DE102011055448A1

DE102011055448A1 - Verfahren, Photobioreaktor und Photosyntheseschichten zur Kultur photoautotropher Mikroorganismen

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Publication number: DE102011055448A1
Application number: DE102011055448A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Ehwald; Lars Bähr; Arne Wüstenberg; Herve Joel Soh
Original assignee: Humboldt Universitaet zu Berlin
Current assignee: CELLDEG GBR (VERTRETUNGSBERECHTIGTER GESELLSCH, DE
Priority date: 2011-11-17
Filing date: 2011-11-17
Publication date: 2013-05-23
Also published as: WO2013072495A2; WO2013072495A3; US20140315280A1; US9200244B2

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Kultivierung von photoautotrophen Mikroorganismen vorgeschlagen, umfassend: – Bereitstellen einer ein Photosynthesemedium und darin suspendierte photoautotrophe Mikroorganismen enthaltenden Photosyntheseschicht (2) in einem abgeschlossenen Aufnahmeraum mit einer gasdiffusionshemmenden Außenbegrenzung (1), wobei die Photosyntheseschicht (2) eine mittlere Dicke von nicht mehr als 10 mm aufweist; – Belichten der Photosyntheseschicht (2) ohne das Verwirbeln oder Durchleiten eines Gases im Photosynthesemedium unter Begrenzung des diffusiven Gasaustausches des Aufnahmeraumes mit der Umgebung, wobei die Versorgung der Mikroorganismen im Photosynthesemedium mit Hydrogencarbonationen durch das Speichern von Hydrogencarbonationen im Photosynthesemedium und/oder das Liefern eines Photosynthesesubstrats in Form von Kohlendioxid und/oder Hydrogencarbonat aus einem zellfreien Kohlenstoffvorratsmedium (4) außerhalb der Photosyntheseschicht aufrechterhalten wird; und – Ableiten eines bei der Photosynthese gebildeten Gases aus dem Aufnahmeraum. Weiterhin wird ein Photobioreaktor zur Kultivierung von photoautotrophen Mikroorganismen vorgeschlagen, der einen abgeschlossenen Aufnahmeraum mit einer Gasdiffusion-hemmenden Außenbegrenzung umfasst, wobei der Aufnahmeraum aufweist: – ein erstes Kompartiment zur Ausbildung einer Photosyntheseschicht (2), die eine mittlere Dicke von nicht mehr als 10 mm aufweist; – und mindestens ein zweites Kompartiment zur Aufnahme eines Kohlenstoffvorratsmediums (4), das vom ersten Kompartiment durch mindestens eine Membran getrennt ist, die durchlässig ist für mindestens ein Photosynthesesubstrat ausgewählt aus der Gruppe umfassend Kohlendioxid und Hydrogencarbonationen.

Description

Gegenwärtig wird mit Hilfe der Gentechnologie das Spektrum der von photoautotrophen Mikroorganismen industriell produzierten Stoffe erweitert. Als photoautotrophe Mikroorganismen werden im folgenden Cyanobakterien und eukariontische Mikroalgen verschiedener Abteilungen, vor allem der Rhodophyta, Heterokonta, Euglenophyta und Chlorophyta mit einer Größe der Zellen oder Zellaggregate unter 20 µm bezeichnet. Die Genome des Cyanobakteriums Sychenocystis sp. PCC 6803, der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii und weiterer biotechnologisch bedeutsamer phototropher Mikroorganismen sind entschlüsselt und es wurden bereits transgene Stämme mit dem Potential zur Photosynthese verschiedener biotechnologisch relevanter organischer Stoffe hergestellt. Als wesentliche Kohlenstoffquelle nutzt man in Photobioreaktoren Kohlendioxid, das den Zellsuspensionen dieser Mikroorganismen durch Einleiten von Luft oder Kohlendioxid-Luftmischungen zugeführt wird. Die Vermeidung von Kohlendioxid-Verarmungszonen und Lichtmangelgebieten in Photobioreaktoren mit Cyanobakterien und Mikroalgen geringer Größe ist bei hoher Biomassekonzentration technisch aufwändig. Der Einsatz von Alkalihydrogencarbonat in hohen Konzentrationen ist eine bekannte Möglichkeit der Förderung des anfänglichen Wachstums und des pH-Anstieges bei der Kultur des alkaliphilen großzelligen Organismus Spirulina plantenis in belichteten Becken, die Kohlendioxid mit der Atmosphäre austauschen. Als einzige Kohlenstoffquelle für die Photosynthese kann ein Hydrogencarbonatmedium aus stöchiometrischen Gründen nur dann genügend Vorrat für hohe Wachstumsraten bei hohen Biomassekonzentrationen enthalten, wenn es das Hydrogencarbonat in einer Konzentration von über 200 mM enthält. Es ist bekannt, dass es bereits bei weit niedrigeren Konzentrationen an Alkalihydrogencarbonat nach anfänglich gutem Wachstum zum Absterben zahlreicher Kulturen kommt.
Das Wachstum geschüttelter Kulturen photoautotropher Mikroorganismen kann durch ein membranbegrenztes Kohlendioxid-Reservoir gefördert werden. Letzteres besteht aus einer konzentrierten wässrigen Pufferlösung aus Hydrogencarbonat- und Carbonationen in einem Beutel aus dünner Polyethylenfolie. Das Kohlendioxid wird durch die gasdurchlässige Membran an die Zellsuspension mit membrankontrollierter Geschwindigkeit abgegeben.
Um mit geringem Aufwand die Kohlenstoffernährung der photoautotrophen Mikroorganismen in belichteten Photosyntheseschichten begrenzter Dicke zu verbessern und eine gute Substratverteilung mit einer optimalen Lichtverteilung bei der Produktion von Sauerstoff, Biomasse oder organischer Stoffe durch photoautotrophe Mikroorganismen zu verbinden, werden Verfahren, Photobioreaktoren und Photosyntheseschichten in verschiedenen Ausführungsformen entsprechend den Ansprüchen 1 bis 22 vorgeschlagen.
Durch den Einsatz der Zellsuspensionen photoautotropher Mikroorganismen in Photosyntheseschichten begrenzter Dicke wird erreicht, dass die Photosynthese durch Lichtmangel erst bei hohen Zelldichten limitiert wird. Photosyntheseschichten im hier gebrauchten Sinne sind mit einer Gasphase direkt in Kontakt stehende Flüssigkeitsschichten oder Flüssigkeitsräume begrenzter Dicke, die durch einen lichtdurchlässigen Feststoff festgelegt wird. Die Anordnung der Suspensionen photoautotrophen Mikroorganismen in Schichten mit begrenzter Dicke begünstigt eine hohe Photosyntheserate, bezogen auf das Volumen der Zellsuspension. In dünnen Photosyntheseschichten, die eine effiziente Lichtverteilung ermöglichen, wird ein Verwirbeln der Zellen durch Ein- oder Durchleiten eines Kohlendioxid enthaltenden Gases vermieden.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird eine Photosyntheseschicht mit einer mittleren Schichtdicke von ca. 10 mm oder weniger in einem Photobioreaktor dem Sonnenlicht oder der photosynthetisch aktiven Lichtstrahlung einer geeigneten Kunstlichtquelle ausgesetzt, wobei die photoautotrophen Mikroorganismen in der Photosynthese-Schicht in einem mineralischen Photosynthese-Medium mit einer Hydrogencarbonatkonzentration von vorzugsweise über 10 mM gehalten werden. Das vorgeschlagene Verfahren vermeidet das Durchleiten eines Gases durch die Suspension der photoautotrophen Mikroorganismen bzw. durch den Photobioreaktor und ermöglicht so den Einsatz von sehr dünnen Photosyntheseschichten, der mit dem üblichen Verfahren zur Verteilung der Zellen im Lichtstrom und zur Verteilung des gelösten Kohlendioxids durch Erzeugung von Turbulenzen beim Einleiten eines Gases technisch nicht vereinbar ist. Das Kohlenstoff-Substrat ist entweder als Vorrat im Photosynthesemedium enthalten oder wird diffusiv in die Photosyntheseschicht eingeleitet. Die Aufrechterhaltung der Hydrogencarbonatkonzentration im Photosynthesemedium in einer Höhe von vorzugsweise mindestens 10 mM während der Kultur verhindert oder verzögert die Ausbildung von Substratmangelzonen mit hohem pH-Wert. Sie wird entweder durch eine hohe Anfangskonzentration der Hydrogencarbonationen im Kulturmedium oder durch die Verwendung eines Kohlenstoffvorratsmediums gewährleistet. Das Kohlenstoffvorratsmedium ist ein Fluid, das Hydrogencarbonationen und/oder Kohlendioxid an das Photosynthesemedium auf dem Weg der Permeation durch eine substratdurchlässige und lichtdurchlässige Membran abgibt.
1 beschreibt schematisch einen Photobioreaktor mit den für das Verfahren wesentlichen Komponenten.
Das Aufrechterhalten einer Konzentration der Hydrogencarbonat-Ionen im Photosynthesemedium von vorzugsweise über 10 mM verhindert, dass diffusionsbedingte Substratverarmungszonen in einer nicht bewegten oder laminar strömenden Photosyntheseschicht entstehen. Das ermöglicht hohe Photosyntheseraten bei hohen Zelldichten ohne das Verwirbeln eines Kohlendioxid-haltigen Gases in der zellhaltigen Suspension. Das Erzeugen einer turbulenten Strömung durch permanente Gaseinblasung ist energieaufwendig und kann mit einer ständigen Scherbelastung für die kultivierten Mikroorganismen verbunden sein. Dabei kann die Lebensdauer der Zellen verkürzt werden. Abgestorbene Zellen verursachen eine störende Schaumbildung deren Unterdrückung zusätzliche technische Maßnahmen und Kosten erfordert.
Bisher wurde auf den Einsatz von Hydrogencarbonat als einzige Kohlenstoffquelle in abgeschlossenen Photobiorekatoren verzichtet, weil Medien mit hierfür ausreichenden Konzentrationen von Kalium- oder Natriumhydrogencarbonat in der Regel toxisch wirken. Unveröffentlichte Ergebnisse der Erfinder haben aber gezeigt, dass das Absterben eines biotechnologisch wichtigen phototrophen Mikroorganismus, des Süßwasser-Cyanobakteriums Syncechocystis sp. PCC 6803, in Nährlösungen mit 30 bis 50 mM Natrium- oder Kaliumhydrogencarbonat nicht auf der Toxizität der Bicarbonat- und Carbonationen beruht. Der Verbrauch des Hydrogencarbonats bei der Photosynthese führte bei den genannten Konzentrationen nach Erreichen einer kritischen Zelldichte zu einer schnellen und starken Zunahme des pH-Wertes bis auf toxisch wirkende Werte von etwa 11. Überraschenderweise zeigte der oben genannte Organismus in semikontinuierlicher Kultur stabile Wachstumsraten von etwa 1 pro Tag bei Biomassekonzentrationen zwischen 0,5 und 1 g Trockenmasse pro Liter, wenn er dem vorgeschlagenen Verfahren entsprechend, in einem Medium mit 200 mM oder 300 mM Kalium- oder Natriumhydrogencarbonat belichtet wurde. Ein Vorteil eines Photosynthesemediums mit einer so hohen Konzentration der Hydrogencarbonationen besteht in seiner hohen Pufferkapazität, die den stoffwechselbedingten Anstieg des pH Wertes verzögert. Extrem hohe pH-Werte, die den Toleranzbereich des photoautotrophen Mikroorganismus überschreiten, werden in ihm nicht erreicht, weil zuvor auf Grund von Lichtmangel die Photosynthese stark eingeschränkt wird. Ohne Zweifel können ebenso wie Synechocystis sp. PCC 6803 zahlreiche weitere Mikroorganismen direkt mit einem Photosynthesemedium in Kontakt gebracht werden, das relativ hohe Konzentrationen eines löslichen Hydrogencarbonates wie Kaliumhydrogencarbonat, Natriumhydrogencarbonat und Magnesiumhydrogencarbonat enthält, wenn der stoffwechselbedingte Anstieg des pH-Wertes auf toxische Werte vermieden wird. Für das Verfahren ist es vorteilhaft, wenn alkalitolerante und osmotolerante photoautotrophe Mikroorganismen kultiviert werden, bei denen Anfangskonzentrationen des Hydrogencarbonates im Photosynthesemedium über 200 mM eingesetzt werden können oder mit Hilfe eines Kohlenstoffvorratsmediums Hydrogencarbonatkonzentrationen über 50 mM aufrechterhalten werden können, weil dies eine Voraussetzung für die effiziente Versorgung relativ dicker Photosyntheseschichten mit dem Photosynthesesubstrat darstellt und starke stoffwechselbedingte pH-Gradienten in der Photosyntheseschicht verhindert. Bei Photosyntheseschichten mit einer Dicke von unter 2 mm ist die diffusive Verteilung des Hydrogencarbonats aber bei hohen volumenbezogenen Photosyntheseraten auch dann substratsättigend, wenn durch das Liefern von Hydrogencarbonat und/oder Kohlendioxid aus einem Kohlenstoffvorratsmedium eine Hydrogencarbonatkonzentration von mindestens 10 mM, bevorzugt mindestens 20 mM, insbesondere bevorzugt mindestens 50 mM aufrechterhalten wird. Daher sind das vorgeschlagene Verfahren und der vorgeschlagene Photobioreaktor auch mit solchen photoautotrophen Mikroorganismen einsetzbar, die weder osmotolerant noch alkalitolerant sind.
Das vorgeschlagene Verfahren umfasst die nachgewiesene Möglichkeit, den stoffwechselbedingten Anstieg des pH-Wertes in den zelltoxischen Bereich und Substratmangel in der Photosyntheseschicht allein dadurch zu verhindern, dass das Photosynthese-Medium Hydrogencarbonat-Ionen in einer Anfangskonzentration von über 50 mM, vorzugsweise von über 200 mM, enthält. So kann verhindert werden, dass die mittlere Konzentration der Hydrogencarbonationen in der Photosyntheseschicht in der Wachstumsphase unter einen Wert von 10 mM abfällt und sich Substratmangelzonen in der Photosyntheseschicht bilden.
Das vorgeschlagene Verfahren umfasst alternativ die Möglichkeit, ein zusätzliches zellfreies Kohlenstoffvorratsmedium einzusetzen, aus dem Hydrogencarbonat und/oder Kohlendioxid auf dem Wege der Diffusion durch eine lichtdurchlässige Membran an die Photosyntheseschicht geliefert werden. Das vorgeschlagene Liefern von Hydrogencarbonat und/oder Kohlendioxid an das Photosynthesemedium ermöglicht die Aufrechterhaltung einer mittleren Hydrogencarbonatkonzentration vorzugsweise über 10 mM im Photosynthesemedium und verhindert oder verzögert die Bildung von alkalischen Substratverarmungszonen. Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen vergrößert das lichtdurchlässige und zellfreie Kohlenstoffvorratsmedium die Menge des im Photobioreaktor gespeicherten Kohlenstoffs und kann zusätzlich zur Lichtverteilung im Photobioreaktor genutzt werden. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren ist die Sauerstoff-Freisetzung stöchiometrisch mit dem Verbrauch von Kohlendioxid oder Hydrogencarbonationen gekoppelt, die im zellfreien Kohlenstoffvorratsmedium und/oder im Photosynthesemedium gespeichert sind.
Ein zellfreies Kohlenstoffvorratsmedium kann über eine hydrophile poröse Membran, beispielsweise eine Dialysemembran aus Viskose oder regenerierter Zellulose oder eine Mikrofiltermembran aus Nylon, in Diffusionsaustausch mit dem Photosynthesemedium gebracht werden. Es enthält dann wegen der Diffusion aller Ionen durch die hydrophile poröse Membran alle Komponenten des Photosynthesemediums. Durch das zusätzliche Volumen des zellfreien Kohlenstoffvorratsmediums werden die Pufferkapazität und die Kohlenstoff-Speicherkapazität des Photobioreaktors erhöht. Vorzugsweise wird bei dieser Ausführungsform des Verfahrens ein Mineralmedium mit den üblichen Mikro- und Makronährstoffen zur Herstellung des Kohlenstoffvorratsmediums eingesetzt, dem Kalium- und/oder Natriumhydrogencarbonat und/oder Magnesiumhydrogencarbonat hinzugefügt sind. Die Anfangs-Konzentration der genannten anorganischen Kohlenstoffverbindungen beträgt vorzugsweise mindestens 200 mM, um eine starke Pufferung zu gewährleisten und ausreichend Substrat für die Kultur der photoautotrophen Mikroorganismen bis zu einer hohen Biomassekonzentration zur Verfügung zu stellen. Vorzugsweise umfasst bei dieser Ausführungsform des Verfahrens die Photosyntheseschicht eine Suspension eines photoautotrophen Mikroorganismus wie Synechocystis sp. PCC 6803, der hohe Konzentrationen von Natrium- oder Kaliumhydrogencarbonat sowie pH-Werte zwischen 9 und 10,5 toleriert. Eine Toleranz gegen sehr hohe Konzentrationen von Kalium- oder Natriumhydrogencarbonat ist bei marinen photoautotrophen Mikroorganismen oder bei solchen, die aus Soda- bzw. Natron-Seen isoliert wurden, generell zu erwarten, kann aber, wie eigene Ergebnisse zeigen, auch bei euryhalinen Süßwasser-Cyanobakterien oder -Mikroalgen festgestellt werden. Die Anwendung möglichst hoher Konzentrationen von Hydrogencarbonationen hat neben einer hohen volumenbezogenen Speicherkapazität für anorganischen Kohlenstoff den Vorteil, dass das Wachstum der photoautotrophen Mikroorganismen in einem selektiven Medium mit hohem osmotischem Druck, hoher Ionenstärke und gegebenenfalls hohem pH-Wert erfolgt, wodurch die Möglichkeit der Kontamination mit den Luftkeimen von Fremdorganismen stark herabgesetzt wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird zum Liefern von Kohlenstoffsubstrat an die Photosyntheseschicht eine hydrophobe, für Wasser und wasserlösliche Stoffe undurchlässige, für Gase und Licht durchlässige Membran verwendet. Das in Kombination mit dieser Membran eingesetzte Kohlenstoff-Vorratsmedium ist in diesem Fall ein Kohlendioxid enthaltendes Gas oder eine Flüssigkeit, die Kohlendioxid in gelöster oder chemisch reversibel gebundener Form enthält. Als Kohlenstoffvorratsmedium in Verbindung mit einer gasdurchlässigen hydrophoben Membran sind solche Flüssigkeiten geeignet, in denen sich Kohlendioxid in einer hohen Konzentration löst, bzw. die einen hohen Absorptionskoeffizienten für Kohlendioxid aufweisen, wodurch hohe Konzentrationen von Kohlendioxid in gelöster Form bei relativ geringem Kohlendioxidpartialdruck erreichbar sind. Solche Flüssigkeiten sind beispielsweise Fluor Solvent der Firma Fluor Daniel (Propylencarbonat) oder Selexol^® der Firma Union Carbide (eine Mischung aus Dimethyläthern und Polyethylenglycol). Die genannten und weitere geeignete organische Flüssigkeiten wie Ethylencarbonat oder weitere zyklische Alkylencarbonate werden bekanntlich zum Entfernen von Kohlendioxid aus Gasen eingesetzt. In ihnen ist der Kohlendioxidpartialdruck der Kohlendioxidkonzentration annähernd proportional. Das zellfreie Kohlenstoffvorratsmedium kann bei Verwendung einer hydrophoben gasdurchlässigen Membran zur Lieferung von Kohlendioxid an die Photosyntheseschicht Kohlendioxid sowohl in gelöster als auch in chemisch reversibel gebundener Form enthalten.
Beispiele für die Speicherung von Kohlendioxid durch reversible chemische Bindung an einen gelösten Stoff sind die wässrigen Lösungen der Hydrogencarbonate und Carbonate anorganischer oder organischer Basen, beispielsweise der tertiären Amine oder der Kalium- und/oder Natriumionen. Weitere Beispiele hierfür sind wässrige Lösungen der Carbamationen primärer oder sekundärer Amine. Auch diese Lösungen haben bei hoher Konzentration der Carbamate und geeignetem pH-Wert einen für das Liefern von Kohlendioxid an das Photosynthesemedium geeigneten Kohlendioxidpartialdruck. Bekanntlich wird Kohlendioxid beim Waschen von Verbrennungsabgasen u.a. in Carbamatform an Lösungen verschiedener Alkanaloamine reversibel gebunden. Werden hydrophobe gasdurchlässige Membranen zum Liefern von Kohlendioxid an die Zellsuspension in der Photosyntheseschicht verwendet, stehen die Zellen des photoautotrophen Mikroorganismus nicht direkt mit dem Kohlenstoffvorratsmedium in Kontakt. Daher können hoch konzentrierte Lösungen und toxisch wirkende Flüssigkeiten mit hoher Kohlenstoffspeicherkapazität eingesetzt werden, wobei die Nährionen des Photosynthesemediums nicht mit dem Kohlenstoffvorratsmedium austauschen und daher diesem auch nicht zugesetzt werden. Durch die Wahl einer Membran mit bestimmter Gas-Permeabilität oder die Wahl des Kohlendioxidpartialdruckes des flüssigen Kohlenstoffvorratsmediums können die Kohlendioxid-Flussraten in das Photosynthesemedium an die Photosynthese-Rate angepasst werden. Es besteht ein breiter Spielraum für die Einstellung der Gaspermeabilität durch die Dicke der Membran. Bekanntlich besitzen dünne, lichtdurchlässige Folien aus Polyethylen oder Polypropylen, die zur Verpackung von Obst und Gemüse oder andere feuchte Materialien wegen ihrer geringen Permeabilität für Wasserdampf eingesetzt werden, eine hohe Permeabilität für Sauerstoff und Kohlendioxid. Sie sind sehr gut verfügbar und bieten hervorragende Verarbeitungsmöglichkeiten. Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen kann es bei stärkeren Polyolefinmembranen vorteilhaft sein, ein Kohlenstoffvorratsmedium einzusetzen, das unter Überdruck steht.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das vorgeschlagene Verfahren so durchgeführt werden, dass zwei verschiedene zellfreie Vorratsmedien eingesetzt werden. Dies kann einerseits in der Weise erfolgen, dass die Photosyntheseschicht von einem ersten Kohlenstoffvorratsmedium durch eine poröse hydrophile Membran getrennt ist, die für Wasser und gelöste Ionen durchlässig ist. Das erste Kohlenstoffvorratsmedium, das zum Liefern von Hydrogencarbonationen an die Photosyntheseschicht eingesetzt wird, kann über eine hydrophobe, gasdurchlässige Membran mit einem zweiten Kohlenstoffvorratsmedium im Austausch stehen, welches zur Regeneration der verbrauchten Hydrogencarbonationen Kohlendioxid an das erste Kohlenstoffvorratsmedium liefert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Kohlenstoffsubstrat auf einer Seite der zweiseitigen Photosyntheseschicht durch Diffusion von Hydrogencarbonationen aus einem dem Photosynthesemedium ähnlichen Kohlenstoffvorratsmedium durch eine hydrophile poröse Membran bereitgestellt werden und auf der anderen Seite der zweiseitigen Photosyntheseschicht durch Diffusion von Kohlendioxid aus einem zweiten Kohlenstoffvorratsmedium durch eine hydrophobe, gasdurchlässige Membran geliefert werden.
Die beschriebene Kombination eines ersten zellfreien Kohlenstoffvorratsmediums, das dem Photosynthesemedium ähnelt und seine Pufferkapazität vergrößert, und eines weiteren Kohlenstoffvorratsmediums, das eine hohe volumenbezogene Substratspeicherkapazität besitzt, ist besonders vorteilhaft. Sie bewirkt eine hohe Kohlenstoffspeicherkapazität im Photobioreaktor und ermöglicht die Entnahme von zellfreien Photosyntheseprodukten, indem das erste Kohlenstoffvorratsmedium in Strömung versetzt wird. Wird die Suspension der photoautotrophen Mikroorganismen in der Photosyntheseschicht oder ein von der Zellsuspension mit einer hydrophilen porösen Membran getrenntes Kohlenstoffvorratsmedium in Strömung versetzt, ermöglicht dies einerseits die Ernte von Biomasse und andererseits die Gewinnung diffusibler Photosyntheseprodukte aus zumindest einem Teil des Kohlenstoffvorratsmediums, getrennt von den Zellen.
Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen des vorgeschlagenen Verfahrens wird der Anstieg des pH-Wertes, der wegen des Verbrauches von Hydrogencarbonat-Ionen und/oder von Kohlendioxid im Photosynthesemedium und im Kohlenstoffvorratsmedium eintritt, durch Zugabe einer Säure zum Kohlenstoffvorratsmedium begrenzt. Das bietet den Vorteil, dass photoautotrophe Mikroorganismen mit geringer Alkalitoleranz eingesetzt werden können. Ein weiterer Vorteil besteht in der fast vollständigen Ausnutzung des anorganischen Kohlenstoffs, wenn die Substratkonzentration im Photosynthesevorratsmedium mit zunehmendem pH-Wert sinkt. Dies ist bekanntlich bei Hydrogencarbonat-Puffern oder wässrigen Lösungen von Carbamationen der Fall.
Gemäß einer oder mehreren weiteren Ausführungsformen des Verfahrens wird durch die Gestaltung der Gasableitung und die Begrenzung des Kohlendioxidpartialdruckes im Photobioreaktor gesichert, dass das aus dem Photobioreaktor austretende Gasvolumen weitgehend durch das Volumen des photosynthetisch gebildeten Sauerstoffs bestimmt wird. Das bietet beispielsweise den Vorteil, dass der Vorrat an Photosynthesesubstrat im Photobioreaktor länger vorhält, als bei einer weniger strikten Begrenzung der diffusiven Kohlendioxidverluste. Um die Diffusion des Kohlendioxids aus dem Photobioreaktor zu begrenzen, kann die Gasableitung beispielsweise so gestaltet werden, dass Gase aus dem Photobioreaktor überwiegend strömungsbedingt austreten. Eine Möglichkeit, dies zu gewährleisten, besteht beispielsweise darin, die Außenbegrenzung aus einem weitgehend gasdichten Material zu bilden, welches zwischen dem inneren Gasraum und der Atmosphäre mikroskopische Poren mit geringer Porenfläche und geringem Durchmesser enthält. Hierzu kann beispielsweise die obere Außenbegrenzung aus einer transparenten Acrlyglas- oder Polycarbonatplatte bestehen, in die im mit Hilfe eines Laser-gestützten Bohrverfahrens vereinzelte Poren im mit einem Durchmesser von 50 µm eingebracht wurden. Ein geringer Flächenanteil dieser Poren begrenzt die Diffusion und verhindert den vollständigen Druckausgleich, wodurch im Photobioreaktor stets ein geringfügiger Überdruck herrscht und das im Photobioreaktor gebildete Gasvolumen konvektiv abgeleitet wird. Eine weitere Möglichkeit hierzu besteht darin, das ausströmende Gas mit Hilfe eines Strömungskanals, vorzugsweise eines Schlauches oder eines Rohres, durch eine Flüssigkeit zu leiten, in welcher es in Blasenform an die Oberfläche steigt. Alternativ kann das Gas durch eine Strömungsbahn in einem Kapillarrohr oder einem Schlauch geringer Weite nach außen geleitet werden, wobei die Länge und Weite der Strömungsbahn so gewählt werden, dass entsprechend dem ersten Fick‘schen Gesetz und dem Gesetz von Hagen-Poiseuille die Strömungsgeschwindigkeit über dem Permeabilitätskoeffizienten für die Diffusion des Kohlendioxids auf der Strömungsbahn liegt. Die diffusive Kohlendioxidabgabe kann fast vollständig durch eine gasdichte Außenbegrenzung mit einer konvektiven Gasableitung verhindert werden.
Für die Reduktion strömungsbedingter Kohlendioxidverluste ist es vorteilhaft, die Konzentrationsverhältnisse im Kohlenstoffvorratsmedium so einzustellen, dass der Kohlendioxid-Partialdruck im Gasraum des Photobioreaktors 20 kPa nicht übersteigt. So wird gewährleistet, dass das Kohlendioxid in dem inneren Gasraum des Photobioreaktors einen Volumenanteil unter demjenigen des Sauerstoffs besitzt. Ist dies gewährleistet, liegt die molare Menge des photosynthetisch gebundenen Kohlenstoffs über derjenigen, die mit dem Gas-Volumenfluss in die Atmosphäre gelangt.
Das Liefern von Kohlenstoffsubstrat an das Photosynthesemedium aus lichtdurchlässigen Kohlenstoff-Vorratsmedien über licht- und substratdurchlässige Membranen hat den Vorteil, dass die Kohlenstoffvorratsmedien im Photobioreaktor so angeordnet werden können, dass sie effektive Lichtleiter darstellen und das Sonnenlicht oder das Licht einer künstlichen Lichtquelle gleichmäßig auf die Fläche der Photosyntheseschicht verteilen. Hierbei kann die Brechung und Reflexion des Lichtes an den Grenzflächen zwischen den Flüssigkeiten und den Membranen, sowie an zusätzlich in den Aufnahmeraum eingebrachten Reflektoren ausgenutzt werden, um das Licht in der Tiefe des Aufnahmeraumes optimal zu verteilen.
Der vorgeschlagene Photobioreaktor zur Kultivierung von photoautotrophen Mikroorganismen erfasst in einer beispielhaften Ausführungsform einen abgeschlossenen Aufnahmeraum mit einer die Gasdiffusion hemmenden, mindestens teilweise lichtdurchlässigen Außenbegrenzung, welche die konvektive Ableitung des bei der Photosynthese gebildeten Gasvolumens in der bereits beschriebenen Weise ermöglicht. Der Aufnahmeraum enthält mindestens ein erstes Kompartiment, welches der Ausbildung mindestens einer Photosyntheseschicht einer maximalen Dicke von typischerweise durchschnittlich weniger als 10 mm dient und beim Betrieb des Photobioreaktors die Suspension der photoautotrophen Mikroorganismen im Photosynthesemedium enthält. Jedes erste Kompartiment ist von mindestens einem zweiten Kompartiment, das der Aufnahme des zellfreien Kohlenstoffvorratsmediums (4) dient, durch eine lichtdurchlässige Membran getrennt, die für Hydrogencarbonationen und/oder Kohlendioxid permeabel ist.
Das zweite Kompartiment zur Aufnahme des zellfreien Kohlenstoffvorratsmediums kann durch eine flexible, hydrophile, poröse Membran vom ersten Kompartiment mit der Suspension der photoautotrophen Mikroorganismen im Photosynthesemedium getrennt sein. Dabei handelt es sich beispielsweise um eine lichtdurchlässige, hydrophile Dialyse- oder Mikrofiltrationsmembran aus Nylon^®, regenerierter Zellulose, einem Zellulosederivat oder dergleichen, die für die Zellen undurchlässig, für Wasser und in Wasser gelöste niedermolekulare Stoffe jedoch durchlässig ist. Derartige Membranen werden zur Ultrafiltration oder Dialyse eingesetzt und sind vorteilhafterweise frei verfügbar. Diese Ausführungsform des Photobioreaktors ermöglicht die bereits erläuterte Ausführungsform des Verfahrens, bei dem alle niedermolekularen Stoffe zwischen der Photosyntheseschicht und dem Photosynthesemedium im Austausch stehen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das zweite Kompartiment zur Aufnahme des Kohlenstoffvorratsmediums vom ersten Kompartiment, das die Photosyntheseschicht enthält, durch eine hydrophobe, für nichtflüchtige wasserlösliche Stoffe undurchlässige, für Kohlendioxid und andere Gase jedoch durchlässige Membran getrennt. Hierfür geeignete Membranen sind beispielsweise dünne und/oder mikroporöse Membranen aus Polyolefinen wie Polyäthylen, Polypropylen oder ähnlichen hydrophoben Polymeren. Der Vorteil dieser Ausführungsform des vorgeschlagenen Photobioreaktors besteht darin, dass das Kohlenstoffvorratsmedium nur über die Gasphase mit dem Photosynthesemedium austauscht. Es können daher anderenfalls toxisch wirkenden Flüssigkeiten mit sehr hoher Substrat-Speicherkapazität als Kohlenstoffvorratsmedium eingesetzt werden, beispielsweise ein 3 M Kaliumhydrogencarbonat-Puffer. Diese Ausführungsform des Photobioreaktors ist auch für photoautotrophe Organismen mit geringer Toleranz gegen hohe Salzkonzentrationen und pH-Werte einsetzbar. Durch die Dicke oder die Porosität der gasdurchlässigen Membran oder den pH- und konzentrationsabhängigen Kohlendioxid-Partialdruck im Kohlenstoffvorratsmedium kann die Rate eingestellt werden, mit der Kohlendioxid in die Photosyntheseschicht eintritt. In das zweite Kompartiment kann bei dieser Ausführungsform des Photobioreaktors ein Fluid gefüllt werden, in dem Kohlendioxid enthalten ist, beispielsweise reines Kohlendioxid oder ein Gasgemisch oder eine organische Flüssigkeit mit hohem Absorptionskoeffizienten für Kohlendioxid, die mit Kohlendioxid angereichert oder gesättigt ist, oder die wässrige Lösung eines Kohlendioxid in reversibel bindenden Stoffes. Weitere Einzelheiten zu dieser Ausführungsform sind der Beschreibung des Verfahrens zu entnehmen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein durch eine hydrophobe gasdurchlässige Membran abgetrenntes Kompartiment zur Aufnahme eines Kohlenstoffvorratsmedium mit einem weiteren Kompartiment zur Aufnahme eines Kohlenstoffvorratsmedium kombiniert, wobei das weitere Kompartiment durch eine hydrophile poröse Membran vom Photosynthesemedium separiert ist. Verschiedene Möglichkeiten dieser Kombination sind in 3 und 6 dargestellt. Die hydrophobe gasdurchlässige Membran trennt entweder die Photosyntheseschicht von einem zur Aufnahme eines Vorratsmedien bestimmten Kompartiment oder trennt die beiden zur Aufnahme von Vorratsmedien bestimmten Kompartimente. Die letztgenannte Ausführungsform ermöglicht es, den Kohlenstoffverlust eines zellfreien Kohlenstoffvorratsmediums, dem Hydrogencarbonat durch die Photosyntheseschicht entnommen wurde, durch Eindringen von Kohlendioxid über die hydrophobe gasdurchlässige Membran zu kompensieren.
Diese Kombination zweier Kompartimente für Kohlenstoffvorratsmedien ermöglicht durch das erste Kohlendioxid liefernde Kohlenstoffspeichermedium eine hohe Pufferkapazität und große Speicherkapazität für anorganische Kohlenstoffverbindungen im Photobioreaktor. Das zellfreie zweite Kohlenstoffvorratsmedium, welches mit dem Photosynthesemedium über eine hydrophile Porenmembran im Austausch steht, ermöglicht die Abtrennung der löslichen Photosyntheseprodukte von den Zellen und verbessert die Substratverteilung in der Photosyntheseschicht. Weitere Einzelheiten und Vorteile dieser Ausführungsform des Photobioreaktors sind der Beschreibung des Verfahrens zu entnehmen.
Die Verwendung von Membranbegrenzungen ermöglichen die aufrechte Anordnung einer oder mehrerer Photosyntheseschichten und einer oder mehrerer Schichten des Kohlenstoffvorratsmediums in verschiedenen geometrischen Ausführungsformen, beispielsweise in Form paralleler oder konzentrischer Photosyntheseschichten zwischen Schichten des Kohlenstoff-Vorratsmediums oder mehrerer Kohlenstoff-Vorratsmedien. Dies ist vorteilhaft, weil durch das zellfreie Kohlenstoffvorratsmedium von oben oder von der Seite in den Photobioreaktor einfallende Licht tief in den Raum des Photobioreaktors eingeleitet und durch Streuung, Reflexion und Brechung auf der Fläche der aufrechten Photosyntheseschicht(en) verteilt werden kann. Hierdurch können – bezogen auf die belichtete Fläche der Photosyntheseschichten und bezogen auf das Volumen des Photobioreaktors – mit geringem technischem Aufwand hohe Photosyntheseraten erreicht werden. Die aufrechten Photosyntheseschichten können sich in einem zylindrisch geformten Bioreaktor in den Lücken zwischen mehreren zueinander benachbart aufrecht angeordnete Membranschläuchen befinden, die mit dem/den Kohlenstoffvorratsmedium gefüllt sind. Aus geometrischen Gründen beträgt bei dieser Ausführungsform der Anteil der Photosyntheseschichten am Querschnitt des Photobioreaktors nur 25 bis 30 %. Ein höherer Volumenanteil der Photosyntheseschichten im Photobioreaktor lässt sich in Ausführungsformen mit aufrechten, flächig ausgedehnten, membranbegrenzten Schichten mit paralleler, konzentrischer oder spiraliger Anordnung erreichen, wie den und zu entnehmen ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Photobioreaktors werden die flexiblen licht- und substratdurchlässigen Membranen, welche die Photosyntheseschicht von zellfreien Schichten des Vorratsmediums trennen, in Form einer oder mehrerer flächig ausgedehnter Taschen eingesetzt, wobei die Stärke der Schichten des zellfreien Mediums und/oder der Photosyntheseschicht durch Abstandshalter festgelegt werden kann, wie in den 1B und 3 dargestellt ist. Als Abstandshalter eignen sich beispielsweise feste Strukturen, welche die Ausdehnung mindestens einer Flüssigkeitsschicht zwischen zwei flexiblen Membranen begrenzen können, z.B. Gitter, Geflechte, Profilfolien und dergleichen.
Besonders vorteilhafte Abstandshalter sind in Form einer Profilfolie mit elastisch komprimierbarem falten- oder wellenartigem Profil gestaltet. Wird eine solche, in einer Flächenausdehnung elastisch komprimierte, Profilfolie in eine passende Membrantasche eingeführt, verhindert die hierdurch erzeugte Membranspannung die Ausdehnung der flexiblen Membran quer zu Flächenausdehnung und erzeugt parallele vertikale oder horizontale Kompartimente. Eine schematische Darstellung der Anwendung einer Profilfolie in einer taschenförmigen Membranbegrenzung der Photosyntheseschicht ist der 3 zu entnehmen. Besteht die Profilfolie aus einem lichtdurchlässigen oder Licht reflektierenden Material wie Acrylglas bzw. Edelstahl, kann sie zur Verbesserung der Lichtverteilung auf die Photosyntheseschicht bzw. in der Photosyntheseschicht beitragen. Bei horizontaler Position der Falten kann die Sedimentation der Zellen begrenzt werden. Das faltenartige Profil kann außerdem zur Gestaltung von parallelen horizontalen oder vertikalen Fließbahnen in der/den membranbegrenzten Photosyntheseschicht/en und/oder in der/den Schichten des zellfreien Mediums genutzt werden.
Gemäß einer vorteilhafterweise materialsparenden Ausführungsform wird die Dicke der Photosyntheseschicht oder einer Schicht des Kohlenstoffvorratsmediums zwischen zwei einander gegenüberliegenden Membranen durch streifenförmige oder punktförmige Membranverbindungen begrenzt. Dies ist schematisch in den 4 und 5 dargestellt. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht u.a. darin, dass der Kosten- und Materialaufwand für die Herstellung einer membranbegrenzten Photosyntheseschicht gering ist. Die streifenförmige Verbindung zwischen den Membranflächen kann dabei vorzugsweise so gestaltet werden, dass eine einzige mäandrierende Fließbahn auf der Membranfläche vorliegt. Befindet sich die Photosyntheseschicht in so hergestellten Kanälen auf einer Membranfläche, so ermöglicht dies die kontinuierliche oder diskontinuierliche Einführung einer verdünnten Suspension in die belichtete Photosyntheseschicht und die Entnahme von Biomasse aus der Photosyntheseschicht. Ebenso sind die Zuführung des Vorratsmediums und die Trennung der Photosyntheseprodukte von den Zellen möglich. Bei horizontaler Position der Kanäle wird bei dieser Ausführungsform die Sedimentation der Zellen begrenzt. In ihnen kann ferner das Kohlenstoffvorratsmedium kontinuierlich an einer stationären Photosyntheseschicht entlang strömen, wobei sich permeable Photosyntheseprodukte in ihm anreichern. Die Suspension der photoautotrophen Zellen an einer stationären Schicht des Vorratsmediums kann auf einer Fließbahn zwischen den streifenförmigen Membranverbindungen bewegt werden, um die gebildete Biomasse kontinuierlich zu ernten.
Gemäß einer weiteren, vorteilhafterweise einfach und robust ausführbaren Ausführungsform des Photobioreaktors werden durch die Außenbegrenzung nur eine flächig ausgedehnte Photosyntheseschicht und ein darüber liegender Gasraum eingeschlossen. Letzterer steht mit der Gasableitung in Verbindung. Die Außenbegrenzung, beispielsweise eine lichtdurchlässige, weitgehend gasundurchlässige Kunststoff-Folie, ist in ihrer Flächenausdehnung der Photosyntheseschicht angepasst. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass der Photobioreaktor auf einer Wasseroberfläche schwimmend belichtet werden kann, wie in 2 schematisch gezeigt. Die Gasableitung kann bei dieser Ausführungsform als Gasableitungsrohr, das unter die Wasseroberfläche führt, diffusionshemmend gestaltet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Photobioreaktors mit aufrechten Photosyntheseschichten ist eine Pumpvorrichtung vorgesehen, welche die Sedimentation der Zellen dadurch verhindert, dass die Suspension durch oszillierende oder zirkulierende Strömung in Bewegung gehalten wird. Vorzugsweise werden hierbei mehrere aufrecht und parallel zueinander angeordnete Photosyntheseschichten hydraulisch miteinander verbunden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorgeschlagenen Photosyntheseschicht befindet sich im ersten Kompartiment eine mindestens teilweise offenporige Matrix, die beim Einsaugen von Wasser oder wässriger Flüssigphasen ein Dreiphasensystem aus einer lichtdurchlässigen Festphase, einer fein verteilten Gasphase und einer wässrigen Flüssigkeit ausbildet. Wird die Suspension der photoautotrophen Mikroorganismen in diese Matrix eingesaugt, bildet sich eine Photosyntheseschicht aus, in der die photoautotrophen Mikroorganismen von einer feinverteilten Gasphase und einer feinverteilten Flüssigphase umgeben sind. Das lichtdurchlässige und lichtstreuende Dreiphasensystem begünstigt die Diffusion von Kohlendioxid über die Gasphase und ermöglicht die Diffusion von Hydrogencarbonationen und anderen wasserlöslichen Stoffen in der Flüssigphase. Gleichzeitig wird die Eindringtiefe des Lichtes in die Photosyntheseschicht erhöht.
Eine beispielhafte Ausführungsform des Dreiphasensystems besteht in offenporigem, elastischem und transparentem Schaumstoff, dessen Poren teilweise mit dem Photosynthesemedium und teilweise mit Luft gesättigt sind. Hierfür haben sich Folien aus unterschiedlichen Elastomeren wie Latex und Polyurethan als besonders geeignet erwiesen. Sehr gut geeignet für Herstellung der Photosyntheseschicht in dieser Ausführungsform sind Folien aus offenporigem, lichtdurchlässigem und hydrophilem Polyurethanschaum. Der Einsatz einer solchen Folie in der Photosyntheseschicht ist in horizontaler Lage in 2 und in aufrechter Position in 6 dargestellt. Wird in diese Folien die Suspension der photoautotrophen Mikroorganismen eingesaugt, entsteht, beispielsweise durch Einschluss von Gas und/oder durch Photosynthese im offenporigen Teil des Schaumstoffs, ein Dreiphasensystem mit einer fein verteilten Gasphase. Die Stärke der Photosyntheseschicht wird durch die Dicke der Schaumstoff-Folie vorgegeben, in deren Kapillarräumen die Suspension der photoautotrophen Mikroorganismen absorbiert ist. In einer Photosyntheseschicht aus diesem Material wurden unter Verwendung verschiedener Ausführungsformen des vorgeschlagenen Photobioreaktors hohe Biomassekonzentrationen durch Photosynthese erreicht. Die Elastizität und mechanische Belastbarkeit des genannten Materials ermöglicht vorteilhafte Verfahren der Entnahme von Biomasse und der Zuführung neuen Mediums durch Nutzung einer angepassten Vorrichtung zur Druckbelastung der Photosyntheseschicht, z.B. mit Hilfe einer Presse, einer Walze oder eines Schlitzes oder durch die Druckausübung auf die lichtdurchlässige Membran mit Hilfe des Kohlenstoff-Vorratsmediums. Die Photosyntheseschicht kann auch während einer Dunkelzeit ohne eine gesonderte Belüftung mit Sauerstoff versorgt werden, da die fein verteilte Gasphase während einer Belichtungsphase Sauerstoff speichert. In dieser Ausführungsform können Photosyntheseschichten eingesetzt werden, die von einer als Kohlenstoffvorratsmedium dienenden Kohlendioxid-enthaltenden Gasphase begrenzt sind, wobei das Kohlendioxid über eine gasdurchlässige Membran geliefert wird. Hierdurch wird der Vorrat an Sauerstoff für eine Dunkelphase vergrößert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält der Photobioreaktor eine elastische Schaumstoff-Folie im ersten Kompartiment und Vorrichtungen zum Abpressen und Ableiten der Suspension der photoautotrophen Mikroorganismen.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Verfahren zur Kultivierung von photoautotrophen Mikroorganismen bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen einer ein Photosynthesemedium und darin suspendierte photoautotrophe Mikroorganismen enthaltenden Schicht in einem abgeschlossenen Aufnahmeraum, wobei das Photosynthesemedium Hydrogencarbonat in einer Konzentration größer als 20 mM enthält; und das Belichten der photoautotrophen Mikroorganismen im Photosynthesemedium ohne das Verwirbeln oder Durchleiten eines Gases im Photosynthesemedium unter Begrenzung des diffusiven Gasaustausches des Aufnahmeraumes mit der Umgebung.
Gemäß einer Ausführungsform erfolgt weiterhin das Liefern von mindestens einem Photosynthesesubstrat ausgewählt aus der Gruppe umfassend Kohlendioxid und Hydrogencarbonat an das Photosynthesemedium aus mindestens einem Kohlenstoffvorratsmedium über eine lichtdurchlässige Membran, die für das Photosynthesesubstrat durchlässig ist.
Im Folgenden werden einzelne vorteilhafte Ausführungsformen beschrieben und in Figuren dargestellt.
Es zeigen:
1 – zwei Photobioreaktoren mit den für das Verfahren wesentlichen Komponenten im Querschnitt;
2 – den Querschnitt eines Photobioreaktors mit flexibler Außenbegrenzung und flach liegender Photosyntheseschicht;
3 – das Übersichtsbild eines Photobioreaktors mit drei aufrecht angeordneten membranbegrenzten Photosyntheseschichten;
4 – die Ansicht eines durch Verklebung zweier Polypropylenmembranen gebildeten und durch Überdruck gespannten Behälters für das Kohlenstoffvorratsmedium;
5 – die perspektivische Ansicht einer mäandrierenden Fließ-Bahn zwischen zwei verschweißten oder verklebten Membranen;
6 – die konzentrische Anordnung einer Photosyntheseschicht und zweier membranbegrenzter Vorratsmedien; und
7 – eine Ausführungsform eines Photobioreaktors mit mehreren aufrechten Photosyntheseschichten zwischen membranbegrenzten Kohlenstoff-Vorratsmedien.
1 zeigt wesentliche Komponenten eines Photobioreaktors zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens am Beispiel von zwei Ausführungsformen. 1A: Der Photobioreaktor weist eine lichtdurchlässige diffusionshemmende Außenbegrenzung 1 auf. Die Photosyntheseschicht 2 ist horizontal angeordnet und im Querschnitt senkrecht zur Grundfläche dargestellt. Sie kann von oben belichtet werden. Über der Photosyntheseschicht befindet sich eine Gasphase. 1B: Ein Photobioreaktor mit einer aufrechten Photosyntheseschicht ist in einem Querschnitt parallel zur Grundfläche dargestellt. Die Photosyntheseschicht ist in eine dünne Tasche der substratdurchlässigen Membran 3 eingeschlossen. Ihre Dicke wird durch einen Abstandshalter 6 in Form eines Kunststoff-Gitters gestaltet. Die Tasche befindet sich im flüssigen Kohlenstoff-Vorratsmedium. Im oberen Teil des Photobioreaktors befindet sich über den Photosyntheseschichten ein Gasraum (nicht dargestellt). In beiden Varianten enthält die Außenbegrenzung des Photobioreaktors mikroskopische hydrophobe Poren, welche den durch Sauerstoffbildung verursachten Überdruck begrenzen. Ihr Flächenanteil ist so gering, dass der Gasvolumenfluss aus dem Photobioreaktor durch die Außenbegrenzung überwiegend als laminare Gasströmung erfolgt.
2 zeigt im Querschnitt einen Photobioreaktor mit einer Photosyntheseschicht 2, bei der die Suspension der photoautotrophen Mikroorganismen und eine fein verteilte Gasphase sich in den Kapillarräumen einer elastischen Schaumstoff-Folie 7 befinden. Die gasdichte Außenbegrenzung 1 des Photobioreaktors ist eine Tasche aus einer lichtdurchlässigen Silikongummi-Membran. In der Tasche befinden sich eine PVC-Platte und eine flächig ausgebreitete Folie aus hydrophilem, teilweise offenporigem Polyurethan-Schaumstoff 7. In den Kapillarräumen dieser Folie befinden sich die Suspension der photoautotrophen Mikroorganismen oder eingeschlossenes Gas mit etwa gleichen Volumenanteilen. Ein PVC-Rohr dient als konvektive Gasableitung 5, die unter die Wasseroberfläche führt. Der Vorrat an Photosynthesesubstrat befindet sich im Photosynthesemedium in Form einer hohen Konzentration an Hydrogencarbonat- und Carbonationen.
3 zeigt in einer Aufsicht A und einer perspektivischen Seitenansicht B einen Photobioreaktor mit taschenförmigen substratdurchlässigen Membranen und lichtreflektierenden sowie lichtdurchlässigen Profilfolien, welche die Schichtdicke der aufrechten Photosyntheseschicht 2 bestimmen. Gezeigt ist die Anordnung zweier taschenförmiger Membranen, die zwei zellfreie Kohlenstoff-Vorratsmedien von drei Photosyntheseschichten 2 mit der Suspension der photoautotrophen Mikroorganismen trennen. Eines der Kohlenstoff-Vorratsmedien 4a besitzt die gleiche Zusammensetzung wie das Photosynthesemedium in der Photosyntheseschicht. Die angrenzende substratdurchlässige Membran 3a besteht aus hydrophilem porösem Nylon^® mit einer Maschenweite von 1 µm. Das andere zellfreien Medium 4b ist ein Puffer aus Kaliumhydrogencarbonat und Kaliumcarbonat mit einer Gesamtkonzentration von 3 M. Die angrenzende substratdurchlässige Membran 3b besteht aus Polypropylen und ist 15 µm stark. Beide Membrantaschen enthalten als Abstandshalter 6 eine elastisch in Richtung der Flächenausdehnung der Membranen komprimierte formgebende Profilfolie aus Acrylglas mit wellenförmigem Profil. Das schräg von oben eintretende Licht wird an der Profilfolie sowie an Gasbläschen, die an den Membranoberflächen haften, reflektiert, wodurch eine gute Lichtverteilung in die Tiefe des Raumes des Photobioreaktors gewährleistet wird. Die drei Photosyntheseschichten 2 sind fluidisch miteinander verbunden. Nahe der Grundplatte befindet sich in der äußeren Wand des Photobioreaktors eine elastische Membran (nicht dargestellt), an der durch einen Vibrator von außen eine oszillierende vertikale Strömung in der Photosyntheseschicht erzeugt werden kann.
4 zeigt eine substratdurchlässige Membran 3 mit punktförmigen Verschweißungen. Als substratdurchlässige Membran dient eine dünne, gasdurchlässige Polypropylenmembran. Ein derartiges Membransystem kann durch den Kohlendioxidpartialdruck eines flüssigen Kohlenstoffvorratsmedium oder den Druck eines Kohlendioxid enthaltenden Gasgemisches gespannt werden und in aufrechter Position in einem Photobioreaktor zur Dickenbegrenzung und Substratversorgung einer Photosyntheseschicht eingesetzt werden.
5 zeigt schematisch einen mäanderförmigen Fließkanal, der durch streifenförmiges Verschweißen zweier aufeinander gelegter substratdurchlässiger Membranen 3 gebildet ist. Derartige membranbegrenzte Kanäle können vorteilhaft für die Begrenzung und die laminare Strömung eines Kohlenstoffvorratsmediums oder einer Photosyntheseschicht eingesetzt werden.
Die in 6 an Hand einer Aufsicht A und einer perspektivischen Seitenansicht B dargestellte Ausführungsform zeigt eine konzentrische Anordnung einer Photosyntheseschicht 2 und zweier unterschiedlicher Kohlenstoffvorratsmedien 4a und 4b. Die Kohlenstoffvorratsmedien 4a und 4b liegen an der Innenseite und an der Außenseite der Photosyntheseschicht 2 und sind durch jeweils unterschiedliche substratdurchlässige Membranen 3a und 3b von der Photosyntheseschicht 2 getrennt. In die Photosyntheseschicht 2 ist eine elastische Schaumstoff-Folie 7 aus Polyurethan integriert. Das im Zentrum befindliche Kohlenstoffvorratsmedium 4a ist ein Kaliumhydrogencarbonat/Carbonatpuffer mit einer anfänglichen Gesamtkonzentration der anorganischen Kohlenstoffverbindungen von 3 M und einem anfänglichen Kohlendioxidpartialdruck von 3.2 kPa. Es füllt einen Schlauch, der aus einer dünnen, gasdurchlässigen Polypropylen- oder Polyethylenmembran gebildet ist und oben mit einem lichtdurchlässigen Stopfen hermetisch abgeschlossen ist. Hierdurch entsteht ein leichter Überdruck in dem Schlauch, der dessen zylindrische Form stabilisiert. Das peripher angeordnete zweite Kohlenstoffvorratsmedium 4b tauscht über eine hydrophile poröse Membran 3b Ionen mit der Photosyntheseschicht aus und entspricht in seiner Zusammensetzung dem Photosynthesemedium.
Die in 7A in der Aufsicht und in 7B in einer perspektivischen Seitenansicht dargestellte Ausführungsform zeigt einen Photobioreaktor mit zylindrischer gasdichter Außenbegrenzung 1 mit mehreren aufrechten Photosyntheseschichten 2, die fluidisch miteinander verbunden sind und sich zwischen Membranschläuchen, die mit einem flüssigen Kohlenstoff-Vorratsmedien 4 gefüllt sind, befinden. Das Kohlenstoffvorratsmedium ist ein Hydrogencarbonat-/Carbonatpuffer mit einer Konzentration von 3 M und einem anfänglichen Kohlendioxidpartialdruck von 3,2 kPa. Das Kohlenstoffvorratsmedium füllt Schläuche aus einer dünnen, gasdurchlässigen Polyethylen- oder Polypropylenmembran aus, die oben mit einem lichtdurchlässigen Verschluss aus Acrylglas (nicht dargestellt) gasdicht verschlossen sind. Der Photobioreaktor umfasst einen über diesen Schläuchen und Photosyntheseschichten angeordneten einen Gasraum. Der Gasraum ist durch eine Gasableitung in Form eines Kapillarschlauches aus Polypropylen mit der Atmosphäre verbunden.
Ausführungsbeispiele
Beispiel 1
In diesem Beispiel wird die Kultur des Cyanobakteriums Sychenocystis sp. PCC 6803 in einer 4 mm dicken Photosyntheseschicht beschrieben. Die wesentlichen Komponenten des verwendeten einfachen Photobioreaktors sind der 1A zu entnehmen.
Als Photobioreaktor diente eine sterile Gewebekulturflasche aus Acrylglas mit einem Innenvolumen von 500 ml mit einer Grundfläche von 200 cm², in die 50 ml einer Suspension des Cyanobakteriums Synechocystis sp. PCC 6803 in einem Photosynthesemedium eingefüllt wurden, so dass eine 4 mm starke Photosyntheseschicht mit einer anfänglichen Biomassekonzentration von 0,3 g Trockenmasse pro L entstand. Das Photosynthesemedium enthielt die Komponenten eines mineralischen Standardmediums für die Kultur von Cyanobakterien (BG-11-Medium nach Schlösser, U. G. Bot. Acta 107, 178 pp, 1994) und zusätzlich zur Vermeidung von Phosphormangel Dinatriumhydrogenphosphat in einer Konzentration von 1 mM sowie zur Gewährleistung der Photosynthese während der Betriebszeit Kaliumhydrogencarbonat in einer Konzentration von 200 mM. Die schräg nach oben führende Einfüllöffnung des Gefäßes wurde nach Entfernen des gasdurchlässigen Original-Schraubverschlusses mit einem durchbohrten Silikongummistopfen verschlossen. Durch den Silikongummistopfen wurde ein elastischer Silikongummischlauch mit einem Durchmesser von 1 mm hindurchgeführt. Der Schlauch führte durch eine Diffusionssperre in Form einer wassergefüllten Blasensäule. Der Silikongummistopfen mit der gesamten Gasableitung sowie die Diffusionssperre wurden vor dem Verschluss der Öffnung der Gewebekulturflasche autoklaviert. Der so beschriebene Photobioreaktor wurde in einer Phytokammer dem Dauerlicht von Leuchtstoffröhren mit einer Photonenflussrate von 60 µmol m^–2s^–1 ausgesetzt. In Abständen von 24 h wurden dem Photobioreaktor 30 ml der Suspension entnommen und durch 30 ml des frischen Kohlenstoff-Vorratsmediums ersetzt. Im Laufe einer Woche kam es zu einer Zunahme der Biomassekonzentration vor der täglichen Verdünnung auf einen Wert von 0,5 bis 0,6 g Trockenmasse pro Liter. Dies zeigt, dass durch Nutzung des verwendeten Kohlenstoffvorratsmediums die untersuchten Cyanobakterien eine Wachstumsrate weit über 1 d^–1 aufrechterhielten.
Beispiel 2
In diesem Beispiel wird ein Photobioreaktor mit horizontal ausgebreiteter Photosyntheseschicht und Gasableitung beschrieben, wobei die Photosyntheseschicht als Dreiphasensystem mit einer feinverteilten Gasphase ausgebildet ist.
2 zeigt einen Querschnitt durch den Photobioreaktor in der Position der Gasableitung. An eine 8 mm starke, 50 mm breite und 200 mm lange Platte aus Polyvinylchlorid (PVC) wurde mit Silikonklebstoff eine ebenso große Folie aus transparentem hydrophilen, elastischen und teilweise offenporigen 4 mm dicken Schicht aus Polyurethan-Schaumstoff befestigt. In der Mitte der Platte wird durch die Platte und den Schaumstoff eine Bohrung von 5 mm Durchmesser geführt. In die Bohrung wurde ein passender Silikonschlauch eingeklebt, durch den ein 2 cm langes Rohr aus PVC mit einem Innendurchmesser von 2 mm dichtend und verschiebbar eingepasst wurde. Das PVC-Rohr diente als Gasableitung. Zur Herstellung des Photobioreaktors wurde die Platte mit der Schaumstoff-Folie in eine passende, zunächst an einer Seite offene, Membrantasche eingebracht. Die Tasche besteht aus einer lichtdurchlässigen, weitgehend gasdichten, flexiblen Membran aus Silikongummi mit einer Stärke von 0,3 mm. An der Position der Bohrung durch die PVC-Platte wurde durch die Silikongummi-Folie eine runde Öffnung mit einem Durchmesser von 4 mm ausgestanzt. An der Stelle der Öffnung wurde die Silikongummifolie mit Hilfe von Silikonkleber dichtend mit der PVC-Platte verbunden. Durch die Öffnung wurde die bereits beschriebene Gasableitung so hineingeschoben, dass das obere Ende mit der seitlichen Öffnung 5 mm über der Schaumstoff-Folie lag. Die Tasche mit dem Inhalt wurde durch Autoklavieren keimfrei gemacht. In die Tasche mit der Schaumstoff-Folie wurden 30 ml einer Suspension von Synechocystis sp. PCC 6803 mit einer Trockenmassekonzentration von 0,1 g L^–1 eingefüllt. Die Suspension wurde in der Schaumstoff-Folie durch leichten Druck auf die Silikonmembran verteilt. Das verwendete Photosynthesemedium hatte die in Beispiel 1 beschriebene Zusammensetzung. Die offene Seite der Folientasche wurde mit einer Klammer verschlossen. Der so gebildete Photobioreaktor wurde zur Wärmeableitung auf eine Wasseroberfläche aufgelegt. Bei Dauerlicht einer Quantenflussdichte von 80 µmol m^–2s^–1 wurde in diesem Photobioreaktor bei einer mittleren Biomassekonzentration von 0,8 g Trockenmasse pro Liter noch eine Wachstumsrate von 0,8 d^–1 erreicht. Der dargestellte Photobioreaktor eignete sich zur semikontinuierlichen Biomasseproduktion. Zur Ernte von Biomasse wurde die Gasableitung herausgenommen und durch einen passenden Stopfen ersetzt. Nach Entfernen der Klammer wurde die Hälfte der Suspension abgepresst und durch frisches Kohlenstoffvorratsmedium ersetzt. Diese Art der Ernte wurde in Abständen von 2 d wiederholt. Nach einigen Zyklen war die Biomassekonzentration bei der Ernte auf 1 bis 2 g Trockenmasse pro Liter angestiegen.
Beispiel 3
Das Beispiel erläutert eine Ausführungsform des vorgeschlagenen Photobioreaktors mit fester Außenbegrenzung, bei dem eine horizontale Photosyntheseschicht durch eine gasdurchlässige hydrophobe Membran aus Polyethylen begrenzt und durch Diffusion des Kohlendioxid aus einem Kohlenstoffvorratsmedium durch eine gasdurchlässige Membran mit Kohlendioxid versorgt wird. Durch streifenförmiges Verschweißen der gegenüberliegenden Membranseiten einer Folientasche aus 20 µm dickem Polyethylen entstand eine mäandrierende Fließbahn auf der Fläche der Tasche, wie in 5 gezeigt. In die beiden Enden der Fließbahn wurden konische Befüllstutzen eingeschweißt, die durch Einstecken eines konischen Silikongummistopfens verschlossen werden können. Die Fließbahn wurde mit einer Suspension von Cyanobakterien gefüllt. Es wurde das bereits in Beispiel 1 beschriebene Medium verwendet. Die so entstandene membranbegrenzte Photosyntheseschicht wurde auf eine flache Schale gelegt, in der sich ein zellfreies unphysiologisches Kohlenstoffvorratsmedium in Form einer Mischung aus 3 M Kaliumhydrogencarbonat und 3 M Kaliumcarbonat (4:1, v/v) befand. Die Schale wurde mit einem durchbohrten, am Rand gefetteten Glasdeckel verschlossen, um eine weitgehend gasdichte Außenbegrenzung zu erreichen. In die Bohrung wurde eine Stahlkanüle mit einem Durchmesser von 0,3 mm und einer Länge von 80 mm als Gasableitung eingeklebt, um die weitgehend konvektive Gasableitung zu ermöglichen. Die Schale wurde auf Wasser schwimmend ununterbrochen mit Fluoreszenzlicht einer Intensität von 60 µmol m^–2s^–1 bei 25°C belichtet. Auf Grund der Photosynthese kam es in der Photosyntheseschicht zur Bildung von Sauerstoffblasen, an denen das einfallende Licht zusätzlich gestreut wurde. Die Suspension in der Photosyntheseschicht erreichte bereits nach drei bis vier Tagen eine Biomassekonzentration von ca. 5 g Trockenmasse pro Liter.
Beispiel 4
Der in diesem Beispiel erläuterte Photobioreaktor ist schematisch in 6 abgebildet. Er besitzt eine hydraulisch verbundene aufrechte Photosyntheseschicht, die über substratdurchlässige Membranen im Austausch mit zwei verschiedenen Kohlenstoffvorratsmedien steht. Eines der Kohlenstoffvorratsmedien enthält Kalium-hydrogencarbonat und Kaliumcarbonat in der toxisch wirkenden Konzentration von 3 M. Das andere Kohlenstoffvorratsmedium ist weitgehend identisch mit dem Photosynthesemedium, dessen Zusammensetzung in Beispiel 1 beschrieben ist. Die Kohlenstoffvorratsmedien und die Photosyntheseschicht sind, wie in 6 gezeigt, konzentrisch zueinander angeordnet. Eine in diesem Kohlenstoffvorratsmedium wachsende Schüttelkultur des Cyanobakteriums Synechocystis sp. PCC 6803 wurde für die Herstellung des Inokulums auf eine Biomassekonzentration von 1 g Trockenmasse pro L mit dem Kohlenstoffvorratsmedium verdünnt. Ein Dialyseschlauch aus regenerierter Zellulose (Union Carbide, Chicago, USA, Länge 25 mm, Durchmesser im gequollenen Zustand 31 mm) wurde unten verschlossen und in Wasser gequollen. In den Dialyseschlauch wurde ein passender Zuschnitt einer 6 mm dicken Folie aus elastischem, transparentem offenporigem und hydrophilem Polyurethan-Schaumstoff hineingeschoben. Der Schaumstoff bedeckte einschichtig die Innenseite der Dialysemembran bis zu einer Höhe von 17 cm. Mit Hilfe eines Glasstabes wurde in den verbleibenden Hohlraum ein unten verschlossener Folienschlauch aus einer 50 µm dicken Polyethylenfolie (Schlauchfolie Haaga GmbH, Heringsdorf) mit einem Durchmesser von 19 mm und einer Länge von 25 cm eingeführt. Der Polyethylenschlauch wurde mit einer Mischung aus vier Teilen einer 3 M Kaliumhydrogencarbonatlösung und einem Teil einer 3 M Kaliumcarbonatlösung bis zu einer Füllhöhe von 18 cm gefüllt und am Ende mit einem lichtdurchlässigen Acrylglasstopfen dicht verschlossen. Nun wurde eine Menge von 80 ml der Suspension der Cyanobakterien auf die Schaumstofffolie zwischen der Polyethylenmembran und der Dialysemembran gegeben. Diese Suspension wurde von der Schaumstoffmatrix absorbiert, wobei ein Dreiphasensystem mit feinverteilter Gasphase in der Photosyntheseschicht entstand. Der Dialyseschlauch mit dem zentralen Kohlenstoffvorratsmedium und der außen liegenden Photosyntheseschicht wurde in ein zylindrisches Gefäß mit einem Durchmesser von 6 cm und einer Höhe von 20 cm gestellt.
Letzteres wurde bis zu einer Füllhöhe von 19 cm mit dem oben charakterisierten physiologischen Kohlenstoffvorratsmedium gefüllt. Die Photosyntheseschicht stand über die Dialysemembran im Austausch mit dem nicht toxischen Kohlenstoffvorratsmedium und wurde außerdem über die Polyethylenmembran mit Kohlendioxid durch das erste Kohlenstoffvorratsmedium versorgt. Der Dialyseschlauch war oben offen und ragte mit der Öffnung in einen Gasraum unterhalb des Deckels des zylindrischen Gefäßes. Der Deckel wurde mit einer Klemme und Gummidichtung gasdicht an das Gefäß angedrückt. Durch den Deckel wurde eine Gasableitung in Form eines 200 mm langen Kapillarschlauches mit 0,2 mm Innendurchmesser hindurchgeführt. Der so entstandene Photobioreaktor wurde auf einer reflektierenden Unterlage von oben mit Fluoreszenzlampen 16 h lang täglich mit einer Quantenflussdichte von 80 µmol m^–2s¹ belichtet. Bereits nach einem Tag ließ sich visuell eine starke Zunahme der Pigmentkonzentration feststellen. Die Sauerstoffkonzentration im physiologischen Kohlenstoffvorratsmedium stieg auf über 300 % des Luftsättigungswertes. Der hohe Gehalt an feinen Gasblasen in der Photosyntheseschicht und die hohe Konzentration der Hydrogencarbonationen bewirkte einen schnellen Austausch von Kohlendioxid und Sauerstoff zwischen den Vorratsmedien und dieser Schicht. Die Speicherung der genannten Gase in den Vorratsmedien verhinderte selbst bei einer hohen Biomassekonzentration in der Photosyntheseschicht Anaerobiose in der Nacht und Kohlendioxid-Limitation am Tage. Die nach 12 Tagen aus der Photosyntheseschicht abgepresste Zellsuspension hatte eine Biomassekonzentration von 10 bis 12 g Trockenmasse/L. Die Photosyntheseschicht blieb im Verlauf von vier Wochen vital und bildete während der Lichtperioden mit hoher Intensität Sauerstoff, was sich in einem schnellen Anstieg der Sauerstoffkonzentration zu Beginn der Belichtungszeit äußerte.
Beispiel 5
Das Beispiel betrifft eine Variante des vorgeschlagenen Photobioreaktors mit mehreren aufrechten Photosyntheseschichten. Sie befinden sich zwischen aufrecht angeordneten Schläuchen aus einer dünnen Polyethylenfolie, die das Kohlenstoffvorratsmedium einschließen, wie in 7 gezeigt ist. Die Sedimentation der Zellen in den Photosyntheseschichten wird durch oszillierende Strömung in den Photosyntheseschichten verhindert. Der Photobioreaktor besaß 7 zylindrische, mit einer Mischung aus 3 M Kaliumhydrogencarbonat und 3 M Kaliumcarbonat (4:1, v/v) gefüllte und unten verschlossene Schläuche aus gas- und lichtdurchlässiger Polyethylenfolie (50 µm Membranstärke, Durchmesser 19 mm, Länge 20 cm, Schlauchfolie Haaga GmbH, Heringsdorf), die oben jeweils mit lichtdurchlässigen Plexiglas-Stopfen verschlossen waren. Die Schläuche standen in dichter Packung in einem passenden zylindrischen Glasgefäß, über dessen Boden in 1 cm Höhe ein Gitter aus Polypropylen befestigt war. Zwischen den Schläuchen enthielt der Photobioreaktor Photosyntheseschichten, die durch eine Suspension der Grünalge Pseudokirchneriella subcapitata in einem Photosynthesemedium gebildet wurden. Das Photosynthesemedium war ein Mineralmedium nach Kuhl und Lorenzen (Kuhl und Lorenzen, in: Prescott, D M (Ed.): Methods in Cell Physiology, pp. 152–87, Academic Press, New York 1964), dem Natriumhydrogencarbonat in einer Konzentration von 30 mM hinzugesetzt wurde. Unter dem Gitter befand sich eine nach außen abgeschlossene luftgefüllte Tasche aus dünnem, elastischem Silikongummi. Sie war mit einem Silikonschlauch verbunden, der durch eine Bohrung in der Glaswand nach außen führte und in der Bohrung gedichtet war. Der Schlauch war mit einer 10 ml-Glasspritze verbunden, deren Kolben durch exzentrische Kopplung an einen Rotor Gasdruckschwankungen mit einer Frequenz von 10 min^–1 erzeugt wurden. Hierdurch wurde eine oszillierende vertikale Strömung in den aufrechten Photosyntheseschichten zwischen den Membranschläuchen erzeugt. Der als Kohlenstoffvorratsmedium in den Polyethylenschläuchen eingesetzte 3 M Kaliumhydrogencarbonat-Puffer besaß einen anfänglichen Kohlendioxid Partialdruck von 3,2 kPa. Das Gefäß war mit einem dicht schließenden Deckel mit Gasableitung, wie in Beispiel 5, versehen und wurde in einer Phytokammer bei 20°C von oben mit Fluoreszenzlampen für die Pflanzenanzucht mit einer Intensität von 120 µmol m^–2s^–1 ununterbrochen belichtet. Die Suspension besaß zu Beginn der Kultur eine Biomassekonzentration von 0,5 g Trockenmasse pro Liter. Nach vier Tagen betrug die Biomassekonzentration etwa 3 g/L. Erst danach nahm die Wachstumsrate auf Grund der Lichtlimitation merklich ab. In Kontrollversuchen mit geschüttelten Kulturen, bei denen der Kohlenstoffmangel durch ein membranbegrenztes Kohledioxidreservoir nach DE 10 2008 029 169 A1 verhindert wurde, ergab sich in der gleichen Zeit bei gleicher Belichtung eine weit geringere Biomassekonzentration (etwa 1,2 g Trockenmasse pro Liter). Die höhere Wachstumsrate im beschriebenen Photobioreaktor erklärt sich aus der besseren Lichtverteilung mit Hilfe des aufrechten Membranschlauches und die wesentlich geringere Schichtdicke. Die Abgabe von Streulicht in die Photosyntheseschicht wurde dadurch gefördert, dass sich an der aufrechten Polyethylenmembran kleine Gasblasen befanden.
Bezugszeichenliste

1: diffusionshemmende Außenbegrenzung des abgeschlossenen Aufnahmeraumes
2: Photosyntheseschicht
3: substratdurchlässige Membran
4: Kohlenstoff-Vorratsmedium
5: konvektive Gasableitung
6: Abstandshalter
7: Polyurethan-Schaumstoff-Folie

Referenzliste:

Eriksen N T, Biotechnol. Letters 30, 1526–1536;
Manjunath R, Geeta GS, Karnataka J. Agric. Sci. 18, 1007–1012, 2005;
Kang et al. 2009, Fresenius Environmental Bulletin 18, 687–693;
DE 10 2008 029 169 A1

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008029169 A1 [0060]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

BG-11-Medium nach Schlösser, U. G. Bot. Acta 107, 178 pp, 1994 [0054]
Kuhl und Lorenzen, in: Prescott, D M (Ed.): Methods in Cell Physiology, pp. 152–87, Academic Press, New York 1964 [0060]

Claims

Verfahren zur Kultivierung von photoautotrophen Mikroorganismen, umfassend: – Bereitstellen einer ein Photosynthesemedium und darin suspendierte photoautotrophe Mikroorganismen enthaltenden Photosyntheseschicht (2) in einem abgeschlossenen Aufnahmeraum mit einer gasdiffusionshemmenden Außenbegrenzung (1), wobei die Photosyntheseschicht (2) eine mittlere Dicke von nicht mehr als 10 mm aufweist; – Belichten der Photosyntheseschicht (2) ohne das Verwirbeln oder Durchleiten eines Gases im Photosynthesemedium unter Begrenzung des diffusiven Gasaustausches des Aufnahmeraumes mit der Umgebung, wobei die Versorgung der Mikroorganismen im Photosynthesemedium mit Hydrogencarbonationen durch – Speichern von Hydrogencarbonationen im Photosynthesemedium und/oder – Liefern eines Photosynthesesubstrats in Form von Kohlendioxid und/oder Hydrogencarbonat aus einem zellfreien Kohlenstoffvorratsmedium (4) außerhalb der Photosyntheseschicht aufrechterhalten wird; und – Ableiten eines bei der Photosynthese gebildeten Gases aus dem Aufnahmeraum.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in dem Photosynthesemedium zur Aufrechterhaltung einer hohen Photosyntheserate der photoautotrophen Mikroorganismen eine Hydrogencarbonatkonzentration von mindestens 10 mM, bevorzugt mindestens 20 mM, und insbesondere bevorzugt mindestens 50 mM, aufrechterhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Photosynthesesubstrat an das Photosynthesemedium über eine lichtdurchlässige und für das Photosynthesesubstrat permeable Membran (3) geliefert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das zellfreie Kohlenstoffvorratsmedium (4) Hydrogencarbonationen in einer Anfangskonzentration über 50 mM, vorzugsweise über 200 mM, und permeable anorganisch ionische Bestandteile des Photosynthesemediums enthält, wobei die Photosynthesesubstrat- und lichtdurchlässige Membran (3) eine hydrophile Membran (3) ist, und wobei das Photosynthesesubstrat durch Austausch von Hydrogencarbonationen gegen Carbonationen über die hydrophile Membran (3) aus dem zellfreien Kohlenstoffvorratsmedium (4) an das Photosynthesemedium geliefert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das zellfreie Kohlenstoffvorratsmedium (4) Kohlendioxid als Bestandteil eines Gases oder als physikalisch gelösten oder als chemisch reversibel gebundenen Bestandteil eines Feststoffes oder einer wässrigen Lösung oder einer organischen Flüssigkeit enthält und die lichtdurchlässige und für das Photosynthesesubstrat permeable Membran (3) eine gasdurchlässige hydrophobe und für Wasser und nichtflüchtige Stoffe undurchlässige Membran (3) ist, wobei das Liefern des Photosynthesesubstrats an das Photosynthesemedium ausschließlich auf dem Wege der Diffusion von Kohlendioxid durch die gasdurchlässige hydrophobe Membran (3) aus dem Kohlenstoffvorratsmedium (4) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Kohlenstoffvorratsmedium (4) eine wässrige Lösung von Hydrogencarbonaten anorganischer oder organischer Basen oder eine wässrige Lösung von Carbamaten primärer oder sekundärer Amine, vorzugsweise primärer oder sekundärer Alkanolamine mit einer molaren Konzentration des reversibel gebundenen Kohlendioxids von mindestens 1 M ist, oder welches ein organisches Lösungsmittel mit hohem Absorptionskoeffizienten für Kohlendioxid wie Ethylencarbonat, Propylencarbonat, ein zyklische Alkylencarbonat ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei Kohlendioxid aus einem Kohlenstoff-Vorratsmedium nach Anspruch 5 oder Anspruch 6 über eine gasdurchlässige hydrophobe und für Wasser und nichtflüchtige Stoffe undurchlässige Membran (3) an ein Kohlenstoff-Vorratsmedium nach Anspruch 4 geliefert wird, und Hydrogencarbonationen an die Photosyntheseschicht (2) über eine lichtdurchlässige und für das Photosynthesesubstrat permeable Membran (3) geliefert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, wobei das Kohlenstoffvorratsmedium (4) eine Substanz enthält, die ausgewählt ist unter: organischen oder anorganischen Carbonaten, organischen oder anorganischen Hydrogencarbonaten, Carbamaten, Carbamaten primärer oder sekundärer Alkanolamine, Alkylammoniumcarbamaten, Alkylencarbonaten, zyklischen Alkylencarbonaten, Ethylencarbonat, Propylencarbonat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend das Zusetzen einer Säure zum Kohlenstoffvorratsmedium (4).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ableiten des bei der Photosynthese gebildeten Gases aus der Photosyntheseschicht und dem Aufnahmeraum mittels einer Gasableitungsvorrichtung (5) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend: – diskontinuierliches oder kontinuierliches Entnehmen zumindest eines Teils des die photoautotrophen Mikroorganismen enthaltenden Photosynthesemediums und/oder eines Kohlenstoffvorratsmediums zur Gewinnung von Biomasse oder anderer darin enthaltener Photosyntheseprodukte.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend: – in-Strömung-Versetzen des Photosynthesemediums und/oder des Kohlenstoffvorratsmediums (4) ohne dafür ein Gas oder Gasgemisch in eines dieser Medien einzuleiten oder durch eines dieser Medien durchzuleiten.
Photobioreaktor zur Kultivierung von photoautotrophen Mikroorganismen, der einen abgeschlossenen Aufnahmeraum mit einer Gasdiffusion-hemmenden Außenbegrenzung umfasst, wobei der Aufnahmeraum aufweist: – ein erstes Kompartiment zur Ausbildung einer Photosyntheseschicht (2), die eine mittlere Dicke von nicht mehr als 10 mm aufweist; – und mindestens ein zweites Kompartiment zur Aufnahme eines Kohlenstoffvorratsmediums (4), das vom ersten Kompartiment durch mindestens eine Membran getrennt ist, die durchlässig ist für mindestens ein Photosynthesesubstrat ausgewählt aus der Gruppe umfassend Kohlendioxid und Hydrogencarbonationen.
Photobioreaktor gemäß Anspruch 13, wobei das erste Kompartiment eine Außenbegrenzung (1) aufweist, die fest und/oder flexibel und/oder lichtdurchlässig ist.
Photobioreaktor gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei das erste Kompartiment eine integrierte Gasableitungsvorrichtung (5) für das konvektive Ableiten von photosynthetisch gebildetem Gas aufweist.
Photobioreaktor gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei das erste Kompartiment ein Photosynthesemedium mit einer Hydrogencarbonatkonzentration von mindestens 30 mM und darin suspendierte photoautotrophe Mikroorganismen zur Ausbildung der Photosyntheseschicht enthält.
Photobioreaktor gemäß einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei das erste und/oder das zweite Kompartiment durch eine oder mehrere Taschen aus einer lichtdurchlässigen Membran gebildet ist/werden, wobei der Abstand zwischen einander gegenüberliegenden Membranflächen der Taschen oder zwischen benachbarten Taschen durch einen oder mehrere Abstandshalter (6) festgelegt wird.
Photobioreaktor gemäß Anspruch 17, wobei der Abstandshalter (6) lichtdurchlässig und/oder lichtreflektierend ist, aus einem elastischen Kunststoff wie Acrylglas, Polycarbonat oder Edelstahlblech besteht, und ein falten- oder wellenförmiges Profil hat.
Photobioreaktor gemäß einem der Ansprüche 13 bis 18, wobei das erste Kompartiment einen zumindest teilweise raumfüllenden, offenporigen und lichtdurchlässigen Feststoff enthält, der beim kapillaren Einsaugen einer überwiegend aus Wasser bestehenden Flüssigkeit ein Dreiphasensystem mit einer stabilen feinverteilten Gasphase bildet.
Photobioreaktor gemäß Anspruch 19, bei dem der raumfüllende offenporige lichtdurchlässige Feststoff eine Schaumstoff-Folie aus einem Elastomer wie Polyurethan oder Kautschuk ist.
Photobioreaktor gemäß einem der Ansprüche 13 bis 20, wobei der Photobioreaktor zur Entnahme zumindest eines Teiles des die photoautotrophen Mikroorganismen enthaltenden Photosynthesemediums aus dem lichtdurchlässigen Feststoff mittels einer Press- oder Saugvorrichtung angepasst ist.
Photobioreaktor gemäß einem der Ansprüche 13 bis 21, wobei das zweite Kompartiment und/oder darin enthaltenes Kohlenstoffvorratsmedium als Lichtleiter zur Belichtung der Photosyntheseschicht gestaltet ist.