DD291092A5 - Einrichtung zur kultivierung von autotrophen mikroorganismen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Kultivierung von autotrophen Mikroorganismen, die in der Lebensmittel- und Futtermittelindustrie aber auch in der Pharmazie Anwendung finden koennen. Der Kultivator besteht gemaesz der Erfindung aus einer Anordnung zur Kultivierung mittels Sonnenlicht und einer Anordnung zur Kultivierung mittels Kunstlicht, die trennbar miteinander verbunden sind. Dazu ist die Anordnung zur Kultivierung mittels Sonnenlicht waermeausgeglichen ausgebildet, um einen Betrieb in der kalten Jahreszeit zu ermoeglichen und ist ueber einen Sensor und opto-elektronische Mittel dem Optimum der Einstrahlungsstaerke nachfuehrbar. Die Anordnungen sind jeweils aus Glasrohrwendeln gebildet, wobei die fuer die Kultivierung mittels Sonnenlicht parallel zueinander, jedoch stufenfoermig versetzt angeordnet sind. Fig. 2{Kultivierung; Mikroorganismen; Sonnenlicht; Kunstlicht; kalte Jahreszeit; opto-elektronische Mittel; Einstrahlungsstaerke; nachfuehrbar; Glasrohrwendeln; Sensor}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Kultivierung von autotrophen Mikroorganismen, die in der Lebensmittel- und Futtermittelindustrie oder auch in der Pharmazie Anwendung finden können.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es sind Einrichtungen zur Kultivierung von Mikroorganismen in mannigfaltiger Ausführung bekannt geworden, die sowohl für den Einsatz von Sonnenstrahlen als auch für künstliche Belichtung ausgebildet sind.

Nach der US-PS 4555864 ist eine Einrichtung zur Kultivierung von Chlorella-Algen bekannt geworden, die aus einem Behälter besteht, in dem sich das Kulturmedium befindet. Um einer Kontaminationsgefahr vorzubeugen, ist der Behälter mit einer transparenten Abdeckung versehen, über der sich ein System von Spiegeln befindet, das schwenkbar angeordnet ist, um einen möglichst senkrechten Einfall der Sonnenstrahlen zu erreichen. Dazu befinden sich innerhalb des Kulturmediums optische Lichtleiter, die für eine ausreichende Belichtung des Kulturmediums auch in größeren Tiefen sorgen, die einheitlich in Nord-Süd-Richtung ausgerichtet sind. Anlagen dieser Art sind nur dort einsetzbar, wo eine stets ausreichende Außentemperatur herrscht; es ist deshalb auch ein Einsatz in Äquatornähe vorgesehen. Außerdem erscheinen Einrichtungen dieser Art als verhältnismäßig uneffektiv.

Da diese Einrichtung ausschließlich für die Kultivierung mittels Sonnenstrahlen einsetzbar ist, ist dieselbe in klimatisch weniger begünstigten Gegenden nur äußerst bedingt verwendbar infolge geringer Sonnenschejndauer und bestehender Frostgefahr. Weiterhin ist nach der US-PS 4253271 ein Gerät zur Züchtung von Algen in einem flüssigem Medium bekannt, das mit einem flachen, mäanderförmig verlaufenden horizontalen Kanal versehen ist, durch welchen das Kulturmedium strömt, was über eine Pumpe gefördert wird. Dazu sind schrägliegende, hohle, transparente Platten vorgesehen, die über dem Kanal angeordnet sind. Diese Platten sind von einem flüssigen oder gasförmigen Medium durchströmt, das Strahlen bestimmter Wellenlängen absorbiert, die dem Algenwachstum hinderlich sind. Um ein Überhitzen des durch die Platten strömenden Mediums zu begegnen, ist ein umfangreiches Kühlsystem vorgesehen. Dabei wird die Temperatur über einen Thermostat geregelt. Es sollen dabei 99% der störenden Strahlen im Bereich von 350 bis 700ηm ausgefiltert werden, was fraglos zu einer hohen Erwärmung des Mediums führen miß. Dazu ist ein weiteres System für die Erwärmung des im Kanal strömenden Kulturmediums vorgesehen, das aus Rohren besteht, die in Sand oder einem ähnlichen Medium eingebettet sind, die sich unmittelbar unter dem Kanal befinden. Diese Rohre werden von einem Teil des erwärmten Kühlmediums durchströmt.

Diese Einrichtung weist den Nachteil auf, daß der vom Kulturmedium durchströmte Kanal offen ist und somit Verbindung zur Außenluft besteht. Hierdurch ist es leicht möglich, daß es zur Kontamination mit unerwünschten Mikroorganismen kommen

kann. Ein einwandfreies Kultivieren der Algen Ist dadurch nicht mehr möglich. Die in verhältnismäßig großem Abstand über dem

Kanal angeordneten Platten, die das Absorptionsmedium für die störende Strahlung führen, sind nicht in der Lage, hier eine

schützende Funktion auszuüben. Dazu ist ein aufwendiges Kühlsystem vorgesehen, was die Anlage selbst sowie ihren Betrieb stark verteuert.

Eine v/eitere Schwierigkeit ergibt sich aus dem offenen Kanalsystem, die darin besteht, das für das Algenwachstum notwendige CO₂ im erforderlichen Maße zuzuführen. Infolge des hierbei stets auftretenden hohen Verlustes an CO₂ macht sich die Zuführung

einen erheblich größeren Menge nötig, ais die Algen für ihre Entwicklung benötigen.

Weiterhin ist in der GB-PA 2192195 ein Bioreaktor beschrieben, der sowohl für Sonnenstrahleneinsatz als auch für den Einsatz

von Kunstlicht geeignet ist. Dazu ist eine Sonnenstrahlsammeleinrichtung vorgesehen, bei der in einer transparenten Kappe eine

Fresnellinse sowie ein Sensor zur Feststellung der Richtung der Sonnenstrahlen angeordnet ist. Dabei ist die Einrichtung über

diesen Sensor um eine horizontale und eine vertikale Achse der Sonnenstrahlung nachführbar angeordnet.

Dieser Einrichtung ist ein Gerät für die Anwendung von Kunstlicht parallelgeschaltet. Von beiden Einrichtungen wird das Licht

über Lichtleiterkabel in einen Reaktionsbehälter geführt, wo einzelne Lichtleiter in Silicongummirohren angeordnet sind, die sich dicht beieinander befinden und vom Kulturmedium umströmt werden. Wie es bei allen derartigen Reaktoren üblich ist, sind

Einrichtungen zur Zuführung von CO₂ vorgesehen. Ein Reaktor dieser Art erfordert einen extrem hohen technischen Aufwand, wobei seine Einsatzmöglichkeit größeren Beschränkungen unterliegt. Alle Algen, die Exo-Polysaccharide ausscheiden, lassen sich mit diesem Reaktor nicht kultivieren. Die im Reaktionsbehälter befindlichen Rohre, in denen sich die Lichtleiter befinden, die dicht beieinander angeordnet sind,

werden nach kürzester Zeit mit einer Schicht von Polysacchariden überzogen, wodurch die Lichtausbeute stark minimiert wird.

Bei fehlendem Licht erlischt jedoch der Wachstumsprozeß derzu kultivierenden Mikroorganismen. Es macht sich eine Reinigung des Reaktionsbehälters notwendig, die ebenfalls, infolge seines diffizilen inneren Aufbaus, äußerst

aufwendig ist und der Betrieb während dieser Zeit ruhen muß.

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erfindung, eine Einrichtung zur Kultivierung von autotrophen Mikroorganismen zu schaffen, die einfach im Aufbau ist und damit kostengüntig herstellbar ist und deren Betrieb ebenfalls kostengünstig durchführbar ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Einrichtung so zu gestalten, daß wechselweiser oder gleichzeitiger Betrieb sowohl

bei Sonnenlicht als auch bei Kunstlicht möglich ist; die Einrichtung unabhänig von der Jahreszeit, also auch bei Frost betrieben werden kann, eine günstige Möglichkeit zur Einstellung der Betriebstemperatur gegeben ist sowie eine verlustlose Beschickung mit CO₂ möglich wird, und die Gefahr einer Kontamination weitestgehend ausgeschlossen ist und eine gute

Reinigungsmöglichkeit besteht. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Anordnung für Sonnenlichtkultivierung mit einer Anordnung für Kunstlichtkultivierung tronnbar zusammengeschaltet ist, wobei diejenige für Sonnenlichtkultivierung als wärmeausgeglichenes System ausgebildet ist und die der Sonne zugewandte Seite mit einer transparenten Platte aus einem Material mit geringer Wärmedurchgangszahl abdeckbar ist, und ein optoelektronisches System vorgesehen ist, das mit einem Spektrum- und

lichtleistungserfassenden Sensor ausgerüstet ist, und die Anordnung über dieses System dem Optimum der

Einstrahlungsstärke in an sich bekannter Weise nachführbar ist. Jede Anordnung ist herbei aus Glasrohrwendeln gebildet und die Glasrohre der Anordnung zur Sonncnlichtkultivierung sind

parallel zueinander, jedoch stufenförmig versetzt angeordnet, wobei zusätzlich reflektierende Mittel vorgesehen sind und bei jeder Anordnung mehrere Wendel ineinander geführt vorgesehen sein können.

Die Anordnung zur Sonnenlichtkultivierung ist zum Wärmeausgleich allseitig mit wärmedämmenden Mitteln umschlossen,

wobei innerhalb des so gebildeten Raumes Mittel zur Temperaturregelung vorgesehen sind.

Die Anordnung für Sonnenlichtkultivierung ist über mechanische Mittel, wie Winkelgetriebe, Kettentriebe, Schneckengetriebe, Zahnsegmente oder Zahnstangen sowie Kleinschrittmotoren, um eine vertikale Achse drehbar und um eine horizontale Achse

schwenkbar ausgebildet.

Die Nennvolumina der Anordnung für Sonnenlichtkultivierung und der Anordnung für Kunstlichtkultivierung sind einander

gleich. Die erfindungsgemäße Einrichtung bietet den Vorteil, daß die Kultivierung von autotrophen Mikroorganismen permanent erfolgen kann, ohne Rücksicht auf Tages- oder Jahreszeiten.

Die Sonnenlichtkultivierung kann ebenso im Winter erfolgen, da einmal diese Anordnung als wärmeaur geglichenes System

ausgeführt ist, andererseits auch bei bedecktem Himmel gearbeitet werden kann, da der Sensor stets in 1er Lage ist, das

Optimum der Einstrahlungsstärke aufzufinden und die Anordnung über diesen Sensor in die entsprechen Ie Lage gebracht wird. Durch die allseitige Anordnung von wärmedämmenden Mitteln an der Anordnung zur Sonnenlichtkultiv.erung und die Abdeckung der der Sonne zugewandten Seite durch eine transparente Platte bleibt das Kulturmedium auf der geforderten Temperatur. Bei Abnahme des Sonnenlichtes kann anschließend auf die Kultivierung mit Kunstlicht umgeschaltet werden, was infolge der Volumengleichheit der beiden Anordnungen möglich ist. So isi ein ununterbrochener Tag-Nacht-Bet' ieb gewährleistet. Die Führung des KuUurmediums erfolgt in einem geschlossenem System von Glasrohrwendeln, wouurch die Gefahr der Kontamination durch andere Mikroorganismen ausgeschlossen ist. Dazu ist es möglich, jeweils die eine Anordnug während des Betriebes der andren einer Reinigunq zu unterziehen. Durch die ständige einfache Möglichkeit der Sauberhaltung der Glasrohre

ist die höchste Effektivität des eingesetzten Lichtes möglich, da keinerlei Belange am Glas den Einfall der Lichtstrahlen beeinträchtigen. Dadurch lassen sich außerdem bei Relnlgungs- und Wartungsarbeiten im allgemeinen auftretende Stillstandezeiten vermeiden.

Das geschlossene System von Glasrohren verhindert auch das Entweichen des zum Wachstum notwendigen CO₂ und ermöglicht die exakte Einstellung und Einhaltung der geforderten Betriebstemperatur des Kulturmediums.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung ist an Hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert

In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1: eine schematische Darstellung der miteinander verbundenen Anordnungen, Fig. 2: eine Anordnung für Sonnenlichtkultivierung; Fig. 3: eine Seitenansicht der Anordnung für Sonnenlichtkultivierung Fig. 4: eine schematische Darstellung der stufenförmigen Anordnung der Glasrohre Fig. 5: eine weitere Darstellung der Anordnung der Glasrohre. In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der gesamten Einrichtung dargestellt, die sich aus einer Anordnung zur Kultivierung

mit Sonnenlicht 1 und einer Anordnung zur Kultivierung mit Kunstlicht 2 besteht, die beide volumengleich ausgebildet sind.

Beide Anordnungen sind trennbarzusammengeschaltet. Mit Hilfe der Ventile 3,4,5und6sind beide Anordnungen miteinander

verbunden oder voneinander trennbar. Für beide Anordnungen ist der Gastauscher 7 für die Zuführung von CO₂ sowie das

Abscheiden des Sauerstoffs vorgesehen. Hier erfolgt auch die Temperierung des Kulturmediums. Die Pumpe 8 dient zur Erzeugung der Strömungsbewegung im Kulturmedium, indem dasselbe entweder durch die Anordnung zur Kultivierung mit Kunstlicht 2 oder durch die Anordnung zur Kultivierung mit Sonnenlicht 1 gefördert wird. Durch Öffnen der Ventile 3,4,5 und 6

lassen sich auch beide Anordnungen 1 und 2 miteinander verbinden.

Die Anordnung 1 zur Kultivierung mit Sonnenlicht ist in Fig.2 dargestellt. Es ist ebenfalls ein Winkelstahlrahmen 9 vorgesehen,

in dem die Glasrohrwendeln so spannungsfrei gelagert sind. In einer Zapfenlagerung 11 ist der Winkelstahlrahmen 9 um eine horizontale Achse 12 schwenkbar angeordnet, zur Drehung um die vertikale Achse 13 ist ein Winkelgetriebe 14 vorgesehen.

Dazu sind die entsprechenden Antriebsmittel 15 und 16 angeordnet, die über Kleinschrittmotoren 17 und 18 antreibbar sind. Am Winkelstahlrahmen 9 ist der Sensor 19 befestigt, der auf bestimmte Lichtwellenlängen sensibilsiert ist und die Lichtleistung zu

erfassen vermag. Die Signale des Sensors 19 werden einem nicht näher dargestellten optoelektronischen System zugeführt, von welchem Steuerimpulse ausgehen, die die Kleinschrittmotoren 17 und 18 ansteuern, wodurch die Anordnung 1 auf das

Optimum der Einstrahlungsstärke der Sonnenstrahlen eingestellt wird. Die Anordnung 1 stellt ein wärmeausgeglichenes System dar, indem das gesamte System mit wärmedämmendem Material 21

allseitig umgeben ist, was im vorliegenden Fall weißes Schaumglas sein kann, das außer der wärmedämmenden Wirkung gleichzeitig reflektierend wirkt.

Auf der Seite 20 ist das Schaumglas nicht dargestellt, um den Verlauf der Glasrohrwendeln 10 am Ende des Winkelstahlrahmens 9 zu zeigen. Wie aus Fig.3 ersichtlich, ist die Anordnung 1 mit einer tranparenten Platte 22 aus einem Material mit geringer Wärmedurchgangszahl, wie beispielsweise einem synthetischen Glas auf Plastbasis, abgedeckt, um so

einen geschlossenen, wärmeausgeglichenen Raum zu bilden. Dies ist für den Betrieb in der kalten Jahreszeit vorgesehen, um auch zu dieser Zeit den Betrieb der Einrichtung aufrecht erhalten zu können. Dabei ist es möglich, die Temperatur innerhalb der

Anordnung 1 beispielsweise über einen Thermostaten und eine entsprechende Kühlluftzuführung auf gleichem Niveau zu

halten.

Der Übersichtlichkeit halber sind diese Vorrichtungen, mit denen die Anordnung 1 ausgestattet werden kann, zeichnerisch nicht

dargestellt.

Die Fig.4 und 5 stellen einen vergrößerten Schnitt durch die Glaswendeln 10 dar, die in ihrer Längsausdehnung parallel

zueinander angeordnet sind, jedoch stufenförmig versetzt sind, um eine möglichst schattenfreie Belichtung zu gewährleisten.

Auf diese Weise lassen sich mehrere Glaswendeln 10 ineinander führen, wodurch die größtmögliche Ausnutzung des innerhalb

des Winkelstahlrahmens 9 vorhandenen Raumes möglich wird. Dadurch kann die Anordnung 1 verhältnismäßig klein ausgebildet werden, was sich günstig auf die Verstellmöglichkeit auswirkt. Es müssen im Winkelstahlrahmen 9 sämtliche Biege- und Torsionsspannungen vermieden werden, da dies sonst Glasbruch zur Folge hätte. Dem kommen kurze Baulägen der

Seitenkanten des Winkelstahlrahmens 9 sehr entgegen. Der Betrieb der erfindungsgemäßen Einrichtung erfolgt wie nachstehend beschrieben: Über Pumpe 23 wird die Einrichtung mit Kulturmedium versorgt. Es soll zunächst die Anordnung 1 beschickt werden, dabei

bleiben die Ventile 3 und 6 geschlossen, während die Ventile 4 und δ geöffnet sind. Ist die geforderte Füllmenge erreicht, schließen die Ventile 4 und 5, die Mehrwegventile sind, gegen die Leitungen 24 und 25 die Anordnung 1 ab. Nunmehr tritt die

Pumpe 8 in Tätigkeit, die das Kulturmedium durch die Glaswandeln 10 fördert und im Kreislauf über Gastauscher 7 führt, wo die Temperatur konstant gehalten wird. Der Sensor 19 richtet die Anordnung 1 über das nicht dargestellte optoelektronische System in das Optimum der Einstrahlungsstärke, wobei die Bewegung der Anordnung 1 über die o.g. mechanischen Mittel

erfolgt, und sowohl eine Dreh- als auch Schwenkbewegung vorgenommen wird. Erfolgt der Betrieb in der kalten Jahreszeit, so ist die Anordnung 1 mittels Platte 22 verschlossen, wobei die Regelung der Lufttemperatur innerhalb der Anordnung 1 über

Thermostat und Kühlluftstrom in an sich bekannter Weise erfolgt. In der warmen Jahreszeit ist die Platte 22 abgenommen und

das wärmedämmende Material 21 dient lediglich als Reflektor. Bei Abnahme des Sonnenlichtes werden die Ventile 3 und 6 geöffnet, die ebenfalls Mehrwegventile sind, so fördert die Pumpe 8 das Kulturmedium nach Anordnung 2. Nach Schließen der

Ventile 4 und 5 kann der Kreislauf des Kulturmediums innerhalb der Anordnung 2 stattfinden, und nachdem die Beleuchtung 26

eingeschaltet ist, kann sich der Wachstumsprozeß der Mikroorganismen fortsetzen.

Nach Stillsetzung der Anordnung 1 kann dieselbe gereinigt werden und ist damit wieder für den Tagesbetrieb bereit.

Claims (5)

1. -1- 29Ϊ092 Patentansprüche:

   1. Einrichtung zur Kultivierung von autotrophen Mikroorganismen in einer Nährlösung unter Zugabe von CO₂, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anordnung (1) für Sonnenlichtkultivierung mit einer Anordnung (2) für Kunstlichtkultivierung trennbar züsammengeschaltet ist, wobei diejenige für Sonnenlichtkultivierung als wärmeausgeglichenes Svstem ausgebildet ist, und die der Sonne zugewandte Seite mit einer transparenten Platte (22) aus einem Material mit geringer Wärmedurchgangszahl abdeckbar ist, und ein optoelektronisches System vorgesehen ist, das mit einem Spektrum- und lichtleistungserfassenden Sensor (19) ausgerüstet ist, und die Anordnung (1) überdieses System dem Optimum der Einstrahlungsstärke in an sich bekannter Weise nachführbar ist.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Anordnung (1) für Sonnenlichtkultivierung als auch die Anordnung (2) für Kunstlichtkultivierung aus Glasrohrwendeln (10) gebildet ist und die Glasrohre der Anordnung (1) zur Sonnenlichtkultivierung parallel zueinander, jedoch stufenförmig versetzt angeordnet sind und reflektierende Mittel vorgesehen sind, wobei bei jeder Anordnung mehrere Wendeln ineinander geführt vorgesehen sein können.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung (1) zur Sonnenlichtkultivierung zum Wärmeausgleich allseitig mit wärmedämmenden Mitteln (21) umschlossen ist, wobei innerhalb des so gebildeten Raumes Mittel zur Temperaturregelung vorgesehen sind.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung (1) für Sonnenlichtkultivierung über mechanische Mittel, wie Winkelgetriebe (14), Kettentriebe (16), Schneckentriebe (16), Zahnsegmente oder Zahnstangen sowie Kleinschrittmotoren (17,18) um eine vertikale Achse (13) drehbar und um eine horizontale Achse (12) schwenkbar ist.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nennvolumina der Anordnung (1) für Sonnenlichtkultivierur.g und der Anordnung (2) für Kunstlichikultivierung gleich ausgebildet sind.

   Hierzu 3 Seiten Zeichnungen