DE102009021059A1

DE102009021059A1 - Anlage für die Mikroalgenproduktion

Info

Publication number: DE102009021059A1
Application number: DE102009021059A
Authority: DE
Inventors: Karl-Hermann Prof. Dr. Steinberg; Bernhard Krieg
Original assignee: PROJEKTENTWICKLUNG EN und UMWE; PROJEKTENTWICKLUNG ENERGIE und UMWELT LEIPZIG GmbH
Current assignee: PROJEKTENTWICKLUNG EN und UMWE; PROJEKTENTWICKLUNG ENERGIE und UMWELT LEIPZIG GmbH
Priority date: 2009-02-25
Filing date: 2009-05-13
Publication date: 2010-08-26

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anlage für die Mikroalgenproduktion. Es ist die Aufgabe gestellt, in einer neuartigen Anlage durch den Einsatz produktiver Stämme, günstige Medienzusammensetzung, Begasungsrate, Lichtintensität, Temperaturregime die Mikroalgenproduktion zu gestalten. Die Aufgabe wird gelöst durch einen Beckenreaktor mit transparenter Flachabdeckung, günstiger Lichtnutzung in einem geschlossenen System und dem Einsatz einer automatischen Beleuchtungs- und Reinigungsvorrichtung (ABRV). In einer zweiten Ausführungsform wird eine Anlage, bestehend aus einem zylindrischen Edelstahl-Tankreaktor mit einem rotierende Bürsten tragenden Rahmn Reaktionsraum einführt, vorgeschlagen. Die produzierten Mikroalgen werden nach Zentrifugieren und Sprühtrocknen konfektioniert. Als Mikroalgen werden Stämme von Chlorella, Scenedesmus, Nanochloropsis, Haematococcus und/oder Spirulina einzeln oder im Gemisch kultiviert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zum Durchführen photochemischer und photokatalytischer Reaktionen und photoinduzierbarer Prozesse zum Kultivieren von phototrophen Organismen und Zellkulturen, insbesondere von Mikroalgen. Sie betrifft insbesondere eine stationäre Anlage zur Mikroalgenproduktion Phototrophe, eukaryotische und auch prokariotische, aquatische Mikroorganismen mit Zellkern, oft einzellig und zur Proteinbiosynthese fähig, auch als Mikroalgen bezeichnet, nutzen das Sonnenlicht effizienter als höhere Pflanzen. Es sind deshalb Verfahren und Vorrichtungen bekannt, die sich mit der Kultivierung von Mikroalgen beschäftigen.
Algenproduktion ist eine Wertstoffproduktion, bevorzugt im Pharma-, Food- und Feedbereich, wobei sowohl die Alge mit dem hohen Gehalt an Proteinen mit essentiellen Aminosäuren, Mineralien und Wirkstoffen in Summe interessant ist, als auch die Extraktion von besonderen Wertstoffen aus geeigneten Algen, wie z. B.

– Astaxanthin aus der Alge Haematococcus pluvialis oder
– EPA (mehrfach ungesättigte Eicosapentaensäure, C20:5) u. a. aus mariner Kieselalge Phaeodactylum tricornutum.

Die Gewinnung von Mikroalgen zur Herstellung eines marktfähigen Produktes umfasst die drei Hauptabschnitte,

– Mikroalgenproduktion
– Mikroalgenernte
– Mikroalgenaufbereitung – Entwässerung/Extraktion – Stabilisierung und – Konfektionierung.

Es ist bereits bekannt, die Mikroalgenproduktion in Anlagen zu verwirklichen, welche durchströmte Glasrohrgalerien darstellen. Angaben dazu sind unter anderem in US 4,473,970 und in DE 198 14 424 zu finden.
DE 4134813 beschreibt eine Anlage aus planparallelen Platten mit mäanderförmig durchströmten Kanälen.
Es ist weiterhin bekannt, Mikroalgen in offenen Becken zu produzieren. Häufig sind diese mit Vorrichtungen ausgestattet, welche ein Umwälzen des Kulturmediums ermöglichen. Dadurch werden die Belichtung und Belüftung optimiert.
Die Herstellung von Naturstoffen durch MA ist bisher begrenzt durch die Produktionstechnik in geschlossenen photo-aktiven Anlagen mit den Nachteilen unzureichender Produktivität, insbesondere bezüglich der Biomassekonzentration.
Für solche geschlossenen Anlagen sind die Investitionskosten besonders hoch und der Lichteintritt ist nur mit aufwendigen technischen Maßnahmen wie Spiegel, Lichtleiterkabel oder besonderen Dünnschichtreaktoren ausreichend zu gestalten.
Nur selten ist eine stabile Produktion über längere Zeiträume mit niedrigen Betriebskosten gegeben.
Offene Kultivierungsbecken, zum Beispiel unter freiem Himmel, sind schwer zu temperieren und bergen die Gefahr der Kontamination.
Außerdem ist in offenen Systemen ein Verlust des Hauptnährstoffs Kohlendioxid durch Ausgasung unvermeidlich.
So bleibt die Konzentration des gelösten Kohlendioxids gering und die Mikroalgenwachstumsgeschwindigkeit ebenfalls.
In offenen Systemen führt die permanente Verdunstung von Wasser zu Verlusten und einer ständigen Aufsalzung, die das erwünschte Mikroalgenwachstum verlangsamt.
Die Erfindung hat das Ziel, technisch und ökonomisch günstige Voraussetzungen für eine Mikroalgenproduktion zu sichern. Voraussetzungen hierfür sind u. a.:

– geringe Investitionskosten
– minimale Betriebskosten
– hohe Produktivität
– hohe Zellkonzentrationen
– gute Lichtverwertung.

Ein übergeordnetes Ziel bei der MA-Produktion ist die Einhaltung von nachhaltigen Bedingungen, wie:

– geringer Energieaufwand
– keine Abfallprodukte
– CO₂-neutral
– optimale Lichtnutzung.

Eine neuartige Anlage für eine effiziente Mikroalgenproduktion muss die drei o. g. Produktionsabschnitte in das Konzept einbinden, wobei niedrige Investitions- und Betriebskosten und eine langfristig stabile, effiziente Algenproduktion die Schwerpunkte darstellen.
Die Erfindung hat die Aufgabe, Wachstum und die Stabilität der Algen durch

– den Einsatz produktiver Stämme
– Einhaltung der Medienzusammensetzung
– Begasungsrate
– Lichtintensität/-intervalle
– Temperaturhaltung

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zur Mikroalgenproduktion ein Beckenreaktor mit einer speziellen transparenten Flachabdeckung verwendet wird, so dass

– eine optimale Lichtnutzung und
– eine maximale Nährstoffausnutzung

photo-aktives Volumen	m³	ca. 600
L:B-Verhältnis		8 (> 4)
Wasserhöhe	mm	300 600

Länge	m	127	90
Breite	m	16	11

Das zum Beispiel aus Beton bestehende Becken ist nach unten und seitlich von einer wärmeisolierenden Perlit-Zwischendecke umgeben. Innen sind die Wände und der Boden mit einer speziellen, elastischen Funktionalschicht (Dichtheit, Antifouling, Lichtreflexion) versehen.
In Becken-Längsrichtung läuft in der Mikroalgensuspension eine Automatische Beleuchtungs- und Reinigungsvorrichtung (ABRV). Die ABRV besteht aus miteinander gekoppelten Modulen, welche die gesamte Beckenbreite überstreichen und sich in Längsrichtung hin- und herbewegen.
Die Aufgaben der ABRV's sind zusammengefasst:

– Vermeidung einer Veralgung der Wände
– Zirkulation der Mikroalgen mit geringem Energieaufwand
– optimale Lichtversorgung
– gleichmäßige Versorgung mit Nährstoffen und Kohlendioxid
– Ausschleusung des entstehenden Sauerstoffs auf kürzestem Wege.

Für Reparatur- und Reinigungszwecke können die ABRV's ausgefahren und durch eine Reserveeinheit ersetzt werden.
Das Becken ist oben durch eine Leichtmetallkonstruktion mit abnehmbaren Glasfenstern abgeschlossen.
Die Einhaltung von besonders günstigen Medientemperaturen wird durch in den Beckenboden und die Beckenwände eingelegten Wärme- bzw. Kühlleitungen abgesichert.
Durch gute thermische Isolation der Anlage kann der Wärme- bzw. Kühlbedarf gering gehalten werden.
Durch Verdunstung und den Sauerstoffaustrag erhöht sich die Raumfeuchte. Sie wird durch eine gerichtete Luftzirkulation in der Anlage kontrolliert. Sie enthält Entfeuchter, einen Abluft-Wärmetauscher und einen hochwirksamen Frischluftfilter.
Die Mikroalgenernte erfolgt kontinuierlich und gleichmäßig dergestalt, dass längs der Beckenseitenwände im Abstand von 2–3 m in einer mittleren Wasserhöhe Durchführungen angebracht sind, in die über absperrbare Abflussdüsen annähernd gleiche Abflussmengen in eine offene Sammelleitung fließen. Die Sammelleitung wird der Algenaufbereitung separat zugeführt. Das Rückführwasser wird nach Aufbereitung gemeinsam mit dem Zusatzwasser dem Becken längs der Seitenwände zugeführt.
Ein Diagnosesystem garantiert:

– maximale Algenproduktion durch die Einhaltung optimaler, einstellbarer Betriebsparameter
– Früherkennung und Abstellen von Ursachen, die zum Rückgang der Leistungsfähigkeit der jeweils eingesetzten Mikroalgenpopulation führen und
– weitere Verringerung von Energie-, Medien- und Instandhaltungskosten.

Aufbau und spezielle Wirkungsweise der Automatische Beleuchtungs- und Reinigungsvorrichtung-ABRV
In 1 ist ein ABRV-Modul dargestellt.
Der ABRV-Modul ist ein versteifter Leichtmetall-Rahmen (2, 3, 4), der mit zwei Laufrädern (5) in einer Schiene, die in die Beckenwand (1) eingelassen ist, beweglich gelagert ist.
An den seitlichen Trägern (3) und dem unteren Querträger (4) sind abklappbare Reinigungsbürsten angebracht.
Die kontinuierliche Zuführung von CO₂ und Nährsalzen erfolgt durch ein Verteilsystem, das in den unteren Querträgern (4) ABRV integriert ist.
Zwischen den seitlichen Trägern (3) sind LED-Lichtketten (7) so angeordnet, dass die Mikroalgensuspension (6) besonders vorteilhaft mit Licht versorgt wird.
Die einzelnen Module sind in Längsrichtung mit Distanzschienen verbunden, so dass das gesamte System in Längsrichtung um eine freie Modullänge kontinuierlich verschoben werden kann.
Die Verschiebung erfolgt z. B. über jeweils zwei an den Stirnwänden angeordnete, elektrisch angetriebene Aufwickelwalzen, die über ein Zugband mit der jeweils letzten ABRV-Einheit verbunden sind.
Die Stromzuführung zu den LED-Ketten erfolgt über ein flexibles Kabel, das von einer Kabelrolle geführt wird (8).
Eine Flachabdeckung aus Glasfernstern verhindert Kontaminationen und ein unkontrolliertes Verdampfen aus der Kultivationslösung.
Die Beckenstirnwände werden mit einer separaten Reinigungsvorrichtung ausgerüstet.
Als Mikroalgen werden solche der Arten Chlorella, Scenedesmus, Nanochloropsis, Haematococcus und/oder Spirulina einzeln oder im Gemisch kultiviert.
Die Erfindung weist folgende technische und ökonomische Vorteile auf:

• Geringe Investitionskosten (keine teuren Glasrohrleitungen, sehr wenig sonstige Rohrleitungen und Armaturen)
• geringer spezifischer Platzbedarf
• hohe Lichtausnutzung
• Arbeit mit der gesamten Kultivierungslösung im optimalen biologischen Betriebsbereich
• optimale Nährstoffausnutzung
• optimale Temperaturführung
• kontinuierliche Abscheidung vorzugsweise ausgewachsener Algen
• kontinuierliche Reinigung vor allem der photo-aktiven Flächen, damit keine reinigungs-bedingte Außerbetriebnahmen
• geringer Wasserverbrauch
• geringe Pumparbeit
• geringe mechanische Belastungen (Stoß- und Scherbelastungen) der Algen
• hohe mechanische Verfügbarkeiten (wenig Armaturen, keine Klebverbindungen, keine Druckstöße ...)

Eine Glasrohranlage mit analogen photo-aktiven Volumen hätte im Vergleich zur erfindungsgemäßen Beckenlösung eine Glasrohrlänge von ca. 500 km und erforderte eine doppelte Investitionssumme.
In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung besteht die Anlage zur Mikroalgenproduktion entsprechend 2 aus einem zylindrischen Edelstahl-Tankreaktor (11) mit einem photo-aktiven Volumen von ca. 5 bis 40, bevorzugt 10 m³ – mit einem Verhältnis Durchmesser zu aktiver Höhe von ≥1. In dem Tank befindet sich die Mikroalgensuspension (12). Ein rotierender Rahmen mit Reinigungsbürsten (13) hält alle inneren Oberflächen frei von eventuellen Ablagerungen. In dem Rahmen sind Einziehungen angeordnet, in denen LED-Lichtkettenspiralen (14) gelagert und gereinigt werden.
Jede LED-Lichtketten-Spirale wird von außen separat eingeführt und stromversorgt. Die Mikroalgensuspension wird bei Erreichen des optimalen Betriebspunktes oder aber halbkontinuierlich entnommen und über die Zentrifuge (17) zum Sprühtrockner (18) geführt. Die Umwälzpumpe (15) verbessert die Durchmischung.
Letztendlich wird die Suspension vom Boden abgenommen, Rest- und Zusatzwasser wird von oben zugeführt. Kohlendioxid wird über den Boden (16) eingeleitet.
Um eine Algenproduktion von 2,5 t/a pro Betriebseinheit zu erreichen, die einem spezifischen Ertrag von 0,75 g/l.d entspricht, müssen ca. 125 MWh/a Elektroenergie aufgewendet und 7,0 t/a CO₂ eingeleitet werden.
Zur Wartung ist ein Sterilisieren der Anlage mit Heißdampf vorgesehen.

Legende zu 1

1: Becken
2: ABRV-oberer Querträger mit Laufrad
3: ABRV-seitlicher Träger mit Reinigungsbürste
4: ABRV-unterer Querträger mit Reinigungsbürste
5: Laufrad
6: Mikroalgen-Suspension
7: LED-Lichtketten
8: Stromzuführung-LED-Lichtketten
9: Flachabdeckung

Legende zu 2

11: Edelstahl-Tankreaktor
12: Mikroalgensuspension
13: Rahmen mit Reinigungsbürsten und Antrieb
14: LED-Lichtketten-Spiralen
15: Umwälzpumpe
16: CO₂-Einblasung
17: Zentrifuge
18: Trockner

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 4473970 [0004]
- DE 19814424 [0004]
- DE 4134813 [0005]

Claims

Anlage für die Mikroalgenproduktion, gekennzeichnet durch – ein mit einer abnehmbaren Flachabdeckung versehenem rechteckigen Becken mit einem Länge:Breite-Verhältnis von größer 4, das seitlich und am Boden wärmeisoliert ist und dessen Innenflächen flüssigkeitsdicht ausgelegt sind, – eine Automatische Beleuchtungs- und Reinigungsvorrichtung ABRV, die die Beckenbreite überstreicht und mit i. abklappbaren Reinigungsbürsten sowie ii. LED-Lichtbändern, ausgestattet ist, – die Nährstoff- und CO₂-Zuführung über ein in die Unterseite des Beckens eingelassenes Einspeisesystem, – die Temperiermöglichkeit der Mikroalgen-Suspension über in die Beckenwände eingebaute Wärme- und Kühlleitungen, – Luftaustauscher-, Frischluftfilter und Entfeuchter-System, – die in Höhe des mittleren Wasserstandes installierten absperrbaren Zuführungs- und Abführungsöffnungen – ein Diagnosesystem für die Prozessparameter – pH-Wert – optische Dichte – Nährsalzkonzentration – Temperatur – biologischer Zustand, über das die Anlage überwacht und gesteuert wird.
Anlage für die Mikroalgenproduktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass längs der Beckenseitenwände im Abstand von 2–3 m in einer mittleren Wasserhöhe Durchführungen angebracht sind, in die über absperrbare Abflussdüsen annähernd gleiche Abflussmengen in eine Sammelleitung fließen und der Algenaufbereitung separat zugeführt werden, wobei das Rückführwasser nach Aufbe reitung gemeinsam mit dem Zusatzwasser dem Becken längs der Seitenwände zugeführt wird.
Anlage für die Mikroalgenproduktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein ABRV-Modul – als versteifter Leichtmetallrahmen (2, 3, 4) mit zwei Laufrädern in einer Schiene, die in die Beckenwand eingelassen ist, beweglich gelagert ist – an den seitlichen Trägern (3) und am unteren Querträger (4) abklappbare Reinigungsbürsten trägt – zwischen den seitlichen Trägern (3) LED-Lichterketten (7) angeordnet sind.
Anlage für die Mikroalgenproduktion nach Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Module gleichzeitig zum Einsatz kommen.
Anlage für die Mikroalgenproduktion nach Ansprüchen 1 und 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Module mit Hilfe von Aufwickelwalzen und Zugbändern verschoben werden.
Anlage für die Mikroalgenproduktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kontinuierliche Zuführung von CO₂ und Nährsalzen durch ein Verteilsystem erfolgt, das in den unteren Querträgern (4) ABRV integriert ist.
Anlage für die Mikroalgenproduktion, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zylindrischen Edelstahlreaktor mit einem photo-aktiven Volumen von 5 bis 40 m³ sich eine Mikroalgensuspension befindet, welche durch an einem rotierenden Rahmen befestigte Bürsten gereinigt wird, wobei sich im Rahmen Einziehungen für LED-Lichtketten-Spiralen befinden, Rest- und Zusatzwasser mit Nährsalzen von oben, CO₂ von unten über den Boden zugeführt werden,
Anlage für die Mikroalgenproduktion nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkopplung von Kunstlicht eine kontinuierliche Photosynthese ermöglicht.
Anlage für die Mikroalgenproduktion nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Anlage mit Dampf sterilisiert wird.
Anlage für die Mikroalgenproduktion nach den Ansprüchen 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das photoaktive Volumen des Tankreaktors 10 m³ beträgt.
Anlage für die Mikroalgenproduktion nach Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass darin Mikroalgen der Arten Chlorella, Scenedesmus, Nanochloropsis, Haematococcus und/oder Spirulina einzeln oder im Gemisch kultiviert werden.