DE102010027708A1

DE102010027708A1 - Folie, Stützstruktur, Versorgungseinrichtung, Bioreaktor und Verfahren zur Kultivierung von Mikroorganismen

Info

Publication number: DE102010027708A1
Application number: DE201010027708
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-07-20
Filing date: 2010-07-20
Publication date: 2012-01-26
Also published as: WO2012010612A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Folie (1) zur Kultivierung von Mikroorganismen, mit einem lichtdurchlässigen äußeren Mantelbereich (2) und einem inneren Mantelbereich (3). Der äußere Mantelbereich (2) der Folie (1) und der innere Mantelbereich (3) der Folie (1) sind an ihrer Unterseite (4) und an ihrer Oberseite (5) miteinander verbunden oder verbindbar Zwischen dem äußeren Mantelbereich (2) und dem inneren Mantelbereich (3) ist ein Reaktorraum (R) ausbildbar, wobei die Folie (1) im äußeren Mantelbereich (2) und/oder im inneren Mantelbereich (3) an eine Stützstruktur (6) befestigbar und/oder abstützbar ist. Die Stützstruktur (6) gibt der Folie (1) im äußeren Mantelbereich (2) und/oder im inneren Mantelbereich (3) eine Kontur (W), die einen Umwälzvorgang einer Trägerflüssigkeit (F) im Inneren des Reaktorraums (R) begünstigt. Ferner ist der Reaktorraum (R) in Fluidverbindung bringbar mit einer Versorgungseinrichtung (7).

Description

Die Erfindung richtet sich auf eine Folie, eine Stützstruktur zum Halten der Folie, eine Versorgungseinrichtung zur Versorgung eines durch die Folie ausgebildeten Reaktorraumes mit Trägerflüssigkeit und/oder Reaktionsgas sowie einen Bioreaktor zur Kultivierung von Mikroorganismen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kultivierung von Mikroorganismen.
In Bioreaktoren bzw. Photobioreaktoren werden biologische Stoffumwandlungen mit Enzymen oder Mikroorganismen durchgeführt. Hierbei kommen beispielsweise Algen, Bakterien, Pilze oder Hefen zum Einsatz. Es ist dabei wichtig, dass in dem Reaktor optimale Wachstumsbedingungen für die Mikroorganismen bereitgestellt werden. Dazu muss sichergestellt sein, dass neben einem kontrollierten bzw. definierten Lichteintrag in den Reaktorraum auch prozessspezifische Parameter, wie beispielsweise Temperatur, pH-Wert und Nährstoffkonzentration, im Bioreaktor genau steuerbar bzw. regelbar sind. Außerdem muss die Nährstoffflüssigkeit bzw. Trägerflüssigkeit mit einem Gas bzw. Gasgemisch bzw. Reaktionsgas vermischt werden.
Unter den bekannten Ausbildungen für Photobioreaktoren zur Kultivierung von phototropen Mikroorganismen haben sich insbesondere Photobioreaktoren bewährt, die auf dem sogenannten Airlift-Verfahren beruhen. Bei einem Airlift-Photobioreaktor kommt häufig ein vertikal ausgerichteter Reaktor zum Einsatz, in dem insbesondere durch Eintrag von Luft im unteren Reaktorbereich eine aufsteigende Gasströmung erzeugt wird, die in Zusammenwirkung mit festgelegten Schlaufen einen Flüssigkeitsumlauf bzw. eine Umwälzung bzw. Verwirbelung der Trägerflüssigkeit erzeugt. Dieses System hat sich als vorteilhaft erwiesen, da eine Turbulenz innerhalb des Reaktors erzeugt wird, die ein Wachstum der Mikroorganismen unter Ausnutzung des sogenannten Flashing-Light-Effekts begünstigt.
Der Flashing-Light-Effekt beinhaltet, dass für eine maximale Photosyntheseaktivität eine hohe Lichtintensität in kurzen Abständen (> 1 Hz) ausreichend ist. Für eine maximale Photosyntheseaktivität ist man daher bestrebt, in einem Reaktorraum kontrolliert eine turbulente Strömungsführung zu erzielen, bei der die gesamte Strömung bzw. die ganze Nährstoffflüssigkeit bzw. die ganze Trägerflüssigkeit zumindest kurzweilig Bereichen mit hoher Lichtintensität ausgesetzt ist, und bei der in etwaigen nachfolgenden Dunkelphasen die in der Trägerflüssigkeit gesammelte Lichtenergie photosynthetisch umgesetzt wird.
Die bevorzugte Verweildauer der zu kultivierenden Organismen in lichtintensiven Bereichen ist abhängig von der Lichtintensität und den zu kultivierenden Organismen. Bei zu starker Lichteinstrahlung über längere Zeiten ist das Wachstum der Mikroorganismen aufgrund der sogenannten Photoinhibition gehemmt. Die Organismen werden dabei durch zu hohen Lichtintensitäten oberhalb des Lichtsättigungspunktes geschädigt.
Aus der DE 199 16 597 A1 ist beispielsweise ein solcher Plattenphotobioreaktor bekannt. Der Reaktor ist als eine aus mehreren plattenartigen Wänden gebildete übereinander angeordnete Wirbelzellenkolonne ausgebildet. Die verwendeten Platten selbst bestehen aus einem lichtdurchlässigen Material, wie beispielsweise Glas oder Plexiglas. In der Wirbelzellenkolonne sind zudem strömungsführende Einbauten für die Ausbildung einer geführten turbulenten Strömung vorgesehen, die im Zusammenspiel mit den aufsteigenden Reaktionsgasen eine Strömungsführung unter Ausnutzung des Flashing-Light-Effekts ermöglicht. Diese Reaktoren weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie zum einen aufwendig und daher teuer in der Herstellung sind und zum anderen sich aufgrund des Aufbaus nur schlecht reinigen lassen. Ferner bereitet die Temperierung für ein optimales Wachstum wegen den verwendeten Materialien Glas und Plexiglas Probleme. Ihr Einsatzgebiet ist daher in der Praxis sehr eingeschränkt.
Aus der DE 100 49 437 A1 ist ein Folienbioreaktor für die Kultivierung von Bioorganismen bekannt, der aus zwei baugleichen Grundkörpern besteht, die zusammen ein Gehäuse eines Bioreaktors ausbilden. Auf der Innenseite des Gehäuses sind alternierend an gegenüberliegenden Seitenwänden des Gehäuses Septen befestigt, die das Gehäuse in einzelne Unterkammern unterteilen. Diese Septen dienen als Strömungsleiteinrichtung, die zusammen mit dem Gehäuse in dem senkrecht aufgestellten Gehäuse einen mäanderförmig verlaufenden Bioreaktorraum ausbilden. In dem Bioreaktor kommt es aufgrund von entlang eines mäanderförmigen Strömungsweges aufsteigenden Gasblasen zu einer walzenförmigen Bewegung der Flüssigkeit innerhalb eines durch zwei Septen begrenzten Reaktorraumteilabschnittes. Ähnlich wie in der DE 199 16 597 A1 soll in einer Ausbildung zur Erhöhung des Lichteintrags in den Reaktorraum und der Turbulenz die Reaktorraumoberfläche selbst mäanderförmig oder sinusförmig oder gewölbt ausgebildet sein, wobei jedoch genaueren Angaben zur Lage und Orientierung dem Dokument zu entnehmen sind. Ferner sind die gehäusebildenden Grundkörper in einer Ausführung aus einer flexiblen Folie hergestellt, die einstückig mit den Septen ist. Das Dokument offenbart ferner ein Verfahren zur Herstellung des Bioreaktors, welches mehrere Verfahrensschritte zur Herstellung des Reaktors aus einem lichtdurchlässigen Material umfasst. Das Verfahren sieht unter anderem vor, dass die beiden das Gehäuse bildenden Grundkörper entlang einer Kante miteinander verklebt werden. Der Bioreaktor ist somit nicht wiederverwertbar und kann demnach nach einer Verunreinigung oder befürchteten Verunreinigung lediglich entsorgt werden, um so die Gefahr einer Kontamination der Kultur zu vermeiden. Überdies haben sich Folienreaktoren als nicht besonders druckbeständig erwiesen, so dass entweder sehr aufwendig herzustellende Folienreaktoren verwendet werden müssen oder die Größe des Folienreaktors limitiert ist. Auch bereitet die Wind- und Wetterfestigkeit in der Praxis Probleme, so dass die Systeme meistens in Gewächshäusern aufgestellt sind. Die Temperaturführung der Reaktoren erfolgt über die Umgebungstemperatur im Gewächshaus. Ein solcher Aufbau verursacht infolgedessen vergleichsweise hohe Betriebskosten.
Aus der DE 10 2004 007 564 A1 ist eine Folienvorrichtung zur Zucht und Massenproduktion von Algen bekannt, die einen mit Trägerflüssigkeit gefüllten V-förmig geknickten transparenten Folienschlauch aufweist, der über ein Bindematerial an einem oben liegenden Tragrohr befestigt ist. Über ein Druckrohr wird mit einer davon abgehenden Kanüle dem transparenten Folienschlauch im unteren Bereich Luft zugeführt, die durch in den oberen Bereich des Folienschlauchs eingeschnittene obere Enden entweicht. Innerhalb eines Folienschlauchabschnittes, der durch einen unteren und oberen Abknickbereich bestimmt ist, bildet sich durch die aufsteigende Luft ein Kreislauf aus auf- und absteigender Trägerflüssigkeit. Eine besondere Vorrichtung zur gezielten Strömungsführung, die eine Wachstumssteigerung mittels Flashing-Light-Effekt sicherstellt, ist nicht vorgesehen. Es kommt also nicht zum regelmäßigen und gleichmäßigen Austausch von lichtnahen Teilen bzw. Bereichen der Trägerflüssigkeit mit lichtfernen Teilen bzw. Bereichen. Aufgrund der Einschnitte bzw. Einstiche für die Zufuhr und Abfuhr des Gases ist der Folienschlauch nur begrenzt wieder verwertbar. Ferner kann es aufgrund der Öffnungen am oberen Ende zu Kontamminationen kommen, so dass ein solcher Aufbau evtl. nicht steril betrieben werden kann. Auch ist die Konstruktion anfällig für Wind- und/oder Witterungseinflüsse. Bezüglich Aufstellung und Temperaturführung ergeben sich diegleichen Nachteile wie bei der Ausführung gemäß der zuvor beschriebenen DE 100 49 437 A1 .
Ferner bekannt ist beispielsweise aus der DE 37 84 359 T2 ein Röhrenreaktor, der im Wesentlichen ein transparentes Rohr bzw. einen transparenten Schlauch aufweist, das/der im Betrieb natürlichem Licht ausgesetzt ist und durch das/den eine Nährstofflösung kontinuierlich zirkuliert wird. Die Geschwindigkeit der Trägerflüssigkeit kann so gewählt sein, dass es in dem Rohr zur Ausbildung einer turbulenten Strömung kommt, und so eine innige Vermischung zwischen Gas und Trägerflüssigkeit erzielt wird. Solche Röhrenphotobioreaktoren weisen einen vergleichsweise komplexen Aufbau auf und sind mit entsprechenden Herstellungskosten verbunden. In Röhrenreaktoren kommt es zudem nicht zum kontrollierten Austausch von lichtnahen Teilen der Trägerflüssigkeit und lichtfernen Teilen der Trägerflüssigkeit, so dass nicht sicher gestellt ist, dass die gesamte Trägerflüssigkeit gleichmäßig vom Sonnenlicht durchflutet wird bzw. die gesamte Menge an in der Trägerflüssigkeit enthaltenen Mikroorganismen unter Ausnutzung des Flashing-Light-Effektes optimal wächst. Durch die vergleichsweise lange Verweildauer vom im Reaktionsgas enthaltenen Sauerstoff in den langen Röhrensystemen ohne Entlüftung besteht die Gefahr einer Sauerstoffvergiftung, bei der die Algen zur Vermeidung einer Überkonzentration an Sauerstoff langsamer bzw. nicht mehr wachsen. Röhrenreaktoren zeichnen sich überdies durch einen vergleichsweise geringen Lichteintrag bezogen auf das Reaktorvolumen aus.
Allen vorgenannten Bioreaktoren ist ferner gemeinsam, dass sie im wesentlichen vertikal angeordnet sind. Bei hohen Sonnenständen trifft das Licht in einen ungünstigen Winkel auf die Folie auf bzw. tritt das Licht in einem ungünstigen Winkel in den Reaktor ein, so dass die Lichtausbeute und damit die Ausnutzung des Sonnenlichts gering ist. Bei niedrigen Sonnenständen ist der Auftreffwinkel günstiger, jedoch besteht die Gefahr, dass benachbarte Bioreaktoren sich gegenseitig verschatten und dadurch die Lichtausbeute wiederum sinkt.
Dem gegenüber ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und insbesondere einen verbesserten bzw. alternativen Bioreaktor zur Kultivierung von Mikroorganismen bzw. Komponenten für einen Bioreaktor bereitzustellen. Weiterhin ist es eine Aufgabe der Erfindung neue Verfahren zur Kultivierung von Mikroorganismen bereitzustellen. Es ist insbesondere ein bevorzugter Vorteil der Erfindung, einen Bioreaktor sowie Verfahren zur Kultivierung von Mikroorganismen bezüglich einem oder mehrerer der folgenden Aspekte zu optimieren: Herstellungskosten, Installationskosten, Betriebskosten, Wartungskosten, Ertrag an Mikroorganismen und/oder Flächenausnutzung bzw. Flächenverbrauch bei der Herstellung. Ferner ist es auch eine bevorzugte Aufgabe, die Einsatzfähigkeit in Serie zu ermöglichen bzw. zu verbessern. Auch ist es ein Aspekt der Erfindung, die Kultivierung von Mikroorganismen hinsichtlich etwaiger Up-Scaling-Potentiale zu verbessern. Weitere Aufgaben der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.
Diese Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der vorliegenden Aspekte sowie durch die nachfolgend diskutierten bevorzugten Aspekte der vorliegenden Erfindung.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Folie zur Kultivierung von Mikroorganismen, die bevorzugt und in vorteilhafter Weise durch eine Stützstruktur gehalten bzw. an der Stützstruktur abstützbar bzw. befestigbar ist und die zusammen mit der Stützstruktur sowie einer Versorgungseinrichtung zur Versorgung eines durch die Folie ausgebildeten Reaktorraumes mit Trägerflüssigkeit bzw. Nährstoffflüssigkeit bzw. Nährstoffkonzentration und/oder Reaktionsgas einen Bioreaktor zur Kultivierung von Mikroorganismen ausbildet. Die Folie zur Kultivierung von Mikroorganismen umfasst dabei einen lichtdurchlässigen äußeren Mantelbereich, der bevorzugt der Sonne und/oder einer anderen Lichtquelle zugewandt ist, sowie einen inneren Mantelbereich. Der äußere Mantelbereich der Folie sowie der innere Mantelbereich der Folie sind dabei an ihrer Unterseite und an ihrer Oberseite miteinander verbunden oder verbindbar ausgebildet. Der äußere Mantelbereich und der innere Mantelbereich sind dabei so miteinander verbunden oder verbindbar, dass sich zwischen dem äußeren Mantelbereich und dem inneren Mantelbereich ein Reaktorraum ausbildet oder ausbildbar ist, in dem die Kultivierung von Mikroorganismen stattfinden kann bzw. begünstigt wird. Ferner ist die Folie dabei im äußeren Mantelbereich und/oder im inneren Mantelbereich an die Stützstruktur vorzugsweise befestigbar und/oder abstützbar. Die Folie ist dabei ferner bevorzugt so gestaltet, dass durch das Zusammenspiel mit der Stützstruktur eine Kontur bzw. ein Querschnitt in der Folie entsteht, die einen Umwälzvorgang bzw. Umwälzvorgänge einer Trägerflüssigkeit im Inneren des Reaktorraumes begünstigt bzw. hervorruft bzw. prägt. Die Kontur bildet sich dabei im inneren Mantelbereich und/oder äußeren Mantelbereich aus. Ferner ist die Folie zur Kultivierung von Mikroorganismen dabei so ausgeführt, dass der durch die Folie ausgebildete Reaktorraum in Fluidverbindung mit einer Versorgungseinrichtung bringbar ist.
Im Rahmen dieser Erfindung bedeutet an die Stützstruktur befestigbar und/oder abstützbar, dass die Folie durch Auflegen auf die Stützstruktur in ihrer Position verweilt und/oder durch zusätzliche Maßnahmen wie Klemmen und/oder Schrauben und/oder Kleben und/oder Anbinden und/oder anderen bekannten Befestigungsmaßnahmen an die Stützstruktur befestigt bzw. befestigbar ist.
Die Trägerflüssigkeit F bzw. Nährstoffflüssigkeit bzw. Nährstoffkonzentration umfasst im Kontext dieser Anmeldung neben den zu kultivierenden Mikroorganismen alle Komponenten, die zur Kultivierung von Mikroorganismen erforderlich sind. Die einzelnen Komponenten einer Trägerflüssigkeit sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt.
Die durch das Zusammenspiel bzw. der Interaktion von Stützstruktur und Folie in einem Bereich der in der Folie entstehenden Kontur, ist so ausgebildet, dass sie Umwälzvorgänge der Trägerflüssigkeit, die sich im Inneren des durch die Folie ausgebildeten Reaktorraumes befindet, begünstigt bzw. hervorruft bzw. prägt bzw. bevorzugt initiiert. Besonders bevorzugt ist dabei ein kontrollierter Umwälzvorgang bzw. Umschichtungsvorgang bzw. Verwirbelungsvorgang bzw. Austauschvorgang, bei dem vorzugsweise im Wesentlichem die gesamte Trägerflüssigkeit kontrolliert so geleitet bzw. geführt wird, dass im Wesentlichen die gesamte Trägerflüssigkeit zeitweise in lichtnahen Bereichen sich aufhält und zu anderen Zeiten in lichtfernen Bereichen sich aufhält. Mit anderen Worten finden bevorzugt kontrollierte Umwälzvorgänge bzw. Umschichtungsprozesse statt, bei denen die Strömung der Trägerflüssigkeit innerhalb des Reaktorraumes so geführt ist, dass bevorzugt im Wesentlichen alle lichtnahen Teile der Trägerflüssigkeit bevorzugt kontinuierlich zu lichtfernen Bereichen transportiert werden und dass bevorzugt im Wesentlichen alle lichtferne Teile der Trägerflüssigkeit bevorzugt kontinuierlich zu den lichtnahen Bereichen der Trägerflüssigkeit transportiert werden. Lichtnaher Bereich bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Bereich in unmittelbarer Nähe oder geringer Entfernung zu dem Mantelbereich angeordnet ist, der einer Lichtquelle, bevorzugt der Sonne, zugewandt ist bzw. der einen Bereich mit höher Lichtintensität darstellt. Insbesondere sind die Umwälzvorgänge so ausgebildet bzw. gerichtet, dass bevorzugt alle Algenzellen der Trägerflüssigkeit bevorzugt kontrolliert zeitweise einer hohen Lichtintensität ausgesetzt sind, so dass eine bevorzugt maximale photosynthetische Umsetzung der eingestrahlten Lichtenergie in Folge des „Flashing-Light-Effekts” erzielt wird. Mit Licht ist in diesem Zusammenhang jede Strahlung gemeint, die ein Wachstum der Mikroorganismen ermöglicht bzw. unterstützt.
Ein Aspekt der Erfindung beruht demnach auf dem Gedanken, mit einer vorzugsweise kostengünstigen, robusten und/oder wartungsarmen Folie einen den Flashing-Light-Effekt ausnutzenden Airlift-Photobioreaktor zu realisieren.
Ein Bioreaktor mit einer erfindungsgemäßen Folie weist unter anderem bevorzugt die Vorteile auf, dass bei kleinen Pumpvolumen bzw. kleinen Pumpvolumina der Trägerflüssigkeit eine zudem im Wesentlichen kontrollierte Umwälzung bzw. kontrollierte Strömungsführung im Reaktorraum ermöglicht ist und außerdem aufgrund des Anhaftens des Reaktionsgases an den Mikroorganismen ein im Wesentlichen kontrollierter Transport der Mikroorganismen innerhalb des Reaktorraumes einsetzt, wobei gleichzeitig auch eine CO₂-Düngung der Mikroorganismen zur Ph-Wert Stabilisierung gewährleistet bzw. begünstigt ist. Der vorgeschlagene Photobioreaktor mit der beschriebenen Folie ermöglicht bevorzugt vorteilhaft unter anderem die Anwendung des Flashing-Light-Prinzips zur Steigerung der Produktivität der Kultivierung. Auch lassen sich Ablagerungen in der Folie durch die im Wesentlichen kontrollierte Strömungsführung im Reaktor bevorzugt verringern oder vermeiden. Die Wartungs- und/oder Reinigungsintervalle lassen sich infolgedessen verlängern. Als Folie kann zweckmäßig eine einfach aufgebaute, preisgünstige und/oder robuste Folie zum Einsatz kommen, wodurch sich bevorzugt ein kostengünstiger, installationsfreundlicher und/oder wartungsarmer Bioreaktor realisieren lässt. Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung der bevorzugten Ausführungen.
In einer weiteren Ausführung bildet sich die Kontur bzw. der Querschnitt zumindest in einem Teil des inneren Mantelbereichs und/oder äußeren Teilbereichs aus.
Die Folie ist ferner vorteilhaft so gestaltet, dass die Verbindung des äußeren Mantelbereichs der Folie mit dem inneren Mantelbereich der Folie an einer Unterseite und/oder einer Oberseite lösbar ausgebildet ist, wobei sich die Unterseite und Oberseite auf die vertikale Ausrichtung im montierten Zustand der Folie bezieht. Die Verbindung ist dabei vorteilhaft als eine reversibel lösbare Verbindung ausgeführt. Insbesondere ist die Verbindung zweckmäßig so ausgeführt, dass nach Lösen der Verbindungsstelle der durch die Folie ausgebildete Reaktorraum von außen für Reinigungsarbeiten zugänglich ist und/oder die Folie bevorzugt komplett vom Bioreaktor abnehmbar ist. Vorzugsweise ist die lösbare Verbindung durch Klemmen und/oder Verschrauben realisiert. Eine erfindungsgemäße Ausgestaltung der Folie bietet im Fall einer beispielsweise einstückigen Folie, die lediglich im oberen Bereich der Folie lösbar befestigbar bzw. befestigt ist, den Vorteil, dass im unteren Bereich der Folie beispielsweise keine Verbindungsstellen und damit keine Schwachstellen vorgesehen sind, die ein Reißen der Folie oder Leckage verursachen können. Eine solche Stützstruktur ermöglicht zudem eine einfache und kostengünstige Montage und Demontage der Folie und damit eine einfache und kostengünstige Ausbildung eines Reaktorraumes. Ferner ist durch die zerstörungsfreie reversible Montage und Demontage die Wiederverwertbarkeit der Folie gegeben, wodurch sich die Betriebskosten nicht zuletzt aufgrund der einfachen, schnellen und daher kostengünstigen Reinigung reduzieren lassen und ein Beitrag zur Müllvermeidung geleistet wird. Die Reinigung der erfindungsgemäßen Folie kann ferner durch angelerntes Personal mit handelsüblichen Hochdruckreinigern ohne Verwendung von zusätzlichen Spezialwerkzeugen durchgeführt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Folie eine dünne Folie und besonders bevorzugt weist die Folie eine hohe Flexibilität, hohe Witterungsbeständigkeit, und/oder geringe Dehnbarkeit auf. Eine dünne Folie ermöglicht vorteilhaft einen hohen Lichteintrag und lässt sich günstig herstellen. Der Bioreaktor wird je nach Reaktorgröße bevorzugt bei einem Überdruck von ca. 0,05 bis 0,5 bar, besonders bevorzugt bei einem Überdruck von ca. 0,1 bis 0,2 bar, betrieben. Zu diesem Reaktorinnendruck tritt zusätzlich noch der durch die Gewichtskraft der Trägerflüssigkeit hervorgerufene Druck in Erscheinung, der bei der Auslegung der Folie zu berücksichtigen ist. Als Material für die Folie eignet sich beispielsweise bevorzugt ein Ethylen-Tetrafluorethylen (ETFE). Die Folie weist bevorzugt eine Dicke von ca. 25 bis 300 Mikrometer und besonders bevorzugt eine Dicke von 50 bis 150 Mikrometer auf.
Ferner ist eine hohe Witterungsbeständigkeit vorteilhaft für die Aufstellung im Freien. Die Flexibilität wirkt sich bevorzugt positiv auf die Handhabung der Folie sowie der Ausbildung der Kontur aus. Eine geringe Dehnbarkeit, insbesondere plastische und elastische Dehnung und zweckmäßig in Richtung der höchsten mechanischen Belastung, bewirkt eine geringere Verformung infolge von mechanischen Belastungen wie beispielsweise der Gewichtskraft der Trägerflüssigkeit und/oder das Eigengewicht der Folie und/oder der Wasserdruck sie hervorrufen.
Die Folie ist ferner vorteilhaft einstückig ohne Naht bzw. einteilig ausbildbar oder aus mehreren Folienteilen herstell- bzw. ausbildbar und zweckmäßig zusammensetzbar, wobei die Folie vorzugsweise insbesondere mindestens im Wesentlichen vertikal verlaufenden Verbindungsbereich aufweist, in dem die Folie insbesondere verschweißt und/oder verklebt und/oder vernäht ist. Eine einstückige Folie hat den Vorteil, dass keine Schwachstellen, wie sie beispielsweise Klebenähte darstellen, in der Folie vorhanden sind. Ferner ist eine einstückige Folie einfach und sicher in Betrieb zu nehmen, da etwaige fehlerhafte Montageschritte, die zu Leckage führen könnten, wegfallen. Im Wesentlichen vertikal verlaufende Verbindungsbereiche weisen den Vorteil auf, dass die durch sie entstehenden Schwachstellen so gerichtet sind, dass sie nicht mit der Richtung der höchsten Beanspruchung der Folie zusammenfallen. Eine mehrteilige Folie weist im Vergleich zu einer einteiligen Folie den Vorteil auf, dass ihre Herstellung bei kleinen Stückzahlen kostengünstig ist, so dass eine aus mehreren Folienteilen durch nachträgliches Verbinden erstellte Folie wirtschaftlich sein kann. Neben Verschweißen und/oder Verkleben und/oder Vernähen sind jegliche Verbindungstechniken zum fluiddichten Verbinden von Folien denkbar.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Folie im inneren Mantelbereich zumindest abschnittsweise lichtdurchlässig, lichtreflektierend bzw. schwarz ausgebildet. Zweckmäßig ist der Bereich der Folie, der auf der Stützstruktur aufliegt, lichtreflektierend ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass das in den Reaktorraum eintreffende Licht auf der von der Lichtquelle abgewandten Seite, d. h. dem inneren Mantelbereich, zumindest abschnittsweise reflektiert wird und somit der im Reaktorraum vorhandenen Trägerflüssigkeit weiter zur Photosynthese zur Verfügung steht. Alternativ und/oder zusätzlich ist vorteilhaft neben einem lichtreflektierenden Bereich an dem inneren Mantelbereich ein Bereich mit einer schwarzen Folie ausgebildet. Die schwarzen Folienbereiche absorbieren vorteilhafterweise die den Reaktorraum durchquerende Strahlung und setzen diese in Wärme um, wodurch ein zusätzlicher Wärmeeintrag in den Reaktorraum erzielt wird. Ferner ist bevorzugt der Bereich, in dem die Folie auf der Stützstruktur aufliegt, lichtreflektierend ausgebildet und die durch die Stützstruktur gebildeten Zwischenbereiche der Folie schwarz oder lichtdurchlässig ausgebildet.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ferner der äußere Mantelbereich, der den Reaktorraum zur Lichtquelle hin, bevorzugt zur Sonne hin, abgrenzt, derart gestaltet, dass in dem äußeren Mantelbereich die zum Reaktorraum gerichtete Seite der Folie lichtreflektierend ist und/oder die vom Reaktorraum abgewandte Seite, d. h. der Lichtquelle zugewandten Seite der Folie, entspiegelt ist. Eine solche Ausbildung der Folie im äußeren Mantelbereich oder zumindest in einem Teil des äußeren Mantelbereichs hat den Vorteil, dass auftreffendes Licht bzw. auftreffende Strahlung zu einem Großteil in den Reaktorraum gelangt und dort verweilt.
Die Folie ist ferner zweckmäßig so gestaltet, dass sie einen Reaktorraum ausbildet, der vorzugsweise im Wesentlichen ein an den Grundseiten geöffnetes Prisma oder vorzugsweise im Wesentlichen ein vertikal verlaufenden Schlauch darstellt. Eine Folie mit einem solchen Reaktorraum ermöglicht vorteilhaft die Ausbildung eines stabilen Bioreaktors, der zudem über einen großen Anteil an dem Licht zugewandten äußeren Flächen verfügt. Es lässt sich mit einer solchen Folie vorteilhaft ein Bioreaktor schaffen, der bezogen auf das Reaktorvolumen eine große, dem Sonnenlicht zugewandte Oberfläche aufweist, wodurch ein guter Lichteintrag ermöglicht ist.
Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal ist die Folie derart ausgebildet, dass der durch die Folie ausgebildete Reaktorraum sich von der Unterseite ausgehend zur Oberseite hin in vertikaler Richtung verjüngt. Vorteilhaft ist der durch die Folie ausgebildete Reaktorraum ein an den Grundseiten geöffneter Hohlkegelstumpf oder ein an den Grundseiten geöffneter Hohlpyramidenstumpf. Allgemein kann ein zweckmäßiger Reaktorraum durch folgende geometrische Vorgaben beschrieben werden:

– der Reaktorraum weist eine obere Grundseite und eine untere Grundseite auf,
– die obere Grundseite und die untere Grundseite weisen jeweils eine ringförmige Grundfläche auf,
– der Außendurchmesser der oberen Grundseite ist kleiner als der Außendurchmesser der unteren Grundseite,
– die Grundseiten sind durch den äußeren Mantelbereich und den inneren Mantelbereich miteinander verbunden und bilden den Reaktorraum,
– der äußere Rand der oberen Grundseite und äußere Mantelbereich sind jeweils innerhalb der vertikalen Projektion des äußeren Randes der unteren Grundseite angeordnet.

Der Begriff ringförmige Grundfläche umfasst in diesem Zusammenhang Grundflächen, die im Inneren ausgespart sind und deren innerer Rand und/oder deren äußerer Rand im Wesentlichen kreisförmig, ellipsenförmig oder vieleckig sind. Vorteilhaft sind die Ränder einer Grundfläche konzentrisch angeordnet. Insbesondere bevorzugt sind die oberen Grundseite und die untere Grundseite konzentrisch angeordnet.
Die vorstehend beschriebene Geometrie des Reaktorraumes ist im Kontext dieser Anmeldung idealisiert beschrieben und umfasst ebenfalls Geometrien mit geringen Abweichungen von der idealisierten geometrischen Definition. Ferner umfasst der Reaktorraum eine Kontur in zumindest einem Teilbereich und/oder über den gesamten Bereich der inneren und/oder äußeren Mantelfläche, die den vorgenannten Geometrien überlagert ist bzw. in den vorgenannten Geometrien als implizit enthalten zu betrachten ist.
Eine Folie mit einer der vorgenannten Reaktorraumgeometrien trägt bevorzugt vorteilhaft zur Ausbildung eines Bioreaktors bei, der eine geringe Verschattung unter geringem Platzbedarf sicherstellt. Eine solche Ausbildung steigert somit bevorzugt den Ertrag an Mikroorganismen und die Flächenausnutzung bzw. verringert den Flächenverbrauch. Wie auch bei dem an den Grundseiten geöffneten Prisma oder bei dem vorzugsweise im Wesentlichen vertikal verlaufende Schlauch ist dabei wegen der bezogen auf das Reaktorvolumen großen, dem Sonnenlicht zugewandten Oberfläche ein guter Lichteintrag möglich. Insbesondere ist der Lichteintrag bei hohen Sonnenständen insbesondere mit hoher direkter Bestrahlungsdichte, infolge des sich von der Unterseite ausgehend zur Oberseite hin in vertikaler Richtung verjüngenden Reaktorraumes bevorzugt höher als bei herkömmlichen Bioreaktoren. Die besondere Form des durch die Folie ausgebildeten Reaktorraumes bewirkt zudem bevorzugt eine verbesserte Druckbeständigkeit des Bioreaktors auch bei Verwendung von vergleichsweise dünnen Folien, die infolge der geringeren Foliendicke bevorzugt eine bessere Lichtdurchlässigkeit bei geringeren Materialkosten bieten können.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung umfasst ferner eine Stützstruktur zum Halten bzw. Stützen bzw. Befestigen der erfindungsgemäßen Folie, wobei die Stützstruktur mehrere als Ringelemente übereinander angeordnete ausgebildete Profile oder mindestens ein sich in vertikaler Richtung im Wesentlichen wendelförmig oder mäanderförmig erstreckendes Profil aufweist. Das Profil ist dabei bevorzugt so gestaltet, dass es zumindest bereichsweise der Kontur der Folie entspricht bzw. zumindest bereichweise mit der Folie so zusammenwirkt, dass die Folie eine Kontur zumindest bereichsweise im äußeren Mantelbereich und/oder zumindest bereichsweise im inneren Mantelbereich ausbildet.
In einer bevorzugten Ausführung ist die Stützstruktur am inneren Mantelbereich der Folie 1 angeordnet. Eine solche Ausbildung bietet bevorzugt den Vorteil, dass die Stützstruktur die Folie 1 und damit den Reaktorraum des Bioreaktors nicht und nur unwesentlich verschattet.
Das Profil bzw. die Profile sind vorteilhaft als Hohlprofil oder als Vollprofil ausgebildet, wobei bevorzugt die Außenkontur eines Profils zumindest bereichsweise der Kontur der Folie entspricht. Mittels der Kontur des Profils kann somit vorteilhaft auf die Ausbildung der Kontur der Folie Einfluss genommen werden. Im Zusammenspiel mit der Folie kann durch die Geometrie der Stützstruktur, der Geometrie der Folie und/oder der Außenkontur der Profile die Kontur sowie der Reaktorraum derart beeinflusst werden, dass im Reaktorraum vorteilhaft orientierte Umwälzvorgänge einer Trägerflüssigkeit begünstigt werden.
Die Ringelemente der Stützstruktur sind zweckmäßig als kreisrunde, vieleckige oder ellipsenförmige bzw. ovale Ringe gestaltet und sind bevorzugt konzentrisch übereinander angeordnet. Eine solche Bauart lässt sich leicht und kostengünstig fertigen.
Vorteilhaft ist ferner eine Stützstruktur mit einem Gestell bzw. Gerüst bzw. Stützaufbau mit mindestens einem insbesondere vertikal verlaufenden Verbindungselement vorgesehen, welches das Profil bzw. die Profile der Stützstruktur zumindest teilweise miteinander verbindet und/oder diese zumindest teilweise trägt. Eine solche Stützstruktur mit einem Gestell und insbesondere vertikal verlaufenden Verbindungselementen weist ferner den Vorteil auf, dass auf besonders einfache Art und Weise eine stabile, kostengünstige und/oder leicht zu fertigende Stützstruktur entsteht.
In einer weiteren Ausgestaltung fließt durch das Innere von zumindest einem Profil und/oder durch das Innere von zumindest einem Verbindungselement eine Flüssigkeit, die den Reaktorraum temperiert. Temperieren in diesem Zusammenhang umfasst sowohl die Wärmezufuhr in den Reaktorraum als auch die Wärmeabfuhr aus dem Reaktorraum.
Vorteilhaft ist ferner, dass die Stützstruktur zumindest teilweise aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, bevorzugt einem Metall, gefertigt ist.
Die Stützstruktur ist in einer besonders zweckmäßigen Ausbildung aus mehreren als Ringelementen über einander angeordneten Profilen ausgebildet, die zueinander konzentrisch angeordnet sind und durch mehrere insbesondere vertikal verlaufende Verbindungselemente gehalten sind, wobei durch das Innere der Verbindungselemente eine Flüssigkeit zum Temperieren des Reaktorraumes fließt.
In einer weiteren Ausgestaltung ist/sind das/die Profil(e) zweckmäßig in einem Spritzgießvorgang herstellt. Bevorzugt ist auch das Anordnen, Auflegen und/oder Befestigen einer bevorzugt einstückig gebildeten Spirale bzw. Profils an einem bevorzugt aus Röhren bestehenden Gestell denkbar.
Ferner ist die Stützstruktur nach einer Ausführungsform so gestaltet, dass im Inneren der Stützstruktur ein Freibereich entsteht, der von Umgebungsluft durchflutet wird. Insbesondere ist die Stützstruktur so beschaffen, dass sie die Folie auf ihrer Außenseite hält bzw. abstützt bzw. klemmt bzw. dass die Folie an der Außenseite der Stützstruktur befestigt ist. Die auf der Innenseite von Luft durchströmte Stützstruktur sowie die auf der Stützstruktur aufliegende Folie samt Reaktorraum wird somit auf natürliche Art und Weise durch die den inneren Freibereich durchfließende Luft gekühlt. Das Funktionsprinzip einer solchen passiven Kühlung entspricht dem von Termitenbauten. Es ist somit eine einfache, ernergiesparende und kostengünstige Kühlung des Reaktorraumes realisierbar.
Eine besonders vorteilhafte Stützstruktur zum Halten einer Folie umfasst ein Profil oder mehrere Profile, die einen Stützkörper ausbilden, der sich in vertikaler Richtung verjüngt, wobei der Stützkörper insbesondere ein an den Grundseiten geöffneter Hohlkegelstumpf oder ein an den Grundseiten geöffneter Hohlpyramidenstumpf ist. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Stützkörper so ausgebildet ist, dass die Folie im äußeren Mantelbereich und/oder im inneren Mantelbereich an die Stützstruktur so befestigbar und/oder abstützbar ist bzw. so von der Stützstruktur gehalten wird, dass die Folie in einem Mantelbereich der beiden Mantelbereiche in Umfangsrichtung gespannt ist und in dem anderen Mantelbereich der Mantelbereiche mit dem Stützkörper so zusammenwirkt, dass die Folie eine Kontur ausbildet. Die Kontur begünstigt dabei einen Umwälzvorgang bzw. Umwälzvorgänge in einer Trägerflüssigkeit im Inneren des Reaktorraumes bzw. ruft diese hervor.
Eine so gestaltete Stützstruktur weist im Zusammenspiel mit der erfindungsgemäßen Folie den besonderen Vorteil auf, dass sich die Folie zumindest in einem Bereich von selbst spannt. Beispielsweise spannt sich bei einer Folie mit einer Kontur an der inneren Mantelfläche durch Auflage der Folie auf eine in vertikaler Richtung verjüngte Stützstruktur der äußere Mantelbereich zumindest in Teilbereichen von selbst. Somit kommt die Stützstruktur ohne eine aufwendige Zusatzspannvorrichtung aus. Ferner ermöglicht der vorgenannte Aufbau die Selbstzentrierung der Folie, wodurch eine schnelle und einfache Montage kostengünstig realisierbar ist und zusätzliche konstruktive Vorkehrungen zur Ausrichtung der Folie entfallen können.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Stützstruktur umfasst die Stützstruktur eine obere Befestigungseinrichtung. Die obere Befestigungseinrichtung ist dabei an der Oberseite der Folie, insbesondere oberhalb der verbindbaren oder verbundenen Stellen des äußeren Mantelbereichs und des inneren Mantelbereichs, derart ausgeführt bzw. angeordnet, dass die obere Befestigungseinrichtung den äußeren Mantelbereich mit dem inneren Mantelbereich insbesondere lösbar verbindet. Ferner ist dabei insbesondere die obere Befestigungseinrichtung bevorzugt so ausgeführt, dass sie die Folie mit der Stützstruktur insbesondere lösbar verbindet.
Eine solche Stützstruktur mit einer derartigen oberen Befestigungseinrichtung bietet den Vorteil, dass die zuvor beschriebene beispielsweise einstückige Folie lediglich im oberen Bereich, d. h. an der Oberseite der Folie, an der Stützstruktur reversibel lösbar befestigt und/oder abgestützt und/oder geklemmt ist. Im unteren Bereich der Folie weist die beispielsweise einstückige Folie ohne Verbindungsstellen keine Schwachstellen auf, die ein Reißen der Folie oder Leckage verursachen können. Eine solche Stützstruktur ermöglicht zudem eine einfache und kostengünstige Montage und Demontage der Folie und damit eine einfache und kostengünstige Ausbildung eines Reaktorraumes. Ferner ist durch die zerstörungsfreie reversible Montage und Demontage die Wiederverwertbarkeit der Folie gegeben, wodurch sich die Betriebskosten nicht zuletzt aufgrund der einfachen, schnellen und daher kostengünstigen Reinigung reduzieren lassen und ein Beitrag zur Müllvermeidung geleistet wird. Die Reinigung der erfindungsgemäßen Folie kann ferner durch angelerntes Personal mit handelsüblichen Hochdruckreinigern ohne Verwendung von zusätzlichen Spezialwerkzeugen durchgeführt werden.
Alternativ oder zusätzlich ist es zweckmäßig, eine untere Befestigungseinrichtung vorzusehen, wobei die untere Befestigungseinrichtung an der Unterseite der Folie insbesondere unterhalb der verbindbaren Stellen des äußeren Mantelbereichs und des inneren Mantelbereichs angeordnet ist. Die untere Befestigungseinrichtung verbindet dabei den äußeren Mantelbereich mit dem inneren Mantelbereich und/oder die Folie mit der Stützstruktur insbesondere lösbar. Ähnlich wie bei der oberen Befestigungseinrichtung ermöglicht die untere Befestigungseinrichtung, die im unteren Bereich der Folie und damit im unteren Bereich des Bioreaktors angeordnet ist, eine einfache und kostengünstige Montage und/oder Demontage, wie sie zu Reinigungszwecken oft durchgeführt werden muss.
Ferner ist zweckmäßig eine zweiteilige Folie vorgesehen, die durch obere und untere Befestigungseinrichtungen lösbar miteinander verbunden sind. Eine solche zweiteilige Folie kann vorteilhaft dergestalt sein, dass der eine Teil der Folie den inneren Mantelbereich ausbildet und der andere Teil den äußeren Mantelbereich. Der Teil der Folie, der den inneren Mantelbereich ausbildet, weist in einer weiteren Ausgestaltung eine oder mehrere andere physikalische Eigenschaft(en) als der andere den äußeren Mantelbereich ausbildende Teil der Folie auf. In einer weiteren bevorzugten Ausführung weist einer der Folienteile, bevorzugt der Folienteil, der den inneren Mantelbereich ausbildet, ein bereits im Wesentlichen vorgeformtes Wellenprofil auf, welches aufgrund einer vergleichsweise großen Wanddicke und/oder aufgrund von anderen physikalischen Eigenschaften im Wesentlichen formstabil dem Folienteil gegeben ist. In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist der im Wesentlichen formstabile Folienteil selbsttragend ausgebildet. Bei Verwendung eines derartigen Folienteils kann die Stützstruktur dementsprechend leichter dimensioniert sein bzw. ganz entfallen.
Zweckmäßig umfasst ein mit der zuvor beschriebenen Folie betriebener Bioreaktor eine Versorgungseinrichtung zur Versorgung des durch die Folie ausgebildeten Reaktorraumes mit einer Trägerflüssigkeit und/oder einem Reaktionsgas. Die Versorgungseinrichtung steht dabei in Fluidverbindung mit dem Reaktionsraum, so dass Trägerflüssigkeit und/oder Reaktionsgas dem Reaktorraum zuführbar und/oder abführbar ist. Das Reaktionsgas strömt im unteren Bereich des durch die Folie ausgebildeten Reaktorraumes mittels der Versorgungseinrichtung in den Reaktorraum ein und entweicht aus dem Reaktorraum im oberen Bereich des Reaktorraumes. Ferner ist mittels der Versorgungseinrichtung Trägerflüssigkeit dem Reaktorraum zu- und abführbar. Dabei ist die Versorgungseinrichtung in die untere Befestigungseinrichtung und/oder in die obere Befestigungseinrichtung integriert.
Die Versorgungseinheit ermöglicht den Eintrag von Reaktionsgas im unteren Bereich des Reaktorraumes, so dass die aufströmenden Gase die Ausbildung von Umwälzvorgängen im Reaktorraum begünstigen bzw. verstärken bzw. hervorrufen bzw. ausbilden. Ist die Versorgungseinrichtung in die untere und/oder obere Befestigungseinrichtung integriert, so lässt sich die Anzahl an Komponenten eines Bioreaktors verringern und/oder der Bauraum minimieren. Insbesondere vorteilhaft ist eine Versorgungseinrichtung, die vollständig in die obere Befestigungseinrichtung integriert ist. Kommt eine solche Versorgungseinrichtung mit einer einteiligen und an der Oberseite der Folie lösbar an die Stützstruktur befestigten Folie zum Einsatz, so lässt sich ein besonders einfach handhabbarer und wartungsfreundlicher Bioreaktoraufbau realisieren. Das bevorzugt in der Nähe des äußeren Mantelbereichs aufsteigende Reaktionsgas bewirkt bevorzugt zudem eine Verlängerung der Reinigungs- und/oder Wartungsintervalle.
Reaktionsgas umfasst im Kontext dieser Anmeldung jedes Gas bzw. Gasgemisch vorzugsweise einem Gasgemisch mit einem hohen CO₂-Anteil, welches für die Kultivierung von Mikroorganismen geeignet ist.
In einer weiteren Ausgestaltung des Bioreaktors umfasst die Versorgungseinheit ferner eine Reaktionsgas-Rückführeinrichtung, insbesondere eine Absaugeinheit zur Absaugung des Reaktionsgases. Das rückgeführte bzw. abgesaugte Reaktionsgas kann vorteilhaft weiterverarbeitet werden. Beispielsweise kann vorteilhaft aus dem Reaktorraum rückgeführtes Reaktionsgas zur Wasserstoffgewinnung genutzt werden.
In einer weiteren Ausführung weist die Versorgungseinrichtung mindestens eine oder mehrere über den Reaktorraum in Umfangsrichtung verteilte Versorgungsleitungen auf, die sich zur Unterseite der Folie bzw. der Unterseite des durch die Folie ausgebildeten Reaktorraumes erstrecken und durch die Reaktionsgas punktweise oder gleichmäßig im unteren Reaktorraum verteilt in den Reaktorraum einströmt. Bevorzugt sind insbesondere so viele Versorgungsleitungen vorgesehen, dass der gesamte Reaktorraum von der Unterseite her gleichmäßig so mit Reaktionsgas versorgt ist, dass im gesamten Reaktorraum die Ausbildung der Umwälzvorgänge stattfinden. Die Versorgungsleitung kann beispielsweise aus einem dünnen Rohr oder einer flexiblen Schlauchleitung ausgebildet sein. Der Einsatz von flexiblen Schlauchleitungen bietet den Vorteil, dass die Versorgungsleitungen während der Montage bzw. der Demontage der Folie einfach zur Seite wegbiegbar sind. Ferner verringert das weiche Schlauchmaterial die Gefahr etwaiger Beschädigungen der Folie.
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Versorgungseinrichtung sind die Enden der einen oder mehreren Versorgungsleitungen an einer im Reaktorraum umlaufenden Ringleitung angeschlossen, aus der Reaktionsgas über den Umfang des Reaktorraumes verteilt im unteren Bereich ausströmt. Die Ringleitung ist im Reaktorraum so angeordnet, dass das Reaktionsgas im unteren Bereich des Reaktorraumes gleichmäßig verteilt ausströmt und somit gleichmäßige Umwälzvorgänge im Reaktorraum sicherstellt. In einer vorteilhaften Ausbildung ist die Ringleitung eine flexible Schlauchleitung, die zweckmäßig durch sämtliche Bereiche in der Nähe der unteren Grundseite des Reaktorraumes verläuft.
In einer weiteren bevorzugten Form der Versorgungseinrichtung ist die Versorgungseinrichtung so ausgebildet, dass der Trägerflüssigkeitsstand im Reaktorraum im Wesentlichen konstant gehalten ist.
Die Erfindung betrifft ferner einen Bioreaktor zur Kultivierung von Mikroorganismen, der eine Folie, eine Stützstruktur und eine Versorgungseinrichtung aufweist.
Ein Bioreaktor umfasst in einer besonders bevorzugten Ausführung eine Folie zur Kultivierung von Mikroorganismen, mit einem lichtdurchlässigen äußeren Mantelbereich und einem inneren Mantelbereich, wobei äußerer und innerer Mantelbereich der Folie an ihrer Unter- und Oberseite miteinander verbunden sind. Zwischen dem äußeren und inneren Mantelbereich bildet sich dabei ein Reaktorraum aus, wobei der Reaktorraum sich von der Unterseite ausgehend zur Oberseite hin in vertikaler Richtung zu einem an den Grundseiten geöffneten Hohlkegel- oder Hohlpyramidenstumpf verjüngt. Die Folie ist dabei beispielsweise mittels einer unteren und/oder oberen Befestigungseinrichtung an eine Stützstruktur angeordnet bzw. befestigt und im inneren Mantelbereich an ihr abgestützt und/oder befestigt. Die Stützstruktur weist dabei mehrere als Ringelemente übereinander angeordnete Profile, oder mindestens ein sich in vertikaler Richtung im Wesentlichen wendelförmig oder mäanderförmig verjüngend erstreckendes Profil auf, die bzw. das durch ein Gestell abgestützt werden bzw. wird. Die Stützstruktur bildet analog zum Reaktorraum einen sich in vertikaler Richtung zu einem an den Grundseiten geöffneten Hohlkegel- oder Hohlpyramidenstumpf verjüngenden Stützkörper aus. Stützstruktur und Folie wirken dabei so zusammen, dass die Stützstruktur dem inneren Mantelbereich eine Kontur gibt, die einen Umwälzvorgang der Trägerflüssigkeit im Inneren des Reaktorraums begünstigt bzw. hervorruft. Der Bioreaktor steht dabei ferner in Fluidverbindung mit einer Versorgungseinrichtung zur Versorgung des Reaktorraumes mit Trägerflüssigkeit und/oder Reaktionsgas, wobei das Reaktionsgas im unteren Bereich des Reaktorraumes zuströmen und im oberen Bereich des Reaktorraumes abströmen kann.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Kultivierung von Mikroorganismen, welches zumindest einige der folgenden Schritte aufweist:

– Bereitstellen einer Folie insbesondere einer Folie nach den voran stehenden Ausführungen, mit einem lichtdurchlässigen äußeren Mantelbereich und einem inneren Mantelbereich,
– Ausbilden eines Reaktorraumes zwischen dem äußeren Mantelbereich und dem inneren Mantelbereich der Folie,
– Befestigen und/oder Abstützen und/oder Halten der Folie im äußeren Mantelbereich und/oder im inneren Mantelbereich an einer Stützstruktur,
– Ausbilden einer Kontur durch die Stützstruktur der Folie im äußeren Mantelbereich und/oder im inneren Mantelbereich, wobei die Kontur einen Umwälzvorgang einer Trägerflüssigkeit im Inneren des Reaktorraumes begünstigt bzw. hervorruft bzw. prägt, und
– in Fluidverbindung bringen des Reaktorraumes mit einer Versorgungseinrichtung.

Ausbilden eines Reaktorraumes im Sinne der vorliegenden Anmeldung umfasst Tätigkeiten wie Falten und/oder Umlegen einer Folie, Verbinden und/oder Kleben und/oder Verschweißen und/oder Vernähen einer Folie und/oder das Ausschneiden einer geeigneten Foliengeometrie aus einer vorgefertigten Folie.
Befestigen und/oder Abstützen der Folie im Kontext der vorliegenden Erfindung umfasst unter anderem ein Auflegen der Folie auf die Stützstruktur, ein Halten der Folie durch die Stützstruktur, ein Anbinden, Verschrauben, Vernieten, Verkleben oder sonstige Befestigungs- bzw. Abstützungsmaßnahmen.
Ausbilden einer Kontur umfasst unter anderem die bereichsweise Wölbung und/oder Einknicken der Folie in Bereichen, die nicht auf der Stützstruktur abgestützt sind und/oder an der Stützstruktur befestigt sind.
In Fluidverbindung bringen des Reaktorraumes mit einer Versorgungseinrichtung beinhaltet unter anderem in der vorliegenden Anmeldung, das Versorgen des Reaktorraumes mit Trägerflüssigkeit und/oder Reaktionsgas mittels Versorgungsleitungen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Verfahren zur Kultivierung von Mikroorganismen in einem Bioreaktor auf, wobei die Versorgungseinrichtung den durch die Folie und der Stützstruktur ausgebildeten Reaktorraum mit Trägerflüssigkeit und/oder Reaktionsgas versorgt und sich während eines Kultivierungsvorgangs eine Trägerflüssigkeit in dem Reaktorraum befindet, wobei während des Kultivierungsvorganges Reaktionsgas im unteren Bereich des Reaktorraumes zuströmt und im oberen Bereich des Reaktorraumes abströmt, und wobei im Inneren des Reaktorraumes im Bereich der durch das Zusammenwirken der Stützstruktur und der Folie im äußeren Mantelbereich und/oder im inneren Mantelbereich der Folie ausgebildeten Kontur Umwälzvorgänge der Trägerflüssigkeit stattfinden.
Ein Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens beruht also auf dem Gedanken, eine Folie bereitzustellen und aus dieser Folie einen Reaktorraum dergestalt auszubilden, dass unter Verwendung einer Versorgungseinrichtung ein Airlift-Photo-Bioreaktor entsteht, der zur Kultivierung von Mikroorganismen den Flashing-Light-Effekt ausnutzt.
Ein Bioreaktor der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird, weist bevorzugt den Vorteil auf, dass sich eine im Wesentlichen kontrollierte Strömungsführung bzw. Umwälzung im Reaktorraum einstellt. Ferner kommt es bevorzugt vorteilhaft zu einem im Wesentlichen kontrollierten Transport der Mikroorganismen innerhalb des Reaktorraumes aufgrund des Anhaftens des Reaktionsgases an den Mikroorganismen. Auch ist somit bevorzugt vorteilhaft gleichzeitig eine CO₂-Düngung der Mikroorganismen zur Ph-Wert Stabilisierung gewährleist bzw. begünstig. Das angewendete Flashing-Light-Prinzip trägt zur bevorzugt vorteilhaften Steigerung der Produktivität der Kultivierung bei. Auch lassen sich Ablagerungen im Reaktorraum durch die im Wesentlichen kontrollierte Strömungsführung bevorzugt verringern oder vermeiden und die Wartungs- und/oder Reinigungsintervalle infolgedessen verlängern. Das Verfahren kann zweckmäßig mit einer einfach aufgebauten, preisgünstigen und/oder robusten Folie durchgeführt werden, wodurch sich bevorzugt ein kostengünstiger, installationsfreundlicher und/oder wartungsarmer Bioreaktorbetrieb realisieren lässt.
In einem vorteilhaften Verfahren tauschen die Umwälzvorgänge zumindest einen Teil der sich in der Nähe des äußeren Mantelbereichs befindenden Trägerflüssigkeit mit Teilen der sich in der Nähe des inneren Mantelbereichs befindenden Trägerflüssigkeit aus. Zweckmäßig ist es, dass die Umwälzvorgänge vorzugsweise im Wesentlichen alles an Trägerflüssigkeit, die sich in der Nähe des äußeren Mantelbereich befindet, mit vorzugsweise im Wesentlichen alles an Trägerflüssigkeit, die sich in der Nähe des inneren Mantelbereichs befindet, austauschen. Mit anderen Worten sind die Umwälzvorgänge bzw. Umschichtungsvorgänge bzw. Verwirbelungsvorgänge bzw. die gerichtete Strömung dergestalt, dass vorzugsweise die gesamte Trägerflüssigkeit einer Bewegung unterliegt, die sicherstellt, dass vorzugsweise die gesamte Trägerflüssigkeit sich zumindest zeitweise in Bereichen mit hoher Strahlungsintensität und zeitweise in Bereich mit niedriger Lichteinstrahlungsintensität befindet. Ein Verfahren mit den zuvor beschriebenen Umwälzvorgängen ermöglicht vorteilhaft ein gesteigertes Wachstum der Mikroorganismen in Folge des Flashing-Light-Effekts.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zu Beginn des Kultivierungsvorgangs eine bestimmte Menge an Trägerflüssigkeit dem Reaktorraum zugeführt, wobei während des Kultivierungsvorgangs die Menge an Trägerflüssigkeit im Wesentlichen konstant ist und wobei die Trägerflüssigkeit nach Abschluss des Kultivierungsvorgangs aus dem Reaktorraum abgeführt wird.
Eine im Wesentlichen konstante Menge an Trägerflüssigkeit umfasst unter anderem eine Menge, die von einer gewünschten Menge an Trägerflüssigkeit lediglich aufgrund von Leckageverlusten abweicht. Ein solches Verfahren zur Kultivierung von Mikroorganismen unterscheidet sich daher von Verfahren, bei denen die Trägerflüssigkeit kontinuierlich oder in vorbestimmten Zeitintervallen zirkuliert wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Bioreaktor so betrieben, dass die Trägerflüssigkeit kontinuierlich oder in vorbestimmten Zeitintervallen durch den Reaktorraum strömt. Besonders vorteilhaft weist die Trägerflüssigkeit eine mit den Umwälzvorgängen überlagerte Strömung auf, deren Strömungsrichtung mit der des Reaktionsgases im Wesentlichen übereinstimmt. Alternativ ist denkbar, dass die Strömungsrichtung der mit den Umwälzvorgängen überlagerten Strömung der Trägerflüssigkeit der Strömungsrichtung des Reaktionsgases im Wesentlichen entgegengesetzt ist. Ein Verfahren mit einer kontinuierlich oder in vorbestimmten Zeitintervallen durch den Reaktorraum strömenden Trägerflüssigkeit bietet den Vorteil, dass auf dem Strömungsverlauf der Trägerflüssigkeit über weitere Parameter, beispielsweise der Strömungsgeschwindigkeit der den Reaktorraum durchströmenden Trägerflüssigkeit sowie die Strömungsrichtung der Trägerflüssigkeit bezogen auf die Strömungsrichtung des Reaktionsgases, Einfluss genommen werden. Insbesondere lässt sich die Turbulenz der Strömung sowie die Gestalt der Umwälzvorgänge durch die durch den Reaktorraum strömende Trägerflüssigkeit beeinflussen. Strömt die Trägerflüssigkeit kontinuierlich oder in vorbestimmten Zeitintervallen gleichsinnig mit dem aufsteigenden Reaktionsgas durch den Reaktor, können Ablagerungen von Mikroorganismen im unteren und/oder oberen Bereich des Reaktorraumes verringert bzw. vermieden werden. Auch lässt sich durch eine solche Strömungsführung die Reaktortemperatur beeinflussen und etwaige Hitzestaus im oberen Bereich des Reaktorraums lassen sich somit sicher beherrschen.
Zweckmäßig ist ferner ein Verfahren, bei dem der Reaktorraum mittels einem die Stützeinrichtung durchströmenden Fluid temperiert wird. Somit ist es möglich die Temperatur des Reaktorraumes, die für die Kultivierung von Mikroorganismen von hoher Bedeutung ist, bedarfsgerecht zu beeinflussen.
Alternative und/oder zusätzlich ist es gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung vorteilhaft, dass ein innerer Freibereich, der im Inneren der Stützstruktur gebildet ist, von Umgebungsluft derart durchströmt wird, dass der Reaktorraum gekühlt ist. Vorteilhaft kommt es somit insbesondere zu einer natürlichen Kühlung.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ferner ein Verfahren vorgesehen, wonach die Folie zur Reinigung von der Stützstruktur abgenommen wird und wonach die Folie im abgenommenen Zustand gereinigt wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft gemäß alternativen und/oder zusätzlichen bevorzugten Merkmalen die nachfolgenden Aspekte:

1. Folie (1) zur Kultivierung von Mikroorganismen,
– mit einem lichtdurchlässigen äußeren Mantelbereich (2) und einem inneren Mantelbereich (3), wobei
– der äußere Mantelbereich (2) der Folie (1) und der innere Mantelbereich (3) der Folie (1) an ihrer Unterseite (4) und an ihrer Oberseite (5) miteinander verbunden oder verbindbar sind, wobei
– zwischen dem äußeren Mantelbereich (2) und dem inneren Mantelbereich (3) ein Reaktorraum (R) ausbildbar ist, wobei
– die Folie (1) im äußeren Mantelbereich (2) und/oder im inneren Mantelbereich (3) an eine Stützstruktur (6) befestigbar und/oder abstützbar ist, wobei
– die Stützstruktur (6) der Folie (1) im äußeren Mantelbereich (2) und/oder im inneren Mantelbereich (3) eine Kontur (W) gibt, die einen Umwälzvorgang einer Trägerflüssigkeit (F) im Inneren des Reaktorraums (R) begünstigt, und wobei
– der Reaktorraum (R) in Fluidverbindung mit einer Versorgungseinrichtung (7) bringbar ist.
2. Folie (1) nach Aspekt 1, wobei die Verbindung des äußeren Mantelbereichs (2) mit dem inneren Mantelbereich (3) an der Unterseite (4) und/oder an der Oberseite (5) lösbar ausgebildet ist.
3. Folie (1) nach Aspekt 1 oder 2, wobei die Folie (1) einstückig oder aus mehreren Folienteilen (1a, 1b, 1c) ausbildbar ist, und wobei
– die Folie (1) insbesondere mindestens einen im Wesentlichen vertikal verlaufenden Verbindungsbereich aufweist, in dem die Folie (1) insbesondere verschweißt und/oder verklebt und/oder vernäht ist.
4. Folie (1) nach einem der Aspekte 1 bis 3, wobei
– die Folie (1) im inneren Mantelbereich (3) zumindest abschnittweise lichtdurchlässig oder lichtreflektierend oder schwarz ausgebildet ist, und wobei
– bevorzugt der Bereich, in dem die Folie (1) auf der Stützstruktur (6) aufliegt, lichtreflektierend ist und die durch die Stützstruktur (6) gebildeten Zwischenbereiche (Z) der Folie (1) schwarz oder lichtdurchlässig ausgebildet sind.
5. Folie (1) nach einem der Aspekte 1 bis 4, wobei im äußeren Mantelbereich (2) die zum Reaktorraum (R) gerichtete Seite der Folie (1) lichtreflektierend ist und/oder die vom Reaktorraum (R) abgewandte Seite entspiegelt ist.
6. Folie (1) nach einem der Aspekte 1 bis 5, wobei der durch die Folie (1) ausgebildete Reaktorraum (R) im Wesentlichen ein an den Grundseiten geöffnetes Prisma oder ein im Wesentlichen vertikal verlaufender Schlauch ist.
7. Folie (1) nach einem der Aspekte 1 bis 5, wobei der durch die Folie (1) ausgebildete Reaktorraum (R) sich von der Unterseite (4) ausgehend zur Oberseite (5) hin in vertikaler Richtung verjüngt.
8. Folie (1) nach Aspekt 7, wobei der durch die Folie (1) ausgebildete Reaktorraum (R) insbesondere ein an den Grundseiten geöffneter Hohlkegelstumpf oder ein an den Grundseiten geöffneter Hohlpyramidenstumpf ist, oder der Reaktorraum (R) folgende geometrischen Vorgaben erfüllt:
– der Reaktorraum (R) weist eine obere Grundseite (Ao) und eine untere Grundseite (Au) auf,
– die obere Grundseite (Ao) und die untere Grundseite (Au) weisen jeweils eine ringförmige Grundfläche auf,
– der Außendurchmesser (Do) der oberen Grundseite (Ao) ist kleiner als der Außendurchmesser (Du) der unteren Grundseite (Au),
– die Grundseiten (Au, Ao) sind durch den äußeren Mantelbereich (2) und den inneren Mantelbereich (3) miteinander verbunden und bilden den Reaktorraum (R),
– der äußere Rand der oberen Grundseite (Ao) und der äußere Mantelbereich (2) sind jeweils innerhalb der vertikalen Projektion des äußeren Randes der unteren Grundseite (Au) angeordnet.
9. Stützstruktur (6) zum Halten einer Folie (1) insbesondere nach einem der Aspekte 1 bis 8, wobei
– die Stützstruktur (6) mehrere als Ringelemente übereinander angeordnet ausgebildete Profile (8), oder mindestens ein sich in vertikaler Richtung im Wesentlichen wendelförmig oder mäanderförmig erstreckendes Profil (8) aufweist,
– wobei bevorzugt die Außenkontur eines Profils (8) zumindest bereichsweise der Kontur (W) der Folie (1) entspricht.
10. Stützstruktur (6) zum Halten einer Folie (1) nach Aspekt 9, wobei die Stützstruktur (6) ein Gestell (13) mit mindestens einem insbesondere vertikal verlaufenden Verbindungselement (14) aufweist, dass das Profil (8) oder die Profile (8) einer Stützstruktur (6) zumindest teilweise miteinander verbindet und/oder diese zumindest teilweise trägt.
11. Stützstruktur (6) zum Halten einer Folie (1) nach Aspekt 9 oder 10, wobei durch dass Innere von zumindest einem Profil (8) und/oder durch das Innere von zumindest einem Verbindungselement (14) eine Flüssigkeit fließt, die den Reaktorraum (R) temperiert, und wobei Profil (8) und Verbindungselement (14) insbesondere aus einem metallischen Werkstoff bestehen.
12. Stützstruktur (6) zum Halten einer Folie (1) nach einem der Aspekte 9 bis 11, wobei die Stützstruktur (6) einen inneren von Umgebungsluft durchströmten Freibereich (B) aufweist.
13. Stützstruktur (6) zum Halten einer Folie (1) nach einem der Aspekte 9 bis 12, wobei
– das Profil (8) oder die Profile (8) einen Stützkörper (K) ausbilden, der sich in vertikaler Richtung verjüngt, wobei
– der Stützkörper (K) insbesondere ein an den Grundseiten geöffneter Hohlkegelstumpf oder ein an den Grundseiten geöffneter Hohlpyramidenstumpf ist, und wobei
– insbesondere die Folie (1) im äußeren Mantelbereich (2) und/oder im inneren Mantelbereich (3) an der Stützstruktur (6) so befestigbar und/oder abstützbar ist, dass die Folie (1) in einem Mantelbereich der Mantelbereiche (2, 3) in Umfangsrichtung gespannt ist und in dem anderen Mantelbereich der Mantelbereiche (2, 3) mit dem Stützkörper (K) die Kontur (W) ausbildet.
14. Stützstruktur (6) zum Halten einer Folie (1) nach einem der Aspekte 9 bis 13, wobei die Stützstruktur (6) aufweist: – eine obere Befestigungseinrichtung (11), wobei – die obere Befestigungseinrichtung (11) an der Oberseite (5) der Folie (1), insbesondere oberhalb der verbindbaren Stellen des äußeren Mantelbereichs (2) und des inneren Mantelbereichs (3), angeordnet ist, wobei – die obere Befestigungseinrichtung (11) den äußeren Mantelbereich (2) mit dem inneren Mantelbereichs (3) insbesondere lösbar verbindet, und wobei – die obere Befestigungseinrichtung (11) die Folie (1) mit der Stützstruktur (6) insbesondere lösbar verbindet, und/oder – eine untere Befestigungseinrichtung (12), wobei – die untere Befestigungseinrichtung (12) an der Unterseite (4) der Folie (1), insbesondere unterhalb der verbindbaren Stellen des äußeren Mantelbereichs (2) und des inneren Mantelbereichs (3), angeordnet ist, wobei – die untere Befestigungseinrichtung (12) den äußeren Mantelbereich (2) mit dem inneren Mantelbereichs (3) insbesondere lösbar verbindet, und wobei – die untere Befestigungseinrichtung (12) die Folie (1) mit der Stützstruktur (6) insbesondere lösbar verbindet.
15. Versorgungseinrichtung (7) zur Versorgung eines durch eine Folie (1) insbesondere nach einem der Aspekte 1 bis 8 ausgebildeten Reaktorraumes (R) mit Trägerflüssigkeit (F) und/oder Reaktionsgas (G), wobei
– die Versorgungseinrichtung (7) in Fluidverbindung mit dem Reaktorraum (R) steht, wobei
– mittels der Versorgungseinrichtung (7) im unteren Bereich des Reaktorraumes (R) das Reaktionsgas (G) zuströmt und im oberen Bereich des Reaktorraumes (R) das Reaktionsgas (G) abströmt und Trägerflüssigkeit (F) zu – und abführbar ist, und wobei
– die Versorgungseinrichtung (7) in die untere Befestigungseinrichtung (12) und/oder in die obere Befestigungseinrichtung (11) integriert ist.
16. Versorgungseinrichtung (7) nach Aspekt 15, wobei die Versorgungseinrichtung (7) mindestens eine oder mehrere über den Reaktorraum (R) in Umfangsrichtung verteilte Versorgungsleitungen (9) aufweist, die sich zur Unterseite (4) der Folie erstrecken und durch die das Reaktionsgas (G) zuströmt.
17. Versorgungseinrichtung (7) nach Aspekt 16, wobei das Ende bzw. die Enden der Versorgungsleitung(en) (9) an einer Ringleitung (10) angeschlossen ist, aus der das Reaktionsgas (G) über den Umfang verteilt ausströmt.
18. Versorgungseinrichtung (7) nach einem der Aspekte 15 bis 17, wobei der Trägerflüssigkeitstand im Reaktorraum (R) im Wesentlichen konstant gehalten wird.
19. Bioreaktor (100) zur Kultivierung von Mikroorganismen, der aufweist:
– eine Folie (1) nach einem der Aspekte 1 bis 8,
– eine Stützstruktur (6) nach einem der Aspekte 9 bis 14,
– eine Versorgungseinrichtung (7) nach einem der Aspekte 15 bis 18.
20. Verfahren zur Kultivierung von Mikroorganismen mit den folgenden Schritten:
– Bereitstellen einer Folie insbesondere nach einem der Aspekte 1 bis 8 mit einem lichtdurchlässigen äußeren Mantelbereich und einem inneren Mantelbereich,
– Ausbilden eines Reaktorraums zwischen dem äußeren Mantelbereich und dem inneren Mantelbereich,
– Befestigen und/oder Abstützen der Folie im äußeren Mantelbereich und/oder im inneren Mantelbereich an eine Stützstruktur,
– Ausbilden einer Kontur durch die Stützstruktur der Folie im äußeren Mantelbereich und/oder im inneren Mantelbereich, wobei die Kontur einen Umwälzvorgang einer Trägerflüssigkeit im Inneren des Reaktorraums begünstigt, und
– Bringen des Reaktorraums mit einer Versorgungseinrichtung in Fluidverbindung.
21. Verfahren zur Kultivierung von Mikroorganismen in einem Bioreaktor nach Aspekt 19, wobei
– die Versorgungseinrichtung den durch die Folie und der Stützstruktur ausgebildeten Reaktorraum mit Trägerflüssigkeit und/oder Reaktionsgas versorgt, wobei
– sich während eines Kultivierungsvorgangs eine Trägerflüssigkeit in dem Reaktorraum befindet, wobei
– während des Kultivierungsvorgangs Reaktionsgas im unteren Bereich des Reaktorraumes (R) zuströmt und im oberen Bereich des Reaktorraumes abströmt, und wobei
– im Inneren des Reaktorraumes im Bereich der Kontur Umwälzvorgänge der Trägerflüssigkeit stattfinden.
22. Verfahren nach Aspekt 21, wobei die Umwälzvorgänge zumindest einen Teil der Trägerflüssigkeit, vorzugsweise im Wesentlichen alles an Trägerflüssigkeit, die sich in der Nähe des äußeren Mantelbereichs (2) befindet, mit Teilen der Trägerflüssigkeit, vorzugsweise im Wesentlichen alles an Trägerflüssigkeit, die sich in der Nähe des inneren Mantelbereich (3) befindet, austauschen.
23. Verfahren nach Aspekt 21, wobei
– zu Beginn des Kultivierungsvorgangs eine bestimmte Menge an Trägerflüssigkeit dem Reaktorraum zugeführt wird, wobei
– während des Kultivierungsvorgangs die Menge an Trägerflüssigkeit im Wesentlichen konstant ist, und wobei
– die Trägerflüssigkeit nach Abschluss des Kultivierungsvorgangs aus dem Reaktorraum abgeführt wird.
24. Verfahren nach Aspekt 21, wobei die Trägerflüssigkeit kontinuierlich oder in vorbestimmten Zeitintervallen durch den Reaktorraum strömt.
25. Verfahren nach Aspekt 24, wobei die Trägerflüssigkeit eine mit den Umwälzvorgängen überlagerte Strömung aufweist, deren Strömungsrichtung mit der des Reaktionsgases im Wesentlichen übereinstimmt.
26. Verfahren nach Aspekt 24, wobei die Strömungsrichtung der mit den Umwälzvorgängen überlagerten Strömung der Trägerflüssigkeit der Strömungsrichtung des Reaktionsgases im Wesentlichen entgegengesetzt ist.
27. Verfahren nach einem der Aspekte 21 bis 26, wobei der Reaktorraum mittels dem die Stützstruktur durchströmenden Fluid temperiert wird.
28. Verfahren nach einem der Aspekte 21 bis 27, wobei die den inneren Freibereich (B) durchströmende Umgebungsluft den Reaktorraum kühlt.
29. Verfahren nach einem der Aspekte 21 bis 28, wobei die Folie zur Reinigung von der Stützstruktur abgenommen wird und wobei die Folie im abgenommenen Zustand gereinigt wird.

Nachfolgend werden die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
1 einen Querschnitt eines Bioreaktors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
2 vergrößerte Detailansichten des Ausführungsbeispiels gemäß 1,
3 verschiedene Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Folie zur Kultivierung von Mikroorganismen,
4 eine perspektivische Darstellung eines Reaktorraumes,
5 schematische Darstellungen von verschiedenen Ausführungsformen des Reaktorraumes R,
6 verschiedene Ausführungsformen einer bevorzugten Stützstruktur, und
7 einen Querschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Bioreaktors.
1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Bioreaktors 100 mit einer Folie 1 zur Kultivierung von Mikroorganismen, die einen lichtdurchlässigen äußeren Mantelbereich 2 aufweist, der den Reaktor nach außen hin begrenzt und einer nicht dargestellten Lichtquelle zugewandt ist. Der äußere Mantelbereich 2 ist in der dargestellten Ausführungsform im oberen Bereich 5 mittels einer Befestigungseinrichtung 11 mit einer Stützstruktur 6 verbunden. Der äußere Mantelbereich 2 der Folie 1 ist dabei in diesem Ausführungsbeispiel so gestaltet, dass er im montierten Zustand straff bzw. glatt bzw. in Mantelumfangsrichtung und in axialer Richtung des Mantels gespannt ist.
In diesem Ausführungsbeispiel ist ein innerer Mantelbereich 3 der Folie 1 im oberen Bereich 5 über die Befestigungseinrichtung 11 an der Stützstruktur 6 befestigt. Im unteren Bereich 4 geht der innere Mantelbereich 3 nahtlos in den äußeren Mantelbereich 2 über. Die Folie 1 ist also einstückig ausgebildet und weist einen inneren Mantelbereich 3 und einen äußeren Mantelbereich 2 auf, die durch den unteren Umschlagpunkt der Folie 1 voneinander (gedanklich) getrennt werden. Der innere Mantelbereich 3 liegt zwischen der Oberseite 4 und der Unterseite 5 der Folie 1 auf der Stützstruktur 6 auf. Der innere Mantelbereich 3 der Folie 1 ist dabei so gestaltet, dass sich die Folie 1 in den Bereichen zum Stützstrukturinneren bzw. zum Freibereich B hin wölbt, in denen sie nicht an der Stützstruktur 6 anliegt bzw. von dieser abgestützt wird. Es entsteht somit zwischen dem inneren und äußeren Mantelbereich der Folie 1 ein Reaktorraum R, der mit einer Trägerflüssigkeit F gerillt ist.
Die Stützstruktur 6 des Bioreaktors 100 besteht aus einem sich wendelförmig in vertikaler Richtung verjüngenden Profil in Form eines an den Grundseiten geöffneten Hohlpyramidenstumpfes. Auf dieser Stützstruktur ist die Folie 1 in der zuvor bezeichneten Art angeordnet und bildet den Reaktorraum R aus.
In die Befestigungseinrichtung 11 an der Oberseite 5 des Bioreaktors 100 ist ferner die Versorgungseinrichtung 7 integriert. Die Versorgungseinrichtung 7 umfasst nicht näher dargestellte Verbindungsleitungen zu nicht näher dargestellten Systemkomponenten wie beispielsweise Zwischentanks, Pumpstationen, Aufbereitungsanlagen, insbesondere Anlagen zur Extraktion der Biomasse aus der Trägerflüssigkeit, Anlagen zur Anreicherung der Trägerflüssigkeit mit Nährstoffen und/oder mit CO2, zweckmäßig über Druckentspannungsverfahren, Anlagen zur Animpfung der Trägerflüssigkeit mit Zellkulturen (Innoculum) und/oder dergleichen.
Die Versorgungseinrichtung 7 umfasst im Ausführungsbeispiel ferner Versorgungsleitungen 9, von denen in der Zeichnung lediglich eine im Wesentlichen gestrichelt dargestellt ist. Die eine oder mehrere Versorgungsleitungen 9 verbinden im dargestellten Bioreaktor 100 eine im unteren Bereich in der Nähe des Übergangsbereich vom inneren Mantelbereich 2 zum äußeren Mantelbereich 3 angeordnete Ringleitung 10 mit den oberen Teil der Versorgungseinrichtung 7. In 1 nicht dargestellt ist das Reaktionsgas G, welches aus der Ringleitung 10 austritt und im Inneren des Reaktorraumes R bis zur oberen Versorgungseinrichtung 7 aufsteigt. Im vorliegenden Beispiel umfasst die Versorgungseinrichtung 7 ferner im untersten Bereich des Reaktorraumes R, also im Übergang vom inneren Mantelbereich 2 zum äußeren Mantelbereich 3 der Folie 1 eine Ablassmöglichkeit, der mit einer weiteren nicht näher dargestellten Verbindungsleitung der Versorgungseinrichtung 7 verbunden ist. Alternativ und/oder zusätzlich zur Ringleitung 10 kann mindestens eine, bevorzugt mehrere Versorgungsleitungen 9 mit jeweils mindestens einem punktartigen Auslass für das Reaktionsgas R im unteren Bereich des Reaktors vorgesehen sein.
Die Stützstruktur 6 ist über einen nicht dargestellten tragenden Unterbau mit dem Untergrund beabstandet angeordnet. Die Stützstruktur 6 weist zudem im Inneren eine Freibereich B auf, so dass die Umgebungsluft L von unten aus dem Zwischenbereich zwischen Untergrund und unteren Kante des Bioreaktors 100 kommend in den Freibereich B strömt und den Freibereich B durch eine Öffnung im oberen Bereich des Bioreaktors 100 verlässt. Die Luft kühlt dabei die Stützstruktur 6 sowie den inneren Mantelbereich 3 der Folie 1 und somit indirekt den Reaktorraum R.
2a zeigt eine detaillierte Ansicht des Bioreaktors gemäß der in 1 beschriebenen Ausführungsform. Dabei zeigen die Profile 8 der Stützstruktur 6 unterschiedliche Ausführungsbeispiele für die Form der Profile 8. Der Querschnitt des obersten Profils 8 ist beispielsweise im Wesentlichen rechteckförmig mit gerundeten Kanten. Das mittlere Profil 8 hingegen weist einen kreisrunden Querschnitt auf. Das Unterste der drei Profile 8 indes besitzt eine Außenkontur, die an die Kontur W der Folie 1 im inneren Mantelbereich 3 angepasst ist bzw. dieser eine bevorzugte Kontur W gibt. Die einzelnen Profile 8 der Stützstruktur 6 sind voneinander beabstandet, so dass zwischen ihnen ein Zwischenbereich Z entsteht, in dem sich die Folie 1 zum Inneren des Bioreaktors 100 hin, d. h. in den Freibereich B hinein, wölbt. Die Strömungsrichtung des Reaktionsgases G ist in 2a durch gestrichelte Pfeile dargestellt. Das im unteren Bereich des Reaktorraumes R einströmende Reaktionsgas G strömt innerhalb des Reaktionsraumes nach oben und versetzt dabei die Trägerflüssigkeit F in den Zwischenbereichen Z in eine Rotationsbewegung. Es kommt somit zu Umwälzvorgängen, die in 2a mit im Kreis verlaufenden Pfeilen dargestellt sind. Trägerflüssigkeitsbestandteile, die sich im Wesentlichen in der Nähe des äußeren Mantelbereichs 2 befinden, gelangen durch die Umwälzvorgänge in die Nähe des Bereichs der Wölbung des inneren Mantelbereichs 3. Mit anderen Worten signalisieren die zwischen einer Wölbung des inneren Mantelbereichs 3 und der ihr gegenüberliegendem straffen Teilbereich des äußeren Mantelbereichs 2 im Kreis verlaufenden Pfeile eine im Wesentlichen zirkuläre Strömung bzw. Kreisströmung. Die lichtnahen Bestandteile der Trägerflüssigkeit werden somit in lichtferne Bereich der Trägerflüssigkeit befördert und Bestandteile, die vorher im lichtfernen Bereich der Trägerflüssigkeit, d. h. die sich im Wölbungsbereich des inneren Mantelbereichs der Folie 1 befanden, sind durch die Umwälzvorgänge in den lichtnahen Bereich befördert worden.
In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist ferner eine vertikal nach oben gerichtete Strömung der Trägerflüssigkeit F eingezeichnet. Erkennbar wird dies durch durchgehend gezeichnete Strömungspfeile der Trägerflüssigkeit F. Diese Strömung wird hauptsächlich durch einen kontinuierlichen Zu- und Abfluss an Trägerflüssigkeit F im unteren und oberen Bereich des Reaktors R erzwungen. Die überlagerte Strömung ist idealisierend als eine mit der Strömung des Reaktionsgases G gleichgerichteten Strömung anzusehen.
Kommen Mikroorganismen zum Einsatz, deren Dichte im Wesentlichen größer als die Dichte der Trägerflüssigkeit ist, dann sammeln sich die Mikroorganismen im unteren Bereich des Reaktorraumes R an. Eine zu der Strömungsrichtung des Reaktionsgases G gleichgerichtete überlagerte Strömung verringert bzw. reduziert solche Ablagerungsvorgänge im unteren Bereich des Reaktorraumes.
2b zeigt die Detailansicht gemäß der Ausführung in 1 in einer weiteren Variante. Neben den in 2a beschriebenen Hohlprofilen ist es ferner möglich, das Profil 8 als Vollprofil, beispielsweise aus einem Metall vorzugsweise mit höher Wärmeleitfähigkeit und guten mechanischen Eigenschaften zu fertigen.
Die in 2b dargestellte der Kreisströmung überlagerte Strömung der Trägerflüssigkeit F, die von einem Zwischenbereich Z in einen anderen Zwischenbereich Z und somit durch den Reaktorraum R führt, ist der Strömungsrichtung des aufsteigenden Reaktionsgases G entgegengerichtet. Die resultierenden Strömungsverhältnisse im Reaktorraum R bewirken eine bessere Durchmischung aufgrund einer gesteigerten Turbulenz.
Kommen Mikroorganismen zum Einsatz, deren Dichte im Wesentlichen kleiner oder gleich der Dichte der Trägerflüssigkeit ist, dann sammeln sich die Mikroorganismen im oberen Bereich des Reaktorraumes R an. Eine zur Strömungsrichtung des Reaktionsgases G entgegengesetzte überlagerte Strömung verringert bzw. reduziert solche Ablagerungsvorgänge im oberen Bereich des Reaktorraumes.
Die sich ausbildende Strömung ist somit derart steuerbar, dass sich Totpunkte, in denen die Trägerflüssigkeit im Wesentlichen nicht in Bewegung ist und in denen es zu Ablagerungen auf der Folie kommen kann, im Wesentlichen nicht ausgebildet werden. Dadurch lassen sich vorteilhaft die Wartungs- und/oder Reinigungsintervalle des Bioreaktors verlängern und die Betriebskosten senken.
3a zeigt eine zweckmäßige Ausführungsform eines Folienteils zum Ausbilden einer Folie 1 zur Kultivierung von Mikroorganismen. Der linke Teil der 3a zeigt die Abwicklung eines Folienteils mit einer rechteckförmigen Grundfläche. Das fertige Folienteil ist, wie in der rechten Abbildung dargestellt, wendelförmig nach oben hin spitz zulaufend ausgebildet, wobei die in der Mantelfläche des entstehenden Hohlkegelstumpfes angeordneten Ränder des Folienteils 1 mit benachbarten Rändern des Folienteils 1 fluiddicht verbunden sind, so dass nach geeigneten Zuschnitt der beiden Grundseiten ein an den Grundseiten geöffneter hohlkegelstumpfförmiger Folienteil entsteht. Der hohlkegelstumpfförmige Folienteil entspricht in einem Ausführungsbeispiel einem inneren Mantelbereich 3 oder einem äußeren Mantelbereich 2. Eine Folie 1 zur Kultivierung von Mikroorganismen entsteht in einem weiteren Ausführungsbeispiel dabei durch Verbindung von zwei an beiden Grundseiten geöffnete hohlkegelstumpfförmige Folienteile.
Vorteilhaft lässt sich somit aus einem einfach aufgebauten Folienteil, der sowohl als innere als auch als äußere Mantelfläche einsetzbar ist, mit vorteilhaft geringen Produktionsaufwand und großen ökonomischen Skaleneffekten eine Folie 1 herstellen.
3b zeigt eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Folienteile 1a, 1b, 1c, die in ihrer Abwicklung einen Kreisringabschnitt darstellen und in zusammengefügter Form einen an den Grundseiten geöffneten Hohlkegelstumpf ausbilden. Aus dem rechten Teil der Figur ist ersichtlich, dass die zwischen zwei Folienteilen verlaufenden Verbindungsbereiche, in denen die Folien fluiddicht miteinander verbunden sind, im Wesentlichen vertikal verlaufen. Die im Wesentlichen aus dem Gewicht der Trägerflüssigkeit F und der Folie resultierende Kraft, die in vertikaler Richtung wirkt, wird somit im Wesentlichen über die gesamte Länge der Verbindungsstelle verteilt aufgenommen. Die Anfälligkeit für Leckage kann somit vorteilhaft verringert werden und die Verbindungsstelle ist weniger stark beansprucht, wodurch bevorzugt eine einfachere und günstigere Montage ermöglicht wird.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung umfasst nach 3c Folienteile, die in ihrer Abwicklung aus einer im Wesentlichen rautenförmigen Grundform bestehen, wobei die entlang der Längsachse der Raute gegenüberliegenden Spitzen kreisbogenförmig zugeschnitten sind. Mehrere solche Folienteile werden an ihren Rändern miteinander fluiddicht in Verbindung gebracht, so dass die in der rechten Abbildung der Figur dargestellte Folie 1 entsteht. Bei dieser Ausführungsform ist es besonders vorteilhaft, dass durch Umstülpen des unteren Teils eine Folie 1 entsteht, wie sie in der 1 dargestellt ist. Die Folie 1 weist somit keinen Verbindungsbereich im unteren Übergangsbereich vom inneren Mantelbereich 3 zum äußeren Mantelbereich 2 auf, so dass die Folie in diesem mechanisch hoch beanspruchten Bereich nicht durch eine Verbindungsstelle geschwächt ist.
In 4 ist der Reaktorraum R gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. A_O bezeichnet dabei die obere Grundseite des Reaktorraumes R und A_U, in der Zeichnung größtenteils strichpunktiert dargestellt, die untere Grundseite des Reaktorraumes. Umgeben wird der Reaktorraum R von einer in der 4 nicht dargestellten Folie 1 und einer Stützstruktur 6. Der dargestellte Reaktorraum R weist auf seiner Innenseite ein Wellenprofil bzw. eine Kontur W auf. Die untere Grundseite A_U mit dem Außendurchmesser D_U ist in der dargestellten Ausgestaltung konzentrisch zur oberen Grundseite A_O mit den oberen Außendurchmesser D_O angeordnet.
In anderen alternativen Ausführungsformen sind die obere Grundseite und die untere Grundseite nicht konzentrisch angeordnet, sondern dergestalt, dass der äußere Rand der oberen Grundseite mit dem Außendurchmesser D_O innerhalb der senkrechten Projektion des äußeren Randes mit dem Durchmesser D_U der unteren Grundseite A_U liegt.
Auch in diesen Ausführungsbeispielen ist an der Innenseite und/oder an der Außenseite ein wellenförmiges Profil bzw. eine Kontur W überlagernd vorgesehen.
5a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Reaktorraumes R, wobei idealisierend die Kontur W, die an dem inneren und/oder äußeren Mantelbereich vorgesehen ist, nicht dargestellt ist. 5a zeigt einen Reaktorraum mit einer ringförmigen Grundfläche in Form eines Vieleckes. Die ringförmigen Grundflächen können neben kreisrunden oder vieleckigen Rändern ebenfalls ellipsenförmige Ränder oder eine beliebige Kombination davon aufweisen.
In 5a sind die inneren und äußeren Mantelbereiche im Querschnitt als geradlinig verlaufende Schnittlinien dargestellt. In 5b hingegen ist ein Reaktorraum dargestellt, dessen inneren und äußeren Mantelbereiche im Querschnitt gesehen von unten nach oben bogenförmig zusammenlaufen. Ferner ist erkennbar, dass der idealisierte Abstand zwischen innerem Mantelbereich und äußerem Mantelbereich in vertikaler Richtung abnimmt.
Besonders vorteilhaft ist das bogenförmige vertikale Zulaufen der Mantelbereiche so gestaltet, dass die im inneren und/oder äußeren Mantelbereich ausgebildeten Konturen W so beschaffen sind, dass in allen Bereichen des Reaktorraumes R, d. h. in den bzgl. ihrer Vertikalen unteren Bereichen des Reaktorraumes R sowie in den oberen Bereichen des Reaktorraumes R, gleichmäßige Umwälzvorgänge stattfinden, bevorzugt dergestalt, dass über die gesamte vertikale Erstreckung des Reaktorraumes im Wesentlichen gleiche Wachstumsbedingungen für die Mikroorganismen vorherrschen. Neben dem idealisierten Abstand zwischen inneren Mantelbereich und äußeren Mantelbereich steht mit der Bogenform ein weiterer Parameter zur Beeinflussung der Strömung der Trägerflüssigkeit F im Reaktorraum R zur Verfügung, mit dem etwaige Strömungsphänomene, die sich über die vertikale Höhe des Reaktorraumes verändern, beeinflusst bzw. kompensiert werden.
Infolge der sich in vertikaler Richtung verjüngende Form des Reaktorraumes R des Bioreaktors 100 und der Auftriebskraft des Reaktionsgases G steigt beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit der Trägerflüssigkeit F bzw. des Reaktionsgases G bei annähernd gleichbleibenden mittleren Abstand zwischen innerem und äußerem Mantelbereich (3, 2) der Folie 1 in vertikaler Richtung vom unteren Bereich zum oberen Bereich des Reaktorraumes R an. Die Strömungsgeschwindigkeitsänderung kann beispielsweise durch Variation des Strömungsprofils, also unter anderem durch Variation des Umwälzvorgangs bzw. der Umwälzvorgänge mittels einer geeigneten Kontur W und/oder unter anderem durch Variation der Querschnitts-Bogenform der Mantelbereiche kompensiert werden. Verläuft der Querschnitt des Reaktorraumes R wie in 5b bogenförmig in vertikaler Richtung zusammen, dann bewirkt die kontinuierliche Abflachung der Mantelflächen – also die Annäherung an die Horizontalen – eine Verlangsamung der Strömungsgeschwindigkeit, da das Fluid insbesondere an der äußeren Mantelfläche 3 abgebremst wird. Eine solcher Effekt tritt wahrscheinlich schon bei einer geringen Abflachung um wenige Winkelgrade auf. Mittels Variation der Bogenform können sich gegebenenfalls weitere Anpassungen, wie beispielsweise Variation des Strömungsprofils, gegebenenfalls durch die Variation der Kontur W erübrigen.
6a zeigt einen Stützkörper K einer Stützstruktur 6, wie er beispielsweise in der Ausführungsform gemäß 1 eingesetzt ist. Nicht dargestellt ist der Unterbau, der den Stützkörper K mit dem Untergrund verbindet. Die Stützstruktur 6 besteht idealisierend in der hier dargestellten Ausgestaltung aus einem sich in vertikaler Richtung kontinuierlich und gleichmäßig verjüngenden wendelförmigen Profil. Der durch das Profil gebildete Stützkörper K stellt somit einen Hohlkegelstumpf mit geöffneten Grundseiten dar. Das wendelförmige Profil begünstigt dabei die Ausbildung des Reaktionsraumes R einer Folie 1, der idealisiert als ein an den Grundseiten geöffneten Hohlkegelstumpf angesehen werden kann, und der aufgrund der Wendelform des Profils eine Helixform umfasst. Die Helixform kann dabei der Trägerflüssigkeit F eine Rotationsbewegung um die vertikale Mittelachse des Photobioreaktors verleihen, wodurch der Strömung der Trägerflüssigkeit F eine weitere Komponente überlagert ist, die sich auf das Kultivierung auswirken kann.
Der Stützkörper K der 6b weist idealisiert betrachtet ebenfalls eine an den Grundseiten geöffnete Hohlkegelstumpfgeometrie auf. Die Stützstruktur 6 gemäß 6b unterscheidet sich jedoch von der in der 6a dargestellten Stützstruktur 6 dahingehend, dass das Profil nicht wendelförmig, sondern mäanderförmig in vertikaler Richtung kontinuierlich und gleichmäßig verjüngend zusammenläuft. Eine solche Ausgestaltung der Profile der Stützstruktur kann ein helixförmiges Zurücklaufen der Trägerflüssigkeit F in die unteren Bereiche verringern bzw. vermeiden. Die Strömungsvorgänge im Reaktorraum R lassen sich somit besser beherrschen bzw. kontrollieren und etwaige Simulationen der Strömungsvorgänge werden vereinfacht. 6c zeigt eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Stützstruktur 6. Die Stützstruktur 6 besteht aus mehreren als Ringelemente ausgebildeten und übereinander angeordneten Profilen 8, die konzentrisch angeordnet sind und somit einen an den Grundseiten geöffneten hohlpyramidenstumpfförmigen Stützkörper K ausbilden, der, wie auch die Stützstrukturen der 6a und 6b, über einen Unterbau mit dem Untergrund verbunden ist
Die Stützstruktur 6 umfasst ferner ein Gerüst bzw. Stützaufbau bzw. Gestell 13, das in der vorliegenden Ausführungsform vertikal verlaufende Verbindungselemente 14 aufweist, an denen die Ringelemente bzw. Profile 8 in gleichmäßigen Abständen voneinander befestigt sind. Das Gestell 13 besteht besonders vorteilhaft aus einem Hohlprofil, Welches von einem Fluidmedium, wie beispielsweise Wasser, durchströmt ist. Das Gestell 13 dient daher zum Abstützen einer nicht dargestellten Folie 1, sowie zum Temperieren des nicht dargestellten Reaktorraumes R. Etwaige zusätzliche stabilitätssteigernde Verstrebungen sind zur besseren Übersicht nicht dargestellt. Alternativ zu den dargestellten Profilen 8 ist denkbar, dass ein spiral- oder mäanderförmiges und bevorzugt einstückiges Profil 8 zum Einsatz kommt, welches ferner vorteilhaft in einem Spritzgießvorgang hergestellt sein kann.
Die in 6c dargestellte Bioreaktorstützstruktur ist in einer weiteren Ausgestaltung dahingehend abgeändert, dass die Ringelemente keinen kreisrunden Querschnitt, sondern eine vieleckige, ovale bzw. ellipsenförmige Geometrie aufweisen und/oder die Stützstruktur umfasst Verbindungselemente 14, die nicht geradlinig in vertikaler Richtung aufeinander zulaufen, sondern in einer Bogenform und/oder die Stützstruktur 6 weist Ringelemente bzw. Profile 8 auf, die bezüglich ihrer Abstände untereinander so bemessen sind, dass der zwischen zwei Ringelementen bzw. Profilen 8 durch Wölbung entstehende Bereich, der Teil einer Kontur W ist, für die Umwälzvorgänge in diesem gewölbten Bereich zwischen zwei Ringelementen bzw. Profilen 8 optimiert ist. Der Abstand zwischen zwei Stützelementen stellt somit einen weiteren Parameter dar, um etwaige von der vertikalen Reaktorhöhe abhängige Strömungsphänomene zu kontrollieren. Für die Gestalt des ausgebildeten Strömungsprofil im Reaktorraum R ist unter anderem der Abstand Z der einzelnen Profile 8 der Stützstruktur 6 und/oder der Abstand zwischen dem inneren und äußeren Mantelbereich (3, 2) und insbesondere dass Verhältnis vom Abstand Z zu dem Abstand zwischen dem inneren und äußeren Mantelbereich (3, 2) von Bedeutung.
Der Bioreaktor gemäß der Ausführungsform nach 7 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 1 durch die Ausgestaltung der Befestigungseinrichtung 11. Der Bioreaktor gemäß 7 weist eine obere Befestigungseinrichtung 11, die sich im oberen Bereich des Bioreaktors bzw. an der Oberseite 5 der Folie 1 befindet, sowie eine untere Befestigungseinrichtung 12 im unteren Bereich des Bioreaktors bzw. an der Unterseite der Folie 1 auf. Die Folie 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel zweigeteilt und weist einen inneren Mantelbereich 3 und einen äußeren Mantelbereich 2 auf, die jeweils im oberen und unteren Bereich des Bioreaktors mittels der oberen Befestigungseinrichtung 11 und der unteren Befestigungseinrichtung 12 lösbar miteinander verbunden sind. Die Befestigung bzw. Verbindung bzw. Klemmung des inneren und äußeren Mantelbereichs (3, 2) in der oberen und unteren Befestigungseinrichtung (11, 12) ist in einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung derart beschaffen, dass die Verbindung des äußeren Mantelbereichs 2 lösbar ist, oder dass die Verbindung des inneren und des äußeren Mantelbereichs 2 und 3 lösbar ist.
Zweckmäßig ist ferner ein Bioreaktor mit Folie 1, bei dem die untere und/oder obere Befestigungseinrichtung als Spannvorrichtung des inneren und/oder äußeren Mantelbereiches dient.
In der oberen und unteren Befestigungseinrichtung 11 und 12 sind ferner Teile der Versorgungseinrichtung 7 platzsparend integriert.
Für den Fachmann ersichtlich können die einzelnen im Zusammenhang mit den unterschiedlichen bevorzugten beispielhafte Ausführungsformen beschriebenen Merkmale auch in anderen Ausführungsformen vorgesehen werden oder aber mit diesen kombiniert werden.
Die Erfindung umfasst ebenfalls die genauen oder exakten Ausdrücke, Merkmale, numerischen Werte oder Bereiche usw., wenn vorstehend oder nachfolgend diese Ausdrücke, Merkmale, numerischen Werte oder Bereiche im Zusammenhang mit Ausdrücken wie z. B. „etwa, ca., um, im Wesentlichen, im Allgemeinen, zumindest, mindestens” usw. genannt wurden (also „etwa 3” soll ebenfalls „3” oder „im Wesentlichen radial” soll auch „radial” umfassen). Der Ausdruck „bzw.” bedeutet überdies „und/oder”.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19916597 A1 [0006, 0007]
DE 10049437 A1 [0007, 0008]
DE 102004007564 A1 [0008]
DE 3784359 T2 [0009]

Claims

Folie (1) zur Kultivierung von Mikroorganismen, – mit einem lichtdurchlässigen äußeren Mantelbereich (2) und einem inneren Mantelbereich (3), wobei – der äußere Mantelbereich (2) der Folie (1) und der innere Mantelbereich (3) der Folie (1) an ihrer Unterseite (4) und an ihrer Oberseite (5) miteinander verbunden oder verbindbar sind, wobei – zwischen dem äußeren Mantelbereich (2) und dem inneren Mantelbereich (3) ein Reaktorraum (R) ausbildbar ist, wobei – die Folie (1) im äußeren Mantelbereich (2) und/oder im inneren Mantelbereich (3) an eine Stützstruktur (6) befestigbar und/oder abstützbar ist, wobei – die Stützstruktur (6) der Folie (1) im äußeren Mantelbereich (2) und/oder im inneren Mantelbereich (3) eine Kontur (W) gibt, die einen Umwälzvorgang einer Trägerflüssigkeit (F) im Inneren des Reaktorraums (R) begünstigt, und wobei – der Reaktorraum (R) in Fluidverbindung mit einer Versorgungseinrichtung (7) bringbar ist.
Folie (1) nach Anspruch 1, wobei die Verbindung des äußeren Mantelbereichs (2) mit dem inneren Mantelbereich (3) an der Unterseite (4) und/oder an der Oberseite (5) lösbar ausgebildet ist.
Folie (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Folie (1) einstückig oder aus mehreren Folienteilen (1a, 1b, 1c) ausbildbar ist, und wobei – die Folie (1) insbesondere mindestens einen im Wesentlichen vertikal verlaufenden Verbindungsbereich aufweist, in dem die Folie (1) insbesondere verschweißt und/oder verklebt und/oder vernäht ist.
Folie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei – die Folie (1) im inneren Mantelbereich (3) zumindest abschnittweise lichtdurchlässig oder lichtreflektierend oder schwarz ausgebildet ist, und wobei – bevorzugt der Bereich, in dem die Folie (1) auf der Stützstruktur (6) aufliegt, lichtreflektierend ist und die durch die Stützstruktur (6) gebildeten Zwischenbereiche (Z) der Folie (1) schwarz oder lichtdurchlässig ausgebildet sind.
Folie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei im äußeren Mantelbereich (2) die zum Reaktorraum (R) gerichtete Seite der Folie (1) lichtreflektierend ist und/oder die vom Reaktorraum (R) abgewandte Seite entspiegelt ist.
Folie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der durch die Folie (1) ausgebildete Reaktorraum (R) im Wesentlichen ein an den Grundseiten geöffnetes Prisma oder ein im Wesentlichen vertikal verlaufender Schlauch ist.
Folie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der durch die Folie (1) ausgebildete Reaktorraum (R) sich von der Unterseite (4) ausgehend zur Oberseite (5) hin in vertikaler Richtung verjüngt.
Folie (1) nach Anspruch 7, wobei der durch die Folie (1) ausgebildete Reaktorraum (R) insbesondere ein an den Grundseiten geöffneter Hohlkegelstumpf oder ein an den Grundseiten geöffneter Hohlpyramidenstumpf ist, oder der Reaktorraum (R) folgende geometrischen Vorgaben erfüllt: – der Reaktorraum (R) weist eine obere Grundseite (A_o) und eine untere Grundseite (A_u) auf, – die obere Grundseite (A_o) und die untere Grundseite (A_u) weisen jeweils eine ringförmige Grundfläche auf, – der Außendurchmesser (D_o) der oberen Grundseite (A_o) ist kleiner als der Außendurchmesser (D_u) der unteren Grundseite (A_u), – die Grundseiten (A_u, A_o) sind durch den äußeren Mantelbereich (2) und den inneren Mantelbereich (3) miteinander verbunden und bilden den Reaktorraum (R), – der äußere Rand der oberen Grundseite (A_o) und der äußere Mantelbereich (2) sind jeweils innerhalb der vertikalen Projektion des äußeren Randes der unteren Grundseite (A_u) angeordnet.
Stützstruktur (6) zum Halten einer Folie (1) insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei – die Stützstruktur (6) mehrere als Ringelemente übereinander angeordnet ausgebildete Profile (8), oder mindestens ein sich in vertikaler Richtung im Wesentlichen wendelförmig oder mäanderförmig erstreckendes Profil (8) aufweist, – wobei bevorzugt die Außenkontur eines Profils (8) zumindest bereichsweise der Kontur (W) der Folie (1) entspricht.
Stützstruktur (6) zum Halten einer Folie (1) nach Anspruch 9, wobei die Stützstruktur (6) ein Gestell (13) mit mindestens einem insbesondere vertikal verlaufenden Verbindungselement (14) aufweist, dass das Profil (8) oder die Profile (8) einer Stützstruktur (6) zumindest teilweise miteinander verbindet und/oder diese zumindest teilweise trägt.
Stützstruktur (6) zum Halten einer Folie (1) nach Anspruch 9 oder 10, wobei durch dass Innere von zumindest einem Profil (8) und/oder durch das Innere von zumindest einem Verbindungselement (14) eine Flüssigkeit fließt, die den Reaktorraum (R) temperiert, und wobei Profil (8) und Verbindungselement (14) insbesonere aus einem metallischen Werkstoff bestehen.
Stützstruktur (6) zum Halten einer Folie (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Stützstruktur (6) einen inneren von Umgebungsluft durchströmten Freibereich (B) aufweist.
Stützstruktur (6) zum Halten einer Folie (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei – das Profil (8) oder die Profile (8) einen Stützkörper (K) ausbilden, der sich in vertikaler Richtung verjüngt, wobei – der Stützkörper (K) insbesondere ein an den Grundseiten geöffneter Hohlkegelstumpf oder ein an den Grundseiten geöffneter Hohlpyramidenstumpf ist, und wobei – insbesondere die Folie (1) im äußeren Mantelbereich (2) und/oder im inneren Mantelbereich (3) an der Stützstruktur (6) so befestigbar und/oder abstützbar ist, dass die Folie (1) in einem Mantelbereich der Mantelbereiche (2, 3) in Umfangsrichtung gespannt ist und in dem anderen Mantelbereich der Mantelbereiche (2, 3) mit dem Stützkörper (K) die Kontur (W) ausbildet.
Stützstruktur (6) zum Halten einer Folie (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei die Stützstruktur (6) aufweist: – eine obere Befestigungseinrichtung (11), wobei – die obere Befestigungseinrichtung (11) an der Oberseite (5) der Folie (1), insbesondere oberhalb der verbindbaren Stellen des äußeren Mantelbereichs (2) und des inneren Mantelbereichs (3), angeordnet ist, wobei – die obere Befestigungseinrichtung (11) den äußeren Mantelbereich (2) mit dem inneren Mantelbereichs (3) insbesondere lösbar verbindet, und wobei – die obere Befestigungseinrichtung (11) die Folie (1) mit der Stützstruktur (6) insbesondere lösbar verbindet, und/oder – eine untere Befestigungseinrichtung (12), wobei – die untere Befestigungseinrichtung (12) an der Unterseite (4) der Folie (1), insbesondere unterhalb der verbindbaren Stellen des äußeren Mantelbereichs (2) und des inneren Mantelbereichs (3), angeordnet ist, wobei – die untere Befestigungseinrichtung (12) den äußeren Mantelbereich (2) mit dem inneren Mantelbereichs (3) insbesondere lösbar verbindet, und wobei – die untere Befestigungseinrichtung (12) die Folie (1) mit der Stützstruktur (6) insbesondere lösbar verbindet.
Versorgungseinrichtung (7) zur Versorgung eines durch eine Folie (1) insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildeten Reaktorraumes (R) mit Trägerflüssigkeit (F) und/oder Reaktionsgas (G), wobei – die Versorgungseinrichtung (7) in Fluidverbindung mit dem Reaktorraum (R) steht, wobei – mittels der Versorgungseinrichtung (7) im unteren Bereich des Reaktorraumes (R) das Reaktionsgas (G) zuströmt und im oberen Bereich des Reaktorraumes (R) das Reaktionsgas (G) abströmt und Trägerflüssigkeit (F) zu- und abführbar ist, und wobei – die Versorgungseinrichtung (7) in die untere Befestigungseinrichtung (12) und/oder in die obere Befestigungseinrichtung (11) integriert ist.
Versorgungseinrichtung (7) nach Anspruch 15, wobei die Versorgungseinrichtung (7) mindestens eine oder mehrere über den Reaktorraum (R) in Umfangsrichtung verteilte Versorgungsleitungen (9) aufweist, die sich zur Unterseite (4) der Folie erstrecken und durch die das Reaktionsgas (G) zuströmt.
Versorgungseinrichtung (7) nach Anspruch 16, wobei das Ende bzw. die Enden der Versorgungsleitung(en) (9) an einer Ringleitung (10) angeschlossen ist, aus der das Reaktionsgas (G) über den Umfang verteilt ausströmt.
Versorgungseinrichtung (7) nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei der Trägerflüssigkeitstand im Reaktorraum (R) im Wesentlichen konstant gehalten wird.
Bioreaktor (100) zur Kultivierung von Mikroorganismen, der aufweist: – eine Folie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, – eine Stützstruktur (6) nach einem der Ansprüche 9 bis 14, – eine Versorgungseinrichtung (7) nach einem der Ansprüche 15 bis 18.
Verfahren zur Kultivierung von Mikroorganismen mit den folgenden Schritten: – Bereitstellen einer Folie insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit einem lichtdurchlässigen äußeren Mantelbereich und einem inneren Mantelbereich, – Ausbilden eines Reaktorraums zwischen dem äußeren Mantelbereich und dem inneren Mantelbereich, – Befestigen und/oder Abstützen der Folie im äußeren Mantelbereich und/oder im inneren Mantelbereich an eine Stützstruktur, – Ausbilden einer Kontur durch die Stützstruktur der Folie im äußeren Mantelbereich und/oder im inneren Mantelbereich, wobei die Kontur einen Umwälzvorgang einer Trägerflüssigkeit im Inneren des Reaktorraums begünstigt, und – Bringen des Reaktorraums mit einer Versorgungseinrichtung in Fluidverbindung.
Verfahren zur Kultivierung von Mikroorganismen in einem Bioreaktor nach Anspruch 19, wobei – die Versorgungseinrichtung den durch die Folie und der Stützstruktur ausgebildeten Reaktorraum mit Trägerflüssigkeit und/oder Reaktionsgas versorgt, wobei – sich während eines Kultivierungsvorgangs eine Trägerflüssigkeit in dem Reaktorraum befindet, wobei – während des Kultivierungsvorgangs Reaktionsgas im unteren Bereich des Reaktorraumes (R) zuströmt und im oberen Bereich des Reaktorraumes abströmt, und wobei – im Inneren des Reaktorraumes im Bereich der Kontur Umwälzvorgänge der Trägerflüssigkeit stattfinden.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Umwälzvorgänge zumindest einen Teil der Trägerflüssigkeit, vorzugsweise im Wesentlichen alles an Trägerflüssigkeit, die sich in der Nähe des äußeren Mantelbereichs (2) befindet, mit Teilen der Trägerflüssigkeit, vorzugsweise im Wesentlichen alles an Trägerflüssigkeit, die sich in der Nähe des inneren Mantelbereich (3) befindet, austauschen.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei – zu Beginn des Kultivierungsvorgangs eine bestimmte Menge an Trägerflüssigkeit dem Reaktorraum zugeführt wird, wobei – während des Kultivierungsvorgangs die Menge an Trägerflüssigkeit im Wesentlichen konstant ist, und wobei – die Trägerflüssigkeit nach Abschluss des Kultivierungsvorgangs aus dem Reaktorraum abgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Trägerflüssigkeit kontinuierlich oder in vorbestimmten Zeitintervallen durch den Reaktorraum strömt.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Trägerflüssigkeit eine mit den Umwälzvorgängen überlagerte Strömung aufweist, deren Strömungsrichtung mit der des Reaktionsgases im Wesentlichen übereinstimmt.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Strömungsrichtung der mit den Umwälzvorgängen überlagerten Strömung der Trägerflüssigkeit der Strömungsrichtung des Reaktionsgases im Wesentlichen entgegengesetzt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 26, wobei der Reaktorraum mittels dem die Stützstruktur durchströmenden Fluid temperiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 27, wobei die den inneren Freibereich (B) durchströmende Umgebungsluft den Reaktorraum kühlt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 28, wobei die Folie zur Reinigung von der Stützstruktur abgenommen wird und wobei die Folie im abgenommenen Zustand gereinigt wird.