JP2022511195A - 微細藻類培養タンク用の垂直流れ攪拌システム - Google Patents

Abstract

微細藻類培養タンク用の垂直流れ攪拌システム。本発明は、バイオ燃料を生産するための微細藻類の培養に関する。より具体的には、本発明は、微細藻類の培養タンク用の垂直流れ攪拌システムであって、エネルギー発生源（１）と、エネルギー蓄積装置（２）と、制御システム（３）と、電気モーター（４）と、少なくとも１つの移動限界センサー（５）と、攪拌プレート（６）と、トルク伝達システム（７）と、少なくとも２つの横方向駆動要素（８）とを備える、垂直流れ攪拌システムを提供する。

Description

本発明は、バイオ燃料を生産するための微細藻類の培養に関する。より具体的には、本発明は、微細藻類培養タンクの攪拌システムに関する。

世界のエネルギー需要は増加を続けており、この増加する需要を満たすことのできる代替エネルギー源を獲得することは、世界的に主要な研究課題になっている。これに加え、化石燃料を集中的に使用することにより、環境の悪化、気候変動、人々の健康に関する深刻な問題が引き起こされている。

現在、いくつかの再生可能エネルギー源が存在しており、これらの再生可能エネルギー源は、石油由来のエネルギー源と共に利用することにより、エネルギー基盤の一部を形成することができる。このような状況において、バイオ燃料は、技術的にも経済的にも実用可能な選択肢として提示されている。

商業用途のバイオディーゼルは、植物油、揚げ物をした後の廃油、および動物性脂肪から生産されてきた。植物油は、脂肪酸の特質、および農業部門内でのこれらの油の入手のしやすさにより、バイオディーゼルの生産に用いられるトリアシルグリセリドの重要な原料である。

しかし、大豆、ヒマワリ、綿等の植物油からバイオディーゼルを生産することは、食料の生産と競合する。なぜなら、これらの油を生産する主要な野菜作物により、食品産業の他の生産物も供給されているためである。このため、他の産業部門にとって利害のないトリグリセリドの原料を特定および開発することにより、これらの部門との競合を最小限に抑え、ディーゼルに代わる原料としてバイオディーゼルを確実に実用できるようにすることが必要である。このような状況において、微細藻類は、バイオディーゼル生産用油の非常に有望な原料として提示されている。

維管束植物と同じように、微細藻類は成長するために３つの基本的な成分、つまり光と水と栄養分を必要とする。さらに、微細藻類は、維管束植物を上回る光合成効率を有しており、植物バイオマスの成長および蓄積が速く、１ヘクタール当たり、より短い時間でより多くのバイオマスを生産する。

１ヘクタール当たりの微細藻類の油の予想生産率は、例えば、陸上種のうちで最も油の生産率が高いと考えられているヤシの約１０倍になる。このため、微細藻類は、バイオ燃料（バイオマス、油、バイオディーゼル、メタンおよび水素）の生産において、大きな可能性を有する選択肢である。

さらに、急速に成長することにより、微細藻類は、光合成によりごく短期間で大量の炭素を固定するため、大気中の炭素を効率的に固定するものである。藻類バイオマスを１トン生産する毎に、光合成により約２トンの二酸化炭素を消費すると推定されるが、これは油用の作物が吸収する炭素の１０倍から２０倍の炭素に相当する。

注目されるさらなる利点は、微細藻類からバイオディーゼルを生産することは、培養にそれほど広い場所を必要とせず、農業にとって利害のない場所で実施することができるため、食品産業と競合しないという点である。

微細藻類は自然と二酸化炭素を固定する作用を発揮するため、微細藻類の培養は、セメント工場、石油精製工場、製紙工場、セルロース工場、製鉄所、および火力発電所等の、二酸化炭素を大量に排出する産業における二酸化炭素排出ラインと関連させてもよい。

二酸化炭素の固定それ自体が、炭素クレジット市場を通して、これらの産業に価値を与えることになる。炭素の固定に加え、微細藻類は、石油化学工業廃水等の廃水から栄養分を除去するという優れた能力を有しており、汚水処理を助ける。

微細藻類の商業的な生産は、開放系と閉鎖系の両方で行われている。光バイオリアクターと呼ばれる閉鎖系は、培養基と外部環境が直接接触することのないシステムである。これらのシステムでは、汚染のリスクが比較的低く、温度、ｐＨ、および栄養分の濃度等のプロセス条件の制御がしやすい。

他方、光バイオリアクターは、体積に対する表面積の比率が高く、エネルギー消費の大きい冷却装置が必要であるという特徴があるため、大規模な生産に応用することが難しい。開放池で培養するシステムでは、外部環境との直接接触があるため、汚染の影響を受けやすい。

さらに、表面積と体積との間の比率がそれほど高くないため、このタイプのシステムの稼働およびメンテナンスにかかるコストは、閉鎖系にかかるコストよりもずっと低くてすみ、大規模生産にとってより魅力的である。しかし、開放池で微細藻類を生産するシステムであっても、細胞を光に当てるため、培養基をかき混ぜなければならないため、エネルギーが必要である。

現在、微細藻類の大規模生産のために使用される開放タイプの技術は、レースウェイシステムと呼ばれている。このシステムは、通常、楕円形の浅い石造構造から構成され、中央で分割されて２本の平行な水路を形成し、そのうちの１本には、バイオマスを浮遊させるための攪拌装置が備えられる。攪拌装置は、通常、水中に配置した揚水手段や空気噴射手段、または羽根車により構成される。

レースウェイシステムでは、攪拌装置が、細胞を光に当てるためにバイオマスを浮遊状態に保ち、さらに池の中の流体全体の循環を促すため、稼働に多くの電気エネルギーを必要とする。このように、このタイプのシステムで効率的な攪拌を行うためには、多くのエネルギーが必要となり、その結果、最終生産物を得るために、追加のコストがかかる。

垂直流れ攪拌システムは、培養物の細胞を光に当てるために使用される別の技術である。攪拌装置は垂直構造を形成し、この垂直構造は、タンクの中に配置され、同タンクの全体積を変動可能な体積を有する２つの隣接した部分に分割し、これらの２つの隣接部分は、垂直構造の下端部の狭い連通によってのみ互いに繋がっている。垂直構造は、タンク全体を長手方向に移動し、この動作を何度も繰り返す。このシステムは、レースウェイシステムよりもエネルギーを必要とせず、藻類バイオマスの生産コストを削減できるが、大規模な培養システムでは、電気エネルギーの使用がなお必要である。

微細藻類の培養タンクに応用される様々な攪拌システムが、現在の技術水準において知られている。これらのシステムのうちの一部を下記に示す。

ＵＳ７７６３４５７Ｂ２（特許文献１）には、バイオディーゼルの原料として使用される藻類の培養システムが記載されている。このシステムは、既定の距離分だけ互いに離れた隔壁を備えてカルマン渦を発生させることにより、藻類の細胞を順に流れの表面に移動させ、太陽光に当てるようにするものである。水路内に流れを発生させるために羽根車が使用され、流体を水路内で移動させる。

ＷＯ２０１３１５３４０２Ａ１（特許文献２）では、レースウェイタイプの池の中で微細藻類を培養する方法が開示されている。この方法では、藻類の繁殖条件、および池自体の条件のシミュレーションをするように、１つ以上の環境パラメーターを変更することにより、藻類の生理学的な状態を操作する。特定のタイミングで１つ以上の環境パラメーターを変更することにより、同時に細胞分裂を引き起こしたり、維持したりすることもできる。この文献によると、池の中を循環する微細藻類と水の流れを維持するために、羽根車が適用され、池の端部に配置される。

ＷＯ２００８０４８８６１Ａ２（特許文献３）では、２段階リアクターで使用される藻類の生産システムが提示されている。このシステムは、高い含油量を有する藻類の成長のための培養リアクターに導管を介して接続された藻類分離装置を備える。

特許文献３によると、栓流リアクター内の微細藻類の培養基の流れを一定に保つために、羽根車が第２のリアクター内で使用される。しかし、これらの装置に関する詳細は記載されていない。

ＵＳ９５９３３０２Ｂ１（特許文献４）では、微細藻類の培養基を分離する方法が開示されている。この方法は、水層の培養媒体をタンクに加えることと、上部部分を除去し、微細藻類を含む下部部分を収集する目的を有する装置に、成長中の培養物を移動させることとを含む。記載のタンクは、培養基を移動させる装置を備え、この装置は、特に、混合機、ポンプ、一組の羽根板であってもよいとのことだが、詳細は記載されていない。

ＣＮ２０３６６８４０６Ｕ（特許文献５）では、タンクの中の微細藻類の培養基内に空気を噴射する手段により、攪拌を制御する装置が開示されている。この装置は、電磁弁を備えた通気マニホールドにより構成された気体分配装置を備える。この文献によると、攪拌制御アセンブリーは、太陽光パネルと、第１の抵抗と、周波数変換器と、モーターと、回転攪拌羽根板とを備える。

上記を考慮すると、現在の技術水準では、依然、バイオディーゼルの生産のための微細藻類バイオマスの生産コスト削減を目的とする、微細藻類培養タンクに応用される垂直流れ攪拌システム、またはこのタイプの攪拌システムを使用する任意のリアクターに応用される垂直流れ攪拌システムのための、自動化され自律的に制御されるシステムが必要とされていることが明らかである。

米国特許第７７６３４５７号明細書 国際公開第２０１３１５３４０２号 国際公開第２００８０４８８６１号 米国特許第９５９３３０２号明細書 中国実用新案第２０３６６８４０６号

本発明は、現在の技術水準における上記問題を、実用的且つ効率的に解決しようとするものであり、以下に詳細を記載する。

本発明の目的は、現在の技術水準で知られているものよりも効率的な、微細藻類の培養タンク、または任意のバイオリアクターに応用される垂直流れ攪拌システムを提供することであり、さらにこれらのシステムのエネルギー消費を削減することである。

前述の目的を実現するために、本発明は微細藻類の培養タンク用の垂直流れ攪拌システムであって、エネルギー発生源と、エネルギー蓄積装置と、制御システムと、電気モーターと、少なくとも１つの移動限界センサーと、攪拌プレートと、トルク伝達システムと、少なくとも２つの横方向駆動要素とを備える、垂直流れ攪拌システムを提供する。

図１は、本発明の自律型垂直流れ攪拌システムの任意の一構成を示す図である。

下記の詳細な説明では、添付の図面と、図面内の対応する参照符号を参照する。

前提として、下記の記載は、本発明の好ましい一実施形態であることを強調しておく。しかし、当業者にとっては明白であるように、本発明はこの特定の実施形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の自律型垂直流れ攪拌システムの特定の構成を示す図である。

図１から分かるように、本明細書に記載の発明の具体的な構成では、このシステムは、エネルギー発生源１と、エネルギー蓄積装置２と、制御システム３と、電気モーター４と、少なくとも１つの移動限界センサー５と、攪拌プレート６と、トルク伝達システム７と、少なくとも２つの横方向駆動要素８とを備える。

エネルギー発生源１は、好ましくは、システムの稼働に必要なエネルギーの全てを供給する自律型発生源である。様々なエネルギー発生源１が適用されうるが、自律型発生源が好ましい。

任意として、エネルギー発生源１は、再生可能タイプであり、特に、太陽光発電機または風力発電機等の、現在の技術水準で知られている任意のタイプのものであってもよい。

図１には、エネルギー発生源１が自律型垂直流れ攪拌システムの上に配置された太陽電池板である構成が示されている。この構成では、太陽エネルギーが電気エネルギーに変換され、システム全体に供給される。

さらに、本発明は異なるエネルギー源を組み合わせることも想定しているため、環境条件が１つのタイプのエネルギー発生源１にとって不都合である場合、その他のエネルギー源を使用することができ、システム全体の稼働を断念しなくてもよい。

エネルギー蓄積装置２は、任意として、エネルギー発生源１により生み出された余剰エネルギーを蓄積するように適用される。適用されるエネルギー蓄積装置２は、少なくとも１つのバッテリー、少なくとも１つのスーパーキャパシター、またはこれらを相互に作用させたもの等、現在の技術水準において知られている任意のものであってもよい。

任意として、図１に示されているように、エネルギー蓄積装置２は、垂直流れ攪拌システムのアセンブリーに組み込まれる。しかし、代替構成では、エネルギー蓄積装置２は、システム外の位置に固定され、電気配線により同位置に接続されてもよい。

任意として、自律型垂直流れ攪拌システムの移動方向の制御を実行する制御システム３も適用される。この制御システム３は、マイクロコントローラー、またはプログラマブルロジックコントローラー、またはリレー、またはこれらを相互に作用させたもの等により構成されてもよい。

さらに、制御システム３は、適用するときに、垂直流れ攪拌システムのアセンブリーに装着してもよい。しかし、代替構成では、制御システム３は、システム外の位置に固定されてもよく、制御システム３と制御される要素との間の通信が無線方式により実現されてもよい。

移動限界センサー５は、攪拌システムが培養タンクの一方向の端部に到達したことを検知するように適用される。到達を検知すると、移動限界センサー５はデータを制御システム３に送信し、制御システム３は攪拌システムの動きを逆にするため、攪拌システムは逆方向、つまり培養タンクのもう一方の端部に向かって移動する。

制御システム３が、攪拌システムの全ての要素の制御を担っており、制御システムと他の要素との間の通信は、電気配線または無線接続等、既知の任意の方法で実現されてもよいことを、強調しておく。

モーター４は、発生源１、または蓄積装置２から受け取った電力を、機械的作用に変換し、攪拌システム、特に、攪拌プレートを実際に駆動する装置である。

この目的のために、本発明は、モーター４により発生したトルクを駆動要素８に伝達する伝達システム７を備える。

適用される伝達システム７は、現在の技術水準で知られている任意のものであってもよい。図示されている任意の構成では、伝達システム７は、必要なトルクを駆動要素８に伝達する、一組のギアとシャフトを備えている。

駆動要素８は、攪拌システム、特に、攪拌プレート６を培養タンクに沿って移動させることを担っている。任意として、駆動要素８は攪拌プレート６に対して横方向に配置され、これにより駆動要素８はシステムの物理的な均衡も助ける。

図１に示されている横方向の駆動要素８は２つの車輪を備え、各車輪が攪拌プレート６の横方向の各端部に配置されているが、他の構成が適用されてもよいことを、強調しておく。

例えば、駆動要素８は、横方向のレールまたは歯付きシャフトに接続された横方向のベルト、または培養タンクに沿って攪拌システムを駆動することができる任意の他の構成を備えてもよい。

任意として、駆動要素８は、培養タンクの横方向の縁部の上で支持され、移動させられてもよい。

攪拌プレート６は、微細藻類の細胞を常に光に当てられるように、培養タンク内で液体の（さらに結果として、微細藻類の）攪拌を実際に実現することを担う要素である。

適用される攪拌プレート６は、現在の技術水準において一般的に適用されるタイプのものである。このため、攪拌プレート６の横方向の寸法は、攪拌プレート６の縁部のそばを通過する培養基の流れを最小限にできるように、培養タンクの内側の横方向の寸法とほぼ同じである。

さらに、攪拌プレート６は、培養タンクの水面より上の位置から、タンクの底面のすぐ近くの領域まで、垂直方向に延在する。

このように、攪拌プレート６は異なる形状をとってもよいが、適用される形状は培養タンクの断面の形状に実質的に適合していなくてはならず、攪拌プレート６の縁部はタンクの壁にできるだけ近いところに位置すべきであり、攪拌プレート６の下部領域は、流体がこの下部領域のそばを通過できるように、タンクの底面から所与の距離を保っていなくてはならない。

よって、本発明の垂直流れ攪拌システムの稼働は、下記のように要約することができる。

エネルギー発生源１は、システム全体のためのエネルギーを供給し、そのエネルギーの少なくとも一部を蓄積装置２、モーター４、および制御システム３に送る。モーター４は機械的トルクを伝達システム７に供給し、伝達システム７はトルクを駆動要素８に伝達し、システムを作動させる。

制御システム３は、図１に示されているアセンブリー全体の移動方向を決定する。つまり、同アセンブリーがタンクの一端部に到達すると、移動限界センサー５がその位置を検知し、信号を制御システム３に送ることにより、同制御システムがモーター４の回転を逆にする。その後、アセンブリーが逆方向に移動し、これによりタンク全体の長手方向に沿って移動するという、周期的な動作が実行される。

このように、システムが培養基内を移動している間、同培養基に直接接触している攪拌プレート６は、微細藻類の攪拌を実行し、同微細藻類を光に当てる。

よって、本発明は、培養基の攪拌を実行するために必要なエネルギーの全てを供給する太陽光発電ユニットを用いることにより、自律型垂直流れ攪拌システムを提供し、電気エネルギーのコストを削減する。

上記の記載より、本発明の垂直流れ攪拌システムが、現在の技術水準の模範例に関して一連の利点を呈することが明らかである。その利点とは、微細藻類からバイオマスを生産するための単位原価の削減、攪拌システムの自動化により、電気エネルギーが供給されていない僻地であっても稼働が可能になること、装置が高い耐久性を有しているため、メンテナンスシステムの必要性が低いこと、現在の培養システムを本発明に適合させやすいことである。

本出願の特許請求の範囲に関し、非常に多くの変形が許容される。よって、本発明は、上記の特定の構成および実施形態に限定されないことが確認される。

Claims (8)

1. 微細藻類の培養タンク用の垂直流れ攪拌システムであって、エネルギー発生源（１）と、エネルギー蓄積装置（２）と、制御システム（３）と、電気モーター（４）と、少なくとも１つの移動限界センサー（５）と、攪拌プレート（６）と、トルク伝達システム（７）と、少なくとも２つの横方向駆動要素（８）とを備える、垂直流れ攪拌システム。
2. 前記エネルギー発生源（１）が、太陽光発電機および風力発電機のうちの少なくとも１つである、請求項１に記載のシステム。
3. 前記エネルギー蓄積装置（２）が、少なくとも１つのバッテリー、または少なくとも１つのスーパーキャパシター、またはこれらの組み合わせである、請求項２に記載のシステム。
4. 前記制御システム（３）が前記自律型垂直流れ攪拌システムの移動方向の制御を実行するように適合され、前記制御システム（３）がマイクロコントローラー、プログラマブルロジックコントローラー、およびリレーのうちの少なくとも１つにより構成される、請求項１から３のいずれか一項に記載のシステム。
5. 前記移動限界センサー（５）が、前記攪拌システムが前記培養タンクの所与の方向の端部に到達したことを検知するように適合される、請求項１から４のいずれか一項に記載のシステム。
6. 前記トルク伝達システム（７）が前記モーター（４）により発生したトルクを前記駆動要素（８）に伝達するように適合され、前記伝達システム（７）が一組のギアとシャフトを備える、請求項１から３のいずれか一項に記載のシステム。
7. 前記駆動要素（８）が、前記攪拌システムを前記培養タンクに沿って駆動するように適合され、
   前記駆動要素（８）が、前記攪拌プレート（６）に対して横方向に配置され、
   前記駆動要素（８）が、横方向のレール、歯付きシャフトに接続された横方向のベルト、および横方向の車輪のうちの少なくとも１つを備え、
   前記駆動要素（８）が、前記培養タンクの横方向の縁部の上で支持され、移動する、
   請求項１から６のいずれか一項に記載のシステム。
8. 前記攪拌プレート（６）が前記培養タンクの断面の形状に実質的に適合する形状を有し、前記攪拌プレート（６）の縁部が前記タンクの横方向の壁に対して正確に配置され、前記攪拌プレート（６）の下部領域が、流体が前記下部領域のそばを通過できるように、前記タンクの底面から所与の距離を保っている、請求項１から７のいずれか一項に記載のシステム。

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