DE102010007168A1

DE102010007168A1 - Bioreaktor zur Vermehrung von Mikroorganismen

Info

Publication number: DE102010007168A1
Application number: DE201010007168
Authority: DE
Inventors: Werner Dr. 91085 Hartmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-02-08
Filing date: 2010-02-08
Publication date: 2011-08-11
Also published as: WO2011095405A2; WO2011095405A3

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Bioreaktor zur Vermehrung von Mikroorganismen. Sie umfasst ein Reaktorgehäuse (26) mit zumindest einer lichtdurchlässigen Gehäusewand. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass an oder in der lichtdurchlässigen Gehäusewand 27 Elektroden 28 vorgesehen sind, an denen zumindest teilweise ein gepulstes elektrisches Feld 29 anlegbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Bioreaktor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Vermehrung von Mikroorganismen nach Patentanspruch 9 und eine Anlage zur Züchtung von Mikroorganismen nach Patentanspruch 15.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Bioreaktor zur Vermehrung von Mikroorganismen nach Patentanspruch 1.
Der Bioreaktor zur Vermehrung von Mikroorganismen nach Patentanspruch 1 weist ein Reaktorgehäuse auf, das zumindest eine lichtdurchlässige Gehäusewand umfasst und zeichnet sich dadurch aus, dass an oder in der lichtdurchlässigen Gehäusewand Elektroden vorgesehen sind, an denen zumindest zeitweise ein gepulstes elektrisches Feld anlegbar ist.
Unter einem Bioreaktor wird hierbei jede Vorrichtung verstanden, in der Mikroorganismen vermehrt werden. Übliche Bioreaktoren bestehen aus mehreren Einzelkomponenten, einer davon ist häufig ein so genannter Blasenreaktor, in dem eine Suspension von Nährlösung und Algenzellen aufgemischt wird und mit nötigen Nährmitteln und Gasen, wie Kohlendioxid, versehen wird. Ferner umfasst der Bioreaktor in der Regel eine weitere Komponente, in der das eigentliche Algenwachstum stattfindet. Hierbei wird die Solarenergie zur Produktion der Photosynthese ausgenutzt. Aus diesem Grund sind Wände dieses Reaktors zumindest teilweise transparent ausgestaltet.
Die Reaktoren können beispielsweise in Form von langen transparenten Kunststoffschläuchen ausgestaltet sein, als Glasröhren ausgestaltet sein oder als parallele Glasplatten, zwischen denen die Nährflüssigkeit mit den Mikroorganismen aufbewahrt ist. Grundsätzlich ist es zweckmäßig, dass der Durchmesser eines einzelnen Reaktors so gewählt wird, dass auch bei fortgeschrittenem Wachstum der Mikroorganismen eine ausreichende Versorgung mit Licht für die weitere Photosynthese gewährleistet ist. Daher ist die Bauart von Bioreaktoren in der Regel so gewählt, dass sie einen maximalen Abstand zwischen den Reaktorwänden von nicht mehr als 30 cm aufweisen. Dennoch gibt es andere Bauformen von Reaktoren, beispielsweise in Becken oder in Kuppeln, in denen unter Verwendung von Sonnenenergie Mikroorganismen gezüchtet werden. Auch derartige Reaktoren sind von dem Begriff Bioreaktor gemäß dieser Anmeldung umfasst.
Die Anordnung von Elektroden an den lichtdurchlässigen Gehäusewänden des Bioreaktors ermöglicht das Anlegen eines gepulsten elektrischen Feldes, das je nach Bauart und Geometrie des Reaktors so angelegt werden kann, dass in der Umgebung der Gehäusewand unerwünschte Mikroorganismen, wie Bakterien, Hefezellen oder unerwünschte Algen, abgetötet werden oder zumindest in ihrem Wachstum stark gehemmt werden. Hierdurch wird das unerwünschte Wachstum von Mikroorganismen an den Reaktorwänden vermindert, die Zufuhr von Sonnenlicht ins Innere des Reaktors wird weiterhin gewährleistet. Das so genannte Biofouling wird durch die beschriebene Maßnahme unterbunden bzw. stark gehemmt. Ferner ist die benötigte Energiemenge zum Anlegen eines gepulsten elektrischen Feldes vergleichsweise gering gegenüber der Energiemenge, die für die Maßnahmen des bereits beschriebenen Standes der Technik benötigt wird.
Grundsätzlich ist es zweckmäßig, dass die Elektroden, die an der Gehäusewand des Bioreaktors angeordnet sind, einen möglichst geringen Durchmesser aufweisen und so wenig wie möglich einfallendes Sonnenlicht abzuschirmen. Je nach Bauart des Reaktors und Größe der lichtdurchlässigen Gehäusewände hat sich ein Durchmesser der Elektroden von weniger als 5 mm als zweckmäßig herausgestellt. Insbesondere bei sehr dünnen Reaktorvorrichtungen ist es zweckmäßig, Elektrodendurchmesser von weniger als 1 mm, beispielsweise in Form von Drähten oder Leiterbahnen, die auf der Oberfläche der Gehäusewand aufgebracht sind, zu wählen.
Ferner hat es sich herausgestellt, dass der Abstand der Elektroden zueinander je nach Durchmesser der Elektrode zwischen 5 mm und 30 mm betragen soll. Bei Reaktoren, die aus festen Gehäusewänden aufgebaut sind, ist es ebenfalls zweckmäßig, Drähte als Elektroden in das Material der Gehäusewand bei deren Herstellung einzubringen.
Ferner ist es zweckmäßig, die Elektroden so zu wählen, dass eine Elektrode eines Elektrodenpaares an einer Außenseite der Gehäusewand angeordnet ist und die andere Elektrode dieses Elektrodenpaares an der Innenseite der Gehäusewand angeordnet ist. Dabei ist es ferner zweckmäßig, dass diese beiden Elektroden zueinander versetzt angeordnet sind. Durch diese Maßnahme wird zwar der Bereich hoher Feldstärken in der Nährlösung verkleinert, allerdings wird auch dadurch der Wärmeverlust minimiert, so dass sich ein besonders wirtschaftlicher Betrieb ergibt.
In einer weiteren vorteilhaften Anordnung sind die außen liegenden Elektroden unter einem Winkel zu den innen liegenden Elektroden angeordnet, so dass sich zahlreiche Kreuzungsstellen der Elektroden ergeben. Eine besondere Ausrichtung der Elektroden zueinander ist damit nicht nötig, was die Fertigungsanforderungen an derartige Gehäusewände verringert.
Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist ein Verfahren zum Vermehren von Mikroorganismen in einem Bioreaktor, das sich dadurch auszeichnet, dass an einer Gehäusewand des Bioreaktors Elektroden vorgesehen sind, durch die ein gepulstes elektrisches Feld erzeugt wird.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Feldstärke des gepulsten elektrischen Feldes zwischen 0,5 kV/cm und 5 kV/cm beträgt.
Eine geeignete Impulsdauer des gepulsten elektrischen Feldes liegt zwischen 10 ns und 50 ns. Die Impulswiederholdauer liegt dabei wiederum zwischen 5 Impulsen/s und 50 Impulsen/s.
Besonders vorteilhaft sind das beschriebene Verfahren und der beschriebene Bioreaktor auf die Züchtung von Algen als Mikroorganismen anwendbar.
Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist eine Anlage zur Züchtung von Mikroorganismen mit einem Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Erfindung und weitere Merkmale ergeben sich aus den Figuren. Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Anlage zur Züchtung von Mikroorganismen mit einer Impfanlage, einem Bioreaktor, einer Ernteanlage und einer Trocknungsanlage,
2 eine schematische Darstellung einer Impfanlage mit Elektroden zur Erzeugung eines gepulsten elektrischen Feldes vor dem Impfen,
3 die schematische Darstellung aus 2 während des Impfprozesses,
4 ebenfalls eine schematische Darstellung einer Impfanlage, wobei die Elektroden in Form von Rohrelektroden in einem Kanal angeordnet sind,
5 eine schematische Darstellung einer Impfanlage nach 4, indem die Elektrode in Form einer Koaxialelektrode ausgestaltet ist und
6 einen Bioreaktor, bei dem Elektroden vorgesehen sind, die zur Behandlung der Nährlösung vor dem Impfen dienen.
7 einen Teil eines Bioreaktors, nämlich einen Blasenreaktor zur Mischung der Nährlösung und Einbringen von Kohlendioxid,
8 einen Bioreaktor zur Züchtung von Mikroorganismen in Form eines Schlauchreaktors,
9 einen Bioreaktor zur Züchtung von Mikroorganismen in Form eines Plattenreaktors,
10 einen Bioreaktor zur Züchtung von Mikroorganismen in Form eines Rohrreaktors,
11 die Anordnung von Elektroden auf einer Gehäusewand eines Bioreaktors in Form von Leiterbahnen,
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,
13 die Anordnung von Elektroden an einer Gehäusewand in Form von Leiterbahnen, innen und außen angeordnet,
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
15 denselben Blick auf eine Gehäusewand gemäß 13 entlang des Pfeils XIII, wobei die Elektroden innen und außen jedoch überkreuzt angeordnet sind.
16 eine Separationsanlage mit Absetzbecken und Hochspannungselektroden,
17 eine Querschnittsdarstellung der Separationsanlagen nach 1.
18 eine Detaildarstellung des Prozesses aus 1 mit einer Dehydrierungsanlage für Mikroorganismen.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 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.
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.
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.
Im Folgenden wird ein Teilschritt der Zucht von Mikroorganismen beschrieben, bei dem das Biofouling während des Wachstumsprozesses der Mikroorganismen unterbunden wird.
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 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.
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.
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.
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.
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.
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 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 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 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.
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.).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
In der 18 ist die Algenernte mit der Separationsanlage 50 und mit der Entwässerungsanlage 75 (auch Dehydrierungsanlage genannt) näher beschrieben.
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.
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.
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.
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.

Claims

Bioreaktor zur Vermehrung von Mikroorganismen mit einem Reaktorgehäuse (26) mit zumindest einer lichtdurchlässigen Gehäusewand (27), dadurch gekennzeichnet, dass an oder in der lichtdurchlässigen Gehäusewand (27) Elektroden (28) vorgesehen sind, an denen zumindest zeitweise ein gepulstes elektrisches Feld (29) anlegbar ist.
Bioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (28) einen Durchmesser von weniger als 5 mm haben.
Bioreaktor, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Elektroden (28) zueinander zwischen 5 mm und 30 mm liegt.
Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden in Form von Leiterbahnen (30) auf der Oberfläche (31) der Gehäusewand (27) aufgebracht sind.
Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (28) als Drähte (32) in das Material der Gehäusewand (27) eingebracht sind.
Bioreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrode (28) eines Elektrodenpaars an einer Außenseite (33) der Gehäusewand (27) angeordnet ist.
Bioreaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (28) an einer Innenseite (34) und der Außenseite (33) versetzt zueinander angeordnet sind.
Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (28) an der Innenseite (34) und der Außenseite (33) winklig zueinander angeordnet sind.
Verfahren zum Vermehrung von Mikroorganismen in einem Bioreaktor (25), dadurch gekennzeichnet, dass an einer Gehäusewand (27) des Bioreaktors Elektroden (28) vorgesehen sind, durch die ein gepulstes elektrisches Feld (29) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldstärke des gepulsten elektrischen Feldes (29) zwischen 0,5 kV/cm und 5 kV/cm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsdauer des gepulsten elektrischen Feldes (29) zwischen 10 Nanosekunden (ns) und 50 Mikrosekunden (ms) beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulswiederholdauer zwischen 5 Impulsen pro Sekunde und 50 Impulsen pro Sekunde liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12 zur Durchführung in einem Bioreaktor (25) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroorganismen (37) Algen sind
Anlage zur Züchtung von Mikroorganismen mit einem Bioreaktor (25) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.