．米用の二重作物としてのアカウキクサ属（Ａｚｏｌｌａ）の接種
・  田植えされた田んぼを選択する。
・  新鮮アカウキクサ属（Ａｚｏｌｌａ）の接種菌をアカウキクサ属（Ａｚｏｌｌａ）の苗床から収集する。
・  田植え７日後に田植えした田んぼに新鮮アカウキクサ属（Ａｚｏｌｌａ）を散布する（５００ｋｇ／ｈａ）。
・  水位を５〜７．５ｃｍで維持する。
・  田植え４週間後にアカウキクサ属（Ａｚｏｌｌａ）マットの増殖を観察し、農機具もしくはトラクターを使用して、または耕作間作業中にアカウキクサ属（Ａｚｏｌｌａ）バイオマスを組み込む。
・  アカウキクサ属（Ａｚｏｌｌａ）の二次開花は田植え８週間後に生じるが、これは再び組み込まれてよい。
・  ２回の組み込みによって、２０〜２５トンのアカウキクサ属（Ａｚｏｌｌａ）を１ヘクタールの田んぼに組み込むことができる。アカウキクサ属（Ａｚｏｌｌａ）はさらにまた、他のジアゾトロフ生物について上述した方法と類似の方法で最初に乾燥させて粉末化して加工されてもよい。あらゆる場合に、アカウキクサ属（Ａｚｏｌｌａ）は、生物肥料中で構造化バイオ炭および藍藻類と結合される。
【０１１１】
生物肥料の適用
本発明の生物肥料は、種子処理もしくは種子接種として、苗根浸漬法として、または主要田畑適用のいずれかで適用されてよい。種子処理のためには、スラリーを作成するために１パケットの接種菌を２００ｍＬのライスカンジ（ｒｉｃｅ  ｋａｎｊｉ）と混合する。種子全体に接種菌の一様なコーティングを有するように１エーカーのために必要とされる種子をスラリー中に混合し、次に３０分間陰干しする。陰干しした種子は２４時間以内に播種しなければならない。１０ｋｇの種子を処理するには１パケットの接種菌（２００ｇ）で十分である。
【０１１２】
移植される作物のためには苗根浸漬法を使用する。２パケットの接種菌を水４０Ｌと混合する。１エーカーのために必要とされる苗の根分を５〜１０分間混合液中に浸漬し、次に移植する。
【０１１３】
主要田畑適用のためには、４パケットの接種菌を乾燥させて粉末状にした農場堆肥２０ｋｇと混合し、次に移植直前に１エーカーの主要田畑内に散布する。
【０１１４】
リゾビウム属（Ｒｈｉｚｏｂｉｕｍ）
全てのマメ科植物リゾビウム属（Ｒｈｉｚｏｂｉｕｍ）を種子接種菌として適用する。
【０１１５】
アゾスピリリウム属（Ａｚｏｓｐｉｒｉｌｌｕｍ）／アゾトバクター属（Ａｚｏｔｏｂａｃｔｅｒ）
移植される作物では、アゾスピリリウム属（Ａｚｏｓｐｉｒｉｌｌｕｍ）は種子、苗根浸漬法および土壌適用法を通して接種する。直接播種される作物に対しては、アゾスピリリウム属（Ａｚｏｓｐｉｒｉｌｌｕｍ）は種子処理および土壌適用を通して適用する。
【０１１６】
ホスホバクテリア属（Ｐｈｏｓｐｈｏｂａｃｔｅｒｉａ）
アゾスピリリウム属（Ａｚｏｓｐｉｒｉｌｌｕｍ）の場合と同様に、種子、苗根浸漬法および土壌適用法を通して接種した。細菌性生物肥料の併用適用。ホスホバクテリア属（Ｐｈｏｓｐｈｏｂａｃｔｅｒｉａ）は、アゾスピリリウム属（Ａｚｏｓｐｉｒｉｌｌｕｍ）およびリゾビウム属（Ｒｈｉｚｏｂｉｕｍ）と混合することができる。これらの接種菌は等量で混合して上述のように適用しなければならない。
【０１１７】
ガイドライン
・  細菌接種菌は、殺虫剤、殺菌剤、除草剤および化学肥料と混合されてはならない。
・  細菌接種菌を用いた種子処理は、最後に種子が殺菌剤で処理される時点に実施しなければならない。
【０１１８】
【表１０】
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【０１１９】
【表１１】
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【０１２０】
ホスホバクテリア属（Ｐｈｏｓｐｈｏｂａｃｔｅｒｉａ）  ホスホバクテリア属（ｐｈｏｓｐｈｏｂａｃｔｅｒｉａ）のためにはアゾスピリリウム属（Ａｚｏｓｐｉｒｉｌｌｕｍ）の推奨量が採用される；併用接種のためには、両方の生物肥料を勧告にしたがって使用前に一様に混合しなければならない。
【図１】
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【図２】
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