(57)【要約】  本発明は、大型藻類の成長のためのバイオリアクター、及び水槽または水産養殖システムにおける生物のための最適な栄養レベルを維持するためのバイオリアクターの使用方法を特徴とする。本発明の装置及び方法は、水槽または水産養殖システムに存在する１種以上の生物の成長及び／または健康を促進するその水槽または水産養殖システムにおける栄養バランスを維持するために過剰栄養素のバイオレメディエーションを提供する。【選択図】なし
2018501956.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光透過性チューブと大型藻類成長用支持構造体とを含む電機子アセンブリに取り付けられた光アセンブリを含む水槽または水産養殖システムにおける標的栄養素の生物吸収のためのバイオリアクターであって、前記電機子アセンブリが外側チャンバーアセンブリ内に取り付けられ、前記光透過性チューブ及び前記外側チャンバーが大型藻類のための成長チャンバーを画定する前記バイオリアクター。
【請求項２】
当該バイオリアクターが使用されている時、前記成長チャンバーが周囲雰囲気から実質的に密閉されている請求項１に記載のバイオリアクター。
【請求項３】
前記光アセンブリが前記電機子アセンブリに着脱可能に固定され、前記電機子アセンブリが前記外側チャンバーアセンブリに着脱可能に固定されている請求項１に記載のバイオリアクター。
【請求項４】
前記光アセンブリが、ＬＥＤ、光源と冷却システムとを含む請求項１に記載のバイオリアクター。
【請求項５】
前記光アセンブリが、蛍光灯、発光陰極（ＬＥＣ）、及び側面放出光ファイバからなる群の１つ以上から選択される光源を含む、請求項１に記載のバイオリアクター。
【請求項６】
前記光源が複数のＬＥＤ光を含む請求項５に記載のバイオリアクター。
【請求項７】
前記冷却システムが、水系冷却システム、冷媒系冷却システム、導電性金属ロッド、及びヒートパイプからなる群の１つ以上を含む請求項４に記載のバイオリアクター。
【請求項８】
前記冷却システムが、ヒートパイプを含む請求項７に記載のバイオリアクター。
【請求項９】
前記冷却システムが、水系冷却システムを含む請求項７に記載のバイオリアクター。
【請求項１０】
前記電機子アセンブリが、前記光チューブに着脱可能に固定された蓋を含み、前記装置が組み立てられ、使用されている時に、前記蓋が前記チャンバーアセンブリと実質的に気密且つ水密のシールを形成する請求項１に記載のバイオリアクター。
【請求項１１】
前記電機子アセンブリの蓋が、水が前記バイオリアクターを出て主タンクに戻る流出ポートを含む請求項７に記載のバイオリアクター。
【請求項１２】
前記電機子アセンブリの１つ以上の支持構造が、バッフルプレート、軸方向放射ピン、軸方向放射ブレード、可撓性コイルまたはこれらの組み合わせからなる群から選択される請求項１に記載のバイオリアクター。
【請求項１３】
前記電機子アセンブリの１つ以上の支持構造が、前記光チューブに移動可能に固定されたバッフルプレートを含む請求項１に記載のバイオリアクター。
【請求項１４】
複数のＬＥＤ光を含む光アセンブリと、光透過性チューブ及び１つ以上のバッフルプレートを含む電機子アセンブリに取り付けられたヒートパイプとを含むバイオリアクター用電機子アセンブリを含む水槽または水産養殖システムにおける標的栄養素の生物吸収のためのバイオリアクターであって、
前記電機子アセンブリが外側チャンバーアセンブリ内に取り付けられ、前記光透過性チューブ及び前記外側チャンバーは、大型藻類のための成長チャンバーを画定し、前記光アセンブリが前記成長チャンバーに対して同軸に配向しており、当該バイオリアクターが使用されている時に前記成長チャンバーが周囲雰囲気から実質的に密閉されている前記バイオリアクター。
【請求項１５】
バイオリアクターの成長チャンバーに大型藻類を提供することを含む請求項１に記載のバイオリアクターを使用する水槽または水産養殖システムにおいて、栄養バランスを維持する方法であって、当該バイオリアクターが使用されている間、実質的に安定した流速で水槽または水産養殖システムから水を供給し、栄養補助剤を供給すること；バイオリアクター光源からの光を供給すること；及び大型藻類の一部を定期的に除去することを含む前記方法。
【請求項１６】
前記大型藻類が、緑色大型藻類、褐色大型藻類及び赤色大型藻類からなる群から選択される請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記大型藻類が、緑色大型藻類である請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記緑色大型藻類が、ジュズモ（Ｃｈａｅｔｏｍｏｒｐｈａ）属及びシオグサ（Ｃｌａｄｏｐｈｏｒａ）属から選択される種である請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記緑色大型藻類が、ジュズモ（Ｃｈａｅｔｏｍｏｒｐｈａ）属から選択される種である請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記緑色大型藻類が、ウスイロジュズモ（Ｃｈａｅｔｏｍｏｒｐｈａ  ｌｉｎｉｕｍ）である請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記光源を、バイオリアクターの暗／明サイクルが主タンクの暗／明サイクルと比較して実質的に逆転するように、オン・オフさせる請求項１５に記載の方法。
【請求項２２】
前記栄養補助剤が、前記大型藻類の生物学的要求による標的栄養素の制限を引き起こすために十分な量で添加される１つ以上の栄養素を含む請求項１５に記載の方法。
【請求項２３】
窒素及び他の栄養素は、リンがバイオリアクター内の大型藻類の成長制限栄養素となるように補充される請求項１５に記載の方法。
【請求項２４】
窒素が、約２０：１〜２００：１の硝酸塩対リン酸塩の比を維持するために補充される請求項１５に記載の方法。
【請求項２５】
窒素が、約８０：１〜１２０：１の硝酸塩対リン酸塩の比を維持するために補充される請求項１５に記載の方法。
【請求項２６】
窒素が、約１００：１の硝酸塩対リン酸塩の比を維持するために補充される請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願への相互参照
本出願は、２０１４年１１月７日に出願された米国特許出願第６２／０７７，０４０号の優先権を主張するものであり、またこの出願は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【０００２】
発明の分野
本発明は、水槽または水産養殖システム中に存在する１種以上の生物の成長及び／または健康を促進するその水槽または水産養殖システムにおける栄養バランスを維持するために、標的過剰栄養素を生体吸収するための装置及び方法を提供する。具体的には、本発明は、大型藻類の成長のためのバイオリアクター、及び生物反応器を使用して、水槽または水産養殖システム中の生物に最適な栄養レベルを維持する方法を提供する。
【背景技術】
【０００３】
発明の背景
熱帯、亜熱帯、温帯の水域の保全には、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、カリウム（Ｋ）、炭素（Ｃ）等のマクロ栄養素の微妙なバランスが必要である。過剰な栄養素は、有害なｐＨ変動、迷惑な生物の過増殖、及び水槽内の生物の健康及び／または成長の減退を起こす可能性がある。例えば、リン酸塩は、新しい骨格成長を沈着させるサンゴの能力を阻害する。本発明の装置及び方法は、水槽(ａｑｕａｒｉｕｍ)または水産養殖システムにおける栄養素のバランスを与えるように機能する。
【０００４】
本発明の装置は、いくつかの重要な点で退避地（レヒュージアム）と異なる。退避地は、主水槽タンクに接続され、且つ捕食（例えば主タンク内の魚による捕食）のない植物及び／または動物の成長のための別個の場所として機能する外部タンクである。退避地は、主タンク内の栄養レベルを制御しようとする大型藻類の成長を支援するために使用することができる。しかしながら、退避地は、栄養レベルまたは日中ｐＨ変動を制御する効率的な手段であるとは考えられていない。非効率的な水の流れ及び照明のために、退避地は、リン酸塩のような過剰な栄養素を制御し、及び／または日常のｐＨ変動を防ぐには不十分である。さらに、退避地は大気に開放されており、大気からの炭素の直接取り込みを可能にし、水を黄色にする溶解した有機炭素化合物（例えば、多糖類）の合成を導き得る。
【０００５】
Ｗａｌｔｅｒ  Ｈ．  Ａｄｅｙ（米国特許第４，９６６，０９６号及び第５，０９７，７９５号）は、移動可能で実質的に平坦な水平に配置されたトレイ形状の容器（ｒｅｃｅｐｔａｃｌｅ）に置かれた藻類成長表面を提供するスクリーンを含む「水浄化システム」を記載している。Ａｄｅｙが記載した装置では、藻類の芝生を、シミュレーションされた潮汐及び波に曝露するための機構を組み込んだ野外システムにおいて微小藻類を利用する。これらの装置には、波をシミュレーションする複雑な機構が組み込まれている。例えば、Ａｄｅｙが記載した実施形態では、藻類の芝が付着するトレイは、水の重量によりトレイが傾斜するまで水槽タンクからの水を蓄積し、水を放出し、そしてトレイを元の水平位置に戻す。
【０００６】
Ｋｙｌｅ  Ｒ．  Ｊｅｎｓｅｎ（米国特許第５，５２７，４５６号、第５，５７３，６６９号及び第５，８４６，４２３号）は、微小藻類の生育表面としての底面に、スクリーンまたは類似の基材を有する平らな水路を含む、水を浄化する方法を記載している。Ｊｅｎｓｅｎは、Ａｄｅｙのように、藻類の芝生の表面にわたって周期的な水の急上昇を伴う野外システムを利用している。
【０００７】
本発明は、従来技術に対していくつかの利点を提供する。本発明は、本発明の一部として利用される大藻類の成長を促進するための光への最適な暴露を提供する。本発明はまた、メンテナンスの容易さ、並びに大型藻類及び栄養補給による生物学的吸収を介して主タンク内の１つ以上の栄養素のレベルを制御する能力を提供する。一実施形態では、本発明のバイオリアクターは、大気に直接曝されない閉ループシステムを提供し、含まれる大型藻類を主タンクからの炭素に制限する。さらに、本発明は、Ｊｅｎｓｅｎ及びＡｄｅｙが記載した複雑なメカニズムを回避している。
【発明の概要】
【０００８】
本発明は、光透過性チューブと大型藻類成長用支持構造体とを含む電機子アセンブリに取り付けられた光アセンブリを含む水槽または水産養殖システムにおける標的栄養素の生物吸収のためのバイオリアクターであって、前記電機子アセンブリが外側チャンバーアセンブリ内に取り付けられ、前記光透過性チューブ及び外側チャンバーが大型藻類のための成長チャンバーを画定する前記バイオリアクターを特徴とする。一実施形態では、光アセンブリは、電機子アセンブリに着脱可能に取り付けられる。一実施形態では、バイオリアクターが使用されている時、増殖チャンバーは周囲雰囲気から実質的に密封される。
【０００９】
一実施形態では、光アセンブリは、光源及び冷却システムを備えている。一実施形態では、光源は、成長チャンバーに対して同軸の向きを有する。一実施形態では、光アセンブリは、ＬＥＤ、蛍光灯、発光陰極（ＬＥＣ）、及び側面放出光ファイバからなる群から選択される光源を含む。一実施形態では、光源は、複数のＬＥＤライト、例えば１つ以上のＬＥＤアレイ（配列）を含む。一実施形態では、光源は、１つ以上のＬＥＤ可撓性アレイを含む。一実施形態では、複数のＬＥＤライトは、それぞれが異なる波長で光を放射する２つ以上のタイプのＬＥＤを含む。例えば、一実施形態では、複数のＬＥＤ光は、約４５０ｎｍの波長の光を主に放出するＬＥＤと、約６５０ｎｍの波長の光を放出するＬＥＤとを含む。
【００１０】
一実施形態では、冷却システムは、導電性金属棒、ヒートパイプ、水系冷却システム、及び／または冷媒系冷却システム（例えば、ヒートポンプ）を含む。一実施形態では、冷却システムは、余分な熱を外部放熱板に伝達するヒートパイプを含む。一実施形態では、放熱板は空冷される。別の実施形態では、放熱板は液冷式であり、例えばウォーターブロックである。一実施形態では、冷却システムは、液体系冷却システムを含む。一実施形態では、冷却システムは、同軸水パイプを備えた水系冷却システムを含む。一実施形態では、光源は冷却システムに固定されている。
【００１１】
一実施形態では、電機子アセンブリは、光伝達チューブ（即ち、ライトチューブ）と、成長チャンバー内の大型藻類を支持する１つ以上の構造体とを備える。一実施形態では、電機子アセンブリは、ライトチューブに固定された蓋を含み、蓋は、装置が組み立てられて使用されている時に、チャンバーアセンブリと実質的に気密且つ水密なシールを作り出す。一実施形態では、電機子アセンブリの蓋は、光チューブに着脱可能に取り付けられる。一実施形態では、電機子アセンブリの蓋は、水がバイオリアクターを出て主タンクまたは水産養殖システムに戻る流出口を含んでいる。別の実施形態では、電機子アセンブリの支持構造体は、１つ以上のバッフルプレート、軸方向に放射するピン、軸方向に放射するブレード、及び／または可撓性コイルを含む。一実施形態では、電機子アセンブリの１つ以上の支持構造体は、光チューブに移動可能に取り付けられたバッフルプレートを含む。
【００１２】
一実施形態では、チャンバーアセンブリは、円筒状の外側ハウジングと、外側ハウジングの下端に取り付けられたベースプレートとを含む。一実施形態では、ベースプレートは、装置が作動している時に、水槽または水産養殖システムからの水が成長チャンバーに入る供給ポートを含む。
【００１３】
本発明はまた、バイオリアクターの成長チャンバーに大型藻類を提供することを含む、本発明のバイオリアクターを使用する水槽または水産養殖システムにおける栄養バランスを維持する方法であって、バイオリアクターが使用されている間、実質的に安定した流速で水槽または水産養殖システムから水を供給し、栄養補助剤を供給すること；バイオリアクター光源からの光を供給すること；及び大型藻類の一部を定期的に除去、廃棄することを含む前記方法を特徴とする。一実施形態において、大藻類が、緑色大型藻類、褐色大型藻類または赤色大型藻類、或いはこれらの組み合わせである。一実施形態において、大藻類が、緑色大型藻類である。さらなる実施形態において、緑色大型藻類が、ジュズモ（Ｃｈａｅｔｏｍｏｒｐｈａ）属及びシオグサ（Ｃｌａｄｏｐｈｏｒａ）属から選択される種である。一実施形態において、緑色大型藻類が、ジュズモ（Ｃｈａｅｔｏｍｏｒｐｈａ）属から選択され、さらなる実施形態において、大型藻類が、ウスイロジュズモ（Ｃｈａｅｔｏｍｏｒｐｈａ  ｌｉｎｉｕｍ）である。
【００１４】
一実施形態では、バイオリアクターの暗／明サイクルが主タンクまたは水産養殖システムの暗／明サイクルと比較して実質的に逆転するように、光源を周期的にオン・オフする。主タンクまたは水産養殖システムが光合成生物を含んでいない場合、主タンクまたは水産養殖システムの明／暗サイクルを短くすることができ、例えば、２４時間に３又は４回の明暗サイクルが存在するようにすることができる。
【００１５】
一実施形態において、１つ以上の栄養素が、大型藻類の生物学的要求に起因する標的栄養素の制限を引き起こすために十分な量で補充される。一実施形態では、リンがバイオリアクター内の大型藻類の生長制限栄養素となるように、栄養素が補充される。一実施形態では、約２０：１〜２００：１の重量比の硝酸塩対リン酸塩比を維持するために窒素が補充される。一実施形態では、約８０：１〜１２０：１の重量比の硝酸塩対リン酸塩比を維持するために窒素が補充される。一実施形態では、約１００：１の重量比の硝酸塩対リン酸塩比を維持するために窒素が補充される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】照明アセンブリの一実施形態。
【図２】電機子アセンブリの一実施形態。
【図３】チェンバーアセンブリの一実施形態。
【図４Ａ】図１の光源アセンブリ、図２の電機子アセンブリ及び図３のチャンバーアセンブリを有する本発明のバイオリアクターの一実施形態のアセンブリの概略図。
【図４Ｂ】図１の光源アセンブリ、図２の電機子アセンブリ及び図３のチャンバーアセンブリを有する本発明の組み立てられたバイオリアクターの一実施形態。
【図５】海洋水族館システムの一部としての本発明のバイオリアクターの概略図。
【図６】照明アセンブリに使用するための水系冷却システムの一実施形態の図。
【図７】照明アセンブリに使用するための水系冷却システムの一実施形態の断面図。
【図８】水系冷却システムを使用する照明アセンブリの一実施形態の図。
【図９】本発明のバイオリアクターに入る前に、水槽または水産養殖システムからの水を、カルシウムリアクターに迂回させるために使用されるカルシウム供給・注入アセンブリの図。
【発明の詳細な説明】
【００１７】
本発明は、水槽または水産養殖システムに住む１つ以上の生物の成長及び／または健康を促進するその水槽または水産養殖システムにおける栄養バランスを維持するために、オペレーターが標的とした過剰栄養素の生体吸収のための装置及び方法を提供する。
【００１８】
本発明は、大型藻類の成長のためのバイオリアクターを提供する。本発明のバイオリアクターは、３つの構成要素：（ｉ）光アセンブリ（例えば、図１参照）；（ｉｉ）電機子アセンブリ（例えば、図２参照）；及び（ｉｉｉ）チャンバーアセンブリ（例えば、図３参照）を含む。図４は、本発明の例示的な実施形態の組み立てられたバイオリアクターを示す。本発明の一実施形態は、図５に示されており、これは、本発明のバイオリアクターを水槽システムに組み込んだ図を提供する。
【００１９】
光アセンブリ
本発明の１つの態様は、大型藻類の成長を支援するために光を放出する光アセンブリと、光源によって生成する熱を除去する冷却システムとを含む。好ましい実施形態では、光源は成長チャンバー内に配置され、成長チャンバーに対して同軸に配向している。図１は、光源１０３が複数（即ち、２つ以上）のＬＥＤ光を含む光アセンブリの一実施形態を示す。光源の電源コードポートは１０２で示される。一実施形態では、複数のＬＥＤライトは、ＬＥＤリボン（熱伝導性接着剤裏当てを有するＬＥＤ可撓性アレイ）である。一実施形態では、複数のＬＥＤ光は、ほぼ同じ波長で光を放射する。別の実施形態では、複数のＬＥＤ光は、それぞれが異なる波長で光を放射する２つ以上のタイプのＬＥＤを含む。例えば、光源を含む複数のＬＥＤ光は、約４５０ｎｍの波長の光を主に放出するＬＥＤ及び約６５０ｎｍの波長の光を放出するＬＥＤを含むことができる。一実施形態では、ＬＥＤの１つのセットは、約４５０ｎｍにピークを有し及び約５５０〜６５０ｎｍを組み込む平均カーブを有するスペクトル曲線を備えたクールホワイトＬＥＤ（約６５００ｋ）であり、及び第２のＬＥＤセットが赤色光を放出する（約６２５−６６０ｎｍ）。一実施形態では、ＬＥＤが、大型藻類の成長を最適化するために発光される光の波長に基づいて選択される。例えば、波長の選択は、光合成における大型藻類によって使用される色素の吸収スペクトルに基づき行うことができる。緑藻類では、このような色素としては、クロロフィル、カロテン、フィコシアニン、及びキサントフィルが挙げられる。赤色藻では、色素としては、フィコエリトリン、褐藻類ではフコキサンチンが挙げられる。一実施形態では、光源は、１インチの距離で約１００〜約３５０μｍｏｌ／ｍ２／ｓの強度で光を放射する。他の実施形態では、光源は、１インチの距離で約２００〜約３００μｍｏｌ／ｍ２／ｓの強度で光を放射する。一実施形態では、光源は、１インチの距離で約２２０〜約２６０μｍｏｌ／ｍ２／ｓの強度で光を放射する。一実施形態では、光源は、１インチの距離で約２４０μｍｏｌ／ｍ２／ｓの強度で光を放射する。
【００２０】
一実施形態では、ＬＥＤ光源１０３は、光源によって生成した熱を放熱板１０１または他の熱除去装置に伝達する熱伝達装置１０４を含む冷却システムに取り付けられる。一実施形態では、熱伝達装置はヒートパイプである。別の実施形態では、熱伝達装置は、導電性金属（例えば、アルミニウム）棒を含む。一実施形態では、冷却システムは、例えば、周囲温度以下に光アセンブリを冷却するために使用される。一実施形態では、ＬＥＤ光源は、光学的に透明なＰＥＴ熱収縮管（図１には示されていない）を使用して熱伝達装置（例えば、ヒートパイプ）に据え付けられる。本発明の１つの態様では、光アセンブリの光源は、光透過性の水中ハウジング（例えば、光チューブ）内に封入される。
【００２１】
一実施形態では、熱伝達装置は中空内部を有し、例えば中空円筒、中空三角柱、中空直角角柱（底面｛ていめん｝が長方形｛ちょうほうけい｝の中空角柱）、中空八角柱のような形状をしている。熱伝達装置の中空部分は、バイオリアクターに入る水を成長チャンバーの底部に運ぶための供給ラインを含むことができる。一実施形態では、熱伝達装置は、中空多面体、例えば中空三角柱、中空直角角柱、中空八角形プリズム等を形成するように配置された複数の平らなヒートパイプを備える。一実施形態では、熱伝達装置は、５〜１０辺を有する平らなヒートパイプの配列を含む。一実施形態では、ヒートパイプはコイル状リボンの形状である。一実施形態では、光源（例えば、ＬＥＤアレイ）が、１つ以上のフラットヒートパイプに固定される。
【００２２】
一実施形態では、光アセンブリ冷却システムは、液体系冷却システムを含む。図６〜図８は、本発明の装置で使用するための水系冷却システムの一実施形態を提供する。図６は水系冷却システムの図を提供し、図７にも断面図として示されている。図８は、光源としてＬＥＤリボンを含む照明アセンブリの一部としての水系冷却システムの図を提供する。この実施形態では、水または他の適当な冷却剤が、ポンプによってラジエータからマニホールド内に循環され、次いで、可撓性チューブ類によって、ＮＰＴスレッドポートのような適切なポート６０２（図７の７０２、図８の８０２）により同軸冷却剤チューブアセンブリを含むウォーターブロック６０５（図８の８０４）に循環される。水は、同軸の冷却剤チューブ６０７を辿って行き、この冷却剤チューブは、冷却剤チューブの長さにわたって冷却剤を運んでウォーターブロックに戻る、内部冷却剤チューブ７０５及び外部冷却剤チューブ７０６を含む。冷却剤チューブは、末端キャップ６０４（図７の７０７、図８の８０７）によって遠位末端がキャップされる。冷却剤は、ＮＰＴねじ切りポート等の適当なポート６０１（図７の７０１、図８の８０１）によりウォーターブロックを出て、可撓性チューブによりマニホールドに戻って、ラジエータに戻り、収集された熱を放擲する。ウォーターブロック、冷却剤チューブ、及び末端キャップは、例えば、アルミニウムまたは銅等の任意の適当な熱伝導材料から独立して構成され得る。アダプタチューブ６０３（図７の７０３、図８の８０３）を使用して、照明アセンブリを電機子アセンブリの光チューブの中心に置くことができる。アダプタチューブは、電源コードグロメット穴６０６（図７では７０４、図８では８０５）を有していてもよく、この穴を光源用の電源コードが通過する。一実施形態では、１つ以上のＬＥＤリボン８０６が同軸冷却剤チューブ６０７の外側に固定される。光アセンブリ冷却システムのこの実施形態は、本発明の複数のバイオリアクターが並行に使用される場合；大規模システムで使用される場合；発生した熱を収集して他の用途のために貯蔵することが望ましい場合；またはバイオリアクターが存在するエンクロージャーから熱を導出する必要がある場合に、有用である。
【００２３】
一実施形態では、光源は蛍光バルブ、例えばＴ５蛍光バルブである。蛍光灯が使用される場合、例えば、アクリルから作製されたものよりも、発生した熱に対してより耐性のあるポリカーボネート光チューブを使用することがしばしば望ましい。アクリルは、周期的明／暗サイクルの場合はオンとオフを切り替えた時の光の熱サイクルからもたらされる応力破損を示すことがある。一実施形態では、蛍光光源は、冷陰極蛍光灯である。他の実施形態では、光源は、発光陰極（ＬＥＣ）または側面放射光ファイバを備える。
【００２４】
電機子アセンブリ
本発明の第２の構成要素は、電機子アセンブリであり、その実施形態が図２に示されている。一実施形態では、電機子アセンブリは、一方の端部（本明細書では上端部と呼ぶ）で開口し、他方の端部は覆われた光透過性材料のチューブ２０５（本明細書では光チューブと呼ぶ）を含む。光チューブ２０５の開口端は、図４に示すように、光アセンブリから光源（図１の１０３）を受け取る。光チューブは、光アセンブリからの光源を収容するのに十分な直径を有する。光チューブは、適当な光透過性材料から構成することができる。一実施形態では、光チューブはポリカーボネートを含む。さらなる実施形態では、光チューブ２０５は、電機子アセンブリから着脱可能であり、これは、チューブが、例えば、光源１０３からの光に曝されることにより経時的に、例えば黄変した時、光チューブの交換を可能にする。
【００２５】
電機子アセンブリは、大型藻類の成長を支援する足場として１つ以上の支持構造体を有する。一実施形態では、支持構造体は、光チューブ２０５に取り付けられた拡散（またはバッフル）板２０６を含み、この拡散板は成長チャンバーを１つ以上のセクション及び支持体に分離し、大型藻類の個々の塊を含む。各拡散板は、成長チャンバーを通る水の流れを可能にする複数の穴２０８を含む。好ましい実施形態では、拡散板２０６は光チューブに移動可能に固定されている。一実施形態では、拡散板は、Ｏ−リング２０７（各拡散板の上方及び下方に１つずつ）により光チューブに沿って定位置に保持される。別の実施形態では、膨張ガスケットが各拡散板を配置するために使用される。拡散板は、アクリルのようなプラスチックを含む任意の適当な材料で作製することができる。別の実施形態では、拡散板は網目スクリーンを含む。上部及び底部の拡散板はバイオリアクター内に藻類を含む。一実施形態では、支持構造体は、光チューブを取り囲むハブを備えたプロペラ設計に１つ以上の軸方向に放射するピンまたはブレードを含む。光透過性材料で作られた場合、このような構造体は、光が藻類の塊の中深くで方向転換できるように働く。一実施形態では、支持構造体は、基部から頂部プレートまで垂直に伸びる複数の堅固に螺旋状にされた可撓性コイル（例えば、ケーブル管理ラップ）を含む。この実施形態では、大型藻類は、それを螺旋のコイルの間に挟むことによって固定される。
【００２６】
一実施形態において、電機子アセンブリの上端部には、光チューブ２０５に取り付けられた蓋２０２がある。一実施形態では、蓋は光チューブに着脱可能に取り付けられ、例えば、仮に光チューブが、光源からの光への曝露のために黄変した場合に、光チューブの交換を容易にしている。蓋２０２と光チューブ２０５との間の密封を容易にするために、例えば、膨張ゴムガスケット（Ｕｎｉｓｅａｌ）のような密封装置２０１を使用することができる。組み立てられると、電機子アセンブリは、蓋２０２を介してチャンバーアセンブリ（図３に示す３０２）のフランジに固定される。蓋２０２は、チャンバーアセンブリからの電機子アセンブリの定期的分解を可能にする任意の機構によってチャンバーアセンブリに固定することができる。一実施形態では、蓋は、親指ねじ（図４の４０１）を使用して蓋をチャンバーアセンブリに固定することを可能にするキーホール２０４を含む。別の実施形態では、蓋は、１つ以上のファスナまたはクランプを使用してチャンバーアセンブリに可逆的に固定される。別の実施形態では、フランジではなく、蓋は、大きなネジ山付きユニオンフィッティングを使用して、可逆的にチャンバーアセンブリに固定される。蓋が、周囲の空気雰囲気から組み立てられ使用される時、バイオリアクターの上部をシールして、水密シールを形成する。蓋はさらに、水がバイオリアクターから出て、直接または間接的に主タンクに戻る流出ポート２０３を含む。流出ポートは、Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｐｉｐｅ  Ｔａｐｅｒ（ＮＰＴ）、或いはカムロック、ホースバーブ、ネジ式ユニオン、押し込み式継ぎチューブ継手、バルブ付きクイック・ディスコネクト（例えば、ＣＰＣ；Ｃｏｌｄｅｒ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ  Ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ）等の他の適当なアダプターを含むことができる。アダプターの選択は、使用される液体移送導管のタイプ、圧力、及び流量に依存し得る。
【００２７】
チャンバーアセンブリ
本発明の装置の第３の構成要素は、チャンバーアセンブリであり、その実施形態を図３に示す。チャンバーアセンブリは外側ハウジング３０５を含む。好ましい実施形態では、外側ハウジングは円筒形であるが、例えば、円錐、立方体、及び直角プリズム等の他の形状も考えられる（拡散板の形状を適切に調整して）。外側ハウジングは、例えば、アクリル、ＰＶＣ、ポリエチレン、ポリプロピレン、ＰＥＴ、ＡＢＳ、ＰＴＦＥ、ＦＥＰ、または実質的に非反応性で低い吸水率を有する任意のポリマーを含む任意の適当な材料、好ましくはシステムの水に浸出し得る可塑剤が無し〜低いものとしてＦＤＡで認可された材料、から構成することができる。外側ハウジングはまた、金属、例えば、ステンレス鋼、チタン、または他の実質的に非反応性の金属、またはポリマーで被覆された金属から構成されてもよい。チャンバーアセンブリの底端部は、外部ハウジング３０５の底端部に取り付けられたベースプレート３０７を含む。一実施形態では、ベースプレートは、バイオリアクターに入る水の供給ポート３０６を含む。あるいは、バイオリアクターに入る水は、蓋を通って入り、供給ラインを通って成長チャンバーの底部に移動することができる。一実施形態では、供給ラインは、光アセンブリの一部として、例えば中空の熱伝達装置の中心の下方にある、成長チャンバーの底部まで延びている。ベースプレートの底部はまた、ベースプレート３０７を表面から持ち上げるための１つ以上のスタンドオフ３０８を含むことができる。一実施形態では、外側ハウジング３０５の上端は、チャンバーアセンブリを電機子アセンブリの蓋（図２の２０２）に固定するためのフランジ３０２に取り付けられる。反応器の内部を大気から密閉し、水漏れを防止するために、フランジ３０２は、バイオリアクターユニットが組み立てられて使用される時に気密且つ水密なシールを作り出すための装置をさらに含む。一実施形態では、フランジ３０２は、Ｏ−リング３０１が着座するＯ−リンググランド３０４を含む。一実施形態では、フランジ３０２は、電機子アセンブリの蓋２０２をチャンバーアセンブリのフランジ３０２に固定するための親指ねじ（図４の４０１）を受け入れるためのねじ穴３０３をさらに含む。
【００２８】
組み立てられたバイオリアクター
図４Ａは、本発明のバイオリアクターの一実施形態のアセンブリの概略図を示す。図４Ｂは、本発明の組み立てられたバイオリアクターの一実施形態を示す。光アセンブリ４０２（図１も参照）からの光源（図１の１０３）は、電機子アセンブリ４０９の光チューブ（図２の２０５）に挿入される（図２も参照）。電機子アセンブリは、チャンバーアセンブリ４０８の外側ハウジング（図３の３０５）に挿入される（図３も参照）。水は、リアクターの底部またはその近くに位置するポート４０４を介して水槽または水産養殖システムからバイオリアクターに入る（図３の３０６参照）。水は、システムの頂部またはその付近の第２ポート４０４を介してバイオリアクターから出る（図２の２０３参照）。一実施形態では、各入口及び出口ポートは、水をシステムの残りの部分から及び残りの部分に運ぶためのホースを取り付けるための適当な継手（例えば、ホースバーブ）を含む。好ましい実施形態では、入口及び出口ポートは、入口及び出口ポートへの入口及び出口ホースの取り付け及び取り外しのために、適切に弁（メンテナンス中の流出を最小限に抑えるための）の迅速切断（例えば、ＣＰＣ）を含む。
【００２９】
光アセンブリ４０２からの光源（図１の１０３）は、適当な電源４０５、例えばＡＣ／ＤＣ変圧器によって電力が供給される。ＬＥＤストリップは、例えば、１２ｖｄｃのスイッチング電源を必要とし、一方、他のものは、２４ｖｄｃのスイッチング電源を必要とする。電源は、ワイヤーハーネス４０６によって光アセンブリ４０２に接続され、ワイヤーグロメット４０７を介して光アセンブリに入る。光源として蛍光灯を使用する場合、ワイヤーハーネスは、蛍光灯の両端をリモートバラストに接続する。
【００３０】
成長チャンバ（ここでは大型藻類の成長が生じる）は、装置が組み立てられた時に、チャンバーアセンブリの外側ハウジング３０５の内面と、電機子アセンブリからの光チューブ２０５の外側とによって境界が定められる。成長チャンバーの直径は大型藻類の最適な成長を可能にする。光源から遠くに位置する大型藻類部分は、光源に近い大型藻類により陰になるために、より少ない光しか受けられない。成長チャンバーの長さに沿った大型藻類の成長は、大型藻類の成長を促進する最大照明への継続的な暴露、過剰な栄養素（例えば、リン酸塩または炭素（例えば、ＣＯ２、炭酸等））の除去、及び水の酸素過飽和、をもたらす。
【００３１】
成長チャンバーの最適直径は、大型藻類塊を通った光の浸透性に依存する。ウスイロジュズモ（Ｃｈａｅｔｏｍｏｒｐｈａ  ｌｉｎｉｕｍ）等のジュズモ（Ｃｈａｅｔｏｍｏｒｐｈａ）大型藻類の場合、成長チャンバーの半径（光チューブ２０５の外部から外部ハウジング３０５の内部までの測定される半径）は、約１インチ以上、約５インチ未満である。好ましい実施形態では、成長チャンバーの半径は約２インチ〜約４インチである。成長チャンバーの直径が増加するにつれて、水の流速は減少し、ポンプで汲み上げられるのと同じ容積に対して水の保持時間が増加する。好ましくは、成長チャンバーの内径は約４インチ〜約１０インチ（ライトチューブの外径は約１インチ）である。好ましい実施形態では、成長チャンバーの内径は約５インチである。バイオリアクターを通る最適な流速は、バイオリアクターの寸法に依存する。バイオリアクターを通る最小流速は、出口に最も近い大型藻類が、バイオリアクター成長チャンバーへの水の入口に最も近い大型藻類と実質的に同じ速度で増殖することを可能にすべきである。成長チャンバーを通る水の最適流速は、この最小流速よりも約１０％以上高くはない。一実施形態では、成長チャンバーの内径は約５インチであり、成長チャンバーを通る水の流速は約１５０〜約３５０ガロン／時間（ｇｐｈ）、好ましくは約１８０〜約２５０ｇｐｈである。別の実施形態では、流速は約２００〜３００ｇｐｈである。別の実施形態では、流速は約２５０ｇｐｈである。別の実施形態では、流速は約３００ｇｐｈである。流速は、本発明のバイオリアクターにおいて、成長チャンバーの直径に依存して増加または減少させることができる。直径８インチのバイオリアクターの場合、流速は約４００ｇｐｈ〜約１２００ｇｐｈ、好ましくは約４００〜約６００ｇｐｈであり得る。一実施形態では、流速は約６００ｇｐｈ〜約１，０００ｇｐｈである。別の実施形態では、成長チャンバーの直径が約８インチの場合、流速は約７００ｇｐｈ〜約８００ｇｐｈである。一実施形態では、成長チャンバーの内径は４インチであり、成長チャンバーを通る水の流速は約１００〜約２５０ｇｐｈ、好ましくは約１５０〜約２００ｇｐｈである。
【００３２】
図５は、海洋水族館システムの一部としての本発明のバイオリアクターの図を提供する。水は、ポンプ５０４ｂによってサンプまたは主タンク５０７からポンプ輸送され、本発明のバイオリアクター５０１及び任意にカルシウムリアクター５０２に水流が提供される。バルブ、例えばボールバルブまたはグローブバルブ、５０３ａは、バイオリアクターを通過する流速を制御し、背圧を形成する。さらに、任意の絞り弁５０３ｂ、例えばボール弁またはグローブ弁を、流れを制御するために追加することができる。さらなるバルブ５０３ｃは、バイオリアクター５０１への水の流れを遮断する。本発明の一実施形態では、バイオリアクターを通る流速は、システムが作動している間に水サージ運動が利用されないように、実質的に安定した流速で維持される。
【００３３】
一実施形態では、本発明のバイオリアクターは、カルシウムリアクター（反応器）５０２の下流で使用される。水の一部は、カルシウムリアクターに迂回させるが、カルシウムリアクターに流入する前に、再循環ポンプ５０４ａを通す。バルブ５０６（例えば、ニードルバルブ）は、カルシウムリアクターを出て本発明のバイオリアクターに入る流出物の速度を制御する。カルシウムリアクター流出物の流速は、（サンゴ）礁タンク内の炭酸塩に対するカルシウムの比を制御する。バルブ、例えばグローブバルブ、５０５は、水がカルシウムリアクターを流れるように圧力差を生じさせるために使用される。
【００３４】
一実施形態では、水が本発明のバイオリアクターに入る前に、カルシウム供給・注入アセンブリ（図９）を使用して、水の一部を水槽または水産養殖システムからカルシウムリアクターに方向転換させる。水産養殖システムの水は、ポート９０１（例えば、クイック・ディスコネクト（迅速交換）バーブ継手）を通ってカルシウム供給・注入アセンブリに入り、そこでＴ継手９０２に入る。水圧は、リストリクタアセンブリ（９０６，９０７，９０８，及び９０９）によってＴ継手に蓄積され、一部の水が圧力下にエルボー９０３を介してシステムのカルシウムリアクターに方向転換される。大型藻類バイオリアクターへの流れと、カルシウムリアクターに水を供給するのに必要な背圧とのバランスは、雌ねじ付きユニオン半体９０６、雄ねじ付きユニオン半体９０７、リストリクタディスク９０８、及びＯ−リング９０９（これはリストリクタアセンブリが使用されているときの漏れを防止する）を含むリストリクタアセンブリにより達成される。異なるオリフィス直径の絞りディスク９０８は、供給水の圧力及び流量曲線と合致するように操作者によってリストリクタアセンブリから取り替えられ得る。滴下カウンタアセンブリ（９１０，９１１，９１２）は、操作者がどのリストリクタディスクが適切な背圧及びカルシウムリアクターへの流れを提供するかを決定することを可能にする。滴下カウンタアセンブリは、滴下カウンタヘッド９１０、クリア滴下カウンタ本体９１１、及び滴下カウンタエルボ９１２を含む。滴下カウンタ本体９１１を通る流れを観察することによって、カルシウムリアクター流出液の安定した流れをもたらす適切なサイズのオリフィスを有するリストリクタディスク９０８を決定することができる。流速を目に見えるようにするために、閉じ込められた空気は、滴下カウンタ本体９１１の垂直向き及び逆止弁９０４（例えば、押し込み接続チェックバルブ）の使用によりその空気の逃げ防止することによって、滴下カウンタ本体９１１内に保持され、この空気が、供給水が定期的なメンテナンス間隔のためにオフにされた時に、カルシウムリアクターへ逆流するのを防止する。チェックバルブ９０４は、例えば配管９０５によってドリップカウンターヘッドに接続することができる。カルシウム反応器からの流出液は、Ｔ継手９１３の低圧領域の水産養殖システムからの供給水と再結合し、次いで、大型藻類リアクターに流れる。カルシウムリアクター流出物を含有するこの混合物は、二酸化炭素及び過剰のリン酸塩に富む。これらの余分な栄養素はバイオリアクター内で増殖している大型藻類のバイオマスに吸収され、水槽または水産養殖システムの残部に達する二酸化炭素とリン酸塩の量を大幅に減少させるが、この場合、これらの栄養素は有害生物の成長を促進するか、中に含まれる望ましい生物の成長を妨げる可能性がある。
【００３５】
カルシウムリアクターは、カルシウム、炭酸塩及び微量元素のレベルを維持するために使用される。カルシウムリアクターは、ＣＯ２を圧力下にカルシウムリアクターチャンバーに注入して、それを炭酸に変換することによって溶解されるアラゴナイトまたは石灰石等のカルシウムベースの基材を含んでいる。カルシウムリアクターによって遊離されるカルシウム及び微量元素は、主に、石灰質のサンゴ、皮殻で覆われた藻類及び軟体動物を有する貝殻等の石灰生物によって使用される。しかしながら、カルシウムリアクターからの過剰の炭酸は、系のｐＨを低下させる可能性があるが、特に主システムの光が消えている時は、光合成が停止するためにそうである。使用されるアラゴナイトまたは石灰石はまた、溶解すると遊離する結合リン酸塩を含有する。水が主タンクに達する前に、カルシウムリアクターからの流出物を本発明のバイオリアクターに通すことにより、そこに含まれる大型藻類に、それが主タンク（それが増大するであろう所）に達する前に余剰の二酸化炭素（炭酸）及びリン酸塩を吸収する機会が与えられる。
【００３６】
大型の水槽または水産養殖システムでは、主ポンプが、本発明の複数のバイオリアクターに並行して水を供給するために使用される。別の実施形態では、複数のバイオリアクターを端と端で繋いで積み重ねることができる。
【００３７】
本発明は、水槽または水産養殖システムの一部としてのタンパク質スキマーの必要性を排除する。タンパク質スキマー（発泡分留装置）は、システムの周囲の雰囲気と同じ比率でタンク溶解ガスを平衡にする。しかしながら、本発明のバイオリアクターは、二酸化炭素に対する溶存酸素の比を周囲雰囲気（海水中の両ガスの分圧を考慮した後）の比より大きくすることができる。タンパク質スキマーはまた、系の生息生物の多くにとって食物である、細菌、動物プランクトン、及び珪藻等の植物プランクトンを除去することによって望ましい栄養素も運び去る。
【００３８】
本発明はまた、顆粒酸化鉄（ＧＦＯ）、酸化アルミニウム、（ゼオライト）、または他のリン酸塩バインダー（例えば、塩化ランタン）等のリン酸塩除去剤の必要性も排除する。生体吸収を介して、成長中にリン酸塩はＡＴＰを産生するので、大型藻類の細胞にリン酸塩が取り込まれる。藻類が収穫されると、リン酸塩は系外に排出される。加えて、藻類からバイオフィルムをすすぐことにより、リン酸塩を含む系からのさらなる栄養素が除去され（生体膜）る。
【００３９】
本発明はまた、細菌を用いた嫌気性脱窒の必要性を排除する。硝酸塩は、増殖する大型藻類によって吸収されて、例えば細胞タンパク質を産生する。大型藻類の収穫の間、この窒素は系外に運び出される。一実施形態では、可溶性窒素源が添加されるが、これは、窒素は一般に大型藻類によってリン酸塩よりも高い割合で吸収されるからである。
【００４０】
一実施形態では、本発明のバイオリアクターは、使用時に、大気雰囲気から実質的に隔離された閉ループシステムの一部として主タンクまたはサンプに接続されている。装置が作動している間、装置を循環する水は、周囲の空気に直接曝されることが制限されているか、または実質的に曝されることはない。その結果、バイオリアクター内の大型藻類は、大気から直接得られる炭素に曝されず、主タンクから得られる炭素及びその生息生物の呼吸に依存する。大気から隔離された系は、含有する大型藻類が空気から直接炭素を取り込むことを防ぎ、このような炭素の取り込みは水を黄色にする過剰な溶解有機炭素化合物（例えば、多糖類）の合成をもたらすことがある。本発明のバイオリアクターは、タンクの生息生物の呼吸から過剰の炭素を捕捉し、溶存酸素を放出する。炭酸またはＣＯ２がこのように制限される場合、大型藻類はその炭素要求を満たすために炭酸塩を利用することができる。一実施形態では、窒素及び他のマクロな微量元素がオペレーターによって提供されるならば、バイオリアクターは過剰のリン酸も捕捉するであろう。
【００４１】
大型藻類
藻類は、葉緑素を含み、単純な生殖構造を有する光合成性の非維管束植物である。本発明の一部として使用される大型藻類は、そのサイズ及び多細胞構造のために、「海藻」とも呼ばれる。大型藻類は、主にクロロフィタ門(Ｃｈｌｏｒｏｐｈｙｔａ)（緑藻類）、フェオフィフィタ門(Ｐｈａｅｏｐｈｙｔａ)（褐藻類）、及び紅藻類門(Ｒｈｏｄｏｐｈｙｔａ)（赤藻）に見出される。緑藻類（Ｃｌａｄｏｐｈｏｒａｌｅｓ）は、糸状菌であるクラドフォラ科（Ｃｌａｄｏｐｈｏｒａｃｅａｅ）と、羽根を形成するためのフィラメントが融合したアナディンメア科（Ａｎａｄｙｏｍｅｎａｃｅａｅ）との２つの系統に分類される。クラドフォラ科はさらに３つの属：Ｒｈｉｚｏｃｌｏｎｉｕｍ（より繊細な、枝分かれしていないフィラメント、ｒｈｉｚｏｉｄｓを生産する）、ジュズモ（Ｃｈａｅｔｏｍｏｒｐｈａ）属（粗い、非分岐フィラメント）、及びＣｌａｄｏｐｈｏｒａ（分岐フィラメント）に分類される。大型藻類の記載については、Ｃｌｉｎｔｏｎ  Ｊ．  Ｄａｗｅｓ，Ｍａｃｒｏａｌｇａｅ，Ｃｈａｐｔｅｒ  ６  ｉｎ  Ｍａｒｉｎｅ  Ｂｏｔａｎｙ（第２版，１９９８年）を参照。
【００４２】
本発明の一実施形態では、大型藻類は緑藻類である。一実施形態では、本発明で使用される大型藻類は、ジュズモ（Ｃｈａｅｔｏｍｏｒｐｈａ）属から選択される。さらなる実施形態において、大型藻類はウスイロジュズモ（Ｃｈａｅｔｏｍｏｒｐｈａ  ｌｉｎｉｕｍ）である。別の実施形態において、大藻類はクラドフォラ（Ｃｌａｄｏｐｈｏｒａ）属から選択される。別の実施形態では、バイオリアクターに使用される大型藻類は、Ｂｏｏｄｌｅａ属の大型藻類である。本発明の一実施形態では、大型藻類は、例えば留め金によって、成長チャンバー壁またはディフューザープレートに付着することはない。
【００４３】
栄養補助剤
本発明の装置及び方法は、水槽または水産養殖システムにおける栄養分の海洋生態学的化学量論を操作する。このプロセスは、海洋化学元素の化学量論比、例えば海洋学者Ａｌｆｒｅｄ  Ｃ．  Ｒｅｄｆｉｅｌｄによって記載された化学量論比、を変えることによって制御される。これらの「レッドフィールド比(Ｒｅｄｆｉｅｌｄ  Ｒａｔｉｏ)」は、海洋で見つかる海洋バイオマスの平均元素組成を表す。レッドフィールド比は、炭素（Ｃ）：窒素（Ｎ）：リン酸（Ｐ）の化学量論比を１０６：１６：１と記載している。この化学量論比は、後に他の主要な海洋元素を含むように拡大された。
【００４４】
本発明の装置及び方法を利用することによって、水槽または水産養殖システムにおける元素の量及び比は、この大型藻類の場合、生物学的媒体による吸収によりオペレーター特定元素の濃度を低下させるために操作することができる。１つ以上の制限栄養素の制御は、水産養殖システムにおける特定の他の元素濃度の計算上の増加によって達成される。１つ以上の特定の栄養素を除いた生物学的に必要とされる大型藻類の元素を提供することにより、これらの特定の栄養素は制限される。例えば、系内の窒素濃度を増加させると、リン酸塩が枯渇するまでバイオマスが増加する。これを表現する一つの方法は、
【数１】
2018501956.tif 000003
である。この単純化された方程式は、他の生物学的に重要な元素を含むことができる。
【数２】
2018501956.tif 000004
水槽システムでは、バイオマスが飼料の形態で添加され、これはシステム中の元素の量を増加させるが、一般に、望ましい比（例えば、海洋系のレッドフィールド比）では増加しない。このシステム内の元素の不均一な蓄積は、システムの生息生物の不十分な成長及び厄介な生物の制御されない成長を含む望ましくない影響をもたらし得る。本発明の方法及び装置では、飼料は主に主タンクの培養された生物に同化され、残りの未使用の成分がバイオリアクター内の大型藻類によって吸収され、最終的に大型藻類の収穫中に除去されるように、元素添加の使用が用いられる。
【００４５】
本発明の１つの態様では、大型藻類の最適な成長が促進され、システム（系）に栄養補助剤を添加することによって、水槽または水産養殖システムの栄養バランスが維持される。本発明の装置及び方法が熱帯または亜熱帯の（サンゴ）礁水槽を維持するために使用される場合、栄養素は、リン酸塩がバイオリアクター中の大型藻類の成長のための成長制限栄養素であることを考慮して、添加される。大型藻類の成長により系からリン酸が除去されるが、このレベルが高すぎるとサンゴの成長を妨げる可能性がある。
【００４６】
硝酸塩対リン酸塩（ＰＯ４）の比を約２０：１〜約２００：１（重量比）、好ましくは約８０：１と約１２０：１（重量比）との間に維持するために、硝酸塩（ＮＯ３）、アンモニウム（ＮＨ４）または硝酸（ＨＮＯ３）の形の窒素が必要に応じて補充される。一実施形態では、約１００：１の硝酸塩対リン酸塩の比を達成するために窒素が補充される。約１６：１の硝酸塩対リン酸塩の比（すなわち、１６ｐｐｍの硝酸塩対１ｐｐｍのリン酸塩）の下では、系は窒素が制限されていると考えられる。海水中の典型的なレベルは、約０．０２〜０．０７ｐｐｍのリン酸塩及び約０．１〜２．５ｐｐｍの硝酸塩である。本発明の一実施形態では、必要に応じて（試験結果に基づいて）硝酸アンモニウム５％溶液を使用して硝酸塩レベルを上昇させる。５％（ｗ／ｖ）硝酸アンモニウム溶液１ｍｌの添加は１００リットルを約０．５ｐｐｍ上昇させる。硝酸塩対リン酸塩の比は、約１００：１の硝酸塩対リン酸塩の比で維持されることが好ましい。本発明の一実施形態において、硝酸塩対リン酸塩の比が約７５：１未満である場合、硝酸塩が補充される。本発明の実施形態において、窒素源は、硝酸塩化合物、尿素化合物、アンモニウム化合物、硝酸、または水槽または水産養殖システムの居住動物と生体適合性のある任意の水溶性窒素源であり得る。主タンクの硝酸塩及びリン酸塩レベルは、滴定、比色計分析または分光光度分析を含む任意の適当な手段によって測定することができる。
【００４７】
本発明の１つの態様では、クエン酸鉄の形態の４ｇ／ｌの元素状鉄の濃度及びクエン酸マンガンの形態の０．４ｇ／ｌのマンガンを有する１０：１鉄及びマンガン溶液の系において、２５ガロンの水当たり約１滴〜約２０滴を添加することによって、鉄及びマンガンを毎日補給する（１滴は約５０μｌである）。好ましい実施形態では、システム中の２５ガロンの水に対して１０：１の鉄対マンガン溶液を毎日１滴添加する。１滴は約０．０００２ｇの鉄と０．００００２ｇのマンガンに当たる。システム中の１０ガロンの水当たり２０ｇ／ｌの鉄（クエン酸鉄の形態で）及び０．２ｇ／ｌのマンガン（クエン酸マンガンの形態で）を１ｍｌの量で有害作用なしに使用することができる。クエン酸鉄及びクエン酸マンガン溶液の補充は、バイオリアクター内の大型藻類の色及び成長を観察することによって調整する必要がある。ジュズモ（Ｃｈａｅｔｏｍｏｒｐｈａ）大型藻類を使用する場合、例えば、藻類が淡緑色である場合には追加の補充が必要であり、暗緑色は十分な補充を示している。
【００４８】
大型藻類の成長を維持するために、必要に応じてカリウム、ホウ素、及びシリカを主タンクに加える。投与量は試験結果によって決定される。ホウ素は、約４ｐｐｍから約２０ｐｐｍ未満のホウ素を達成するために必要に応じて補充される。（サンゴ）礁水槽には、約４ｐｐｍ〜約６ｐｐｍのホウ素レベルが好ましい。主タンク内のホウ素レベルは、滴定試験を用いて測定することができる（海水は通常約４．４５ｍｇ／ｌ）。本発明のバイオリアクターを使用して生じる周期的な大型藻類の収穫により、かなりの量のホウ素がシステムの水から排出される。ジュズモ（Ｃｈａｅｔｏｍｏｒｐｈａ）大型藻類を使用する場合、ホウ素欠乏により、ジュズモ（Ｃｈａｅｔｏｍｏｒｐｈａ）が脆くなり、これは追加のホウ素補充が必要であることを示している。ホウ素レベルは、新鮮水１カップにつき１．７３９グラムの四ホウ酸ナトリウムを含む四ホウ酸ナトリウム溶液で増加させることができ、１００ガロンの水を約１ｐｐｍ上昇させる。
【００４９】
カリウムの枯渇したレベルを補うために必要に応じて塩化カリウム溶液を使用する。カリウムの自然レベルは、３５ｐｐｔ塩分濃度で約３９２ｇ／ｌである。ケイ酸ナトリウム溶液を加えることにより、必要に応じてシリカを加える。天然のシリカレベルは、３５ｐｐｔ塩分濃度で約２．９ｇ／ｌである。目標レベルは、約４００〜約４２５ｇ／ｌ（Ｋ）及び約３〜約６ｇ／ｌ（Ｓｉ）である。さらに、タンクガラスまたは他の表面上の珪藻の欠如は、シリカの添加の必要性を示している場合がある。しかしながら、珪藻がタンクガラスや他の表面を２４時間で再増殖させる場合、通常はシリカの投与は必要ない。
【００５０】
本発明の方法の一実施形態では、システム内の特定の元素（または複数の元素）を制限する目的で、水槽または水産養殖システム内の元素の比率を変更する戦略は、Ｍｕｌｄｅｒ’ｓ  Ｃｈａｒｔを参照することができる。例えば、システム内の制限元素としてリン酸塩を設定するために、システム内の栄養素レベルが測定される。栄養素は、本明細書に記載されているように適切なレベルの元素及び硝酸塩対リン酸塩の比が約２０：１（１６：１以下は一般に窒素が制限されているとみなされる）以上になるように補充される。しかしながら、例えば、窒素、リン酸塩、マグネシウム、マンガン、ホウ素及び鉄の試験可能なレベルが望ましい範囲及び適切なｐＨ、塩分及び温度であるにもかかわらず、大型藻類の成長率が低い場合、Ｍｕｌｄｅｒ’ｓ  Ｃｈａｒｔを参照すると、原因は、モリブデン濃度が低く、窒素摂取を防いでいることである。その後、成長結果を観察しながらモリブデンをモリブデン酸ナトリウムとして控えめに投与することができた。システムの水のサンプルを、投与前に低モリブデンレベルの確認のために分析することもできる（実験室に送ることにより）。
【００５１】
使用の方法
本発明は、（ｉ）大型藻類を含む本発明のバイオリアクターを提供する工程；（ｉｉ）栄養素を補給する工程；（ｉｉｉ）光を提供する工程；（ｉｖ）大型藻類の一部を定期的に除去する（収穫する）工程；を含む水槽または水産養殖システムにおける栄養バランスを維持する方法を含む。
【００５２】
一実施形態では、バイオリアクター内の光源は、約８時間以上の暗で約１２時間以上の明の暗／明サイクルで操作される。好ましい実施形態において、本発明のバイオリアクターにおける暗／明サイクルは、約８時間の暗及び約１６時間の明である。一実施形態では、バイオリアクターの暗／明サイクルは、主タンクの暗／明サイクルと比較して実質的に逆転される。例えば、主タンクが暗サイクルにあるとき、バイオリアクターは実質的に明サイクルにあり、主タンクが明サイクルにあるとき、バイオリアクターは実質的に暗サイクルである。一実施形態では、本発明のバイオリアクター用の光源は、タンクライトが点灯する約１時間前に点灯され、タンクライトが消灯してから約１時間はオンのままである。主タンクの暗／明スケジュールに応じて、バイオリアクターの暗／明サイクルが主タンクに対して完全には逆転しないことがある。例えば、バイオリアクターの明サイクルは、主タンクの明サイクルとある期間は重複し得る。主タンクに対してバイオリアクターの暗／明サイクルを実質的に逆転させることは、毎日のｐＨ変動を防止し、主タンク内の暗サイクルを通して安定した溶存酸素レベルを維持するのに役立つ。非光合成培養系では、２４時間で最大３回の暗／明サイクル（例えば、５時間明／３時間暗）が生じるように、暗／明サイクルを短くすることができ、これにより、魚のみのシステムで動作する本発明のバイオリアクターにおいて起こり得るｐＨ変動を減少させることができる。
【００５３】
本明細書に開示された発明の原理の変形が当業者によってなされ得ること、及びそのような変更が本発明の範囲内に含まれることが意図されることが理解され、期待されるべきである。以下の実施例は、本発明をさらに説明するものであるが、本発明の範囲を決して限定するものではない。本明細書に言及された全ての参考文献は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【実施例】
【００５４】
実施例１
【００５５】
図１〜４に記載のバイオリアクターは、電機子アセンブリをチャンバーアセンブリに挿入する前に、各拡散板上に配置された（及び光チューブの周りに巻かれた）ジュズモ（Ｃｈａｅｔｏｍｏｒｐｈａ）大型藻類の少量部分を用いて組み立てられた。蓋を閉め、主タンクから水を運ぶホース、及びバイオリアクターから廃液を主タンクに戻すホースを接続した。バイオリアクターを通過する水の流れは、約３００ｇｐｈの速度で維持された。
【００５６】
バイオリアクターの光サイクルは、リレー付きの光タイマーによって制御され、１６時間の明及び８時間の暗で作動するようにプログラムされた。バイオリアクターの明相を、タンクの照明と逆に設定して（逆昼光サイクル）、毎日のｐＨ変動を制御した。
【００５７】
栄養素レベルは、大型藻類の成長に対してリン酸塩を制限元素として監視され補充された。硝酸アンモニウムの５％（ｗ／ｖ）溶液を定期的に投与して、硝酸塩対リン酸塩の比を約７５：１に維持した。１３０ｇ／ｌのケイ酸ナトリウム（ＳｉＯ２）を投与することによって、シリカレベルを監視、維持したが、ここでは、１０ｍｌは１００ガロンのシステム水についてＳｉＯ２を約１ｐｐｍ上昇させる。塩混合物はしばしば適当なホウ素レベルを不足させ、成長する大型藻類からの要求が高くなる可能性があるため、ホウ素も定期的に投与された。ホウ素レベルは、四ホウ酸ナトリウム溶液（新鮮水１カップ当たり四ホウ酸ナトリウム１．７３９グラム）を投与することによって維持し、１００ガロンのタンク水を１ｐｐｍ上昇させる。
【００５８】
実施例２
【００５９】
大型藻類の最適な成長と主タンク内の適切な栄養バランスを促進するためには定期的なメンテナンスが必要であった。大型藻類の定期的な収穫は、供給ポンプ及び光源をオフにし、ユニットの上部に位置する流出コネクタを取り外すことによって実施された（ユニット内の水を排出させる）。電機子及び照明アセンブリをチャンバーアセンブリから（一緒に）取り除き、ジュズモ（Ｃｈａｅｔｏｍｏｒｐｈａ）大型藻類をとり出して５ガロンのバケツに入れた。タンク水をバケツに加えて大型藻類を沈めた。大型藻類は、大型藻類表面上に生育する任意のバイオフィルムを除去するために、バケツですすがれた。バケツからの水及び約３分の１までの大型藻類は捨てられた。残りの大型藻類を分割し、引き伸ばし、そして光チューブの周りに大型藻類を包むことによって各拡散板上に戻した。電機子アセンブリ（光アセンブリが取り付けられた状態で）をチャンバーアセンブリに戻して固定した。流出液ラインをバイオリアクターに再接続し、ポンプを元に戻し、実施例１に記載したようにユニットの標準操作を再開した。バイオリアクターを主タンクに接続した最初の２０日間は、すすぎ及び収穫手順を約４〜５日ごとに実施した。大型藻類によるバイオレメディエーション（生物による環境修復技術）によって水槽システムのリン酸塩レベルが低下すると、大型藻類のすすぎ及び収穫手順は約１０〜１４日ごとに実施した。
【図１】
2018501956.tif 000005
【図２】
2018501956.tif 000006
【図３】
2018501956.tif 000007
【図４Ａ】
2018501956.tif 000008
【図４Ｂ】
2018501956.tif 000009
【図５】
2018501956.tif 000010
【図６】
2018501956.tif 000011
【図７】
2018501956.tif 000012
【図８】
2018501956.tif 000013
【図９】
2018501956.tif 000014
【国際調査報告】
2018501956.tif 000015
2018501956.tif 000016
2018501956.tif 000017