DE102007055569A1

DE102007055569A1 - Anordnung und Verfahren zur gleichmäßigen dreidimensionalen Lichtverteilung in einem Reaktionsmedium

Info

Publication number: DE102007055569A1
Application number: DE200710055569
Authority: DE
Inventors: Arwed Dr. Wagner; Florian Josef Hoffmann
Original assignee: Arwed Dr. Wagner
Priority date: 2007-11-20
Filing date: 2007-11-20
Publication date: 2009-05-28

Abstract

Es werden eine Anordnung und ein Verfahren vorgeschlagen, wo Licht in eine Gas-Flüssigkeitsdispersion eingetragen und gleichmäßig verteilt wird. Die Gas-Flüssigkeitsdispersion ist Reaktionsmedium für Mikroalgen zur Erzeugung von Biomasse. Als Licht wird Sonnenlicht genommen, welches über Kollektoren mit Lichtleitern ins Reaktionsmedium geleitet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren und Verwertung derselben zur gleichmäßigen Verteilung von Licht im Reaktionsvolumen eines Photobioreaktor, der Mikroorganismen enthält, die mit Licht aus Kohlendioxid und/oder organischen Substanzen Biomasse produzieren, wobei das Reaktionsmedium wäßrig ist und die für das Wachstum der Mikroorganismen erforderlichen Mineralien enthält.
Die vorliegende Erfindung nutzt die Photosynthese von Mikroorganismen zur Erzeugung von Biomasse. In das Reaktionsmedium wird kontinuierlich Gas eingetragen, welches Kohlendioxid enthält.
Der Photobioreaktor ist in der Haupsache ein geschlossener Behälter, kann aber auch offen sein.
Geschlossene Behälter haben gegenüber offenen Systemen die Vorteile eines geringen Flächenbedarfs, Wetterunabhängigkeit und Kontrolle gegenüber Schädlingsbefall und Kontamination. In geschlossenen Systemen ist eine kontinuierliche Prozessführung mit Gasen hohen Kohlendioxid-Gehaltes möglich. Die für eine wirtschaftliche Prozessfürung erforderliche Monitorierung der Betriebsparameter Temperatur, pH, Lichtintensität, Zelldichte, Salzkonzentration und Kohlendioxid-Konzentration erfolgt nach Stand der Technik.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Anordnung und ein Verfahren und Verwertung derselben anzugeben, zur Erzeugung von Biomasse mit photosynthetisch aktiven Mikroorganismen, wobei sichtbares Licht besonders effektiv verwertet wird, denn die Biomasseproduktion ist direkt proportional des verwerteten Lichtes.
Da die Biomasseproduktion bekannterweise nur innerhalb eines definierten Photonenflussbereiches liegt, nämlich zwischen light compensation point (ca. 0–20 μmol pro m² und Sekunde) und Photoinhibition (ca. 2000 μmol pro m² und Sekunde), ist zur wirtschaftlichen Ausnutzung des sichtbaren Lichtes für die Photosynthese der Mikroorganismen die Lichtverteilung pro Reaktionsmediumvolumeneinheit für ein optimales Wachstum der Mikroorganismen von entscheidender Bedeutung. Ein Photonenfluss der größer als ca. 2000 μmol pro m² und Sekunde ist wirkt wachstumshemmend und zellzerstörend.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Anordnung und ein Verfahren zur Lichtverteilung in einem Reaktionsmedium, in dem Biomasse erzeugt wird anzugeben, wobei Licht so verteilt wird, daß es mit hoher Effektivität von den Mikroorganismen genutzt wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung gemäß Anspruch 1, durch ein Verfahren gemäß Anspruch 22 oder 38 oder durch eine Verwendung gemäß Anspruch 39.
In der vorliegenden Erfindung erfolgt durch Generierung von Gischt (Gas-Flüssigkeitsdispersion) im Reaktor und Ausleuchtung derselben eine optimale Lichtverteilung pro Reaktionsmediumvolumeneinheit. Außerdem ist der Reaktor so konzipiert bzw. handelsübliche Bioreaktoren so modifiziert, daß für die Mikroorganismen, insbesondere Mikroalgen, keine die Reproduktionsrate beeinträchtigenden Scherkräfte entstehen.
In der heutigen Praxis werden hauptsächlich Röhren- und Plattenreaktoren verwendet. Licht dringt dabei von außen in die aus Glas und Kunststoff bestehenden Systeme ein und kann die Photosynthese in Gegenwart entsprechender Nährsalze und Kohlendioxid in Gang setzen. Daneben gibt es auch Beschreibungen in der Literatur, wo Licht über Lichtleiter direkt in das Reaktionsmedium des Photobioreaktors, in dem die Algen gezüchtet werden, eingebracht wird.
In der vorliegenden Erfindung wird in einem handelsüblichen Bioreaktor der Fermentationstechnik der Größe 0,5 Liter bis 100 m³ und größer von unten mit einer praktischerweise an den Boden des Reaktors angeflanschten handelsüblichen Rotor-Stator-Begasungsturbine das Reaktionmeduium so schnell gerührt, daß ein Unterdruck entsteht, der es erlaubt Gas über diese Turbine in den Reaktor zu leiten. Bei derartigen handelsüblichen Hochleistungsturbinen wird Gas so fein im Wasser am Stator zerschlagen, das Gasblasen bis 0,2 mm entstehen. Die Gaszufuhr erfolgt über die Arbeitsfläche der Turbine, die den Unterdruck erzeugt. Über ein Drosselventil kann die Gasmenge gesteuert werden.
Vorzugsweise erfolgt eine Gaszufuhr von 0,1 bis 2 Liter pro Liter Reaktorflüssigkeit und Minute. Für spezielle Algenspezies kann die Gaszufuhr auch unter 0,1 Liter Reaktorflüssigkeit und Minute liegen. Aus einem Liter Gas entstehen somit extrem viele Gasblasen in Größenordnungen von 10 hoch 6 bis 10 hoch 8 Gasblasen pro Minute und Liter Reaktorflüssigkeit. Es entsteht ein gischtähnliches Reaktionsmedium.
Die Größe der Gasblasen und Koaleszenz derselben ist von der Oberflächenspannung des Reaktionsmediums abhängig. Sie kann durch Zugabe geringer Mengen Alkohol oder anderer Substanzen, z. B. Tenside, stark variiert werden.
Bevorzugt werden oberflächenspannungreduzierende Substanzen eingesetzt, die sich indifferent den eingesetzten Mikroorganismen gegenüber verhalten, oder von ihnen als Dünger oder zusätzliche Kohlenstoffquelle genutzt werden. Dadurch kann der Blasendurchmesser weiter verkleinert und die Blasenzahl um weitere Potenzen gegenüber den oben angegebenen Zahlen erhöht werden.
Es wird Licht durch Lampen, LED's oder Sonnenlicht in den Reaktor eingebracht. Bevorzugt wird Sonnenlicht eingebracht, dessen UV- und IR-Anteile weitgehend herausgefiltert sind.
Sonnenlicht wird mit Lichtkollektoren wie Solarschüsseln, -rinnen, Linsen oder Halbkugeln aus Kunststoff, die prismenförmige Schliffe zur besseren Lichteinsammlung haben, gesammelt und nach Stand der Technik in Lichtleiter eingekoppelt, welche das Licht zum Reaktor leiten. Im Reaktor sind die Lichtleiter so beschaffen, daß sie längsleuchtend sind, eine Technik, wie sie in der Linienbeleuchtung an Gebäuden und in Räumen, auch solchen, die mit Wasser gefüllt sind, bekannt ist. Derartige Ausleuchtungen sind jedoch in bezug auf die Ausleuchtung pro Volumeneinheit inhomogen und die Lichintensität nimmt mit der Entfernung von der Lichtquelle exponentiell ab.
Die in den Reaktor eingebrachten längsleuchtenden Lichtleiter sind in einem Lichterbaum angeordnet und strahlen das Licht in das Reaktionsmedium, in dem sich die zur Erzeugung von Biomasse die photoaktiven Mikroorganismen befinden. Besteht nun das Reaktionsmedium, wie erfindungsgemäß angegeben, aus einer Gischt (Gas-Flüssigkeitsdispersion) wird das Licht pro Reaktionsmediumvolumeneinheit, wie Versuche gezeigt haben, sehr gleichmäßig verteilt. Die Lichtverteilung ist gegenüber herkömmlichen Photobioreaktoren pro Reaktionsmediumvolumeneinheit wesentlich gleichmäßiger. Dadurch kann Licht durch die im Reaktor befindlichen photoaktiven Mikroorganismen effektiver genutzt und die Wirtschaftlichkeit des Betriebes zur Erzeugung von Biomasse aus Algen kann gegenüber herkömmlichen Systemen deutlich verbessert werden.
Das Licht wird auf die Intensität pro Reaktionsmediumvolumeneinheit eingestellt, die für die eingesetzten Algen maximale Wachstumsraten pro eingetragenem Licht ergeben.
Durch Variation der Oberflächenspannung des Reaktionsmediums ist die Blasengröße variierbar und damit die Lichtintensität pro Reaktionsmediumvolumeneinheit und die Absorbtionsrate des sich im Gas befindlichen Kohlendioxides.
Als Mikroorganismen für das in dieser Erfindung beschriebene Reaktionsmedium zur Erzeugung von Biomasse werden bevorzugt Algen und/oder photoautotrophe Bakterien eingesetzt, die zusätzlich auch heterotroph sein können.
Aus der erzeugten Biomasse sind je nach eingesetzter Spezies an Mikroorganismen hochwertige Wirkstoffe, aber auch Futter, Öl und Energieträger wie Methan und Wasserstoff herstellbar.
Die erzeugte Biomasse ist aus Licht, Kohlendioxid und Mineralien hergestellte chemisch gebundene Energie.
Es werden eine Anordnung und ein Verfahren zur dreidimensionalen gleichmäßigen Verteilung von Licht in einem Reaktorvolumen vorgeschlagen, in dem sich ein Reaktionsmedium mit Algen zur Erzeugung von Biomasse befindet. Licht, insbesondere Sonnenlicht, wird in das Reaktorvolumen eingebracht und durch das Reaktionsmedium (Gischt) optimal pro Reaktionsmediumvolumeneinheit verteilt und damit wirtschaftlich genutzt.

Claims

Anordnung zur gleichmäßigen dreidimensionalen Lichtverteilung in einem Reaktionsvolumen, welches das Reaktionsmedium Gischt (Gas-Flüssigkeitsdispersion) enthält, und in welches Licht mit Lichtleitern zur Erzeugung von Biomasse zuführbar ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium photobiologisch aktiv ist.
Anordnung nach 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium (Reaktionsmedium) mindestens eine photoautotrophe Mikroorganismenspezies enthält, insbesondere Algen, die alternativ auch die Eigenschaft der Photoauto- und Photoheterotrophie hat.
Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gas-Füssigkeitsdispersion (Gischt) aus Wasser und Gas mit einem Turbinenbegaser erzeugbar ist, wobei im Wasser die für die Biomasseerzeugung erforderlichen Nährsalze sind.
Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Turbinenbegasung 0,05–2 Liter Gas pro Liter Wasser und Minute einleitbar sind.
Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß 10 hoch 5–10 hoch 10 Gasblasen pro Liter Reaktionsmedium und Minute für die Ausleuchtung erzeugbar sind.
Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Gasblasen der Größenordnung 10–1000 Mikrometer generierbar sind.
Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Größen der Gasblasen durch Tenside variierbar sind.
Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Belüftungsturbine mit einem Kunststoff- und/oder Metallgewebe, gegebenenfalls mit Kunststoff beschichtet, umgeben ist.
Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschengröße des Gewebes, das die Belüftungsturbine umgibt so beschaffen ist, das Algen von der Rotorfläche der Belüftungsturbine separierbar sind.
Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoff- und/oder Metallgewebe, gegebenenfalls mit Kunststoff beschichtet, welches die Belüftungsturbine umgibt einen Differenzdruck hat, der es ermöglicht, daß die Belüftungsturbine durch den von ihr erzeugten Unterdruck Gas in genügender Menge zur intensiven Durchmischung mit der Flüssigkeit zur Herstellung der Gas-Flüsigkeitsdispersion (Gischt) ansaugen kann.
Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewebe, welches die Belüftungsturbine umgibt auf einen Träger (Korb o. ä.) gespannt und befestigt ist.
Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger auf dem das die Belüftungsturbine umgebende Gewebe gespannt und befestigt ist in Rotation versetzt werden kann.
Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewebe, welches die Turbine umgibt und aus Kunststoff besteht aus längsleuchtenden Lichtleitern gewebt ist, mit welchem Licht in die Gas-Flüssikeitsdispersion abstrahlbar ist.
Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Licht durch Lampen, LED's oder Lichtleiter in das Reaktionsmedium einleitbar ist.
Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiter in einem Lichterbaum im Reaktionsmedium angeordnet sind.
Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiter im Reaktionsmedium und/oder längsleitend sind.
Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiter im Reaktionsmedium ganz oder teilweise prismenförmig angeschliffen sind.
Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtkollektoreinrichtung insbesondere Solarschüsseln, -rinnen, Linsen oder mit prismenförmigen Schliff versehene Halbkugel oder anderer Geometrien für die Lichteinkopplung von Sonnenlicht in Lichtleiter vorhanden ist.
Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiter in denen das Licht eingekoppelt ist zwecks Auskopplung desselben im Reaktionsmedium enden.
Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiter aus Kunststoff oder Glas oder einer Kombination beider Stoffe bestehen.
Verfahren zur gleichmäßgen dreidimensionalen Lichtverteilung in einem Reaktionsvolumen, welches das Reaktionsmedium Gischt (Gas-Flüssigkeitsdispersion) enthält und in welches Licht mit Lichtleitern zur Erzeugung von Biomasse zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 22 dadurch gekennzeichnet, daß im Reaktionsmedium Mikroorganismen vorhanden sind, die photoautotroph und photoautotroph mit der zusätzlichen Eigenschaft der Heterotrophie aktiv sind.
Verfahren nach Anspruch 22 und 23 dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsmedium als Mikroorganismen insbesondere Algen enthält.
Verfahren nach Anspruch 22 bis 24 dadurch gekennzeichnet, daß eine Belüftungsturbine eine Gas-Flüssigkeitsdispersion (Gischt) als Reaktionsmedium erzeugt, in welchem pro Liter Wasser und Minute 10 hoch 5 bis 10 hoch 10 Gasblasen das eingetragene Licht gleichmäßig im Reaktionsvolumen verteilen.
Verfahren nach Anspruch 22 bis 25 dadurch gekennzeichnet, daß 0,05–2 Liter Gas pro Liter Wasser und Minute eingetragen werden.
Verfahren nach Anspruch 22 bis 26 dadurch gekennzeichnet, daß das eingetragene Gas, welches durch die Belüftungsturbine in Gasblasen der Größenordnung von 10–1000 Mikrometer in das Reaktionsmedium eingträgt, gleichzeitig als Reaktant mit den photoautotrophen/photoheterotrophen biologisch aktiven Spezies, insbesondere Algen, reagiert, um Biomasse zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 22 bis 27 dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz von Tensiden die Koaleszenz der Gasblasen beeinflußt.
Verfahren nach Anspruch 22 bis 28 dadurch gekennzeichnet, daß die Tenside gegenüber Algen indifferent sind und/oder als Nahrung verwertet werden.
Verfahren nach Anspruch 22 bis 29 dadurch gekennzeichnet, daß das Gas, welches als Reaktant dient, Luft, Rauchgas oder andere Reaktionsgase sind.
Verfahren nach Anspruch 22 bis 30 dadurch gekennzeichnet, daß die Gase, die in das Reaktionsmedium eingeleitet werden, unterschiedliche Kohlendioxidgehalte haben.
Verfahren nach Anspruch 22 bis 31 dadurch gekennzeichnet, daß die Gas-Flüssigkeitsdispersion (Gischt) mit Sonnenlicht ausgeleuchtet wird, welches mit Kollektorsystemen wie Solarschüsseln, -rinnen, Linsen oder prismenförmig angeschliffene Halb-kugeln oder anderen Geometrien gesammelt und über Lichtleiter in das Reaktionsmedium geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 22 bis 32 dadurch gekennzeichnet, daß für die eingesetzten Lichtkollektorsysteme Kunststoffe verwendet werden, die Infrarot- und Ultravioletanteile des Sonnenlichtes weitgehend herausfiltern.
Verfahren nach Anspruch 22 bis 33 dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiter aus Kunststoff bestehen.
Verfahren nach Anspruch 22 bis 34 dadurch gekennzeichnet, daß Lichtleiter ganz oder teilweise längsleuchtend sind und die Gas-Flüssigkeitsdispersion (Gischt) ausleuchten.
Verfahren nach Anspruch 22 bis 35 dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiter prismenförmig angeschliffen sind, um das Reaktionsmedium (Gischt) auszuleuchten.
Verfahren nach Anspruch 22 bis 36 dadurch gekennzeichnet, daß in das die Belüftungsturbine umgebende Kunststoffgewebe und/oder Licht eingekoppelt wird und in das Reaktionsmedium einträgt.
Verfahren nach Anspruch 22 bis 37 dadurch gekennzeichnet, daß Sonnenlicht in die Gas-Flüssigkeitsdispersion geleitet wird und das Medium das Sonnenlicht mit der für Mikroorganismen, insbesonder Algen, wachstumsfördernden Intensität gleichmäßig im Reaktionsvolumen verteilt.
Verwendung einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1–21 oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 22–38 zur Produktion von Biomasse mit Algen. Es wird in einer Gas-Flüssigkeitsdispersion (Gischt) als Reaktionsmedium Licht für die das Wachstum fördernden Intensität gleichmäßig verteilt. Das für die Gas-Flüssigkeitsdispersion eingesetzte Gas ist gleichzeitig Reaktant und erhält Kohlendioxid.