DE102005025118B4

DE102005025118B4 - Reinigungsverfahren und Vorrichtung zur Ablösung von Mikroorganismen, Moosen und niederen Pflanzen

Info

Publication number: DE102005025118B4
Application number: DE102005025118A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr. Broneske; Horst Franke; Holger Hielscher; Klaus Dr. Krüger; Thomas Hindenberg
Original assignee: GMBU E V DIVISION HALLE; Gmbu Ev-Division Halle; Hielscher Systems GmbH; IGV INSTITUT fur GETREIDEVERARBEITUNG GmbH
Current assignee: GMBU E V DIVISION HALLE; Gmbu Ev-Division Halle; Hielscher Systems GmbH; IGV INSTITUT fur GETREIDEVERARBEITUNG GmbH
Priority date: 2005-05-27
Filing date: 2005-05-27
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2025-05-28
Also published as: DE102005025118A1

Abstract

Reinigungsverfahren zur Ablösung von Mikroorganismen, Moosen und niederen Pflanzen von den inneren Oberflächen von Behältern oder Reaktoren, dadurch gekennzeichnet dass, Ultraschallenergie über die äußeren Oberflächen (1) der Behälter oder Reaktoren mittels mindestens einer Sonotrode (2) linienförmig oder punktförmig oder mehrfach punktförmig in die Behälter- oder Reaktorenwände eingekoppelt und zwischen Sonotrode(n) (2) und Behälter- oder Reaktorwand eine Relativbewegung erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Reinigungsverfahren und eine Vorrichtung zur Ablösung von Mikroorganismen, Moosen und niederen Pflanzen und ist anwendbar insbesondere zur Ablösung von Mikroalgenfilmen oder sonstigen Algenablagerungen sowie zur Ablösung weiterer Mikroorganismen, Moose und niederer Pflanzen an den inneren Oberflächen von vorzugsweise aus Glas bestehenden Platten und/oder Rohren, beispielsweise in Bioreaktoren.
Durch Weiterentwicklungen der Bioreaktortechnologien wird die Anwendung von phototrophen/mixotrophen Mikroalgen im zunehmenden Maße als Lebensmittel- und Futtermittelzusatz, Replacer für Pharmaka, speziell Antibiotika, als Quelle für Aminosäuren, Vitamine, wertvolle Metabolite, veterinär- und humanmedizinische Präparate, als Farbstoffquelle, in Aquakulturen oder in Systemen der Reinigung und Regeneration von Abwasser wirtschaftlich relevant.

Die Verwendung von Ultraschall in Biorektoren ist aus dem Stand der Technik bekannt.

Ebenso bekannt ist für verschiedenste Anwendungsfälle der Einsatz von Ultraschall zum Lösen von vorzugsweise organischen Verschmutzungen bzw. Biofilmen von Oberflächen, der Einsatz von Ultraschall als solches im Zusammenhang mit Mikroorganismen sowie Lösungen zur Reinigung von Biorektoren, insbesondere Photobiorektoren.

So wird in der DE 197 09 384 C1 die Reinigung einer Membran von abgestorbenen bzw. inaktiven Mikroorganismen durch periodische Ultraschallbeaufschlagung beschrieben, während die DE 197 48 725 A1 die Entfernung von Bewuchs auf Sensoren durch Ultraschallanwendung betrifft.

Ein Beispiel der Anwendung von Ultraschall in Bioreaktoren wird durch die DE 101 18 839 A1 dokumentiert. Hier dient jedoch der Ultraschall zur Stimulierung des Wachstums von Mikroorganismen.

Durch die Schriften EP 1 011 880 B1 , US 5,242,827 und US 6,602,703 B2 werden Lösungen zur Reinigung von Photobioreaktoren bzw. zur Beseitigung von Biofilmen an Reaktorwänden beschrieben.

Nachteilig bei all den bekannten technischen Lösungen ist, dass diese zum Ablösen der Algenablagerungen entweder Hilfsmittel, wie Granulat, benötigen oder die Algenzellen geschädigt bzw. zerstört werden.

Aus WO 85/01514 A1 ist auch ein Verfahren zur Ablösung von Mikroorganismen von der inneren Oberfläche einer Rollflasche mittels Ultraschallenergie bekannt. Die Rollflasche dreht sich in einem Wasserbad. Die Ultraschallenergie wird über das Wasserbad eingekoppelt.

Zur Reinigung der inneren Oberflächen von radioaktiv kontaminierten Rohren wird in EP 0 615 792 A1 vorgeschlagen, Sonotroden im Abstand von dem Rohr an diesem entlang zu führen.

Aus WO 85/01514 A1 ist ein Verfahren zur Ablösung von Mikroorganismen von der inneren Oberfläche von Rollkulturen (Rollflaschen) bekannt. Die Relativbewegung erfolgt hierbei durch Drehen der Flasche um die eigenen Achse. Bei dieser Methode wird die Ultraschallenergie über ein Wasserbad eingekoppelt, was für größere Einheiten jedoch nicht praktizierbar ist.

In EP 0 615 792 A1 wird eine Vorrichtung zur Reinigung der Innenseite von Rohren durch von außen eingekoppelte Ultraschallenergie beschrieben. Auch hier wird der Ultraschall über ein Wasserbad eingekoppelt.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Reinigungsverfahren und eine Vorrichtung zur Ablösung von Mikroorganismen, Moosen und niederen Pflanzen zu schaffen, mit welchen durch Immobilisation entstandene Ablagerungen von Algen effektiv, wirtschaftlich und zuverlässig entfernt werden, ohne die Algenzellen zu zerstören oder nachhaltig zu schädigen und eine quasi kontinuierliche Mikroalgenkultivierung mit hoher Ausbeute und in hoher Qualität zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst gemäß den Merkmalen im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 und 6 im Zusammenwirken mit den Merkmalen im jeweiligen Oberbegriff. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine schonende und effiziente Ablösung der Algenfilme an den inneren Oberflächen von Behältern oder Komponenten von Reaktorsystemen realisiert wird, indem Ultraschallenergie über die äußeren Oberflächen der Behälter oder Reaktoren mittels mindestens einer Sonotrode in die Behälter- oder Reaktorenwände eingekoppelt und zwischen Sonotrode(n) und Behälter- oder Reaktorwand eine Relativbewegung erzeugt wird.

Dadurch, dass an den äußeren Oberflächen der Behälter oder Reaktoren entlangführbar, mindestens eine Sonotrode zur Einkopplung von Ultraschallenergie angeordnet ist, resultieren zusätzlich die nachfolgend aufgeführten weiteren Vorteile:

• Erhöhung des Ernteertrages durch quasikontinuierliche Abreinigung von immobilisierten Mikroalgen während der Kultivierung infolge – verbesserter Lichtausbeute und – Verwertung immobilisierter Mikroalgenbiomasse
• Erhöhung der Produktqualität durch Vermeidung der Etablierung von Sekundärfloren
• Verlängerung der Betriebszeiten der Kultivierungssysteme und Verringerung des Wartungsaufwands
• Verringerung der Betriebskosten durch Einsparung von chemischen Reinigungsmitteln
• Verringerung des Energieeintrages
• Fixierte Mikroalgenbiomasse steht zusätzlich als Produkt zur Verfügung
• Kultivierung von scherkraftanfälligen Mikroalgenarten in Platten- und Rohrreaktorsystemen

Weiterhin zeichnet sich die erfindungsgemäße Lösung aus durch:

• Kompaktheit des Systems
• eine mögliche Langzeitkultivation (min. 10 Wochen) mit minimierten Stillstandzeiten
• minimalen Elektroenergieeinsatz
• einen effizienten Lichteintrag (definiert regelbare Lichtverhältnisse bei optimaler Lichtausbeute in definierten Schichtdicken)
• scale-up-Fähigkeit bis mindestens 35000 l
• kontaminationsarme Verfahrensführung
• effektiven Gasaustausch
• automatisierte Steuerung und Regelung
• mathematische Modellierbarkeit
• wirtschaftliche Anschaffungs- und Betriebsbedingungen
• Eignung des Systems für die Wertstoffproduktion

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von zumindest teilweise in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:
1: eine schematische Schnittdarstellung der Sonotrodenführung entlang dem Röhrenmodul eines Photobioreaktors,
2: eine schematische Darstellung der Sonotrodenführung entlang dem Plattenmodul eines Photobioreaktors,
3: eine Perspektivdarstellung zu 1 mit Detailansicht der Sonotrode sowie deren Halterung und Führung und
4: eine Perspektivdarstellung einer Sonotrodenanordnung zur Reinigung von Plattenmodulen.
Das in 1 und 3 dargestellte Röhrenmodul 5 stellt den Photosyntheseteil der Anlage dar. Es besteht aus einer Glasrohranordnung mit einem Stützensystem 11 zur Halterung und Fixierung der Glasrohre 3. Die Glasrohranordnung wird durch eine Glasrohr-Glasrohrbogenkonstruktion gebildet, wobei die Glasrohre 3 in der Horizontalen versetzt angeordnet sind. Das Röhrenmodul 5 besitzt im vorliegenden Ausführungsbeispiel neun übereinanderliegende Glasrohrschleifen. Das Modul ist absperrbar und über den Vor- und Rücklauf mit einer Umwälzpumpe bzw. einem Sammelbehälter verbunden. Anstelle von Glas ist auch der Einsatz von Plexiglas möglich.
Das Gesamtsystem besteht aus folgenden Komponenten:

– Glasrohre 3
– obere Führungsschiene 6
– untere Führungsschiene 7
– senkrechte Schiene mit Geräteträger 10
– Sonotrode 2 mit abgerundeten Sonotrodenkopf
– Pneumatikantrieb 12
– horizontales Transportband 8 und vertikales Transportband 9 mit Getriebemotor

Zwischen Sonotrode 2 und Glasrohr 3 wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Relativbewegung von ca. 1,5 cm/s erzeugt.
Die im vorliegenden Ausführungsbeispiel eingesetzte Stabsonotrode mit abgerundeten Sonotrodenkopf behandelt dabei nur ca. 45 % der gesamten Glasrohre direkt mit Ultraschall. Überraschenderweise wurde jedoch eine nahezu vollständige „Anti-Immobilisierung", also Ablösung der Algen, erreicht. Ursachen hierfür können sein:

1. Einfluss der Ultraschallwellen auf die Ladungsträger der Zellwand
2. Einfluss der Ultraschallwellen auf die Vitalität der Zellen (evtl. erhöhte Sauerstoffproduktion)
3. Geringere Konglomeratbildung der Zellen
4. Veränderte Proteinbildung der Zellen
5. Gasblasenbildung durch die Kavitationskraft der Ultraschallwellen im Kultivationsmedium

Für die zu entwickelnde Ultraschalltechnik bestand die Anforderung, die eingesetzten Sonotroden in Form einer festen Ankopplung so zu gestalten, dass sie als äußerer Impulsgeber zusammen mit dem Schallwandler als komplexes frequenzabgestimmtes Schwingungssystem mit möglichst hohen Amplituden arbeiten. Eine lose Ankopplung verbietet sich, weil sie zur Zerstörung der Reaktoroberflächen führt.
3 zeigt eine Perspektivdarstellung der Sonotrodenführung entlang dem Röhrenmodul 5 eines Photobioreaktors. In einer Detailansicht ist die Sonotrode 2 mit dem im vorliegenden Ausführungsbeispiel halbkugelförmig abgerundeten Sonotrodenkopf zu ersehen. Ebenso ist im Detail der Pneumatikantrieb 12 dargestellt, durch welchen die Horizontalbewegung der Sonotrode 2 realisiert wird.
2 zeigt das Plattenmodul eines Photobioreaktors mit im vorliegenden Ausführungsbeispiel fünf Platten 4.
An den Platten 4 sind zur Realisierung einer systematischen Abrasterung Führungssysteme mit einer unteren Führungsschiene 7, einem Geräteträger 10 und Sonotroden 2 angeordnet, wobei der Geräteträger 10 mit den Sonotroden 2 auf einer transportablen Plattform 13 mit einer Steuereinrichtung 14 installiert ist. Die Steuereinrichtung 14 realisiert dabei mit Hilfe von Endlagenschalter 15a, 15b am Geräteträger 10 und jeweils am Anfang bzw. Ende der unteren Führungsschiene 7 die Relativbewegung zwischen Sonotroden 2 und Platten 4. Ein Pneumatikantrieb 12 führt dabei die Sonotroden 2 an die Platten 4 mit einem max. Anpressdruck von 1,5 bar heran.
Wie aus der 2 ersichtlich ist, reinigen die beidseitig der Führungsschiene 7 angeordneten Sonotroden 2 mit einer Bewegung zwei gegenüberliegend angeordnete Platten 4. Das direkte Zusammenwirken zwischen Sonotrode 2 und Platte 4 ist in 4 dargestellt.
Für die beiden Ausführungsbeispiele wurden Sonotroden 2 wie folgt eingesetzt:

a) Schwingbalkensonotrode 20 kHz mit 32 mm Steganpassung für den Einsatz ausschließlich in Plattenreaktoren,
b) Schwingbalkensonotrode 24 kHz mit 32 mm Steganpassung für den Einsatz ausschließlich in Plattenreaktoren,
c) Schwingbalkensonotrode 30 kHz mit glatter, durchgehender Oberfläche für den Einsatz ausschließlich in Plattenreaktoren,
d) Stabsonotrode 30 kHz mit Zylinderkopf,
e) Stabsonotrode 24 kHz mit Kegelzylinderkopf,
f) Stabsonotrode 24 kHz mit Glasrohranpassung für den Einsatz ausschließlich in Rohrreaktoren,
g) Stabsonotrode 24 kHz mit abgerundeten Sonotrodenkopf für den Einsatz ausschließlich in Rohrreaktoren.

Die Schwingbalken-Sonotroden mit linienförmigem bzw. mehrfach punktförmigem Ultraschalleintritt wurden dabei ausschließlich für den Einsatz in Platten-Photobioreaktoren entwickelt.
Die o.g. Stabsonotroden mit Zylinder- bzw. Zylinderkegelkopf wurden für den universellen Einsatz und die Stabsonotrode 24 kHz mit Glasrohranpassung für den Einsatz ausschließlich in Rohrreaktoren verwendet.
Wichtig für die Realisierung der Erfindung ist, die Verhältnisse zwischen Amplitude, Ultraschallfrequenz, Sono trodengestaltung, Reaktorgeometrie und Anpressdruck so zu gestalten, dass eine hohe Leistungsdichte von beispielsweise 5 W/cm² auf die Algenschicht übertragen wird, um das Ablösen eines Algenfilmes von der Oberfläche zu erreichen.
Das Vorhandensein eines strömenden Mediums im Photoreaktor während der Abreinigung, wirkt sich durch den Abtransport der abgereinigten Algenbiomasse positiv auf den Reinigungsvorgang aus.
Wie bereits erste Testversuche mit einer 20 kHz-Sonotrode zeigten, ist die Ultraschallübertragung von Sonotrode auf die Reaktoroberfläche entscheidend für die Leistungsdichte und damit das Ablösen eines Algenfilmes von der Oberfläche.
Eine Reduzierung des Anpressdrucks ist möglich durch Erzeugung eines Wasserfilmes zwischen Sonotroden- und Reaktoroberfläche. Bereits eine Wasserdosierung von 0,05 ml/s ... 0,25 ml/s gewährleistet dabei zudem eine problemlose Oberflächentemperatur (Verdunstungskälte).
Nachfolgend sollen noch einige spezifische Effekte beschrieben werden.
Bei Verwendung einer Stabsonotrode erfolgen ein radialer Eintritt des Ultraschalls und damit eine radiale Ablösung der Algenbiomasse von der Oberfläche, wobei sich die Mikroalgen unmittelbar im behandelten Plattenkanal wesentlich besser ablösen. Der Einflussbereich kann bis zu 30 cm betragen.
Bei Verwendung einer Schwingbalken-Sonotrode erfolgt eine senkrechte Ablösung der Algenbiomasse (90° vom Schwingbalken), wobei sich die Mikroalgen im behandelten Plattenkanal ebenfalls wesentlich besser ablösen.
Eine Abreinigung der Mikroalgen erfolgt bei beiden Sonotroden bereits unmittelbar nach Aufsetzen der Sonotrode auf die Reaktoroberfläche.
Die Abreinigung der 24 kHz-Sonotroden umfassen einen wesentlich größeren Bereich, was durch die größere Eintragsfläche der Schwingbalken-Sonotrode zu erklären ist. Nach ca. 5 s ist bei der 24 kHz-Sonotrode und nach 7 s ist bei der 30 kHz-Sonotrode die maximale Abreinigungsfläche erreicht.
Die Erfindung ist neben der Ablösung von Algen auch allgemein für die Abreinigung von Biofilmen, beispielsweise in Wärmetauscheranlagen, anwendbar.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die hier dargestellten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist es möglich, durch Kombination und Modifikation der genannten Mittel und Merkmale weitere Ausführungsvarianten zu realisieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

1: äußere Oberfläche
2: Sonotrode
3: Glasrohr
4: Platte
5: Röhrenmodul
6: obere Führungsschiene
7: untere Führungsschiene
8: horizontales Transportband
9: vertikales Transportband
10: Geräteträger
11: Stützensystem
12: Pneumatikantrieb
13: transportable Plattform
14: Steuereinrichtung
15a: Endlagenschalter
15b: Endlagenschalter

Claims

Reinigungsverfahren zur Ablösung von Mikroorganismen, Moosen und niederen Pflanzen von den inneren Oberflächen von Behältern oder Reaktoren, dadurch gekennzeichnet dass, Ultraschallenergie über die äußeren Oberflächen (1) der Behälter oder Reaktoren mittels mindestens einer Sonotrode (2) linienförmig oder punktförmig oder mehrfach punktförmig in die Behälter- oder Reaktorenwände eingekoppelt und zwischen Sonotrode(n) (2) und Behälter- oder Reaktorwand eine Relativbewegung erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über die Sonotrode(n) (2) eine Leistungsdichte bis 5 W/cm² auf die Algenschicht übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung durch Verschiebung der Sonotrode(n) (2) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebung der Sonotrode(n) (2) eine systematische Abrasterung realisiert.
Vorrichtung zur Ablösung von Mikroorganismen, Moosen und niederen Pflanzen von den inneren Oberflächen von Behältern oder Reaktoren, dadurch gekennzeichnet dass, an den äußeren Oberflächen (1) der Behälter oder Reaktoren entlangführbar mindestens eine Sonotrode (2) zur Einkopplung von Ultraschallenergie angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor ein Photobiorektor mit Glasrohren (3) oder Platten (4) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter ein Becken oder ein Aquarium ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasrohre (3) oder Platten (4) und die Becken- oder Aquariumwände aus Glas oder Plexiglas bestehen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode(n) (2) über ein Führungssystem an den äußeren Oberflächen (1) der Behälter oder Reaktoren entlangführbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungssystem zur Entlangführung der Sonotrode(n) (2) an einem Röhrenmodul (5) eines Photobioreaktors eine obere Führungsschiene (6), eine untere Führungsschiene (7) sowie ein horizontales Transportband (8) und ein vertikales Transportband (9) sowie Geräteträger (10) zur Aufnahme der Sonotrode(n) (2) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode (2) für den Einsatz an Plattenreaktoren oder ebenen Behälterwänden als Schwingbaikensonotrode ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode (2) für den Einsatz an Rohrreaktoren als Stabsonotrode ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabsonotrode einen flachen Sonotrodenkopf oder einen angefasten Sonotrodenkopf oder einen abgerundeten Sonotrodenkopf oder der Sonotrodenkopf eine Rohranpassung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Geräteträger (10) auf einer transportablen Plattform (13) mit einer Steuereinrichtung (14) installiert ist und Endlagenschalter (15a, 15b) am Geräteträger (10) und jeweils am Anfang bzw. Ende einer unteren Führungsschiene (7) die Relativbewegung zwischen Sonotrode (2) und Glasrohren (3) bzw. Platten (4) realisieren.