Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Züchtung von Mikroorganismen nach Patentanspruch 1 sowie eine Anlage zur Züchtung von Mikroorganismen nach Anspruch 10.The invention relates to a method for growing microorganisms according to claim 1 and to a plant for growing microorganisms according to claim 10.
Unter Verwendung von Solarenergie lässt sich eine größere Menge an Biomasse herstellen, die nach einer weiteren Verarbeitung sowohl einerseits für Rohstoffe der chemischen Industrie und der Pharmaindustrie umgewandelt werden kann. Ferner können aus Biomasse auch Treibstoffe, wie beispielsweise Biodiesel, erzeugt werden. Bei der Herstellung von Biomasse unter Verwendung von Solarenergie wird zudem Kohlendioxid in größerem Maße verbraucht. Dieses Kohlendioxid kann insbesondere aus bereits entstandenen Verbrennungsprozessen gewonnen werden, wobei die Umweltbelastung durch CO2, die derartigen Verbrennungsprozessen inne liegt, reduziert werden kann. Somit kann ohnehin anfallendes Kohlendioxid durch die Produktion von Biomasse gebunden werden bzw. zu klimaunschädlichen Produkten umgewandelt werden. Die so gewonnene Biomasse kann, wie bereits erwähnt, anderweitig nützlich verwendet werden.Using solar energy, it is possible to produce a larger amount of biomass, which, after further processing, can be converted both for raw materials of the chemical industry and the pharmaceutical industry. Furthermore, fuels such as biodiesel can be produced from biomass. The production of biomass using solar energy also consumes carbon dioxide to a greater extent. This carbon dioxide can be obtained in particular from already existing combustion processes, whereby the environmental pollution by CO 2 , which is such combustion processes, can be reduced. Thus, carbon dioxide produced in any case can be bound by the production of biomass or converted into climate-damaging products. As already mentioned, the biomass thus obtained can be used for other purposes.
Die Züchtung von Bioorganismen, insbesondere von Algen, erfolgt in lichtdurchlässigen biologischen Reaktoren, die grundsätzlich in sehr verschiedenen Ausgestaltungsformen vorliegen. Hierbei kann es sich um Kuppelreaktoren, Röhrenreaktoren oder Reaktoren zwischen parallelen Glasplatten handeln.The cultivation of bioorganisms, in particular of algae, takes place in translucent biological reactors, which basically exist in very different embodiments. These may be dome reactors, tubular reactors or reactors between parallel glass plates.
Allen lichtdurchlässigen Reaktortypen ist jedoch eine Problematik gleich, nämlich die, dass sich an der Oberfläche der Reaktorwände neben den erwünschten Organismen andere Mikroorganismen ansetzen, die die Transparenz der Reaktorwand herabsetzen. Durch die herabgesetzte Transparenz der Reaktorwand wird auch die Wachstumsgeschwindigkeit der zu züchtenden Mikroorganismen verringert. Dieses unerwünschte Anlagern von Mirkoorganismen an den Reaktorwänden bezeichnet man gemeinhin als Biofouling. Der Stand der Technik hat mehrere Verfahren hervorgebracht, um dieses bekannte Problem zu reduzieren.However, all translucent types of reactors have the same problem, namely that on the surface of the walls of the reactor, other microorganisms, which reduce the transparency of the reactor wall, begin to appear in addition to the desired organisms. Due to the reduced transparency of the reactor wall, the growth rate of the microorganisms to be grown is also reduced. This undesirable attachment of microorganisms to the reactor walls is commonly referred to as biofouling. The prior art has produced several methods to reduce this known problem.
Zum einen sei die thermische Schädigung des Nährmediums durch Erhitzen erwähnt. Da aber die Züchtung von Mikroorganismen in großem Stil einer sehr großen Menge an Nährmedium (in der Regel Wasser) bedarf, wäre das Erhitzen des Nährmediums energetisch gesehen sehr unwirtschaftlich. Zum anderen können dem Nährmedium chemische Zusatzstoffe direkt beigemischt werden, die das Wachstum von Organismen, die Biofouling verursachen, verhindern. Dies beeinträchtigt im Allgemeinen auch das Algenwachstum bzw. das Wachstum der gewünschten Mikroorganismen und führt insbesondere beim Recycling des Wassers zu einer unerwünschten Anreicherung der Zusatzstoffe, wodurch eine aufwändige Kontrolle und Dosierung notwendig wird.On the one hand, the thermal damage to the nutrient medium by heating is mentioned. However, since the cultivation of microorganisms on a large scale requires a very large amount of nutrient medium (usually water), heating the nutrient medium would be very uneconomical from an energy point of view. On the other hand, chemical nutrients that inhibit the growth of organisms that cause biofouling can be added directly to the nutrient medium. This generally also affects the growth of algae or the growth of the desired microorganisms and leads in particular in the recycling of water to an undesirable accumulation of the additives, whereby a complex control and dosage is necessary.
Ein weiteres mögliches Verfahren gegen das Biofouling ist die so genannte Umkehrosmose, wobei Mikro- und Ultrafilter angewendet werden, um Mikroorganismen aus dem Nährmedium zu entfernen. Allerdings benötigen diese Methoden einen hohen Arbeitsdruck und daher einen großen Energieaufwand. Weiterhin besteht hierbei die Gefahr des Biofoulings in den Filteranlagen, so dass hier entsprechend aufwändige Gegenmaßnahmen zu treffen sind.Another possible method against biofouling is the so-called reverse osmosis, where micro and ultrafilters are used to remove microorganisms from the nutrient medium. However, these methods require a high working pressure and therefore a large amount of energy. Furthermore, there is the risk of biofouling in the filter systems, so that here correspondingly expensive countermeasures have to be taken.
Eine weitere gängige Methode zur Sterilisation wässriger Medien sind die Chlorierung, die Ozonisierung und/oder die Verwendung von ultraviolettem Licht. Bei der Chlorierung und der Ozonisierung muss sichergestellt sein, dass keine unzulässige Chlor- oder bzw. Ozonkonzentration im Wasser verbleiben, die das gewünschte Wachstum der Algen behindern können.Another common method of sterilizing aqueous media is chlorination, ozonation and / or the use of ultraviolet light. During chlorination and ozonation, it must be ensured that no inadmissible chlorine or ozone concentration remains in the water, which may hinder the desired growth of the algae.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren bzw. eine Anlage bereitzustellen, die das Problem des Biofoulings bei der Züchtung von Mikroorganismen minimieren und dabei ein gegenüber dem Stand der Technik sehr geringer Energiebedarf besteht, sowie unter Vermeidung der weiteren genannten Nachteile des Standes der Technik.The object of the invention is to provide a method or a plant which minimizes the problem of biofouling in the cultivation of microorganisms, while a very low energy requirement compared with the prior art, and while avoiding the other disadvantages of the prior art mentioned ,
Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfahren zur Züchtung von Mikroorganismen in flüssiger Nährlösung nach dem Patentanspruch 1 sowie in einer Anlage zur Züchtung von Mikroorganismen nach dem Patentanspruch 10.The solution of the problem consists in a method for the growth of microorganisms in liquid nutrient solution according to claim 1 and in a plant for the cultivation of microorganisms according to claim 10.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Züchtung von Mikroorganismen in flüssiger Nährlösung nach Patentanspruch 1 wird zunächst eine Nährlösung mit Zellen zur Züchtung der Mikroorganismen geimpft und anschließend in einen Bioreaktor zur Vermehrung der Mikroorganismen gegeben. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Nährlösung vor dem Impfen mit den Zellen einem gepulsten elektrischen Feld ausgesetzt wird, das eine Feldstärke von mehr als 1 kV/cm aufweist.In the method according to the invention for the growth of microorganisms in liquid nutrient solution according to claim 1, a nutrient solution is first inoculated with cells for culturing the microorganisms and then added to a bioreactor for propagation of the microorganisms. The invention is characterized in that the nutrient solution is exposed to a pulsed electric field having a field strength of more than 1 kV / cm prior to seeding with the cells.
Das erfindungsgemäß angewandte gepulste elektrische Feld führt dazu, dass im Nährmedium unerwünschte biologische Zellen, wie beispielsweise ungewünschte Algen, Bakterien oder Hefezellen, zerstört werden oder in ihrer Fortpflanzung nachhaltig beeinflusst werden, so dass während der Dauer des Wachstumsprozesses der gewünschten Mikroorganismen eine Fortpflanzung dieser ungewünschten Organismen verhindert wird.The pulsed electric field used according to the invention causes unwanted biological cells, such as unwanted algae, bacteria or yeast cells, to be destroyed or sustainably influenced in their reproduction, so that reproduction of these undesired organisms takes place during the growth of the desired microorganisms is prevented.
In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung weist das elektrische Feld eine Feldstärke zwischen 2 kV/cm und 50 kV/cm auf. Insbesondere weist das elektrische Feld eine Feldstärke zwischen 5 kV/cm und 20 kV/cm auf. Dies sind Feldstärken, die sich bei üblichen störenden Fremdzellen in Bioreaktoren als zweckmäßig herausgestellt haben.In an advantageous embodiment of the invention, the electric field has a field strength between 2 kV / cm and 50 kV / cm. In particular, the electric field has a field strength between 5 kV / cm and 20 kV / cm. These are field strengths that have been found to be useful in conventional interfering foreign cells in bioreactors.
Neben der Feldstärke an sich ist auch die angewandte Pulsdauer für die an sich eingebrachte Energie relevant. Es hat sich herausgestellt, dass Impulsdauern des gepulsten elektrischen Feldes zwischen einer Mikrosekunde (1 ms) und 20 ms bei einer Feldstärke von 1 kV/cm bis 10 kV/cm zweckmäßig sind.In addition to the field strength itself, the applied pulse duration for the energy introduced itself is relevant. It has been found that pulse durations of the pulsed electric field between one microsecond (1 ms) and 20 ms at a field strength of 1 kV / cm to 10 kV / cm are expedient.
Bei einer Feldstärke von 10 kV/cm bis 50 kV/cm ist eine Impulsdauer zwischen 10 ns und 900 ns zweckmäßig.At a field strength of 10 kV / cm to 50 kV / cm, a pulse duration between 10 ns and 900 ns is expedient.
Die Impulswiederholrate beträgt ebenfalls in vorteilhafter Ausgestaltungsform zwischen 20 Impulsen/s und 50 Impulsen/s.The pulse repetition rate is also in an advantageous embodiment between 20 pulses / s and 50 pulses / s.
Bei der Art der Elektroden, die zur Anlegung des elektrischen Feldes verwendet werden, haben sich einerseits Parallelplattenelektroden, Koaxialelektrodensysteme oder bei Durchströmung mit einer Nährlösung Rohrelektrodensysteme mit Unterbrechungen bewährt.In the case of the type of electrodes which are used for application of the electric field, parallel plate electrodes, coaxial electrode systems or, when flowing through a nutrient solution, tubular electrode systems with interruptions have proven successful on the one hand.
Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist eine Anlage zur Züchtung von Mikroorganismen. Diese Anlage weist eine sogenannte Impfanlage zur Impfung einer flüssigen Nährlösung mit Zellen eines zu vermehrenden Mikroorganismusses auf. Bei dem gewünschten zu vermehrenden Mikroorganismus handelt es sich bevorzugt um spezielle Algen. Es ist bei der Anlage, im Konkreten bei der Impfanlage, Elektroden vorgesehen, an denen ein gepulstes elektrisches Feld anlegbar ist. Dieses gepulste elektrische Feld wirkt auf die ursprüngliche Nährlösung, die noch frei von Zellen der zu züchtenden Mikroorganismen ist.Another component of the invention is a plant for the cultivation of microorganisms. This plant has a so-called vaccination plant for vaccination of a liquid nutrient solution with cells of a microorganism to be propagated. The desired microorganism to be propagated is preferably special algae. It is at the plant, in concrete at the Impfanlage, provided electrodes on which a pulsed electric field can be applied. This pulsed electric field acts on the original nutrient solution, which is still free of cells of the microorganisms to be grown.
Diese ursprüngliche Nährlösung wird somit vor dem Impfen mit dem zu züchtenden Mikroorganismus durch das Anlegen des elektrischen Feldes praktisch keimfrei gemacht. Unerwünschte Zellen, die in einem Bioreaktor zu Biofouling führen könnten, werden entweder abgetötet oder durch das elektrische Feld nachhaltig in ihrer Fortpflanzung behindert.This original nutrient solution is thus rendered virtually germ-free by the application of the electric field before vaccination with the microorganism to be grown. Undesirable cells, which could lead to biofouling in a bioreactor, are either killed or permanently impeded by the electric field in their propagation.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Im Weiteren werden anhand der Figuren weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sowie weitere Ausgestaltungsformen der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen:Further advantageous embodiments will become apparent from the dependent claims. Furthermore, further advantageous features of the invention and further embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to FIGS. Showing:
1 eine schematische Darstellung einer Anlage zur Züchtung von Mikroorganismen mit einer Impfanlage, einem Bioreaktor, einer Ernteanlage und einer Trocknungsanlage, 1 a schematic representation of a plant for the cultivation of microorganisms with a seeding plant, a bioreactor, a harvesting plant and a drying plant,
2 eine schematische Darstellung einer Impfanlage mit Elektroden zur Erzeugung eines gepulsten elektrischen Feldes vor dem Impfen, 2 a schematic representation of a seeding system with electrodes for generating a pulsed electric field before seeding,
3 die schematische Darstellung aus 2 während des Impfprozesses, 3 the schematic representation 2 during the vaccination process,
4 ebenfalls eine schematische Darstellung einer Impfanlage, wobei die Elektroden in Form von Rohrelektroden in einem Kanal angeordnet sind, 4 likewise a schematic representation of a seeding system, wherein the electrodes are arranged in the form of tubular electrodes in a channel,
5 eine schematische Darstellung einer Impfanlage nach 4, indem die Elektrode in Form einer Koaxialelektrode ausgestaltet ist und 5 a schematic representation of a vaccination after 4 in that the electrode is designed in the form of a coaxial electrode and
6 einen Bioreaktor, bei dem Elektroden vorgesehen sind, die zur Behandlung der Nährlösung vor dem Impfen dienen. 6 a bioreactor, in which electrodes are provided, which serve to treat the nutrient solution before vaccination.
7 einen Teil eines Bioreaktors, nämlich einen Blasenreaktor zur Mischung der Nährlösung und Einbringen von Kohlendioxid, 7 a part of a bioreactor, namely a bubble reactor for mixing the nutrient solution and introducing carbon dioxide,
8 einen Bioreaktor zur Züchtung von Mikroorganismen in Form eines Schlauchreaktors, 8th a bioreactor for growing microorganisms in the form of a hose reactor,
9 einen Bioreaktor zur Züchtung von Mikroorganismen in Form eines Plattenreaktors, 9 a bioreactor for growing microorganisms in the form of a plate reactor,
10 einen Bioreaktor zur Züchtung von Mikroorganismen in Form eines Rohrreaktors, 10 a bioreactor for growing microorganisms in the form of a tubular reactor,
11 die Anordnung von Elektroden auf einer Gehäusewand eines Bioreaktors in Form von Leiterbahnen, 11 the arrangement of electrodes on a housing wall of a bioreactor in the form of conductor tracks,
12 die Anordnung von Elektroden an einer Gehäusewand eines Bioreaktor in Form von Drähten, die and der Oberfläche der Gehäusewand befestigt sind oder in die Gehäusewand eingelassen sind, 12 the arrangement of electrodes on a housing wall of a bioreactor in the form of wires which are attached to the surface of the housing wall or embedded in the housing wall,
13 die Anordnung von Elektroden an einer Gehäusewand in Form von Leiterbahnen, innen und außen angeordnet, 13 the arrangement of electrodes on a housing wall in the form of conductor tracks, arranged inside and outside,
14 einen Blick in Richtung des Pfeils XIII aus 13 auf die Leiterbahnen, die innen und außen angeordnet sind, wobei die Leiterbahnen parallel versetzt zueinander angeordnet sind und 14 take a look in the direction of the arrow XIII 13 on the conductor tracks, which are arranged inside and outside, wherein the conductor tracks are arranged offset from each other in parallel and
15 denselben Blick auf eine Gehäusewand gemäß 13 entlang des Pfeils XIII, wobei die Elektroden innen und außen jedoch überkreuzt angeordnet sind. 15 the same view of a housing wall according to 13 along the arrow XIII, wherein the electrodes inside and outside, however, are crossed over.
16 eine Separationsanlage mit Absetzbecken und Hochspannungselektroden, 16 a separation plant with sedimentation tanks and high voltage electrodes,
17 eine Querschnittsdarstellung der Separationsanlagen nach 1. 17 a cross-sectional view of the separation plants according to 1 ,
18 eine Detaildarstellung des Prozesses aus 1 mit einer Dehydrierungsanlage für Mikroorganismen. 18 a detailed representation of the process 1 with a dehydrating plant for microorganisms.
Anhand der 1 sei im Folgenden zunächst schematisch das Grundprinzip der Züchtung von Mikroorganismen, insbesondere unter Anwendung gepulster elektrischer Felder, hier in Form von Algen, erläutert. Hierbei wird zunächst in einer Impfanlage 2 eine Nährlösung aufbereitet, die in noch näher zu beschreibenden, unterschiedlichen Formen mit einem elektrischen Feld behandelt wird, wobei unerwünschte Mikroorganismen vor dem Impfen aus der Impflösung entfernt werden bzw. in ihrer Fortpflanzung behindert werden. Die Nährlösung 3 wird nach dem Impfen mit Impfzellen 4 (vgl. 3) in einen Bioreaktor 25 gebracht. Der Bioreaktor 25 ist hier schematisch als eine Kuppel dargestellt (Blasenreaktor 42), in dem die geimpfte Nährlösung 3 aufbereitet wird, mit Kohlendioxid versetzt wird und gemischt wird. Die eigentliche Vermehrung der Mikroorganismen erfolgt beispielsweise in einem Schlauchreaktor 44, der insbesondere der Sonnenstrahlung ausgesetzt ist und in dem die eigentliche Vermehrung der Mikroorganismen stattfindet. Zur Vermeidung von Biofouling können die Wände des Reaktors 25 mit Elektroden 28 versehen sein, die ein gepulstes elektrisches Feld erzeugen.Based on 1 In the following, the basic principle of the cultivation of microorganisms, in particular using pulsed electric fields, here in the form of algae, will be explained schematically. This is initially in a vaccination 2 a nutrient solution is prepared, which is treated in still different forms to be described with an electric field, wherein unwanted microorganisms are removed before vaccination from the Impfwort or impeded in their reproduction. The nutrient solution 3 is after vaccination with vaccine cells 4 (see. 3 ) in a bioreactor 25 brought. The bioreactor 25 is shown here schematically as a dome (bubble reactor 42 ), in which the inoculated nutrient solution 3 is treated, mixed with carbon dioxide and mixed. The actual multiplication of the microorganisms takes place, for example, in a hose reactor 44 which is exposed in particular to solar radiation and in which the actual propagation of the microorganisms takes place. To avoid biofouling, the walls of the reactor 25 with electrodes 28 be provided, which generate a pulsed electric field.
Nach Abschluss der Vermehrung der Mikroorganismen, insbesondere dann, wenn die Nährlösung soweit mit Mikroorganismen gesättigt ist, dass das einfallende Sonnenlicht durch die bereits vorhandenen Mikroorganismen zu stark absorbiert wird, so dass ein weiteres Wachstum der Mikroorganismen gehemmt wird, wird die Nährlösung 3 mit den Mikroorganismen in eine Separationsanlage 50 gegeben. In der Separationsanlage 50 kann wiederum ein elektrisches Feld auf die Mikroorganismen wirken, so dass diese zu Boden sinken und sich als konzentrierter Brei dort absetzen.After completion of the multiplication of the microorganisms, especially when the nutrient solution is so far saturated with microorganisms that the incident sunlight is too strongly absorbed by the already existing microorganisms, so that further growth of the microorganisms is inhibited, the nutrient solution 3 with the microorganisms in a separation plant 50 given. In the separation plant 50 In turn, an electric field can act on the microorganisms so that they sink to the bottom and settle there as a concentrated pulp.
Die so abgesetzten Mikroorganismen, in der Regel Algen, werden über eine Rohrleitung 76 in eine weitere Entwässerungsanlage 75 gepumpt. Bereits im Pumpkanal werden diese Algen bevorzugt einem starken elektrischen Feld ausgesetzt, so dass ihre Zellwand irreversibel zerstört wird. Dieser Vorgang wird als Elektroporation bezeichnet. Die so vorgeschädigten Algen werden in ein Abpressbecken 78 gebracht, wobei das Zellwasser aus den Zellen durch hohen Pressdruck herausgepresst wird. Auf diese Art und Weise verlieren die Algen einen hohen Anteil ihres Wassers und sind als vergleichsweise trockene Biomasse für weitere Zwecke weiter verarbeitbar. Sie können in dieser abgepressten Form als Zulieferprodukt für pharmazeutische Produkte bzw. für chemische Produkte dienen. Sie können jedoch auch in einer thermischen Anlage verbrannt werden. Bei einer thermischen Verbrennung der Algenmasse entsteht zwar Kohlendioxid, das jedoch vorher bereits zum Algenwachstum der Nährlösung zugefügt wurde. Ein Verbrennungsprozess wäre in diesem Fall nahezu kohlendioxid-neutral.The so deposited microorganisms, usually algae, are transmitted via a pipeline 76 in another drainage system 75 pumped. Already in the pumping channel these algae are preferably exposed to a strong electric field, so that their cell wall is irreversibly destroyed. This process is called electroporation. The so-damaged algae are in a Abpressbecken 78 brought, wherein the cell water is forced out of the cells by high pressure. In this way, the algae lose a high proportion of their water and can be further processed as comparatively dry biomass for further purposes. They can be used in this pressed form as a supplier product for pharmaceutical products or for chemical products. However, they can also be burned in a thermal plant. Although carbon dioxide is produced during thermal combustion of the algae mass, it has previously been added to the algae growth of the nutrient solution. A combustion process in this case would be almost carbon dioxide neutral.
In den 2 und 3 ist schematisch eine Impfanlage 2 dargestellt, in 2 vor einem Impfprozess, in 3 während eines Impfprozesses. Die Impfanlage 2 umfasst ein Impfbecken 5, in dem Elektroden 6, hier in Form von Parallelplattenelektroden 7, angeordnet sind. Ferner ist in dem Impfbecken 5 eine Nährlösung 3 enthalten. Die Nährlösung 3 enthält neben gewünschten Nährstoffen auch weitere unerwünschte fremde biologische Zellen, wie ungewünschte Algen, Bakterien oder Hefezellen. Durch Anlegen eines gepulsten elektrischen Feldes 8 werden in der Nährlösung 3 derartige Zellen nachhaltig geschädigt, so dass ihr Wachstum während des Reifeprozesses der gewünschten Mikroorganismen, in diesem Fall der Algen, unterbunden wird.In the 2 and 3 is schematically a vaccination system 2 shown in 2 before a vaccination process, in 3 during a vaccination process. The vaccine system 2 includes a vaccine pool 5 in which electrodes 6 , here in the form of parallel plate electrodes 7 , are arranged. Further, in the vaccine tank 5 a nutrient solution 3 contain. The nutrient solution 3 In addition to desired nutrients also contains other unwanted foreign biological cells, such as unwanted algae, bacteria or yeast cells. By applying a pulsed electric field 8th be in the nutrient solution 3 Such cells sustainably damaged, so that their growth during the ripening process of the desired microorganisms, in this case the algae, is suppressed.
Das angelegte elektrische Feld 8 ist ein gepulstes elektrisches Feld, das eine Feldstärke aufweist, die größer als 1 Kiloelektronenvolt ist. Abhängig von der Art der zu beseitigenden unerwünschten Zellen kann das elektrische Feld jedoch deutlich stärker werden und bis zu 100 kV/cm betragen. Bei einer relativ niedrigen Feldstärke wird ein vergleichsweise langer Impuls des gepulsten elektrischen Feldes gewählt. Die Impulsdauer beträgt etwa 1 ms bei einem Feld von 1 kV/cm und kann bis zu 10 ns verkürzt werden, wenn das elektrische Feld größer als 10 kV/cm ist.The applied electric field 8th is a pulsed electric field having a field strength greater than 1 kilo-electron volts. However, depending on the nature of the unwanted cells to be eliminated, the electric field may become significantly stronger and up to 100 kV / cm. At a relatively low field strength, a comparatively long pulse of the pulsed electric field is chosen. The pulse duration is about 1 ms for a field of 1 kV / cm and can be shortened up to 10 ns if the electric field is greater than 10 kV / cm.
Die elektrische Feldstärke ist abhängig von einer Durchflussrate der Nährlösung 3 durch das Absetzbecken 5 bzw. durch einen Kanal 12, sie ist ferner abhängig von der Querschnittsfläche und dem Volumen des Elektrodensystems und, wie bereits erwähnt, von der Art der zu beseitigenden unerwünschten Zellen. Die Impulswiederholraten des gepulsten elektrischen Feldes 8 betragen dabei zwischen zwei Impulse/s bis zu fünfzig Impulse/s. Geeignete Hochspannungsamplituden sind dabei im Bereich von 10 kV bis über 100 kV, bei Strömen von mehreren 100 A bis zu 10 kA.The electric field strength depends on a flow rate of the nutrient solution 3 through the settling tank 5 or through a channel 12 , It is also dependent on the cross-sectional area and the volume of the electrode system and, as already mentioned, on the nature of the unwanted cells to be removed. The pulse repetition rates of the pulsed electric field 8th be between two pulses / s up to fifty pulses / s. Suitable high-voltage amplitudes are in the range of 10 kV to over 100 kV, at currents of several 100 A up to 10 kA.
In den 2 und 3 ist ferner eine Impfdüse 9 eingezeichnet, die schematisch dargestellt ist, um das Zufügen von Impfzellen 4 (vgl. 3) zu veranschaulichen.In the 2 and 3 is also a vaccine 9 shown schematically to the addition of vaccine cells 4 (see. 3 ).
In einer alternativen Ausgestaltungsform gemäß 4 kann die Nährlösung 3 durch einen Kanal 12 gepumpt werden, in dem Elektroden 6 in Form von Rohrelektroden 10 angeordnet sind. Diese Rohrelektroden 10 sind unterbrochen, so dass sie paarweise angeordnet sind und ein elektrisches Feld 8 erzeugen. Beim Durchfluss der Nährlösung werden durch die Rohrelektroden 10 unerwünschte Zellen in der Nährlösung 3 unschädlich gemacht. Nach dem Durchlaufen der Rohrelektroden 10 werden die Impfzellen 4 des gewünschten Mikroorganismusses, also Algenzellen, durch die Impfdüse 9 eingefügt. Anschließend wird die Nährlösung 3 in den Bioreaktor 25 gepumpt, wo die weitere Aufbereitung und die Vermehrung der Algen erfolgt.In an alternative embodiment according to 4 can the nutrient solution 3 through a channel 12 be pumped in the electrodes 6 in the form of tubular electrodes 10 are arranged. These tube electrodes 10 are interrupted so that they are arranged in pairs and an electric field 8th produce. When the nutrient solution flows through the tube electrodes 10 unwanted cells in the nutrient solution 3 rendered harmless. After passing through the tube electrodes 10 become the vaccine cells 4 of the desired microorganism, so algae cells, through the Impfdüse 9 inserted. Subsequently, the nutrient solution 3 in the bioreactor 25 pumped, where the further processing and the multiplication of the algae takes place.
Analog der Darstellung in 4 ist in 5 ebenfalls ein Impfverfahren dargestellt, wobei alternativ zu den Rohrelektroden 10 in 4 Koaxialelektroden 11 verwendet werden, die als konzentrische Röhren ineinander verlaufen, wobei die Nährlösung 3 durch beide Röhren gleichzeitig verläuft und das elektrisches Feld 8 zwischen den Rohren erzeugt wird. Ebenfalls nach Durchlaufen des Elektrodensystems 11 erfolgt die Impfung durch die Impfdüse 9 und eine Weiterleitung der Nährlösung 3 in den Bioreaktor 25.Analogous to the illustration in 4 is in 5 also presented a vaccination process, wherein as an alternative to the tubular electrodes 10 in 4 coaxial electrode 11 used, which run as concentric tubes into each other, the nutrient solution 3 passes through both tubes simultaneously and the electric field 8th is generated between the tubes. Also after passing through the electrode system 11 the vaccination takes place through the vaccination nozzle 9 and a forwarding of the nutrient solution 3 in the bioreactor 25 ,
In 6 ist eine weitere Alternative beschrieben, wobei die Impfung der Nährlösung 3 in dem Bioreaktor 25 erfolgen kann, wobei der Bioreaktor 25 in Form eines Blasenreaktors 42 ausgestaltet ist, der Teil des Bioreaktors 25 ist. In diesem wird die Nährlösung gemischt, aufbereitet und mit CO2 versehen. In diesem Blasenreaktor 24 sind hier beispielhaft Elektroden 6 in Form von Parallelplattenelektroden 7 angeordnet, die vor dem Impfprozess mit der Impfdüse 9 die Nährlösung durch das elektrische Feld 8 von ungewünschten Zellen befreit.In 6 Another alternative is described, wherein the inoculation of the nutrient solution 3 in the bioreactor 25 can be done, the bioreactor 25 in the form of a bubble reactor 42 is designed, the part of the bioreactor 25 is. In this, the nutrient solution is mixed, processed and provided with CO 2 . In this bubble reactor 24 are examples of electrodes here 6 in the form of parallel plate electrodes 7 arranged before the vaccination process with the vaccination nozzle 9 the nutrient solution through the electric field 8th freed from unwanted cells.
Im Folgenden wird ein Teilschritt der Zucht von Mikroorganismen beschrieben, bei dem das Biofouling während des Wachstumsprozesses der Mikroorganismen unterbunden wird.In the following, a sub-step of the cultivation of microorganisms is described, in which the biofouling is suppressed during the growth process of the microorganisms.
In 7 ist ein Teil eines Bioreaktors 25 dargestellt, nämlich ein Blasenreaktor 42. In diesem Blasenreaktor 42 wird die gegebenenfalls bereits mit der Zelle eines Mikroorganismusses, insbesondere Algenzellen, geimpfte Nährlösung 3 gemischt und aufbereitet. Hierzu ist eine Umwälzanlage 38 vorgesehen sowie ein Einlass 46 für Kohlendioxid (CO2) und ein Auslass 47 für das Ausscheiden von Stickstoff (N2). Der Blasenreaktor 42 weist eine Gehäusewand 27 auf, an der optional, wenn dies erforderlich ist, Elektroden 28 vorgesehen sein können. Diese Elektroden 28 dienen zur Erzeugung eines elektrischen Feldes, durch die unerwünschte Mikroorganismen, wie beispielsweise Hefezellen, Bakterien oder unerwünschte Algen, abgetötet werden können oder in ihrer Fortpflanzung derart gehemmt werden können, dass sie eine Oberfläche 31 der Reaktorwand nicht in der Form bedecken können, dass das einstrahlende Sonnenlicht nachhaltig verdeckt werden könnte. Das so genannte Biofouling wird durch diese Maßnahme unterbunden.In 7 is part of a bioreactor 25 represented, namely a bubble reactor 42 , In this bubble reactor 42 If appropriate, the nutrient solution already inoculated with the cell of a microorganism, in particular algae cells, is used 3 mixed and prepared. For this purpose, a circulation system 38 provided as well as an inlet 46 for carbon dioxide (CO 2 ) and an outlet 47 for the excretion of nitrogen (N 2 ). The bubble reactor 42 has a housing wall 27 on which optional, if necessary, electrodes 28 can be provided. These electrodes 28 are used to generate an electric field, can be killed by the unwanted microorganisms, such as yeast cells, bacteria or unwanted algae, or can be inhibited in their propagation so that they have a surface 31 the reactor wall can not cover in the form that the incoming sunlight could be permanently hidden. The so-called biofouling is prevented by this measure.
In 8 ist ein weiterer Bestandteil des Bioreaktors 25 exemplarisch dargestellt, es handelt sich hierbei um einen Schlauchreaktor 44, der in Form von flexiblen Kunststofffolien ausgestaltet ist. Die Nährlösung 3 mit den hierin sich vermehrenden Mikroorganismen 37, also in diesem Ausführungsbeispiel in Form der zu züchtenden Algen 37, wird von dem Blasenreaktor 42 in den Schlauchreaktor 44 gepumpt, dort verweilt die Nährlösung 3 mit den Algen 37, bis die Algen 37 sich soweit vermehrt haben, dass sie die Nährlösung 3, in der sie sich befinden, derart vom Sonnenlicht abschirmen, dass ein weiteres Wachstum gehemmt wird. Diese Situation liegt in der Regel bei einer Algenkonzentration von 5% vor.In 8th is another component of the bioreactor 25 exemplified, this is a hose reactor 44 , which is designed in the form of flexible plastic films. The nutrient solution 3 with the microorganisms multiplying therein 37 So in this embodiment in the form of algae to be grown 37 , is from the bubble reactor 42 in the hose reactor 44 pumped, there lingers the nutrient solution 3 with the algae 37 until the algae 37 have multiplied to the extent that they are the nutrient solution 3 in which they are located, so shield from sunlight that further growth is inhibited. This situation is usually present with an algae concentration of 5%.
Bei dem in 8 beschriebenen Teil des Bioreaktors 25, nämlich dem Schlauchreaktor 44, handelt es sich lediglich um eine beispielhafte Ausgestaltung eines Bioreaktors 25, in dem die Algen 37 wachsen können. Alternative Ausgestaltungsformen werden wiederum rein exemplarisch und schematisch in den 9 und 10 dargestellt. In der 9 ist ein Plattenreaktor 43 dargestellt, wobei die Nährlösung 3 mit den Mikroorganismen 37 zwischen zwei parallelen, transparenten Platten, beispielsweise Glasplatten oder Plexiglasplatten, angeordnet ist. Durch die Platten des Plattenreaktors 43 kann Sonnenlicht einfallen, was zur Vermehrung der Algen 37 unter Ausführung von Photosynthese dient. Ein weiteres Beispiel nach 10 liegt in Form eines Röhrenreaktors 45 vor, wobei transparente Röhren zur Aufbewahrung der Nährlösung 3 mit den sich vermehrenden Algen 37 dienen.At the in 8th described part of the bioreactor 25 namely the hose reactor 44 , It is only an exemplary embodiment of a bioreactor 25 in which the algae 37 can grow. Alternative embodiments are again purely exemplary and schematically in the 9 and 10 shown. In the 9 is a plate reactor 43 shown, with the nutrient solution 3 with the microorganisms 37 is arranged between two parallel, transparent plates, for example glass plates or Plexiglas plates. Through the plates of the plate reactor 43 Sunlight can invade, causing the algae to multiply 37 serving to perform photosynthesis. Another example 10 lies in the form of a tubular reactor 45 before, with transparent tubes for storing the nutrient solution 3 with the proliferating algae 37 serve.
Allen beschriebenen Reaktoren nach den 8, 9 und 10 ist es eigen, dass sie einen möglichst geringen Abstand zwischen den Gehäusewänden 27 aufweisen. Der Abstand soll je nach Energie der Sonnenstrahlung und der zu züchtenden Algenart möglichst nicht größer als 30 cm sein. Ansonsten würden die Algen 37 das einfallende Sonnenlicht zu stark absorbieren, so dass die bereits erwähnte Konzentration von 5% Algen in der Nährlösung gar nicht erst erreicht werden könnte.All described reactors after the 8th . 9 and 10 It is characteristic that they have the smallest possible distance between the housing walls 27 exhibit. The distance should not be greater than 30 cm, depending on the energy of the sun's rays and the species of algae to be grown. Otherwise the algae would 37 To absorb the incoming sunlight too strong, so that the already mentioned concentration of 5% algae in the nutrient solution could not be reached.
Alle beschriebenen Reaktoren der 7 bis 10 weisen hier im Einzelnen nicht dargestellte Elektroden auf, die dazu dienen, das bereits erwähnte Phänomen des Biofoulings zu unterbinden. Die dabei angewandten Parameter des gepulsten elektrischen Feldes sind selbstverständlich von der Geometrie des Bioreaktors 25 und den darin gewählten Prozessparametern abhängig. Beispielsweise ist es von Bedeutung, welchen Wandabstand die Wände 27 des Bioreaktors 25 haben, oder ob die Nährlösung 3 mit den Algen 37 im Bioreaktor zirkuliert bzw. ob sie stationär vorliegt und wie hoch die Sonneneinstrahlung an dem Standort des Bioreaktors ist. Es hat sich als zweckmäßig herausgestellt, dass das gepulste elektrische Feld eine Feldstärke zwischen 0,5 kV/cm und 5 kV/cm aufweist. Die Impulsdauer beträgt dabei zwischen 10 ns und 50 μs, wobei ebenfalls abhängig von der Geometrie des Bioreaktors 25 und der Geometrie bzw. der Dicke der Gehäusewand 27 und der zu zerstörenden unerwünschten Mikroorganismen die Gesamtenergie, die durch das elektrische Feld eingebracht wird, variiert werden soll. Daher ist es weiterhin zweckmäßig, bei einer hohen Feldstärke eher eine niedrige Impulsdauer zu wählen und umgekehrt. Die dabei angewandte Impulsdauer liegt zwischen 5 Impulsen/s und 50 Impulsen/s. Hierbei ist ebenfalls zu berücksichtigen, ob die Nährlösung 3 im Reaktor zirkuliert oder ob sie stationär bleibt.All reactors described the 7 to 10 Here are electrodes, not shown in detail, which serve to prevent the already mentioned phenomenon of biofouling. The applied parameters of the pulsed electric field are, of course, the geometry of the bioreactor 25 and the process parameters selected therein. For example, it is important which wall distance the walls 27 of the bioreactor 25 have, or whether the nutrient solution 3 with the algae 37 circulated in the bioreactor or whether it is stationary and how high the solar radiation is at the location of the bioreactor. It has proven to be expedient that the pulsed electric field has a field strength between 0.5 kV / cm and 5 kV / cm. The pulse duration amounts to between 10 ns and 50 μs, whereby also depending on the geometry of the bioreactor 25 and the geometry or the thickness of the housing wall 27 and the unwanted microorganisms to be destroyed, the total energy introduced by the electric field should be varied. Therefore, it is still appropriate to choose a low pulse duration rather with a high field strength and vice versa. The applied pulse duration is between 5 pulses / s and 50 pulses / s. It should also be considered whether the nutrient solution 3 circulating in the reactor or whether it remains stationary.
Im Folgenden sei anhand der 11 bis 15 die Anordnung und die Ausgestaltung der Elektroden 28 näher erläutert. In 11 ist ein Ausschnitt einer Gehäusewand 27 gegeben, wobei die Elektroden 28 in Form von Leiterbahnen 30 ausgestaltet sind. Die Leiterbahnen 30 können beispielsweise durch ein Beschichtungsverfahren auf die Oberfläche 31 der Gehäusewand 27 aufgedampft werden. Bei der schematischen Darstellung nach 11 sind die Leiterbahnen 30 parallel zueinander angeordnet. Zweckmäßig ist es, dass die von den Elektroden 28 verdeckte Oberfläche 31 der Gehäusewand 27 möglichst gering gehalten wird. Die in 11 dargestellten Elektroden sind somit verhältnismäßig dick dargestellt und daher rein exemplarisch, nicht maßstabsgetreu, zu sehen. Üblicherweise sollten die Dicke der Elektroden 28 weniger als 5 mm betragen, bevorzugt weniger als 1 mm, wobei der Abstand zwischen den Elektroden 28 zueinander weniger als 30 mm betragen sollte.The following is based on the 11 to 15 the arrangement and the configuration of the electrodes 28 explained in more detail. In 11 is a section of a housing wall 27 given, the electrodes 28 in the form of printed conductors 30 are designed. The tracks 30 For example, by a coating method on the surface 31 the housing wall 27 be evaporated. In the schematic representation after 11 are the tracks 30 arranged parallel to each other. It is expedient that the of the electrodes 28 hidden surface 31 the housing wall 27 kept as low as possible. In the 11 shown electrodes are thus shown relatively thick and therefore purely exemplary, not to scale, to see. Usually, the thickness of the electrodes should be 28 less than 5 mm, preferably less than 1 mm, wherein the distance between the electrodes 28 should be less than 30 mm to each other.
In 12 ist eine weitere exemplarische Darstellung einer Gehäusewand 27 eines Bioreaktors 25 gegeben. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Ausschnitt eines Röhrenreaktors 45 handeln. Die Elektroden 28 sind hier in Form von Drähten 32 dargestellt, die einerseits an der Innenseite 34 der Gehäusewand 27 angebracht sein können. Die Drähte 32 an der Innenwand 34 der Gehäusewand 27 sind in Oberflächennähe auf der Oberfläche aufgespannt. In einem anderen Beispiel sind Drähte 32 an einer Außenseite 33 der Gehäusewand 27 in das Material der Gehäusewand 27 eingebracht. Sie können beispielsweise, wenn es sich bei der Gehäusewand 27 um ein Gussmaterial handelt, in das Material eingegossen werden.In 12 is another exemplary illustration of a housing wall 27 a bioreactor 25 given. This may be, for example, a section of a tubular reactor 45 act. The electrodes 28 are here in the form of wires 32 shown on the one hand on the inside 34 the housing wall 27 can be attached. The wires 32 on the inner wall 34 the housing wall 27 are stretched close to the surface on the surface. In another example, wires are 32 on an outside 33 the housing wall 27 in the material of the housing wall 27 brought in. You can, for example, if it is the case wall 27 is a cast material, are poured into the material.
In 13 ist wiederum eine ähnliche Gehäusewand 27 wie in 7 dargestellt. Die Elektroden 28 sind hier wiederum in Form von Leiterbahnen 30 ausgestaltet. Hierbei ist wiederum eine Elektrode 28 an der Außenseite 33 der Gehäusewand 27 angeordnet und eine andere, hierzu korrespondierende Elektrode 28 an der Innenseite 34 der Gehäusewand 27 angeordnet.In 13 is in turn a similar housing wall 27 as in 7 shown. The electrodes 28 are here again in the form of printed conductors 30 designed. Here again is an electrode 28 on the outside 33 the housing wall 27 arranged and another, corresponding thereto electrode 28 on the inside 34 the housing wall 27 arranged.
In 14 ist eine Darstellung auf einen Ausschnitt aus einer Gehäusewand 27 entlang des Pfeils XIII in 13 gegeben. Die Elektroden 28, die hier in Form von Leiterbahnen 30 dargestellt sind, sind an der Innenseite 34 angeordnet (durchgezogene Linie der Leiterbahnen 30) bzw. an der Außenseite 33 der Gehäusewand 27 angeordnet (gestrichelte Linie der Leiterbahnen 30). Die Elektroden 28 sind in Blickrichtung des Pfeils XIII versetzt zueinander angeordnet. Zwischen diesen Elektroden 28 wirkt ein elektrisches Feld 8, das durch Schlangenlinien angedeutet ist. Dabei hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, dass insbesondere eine geerdete Elektrode an der Außenseite 33 der Gehäusewand 27 angebracht ist. Durch diese Maßnahme wird zwar der Bereich einer hohen Feldstärke in der Nährlösung 3 verkleinert, allerdings wird auch der durch Wärme erzeugte Energieverlust minimiert, so dass diese Anordnung der Elektroden innen und außen bzw. versetzt zueinander einen besonders wirtschaftlichen Betrieb gewährleistet.In 14 is a representation of a section of a housing wall 27 along the arrow XIII in 13 given. The electrodes 28 that are here in the form of printed conductors 30 are shown on the inside 34 arranged (solid line of the tracks 30 ) or on the outside 33 the housing wall 27 arranged (dashed line of the tracks 30 ). The electrodes 28 are offset from one another in the direction of arrow XIII. Between these electrodes 28 acts an electric field 8th which is indicated by serpentine lines. It has been found to be expedient that in particular a grounded electrode on the outside 33 the housing wall 27 is appropriate. By this measure, although the range of high field strength in the nutrient solution 3 reduced, but also the energy loss generated by heat is minimized, so that this arrangement of the electrodes inside and outside or offset from each other ensures a particularly economical operation.
In 15 ist derselbe Blick des Pfeils XIII in 13 dargestellt, wie in 14. Lediglich sind die Elektroden 28, bzw. hier wiederum ausgestaltet in Form von Leiterbahnen 30, ebenfalls an der Innenseite 34 bzw. der Außenseite 33 (wiederum gestrichelt dargestellt), gezeigt. Die Leiterbahnen 30 nach 15 sind in einem Winkel zueinander gekreuzt angeordnet, was zu vielen Kreuzungsstellen der Elektroden zueinander führt. Eine besondere Ausrichtung der Elektroden zueinander ist damit nicht notwendig, was die Fertigungsanforderungen an die Elektroden und somit die Herstellungskosten der Gehäusewände reduziert.In 15 is the same look of the arrow XIII in 13 represented as in 14 , Only the electrodes are 28 , or in turn configured in the form of printed conductors 30 , also on the inside 34 or the outside 33 (again shown in dashed lines) shown. The tracks 30 to 15 are crossed at an angle to each other, resulting in many intersections of the electrodes to each other. A special alignment of the electrodes to each other is therefore not necessary, which reduces the manufacturing requirements of the electrodes and thus the manufacturing cost of the housing walls.
Im Folgenden wird die Algenseparation aus der Nährlösung 3 beschrieben. In 16 ist eine Separationsanlage 50 dargestellt, die ein Absetzbecken 52 umfasst, in das die mit Algen gesättigte Nährlösung 3 nach der Algenzucht im Bioreaktor 25 gepumpt wird. Bei den Algen bzw. auch bei anderen Mikroorganismen handelt es sich um sehr kleine, schwebende Partikel, die sich nicht ohne weiteres absetzen. Deshalb ist es schwierig, die Algen mechanisch aus der Nährlösung 3 zu trennen. Durch die Anwendung von kurzzeitig gepulsten hohen elektrischen Feldern in der Nährlösung mit den Algen wird deren Metabolismus vorübergehend eingestellt. Die derartig betäubten Algen bzw. Mikroorganismen sinken auf den Boden des Absetzbeckens 52 ab (In der Separationsanlage 50 behandelte Algen werden ab der 16 mit dem Bezugszeichen 51 versehen.).The following is the algae separation from the nutrient solution 3 described. In 16 is a separation plant 50 pictured, which is a settling tank 52 in which the algae saturated nutrient solution 3 after the cultivation of algae in the bioreactor 25 is pumped. The algae or other microorganisms are very small, floating particles that do not readily settle. That is why it is difficult to remove the algae mechanically from the nutrient solution 3 to separate. The application of short pulsed high electric fields in the nutrient solution with the algae temporarily stops their metabolism. The thus anesthetized algae or microorganisms sink to the bottom of the sedimentation tank 52 off (in the separation plant 50 treated algae are from the 16 with the reference number 51 Mistake.).
Zur Erzeugung des erwähnten elektrischen Feldes wird eine Hochspannungselektrode 53 in die Nährlösung 3 eingebracht und über eine Halbleiterschalttechnik werden Hochspannungsimpulse an die Elektroden 53 angelegt. Da die Zellwände der Algen 51 bei diesen Verfahrensschritten nicht notwendigerweise nachhaltig zerstört werden müssen, reicht in der Regel ein relativ schwaches elektrisches Feld, das bezogen auf die Größe des Absetzbeckens 52 bzw. dessen Höhe und bezogen auf die Konzentration der Algen 51 und abhängig von der Algenart in der Regel zwischen 100 V/cm und 10 kV/cm liegt. Die dabei angewandte Impulsdauer liegt zwischen 100 ns und etwa 10 μs. Bei hohen elektrischen Feldern wird eine in dem genannten Intervall eher kürzere Impulsdauer angewandt, bei niedrigeren elektrischen Feldern eine längere Impulsdauer.To generate the mentioned electric field is a high voltage electrode 53 into the nutrient solution 3 introduced and over a Semiconductor switching technology are high-voltage pulses to the electrodes 53 created. Because the cell walls of the algae 51 In these process steps do not necessarily have to be permanently destroyed, usually enough a relatively weak electric field, based on the size of the settling tank 52 or its height and related to the concentration of algae 51 and depending on the species of algae is usually between 100 V / cm and 10 kV / cm. The applied pulse duration is between 100 ns and about 10 μs. In the case of high electric fields, a pulse duration that is rather shorter in the mentioned interval is used, with longer electric fields a longer pulse duration is used.
Bei diesen verhältnismäßig geringen elektrischen Feldern und den geringen Energien, die durch die Kombination aus dem elektrischen Feld und der Impulsdauer resultieren, ist es möglich, verhältnismäßig kostengünstige Halbleiterschalttechniken als Hochspannungsgeneratoren anzuwenden. Dies macht dieses Verfahren besonders wirtschaftlich. Einerseits wird eine relativ geringe Energiemenge benötigt (im Vergleich zum Stand der Technik), andererseits handelt es sich bei der angewandten Technik in der Bereitstellung der Hochspannungselektroden und der Hochspannungsgeneratoren um relativ kostengünstige Investitionen.With these relatively small electric fields and the low energies that result from the combination of the electric field and the pulse duration, it is possible to apply relatively inexpensive semiconductor switching techniques as high voltage generators. This makes this process particularly economical. On the one hand, a relatively small amount of energy is required (in comparison to the prior art), on the other hand, the technique used in the provision of the high-voltage electrodes and the high-voltage generators is a relatively inexpensive investment.
16 zeigt eine dreidimensionale Darstellung eines runden Absetzbeckens 52, das einen rotierend gelagerten Tragbalken 54 umfasst, an dem wiederum die Hochspannungselektroden 53 angeordnet sind. Der Tragbalken 54 bewegt sich rotierend durch das runde Absetzbecken 52 und zieht damit die Hochspannungselektroden durch die Nährlösung, so dass die darin schwimmenden Algen 51 nach und nach dem elektrischen Feld ausgesetzt werden. Die Algen 51 werden betäubt und stellen ihren Metabolismus ein und sinken als Algenbrei 51 auf den Boden des Absetzbeckens 52 ab (vgl. 3). Die Höhe des Wasserstandes im Absetzbecken 52 beträgt bevorzugt etwa 50 cm bis 1 m. 16 shows a three-dimensional representation of a round settling tank 52 , which has a rotating support beam 54 comprising, in turn, the high voltage electrodes 53 are arranged. The stringers 54 moves in rotation through the round settling tank 52 and thus pulls the high-voltage electrodes through the nutrient solution, so that the algae floating therein 51 gradually exposed to the electric field. The algae 51 are anesthetized and stop their metabolism and sink as algae porridge 51 to the bottom of the settling tank 52 from (cf. 3 ). The height of the water level in the settling tank 52 is preferably about 50 cm to 1 m.
Die Hochspannungselektroden 53 weisen Abschirmelemente 55 auf. Diese Abschirmelemente 55 sind in Form von Drähten 56 ausgestaltet. Die elektrisch leitfähigen Abschirmelemente 55 sind gegenüber den Hochspannungselektroden elektrisch isoliert und geerdet. Sie bewirken, dass sich in der Umgebung der Hochspannungselektroden 53 eine definierte elektrische Feldstärke ausbildet, ohne dass das Wasservolumen des Eindickers (Absetzbecken 52) an anderen Stellen einem für Menschen, Tiere oder Anlagenteilen gefährlichen Hochspannungspotential ausgesetzt wird.The high voltage electrodes 53 have shielding elements 55 on. These shielding elements 55 are in the form of wires 56 designed. The electrically conductive shielding elements 55 are electrically isolated from the high voltage electrodes and grounded. They cause in the environment of high voltage electrodes 53 a defined electric field strength is formed, without the water volume of the thickener (settling tank 52 ) is exposed in other places to a dangerous high voltage potential for people, animals or parts of plants.
In der 17 sind links und rechts zwei unterschiedliche alternative Ausgestaltungsformen der Abschirmelemente 55 schematisch dargestellt. Auf der linken Seite der 17 sind, wie bereits beschrieben, die Abschirmelemente 55 in Form von Drähten 56 ausgestaltet, die im Abstand von etwa 15 cm bis 45 cm um die Hochspannungselektrode 53 angeordnet sind. Diese Drähte 56, die auch als Drahtgeflecht ausgestaltet sind, bewegen sich mit der Hochspannungselektrode 53 und dem Haltebalken 54 kontinuierlich durch die Nährlösung 3.In the 17 are left and right two different alternative embodiments of the shielding 55 shown schematically. On the left side of the 17 are, as already described, the shielding 55 in the form of wires 56 configured at a distance of about 15 cm to 45 cm around the high voltage electrode 53 are arranged. These wires 56 , which are also designed as a wire mesh, move with the high voltage electrode 53 and the retaining bar 54 continuously through the nutrient solution 3 ,
Auf der rechten Seite der 17 ist eine alternative Ausgestaltung dargestellt, wobei die Abschirmelemente 55' in Form eines Drahtkorbes 57 ausgestaltet sind, der den von dem Haltebalken 54 und dem Hochspannungselektroden 53 beschriebenen Radius innerhalb des Absetzbeckens 52 umschließt. Dieser Drahtkorb 57 hat dieselbe Wirkung wie die Abschirmelemente 56, er ist ebenfalls geerdet und bezüglich der Hochspannungselektroden 53 isoliert. Eine typische Maschenweite des Drahtkorbes 57 liegt bei 0,5 cm. Bei den Abschirmelementen an sich wird bevorzugt auf ein gegenüber der Nährlösung inertes Material, beispielsweise Edelstahl, zurückgegriffen. Eine Kombination von Drähten 56 und einem oder mehrere Drahtkörbe 57 als Abschirmelemente 55 in einem Separationsbecken ist ebenfalls zweckmäßig.On the right side of the 17 an alternative embodiment is shown, wherein the shielding 55 ' in the form of a wire basket 57 are designed, that of the holding beam 54 and the high voltage electrodes 53 described radius within the settling tank 52 encloses. This wire basket 57 has the same effect as the shielding elements 56 , he is also grounded and regarding the high voltage electrodes 53 isolated. A typical mesh size of the wire basket 57 is 0.5 cm. The shielding elements per se preferably use a material which is inert with respect to the nutrient solution, for example stainless steel. A combination of wires 56 and one or more wire baskets 57 as shielding elements 55 in a separation tank is also appropriate.
Die Impulswiederholrate wird in Abhängigkeit von der Geometrie des Absetzbeckens, der Rotationsgeschwindigkeit bzw. Bewegungsgeschwindigkeit des Haltebalkens 54 und der Konzentration an Algen 51 in der Nährlösung 3 so gewählt, dass in dem Volumen eingeschlossene Algenzellen jeweils mindestens einmal, bevorzugt drei- bis fünf mal, gegebenenfalls sogar bis zu 20 mal, mit dem Hochspannungsimpuls beaufschlagt werden, bevor sie auf den Boden des Absetzbeckens 52 absinken.The pulse repetition rate is dependent on the geometry of the settling tank, the rotational speed and the movement speed of the holding beam 54 and the concentration of algae 51 in the nutrient solution 3 chosen so that in the volume trapped algal cells each at least once, preferably three to five times, possibly even up to 20 times, are subjected to the high voltage pulse before they reach the bottom of the settling tank 52 fall.
In der 18 ist die Algenernte mit der Separationsanlage 50 und mit der Entwässerungsanlage 75 (auch Dehydrierungsanlage genannt) näher beschrieben.In the 18 is the algae harvest with the separation plant 50 and with the drainage system 75 (also called dehydration plant) described in more detail.
Dabei werden die in dem Absetzbecken 52 am Boden befindlichen, abgesetzten Algenzellen 51 (vgl. 17) über einen Pumpkanal 76 aus dem Absetzbecken 52 abgesaugt. Hierbei handelt es sich um einen kontinuierlichen Prozess. In dem Pumpkanal 76 sind Elektroden 77, 77' enthalten. Hierbei werden exemplarisch zwei Beispiele für mögliche Elektrodengeometrien gegeben. Die Elektroden 77 sind Rohrelektroden, die unterbrochen sind und hintereinandergeschaltet sind, die Elektroden 77' sollen Parallelplattenelektroden darstellen. Zweckmäßig wären auch Koaxialrohrelektroden. Der Pumpkanal 76 ist in bevorzugter Weise mit einem nahezu rechteckigen Querschnitt ausgestaltet, der eine Breite von 10 cm bis etwa 1 m aufweisen kann. Dabei ist der Pumpkanal 76 eher rechteckig mit einer höheren Breite und einer flacheren Höhe ausgestaltet. In dem Pumpkanal 76 wird durch die Elektroden 77 das elektrische Feld angelegt. Das elektrische Feld ist so gewählt, dass es je nach biologischer Beschaffenheit der zu behandelnden Mikroorganismen eine Feldstärke von 1 kV/cm bis zu 10 kV/cm aufweist. Typische Stromamplituden sind hierbei 10 kA bis zu 100 kA, die Impulsdauern liegen zwischen 10 ns und 50 μs.They are in the settling tank 52 on the ground, remote algal cells 51 (see. 17 ) via a pump channel 76 from the settling tank 52 aspirated. This is a continuous process. In the pumping channel 76 are electrodes 77 . 77 ' contain. Two examples of possible electrode geometries are given by way of example. The electrodes 77 are tubular electrodes that are interrupted and are connected in series, the electrodes 77 ' should represent parallel plate electrodes. Coaxial tube electrodes would also be expedient. The pump channel 76 is preferably configured with a nearly rectangular cross-section, which may have a width of 10 cm to about 1 m. Here is the pump channel 76 rather rectangular with a higher width and a flatter height. In the pumping channel 76 is through the electrodes 77 the electric field applied. The electric field is chosen so that it has a field strength of 1 kV / cm up to 10 kV / cm depending on the biological nature of the microorganisms to be treated. Typical current amplitudes are 10 kA up to 100 kA, the pulse durations are between 10 ns and 50 μs.
Die Kombination aus den genannten Feldstärken und den Stromamplituden sowie der Impulsdauer führt zu effektiven angewandten Energiemengen, die so gering sind, dass Hochleistungshalbleiterschalter, wie z. B. Thyristoren, als Hochspannungsgeneratoren verwendet werden können. Dies führt zu einer deutlichen Herabsenkung der Investitionskosten für Hochspannungsgeneratoren, was die gesamten Betriebskosten der Anlage zur Algenzüchtung herabsetzt. Sollten höhere Stromamplituden beispielsweise bei größeren Kanalbreiten benötigt werden, so kann dies durch die Parallelschaltung mehrerer Halbleiterschalter realisiert werden.The combination of the mentioned field strengths and the current amplitudes and the pulse duration leads to effective applied amounts of energy that are so low that high-power semiconductor switches, such. As thyristors, can be used as high voltage generators. This leads to a significant reduction in the investment costs for high-voltage generators, which reduces the total operating costs of the plant for algae cultivation. If higher current amplitudes are required, for example, for larger channel widths, this can be achieved by connecting several semiconductor switches in parallel.
Durch diese Behandlung mit elektrischen Feldern erfolgt eine Elektroporation der Algenzellwände, was Mikroporen in den Zellwänden mit sich führt. Diese so behandelte konzentrierte Algenmasse 79 wird in ein Abpressbecken 78 gepumpt, in dem durch einen schematisch dargestellten Pressstempel 80 das eigentliche Herauspressen des Zellwassers bzw. die Dehydrierung erfolgt. Bedingt durch die bereits vorhandenen Mikroporen in den Algenzellen lässt sich das Zellwasser mit einem deutlich niedrigeren Pressdruck entfernen, als das ohne Anwendung der Elektroporation und ohne Anwendung von elektrischen Feldern der Fall wäre.This treatment with electric fields electroporates the algal cell walls, resulting in micropores in the cell walls. This so treated concentrated algae mass 79 gets into a squeezing basin 78 pumped, in which by a press die shown schematically 80 the actual pressing out of the cell water or the dehydration takes place. Due to the already existing micropores in the algae cells, the cell water can be removed with a significantly lower pressure than would be the case without the use of electroporation and without the application of electric fields.
Nach dem Pressen erhält man je nach Art des Mikroorganismusses eine stark entwässerte Biomasse, die grundsätzlich bereits direkt thermisch verwertet werden kann oder in dieser Form als Rohstoff der chemischen Industrie bzw. der Pharmaindustrie zugeführt werden kann. Gegebenenfalls kann noch eine weitere thermische Trocknungsstufe notwendig sein, die jedoch vom energetischen Aufwand deutlich geringer ist als ein üblicher Trocknungsprozess in einem herkömmlichen Algenzüchtungsverfahren nach dem Stand der Technik. Zudem kann die so getrocknete Algenmasse mit geringerem Aufwand transportiert werden, beispielsweise als pumpbares Medium in Tanklastzügen. Somit kann diese zur weiteren Trocknung – falls dies notwendig ist – zu den Energiequellen transportiert werden bzw. in Kraftwerke zur weiteren thermischen Verwertung transportiert werden.After pressing, depending on the nature of the microorganism, a strongly dehydrated biomass is obtained which, in principle, can already be utilized directly thermally or can be supplied in this form as a raw material to the chemical industry or the pharmaceutical industry. Optionally, it may be necessary to use a further thermal drying step, which, however, is significantly lower in energy expenditure than a conventional drying process in a conventional algae breeding method according to the prior art. In addition, the thus dried algae mass can be transported with less effort, for example as a pumpable medium in tanker trucks. Thus, this can be transported to the energy sources for further drying - if necessary - or be transported in power plants for further thermal utilization.
