JP2021506338A - ヒトが居住可能な環境を作るためのオープンループ付加材料プロセスとシステム - Google Patents

Abstract

周囲環境から二酸化炭素を除去して呼吸可能な酸素を生成できる炭化水素系ポリマー及び炭化水素系ポリマー構造体を生成するための方法。本方法は、炭化水素系ポリマーの少なくとも一部の再使用により、領域内で膨張できる、封入され、太陽光にさらされるポリマー構造体を生成する。このように、本方法は、その場での資源の収集及び再使用ができる自己保持型ポリマー／炭化水素系構造体を生成して持続可能な居住領域を作る。本方法を使用して、外部の非再生可能資源を使用する必要なく、代わりに再生可能なその場の資源を使用して、高濃度の二酸化炭素及び低圧に関連付けられる条件などの特に過酷な条件下で居住可能な環境を作り、製造された三次元構造体の環境内での居住の実行可能性を改善できる。【選択図】図３

Description

関連出願への相互参照
この非仮出願は、同じ発明者による２０１７年１２月１４日出願の「オープンループ付加材料プロセス（Ｏｐｅｎ Ｌｏｏｐ Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓ）」と題する米国仮出願第６２／５９８，４７０号の継続であり、その優先権を主張するものである。

本発明の分野
本発明は、一般に、資源をリサイクルし、付加製造プロジェクト全体にわたって再利用することができる自己保持型付加製造プロセスに関する。より具体的には、構造体を作る際にローカル資源を利用でき新規な構造体がローカル材料生産率を拡大するような、オープンループにおけるその場での資源利用及び資源リサイクルに関する。

先行技術の簡単な説明
技術が進歩し、地球上の資源がより限定されるようになると、再生可能な資源及び再生可能なエネルギー源の必要性は、地球の居住者の長期生存にとってますます重要になっている。加えて、科学的コンセンサスは、ヒトが作り出した技術及び自然事象からの排出物が多量の二酸化炭素を地球の大気中に作り出しており、それが気候変動及び破滅的な天候事象と関連していることを示す。風、波浪、及び日光由来の再生可能エネルギーへの転向などによる試みが、上述の問題を解決するために行われてきた。さらに、産業プロセスで使用される材料を低減又は変更する、及び大気から二酸化炭素を除去する植物の光合成源のための試みが行われてきた。これまでの努力にかかわらず、高排出、高い化石燃料の使用、及び高濃度の二酸化炭素（及び他のガス）の問題は、地球の居住者の長期生存に有害なままである。

一部にはこれらの問題により、一部には地球の周囲の科学的な好奇心及びより多くの知識に対する熱望により、地球外環境における定住の実行可能性は、公共と民間の両方の組織によって研究が続けられている。火星表面で現在活動中のＮＡＳＡのＣｕｒｉｏｓｉｔｙ惑星探査機及びＩｎＳｉｇｈｔ火星探査機着陸船によって証明されているように、特に潜在的に実行可能な定住場所のリストの最上部付近に残る１つの環境は、一般的に２番目に最も近い地球に隣接する惑星である火星の環境である。これは、部分的には、火星の大気、火星地表面内に水が存在する可能性、及び火星の氷キャップのためである。しかしながら、火星の条件の状況は、技術革新の助けなしには定住の可能性を困難にしており、すなわち、火星大気は膨大な量の二酸化炭素を含有し、火星は地球よりも大幅に低い大気圧を有し、かつ火星は地球の周囲温度よりもはるかに低い周囲温度を有する。火星のこれらの特徴の各々は、技術的な生活支援システムの助けを借りなければ、この惑星上での定住の成功の可能性をほとんど不可能にする。さらに、地球外天体上での定住の長期成功は、地球外天体にとって天然の資源の使用、又は使用及び再使用のために地球外天体に輸送できる再生可能な資源に依存し、そのような再生可能な／天然の資源がなければ、定住は外部供給源からの補充を必要とし、これは長期の定住にとって実行可能ではない。

プラスチックへの依存を減少させ、付加製造プロセス中のエネルギー使用量を減少させるために現在地球上で使用されている１つの資源は、藻類系フィラメントである。従来のフィラメントに藻類を導入することにより、付加製造において伝統的に使用されるフィラメントを溶融する必要性が減少するので、より低い温度で付加製造構造体を作ることができる。さらに、藻類は、付加製造プロジェクトで使用されるプラスチックの量を減少させ、それにより、伝統的に使用される持続性のないプラスチックフィラメントよりも、より持続性のある資源を使用する。藻類ベースのフィラメントは当技術分野で公知であるが、さらにより持続性のある構造体を作るのを助けることができる、再利用可能なフィラメント構成要素が依然として必要である。以下でより詳細に説明するように、本発明の目的は、再使用可能でリサイクル可能な方法でこのような藻類ベースのフィラメントを利用することである。

上記の説明を念頭に置いて、藻類及び藻類系材料などの光合成生物は、地球外天体などの環境の生存能力に寄与する役割を果たすことができる。上述したように、火星は人間の地球外探査のための潜在的な定住場所を提供するが、また上述したように、火星の厳しい条件は、技術革新の助けなしでは定住をほとんど不可能にする。しかしながら、光合成生物は、環境から過剰な二酸化炭素を除去するために、所望の濃度を上回る二酸化炭素を有する環境で使用でき、光合成反応の副産物として呼吸可能な酸素を作る。このように、藻類などの光合成生物は、火星様の大気中で使用されてその中により多くの居住環境を作れることが理論化されている。

食品及び酸素を供給する高度に機能的な生物学的生活支援スキームを支持するのに必要とされる低投入肥料塊は、宇宙探査において早期に認識されたが、固定された閉ループスキームで実現するのは複雑であった[１６]。放射性同位体動力システム又は核分裂発電システムを介した一定の熱調節は、生物学的システムに必要な温度をさらに利用及び維持できる２４時間の熱源を提供する。以下の説明は、本発明をより詳細に説明する前に、関連する既存の技術の概要を提供する[１３]。

しかしながら、単に火星で光合成生物を輸送及び／又は栽培することは結局のところ、地球の居住者にとって潜在的に居住性のある定住場所としての惑星の全生存能力にほとんど貢献しないであろう。さらに、火星上の光合成生物の集団が持続的に成長しなければ、そのような定住には、連続的な給油ミッションを必要としない長期的成功の機会はほとんどない。したがって、必要とされるものは、限定されかつ／又は非再生可能な資源に関連する問題に対するその場での解決であり、資源の一部をリサイクルし再使用するための方法を提供し、それにより付加的な製造と組み合わせて使用するためのオープンループなプロセスを作ることである。しかしながら、本発明がなされた時点で全体として考えられる技術を考慮すると、本発明の分野の当業者には、従来技術の欠点がどのように克服され得るかは明らかではなかった。

本発明の開示を容易にするために、従来技術の特定の態様が検討されてきたが、本出願者はこれらの技術的態様を決して放棄せず、本発明の特許請求の範囲は、本明細書で検討した従来の技術的態様のうちの１以上を包含してよいことが企図される。

本発明は、上述の先行技術の問題及び欠点の１以上に対処できる。しかしながら、本発明は、いくつかの技術分野における他の問題及び欠点に対処するのに有用であることが企図される。したがって、本発明の特許請求の範囲は、必ずしも本明細書で検討した特定の問題又は欠点のいずれかに対処することに限定されるものとして解釈されるべきではない。

本明細書では、知識の文書、行為若しくは項目を参考又は検討する場合、この参考又は検討は、知識の文書、行為若しくは項目又はそれらの任意の組み合わせが、優先日で公的に利用可能で、公知であり、共通の一般的知識の一部であったか、又はそうでなければ適用可能な法定規定の下で従来技術を構成することを容認するものではないか、あるいは、この明細書が関係する問題を解決する試みに関連することが知られている。

資源補充及び再使用のためのその場での解決の、及び炭化水素系成分を含むポリマー材料を使用して拡大可能な居住領域を作るという、長年にわたりまだ満たされていない必要性が、新しい、有用な、かつ非自明の発明によって満たされる。

新規な方法は、水性混合物中に配置される炭化水素固定生物、生物活性生物、又はＣＯ_２固定生物を、水性混合物とある濃度の大気ガスを含むバイオリアクターに提供する工程を含む。生物反応性生物は水性混合物から分離される。第１の化合物を、炭化水素系生物を粉砕し、加水分解し、脱水することにより形成する。第１の化合物を反応させて、モノマー単位の第１のセットを生成する。第２の化合物を、生物の発酵又は熱分解又は熱水分解によって作製する。モノマー単位の第１のセットを、モノマー単位の第２のセットと反応させて、ポリマー化合物を生成する。ポリマー化合物を樹脂に成形する。樹脂を加熱し押出して、付加製造機を介して三次元構造体を生成するのに使用するための炭化水素系フィラメントを形成する。大気ガスは、少なくとも１０％のＣＯ_２及び３％未満のＯ_２を含む。生物反応性生物は藻類である。生物学的リアクターを、漏れによる電力要件及び圧力損失を最小化するために、生物学的リアクターを取り巻く周囲環境の圧力とほぼ等しい圧力で作動する。第１の化合物は、５−ヒドロキシメチルフルフラール、ジメチルフルフラール、フラン、及びｐ−キシレンからなる群から選択される。モノマー単位の第１のセットは、フランジカルボン酸、コハク酸、イタコン酸、及びテレフタル酸、又は他のジカルボン酸又はそのエステル若しくはジエステルからなる群から選択される。モノマー単位の第２のセットは、エチレングリコール、１，４−ブタンジオール、１，３−プロパンジオール、及び１，２−プロパンジオール、又は他のジオール又はそれらのモノエステル若しくはジエステルからなる群から選択される。少なくとも１つのジカルボン酸、又はそのエステル若しくはジエステルを、少なくとも１つのジオール又はそのエステル若しくはジエステルと重合させて、ポリマー樹脂を生成する。重合から生成される樹脂は、ポリ（ブチレンスクシネート）、ポリ（ブチレン−２，５−フラナート）、ポリ（ブチレンイタコネート）、ポリ（プロピレンスクシネート）、ポリ（プロピレン−２，５−フラナート）、ポリ（プロピレンイタコネート）、ポリエチレンテレフタレート、及びそれらの混合物からなる群から選択される材料を含む。三次元構造体は、半透明フィルム、プレート、シート、パネル、他の平面構造、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される。

居住可能な炭化水素系三次元構造体の製造方法の別の実施形態は、大気ガスを含む大気と連通する周囲環境内に配置されたバイオリアクター内に大気ガスを移動させる工程を含む。必要に応じて、人間の居住設備又は発電設備から収集されたガスを、大気ガスの代わりに使用できる。移動させた大気ガスを、炭化水素系生物を含む水性混合物と反応させて、固形物バイオマスを形成する。固形物バイオマスを、α−ヒドロキシスルホン酸の溶液で消化して、ペントース糖、ヘキソース糖、及びそれらの混合物からなる群から選択される糖類を形成する。糖を脱水して、５−ヒドロキシメチルフルフラールを生成する。５−ヒドロキシメチルフルフラールを酸化して、２，５−フランジカルボン酸を生成する。２，５−フランジカルボン酸をモノメチルエチレングリコールと反応させて、ポリエチレンフランジカルボン酸とメタノールを形成する。ポリエチレンフランジカルボン酸を押出して、三次元構造体を形成する。大気ガスの移動は、周囲環境中のＣＯ_２の濃度を低下させ、バイオリアクター中の反応は、周囲環境中のＯ_２の濃度を増加させる。三次元構造体は逆台形状であり、逆台形状の一対の平行なベース面の対のうちの短い方は、第１の構成で地面上に配置される。逆台形三次元構造体は、第２の構成に対して回転可能であり、逆台形状のテーパー面の１つが地面上に配置される。逆台形三次元構造体は第３の構成に対して回転可能であり、逆台形状のテーパー面の他方が地面上に配置される。形成された三次元構造体をバイオリアクターに固定することにより、バイオリアクター内に配置された領域を増加させることができ、それにより、バイオリアクター内の居住領域を増加させることができる。

低圧及び高濃度のＣＯ_２を有する環境中で居住可能な炭化水素系三次元構造体を製造する方法の別の実施形態は、大気ガスを含む大気と連通する周囲環境内に配置されたバイオリアクター内に大気ガスを移動させる工程を含み、大気ガスは、少なくとも１０％のＣＯ_２及び３％未満のＯ_２を含み、周囲環境は０．１ａｔｍ未満の絶対圧を有する。移動させた大気ガスを、炭化水素系生物を含む水性混合物と反応させて、固形物バイオマスを形成し、炭化水素系生物は藻類であり、大気ガスとの反応は、周囲環境中のＣＯ_２の濃度を低下させ、周囲環境中のＯ_２の濃度を増加させる。固形物バイオマスを粉砕し、加水分解し、脱水して、第１の化合物を形成し、これを反応させて、モノマー単位の第１のセットを生成する。モノマー単位の第１のセットを、モノマー単位の第２のセットと反応させて、ポリマー化合物を生成する。ポリマー化合物を樹脂に成形し、樹脂を加熱し押出して、付加製造機を介して三次元構造体を生成するのに使用するための炭化水素系フィラメントを形成する。

本発明の目的は、拡大領域で使用するための光合成ベースのプラスチックを生成、再使用、及びリサイクルし、さらなる構造体を構築するために投入材料と、産出生成物と、その後の投入材料の間でオープンループを作る方法を提供することである。本発明の別の目的は、周囲環境から二酸化炭素を除去し、それによって副産物として呼吸可能な酸素を生成できる光合成物質で少なくとも部分的に作られた構造体を生成することにより、居住可能な環境を提供することである。本発明のさらに別の目的は、地球環境で又は地球外環境中でその場の資源から再生可能なポリマー構造体を作製し、それにより、資源の初期貯蔵が消費された後に資源を補充する必要性を低減する方法を提供することである。本明細書で使用される場合、「地球外」は、地球の大気の外側の人工構造を含む、地球の外の任意の場所、並びに惑星、小惑星、月、及び他の自然発生場所を意味する。

本発明の特定された目的によれば、より透明なプラスチックの生成と組み合わされた透明プラスチック内の太陽光発電の炭化水素固定は、ごくわずかな資源で生命を維持するための取り組みにおいて、正味の酸素生成、食品生育領域、放射線防護、受動水抽出、ロケット燃料生成（Ｏ_２、Ｈ_２、ＣＨ_４）、メガ構造を提供するために宇宙に送る質量の低減を含む、宇宙での生命維持にとっての多くの利点を可能にする。

本発明のこれら及び他の重要な目的、利点、及び特徴は、本開示が進むにつれて明らかになるであろう。

したがって、本発明は、以下で説明する開示に例示される構造、要素の組合せ、及び部品の配置の特徴を含み、本発明の範囲は特許請求の範囲に示される。

本発明をより完全に理解するために、添付図面と関連づけて以下の詳細な説明を参照すべきである。

図１Ａは、太陽に面するバイオリアクターの最も長い側を有する逆台形バイオリアクターを示す図である。 図１Ｂは、図４Ａの逆台形バイオリアクターを示す図であり、バイオリアクターが向きを変えた後の太陽に面するバイオリアクターの最も長い側を示している。 図１Ｃは、図４Ａの逆台形バイオリアクターを示す図であり、バイオリアクターが向きを変えた後の太陽に面するバイオリアクターの最も長い側を示している。 付加製造システムで使用するための、光合成構造体を含むことができる炭化水素系フィラメントを作製し押出する方法を説明するプロセスフロー図である。 光合成ができる付加製造システムで使用するための炭化水素系フィラメントを作製するために大気ガスを使用する方法を説明するプロセスフロー図である。 付加製造システムを繰り返して使用するための炭化水素系材料を作製し収集する方法を説明するプロセスフロー図である。

本発明の詳細な説明
好ましい実施形態の以下の詳細な説明では、その一部を形成し、本発明を実施できる特定の実施形態を例示するために示される添付図面を参照する。本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態を利用でき、構造的な変更を行うことができることを理解すべきである。

本明細書及び添付の特許請求の範囲において使用される場合、単数形「１つ（ａ）」、「１つ（ａｎ）」、及び「その」は、文脈が特に明確に指示しない限り、複数の参照を含む。本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用される場合、文脈が特に明確に指示しない限り、用語「又は」は一般に、「及び／又は」を含む意味で使用される。

本発明は、周囲環境から二酸化炭素を除去して呼吸可能な酸素を生成するための生物を収容できる炭化水素系ポリマー及び炭化水素系ポリマー構造体を生成する方法を含む。さらに、本発明は、その中で生成される炭化水素系ポリマーの少なくとも一部を再利用することにより領域内で膨張することが可能である、封入され、太陽光にさらされたポリマー構造体を含む。上記の節で言及し、論じたように、本発明の目的は、持続可能で居住可能な領域を作るためにその場での資源の収集及び再利用ができる自己保持型ポリマー／炭化水素系構造体を生成することである。製造上の全体的なバイオマス炭素固定と既知の正味の炭素固定を、プラスチックと酸素放出に組み込むことにより、プラスチック製造は、生物学的な複雑化要因を伴わずに、ある方向を提供する。Ｏ_２生成の速度増加のための増大する有効構造及び太陽捕捉面積も達成される。

従来技術では、付加製造に使用するための炭化水素系フィラメントの使用が開示されている。例えば、Ｋｕｃｈｅｒｏｖは、カーボンニュートラル構造体を製造する目的でバイオマス由来のポリマーを用いる三次元印刷の方法を教示している［１］。Ｋｕｃｈｅｒｏｖの論文は、二酸化炭素及び他のガスを生成する、再生不可能な天然資源への過依存の危険性を論じている。その論文によれば、付加製造は、特に従来の製造方法と比較して、実質的に無駄のない製造方法を提供する。しかしながら、付加製造システムにおいてフィラメントとして使用される典型的なポリマーを改善するために、Ｋｕｃｈｅｒｏｖは、付加製造システムで使用できるバイオマス由来のポリマーである、ＰＥＦとしても知られているポリ（エチレン−２，５−フランジカルボキシレート）の使用を提案している。さらに、Ｋｕｃｈｅｒｏｖは、対象物を溶融すること、溶融した材料をフィラメントに変換すること、及び追加の付加製造プロセスでそのフィラメントを使用することにより、ＰＥＦで印刷された対象物をリサイクル及び再使用することが可能であることを教示している。重要なことは、そのようなリサイクルの実施は、印刷された材料が将来の印刷物の基礎を形成できる持続可能な印刷の実施に貢献できることである。Ｓａｃｒｉｐａｎｔｅの米国特許出願公開第２０１７／０３２７７０４号は、現在の製造プロセスで使用される非再生可能資源に代わる持続可能な材料を提供する試みで付加製造に使用するための炭化水素系樹脂を教示している。しかしながら、ＫｕｃｈｅｒｏｖとＳａｃｒｉｐａｎｔｅのいずれも、高ＣＯ_２／低Ｏ_２周囲大気からのガスの使用、又は支持設備の居住設備の排ガスからのガスの使用、対象物を印刷するために使用されるＰＥＦの一部の収集、ＰＥＦと他の材料（ミネラル若しくは他の炭化水素系物質など）との混合、又はＰＥＦの生成を拡大するためのＰＥＦ印刷物を含む領域の拡大について教示していない。

さらに、Ｍｕｒｕｋｅｓａｎは、特に地球外環境のためにバイオ再生システムを開発し利用する必要性を論じており、細胞成長が、火星上に存在するものなどの高二酸化炭素及び低圧条件下で可能であることを教示している［２］。Ｍｕｒｕｋｅｓａｎは、環境から二酸化炭素を除去し呼吸可能な酸素を生成するために、原核微生物であるシアノバクテリアの使用を教示している。Ｍｕｒｕｋｅｓａｎによれば、重要な考慮事項は、火星表面上で経験されるものなどの、過酷な宇宙線からシアノバクテリアを遮蔽する方法である。そのような二酸化炭素除去システムの拡大により、Ｌｉｎｇａｍｐａｌｌｉは、火星などの地球外の場所での定住ならびに環境の長期成功及び生存能力に必要である、光合成作用物質を用いる大気二酸化炭素の削減を教示している［３］。また、Ｄｅｘｔｅｒはさらに、二酸化炭素除去システムとしても機能する代替燃料源としてエタノールを生成するためのシアノバクテリアの使用を探索している［４］。しかしながら、上記のＫｕｃｈｅｒｏｖ及びＳａｃｒｉｐａｎｔｅと同様に、Ｍｕｒｕｋｅｓａｎ、ＬｉｎｇａｍｐａｌｌｉとＤｅｘｔｅｒのいずれも、炭化水素系材料から真に持続可能な構造体を作るのに必要とされる構造体若しくは領域の収集、リサイクル、及び拡大を教示していない。

Ｇｕｒｕｄａｙａｌはさらに、代替エネルギー源を提供し、それにより、より持続可能なエネルギー源を作るために使用される太陽光駆動二酸化炭素削減方法を教示している［５］。Ｇｕｒｕｄａｙａｌの論文では、銅系カソードが、太陽光アシスト法で炭化水素を生成するために電解槽で使用される。Ｇｕｒｕｄａｙａｌの論文に記載された結果は、効率的な二酸化炭素削減が可能であることを示唆している。しかしながら、この論文は、二酸化炭素を削減するためのカソード−アノード電気化学反応に限定され、炭化水素系材料から真に持続可能な構造体を作るのに必要とされる収集、リサイクル、及び拡大に触れていない。Ｍａｒｋｏｎはまた、食料供給源及び燃料源としての藻類の使用を教示し、さらに、潜在的な定住のための（又は地球上で現在使用されている資源の代替物として）食料と燃料の両方を提供するために炭化水素系作用物質を使用する方法を説明している［６］。

Ｄａｓｈｔｂａｎは、バイオマスからのフルフラールの生成及び使用を教示している［７］。当業者であれば、Ｄａｓｈｔｂａｎの論文で説明されているように、フルフラールは、様々な異なる目的のために使用できる極めて有望な化学物質であることを認識するであろう。しかしながら、Ｄａｓｈｔｂａｎは、バイオマスからのフルフラール生成が深く検討されていないことを認識している。地球外及び他の過酷な環境では、フルフラールを生成及び使用する能力は、そうでない場合に成功しない定住を成功させるのに最重要であり得る。このように、Ｄａｓｈｔｂａｎは、様々な程度の成功を伴うフルフラールを生成する様々な方法を探索しているが、この論文は、最終的に、フィールド内でより多くの研究が必要であると結論づけている。

関連する先行技術の議論は、使用可能なポリマー形式で炭化水素系生物を提供すること、及び異常に高い濃度の二酸化炭素を有する場所における二酸化炭素削減の方法を提供することを試みているが、本発明は、従来技術の教示を改善する、その場での資源利用の新規な方法を含む。特に、本発明は、光合成活性及び／又は熱捕捉／冷却のための反応領域、及び付加製造システムの産出と付加製造システムへの投入の間での材料の結び付きを増大させ、それにより自己保持型であり拡大の必要に応じて拡大するオープンループシステムを作る、方法を提供する。本方法及びシステムの態様は、以下でより詳細に説明される。

オープンループシステムの概要
上述した技術を改善するために、本発明の一態様は、主としてその場での資源（ＣＯ_２、及びＨ_２Ｏ）から押出ベースの３Ｄ印刷（溶融フィラメント製造（ＦＦＦ））を用いて生成されるバイオリアクターを含み、システムは、設備の生成物を使用してより大きな領域に拡張及び拡大し、さらなる設備を作る能力を有する。バイオリアクターは、低い初期質量及び体積を有し、かつ資源が３Ｄフィラメントに加工されその後より多くのバイオリアクターを印刷するために使用されるにつれて経時的に太陽光照射領域を増大させる能力を有する。様々なバイオ系プラスチックが、様々な生成方法によって生成される。追加の分割されたバイオリアクターを組み立てる能力は、所与の空間で製造に使用される標的化合物のための複数の生物学的、化学的、及び熱的な生成の場所を可能にする。したがって、バイオリアクターのサイズ及び数は、加工と製造の必要性の産出比を満たすように調節できる。

バイオリアクター／成長チャンバー
一実施形態では、バイオリアクター又は成長チャンバーは、拡張する能力を可能にする設計特性を含み、それによってさらなる太陽光照射領域を追加する。特性は、多孔性、光／放射線透過性の重要な性質、及び分割、重複循環経路、熱分布、太陽追跡能力、高等植物を成長させるための加圧用のインファーナル空間を含む独特の設計上の考慮事項を含み、化合物生成、食料生成、栄養回収及び分離についての選択肢の範囲を増やす。チャンバーはまた、必要であれば、バイパスを作ることによって経路の再ルーティングを可能にする。図１Ａ〜１Ｃに示すように、成長チャンバー（１００）は台形状であってよく、地面（１１０）に沿って逆台形として配向されてよく、これにより、成長チャンバーによる太陽（１２０）の太陽光追跡のための位置決めの変更を可能にし、それによって成長チャンバー内での光合成の可能性を増大させる。原料用の光合成生物と共に利用される場合、ハイライトレベルの生産性の生成種を、太陽に面する平面上で増殖させることができる一方で、他の３つの側面は、より低い光レベル下でよく育つ生物を有する。成長チャンバーはまた、ハイライト平面からの反射光が隣接するチャンバーに向けられるように、互いに隣接して配置されてよい。成長チャンバーはモジュラーであるので、多数のこのような成長チャンバーを直列又は並列に組み合わせて、より大きな容積及び表面積の設備を形成できる。

高度なバイオリアクターシステムは、システムの監視及び制御のための関連するハードウェア及びソフトウェアを含んでよく、一方で無人でコンパクトなシステムの独特の課題を満たしている。

これらは、レイアウト、ポンプ、センサー、溶液からのバイオマスの収集及び分離、循環、並びに給気を含む。さらに、バイオリアクター内で、バイオマスは、組み込まれた３Ｄ印刷機に供給されるフィラメント原料に加工されてよく、プロセスについては、この開示の後でより詳細に論じられる。加えて、放射性同位体熱電気転換器（ＲＴＧ）及び太陽光発電の選択が組み込まれた熱調節が、動力を提供できる。

放射性同位体又は核分裂出力システムを介する一定の熱調節は、一定の昼及び夜の熱源を提供して、生物系システムに適する温度を維持する。構造体の外側に太陽光がなく及び温度が低下する夜間に、生物水溶液は、外部シェルから内部に排水されてよい。

３Ｄ印刷風車
本明細書全体に記載されるプロセスを介して作ることができるバイオリアクターについての前の議論に続いて、生物材料を含む３Ｄ印刷風車を作ることもできる。地球又は火星などの、風を有する環境で使用される場合、風力が３Ｄ印刷風車によって捕捉されて、藻類又は他の液体溶液を構造体の周り及び外部の結合された構造体の周りで機械的に循環させることができる。藻類を大気ＣＯ_２で曝気でき、システムを通して圧力を維持でき、それによって電力要件を低減できる。３Ｄ印刷風車の例は、先行技術の参考文献［１４］及び［１５］に見出すことができる。

付加製造用の炭化水素系フィラメント
様々なプラスチック材料が３Ｄ印刷のための原料として利用可能であり、生物学的起源であり得る。現在、好ましいバイオ原料は、様々なプロセスによって生成されるＰＥＦ（ポリエチレン−２，５−フランジカルボキシレート）であると思われる。生物学を使用せずにプラスチック原料を直接合成することが試みられており、設計にも組み込むことができる。角度調節可能なチャンバーの熱調節が利用される。

ポリエチレン−２，５−フランジカルボキシレート（ＰＥＦ）を用いて３Ｄ印刷を行うことができ、ＰＥＦはセルロースから生成される。ＰＥＦはまた透明であり、これは、バイオエネルギー的に供給される場合に有用な特徴である。商業的に入手可能な３Ｄ印刷機は、ＰＥＦフィラメントで対象物を良好に印刷するために、標準設定下で使用されてきた。印刷物の個々の層は互いに強固に結合し、表面は滑らかで高品質であった。試験は、対象物が、最も攻撃的な溶媒の１つであるジクロロメタンに対して耐性であることを実証した。ＰＥＦの熱安定性が高いため、印刷物を繰り返し溶融し、フィラメントにし、再度印刷することができた。コンピュータ計算は、ＰＥＦの個々の構築ブロックが、非線形断片を含有し、螺旋撚りを形成できることを示し、これは新しいタイプの幾何学へのアクセスを与える。別の重要な特徴は、ＰＥＦのより大きな極性である。

バイオ系のポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）は、広範囲の用途の別の選択肢である。ＰＥＴは、テレフタル酸とエチレングリコールの生成物であり、３２.２重量％のモノエチレングリコール（ＭＥＧ）及び６７.８重量％の精製テレフタル酸（ＰＴＡ）から作られ、エステル化リアクター中で組み合わされ、重縮合リアクター中でポリマーに変換される。

居住可能な環境を作る方法
上記の教示を使用して、炭化水素系プラスチックを使用して、居住可能な環境を作成又は生成でき、一方でバイオマスからの生成において炭化水素は周囲環境又は様々な廃棄物流から炭素を固定し、正味の酸素を放出する。プラスチックで製造する複数の方法は、図２〜図４のプロセスフロー図に記載される可能な特定の方法であり、これを、フィラメント３Ｄ印刷と共に以下でより詳細に説明する。

図２に示すように、炭化水素系フィラメントを作る一般的な方法を説明する。この方法は、成長チャンバーなどのバイオリアクター内で藻類などの炭化水素系生物を成長させる工程を含む。そのような炭化水素系生物及び成長チャンバーは、上記で詳細に説明される。この方法はまた、先行技術において記載されているように、炭化水素系生物を反応させてモノマー単位を生成することを含む。次いで、モノマー単位は、モノマー単位を第２のモノマー単位のグループと反応させることによって重合され、樹脂に成形できるポリマーを作ることができる。次に、この方法は、樹脂を加熱し押出し、それにより付加製造プロセスで使用できる炭化水素系フィラメントを形成して光合成活性が可能な３Ｄ構造体を形成する工程を含む。

図３は、図２に記載の方法を拡大したもので、そこでより特異的な反応及び生成物が示されている。図３に示すように、この方法は、二酸化炭素などのバイオリアクター中で大気ガスを捕捉及び取得することを含む。炭化水素系生物も、上記の図２に示すように、バイオリアクター内に含まれる。バイオマスはこのバイオリアクターから取得され、バイオマスは酸と反応して、ペントース又はヘキソースの糖類を形成する。酸は、蒸留によってバイオリアクターから除去され、溶媒がバイオリアクターに添加される。糖類は脱水されて、５−ヒドロキシメチルフルフラールを生成し、これは、上記の先行技術が持続可能な生活に重要な化学物質として認識する。５−ヒドロキシメチルフルフラールは酸化されて２，５−フランジカルボン酸を生成し、これはモノメチルエチレングルコールと反応してポリエチレンフランジカルボン酸とメタノールを形成する。ポリエチレンフランジカルボン酸は次いで、押出されて、上記のように、光合成活性が可能な３Ｄ構造を形成する。

図４は、炭化水素系材料から構造体要素を形成するさらに別の方法を説明する。この方法は、上記のバイオリアクターなどの、密閉され、太陽光にさらされる構造体を提供する工程を含む。追加の工程は、光合成をする藻類又は藻類系物質などの、炭化水素系作用物質を提供することを含み、この炭化水素系作用物質は、太陽光にさらされる構造内に配置されてよく、又は太陽光にさらされる構造体の表面を含んでよい。炭化水素系作用物質は、上でより詳細に説明したように、大気ガスと共に、水性媒体中にてバイオリアクター内で成長する。バイオマス固形物は、バイオリアクター内から収集され、バイオマス固形物は、ポリマー材料に変換されるか、又はそこからポリマー材料を抽出することができる。構造体要素は、ポリマー材料から形成され、構造体要素は、上記の藻類などの炭化水素系材料を含む。このように、このプロセスは、構造体要素のさらなる製造などのためのさらなる反応で使用されるより多くの炭化水素系材料を製造でき、それによって、システムがその中で炭化水素系材料を収集して３Ｄ構造体を連続的に生成できることを示す。

さらなる考慮事項
既知の生体由来の弾性透明プラスチックのさらなる例は、参考文献［８］、［９］、［１０］、［１１］及び［１２］に見出すことができる。

本明細書は、付加製造システムの教示に焦点を当てているが、上述の教示に従って、材料が炭化水素系である限り、射出成形、押出ブロー成形、及び他の製造方法などの他の製造方法を使用してよいことを考慮することが重要である。

全ての参照された刊行物は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。さらに、参照により本明細書に組み込まれる参考文献中の用語の定義又は使用は、本明細書に提供されるその用語の定義と矛盾しているか、又はそれに反している場合には、本明細書に提供されるその用語の定義が適用され、参考文献中のその用語の定義は適用されない。

上記の利点及び上記の説明から明らかにされる利点は、効率的に達成される。本発明の範囲から逸脱することなく、上記の構造において特定の変更を行うことができるので、上記の説明に含まれるか、又は添付の図面に示される全ての事項は、限定的な意味ではなく、例示として解釈されるべきであることが意図される。

以下の特許請求の範囲は、本明細書に記載の本発明の一般的及び特有の特徴の全てを網羅することを意図しており、言語の問題として、本発明の範囲の全ての記載は、それらの間にあると言えることも理解されるべきである。

Claims (20)

1. 炭化水素系重合構造体要素を製造する方法であって、
   水性混合物及びある濃度の大気ガスを含むバイオリアクターに、水性混合物内に配置された炭化水素系生物を提供する工程；
   前記水性混合物から前記炭化水素系生物を分離する工程；
   前記炭化水素系生物を粉砕すること、加水分解すること、及び脱水することにより第１の化合物を形成する工程；
   前記第１の化合物を反応させてモノマー単位の第１のセットを生成する工程；
   モノマー単位の前記第１のセットをモノマー単位の第２のセットと反応させてポリマー化合物を生成する工程；
   前記ポリマー化合物を樹脂に成形する工程；並びに
   前記樹脂を加熱しかつ前記樹脂を押出して付加製造機を介して三次元構造体を生成することにおける使用のための炭化水素系フィラメントを形成する工程、
   を含む、方法。
2. 前記大気ガスが、少なくとも１０％のＣＯ_２及び３％未満のＯ_２を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記炭化水素系生物が、藻類である、請求項１に記載の方法。
4. 前記生物リアクターが、前記バイオリアクターを取り囲む周囲環境の圧力とほぼ等しい圧力で操作される、請求項１に記載の方法。
5. 前記第１の化合物が、５−ヒドロキシメチルフルフラール、ジメチルフルフラール、フラン、及びｐ−キシレンからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
6. モノマー単位の前記第１のセットが、フランジカルボン酸、コハク酸、イタコン酸、そのエステル、及びそれらのジエステルからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
7. 前記モノマー単位の第２のセットが、エチレングリコール、１，４−ブタンジオール、１，３−プロパンジオール、１，２−プロパンジオール、そのエステル、及びそれらのジエステルからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
8. 前記樹脂が、ポリ（ブチレンスクシネート）、ポリ（ブチレン−２，５−フラナート）、ポリ（ブチレンイタコネート）、ポリ（プロピレンスクシネート）、ポリ（プロピレン−２，５−フラナート）、ポリ（プロピレンイタコネート）、ポリエチレンテレフタレート、及びそれらの混合物からなる群から選択される材料をさらに含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記三次元構造体が、半透明フィルム、プレート、シート、パネル、他の平面構造、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
10. 居住可能な炭化水素系三次元構造体を製造する方法であって、
    大気ガスを含む大気と連通する周囲環境内に配置されたバイオリアクター中に大気ガスを移動させる工程；
    炭化水素系生物を含む水性混合物と前記移動させた大気ガスを反応させて固形物バイオマスを形成する工程；
    前記固形物バイオマスをα−ヒドロキシスルホン酸の溶液で消化してペントース糖、ヘキソース糖、及びそれらの混合物からなる群から選択される糖類を形成する工程；
    前記糖類を脱水して５−ヒドロキシメチルフルフラールを生成する工程；
    前記５−ヒドロキシメチルフルフラールを酸化して２，５−フランジカルボン酸を生成する工程；
    前記２，５−フランジカルボン酸をモノメチルエチレングリコールと反応させてポリエチレンフランジカルボン酸及びメタノールを形成する工程；
    前記ポリエチレンフランジカルボン酸を押出して三次元構造体を形成する工程、
    を含む、方法。
11. 前記大気ガスが、少なくとも１０％のＣＯ_２及び３％未満のＯ_２を含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記大気ガスの移動が、前記周囲環境におけるＣＯ_２の濃度を低下させ、かつ前記バイオリアクター中の前記反応が、前記周囲環境中のＯ_２の濃度を増加させる、請求項１１に記載の方法。
13. 前記炭化水素系生物が、藻類である、請求項１０に記載の方法。
14. 前記生物リアクターが、前記バイオリアクターを取り囲む周囲環境の圧力とほぼ等しい圧力で操作される、請求項１０に記載の方法。
15. 前記三次元構造体が、半透明フィルム、プレート、シート、パネル、他の平面構造、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１０に記載の方法。
16. 前記三次元構造体が、逆台形状であり、逆台形状の一対の平行なベース面の対の短い方が、第１の構成で地面上に配置される、請求項１０に記載の方法。
17. 前記逆台形三次元構造体を第２の構成に対して回転させる工程をさらに含み、そこで前記逆台形状の前記テーパー面の１つが前記地面上に配置される、請求項１６に記載の方法。
18. 前記逆台形三次元構造体を第３の構成に対して回転させる工程をさらに含み、そこで前記逆台形状の前記テーパー面の他方が前記地面上に配置される、請求項１７に記載の方法。
19. 前記形成された三次元構造体を前記バイオリアクターに固定することにより前記バイオリアクター内に配置された領域を増加させ、それにより前記バイオリアクター内の前記居住可能領域を増加させる工程をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
20. 低圧及び高濃度のＣＯ_２を有する環境中で居住可能な炭化水素系の三次元構造体を製造する方法であって、
    前記大気ガスを含む大気と連通する周囲環境内に配置されたバイオリアクター中に大気ガスを移動させる工程であって、前記大気ガスが、少なくとも１０％のＣＯ_２及び３％未満のＯ_２を含み、かつ前記周囲環境が、０.１気圧未満の絶対圧力を有する、工程；
    炭化水素系生物を含む水性混合物と前記移動させた大気ガスを反応させて固形物バイオマスを形成する工程であって、前記炭化水素系生物が、藻類であり、かつ前記大気ガスとの反応が、前記周囲環境中のＣＯ_２の濃度を低下させかつ前記周囲環境中のＯ_２の濃度を増加させる、工程；
    前記固形物バイオマスを粉砕する、加水分解する、及び脱水することにより前記固形物バイオマスから第１の化合物を形成する工程；
    前記第１の化合物を反応させてモノマー単位の第１のセットを生成する工程；
    モノマー単位の前記第１のセットをモノマー単位の第２のセットと反応させてポリマー化合物を生成する工程；
    前記ポリマー化合物を樹脂に成形する工程；並びに
    前記樹脂を加熱し前記樹脂を押出して付加製造機を介し三次元構造体を生成することにおける使用のための炭化水素系フィラメントを形成する工程、
    を含む、方法。

Images