CZ28191U1

CZ28191U1 - Photobioreactor for autotrophic and mixotrophic culturing of microorganisms, especially microscopic algae and blue-green algae

Info

Publication number: CZ28191U1
Application number: CZ2014-30526U
Authority: CZ
Inventors: Petr Kaštánek
Original assignee: Ecofuel Laboratories S.R.O.
Priority date: 2014-12-31
Filing date: 2014-12-31
Publication date: 2015-05-13

Description

Úřad průmyslového vlastnictví v zápisném řízení nezjišťuje, zda předmět užitného vzoru splňuje podmínky způsobilosti k ochraně podle § 1 zák. č. 478/1992 Sb.The Industrial Property Office does not ascertain in the registration procedure whether the subject of the utility model meets the conditions of eligibility for protection pursuant to Section 1 of Act no. No. 478/1992 Coll.

Fotobioreaktor pro autotrofní a mixotrofní kultivaci mikroorganismů, zejména mikroskopických řas a sinicPhotorioreactor for autotrophic and mixotrophic cultivation of microorganisms, especially microscopic algae and cyanobacteria

Oblast technikyTechnical field

Technické řešení se týká fotobioreaktoru pro autotrofní i mixotrofní kultivaci mikroorganismů, zejména mikroskopických řas a sinic.The technical solution concerns a photobioreactor for autotrophic and mixotrophic cultivation of microorganisms, especially microscopic algae and cyanobacteria.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Mikrořasy a sinice (kyanobaktérie, modro-zelené řasy), velmi často zmiňované pouze jako „řasy“ jsou fotosyntetizující mikroorganismy, které spojují žádoucí vlastnosti vyšších rostlin (tj. zemědělských plodin) a mikrobů (bakterií, kvasinek). Významnou je zejména jejich schopnost růst fotosynteticky, tj. využívat k růstu pouze světla, levných solí, vody a oxidu uhličitého. K autotrofnímu růstu nepotřebují organické substráty, jako např. cukry. Navíc jsou řasy schopny produkovat stejné zásobní látky jako vyšší rostliny, např. škrob nebo oleje, které mohou být následně využity např. pro výrobu ethanolu či biodieselu. Vlastností, kterou mají řasy podobné mikrobům, je zejména vysoká rychlost růstu některých kmenů řas. Řada mikrořas a sinic je však také schopna mixotrofhího růstu, kdy část energie je využita z foto syntetizujícího záření a oxidu uhličitého, část z uhlíkatého organického substrátu.Microalgae and cyanobacteria (cyanobacteria, blue-green algae), often referred to only as "algae", are photosynthetic microorganisms that combine the desirable properties of higher plants (ie agricultural crops) and microbes (bacteria, yeasts). Of particular importance is their ability to grow photosynthetically, ie using only light, cheap salts, water and carbon dioxide to grow. They do not need organic substrates such as sugars for autotrophic growth. In addition, algae are able to produce the same stocks as higher plants, such as starch or oils, which can then be used, for example, to produce ethanol or biodiesel. In particular, the microbial-like algae feature is the high growth rate of some algae strains. However, many microalgae and cyanobacteria are also capable of mixotrophic growth where part of the energy is utilized from photo synthesizing radiation and carbon dioxide, some from carbonaceous organic substrate.

Mikrořasy obsahují řadu velmi žádaných produktů. Z hlavních složek obsahují ve značné míře proteiny, 51 % až 58 % vztaženo na sušinu, 12 % až 17 % škrobu a 14 % až 22 % lipidů. Tyto hodnoty jsou průměrné např. pro rod zelených sladkovodních řas Chlorophycae, v laboratořích jsou kultivovány řasy obsahující až 60 % až 70 % olejů, respektive škrobu. Mikrořasy jsou zdrojem vitaminů (A, Bj, B₂, B₆, Bi₂, C, E), kyseliny listové, chlorofylu, karotenoidů, imunostatik (např. 1.3-beta glukanu), polysacharidů a řady vzácných a žádaných složek (Metting F. B.: Biodiversity and application of microalgae. J. Ind. Microbiol. 17, 477-489 (1997). Řasové lipidy jsou tvořeny glycerolem, cukry nebo bázemi esterifikovanými na nasycené či nenasycené mastné kyseliny s převážně 12 až 22 atomy uhlíku. Z nutričního hlediska jsou vysoce ceněné polynenasycené mastné kyseliny s dlouhými řetězci (s obsahem C > 18), které nejsou vyšší rostliny schopné syntetizovat, jako jsou kyseliny ARA (struktura 20:4), DHA (struktura 22:6) a EPA (struktura 22:5), které jsou nepostradatelné jako korektory vývoje mozku a očí u dětí, resp. jako doplňky pro kardiovaskulární péči u dospělých.Microalgae contain a number of highly desired products. Of the major components, they contain, to a large extent, proteins, 51% to 58% on dry weight, 12% to 17% starch and 14% to 22% lipids. These values are average, for example, for the genus Chlorophycae of green freshwater algae, algae containing up to 60% to 70% of oils or starch are cultivated in laboratories. Microalgae is a source of vitamins (A, B, B ₂ , B ₆ , Bi ₂ , C, E), folic acid, chlorophyll, carotenoids, immunostatics (eg 1,3-beta glucan), polysaccharides and a number of rare and desired ingredients (Metting FB Algal lipids consist of glycerol, sugars or bases esterified to saturated or unsaturated fatty acids having predominantly 12 to 22 carbon atoms. highly valued long-chain polyunsaturated fatty acids (containing C> 18) which are not capable of synthesizing higher plants, such as ARA (structure 20: 4), DHA (structure 22: 6) and EPA (structure 22: 5), which are indispensable as correctors of the development of the brain and eyes in children, or as supplements for cardiovascular care in adults.

Ačkoliv bylo popsáno a zkonstruováno mnoho experimentálních typů fotobioreaktorů, pouze nepatrná část jich byla komerčně úspěšná ve velkém měřítku. Komerční aplikace fotobioreaktorů zůstává limitována především na produkci Chlorella and Haematococcus (Olaizola 2003, Pulz O. In: Appl. Microbial. Biotechnol. 57, 287-293 (2001), a kultivace probíhá též s kyanobakteriemi (Spirulina sp.) zelenými řasami (Haematococcus pluvialis) a červenými řasami (Porphyridium sp.).Although many experimental types of photobioreactors have been described and constructed, only a small fraction have been commercially successful on a large scale. Commercial application of photobioreactors remains limited primarily to the production of Chlorella and Haematococcus (Olaizola 2003, Pulz O. In: Appl. Microbial. Biotechnol. 57, 287-293 (2001), and cultivation is also performed with cyanobacteria (Spirulina sp.) With green algae (Haematococcus pluvialis) and red algae (Porphyridium sp.).

Od dob prvých pokusů v 50tých letech byla v pilotním měřítku navržena a testována široká škála fotobioreaktorových uspořádání (Tredici M. R.: Mass production of microalgae: Photobioreactors. In: Richmond A., Ed., Handbook of Microalagal Culture. Blackwell Science Ltd. Oxford, 178-214 (2004). Obecně se dají rozdělit do 4 základních skupin: ploché reaktory, mělké otevřené rybníky, trubkové reaktory a plastové vaky. Mezi těmito základními typy je však mnoho variant.A wide variety of photobioreactor arrangements have been designed and tested on a pilot scale since the first experiments in the 1950s (Tredici MR: Mass production of microalgae: Photobioreactors. In: Richmond A., Ed., Handbook of Microalagal Culture. Blackwell Science Ltd. Oxford, 178 -214 (2004) In general, they can be divided into 4 basic groups: flat reactors, shallow open ponds, tubular reactors and plastic bags, but there are many variants among these basic types.

Pro masovou produkci řady běžných typů mikrořas jsou většinou využívány otevřené horizontální bazény s kruhovým či oválným půdorysem, výškou řasové suspenze cca 15 až 30 cm a rychlostí proudění 15 až 30 cm/s, takzvané „dostihové dráhy“ (Borowitzka M. A.: Commercial production of microalgae: ponds, tanks, tubes and fenmenters. J. Biotechnol. 70, 313-321 (1999).For the mass production of many common types of microalgae are mostly used open horizontal pools with circular or oval ground plan, algae suspension height of about 15 to 30 cm and a flow rate of 15 to 30 cm / s, the so-called "racetrack" (Borowitzka MA: Commercial production of microalgae : ponds, tanks, tubes and fenmenters, J. Biotechnol., 70, 313-321 (1999).

Komerční produkce chlorely a spiruliny je provozována primárně v tomto otevřeném uspořádání. Uzavřené systémy byly využity zejména pro výzkum a pilotní instalace (Tredici M. R., Zittelli G. C.: Efficiency of sunlight utilization: Tubular versus fiat photobioreactors. Biotechnol. Bioeng. 57, 187-197 (1998). Doposud jedinou velkokapacitní pěstímou využívající uzavřený trubkovýCommercial production of chlorella and spirulina is operated primarily in this open configuration. Closed systems have been used mainly for research and pilot installations (Tredici M. R., Zittelli G. C .: Efficiency of sunlight utilization: Tubular versus fiat photobioreactors. Biotechnol. Bioeng. 57, 187-197 (1998). So far the only large-capacity fist using closed tube

-1 CZ 28191 Ul fotobioreaktor je od r. 2000 výroba Chlorelly v Německu (Pulz O.: Photobioreactors: Production systém for phototropis microroganisms. Appl. Microbiol. Biotechnol. 57, 287-293 (2001).Ul photobioreactor has been Chlorella production in Germany since 2000 (Pulz O .: Photobioreactors: Production system for phototropis microroganisms. Appl. Microbiol. Biotechnol. 57, 287-293 (2001)).

Horizontální bazény jsou charakterizovány jednoduchou stavbou a nízkými investičními náklady. Na druhou stranu jsou spojeny s řadou výrazných problémů, např. díky vysoké vrstvě kapaliny a s tím souvisejícím využitím dopadajícího fotosyntetizujícího záření, koncentrace řas v kultuře se pohybuje obvykle do 500 mg suché váhy v litru kultivačního média (Doucha J., Lívanský K.: Productivity. CO2/02 exchange and hydraulics in outdoor open high density microalgal (Chlore11a sp.) photobioreactors operated in a Middle and Souther European climate. J. Appl. Phycol. 18, 811-826 (2006). Nízká koncentrace řas zvyšuje riziko kontaminace jinými mikroorganismy a klade vysoké energetické nároky na separaci biomasy z takto řídkého média, což výrazně zvyšuje provozní náklady na zpracování. Laminámí pomalý tok kultivačního média v tomto reaktorovém uspořádání může vyústit ve fotoinhibici homí vrstvy média, která je přesaturovaná světlem a vést k nežádoucí akumulaci kyslíku v systému.Horizontal pools are characterized by simple construction and low investment costs. On the other hand, they are associated with a number of significant problems, for example due to the high liquid layer and the associated use of incident photosynthetic radiation, the concentration of algae in culture is usually up to 500 mg dry weight per liter of culture medium (Doucha J., Lívanský K .: Productivity CO2 / 02 exchange and hydraulics in outdoor high density microalgal (Chlore11a sp.) Photobioreactors operated in the Middle and Southern European climate, J. Appl. Phycol., 18, 811-826 (2006). The microorganisms impose high energy requirements on the separation of biomass from such a thin medium, which greatly increases the processing costs of the process.Laminamic slow flow of culture medium in this reactor arrangement can result in photoinhibition of the upper layer of medium presaturated by light and leading to undesirable oxygen accumulation. system.

Hlavní výhodou uzavřených systémů je prevence kontaminace cizími mikroorganismy, unášenými větrem. Avšak uzavření otevřených bazénů je nákladné a dochází k snížení množství slunečního záření, dopadajícího na kultivační médium. Fotobioreaktory mohou být uspořádány pro kontinuální sklizeň (např. trubkové fotobioreaktory), nebo vsádkovým systémem (např. polyethylenové vaky).The main advantage of closed systems is the prevention of contamination by foreign microorganisms carried by the wind. However, the closure of open pools is costly and reduces the amount of sunlight falling on the culture medium. The photobioreactors may be arranged for continuous harvesting (eg tubular photobioreactors), or a batch system (eg polyethylene bags).

V transparentních nádržích či vakových systémech pro růst řas mikroorganismy zachycují světlo pouze ve vrstvičce o tloušťce několika milimetrů až centimetrů od povrchu nádrže, kde dochází k fotosyntéze. Jakmile se organismy vlivem proudění kultivačního média dostanou dále od osvětleného povrchu, záření již médiem nemůže penetrovat a fotosyntéza se zastavuje. Pro metabolismus řas je důležitá nejenom doba vystavení fotosyntetizujícímu záření, ale i existence tmavých oblastí uvnitř objemu reaktoru. V těchto oblastech dochází k tvorbě komplexních proteinů uvnitř řas (po ozáření a absorpci fotosyntetizujícího záření potřebují řasy jistou prodlevu v temné oblasti, kdy dojde k využití zachycené sluneční energie a jejímu transferu do hmoty). Poměr doby, po kterou řasa setrvá v ozářené a temné oblasti reaktoru je rozhodující pro optimální růst řas. V nádržích a otevřených reaktorových systémech s hlubokou vrstvou kultivačního média je však tento poměr velmi vzdálený optimálním hodnotám a růst řas je tak limitován.In transparent tanks or algae bag systems, micro-organisms only capture light in a layer of a few millimeters to centimeters from the surface of the tank where photosynthesis occurs. Once organisms move away from the illuminated surface due to the flow of culture medium, radiation can no longer penetrate the medium and photosynthesis stops. Not only the time of exposure to photosynthetic radiation, but also the existence of dark areas within the reactor volume is important for algae metabolism. In these areas, complex proteins are formed within the algae (after irradiation and absorption of photosynthesizing radiation, the algae need some lag in the dark region to utilize the captured solar energy and transfer it to matter). The ratio of time that the algae remain in the irradiated and dark areas of the reactor is critical to optimal algae growth. However, in tanks and open reactor systems with a deep layer of culture medium, this ratio is very far from optimal values and the algae growth is thus limited.

Trubkové reaktory řeší tento problém užitím užších průměrů trubek, které umožňují penetraci slunečního záření až ke středu trubek. Toto řešení maximalizuje objem reaktoru využitelný pro fotosyntézu. Jelikož řasy vyžadují strávit část doby v temné zóně, je proto kultivační médium cirkulováno trubkami do neosvětleného zásobníku a zpět do trubek. Další možností je využití o trochu větších průměrů trubek, nežli je penetrační hloubka záření a udržení dostatečné míry turbulence, která zajistí oscilaci řasových buněk mezi světlou a temnou částí trubky. Je však nutno konstatovat, že striktní rozdělení na světlou a temnou část je hypotetické a v reálu prochází rasová buňka oblastmi s různým gradientem intenzity záření.Tubular reactors solve this problem by using narrower tube diameters that allow sunlight penetration to the center of the tubes. This solution maximizes the reactor volume useful for photosynthesis. Since the algae require to spend part of the time in the dark zone, the culture medium is therefore circulated through the tubes to the unlit container and back to the tubes. Another possibility is to use slightly larger tube diameters than the penetration depth of radiation and maintain a sufficient degree of turbulence to ensure the algal cell oscillation between the light and dark parts of the tube. However, it is necessary to state that the strict division into light and dark parts is hypothetical and in reality the racial cell passes through regions with different gradient of radiation intensity.

Využití autotroíního růstu řas vyžaduje dostatečný zdroj fotosyntetizujícího záření, ať již slunečního, nebo umělého. Sluneční osvit je však časově limitovaný v denních i ročních cyklech a obtížně regulovatelný, umělé osvětlení je energeticky náročné a negativně ovlivňuje ekonomiku kultivace. Je proto výhodné využít schopnost některých řas a sinic využívat organický substrát.The use of autotropic algae growth requires a sufficient source of photosynthetic radiation, whether solar or artificial. However, solar irradiation is time limited in both day and year cycles and difficult to control, artificial lighting is energy intensive and negatively affects the economy of cultivation. It is therefore advantageous to exploit the ability of some algae and cyanobacteria to utilize an organic substrate.

Pro tento tzv. mixotrofní růst řas a sinic je však nezbytné vytvořit vhodné podmínky, bránící rozvoji bakteriální kontaminace v kultuře obsahující organický zdroj uhlíku. Je proto nezbytné volit bud kultivační podmínky vyhovující pouze extrémofulním mikroorganismům (kultivace při velmi nízkých pH, kultivace při vysokých teplotách či salinitě média atd.), nebo používat uzavřené, sterilizovatelné kultivační systémy.However, for this so-called mixotrophic growth of algae and cyanobacteria, it is necessary to create suitable conditions preventing the development of bacterial contamination in a culture containing an organic carbon source. It is therefore necessary to choose either culture conditions that are suitable only for extreme-micro-organisms (culture at very low pH, culture at high temperatures or medium salinity, etc.) or to use closed, sterilizable culture systems.

Tyto uzavřené kultivační systémy mají také řadu nevýhod, např. usazování mikroorganismů vlivem nedostatečného promíchání bioreaktoru či obtížnou kontrolu teploty. Vzhledem k limitovanému odpařování kapaliny z uzavřených bioreaktorů, může v horkých dnech či při intenzivním osvitu dojít k přehřátí kultivačního média nad mez únosnou pro přežití kmene mikroorganismu. Otevřené systémy mají částečnou seberegulační schopnost teploty díky odparu kapaliny z hla-2CZ 28191 Ul diny, kterým dochází k ochlazení média. Tento fenomén u uzavřených reaktorů nefunguje a musí být proto zařazen výměník tepla, což může provoz zařízení prodražit.These closed culture systems also have a number of disadvantages, such as settling of microorganisms due to insufficient mixing of the bioreactor or difficult temperature control. Due to the limited evaporation of liquid from closed bioreactors, on hot days or at intense exposure, the culture medium may overheat above the load-bearing limit for the survival of the microorganism strain. Open systems have a partial self-regulating ability of temperature due to the evaporation of fluid from the hla-2C, which cools the medium. This phenomenon does not work in closed reactors and therefore a heat exchanger must be included, which can make the plant more expensive to operate.

Je známé technické řešení mixotrofního reaktoru podle UV17639, kde válcová kultivační nádoba sestává ze souosých plášťů, přičemž prostor mezi nimi je naplněn teplosměnným médiem. Toto řešení temperace kultivačního média je však konstrukčně náročné.A technical solution of the mixotrophic reactor according to UV17639 is known, wherein the cylindrical culture vessel consists of coaxial shells, the space between them being filled with a heat transfer medium. However, this solution of tempering the culture medium is structurally demanding.

Předkládané technické řešení fotobioreaktoru pro autotrofní a mixotrofní kultivaci mikroorganismů řeší problémy spojené s promícháváním reaktorů i temperací kultivačního média a nabízí konstrukčně a investičně nenáročné řešení. Možnost zakrytí reaktoru dále snižuje riziko kontaminace.Presented technical solution of photobioreactor for autotrophic and mixotrophic cultivation of microorganisms solves problems connected with mixing of reactors and temperature of cultivation medium and offers constructional and investment easy solution. The possibility of covering the reactor further reduces the risk of contamination.

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Podstatou technického řešení je fotobioreaktor pro autotrofní a mixotrofní kultivaci řas sestávající z osvětleného průsvitného válce, který je uvnitř opatřen alespoň jednou vnitřní přepážkou pro usměrnění toku kultivačního média a jehož dno tvoří tepelný výměník.The essence of the invention is a photobioreactor for autotrophic and mixotrophic algae cultivation consisting of an illuminated translucent cylinder, which is provided with at least one internal baffle to direct the flow of the culture medium and the bottom of which forms a heat exchanger.

Válcový plášť válce je přednostně vyroben z tvrdého chemicky odolného varného boritokřemičitého skla, zejména typu Simax, které je transparentní pro fotosyntetizující záření. Je výhodné, pokud je výška válce v rozmezí 50 až 300 cm, a průměr válce v rozmezí 10 až 100 cm. Zejména výhodné je, pokud je výška válce v rozmezí 80 až 150 cm, a průměr válce v rozmezí 20 až 30 cm.The cylindrical shell of the cylinder is preferably made of hard chemically resistant boiling borosilicate glass, in particular of the Simax type, which is transparent to photosynthesizing radiation. It is preferred that the height of the roll is between 50 and 300 cm, and the diameter of the roll is between 10 and 100 cm. It is particularly preferred that the height of the roll is between 80 and 150 cm, and the diameter of the roll is between 20 and 30 cm.

Dno je připevněno ke spodní hraně válce vodotěsně a odnímatelně, přednostně pomocí přírub a těsnění. Dno je vytvořeno duté a vodotěsné s přívodem temperační tekutiny a výtokem temperační tekutiny, takže tvoří dutý tepelný výměník a může být opatřeno alespoň jednou přepážkou dna. Horní plocha dna, přiléhající k spodní hraně válce je přitom vytvořena kuželovité se svažující do výpustního otvoru, který prochází dnem. Tato tekutina může kupř. cirkulovat v uzavřeném okruhu, do něhož je zařazený termostat či kryostat.The bottom is attached to the lower edge of the cylinder in a waterproof and detachable manner, preferably by means of flanges and gaskets. The bottom is hollow and watertight with a tempering fluid inlet and a tempering fluid outlet so that it forms a hollow heat exchanger and can be provided with at least one bottom baffle. The upper surface of the bottom adjacent to the lower edge of the cylinder is conical in this case sloping into an outlet opening which extends through the bottom. This fluid may e.g. circulate in a closed circuit with a thermostat or cryostat.

K horní hraně válce přiléhá odnímatelné víko, opatřené otvory a průchodky zejména pro čidla, vzduchovací trubicí pro vstup a výstup plynů, přednostně pro vstup aeračního plynu a výstup plynů z bioreaktoru, pracovní otvory, vložení narážek, míchadel, vložení přídavných osvětlovacích těles, zavedených do kultivačního média v bioreaktoru, popř. otvory umožňující vstup do pracovního prostoru bioreaktoru. Víko je pomocí přírub a těsnění jednoduše odnímatelně připojeno k horní hraně válce, popř. je k této hraně pouze přiloženo.Adjacent to the upper edge of the cylinder is a removable lid provided with openings and grommets especially for sensors, an air tube for gas inlet and outlet, preferably for aeration gas inlet and gas outlet from the bioreactor, work openings, insertion of stops, stirrers, insertion of additional lighting units culture medium in a bioreactor, respectively. holes to allow access to the bioreactor workspace. The cover is simply removably attached to the upper edge of the cylinder or flange by means of flanges and seals. it is only attached to this edge.

K víku je přednostně pomocí šroubů s regulovatelnou délkou připevněna vnitřní přepážka pro usměrnění toku kapaliny uvnitř bioreaktoru. Tato vnitřní přepážka je umístěna souose s podélnou osou válce. Mezi vnitřní přepážkou a dnem je vytvořen volný prostor, umožňující proudění tekutiny tímto volným prostorem pod vnitřní přepážkou. Vhodné je umístění vnitřní přepážky tak, aby volný prostor u dna měl výšku zhruba 1 až 5 cm. Výška vnitřní přepážky je volena tak, aby byla menší, nežli je výška válce. Vnitřní přepážka má trubky s šířkou 30 až 70 % průměru válce a s délkou 70 až 90 % výšky válce. Vhodným materiálem pro přepážku je polykarbonát či polymetakrylát.Preferably, an internal baffle is attached to the lid by means of adjustable length screws to direct fluid flow within the bioreactor. This inner partition is coaxial with the longitudinal axis of the cylinder. A free space is formed between the inner partition and the bottom to allow fluid to flow through the free space below the inner partition. It is suitable to place the inner partition so that the free space at the bottom is about 1 to 5 cm high. The height of the inner partition is chosen to be smaller than the height of the cylinder. The inner partition has tubes with a width of 30 to 70% of the cylinder diameter and a length of 70 to 90% of the cylinder height. A suitable material for the partition is polycarbonate or polymethacrylate.

Výstup vzduchovací trubice směřuje do prostoru na jedné straně vnitřní přepážky, takže vznikající bubliny vstupují pouze do prostoru na jedné straně přepážky. To umožňuje probublávání obsahu válce aeračním plynem. Vhodná konstrukce vzduchovací trubice zahrnuje kupř. umístění aeračního věnce na konec trubice, umístěný u dna válce. V tomto aeračním věnci jsou vyvrtány otvory, umožňující rovnoměrný vznik bublin aeračního plynu. V případě přepážky ve tvaru trubky pak aerační plyn vstupuje bud do vnitřku trubky, nebo do mezikruží tvořeném trubkou a válcem. Po zahájení aerace pak dojde ke změně zdánlivé hustoty probublané vrstvy kapaliny na jedné straně přepážky a k vzniku proudění kapaliny uvnitř bioreaktoru. Tento efekt je známý jako tzv. „airlift“, resp. „bioreaktor s pneumatickým promícháváním“. Proudění kapaliny kolem přepážky pak vytváří v bioreaktoru turbulentní prostředí, vhodné pro přestup oxidu uhličitého z aeračního plynu k mikroorganismům a brání též usazování mikroorganismů.The outlet of the air tube is directed into the space on one side of the inner partition, so that the bubbles formed enter only the space on one side of the partition. This allows the cylinder contents to be bubbled through the aeration gas. A suitable air tube construction includes e.g. placing an aeration ring at the end of the tube located at the bottom of the cylinder. In this aeration ring, holes are drilled to allow uniform formation of aeration gas bubbles. In the case of a tube-shaped partition, the aeration gas enters either the interior of the tube or the annulus formed by the tube and the cylinder. After initiation of aeration, the apparent density of the bubbled fluid layer on one side of the septum will change and fluid flow will occur within the bioreactor. This effect is known as airlift. "Bioreactor with pneumatic agitation". The flow of liquid around the septum then creates a turbulent environment in the bioreactor suitable for the transfer of carbon dioxide from the aeration gas to the microorganisms and also prevents the build-up of microorganisms.

-3 CZ 28191 U1-3 GB 28191 U1

Následovně jsou uvedeny další znaky technického řešení, které jeho podstatu dále rozvíjejí nebo alternativně doplňují. Významným konstrukčním prvkem technického řešení podle užitného vzoru je použití zářivkových trubic či LED (Light Emmiting Diod) jako zdroje fotosyntetizujícího záření. S ohledem na vhodnou vlnovou délku je výhodné zejména použití diod či trubic typu „teplá bílá“, případně doplněných diodami ěi trubicemi typu „červená“. Vhodná míra ozáření stěn fotobioreaktoru se pohybuje mezi 100 až 500 pmol fotonů m'² s'¹.The following are further features of the technical solution that further develop or alternatively complement its essence. An important constructional element of the technical solution according to the utility model is the use of fluorescent tubes or LEDs (Light Emmiting Diod) as a source of photosynthetic radiation. In view of the suitable wavelength, it is particularly advantageous to use diodes or tubes of the "warm white" type, possibly supplemented by diodes or tubes of the "red" type. A suitable irradiation rate of the photobioreactor walls is between 100 and 500 pmol of photons m ' ² s ^-1 .

Bioreaktor může být dále vybaven systémem pro sycení kultivačního média vhodným plynem s obsahem CO₂, nutným pro růst kultivovaných mikroorganismů, jako je čistý CO₂, směsi CO₂s jinými plyny, spalné plyny z kogeneračních jednotek, spaloven odpadů, tepláren a uhelných elektráren, popř. geotermální plyny.The bioreactor may further be equipped with a system for saturating the culture medium with a suitable CO ₂ gas necessary for the growth of cultured microorganisms such as pure CO ₂ , mixtures of CO ₂ with other gases, combustion gases from cogeneration units, waste incineration plants, CHP plants, or. geothermal gases.

Válec je umístěn ve vhodné nosné konstrukci, která může být opatřena kolečky pro snazší manipulaci s bioreaktorem. Tato konstrukce pak může sloužit současně jako nosič pro osvětlovací tělesa.The roller is placed in a suitable support structure, which can be provided with wheels for easier handling of the bioreactor. This structure can then simultaneously serve as a support for the lighting fixtures.

Objasnění výkresůClarification of drawings

Technické řešení je v následujícím blíže objasněno na příkladu svého uskutečnění pomocí výkresů. Na výkresech schematicky znázorňuje:The technical solution is explained in the following on the example of its realization by means of drawings. In the drawings it schematically shows:

Obr. 1 řez fotobioreaktorem pro autotrofní a mixotrofní kultivaci mikroorganismů podle technického řešení,Giant. 1 section through a photobioreactor for autotrophic and mixotrophic cultivation of microorganisms according to the technical solution,

Obr. 2 detail uchycení dna bioreaktoru,Giant. 2 detail of the bioreactor bottom attachment,

Obr. 3 řez 3D modelem fotobioreaktorem pro autotrofní a mixotrofní kultivaci mikroorganismů,Giant. 3 section through a 3D model of a photobioreactor for autotrophic and mixotrophic cultivation of microorganisms,

Obr. 4 uchycení fotobioreaktoru pro autotrofní a mixotrofní kultivaci mikroorganismů v pojízdné nosné konstrukci.Giant. 4 shows a photobioreactor attachment for autotrophic and mixotrophic cultivation of microorganisms in a mobile support structure.

Příklady uskutečnění technického řešeníExamples of technical solutions

Fotobioreaktor pro autotrofní a mixotrofní kultivaci mikroorganismů znázorněný na obr. 1 je tvořen skleněným válcem 1 z technického skla Simax. Pomocí přírub 10 je k spodní hraně válcového pláště válce 1 připevněno duté dno 2, které tvoří tepelný výměník, s horní plochou 3, kuželovité se svažující do uzavíratelného výpustního otvoru 4. Do dutého dna 2 je zaveden přívod 5 temperační tekutiny a výtok 6 temperační tekutiny a uvnitř je přepážka 7 dna 2, usměrňující tok chladící tekutiny dutým dnem 2. K horní straně válce I je pomocí příruby 10 připevněno, popř. bez použití příruby 10, položeno víko 8 s pracovními otvory. Pomocí stavitelných šroubů 9 je k víku 8 připevněna vnitřní přepážka 11 ve tvaru trubky. Dovnitř trubky je víkem 8 zavedena vzduchovací trubice 12, zasahující do prostoru nade dnem 2. Na vnější straně válce 1 je naznačeno umístění osvětlovacích těles 13.The photoreactor for the autotrophic and mixotrophic cultivation of microorganisms shown in Fig. 1 consists of a Simax technical glass cylinder 1. By means of flanges 10, a hollow bottom 2, which forms a heat exchanger, is attached to the lower edge of the cylindrical shell of the cylinder 1, with a top surface 3 conically sloping into a closable outlet opening 4. Inlet 2 of the tempering fluid and outlet 6 of tempering fluid and inside there is a baffle 7 of the bottom 2, which directs the flow of coolant through the hollow bottom 2. To the upper side of the cylinder 1, it is attached or flanged by means of a flange 10. without the use of a flange 10, the cover 8 with the working holes laid. By means of adjustable screws 9, an inner partition 11 in the form of a tube is fixed to the cover 8. An air tube 12 extending into the space above the bottom 2 is inserted inside the tube through the cover 8. On the outside of the cylinder 1, the location of the illumination bodies 13 is indicated.

Na obr. 2 je znázorněn detail uchycení dutého dna 2 bioreaktoru, které tvoří tepelný výměník, ke spodní hraně skleněného válce 1 pomocí sady přírub JO, v přírubách 10 jsou vytvořeny díry pro šrouby, které stahují příruby 10 k sobě, těsnícího gumového kruhu 14 a těsnění 15 mezi spodní hranou válce i a dutým dnem 2.FIG. 2 shows a detail of the attachment of the bioreactor hollow bottom 2 forming the heat exchanger to the lower edge of the glass cylinder 1 by means of a set of flanges 10, in the flanges 10 screw holes are formed which pull the flanges 10 together, the sealing rubber ring 14; a seal 15 between the lower edge of the cylinder i and the hollow bottom 2.

Bioreaktor měl válec 1 o výšce 100 cm a průměru 30 cm. Vnitřní přepážka H byla vyrobena z plexisklové trubky o průměru 20 cm a délce 75 cm a umístěna souose do středu skleněného válce I. Dovnitř trubky byla zavedena vzduchovací trubice 12 s aeračním věncem. Dutým dnem 2 bioreaktoru byla cirkulována voda, jejíž teplota byla pomocí termostatu regulována tak, aby kultivační médium uvnitř reaktoru bylo udržováno na teplotě 28 °C. Pro kultivaci mikrořasy byla použita axenická kultura řasy Chlorella vulgarit. Inokulum o koncentraci cca 5,4 g/1 bylo vyrobeno v laboratorním fermentoru, sestávajícím ze skleněných kyvet o vnitřním průměru 35 mm. Kyvety byly umístěny v termostatované lázni při teplotě 26 °C a kontinuálně osvětleny panelem LED diod typ „teplá bílá“. Intenzita osvětlení kyvet, měřená 4π detektorem (Biospherical Instruments lne., San Diego, CA, USA) byla 300 pE.mÚs'¹ a ozařována kontinuálně 24 hod denně. Kyvety byly probublávány směsí vzduchu a potravinářského CO₂ obsahující 2% (v/v) CO₂. Prů-4CZ 28191 U1 tok plynu každou kyvetou byl jehlovým ventilem regulován na 2,5 1, min'¹. Jehlové ventily byly osazeny přímo v rámu osvětlovacího tělesa 13. Pro kultivaci bylo použito médium o počátečním složení (mg.L'¹): 1 100 (NH₂)₂CO, 237 KH₂PO₄, 204 MgSO₄.7H₂O, 40 CioH₁₂0₈N₂NaFe, 88 CaCl₂, 0,83 H3BO3, 0,95 CuSO₄.5H₂O, 3,3 MnCl₂.4H₂O, 0,17 (NH4)₆Mo₇O₂₄.4 H₂O, 2,7 ZnSO₄.7H₂O, 0,6 CoSO₄.7H₂O, a 0,014 NFUVO3 v destilované vodě. Stejné médium o objemu 55 1 bylo následně použito i pro kultivaci ve vsádkovém režimu v bioreaktoru dle technického řešení. Průtok plynu bioreaktorem byl jehlovým ventilem regulován na 250 Lmin'¹. pH kultury bylo udržováno na 6,5 až 7,5. Bioreaktor byl osvětlen Bmi kusy zářivek „teplá bílá“. Intenzita osvětlení kyvet, měřená 4π detektorem (Biospherical Instruments lne., San Diego. CA, USA) byla 150 pE.m'².s^_1 a ozařována kontinuálně 24 hod denně. Do bioreaktoru byla periodicky přidávána destilovaná voda v množství odpovídajícím úbytku vody odparem. Dále byla pro navození mixotrofního režimu dávkována kyselina octová tak, aby se pH v reaktoru pohybovalo mezi 6,5 až 8. Počáteční koncentrace mikrořasy v bioreaktoru po inokulaci byla 0,15 g/1. Po deseti dnech mixotrofní kultivace bylo dosaženo sklizňové koncentrace 2,5 g/1 sušiny řas. V druhém kultivačním pokusu byly zachovány identické podmínky, pouze nebyla přidávána kyselina octová. Po deseti dnech autotroíní kultivace bylo dosaženo sklizňové koncentrace 1,4 g/1, což demonstruje 78% nárůstek výtěžku řasy v mixotrofním způsobu kultivace.The bioreactor had a cylinder 1 of 100 cm height and 30 cm diameter. The inner partition 11 was made of Plexiglas tube 20 cm in diameter and 75 cm long and positioned coaxially to the center of the glass cylinder I. An air tube 12 with an aeration ring was introduced inside the tube. Water was circulated through hollow bottom 2 of the bioreactor, the temperature of which was controlled by a thermostat to maintain the culture medium inside the reactor at 28 ° C. An axenic culture of Chlorella vulgarit was used for the cultivation of microalgae. The inoculum at a concentration of approximately 5.4 g / l was produced in a laboratory fermentor consisting of glass cells with an inner diameter of 35 mm. The cuvettes were placed in a thermostatic bath at 26 ° C and continuously illuminated with a warm white LED panel. Illumination cuvettes measured 4π detector (Biospherical Instruments Inc., San Diego, CA, USA) was 300 pE.mÚs' ¹ and irradiated continuously for 24 hours a day. The cells were bubbled through a mixture of air and food CO ₂ containing 2% (v / v) CO ₂ . The mean 28 191 U1 4GB gas flow through each tube has a needle valve regulated to 2.5 1 rpm ^first Needle valves were mounted directly in the frame of the illuminator 13. A medium of initial composition (mg.L ^-1 ) was used for cultivation: 1,100 (NH ₂ ) ₂ CO, 237 KH ₂ PO ₄ , 204 MgSO ₄ .7H ₂ O, CioH 40 ₁₂ 0 ₈ N ₂ NAFE, 88 _CaCl2, 0.83 H3BO3 0.95 CuSO ₄ .5H ₂ O 3.3 MnCl ₂ .4H ₂ O, 0.17 (NH 4) ₆ Mo ₇ O _24th 4 H ₂ O, 2.7 ZnSO ₄ .7H ₂ O, 0.6 CoSO ₄ .7H ₂ O, and 0.014 NFUVO 3 in distilled water. The same 55 L medium was subsequently used for batch mode cultivation in a bioreactor according to the invention. The gas flow bioreactor was controlled with a needle valve 250 Lmin ^'first The pH of the culture was maintained at 6.5 to 7.5. The bioreactor was illuminated with Bmi pieces of "warm white" fluorescent lamps. Illumination cuvettes measured 4π detector (Biospherical Instruments Inc., San Diego, Calif.) From storage was 150 ^'2 .s ^_1, and irradiated continuously for 24 hours a day. Distilled water was periodically added to the bioreactor in an amount corresponding to water loss by evaporation. Further, acetic acid was dosed to induce a mixotrophic regime such that the pH in the reactor was between 6.5 and 8. The initial concentration of microalgae in the bioreactor after inoculation was 0.15 g / l. After 10 days of mixotroph cultivation, a harvest concentration of 2.5 g / l of algae dry matter was reached. In a second culture experiment, identical conditions were maintained except that acetic acid was not added. After ten days of autotropic cultivation, a harvest concentration of 1.4 g / l was achieved, demonstrating an 78% increase in algal yield in the mixotrophic cultivation method.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Zařízení umožňuje pěstovat v režimu autotroíní a mixotrofní kultivace vybrané kmeny jednobuněčných řas a sinic, které představují cennou surovinu pro řadu žádaných produktů v oblasti potravinářského a farmaceutického průmyslu, v kosmetice, jako součást potravinových doplňků, krmiv, či pro výrobu biopaliv, což je v současné době předmětem vysokého zájmu společnosti.The device allows to grow in the autotrophy and mixotroph cultivation mode selected strains of unicellular algae and cyanobacteria, which represent a valuable raw material for many desired products in the food and pharmaceutical industry, in cosmetics, as a part of food supplements, feeds or biofuels production. at the time of the high interest of society.

NÁROKY NA OCHRANUPROTECTION REQUIREMENTS

Claims

PROTECTION REQUIREMENTS

Photoreactor for autotrophic and mixotrophic cultivation of microorganisms, in particular microscopic algae and cyanobacteria, characterized in that it consists of an illuminated translucent cylinder (1), which is provided with at least one internal partition (11) for channeling the flow of culture medium and ) form a heat exchanger.

Photorioreactor according to claim 1, characterized in that the cylindrical shell of the cylinder (1) is made of hard chemically resistant boiling borosilicate glass.

Photorioreactor according to claim 1, characterized in that the bottom (2) is fixed to the lower edge of the cylinder (1) in a waterproof and detachable manner.

A photobioreactor according to claim 3, characterized in that the bottom (2) is hollow and waterproof with a tempering fluid inlet (5) and a tempering fluid outlet (6), the upper surface of the bottom (2) adjacent to the lower edge of the cylinder (1). 1) is formed conically sloping into an outlet opening (4) which passes through the bottom (2).

Photorioreactor according to claim 4, characterized in that the space inside the bottom (2) is provided with at least one partition (7) of the bottom (2).

A photobioreactor according to claim 1, characterized in that a removable lid (8), provided with openings and bushings in particular for the sensors, the air tube (12) and the gas inlet and outlet, abuts the upper edge of the cylinder (1).

A photobioreactor according to claim 6, characterized in that an inner partition (11) is attached to the lid (8), the inner partition (11) being coaxial with the longitudinal axis of the cylinder (1) and between the inner partition (11) and the bottom. (2) a free space for fluid flow is provided.

-5GB 28191 Ul

A photobioreactor according to claim 7, characterized in that the inner partition (11) has the shape of a tube having a width of 30 to 70% of the diameter of the cylinder (1) and a length of 70 to 90% of the height of the cylinder (1).

A photobioreactor according to claim 6, characterized in that the outlet of the air tube (12) is directed into a space on one side of the inner partition (11).

Photorioreactor according to one of Claims 1 to 9, characterized in that the roller (1) is arranged in a support structure, which is optionally provided with wheels.

A photobioreactor according to claim 10, characterized in that lighting bodies (13) are attached to the support structure.

4 drawings

List of reference numbers used:

1 cylinder

2 bottom

3 top bottom surface

4 an outlet

5 supply of tempering fluid

6 discharge of tempering fluid

7 bottom bulkhead

8 lid

9 screw

10 flange

11 Internal partition

12 air tube

13 a lighting fixture

14 sealing rubber ring