DE102009015925A1 - Photobioreactor to cultivate and reproduce phototrophic organisms in liquid phase by reacting with gaseous, solid and/or liquid additive during illumination with sun- and/or artificial light, comprises controlling device and solar elements - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft neue Photobioreaktoren für die Kultivierung und Vermehrung von phototrophen Organismen und/oder Bildung ihrer Stoffwechselprodukte in flüssiger Phase unter Zuhilfenahme zusätzlicher fester, flüssiger und/oder gasförmiger Stoffe bei Belichtung mit Sonnenlicht und/oder künstlichem Licht. Phototrophe Organismen können Mikroorganismen, Algen, Cyanobakterien oder höhere Pflanzenzellen sein.The The invention relates to new photobioreactors for cultivation and propagation of phototrophic organisms and / or formation of their Metabolites in the liquid phase with the help of additional solid, liquid and / or gaseous Substances exposed to sunlight and / or artificial light Light. Phototrophic organisms can be microorganisms, algae, Cyanobacteria or higher plant cells.
Bekannte Photobioreaktoren betreffen sowohl geschlossene Systeme unterschiedlicher Geometrie, u. a. tubulare oder so genannte „Flat-panel” Reaktoren, als auch offene Systeme (z. B. „open pond” – Becken/Teiche).Known Photobioreactors affect both closed systems of different Geometry, u. a. tubular or so-called "flat-panel" reactors, as well as open systems (eg "open pond" basins / ponds).
Die geschlossenen Systeme sind in der Regel gegenüber den Umweltbelastungen abgeschlossen (mit Ausnahme der für den Betrieb erforderlichen Zu- und Abführungen von Medien, Licht, Biomasse, etc.). Ihr Vorteil ist ein kontaminationsfreier und reproduzierbarer Betrieb der Anlagen. Die entsprechenden Photobioreaktoren müssen sowohl die Stofftransportvorgänge aus der gasförmigen und der flüssigen Phase in die partikuläre Phase der lebenden Zellen als auch den Lichtenergietransport durch die Bioreaktorwand und die fluide Strömung ermöglichen.The Closed systems tend to be more environmentally sensitive completed (with the exception of the necessary and discharges of media, light, biomass, etc.). you Advantage is a contamination-free and reproducible operation the plants. The corresponding photobioreactors must both the mass transfer processes from the gaseous and the liquid phase into the particulate phase the living cells as well as the light energy transport through the Bioreactor wall and allow the fluid flow.
Bekannte Photobioreaktoren nutzen dabei den so genannten ”Flashing-Light-Effekt”, der durch Erhöhung der Turbulenz in der flüssigen Phase erzielt wird und bewirkt, dass die Organismen nur kurzzeitig (ca. 1 Hz) der an der Reaktoraußenfläche vorherrschenden hohen inhibierenden Lichtintensität ausgesetzt sind. Das ist ausreichend für eine hohe Photosyntheseaktivität, da die aufgenommene Lichtenergie in den nachfolgenden Dunkelphasen umgesetzt werden kann, jedoch die Zellen nicht schädigt.Known Photobioreactors use the so-called "flashing light effect", by increasing the turbulence in the liquid Phase is achieved and causes the organisms only for a short time (about 1 Hz) of the prevailing at the reactor outer surface exposed to high inhibiting light intensity. The is sufficient for a high photosynthesis activity, since the recorded light energy in the subsequent dark phases can be implemented, but does not damage the cells.
In Anlagen mit horizontaler tubularer Anlagenstruktur wird durch eine entsprechende Flüssigkeitsströmung die Turbulenz erzeugt. Bei vertikalen zylindrischen oder flachen Air-Lift-Bioreaktoren (z. B. Flat-Panel) wird die Turbulenz durch aufsteigendes Reaktionsgas, meist CO2-haltiges Gas, erzeugt. Zur Erzielung der benötigten Turbulenzen ist jedoch ein hoher apparativer und energetischer Aufwand für die Flüssigkeitspumpen- bzw. die Gaskompressoren erforderlich (ca. 400 bis 2000 W pro m3 Reaktorinhalt).In systems with a horizontal tubular structure, the turbulence is generated by a corresponding liquid flow. In the case of vertical cylindrical or flat Air-Lift bioreactors (eg flat-panel), the turbulence is generated by ascending reaction gas, usually CO 2 -containing gas. To achieve the required turbulence, however, a high equipment and energy costs for the liquid pump or the gas compressors is required (about 400 to 2000 W per m 3 reactor contents).
Allen bisher eingesetzten Photobioreaktoren, unabhängig ob ein horizontales tubulares System oder ein vertikales Air-Lift-Prinzip verwendet wird, ist gemeinsam, dass der Lichtenergieeintrag optimiert werden soll. Das heißt, es muss ein zu hoher Lichtenergieeintrag vermieden werden, da die Lichtenergie vorrangig in für die phototrophen Organismen schädliche Wärmeenergie umgewandelt wird.all previously used photobioreactors, regardless of whether one horizontal tubular system or a vertical air-lift principle is used in common is that the light energy input optimized shall be. That is, it must be too high a light energy input be avoided, since the light energy primarily in for the phototrophic organisms harmful thermal energy is converted.
Für die zur Biomasse und Stoffproduktion in technologischen Prozessen eingesetzten phototrophen Organismen beträgt die inhibierende Lichtintensität ca. 2.000 μmol/m2s, der optimale Bereich ca. 200 bis 400 μmol/m2s und bei einer Lichtintensität kleiner 25 μmol/m2s wird die Photosynthese limitiert.For the phototrophic organisms used for biomass and material production in technological processes, the inhibiting light intensity is about 2,000 μmol / m 2 s, the optimum range is about 200 to 400 μmol / m 2 s and at a light intensity less than 25 μmol / m 2 s limits the photosynthesis.
An vielen Standorten der Erde ist aber die für die Photosynthese wirksame solare Strahlung höher als die von den Zellen zur Produktion von Biomasse bzw. deren Stoffwechselprodukten benötigte Lichtintensität.At But many sites on earth are responsible for photosynthesis effective solar radiation higher than that of the cells required for the production of biomass or their metabolites Light intensity.
So werden z. B. die Photobioreaktoren für die Mikroalge Chlorella sp. mit einer Lichtintensität von 180 μmol/m2s und die Cyanobakterien Spirulina sp. mit einer Lichtintensität von 50 μmol/m2s betrieben. Das Tageslicht erreicht aber sogar in Deutschland bei direkter Bestrahlung eine Lichtintensität von ca. 2000 μmol/m2s.So z. For example, the photobioreactors for the microalgae Chlorella sp. with a light intensity of 180 μmol / m 2 s and the cyanobacteria Spirulina sp. operated with a light intensity of 50 .mu.mol / m 2 s. But even in Germany, daylight reaches a light intensity of approx. 2000 μmol / m 2 s under direct irradiation.
Dieses Problem der Photoinhibition bei bisherigen Photobioreaktoren besteht z. B. bei Algen, wenn diese über eine lange Zeitdauer Licht ausgesetzt sind. Um die Photosynthese zu stabilisieren, werden nach dem Stand der Technik entweder die Organismen durch Zirkulation in der Tiefe der Suspension abgeschattet oder der Reaktor wird durch mechanische Elemente zeitweise abgedunkelt.This There is a problem of photoinhibition in previous photobioreactors z. In algae, if they light over a long period of time are exposed. In order to stabilize the photosynthesis, they are after the prior art either the organisms by circulation shadowed in the depth of the suspension or the reactor is controlled by mechanical Elements darkened at times.
In
Die mit hoher Turbulenz nach dem Stand der Technik ausgerüsteten tubularen oder „Flat-panel”-Photobioreaktoren können z. B. für Mikroalgen nur mit mechanisch unempfindlichen Spezies betrieben werden, da die durch die Turbulenz hervorgerufenen Scherkräfte die Mikroalgen schädigen.The equipped with high turbulence according to the prior art tubular or "flat-panel" photobioreactors can z. B. for microalgae only with mechanical insensitive species are operated because of the turbulence Shearing forces that damage the microalgae.
In
In
Der Erfindung lag daher das Problem zu Grunde, einen Photobioreaktor zu schaffen, bei dem der Lichteintrag so begrenzt und/oder geregelt werden kann, dass die phototophen Organismen im Reaktor keiner Licht und/oder Temperaturinhibierung ausgesetzt sind, aber genügend Photonen für das Wachstum der Organismen und/oder ihrer Stoffwechselprodukte akkumulieren können, und zugleich aus der überschüssigen Lichtenergie elektrische Energie gewonnen wird.Of the The invention was therefore based on the problem of a photobioreactor to create, in which the light entry so limited and / or regulated can be that the phototopic organisms in the reactor no light and / or temperature inhibition but are sufficient Photons for the growth of organisms and / or theirs Metabolites can accumulate, and at the same time the excess light energy electrical energy is won.
Dieses Problem wird gemäß Patentanspruch 1 dadurch gelöst, dass die neuen Photobioreaktoren zur Kultivierung und Vermehrung von phototrophen Organismen in flüssiger Phase durch Umsetzung mit gasförmigen, festen und/oder flüssigen Zusatzstoffen bei Belichtung mit Sonnenlicht und/oder künstlichem Licht zur Gewinnung von Biomasse und/oder ihren Stoffwechselprodukten und zur Nutzung überschüssiger Lichtenergie mit einer Vorrichtung zur Steuerung der Lichtdurchlässigkeit und damit des Wärmeeintrages sowie semitransparenten Solarelementen zur Umwandlung überschüssiger Lichtenergie in elektrische Energie versehen sind.This Problem is solved according to claim 1 thereby that the new photobioreactors for cultivation and propagation of phototrophic organisms in the liquid phase by reaction with gaseous, solid and / or liquid additives at Exposure to sunlight and / or artificial light Extraction of biomass and / or its metabolites and to use excess light energy with a Device for controlling the light transmission and so that the heat input and semi-transparent solar panels to Conversion of excess light energy into electrical Energy are provided.
Phototrophe Organismen können Mikroorganismen, Algen, Cyanobakterien oder höhere Pflanzenzellen sein. Als essentielle gasförmige Komponente dient insbesondere CO2. Dieser neue Photobioreaktor kann dabei sowohl als horizontaler tubularer als auch als vertikaler Air-Lift-Bioreaktor gestaltet sein, Bedingung ist eine lichtdurchlässige äußere Reaktorwand. Mehrere Reaktor-Module mit semitransparenten Solarelementen können hydraulisch, pneumatisch und elektrisch in Serie geschaltet sein.Phototrophic organisms may be microorganisms, algae, cyanobacteria or higher plant cells. As an essential gaseous component is used in particular CO 2 . This new photobioreactor can be designed both as a horizontal tubularer as well as a vertical air-lift bioreactor, condition is a translucent outer reactor wall. Several reactor modules with semitransparent solar elements can be connected in series hydraulically, pneumatically and electrically.
Als semitransparente Solarelemente sind vorzugsweise semitransparente Dünnschicht-Solarelemente geeignet, insbesondere solche, die transparent für die photosynthetisch aktive Strahlung sind, während sie die energiereiche Strahlung des Lichtes absorbieren und in elektrische Energie umwandeln.When Semitransparent solar elements are preferably semitransparent Thin-film solar elements suitable, in particular those the transparent for the photosynthetically active radiation while absorbing the high-energy radiation of light and convert it into electrical energy.
Geeignet sind aber auch opake oder lichtundurchlässige Solarelemente mit einer gerasterten Beschichtung und freibleibenden Zonen auf dem Basismaterial oder wenn nur Teile der Reaktorwand mit opaken oder lichtundurchlässigen Solarelementen versehen sind und die freibleibenden Teile als Fenster für den Lichteintritt dienen.Suitable but are also opaque or opaque solar elements with a screened coating and remaining zones the base material or if only parts of the reactor wall with opaque or opaque solar elements are provided and the remaining parts as windows for the entrance of light serve.
Zur Steuerung der Lichtdurchlässigkeit und damit des Wärmeeintrages und des Wellenlängenbereiches dient beispielsweise eine nanostrukturierte elektrochrome Beschichtung des Reaktors, an die eine elektrische Spannung angelegt wird. Über eine zentrale Steuerung, z. B. über ein Bussystem, erfolgt eine geregelte Abschattung des Reaktors. Dazu sind bereits 3 Volt ausreichend.to Control of light transmission and thus of heat input and the wavelength range serves, for example, a nanostructured electrochromic coating of the reactor to which a electrical voltage is applied. About a central Control, z. B. via a bus system, there is a regulated Shading of the reactor. 3 volts are enough for that.
Vorzugsweise wird diese Beschichtung als nanostrukturierte elektrochrome Folie sandwichartig mit dem Dünnschichtsolarelement und/oder dem Photobioreaktor verbunden. Damit lässt sich die für ein optimales Wachstum der Organismen erforderliche Lichtintensität des einfallenden Lichtes gezielt regulieren und/oder modulieren.Preferably This coating is called nanostructured electrochromic film sandwiched with the thin film solar element and / or connected to the photobioreactor. This can be the for a optimal growth of the organisms required light intensity specifically regulate and / or modulate the incoming light.
Die Abschattung erlaubt, die Turbulenz der Suspension und den damit verbundenen Scherkrafteintrag in die Flüssigkeit zu verringern, da eine Schädigung der Organismen durch zu hohen Lichteinfall vermieden werden kann. Bei einer Lichttransmission zwischen 15 und 50% kann bei hohen Tagestemperaturen die Oberflächentemperatur des Reaktors auf unter 30 Grad Celsius gehalten werden.The Shading allows the turbulence of the suspension and the so reducing shear force input into the fluid, as damage to the organisms by excessive light is avoided can be. At a light transmission between 15 and 50% can at high daytime temperatures the surface temperature of the Reactor to be kept below 30 degrees Celsius.
Der neue Photobioreaktor ermöglicht eine signifikante Verbesserung des Wachstums der Organismen bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen, da jeweils die für die genutzten Organismen optimale Lichtintensität gezielteingestellt werden kann. Zugleich ist ein erheblicher Spielraum für die Optimierung des Systems gegeben.Of the new photobioreactor allows a significant improvement the growth of the organisms under different environmental conditions, in each case the optimal light intensity for the organisms used can be targeted. At the same time, there is considerable room for maneuver given for the optimization of the system.
Die für andere Einsatzfälle nachteilige Lichtdurchlässigkeit von Dünnschicht-Solarelementen wird im erfindungsgemäßen Reaktor genutzt, um Schädigungen der Organismenzellen durch zu hohen Lichtenergieeintrag bei gleichzeitiger Energiegewinnung zu verhindern.The for other applications, adverse light transmission of thin-film solar elements is in the inventive Reactor used to damage the organism cells too high a light energy input with simultaneous energy production to prevent.
Die von den semitransparenten Solarelementen aus überschüssiger Lichtenergie generierte elektrische Energie kann zum Betrieb oder zur Einstellung bestimmter Betriebsparameter, z. B. zur Steuerung der Lichtdurchlässigkeit oder zur Temperierung des Photobioreaktors genutzt werden. Darüber hinaus kann überschüssige elektrische Energie auch in externe Netze eingespeist werden.The generated by the semitransparent solar elements of excess light energy electrical energy can be used to operate or to set certain operating parameters, eg. B. for Control of the light transmission or for temperature control of the photobioreactor can be used. In addition, excess electrical energy can also be fed into external grids.
Die semitransparenten Solarelemente können verschiedene Ausführungsformen aufweisen. Entsprechend ihrer Beschaffenheit, z. B. als Glas, können sie der geometrischen Form des Reaktors strukturiert angenähert oder z. B. als Folien der Oberfläche des Reaktors flexibel angepasst sein.The Semitransparent solar elements can have different embodiments exhibit. According to their nature, z. B. as glass, can they approximated the geometric shape of the reactor or z. B. flexible as films of the surface of the reactor be adjusted.
Sie können auf der gesamten Reaktorwand, Teilen davon oder auf den dem Lichteinfall ausgesetzten Flächen angebracht sein. Dabei können sie selbst die äußere Reaktorwand bilden oder auf der Reaktorwand außen direkt oder mit einem Luftspalt zur äußeren Reaktorwand angebracht sein.she can be on the entire reactor wall, parts of it or mounted on the exposed to the light surfaces be. In doing so, they can themselves the outer Form reactor wall or outside directly on the reactor wall or with an air gap to the outer reactor wall to be appropriate.
Für den Einsatz in Photobioreaktoren sind sie umso geeigneter, je niedriger der Gesamtenergiedurchlasswert und damit die schädliche Wärmebelastung im Reaktor und je höher die Lichtdurchlässigkeit (Transmission) ist, damit genügend Lichtenergie für das Biomassewachstum im Reaktor vorhanden ist.For their use in photobioreactors is the more appropriate the lower they are the total energy transmittance and thus the harmful Heat load in the reactor and the higher the light transmission (Transmission), so that enough light energy for the biomass growth is present in the reactor.
Der Kühlaufwand lässt sich weiter reduzieren, wenn die Solarelemente konstruktiv mit einem Luftspalt zur Oberfläche des Reaktors angebracht sind. Hierbei wird der in Wärme umgewandelte Anteil des Lichtes nach außen wieder abgestrahlt und trägt nicht zur Erwärmung des Reaktorinnenraumes bei.Of the Cooling costs can be further reduced if the solar elements constructive with an air gap to the surface of the reactor are attached. This is the heat converted portion of the light emitted to the outside again and does not contribute to the heating of the reactor interior at.
Durch semitransparente Solarelemente lässt sich eine für phototrophe Organismen inhibierende Lichtintensität von ca. 2.000 μmol/m2s in den optimalen Bereich von 200 bis 400 μmol/m2s transformieren.By semitransparent solar elements can be a phototrophic organisms inhibiting light intensity of about 2,000 .mu.mol / m 2 s in the optimum range of 200 to 400 .mu.mol / m 2 s transform.
Dabei wird die Eigenschaft der semitransparenten Solarelemente genutzt, dass sie nur ca. 15% der Sonnenenergie durchlassen, die Transmission aber relativ regelmäßig über das gesamte sichtbare Lichtspektrum erfolgt, so dass durch sie allein keine Wellenlängenverschiebungen auftreten. Für die Erzeugung des Solarstroms aus dem Sonnenlicht nutzen die Solarelemente dagegen noch ca. 75% des Sonnenlichtes.there the property of the semitransparent solar elements is used, that they allow only about 15% of the solar energy through, but the transmission relatively regularly over the entire visible light spectrum takes place, so that by them alone no wavelength shifts occur. For the production of solar power from sunlight By contrast, the solar elements still use about 75% of the sunlight.
Geeignete semitransparente Solarelemente sind vorzugsweise die mit einer Transparenz im sichtbaren Bereich von vorzugsweise 10%–30%. Als feste oder flexible semitransparente Solarzellen mit unterschiedlichem Aufbau sind beispielsweise einsetzbar:
- – Amorphe Silizium Solarzellen (aSi) auf Glassubstraten oder Folien
- - Amorphous silicon solar cells (aSi) on glass substrates or foils
Die aSi-Module sind als feste Dünnschicht-Solarzellen Glas-Glas-Laminate oder flexibel als PVB-Folie laminiert. Die aSi-Beschichtung liegt opak oder als sehr dünne Solarzellenschicht mit semitransparenter Wirkung vor. Als opake amorphe Solarzellen werden solche eingesetzt, bei denen ein Teil der Beschichtung im Laserverfahren gestreift oder gerastert abgenommen wird, so dass eine Lichttransmission von ca. 10% entsteht.
- – CIS-Dünnschicht-Solarzellen und Module
- - CIS thin-film solar cells and modules
Die CIS-Solarmodule (Kupfer-Indium-Selenid) können Wirkungsgrade von 11% bis 13% erreichen. Ihre Semitransparenz wird durch eine Rasterung in den Varianten Punkt-, Strich- und Rautenlösung erzielt. Bei diesen Dünnschicht-Solarzellen kann eine Transparenz bis 50% erreicht werden.
- – Cadmium-Tellurid-Dünnschicht-Zellen auf Glassubstrat
- - Cadmium telluride thin-film cells on glass substrate
Die Cadmium-Tellurid-Dünnschicht-Zellen erreichen einen Wirkungsgrad von ca. 7%. Der Vorteil der CdTe-Zellen besteht in einer geringeren Temperaturempfindlichkeit sowie in einer hohen Empfindlichkeit gegenüber diffuser Solarstrahlung. Die feinen dünnen Strukturierungslinen für die einzelnen Zellen von Glas-Glas-Standard-Module lassen Licht durch, so dass sie bei Gegenlicht eine Semitransparenz aufweisen.The Cadmium telluride thin-film cells achieve efficiency of about 7%. The advantage of CdTe cells is lower Temperature sensitivity as well as in a high sensitivity to diffused solar radiation. The fine thin structuring lines for the individual cells of glass-glass standard modules let light through so that they have a semitransparency in backlight exhibit.
Ausführungsbeispiele:EXAMPLES
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von 4 Ausführungsbeispielen erläutert werden.The Invention will be described below with reference to 4 embodiments be explained.
Ausführungsbeispiel 1Embodiment 1
Gemäß
Nicht dargestellte Sensoren zur Überwachung der Prozessparameter, wie pH-Wert, Temperatur, elektrische Leistung der Photovoltaikzellen, vervollständigen das System.Not illustrated sensors for monitoring the process parameters, such as pH, temperature, electrical power of photovoltaic cells, complete the system.
Beispiel 2Example 2
Gemäß
Beispiel 3Example 3
Gemäß
Beispiel 4Example 4
Mit
der Ausführung nach
Der Mikroalgenstamm Scenedesmus sp. 1 wurde bei folgenden Parametern:
- – Medientemperatur T = 25–28°C,
- – Begasung v = 5% CO2,
- – Nährmedien Setlik und ESP
- - medium temperature T = 25-28 ° C,
- Fumigation v = 5% CO 2 ,
- - Culture Media Setlik and ESP
Bei einer für Scenedesmus sp. 1 hohen Lichtintensität von 270 μmol/m2s ohne semitransparente Dünnschicht-Solarzellen und einer turbulenten Strömung wurde eine Wirkstoffbildung von 5,2 mg pro g Biomasse erreicht.At one for Scenedesmus sp. 1 high light intensity of 270 μmol / m 2 s without semitransparent thin-film solar cells and a turbulent flow, an active ingredient formation of 5.2 mg per g of biomass was achieved.
Bei einer Lichtintensität von 50 μmol/m2s an der Oberfläche des SPB und einer vorgeschalteten semitransparenten Dünnschicht-Solarzellen (CIS-Solarmodule) betrug die Wirkstoffbildung 4,9 mg pro g Biomasse bei reduzierter Strömung und gleichzeitiger Erzeugung von 38 Watt pro m2 Dünnschicht-Solarzelle.At a light intensity of 50 μmol / m 2 s at the surface of the SPB and an upstream semitransparent thin-film solar cells (CIS solar modules) the active ingredient formation was 4.9 mg per g of biomass at reduced flow with simultaneous generation of 38 watts per m 2 of thin film solar cell.
- 11
- semitransparente Solarzellesemitransparent solar cell
- 22
- nanostrukturierte elektrochrome Schichtennanostructured electrochromic layers
- 33
- Außenwand des Bioreaktorsouter wall of the bioreactor
- 44
- flüssige Medienliquid media
- 55
- Biomassebiomass
- 66
- Flüssigkeitszuführungliquid feed
- 77
- Gaszuführunggas supply
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- - WO 1997/011154 [0011] WO 1997/011154 [0011]
- - WO 2000/061719 [0013] WO 2000/061719 [0013]
- - WO 2008/079724 [0014] - WO 2008/079724 [0014]
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