DE102011002763A1 - Photobioreactor with illumination by means of light fittings - Google Patents
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Abstract
Gegenstand der Erfindung ist ein Photobioreaktor mit Beleuchtung mittels Leucht-Formteilen, welche im Innern des Photobioreaktors angeordnet sind, in dessen Innern das Kultivierungsmedium durchmischt wird, wobei die Leucht-Formteile im Abstand zueinander und im Abstand zu mindestens einer der Wände des Photobioreaktors angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflächen/Volumen-Verhältnis O/V der Oberfläche der Leucht-Formteile zum Volumen des Kultivierungsmediums O/V > 10 m2/m3 beträgt und beim Betrieb des Photobioreaktors eine Mischgüte von > 95% nach einer Mischzeit von 20 bis 200 s eingestellt wird.The invention relates to a photobioreactor with lighting by means of molded luminous parts which are arranged in the interior of the photobioreactor, in the interior of which the cultivation medium is mixed, the luminous molded parts being arranged at a distance from one another and at a distance from at least one of the walls of the photobioreactor. characterized in that the surface / volume ratio O / V of the surface of the illuminated molded parts to the volume of the cultivation medium O / V is> 10 m2 / m3 and when the photobioreactor is in operation, a mixing quality of> 95% after a mixing time of 20 to 200 s is set.
Description
Die Erfindung betrifft Photobioreaktoren mit Beleuchtung mittels Leucht-Formteilen in Form von LED-Formteilen oder lichtleitenden Formteilen.The invention relates to photobioreactors with illumination by means of luminous moldings in the form of LED moldings or light-conducting moldings.
Phototrophe Mikroorganismen, beispielsweise Mikroalgen wie Spirulina oder Chlorella, sind in der Lage, mit Hilfe von Lichtenergie, unter Vorhandensein entsprechender Nährelemente, CO2 und Wasser in Biomasse umzuwandeln. Anstelle von gasförmigem CO2 können auch organische oder anorganische Kohlenstoffquellen in Nährmedien als Kohlenstoffquelle eingesetzt werden. Einen Überblick über gängige geschlossene Kultivierungstechnologien gibt
Die wirtschaftliche Kultivierung phototropher Mikroorganismen im großtechnischen Maßstab ist aufgrund der Problematiken der Lichtversorgung, der monoseptischen Kulturführung sowie der Maßstabsvergrößerung bisher nicht gelöst. Ein universelles Standardsystem zur Kultivierung phototropher Mikroorganismen im Großmaßstab ist bis dato nicht verfügbar. Von mehreren Zehntausend Vertretern phototropher Mikroorganismen werden heute lediglich einige wenige Dutzend in größeren Mengen kultiviert, wobei dies meist in offenen, nicht kontaminationsfreien Systemen erfolgt. Die Kultivierungsbedingungen phototropher Mikroorganismen, die im Pilotmaßstab in geschlossenen Reaktoren prozessiert werden, sind bis dato über einen längeren Zeitraum nicht konstant zu halten. Probleme ergeben sich hier vorallem hinsichtlich der optimalen Lichtversorgung, und der Kontaminationsanfälligkeit herkömmlicher Anlagen. Zudem werden die Strömungsbedingungen im Reaktor durch zusätzliche Einbauten wie Leuchtelemente negativ beeinflußt.The economic cultivation of phototrophic microorganisms on an industrial scale has not yet been solved due to the problems of the light supply, the monoseptic culture and the scale-up. A universal standard system for the cultivation of phototrophic microorganisms on a large scale is not available until now. Of tens of thousands of phototrophic microorganisms, only a few dozen are currently cultivated in larger quantities, mostly in open, non-contaminated systems. The cultivation conditions of phototrophic microorganisms, which are processed on a pilot scale in closed reactors, can not be kept constant until now over a longer period of time. Problems arise here, especially with regard to the optimal light supply, and the susceptibility to contamination of conventional systems. In addition, the flow conditions in the reactor are adversely affected by additional fixtures such as lighting elements.
Aus der
Eine ähnliche Anordnung wird in der
In der Gebrauchsmusterschrift
Die
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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen geschlossenen Photobioreaktor zur Herstellung von phototrophen Mikroorganismen in konstanter und reproduzierbarer Produktqualität zur Verfügung zu stellen.The invention had the object of providing a closed photobioreactor for the production of phototrophic microorganisms in a constant and reproducible product quality available.
Gegenstand der Erfindung ist ein Photobioreaktor mit Beleuchtung mittels Leucht-Formteilen, welche im Innern des Photobioreaktors angeordnet sind, in dessen Innern das Kultivierungsmedium durchmischt wird, wobei die Leucht-Formteile im Abstand zueinander und im Abstand zu mindestens einer der Wände des Photobioreaktors angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflächen/Volumen-Verhältnis O/V der Oberfläche der Leucht-Formteile zum Volumen des Kultivierungsmediums O/V > 10 m2/m3 beträgt und beim Betrieb des Photobioreaktors eine Mischgüte von > 95% nach einer Mischzeit von 20 bis 200 s eingestellt wird.The invention relates to a photobioreactor with illumination by means of luminous molded parts, which are arranged in the interior of the photobioreactor, in the interior of which the culture medium is mixed, wherein the luminous moldings are arranged at a distance from each other and at a distance to at least one of the walls of the photobioreactor, characterized in that the surface / volume ratio O / V of the surface of the luminous moldings to the volume of the culture medium O / V> 10 m 2 / m 3 and the operation of the photobioreactor a mixing quality of> 95% after a mixing time of 20 is set to 200 s.
Geeignete Photobioreaktoren sind mit einem drucktragenden, gegebenenfalls temperaturbeständigem Mantel, beispielsweise aus Stahl, Edelstahl, Kunststoff oder Emaille, oder Keramik gefertigt. Es können transparente und nicht transparente Materialien eingesetzt werden, bevorzugt werden bei geschlossenen Reaktoren nicht transparente Materialien. Vorzugsweise wird der Photobioreaktor mit einer anwuchshemmenden Siliconbeschichtung ausgestattet wie dies in der
Die Reaktorvolumina können beliebig gewählt werden. Aufgrund der drucktragenden Materialien ist im Gegensatz zu Reaktoren, welche aus Glas bestehen, eine hohe, grundflächensparende Bauweise für die Massenproduktion möglich. Weiter kann bei erhöhtem Druck gearbeitet werden, vorzugsweise in einem Bereich von 0,1 bis 5 bar Überdruck.The reactor volumes can be chosen arbitrarily. Due to the pressure-bearing materials, in contrast to reactors, which are made of glass, a high, space-saving design for mass production is possible. Next can be carried out at elevated pressure, preferably in a range of 0.1 to 5 bar overpressure.
Der Photobioreaktor ist vorzugsweise zur Befüllung und Nährstoffversorgung mit Zuleitungen und zur Produktabtrennung und Entleerung mit Ableitungen ausgestattet. Für eine kontinuierliche Fahrweise empfiehlt sich gegebenenfalls die Ausstattung mit einem externen Loop, in dem Phasentrennapparate oder Module zur Dialyse, Umkehrosmose sowie Mikro- oder Nanofiltration angeordnet sind. Zur Wärmeabfuhr und Beheizung kann der Photobioreaktor gegebenenfalls mit einem Doppelmantel, Halbrohrschlangen an den Reaktorwänden oder innenliegenden Wärmeaustauschern ausgestattet werden. Des weiteren kann der Reaktor noch Rühreinrichtungen und Pumpen zur Durchmischung enthalten. Vorzugsweise erfolgt die Durchmischung durch Begasen mit dem Feed-Gas analog in einer Blasensäule nach dem Airlift-Prinzip, ohne zusätzliche mechanische Energie. Vorzugsweise ist der Photobioreaktor mit einer Dampfsterilisationseinheit ausgestattet.The photobioreactor is preferably equipped for filling and nutrient supply with feed lines and for product separation and discharge with discharges. For a continuous procedure, it may be advisable to equip it with an external loop in which phase separation devices or modules for dialysis, reverse osmosis and micro- or nanofiltration are arranged. For heat removal and heating, the photobioreactor can optionally be equipped with a double jacket, half-pipe coils on the reactor walls or internal heat exchangers. Furthermore, the reactor may still contain agitators and pumps for mixing. Preferably, the mixing is carried out by gassing with the feed gas analogously in a bubble column according to the airlift principle, without additional mechanical energy. Preferably, the photobioreactor is equipped with a steam sterilization unit.
Zur Beleuchtung werden Leucht-Formteile, welche ein oder mehrere LED-Leuchtkörper, oder ein lichtleitendes Material (Lichtleiter), in einer oder mehreren transparenten Matrices eingeschlossen enthalten, eingesetzt, oder Formteile, welche aus lichtleitendem Materialien (Lichtleiter) bestehen, eingesetzt.For lighting, luminous moldings which contain one or more LED filaments, or a light-conducting material (light guide), enclosed in one or more transparent matrices, are used, or moldings which consist of light-conducting materials (light guides) are used.
Geeignete Materialien für die Matrix der Leucht-Formteile sind transparente Materialien, beispielsweise aus Glas oder aus thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoffen wie Acrylglas, Polyethylen, Polypropylen, PVC, Polyamide, Polyester wie PET. Bevorzugt werden Silicone. Geeignetete Silicone sind in der
Geeignete LED-Leuchtkörper sind strahlungsemittierende Halbleiterbauelemente von organischen (OLED) oder anorganischen Halbleitern, sogenannte LEDs. Bei den LEDs kann es sich um bereits mit Kunststoff verkapselte Dioden oder um unverkapselte Dioden handeln. Die LEDs können im Infrarot-Bereich, im sichtbaren Bereich oder im UV-Bereich strahlen. Die Auswahl hängt von der beabsichtigten Anwendungen ab. Für die Photosynthese in Photobioreaktoren werden LEDs bevorzugt, welche im sichtbaren Bereich strahlen, insbesondere rotes Licht. Die in dem transparenten Formkörper eingebetteten LEDs können bei gleicher Wellenlänge emittieren. Es können aber auch LEDs mit unterschiedlicher Strahlungscharakteristik miteinander kombiniert werden. Im allgemeinen sind in dem LED-Formteil mehrere LEDs miteinander leitend verbunden, in Reihe und/oder parallel geschaltet. Die LED-Anordnung kann mit Sensoren verbunden sein, sowie mit Mess-/Steuerungseinrichtungen. Die LED-Leuchtkörper können kontinuierlich oder gepulst betrieben werden. Die Anzahl der LEDs und deren Anordnung zueinander hängt von deren Anwendung ab.Suitable LED filaments are radiation-emitting semiconductor components of organic (OLED) or inorganic semiconductors, so-called LEDs. The LEDs may be already encapsulated with plastic diodes or unencapsulated diodes. The LEDs can radiate in the infrared range, in the visible range or in the UV range. The choice depends on the intended applications. For photosynthesis in photobioreactors, LEDs are preferred which emit in the visible range, in particular red light. The embedded in the transparent molded body LEDs can emit at the same wavelength. However, LEDs with different radiation characteristics can also be combined with one another. In general, a plurality of LEDs are conductively connected to one another in the LED molded part, connected in series and / or in parallel. The LED array may be connected to sensors as well as to measurement / control devices. The LED luminaires can be continuous or pulsed operate. The number of LEDs and their arrangement depends on their application.
Geeignete lichtleitende Materialien sind Lichtleiter aus einem transparenten Material, meist Glas oder Kunststoff. Beispiele für Lichtleiter sind Lichtwellenleiter, Glasfasern, polymere optische Fasern oder andere lichtleitende Bauteile aus Kunststoff sowie Faseroptik-Komponenten. Geeignet sind auch phosphoreszierende Lichtleiter, welche Licht über viele Stunden speichern können, und das tagsüber aufgenommene Sonnenlicht, während der Nacht abgeben können. Die Lichtleiter sind so ausgerüstet, dass das Licht gleichmäßig über die gesamte Ausdehnung des Lichtleiters abgegeben wird. Gegebenenfalls können die Lichtleiter mit einer Linse, beispielsweise einer Fresnel-Linse, ausgerüstet werden, um das Licht vor Einleitung in den Lichtleiter zu bündeln und zu verstärken.Suitable light-conducting materials are optical fibers of a transparent material, usually glass or plastic. Examples of light guides are optical waveguides, glass fibers, polymeric optical fibers or other light-conducting components made of plastic and fiber optic components. Also suitable are phosphorescent light guides, which can store light for many hours, and can absorb the daytime sunlight during the night. The light guides are equipped so that the light is emitted evenly over the entire extent of the light guide. Optionally, the optical fibers may be equipped with a lens, such as a Fresnel lens, to focus and amplify the light prior to being introduced into the optical fiber.
Bei den Lichtleitern werden solche auf der Basis von Thermoplastischen Silicon-Elastomeren (TPSE) bevorzugt. Thermoplastische Siliconelastomere enthalten einen Organopolymeranteil, beispielsweise Polyurethan oder Polyvinylester, und einen Siliconanteil, meist auf Basis von Polydialkylsiloxan-Basis der obengenannten Spezifikation. Geeignete Thermoplastische Siliconelastomere sind im Handel erhältlich, beispielsweise die entsprechenden GeniomerR-Typen der Wacker Chemie.In the light guides, those based on thermoplastic silicone elastomers (TPSE) are preferred. Thermoplastic silicone elastomers contain an organopolymer moiety, for example polyurethane or polyvinyl ester, and a silicone moiety, mostly based on polydialkylsiloxane-based of the abovementioned specification. Suitable thermoplastic silicone elastomers are commercially available, for example the corresponding Geniomer R types from Wacker Chemie.
Im allgemeinen sind die Leucht-Formteile in der Weise mit LEDs bestückt oder mit Lichtleiter ausgerüstet, dass die Leucht-Formteile eine Oberflächenbestrahlungsstärke von 1 bis 5 × 104 μmol Photonen/m2/s aufweisen. Bei kontinuierlichem Betrieb liegt die Oberflächenbestrahlungsstärke vorzugsweise bei 1 bis < 1 × 103 μmol Photonen/m2/s. Bei gepulstem Betrieb kann die Oberflächenbestrahlungsstärke auch bei vorzugsweise 10 bis 5 × 104 μmol Photonen/m2/s, besonders bevorzugt bei 1 × 103 bis 5 × 104 μmol Photonen/m2/s liegen. Bei mit LEDs bestückten Leucht-Formteilen wird bevorzugt, dass die LEDs möglichst über die gesamte Fläche des Formteils gleichmäßig verteilt vorliegen.In general, the luminous moldings are equipped with LEDs or equipped with light guides in such a way that the luminous moldings have a surface irradiance of 1 to 5 × 10 4 .mu.mol photons / m 2 / s. In continuous operation, the surface irradiance is preferably 1 to <1 x 10 3 μmol photons / m 2 / s. In pulsed mode, the surface irradiance may also be preferably 10 to 5 × 10 4 μmol photons / m 2 / s, more preferably 1 × 10 3 to 5 × 10 4 μmol photons / m 2 / s. In the case of luminous molded parts equipped with LEDs, it is preferred that the LEDs be distributed as uniformly as possible over the entire surface of the molded part.
Die genannten Bereiche für die Oberflächenbestrahlungsstärke können dadurch erreicht werden, dass Leuchtformteile mit einer Oberflächenbestrahlungsstärke innerhalb der genannten Bereiche eingesetzt werden, oder auch dadurch erhalten werden, dass Leucht-Formteile kombiniert werden, welche teilweise eine Oberflächenbestrahlungsstärke ausserhalb der genannten Bereiche aufweisen, aber im Mittel die genannten Werte für die Oberflächenbestrahlungsstärke ergeben.The above areas for the surface irradiance can be achieved by using luminous moldings having a surface irradiance within said ranges, or also obtained by combining luminous moldings which partly have a surface irradiance outside of said ranges, but on average the given values for the surface irradiance.
Die Anordnung der Leucht-Formteile ist derart gestaltet, dass eine gleichmäßige Ausleuchtung aufgrund eines hohen Oberflächen-Volumen-Verhältnis (O/V) bezüglich der Bestrahlung gewährleistet ist, unter Gewährleistung einer Rührkesselcharakteristik mit vollständiger Rückvermischung und geringen Mischzeiten. Dadurch werden ein effektiver Wärmeaustausch, ein effektiver Gasaustausch sowie homogene Reaktionsbedingungen gewährleistet und Gradienten bezüglich relevanter Prozessparameter vermieden. Dies ist als Voraussetzung besonders relevant für die Sicherstellung hoher und spezieller Stoffwechselleistungen, die sehr sensitiv von den Umgebungsbedingungen abhängig sind. Ein Beispiel stellt die Produktion von Sekundärmetaboliten dar. Relevante Prozessparameter stellen neben der Lichtversorgung beispielsweise pH-Wert, Nährstoffkonzentrationen, Sauerstoffpartialdruck und Temperatur dar.The arrangement of the luminous molded parts is designed so that a uniform illumination due to a high surface-to-volume ratio (O / V) is ensured with respect to the irradiation, ensuring a stirred tank characteristic with complete backmixing and low mixing times. This ensures effective heat exchange, effective gas exchange and homogeneous reaction conditions and prevents gradients in terms of relevant process parameters. As a prerequisite, this is particularly relevant for ensuring high and special metabolic performances that are very sensitive to the environmental conditions. One example is the production of secondary metabolites. In addition to the light supply, relevant process parameters are, for example, pH value, nutrient concentrations, partial pressure of oxygen and temperature.
Das Oberflächen/Volumen-Verhältnis O/V, das heißt das Verhältnis von der Oberfläche O der Leucht-Formteile zum Volumen V des Kultivierungsmediums beträgt im allgemeinen O/V ≥ 10 m2/m3, vorzugsweise beträgt das O/V von 10 bis 100 m2/m3, insbesondere von 30 bis 80 m2/m3. Unter der Oberfläche O ist der Teil der Gesamtoberfläche eines LED-Formteils zu verstehen, welcher mit LEDs belegt ist. Beispielsweise bei einem zylindrischen LED-Formteil, welches nur an der Aussenseite des Zylinders mit einer oder vielen LEDs belegt ist, gilt nur die Fläche der Aussenseite als Oberfläche O. Bei dem Einsatz von lichtleitenden Materialien ist die Oberfläche O so definiert, dass diese die Fläche umfasst über die der Lichtleiter Licht abgestrahlt. Unter dem Volumen V des Kultivierungsmediums ist das Volumen zu verstehen, welches im Reaktor von dem Kultivierungsmedium eingenommen wird.The surface / volume ratio O / V, that is, the ratio of the surface O of the luminous moldings to the volume V of the culture medium is generally O / V ≥ 10 m 2 / m 3 , preferably, the O / V is from 10 to 100 m 2 / m 3 , in particular from 30 to 80 m 2 / m 3 . Under the surface O is the part of the total surface of an LED molded part to understand, which is covered with LEDs. For example, in the case of a cylindrical LED molded part, which is only covered on the outside of the cylinder with one or many LEDs, only the surface of the outside surface O. When using light-conducting materials, the surface O is defined so that this surface includes over which the light guide emits light. The volume V of the culture medium is to be understood as the volume which is taken up by the culture medium in the reactor.
Die Leucht-Formteile werden dabei vorzugsweise so angeordnet, dass über das mit dem Kulturmedium befüllten Reaktorvolumen eine volumetrische Bestrahlungsstärke von 1 × 102 bis 5 × 105 μmol Photonen/m3/s resultiert, vorzugsweise 5 × 103 bis 5 × 104 μmol Photonen/m3/s.The luminescent shaped parts are preferably arranged such that a volumetric irradiation intensity of 1 × 10 2 to 5 × 10 5 μmol photons / m 3 / s results via the reactor volume filled with the culture medium, preferably 5 × 10 3 to 5 × 10 4 μmol photons / m 3 / s.
Wesentlich für den Photobioreaktor ist auch, dass beim Betrieb eine Rührkesselcharakteristik erhalten bleibt, welche durch die entsprechende Anordnung der Leucht-Formteile erreicht wird. Rührkesselcharakteristik heißt verfahrenstechnisch eine vollständige Durchmischung des Kultivierungsmediums über den gesamten befüllten Reaktorraum. Rührkesselcharakteristik bedeutet im Fall der vorliegenden Erfindung eine Mischgüte von ≥ 95 Die Mischgüte soll dabei innerhalb einer Mischzeit von 20 bis 200 s erhalten werden.It is also essential for the photobioreactor that during operation a stirred tank characteristic is maintained, which is achieved by the corresponding arrangement of the luminous moldings. Rührkesselcharakteristik means procedurally a thorough mixing of the culture medium over the entire filled reactor space. Rührkesselcharakteristik means in the case of the present invention, a mixing grade of ≥ 95 The mixing quality is to be obtained within a mixing time of 20 to 200 s.
Die statistische Kenngröße Mischgüte verwendet man zur Charakterisierung des Mischzustandes. Sie gestattet eine quantitative Aussage des kompletten aus diffusivem und konvektivem Stoffaustausch resultierenden Mischvorgangs. Bei einer Abweichung von 5 vom Endwert der Konzentration beträgt die Mischgüte 95%, das heißt, bei der Messung der Konzentration der Mischung, in einem beliebigen Volumenanteil der Mischung, ist der Endwert der Konzentration mit einer Abweichung von +5% erreicht. Die Mischgüte kann in dem Fachmann bekannter Weise, beispielsweise mit dem in dem Beispiel angewandten Markierungsverfahren, ermittelt werden.The statistical parameter mixing quality is used to characterize the mixing state. It allows a quantitative statement of the complete mixing process resulting from diffusive and convective mass transfer. At a Deviation of 5 from the final value of the concentration is the mixing quality 95%, that is, when measuring the concentration of the mixture, in any volume fraction of the mixture, the final value of the concentration is reached with a deviation of + 5%. The mixing quality can be determined in a manner known to the person skilled in the art, for example using the marking method used in the example.
Unter Mischzeit versteht man die Zeit, die benötigt wird, um einen der Reaktionsmasse zugeführten Spurenstoff vollständig mit ihr zu vermischen. Der Zustand der idealen Homogenität einer Mischung tritt nach Zugabe der mischbaren Substanz erst nach unendlicher Zeit ein. Daher wird in der Praxis die Mischzeit als Zeitdauer bis zum Erreichen einer maximalen Abweichung von +5% vom Endwert der Konzentrationsmessung, das heißt einer Mischgüte von > 95%, für die mischbare Substanz definiert.Mixing time refers to the time required to completely mix a trace substance fed to the reaction mass. The state of ideal homogeneity of a mixture occurs after the addition of the miscible substance only after an infinite time. Therefore, in practice, the mixing time is defined as the time to reach a maximum deviation of + 5% from the end value of the concentration measurement, ie a mixing grade of> 95%, for the miscible substance.
Die Leucht-Formteile werden frei im Volumen und ohne großflächigen Kontakt der Leucht-Formteile zu Boden oder Deckel des Reaktionsgefäßes angebracht. Beispielsweise über bereits vorhandene Aufhängpunkte an der Reaktorbehälterseitenwand, das sind im Falle der Verwendung von Rührkessel-Fermentern zum Beispiel Laschen für die Befestigung von Strömungsbrechern.The luminous moldings are mounted freely in volume and without extensive contact of the luminous moldings to the bottom or lid of the reaction vessel. For example, over existing suspension points on the reactor vessel side wall, which are in the case of using stirred tank fermenters, for example, tabs for the attachment of flow breakers.
Die Leucht-Formteile können auch mittels Seilen oder Stangen an der Reaktorwand, inklusive Deckel und Boden, befestigt werden. Die Leucht-Formteile können sich auch in speziellen Halterungen befinden, die mit den genannten Aufhängpunkten verbunden werden können. Alternativ kann eine Positionierung der Leucht-Formteile über bloßes Hineinstellen von die Leucht-Formteile enthaltenden Halterungen in den Reaktor erfolgen. Die Einbauten sind dabei nicht mit dem Boden oder Deckel in der Art verbunden, dass eine räumliche Abtrennung entsteht. Es findet vielmehr ein Queraustausch des Kultivierungsmedium über den Reaktorquerschnitt statt.The luminous moldings can also be attached by means of ropes or rods to the reactor wall, including the lid and bottom. The luminous moldings can also be located in special brackets that can be connected to said suspension points. Alternatively, a positioning of the luminous moldings can be carried out by simply placing the holders containing the luminous moldings in the reactor. The internals are not connected to the floor or lid in the way that a spatial separation arises. Rather, there is a cross-exchange of the culture medium over the reactor cross section.
Die Leucht-Formteile können beliebige Formgestalt aufweisen. Im Allgemeinen sind die Photobioreaktoren zylinderförmig. Vorzugsweise leitet sich die Formgestalt der Leucht-Formteile daher vom Zylinder ab. Die Leucht-Formteile können demgemäß die Gestalt eines Zylinders haben oder die Gestalt von Zylindersegmenten wie Zylinderhalbschale. Beispiele für die Formgestalt der Leucht-Formteile sind auch gekrümmte Platte, Ringe oder Helix und auch ebene Platte. Leucht-Formteile in Form von ebenen Platten können kreisförmig ausgebildet sein (scheibenförmig) oder auch als Mehreck wie Dreieck, Viereck, Sechseck, Oktagon etc..The luminous moldings can have any desired shape. In general, the photobioreactors are cylindrical. The shape shape of the luminous molded parts is therefore preferably derived from the cylinder. The luminous moldings may accordingly have the shape of a cylinder or the shape of cylinder segments such as cylinder half-shell. Examples of the shape of the luminous moldings are also curved plate, rings or helix and also flat plate. Luminous moldings in the form of flat plates may be circular (disk-shaped) or also polygonal, such as triangle, quadrangle, hexagon, octagon, etc.
Geeignet sind auch Leucht-Formkörper in Gestalt von Hohlkörpern mit polyedrischer Grundfläche.Also suitable are light-shaped bodies in the form of hollow bodies with polyhedral base.
Es können auch mehrere Leucht-Formteile ineinander gesteckt werden, vorzugsweise mit Zwischenräumen. Mehrere zylindrische Leucht-Formteile können beispielsweise konzentrisch zueinander angeordnet werden.It can also be plugged into each other several lighting moldings, preferably with gaps. For example, a plurality of cylindrical luminous moldings can be arranged concentrically with one another.
Die erfindungsgemäßen Photobioreaktoren mit Beleuchtung mittels Leucht-Formteilen eignen sich zur Kultivierung von phototrophen Mikroorganismen. Bevorzugt zur Kultivierung von phototrophen Mikroalgen.The photobioreactors according to the invention with illumination by means of luminous moldings are suitable for the cultivation of phototrophic microorganisms. Preferred for the cultivation of phototrophic microalgae.
Die Erfindung wird in
Fig. 1: LED-Formteile in RührkesselfermenterFig. 1: LED moldings in Rührkesselfermenter
Die Photobioreaktoreinheit ist aus einem Rührkesselfermenter in Form eines Reaktorgehäuses
Der LED-Einbau umfasst die Halterung
Die Umwälzung, Durchmischung und Suspendierung der im Reaktorgehäuse
Beispiel 1: Kultivierung bei anspruchsgemäßem O/V-Verhältnis und BestrahlungsstärkeExample 1: Cultivation with demanding O / V ratio and irradiance
Ein Reaktor analog dem in
- (1) Höhe 350 mm, mittlerer Durchmesser 40 mm, 420 LED's
- (2) Höhe 350 mm, mittlerer Durchmesser 86 mm, 1020 LED's
- (3) Höhe 350 mm, mittlerer Durchmesser 132 mm, 1560 LED's
- (4) Höhe 350 mm, mittlerer Durchmesser 178 mm, 2160 LED's Damit resultierte eine Gesamtanzahl von 5160 LED's bei einem O/V von 39 m2/m3.
- (1) height 350 mm, average diameter 40 mm, 420 LED's
- (2) height 350 mm, average diameter 86 mm, 1020 LED's
- (3) height 350 mm, average diameter 132 mm, 1560 LED's
- (4) height 350 mm, average diameter 178 mm, 2160 LED's This resulted in a total of 5160 LED's with an O / V of 39 m 2 / m 3 .
Die LED-Formteile bestanden im Kern aus einer Edelstahlfolie, auf der einzelne LED-Emitter einer Wellenlänge von 620–625 nm und der Leistung von 83 mW angeordnet und miteinander verschaltet/verdrahtet waren. Die resultierenden LED-Platinen wurden mit einer Epoxidharz-Schicht versiegelt und mittels Siliconverguss umhüllt/verkapselt. Die installierte Gesamtleistung betrug 430 W.The LED molded parts consisted of a stainless steel foil in the core, on which individual LED emitters of a wavelength of 620-625 nm and the power of 83 mW were arranged and interconnected / wired. The resulting LED boards were sealed with an epoxy resin layer and encapsulated by silicone potting. The installed total power was 430 W.
Die Messung der Bestrahlungstärke ergab bei Volllast Maximalwerte von 1 × 103 bis 2 × 103 μE/m2/s für die Oberflächenbestrahlungsstärke und entsprechend 42 × 103 bis 84 × 103 μE/m3/s für die volumetrische Bestrahlungsstärke. Die Bestrahlungstärken konnten durch Dimmen der LEDs reduziert werden.Measurement of irradiance at maximum load gave maximum values of 1 × 10 3 to 2 × 10 3 μE / m 2 / s for the surface irradiance and correspondingly 42 × 10 3 to 84 × 10 3 μE / m 3 / s for the volumetric irradiance. The irradiation intensities could be reduced by dimming the LEDs.
Die Kultivierung erfolgte mit dem Organismus Porphyridium purpureum in artifiziellem Seewassermedium (ASW-Medium) und einem Reaktionsvolumen von 22 l. Die beschriebenen LED-Formteile (1) bis (4) waren konzentrisch zueinander im Reaktorvolumen angeordnet. Der Betrieb der LEDs wurde gepulst mit einer Frequenz von 500 Hz bei einer effektiven Leistung von 100 W durchgeführt. Die weiteren Reaktionsbedingungen waren: eine Kultivierungstemperatur von 25°C, ein pH-Wert von 7, der über die Zufuhr von CO2 geregelt wurde, eine Rührerdrehzahl von 200 rpm (Axialrührer) und eine Begasungsrate von 1 vvm (Volumen/Volumen/Minute). Die Kultivierung wurde im Batch-Betrieb durchgeführt. Es resultierte eine maximale spezifische Wachstumsrate von 0,75 d–1.Cultivation was carried out with the organism Porphyridium purpureum in artificial seawater medium (ASW medium) and a reaction volume of 22 l. The described LED molded parts (1) to (4) were arranged concentrically to each other in the reactor volume. The operation of the LEDs was pulsed at a frequency of 500 Hz with an effective power of 100W. The further reaction conditions were: a cultivation temperature of 25 ° C, a pH of 7, which was controlled by the supply of CO 2 , a stirrer speed of 200 rpm (axial stirrer) and a gassing rate of 1 vvm (volume / volume / minute) , The cultivation was carried out in batch mode. This resulted in a maximum specific growth rate of 0.75 d -1 .
Beispiel 2Example 2
Vermessung der Strömungscharakteristik in einem Reaktor gemäß Beispiel 1 (ohne Kultivierungsmedium)Measurement of the flow characteristic in a reactor according to Example 1 (without culture medium)
Anhand der Messung der Verweilzeit wurden Erkenntnisse über das Strömungsbild und die Rückvermischung in dem 25 Liter Rührkesselfermenter gewonnen. Dies geschah durch eine Stoßmarkierung mit Kaliumchlorid und nachfolgender Messung der Leitfähigkeit. Der Reaktor war mit 24 Liter H2O gefüllt. Zur Stoßmarkierung wurden 10 ml einer 3-molaren Kaliumchloridlösung verwendet. Diese wurde mit Hilfe einer Spritze zwischen äußersten Zylinder und Behälterwand etwa 8 cm unter dem Flüssigkeitspegel in den Reaktor eingebracht. Die Messung der Leitfähigkeit geschah 10 cm unter dem Flüssigkeitsspiegel in der Mittelachse des Reaktors mit Hilfe einer Leitfähigkeitssonde. Dabei wurde die Lösung von unten über einen Ring begast. Daneben wurde der Reaktorinhalt unterhalb des Zylinders mittels eines Propellerrührers durchmischt.On the basis of the measurement of the residence time, knowledge about the flow pattern and the backmixing in the 25 liter stirred tank fermenter were obtained. This was done by means of an impact marking with potassium chloride and subsequent measurement of the conductivity. The reactor was filled with 24 liters of H 2 O. For impact marking, 10 ml of a 3 molar potassium chloride solution was used. This was introduced by means of a syringe between the outermost cylinder and vessel wall about 8 cm below the liquid level in the reactor. The conductivity was measured 10 cm below the liquid level in the central axis of the reactor by means of a conductivity probe. The solution was gassed from below via a ring. In addition, the reactor contents were mixed below the cylinder by means of a propeller stirrer.
Die zeitliche Entwicklung der Leitfähigkeit wurde bis zum Erreichen eines nahezu konstanten Wertes aufgezeichnet, wobei als Startpunkt die Injektion der KCl-Lösung diente. Zur Beurteilung des Zustandes der Rückvermischung im Reaktor wurde die Zeit nach Injektion angegeben, bei der die Leitfähigkeit nicht mehr als 5% vom konstanten Wert (vollständige Rückvermischung) abweicht. Zur Beeinflussung der Strömungszustände im Reaktor wurde die Rührerdrehzahl von 100–300 l/min und die Begasungsrate zu 0,5 und 1 vvm (Gas-Volumen/Flüssigkeits-Volumen/Minute) variiert.The time evolution of the conductivity was recorded until a nearly constant value was reached, starting with the injection of the KCl solution. In order to assess the state of backmixing in the reactor, the time after injection was indicated, at which the conductivity did not deviate more than 5% from the constant value (complete backmixing). To influence the flow conditions in the reactor, the stirrer speed of 100-300 l / min and the gassing rate to 0.5 and 1 vvm (gas volume / liquid volume / minute) was varied.
Die Messungen wurden mit 3 unterschiedlichen Stellungen des LED-Einbaus vorgenommen.The measurements were made with 3 different positions of the LED installation.
In einer Stellung wurden die Zylinder in der Form so zueinander versetzt waren, dass sich die Oberkante des innersten Zylinder 3 cm unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche und die Oberkanten der beiden anderen Zylinder 6,5 cm unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche befanden.In one position, the cylinders were offset in shape so that the top of the innermost cylinder was 3 cm below the liquid surface and the top edges of the other two cylinders were 6.5 cm below the liquid surface.
In der zweiten Stellung befanden sich die Oberkanten des innersten und des zweitkleinsten Zylinders jeweils 6,5 cm unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche und die Oberkanten der beiden anderen Zylinder jeweils 3 cm unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche.In the second position, the upper edges of the innermost and second smallest cylinders were each 6.5 cm below the liquid surface and the upper edges of the other two cylinders were each 3 cm below the liquid surface.
In der dritten Stellung befanden sich die Oberkanten der vier Zylinder jeweils 3 cm unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche.In the third position, the upper edges of the four cylinders were each 3 cm below the liquid surface.
Für alle Stellungen wurde die Mischgüte von 95% in den Einstellungen für die Begasung von 0, 0,5 und 1 vvm sowie für die Rührerdrehzahl von 0, 100, 200 300 Umdrehungen pro Minute innerhalb einer Mischzeit von 20–100 s erhalten.For all positions, the mixing quality of 95% in the settings for the gassing of 0, 0.5 and 1 vvm and for the stirrer speed of 0, 100, 200 300 revolutions per minute within a mixing time of 20-100 s was obtained.
Vermessung der Beleuchtungscharakteristik in Beispiel 1:
Die Bestrahlungscharakteristik im Reaktorinnenraum mit LED-Einbau wurde über Messung der Photonenflußdichte an einer repräsentativen Anzahl von Punkten im Reaktorvolumen verteilt vorgenommen und anschließend über die abstrahlende Fläche unter Berücksichtugen des O/V-Verhältnisses oder des Reaktorvolumens gemittelt.Measurement of the illumination characteristic in Example 1:
The irradiation characteristic in the reactor interior with LED installation was made by measuring the photon flux density distributed at a representative number of points in the reactor volume and then averaged over the radiating surface, taking into account the O / V ratio or the reactor volume.
Die Messung der Photonenflußdichte erfolgte in der Fläche oder sphärisch mit dem Universal Light Meter ULM-500 der Firma Heinz Walz GmbH. Dabei wurde die Photonenanzahl des photosynthetisch aktiven Lichtes im Bereich von 400–700 nm Wellenlängen integriert detektiert.The photon flux density was measured in the area or spherically with the Universal Light Meter ULM-500 from Heinz Walz GmbH. The photon count of the photosynthetically active light in the range of 400-700 nm wavelengths was detected integrated.
Mit der erfindungsgemäßen Kombination aus definiertem Oberflächen/Volumenverhältnis und definierter Mischgüte für die Anordnung der Leucht-Formteile im Reaktor werden sowohl das Licht als auch die Komponenten des Kultivierungsmediums gleichmäßig im Reaktor verteilt. With the inventive combination of defined surface / volume ratio and defined mixing quality for the arrangement of the luminous molded parts in the reactor, both the light and the components of the cultivation medium are distributed uniformly in the reactor.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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