DE102011078945A1 - Separating phototrophic microorganisms from aqueous medium, comprises culturing microorganisms, inducing formation of a surface molecule by microorganisms, adding magnetizable particles to medium, and passing medium through magnetic field - Google Patents

Separating phototrophic microorganisms from aqueous medium, comprises culturing microorganisms, inducing formation of a surface molecule by microorganisms, adding magnetizable particles to medium, and passing medium through magnetic field Download PDF

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Abstract

Separating phototrophic microorganisms from an aqueous medium, comprises (a) culturing the microorganisms, (b) inducing the formation of at least one surface molecule by the microorganisms, (c) adding magnetizable particles, which bind to the surface molecule, to the medium, and (d) passing the medium through a magnetic field for separating the microorganisms from the aqueous phase of the medium. An independent claim is also included for a plant for separating the phototrophic microorganisms, comprising a photobioreactor, a magnetic separator and a transport pipe, which conducts the microorganisms from the photobioreactor to the magnetic separator.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtrennen von phototrophen Mikroorganismen aus einem wässrigen Medium durch Induzieren eines Oberflächenmoleküls und eine Anlage zur Durchführung eines solchen Verfahrens. The invention relates to a method for separating phototrophic microorganisms from an aqueous medium by inducing a surface molecule and a system for carrying out such a method.

Die Kultivierung von Mikroorganismen im industriellen Maßstab hat in den letzten Jahren vielseitige Anwendungen gefunden. So werden Mikroorganismen gezüchtet um Biomasse zur Stromgewinnung oder zur Produktion von Biodiesel herzustellen. Im Zuge der Bemühungen den weltweiten Kohlendioxid(CO2)-Ausstoß zu reduzieren, werden zur Züchtung auch Abgase verwendet, aus denen photosynthetisch aktive Mikroorganismen CO2 entnehmen, das sie in Kohlenwasserstoffe umwandeln. The cultivation of microorganisms on an industrial scale has found versatile applications in recent years. So microorganisms are bred to produce biomass for power generation or for the production of biodiesel. As part of the effort to reduce global carbon dioxide (CO 2 ) emissions, exhaust gases are also used for breeding, from which photosynthetically active microorganisms extract CO 2 , which they convert into hydrocarbons.

Für die Kultivierung von Mikroorganismen, wie beispielsweise Algen oder Cyanobakterien, werden sowohl Bioreaktoren als auch Open Ponds Anlagen (Aquakulturen), sowie Flachbettanlagen verwendet. Open Ponds Anlagen sind kostengünstig, erlauben aber nur eine beschränkte Kontrolle der Kultivierungsbedingungen, weil sie Witterungsbedingungen ausgesetzt sind. In Bioreaktoren kann das Wachstum der Mikroorganismen hingegen genau überwacht werden. Die Mikroorganismen werden in einer geeigneten Nährlösung kultiviert, die Wasser, eine Kohlenstoffquelle sowie gegebenenfalls eine Energiequelle und Ergänzungsstoffe wie Mineralien oder Spurenelementen enthält. Die Zusammensetzung richtet sich dabei nach den Anforderungen der Mikroorganismen. Photosynthetisch aktive Algen oder Cyanobakterien brauchen neben Wasser häufig lediglich CO2 als Kohlenstoff- und Sonnenlicht als Energiequelle. Bei der Kultivierung von Mikroorganismen werden vier Wachstumsphasen unterschieden, Anlaufphase, exponentielle Phase, stationäre Phase und Absterbephase. Bei der industriellen Kultivierung von Mikroorganismen sollte sich die Kultur stets in der exponentiellen Wachstumsphase befinden, weil die Zellteilungsrate darin am höchsten ist. Um dies zu ermöglichen müssen kontinuierlich oder regelmäßig Mikroorganismen aus dem Medium entnommen werden. For the cultivation of microorganisms, such as algae or cyanobacteria, both bioreactors and open-ponds plants (aquacultures), as well as flat bed plants are used. Open Ponds facilities are inexpensive, but allow only limited control of cultivation conditions because they are exposed to weather conditions. In bioreactors, however, the growth of microorganisms can be closely monitored. The microorganisms are cultured in a suitable nutrient solution containing water, a carbon source and optionally an energy source and supplements such as minerals or trace elements. The composition depends on the requirements of the microorganisms. Photosynthetically active algae or cyanobacteria often require only CO 2 as carbon and sunlight as an energy source in addition to water. In the cultivation of microorganisms, four growth phases are distinguished: start-up phase, exponential phase, stationary phase and dying-off phase. In the industrial cultivation of microorganisms, the culture should always be in the exponential growth phase because the cell division rate is highest therein. In order to make this possible, microorganisms must be removed from the medium continuously or regularly.

Da Mikroorganismen nur sehr geringe Zelldichten tolerieren, fallen beim Ernten große Mengen flüssigen Mediums an, von dem die Mikroorganismen getrennt werden müssen, um sie weiter zu verarbeiten. Einige moderne Verfahren setzen hierzu energiesparende Magnetseparationsverfahren ein, bei denen die Mikroorganismen mit Magnetitteilchen beladen und anschließend durch ein magnetisches Feld geleitet werden. Dabei werden die magnetisierten Mikroorganismen von der nicht magnetisierten Flüssigkeit getrennt. Ein Magnetseparationsverfahren wird beispielsweise in der DE 10 2009 030 712 beschrieben. Since microorganisms tolerate only very low cell densities, large amounts of liquid medium are produced during harvesting, from which the microorganisms must be separated in order to process them further. Some modern methods use energy-saving magnetic separation methods in which the microorganisms are loaded with magnetite particles and then passed through a magnetic field. The magnetized microorganisms are separated from the non-magnetized liquid. A magnetic separation method, for example, in the DE 10 2009 030 712 described.

Um eine effiziente Trennung mittels Magnetitteilchen zu erlangen, müssen diese stabil an die Mikroorganismen binden. Die magnetische Separation wird daher vor allem zur Trennung von Mikroorganismen verwendet, die eine äußere Schleimschicht, eine sogenannte Gallerte, bilden, in der sich die Magnetitteilchen besonders gut einlagern. Die Bildung der Gallerte, führt aber auch zur Verklumpung der Mikroorganismen, wodurch die Rühr- und Pumparbeit im Bioreaktor erschwert wird. Je stärker die Verklumpung ist, desto mehr Energie muss aufgewendet werden, um das Kulturmedium ausreichend in Bewegung zu halten und eine ausreichende Versorgung der Mikroorganismen mit Nährstoffen zu gewährleisten. Es kann sogar zum Stillstand der Zirkulation im Bioreaktor kommen, sodass dieser abgeschaltet und vollständig gereinigt werden muss. Außerdem führt die Bildung von Gallerten auch dazu, dass sich vermehrt Mikroorganismen an den Wänden des Bioreaktors absetzen, wodurch die Sonnenlichteinstrahlung bei Photobioreaktoren erheblich reduziert wird. Bei vollständigem Besatz der Wände muss der Bioreaktor entleert und gereinigt werden. Die Reinigung ist ebenfalls energieaufwändig und die notwendige Abschaltung der Anlage verringert deren Produktivität. In order to achieve an efficient separation by means of magnetite particles, they must bind stably to the microorganisms. The magnetic separation is therefore used above all for the separation of microorganisms which form an outer layer of slime, a so-called jelly, in which the magnetite particles deposit particularly well. The formation of the jelly, but also leads to the clumping of the microorganisms, whereby the agitation and pumping work is difficult in the bioreactor. The stronger the clumping, the more energy must be expended to keep the culture medium sufficiently in motion and to ensure an adequate supply of nutrients to the microorganisms. It may even come to a halt in the circulation in the bioreactor, so it must be turned off and completely cleaned. In addition, the formation of jellies also leads to increased deposition of microorganisms on the walls of the bioreactor, whereby the sunlight irradiation is significantly reduced in photobioreactors. When the walls are completely filled, the bioreactor must be emptied and cleaned. The cleaning is also energy-intensive and the necessary shutdown of the system reduces their productivity.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem sich Mikroorganismen mit möglichst geringem Energieaufwand kultivieren und trennen lassen. Damit soll ermöglicht werden, dass durch das Verfahren insgesamt mehr Energie gewonnen als verbraucht wird, das heißt eine positive Energiebilanz der Gesamtanlage erreicht wird. The object of the invention is therefore to provide a method by which microorganisms can be cultivated and separated with the least possible expenditure of energy. This is to make it possible for the process to generate more energy than is consumed overall, that is to say a positive energy balance of the overall system is achieved.

Diese Aufgabe wir gelöst durch ein Verfahren zum Abtrennen von phototrophe Mikroorganismen aus einem wässrigen Medium, umfassend die Schritte Kultivieren der Mikroorganismen, Induzieren der Bildung mindestens eines Oberflächenmoleküls durch die Mikroorganismen, Zugeben von magnetisierbaren Partikeln zu dem Medium und Durchführen des Mediums durch ein Magnetfeld, in dem die Mikroorganismen von einer wässrigen Phase des Mediums getrennt werden. Indem die magnetisierbaren Partikel an das Oberflächenmolekül der Mikroorganismen binden, werden die Mikroorganismen beim Durchlaufen des Magnetfelds zusammen mit den magnetisierbaren Partikeln zum Magnetpol hin bewegt und dadurch von der nicht magnetisierten wässrigen Phase des Mediums getrennt. This object is achieved by a method of separating phototrophic microorganisms from an aqueous medium, comprising the steps of culturing the microorganisms, inducing the formation of at least one surface molecule by the microorganisms, adding magnetizable particles to the medium, and passing the medium through a magnetic field the microorganisms are separated from an aqueous phase of the medium. By the magnetizable particles bind to the surface molecule of the microorganisms, the microorganisms are moved through the magnetic field together with the magnetizable particles towards the magnetic pole and thereby separated from the non-magnetized aqueous phase of the medium.

Phototrophe, das heißt Photosynthese betreibende, Mikroorganismen werden in Aquakulturen oder lichtdurchlässigen Bioreaktoren, sogenannten Photobioreaktoren gezüchtet. Photobioreaktoren sind zur Kultivierung bevorzugt, weil CO2-haltiges Gas oder Abgas in diese eingeführt werden kann, und das CO2 von den Mikroorganismen durch Photosynthese fixiert wird. Darüber hinaus kann bei Photobioreaktoren jederzeit oder auch kontinuierlich Medium entnommen werden. Phototrophic, that is, photosynthetic, microorganisms are grown in aquacultures or translucent bioreactors called photobioreactors. Photobioreactors are preferred for cultivation because CO 2 -containing gas or exhaust gas can be introduced into them, and the CO 2 of the microorganisms is fixed by photosynthesis. In addition, photobioreactors can be used to remove medium at any time or else continuously.

Der Begriff "Medium" bezeichnet eine Zusammensetzung aus einer Nährlösung und den in der Nährlösung gewachsenen Mikroorganismen. Nährlösung und Medium basieren in der Regel auf Wasser, können jedoch weitere Inhaltsstoffe enthalten, deren Art und Konzentration sich nach den Wachstumsbedingungen der Mikroorganismen richten. So kann das Medium beispielsweise eingeleitetes CO2 als Kohlenstoffquelle für die Mikroorganismen enthalten sowie Mineralien und Spurenelemente aufweisen. The term "medium" refers to a composition of a nutrient solution and the microorganisms grown in the nutrient solution. Nutrient solution and medium are usually based on water, but may contain other ingredients whose nature and concentration depend on the growth conditions of the microorganisms. For example, the medium may contain introduced CO 2 as a carbon source for the microorganisms, as well as minerals and trace elements.

Das Medium kann auch auf definierten Nährlösungen basieren, wie beispielsweise auf dem nach seinem Entwickler benannten Medium CHU 13, das speziell für die Kultivierung von Botryococcus braunii entwickelt wurde. The medium can also be based on defined nutrient solutions, such as on the named after its developer medium CHU 13, which was developed specifically for the cultivation of Botryococcus braunii.

Sobald die Mikroorganismen eine optimale Dichte erreicht haben, wird die Bildung eines Oberflächenmoleküls induziert. Die optimale Dichte einer Mikroorganismenkultur ist gegen Ende der exponentiellen Wachstumsphase, kurz vor dem Eintritt in die stationäre Phase erreicht, wobei die Dichte der Mikroorganismen bevorzugt mindestens 0,1%, ferner bevorzugt 0,3–15%, weiter bevorzugt 0,3–3 % beträgt. Once the microorganisms have reached an optimal density, the formation of a surface molecule is induced. The optimum density of a microorganism culture is reached toward the end of the exponential growth phase shortly before entry into the stationary phase, wherein the density of the microorganisms is preferably at least 0.1%, more preferably 0.3-15%, more preferably 0.3-3 % is.

Der Begriff "Oberflächenmolekül" bezeichnet Moleküle, die sich auf der äußeren Seite der Zellwand der Mikroorganismen befinden, dort gebunden, angelagert oder in der Zellwand verankert sind. Das Oberflächenmolekül kann ein, die Zellwand durchspannender und nach außer ragender, Zellrezeptor sein, der eine spezifische Bindungsaffinität zu den magnetisierbaren Partikeln aufweist. Das Oberflächenmolekül kann auch ein Lipopolysaccharid oder Exopolysaccharid sein, das sich außen an der Zellwand anlagert und dort zusammen mit anderen Oberflächenmolekülen eine Gallerte bildet. Gallerten enthalten häufig heterogene Mischungen aus unterschiedlichen Polysacchariden, wie Cellulose, Xylane, Galactane, Pektinverbindungen sowie Agar-Agar. The term "surface molecule" refers to molecules that are located on the outer side of the cell wall of the microorganisms, bound there, attached or anchored in the cell wall. The surface molecule may be a cell-wall spanning and out-of-order cell receptor that has a specific binding affinity to the magnetizable particles. The surface molecule may also be a lipopolysaccharide or exopolysaccharide that attaches to the outside of the cell wall and forms a jelly there together with other surface molecules. Jellies often contain heterogeneous mixtures of different polysaccharides such as cellulose, xylans, galactans, pectin compounds and agar-agar.

Der Begriff "Induzieren" bezeichnet, dass die Mikroorganismen durch einen von außen willkürlich steuerbaren Auslöser zur Bildung des Oberflächenmoleküls veranlasst werden. Der Auslöser kann beispielsweise eine Chemikalie oder die Änderung einer Kultivierungsbedingung sein. Sobald die Mikroorganismen ausreichende Mengen an Oberflächenmolekülen gebildet haben, werden magnetisierbare Partikel zu dem Medium zugegeben. Die magnetisierbaren Partikel binden die an die Oberflächenmoleküle oder lagern sich in die gebildete Gallerte ein. The term "inducing" denotes that the microorganisms are caused to form the surface molecule by an externally controllable trigger. The trigger may be, for example, a chemical or the change of a cultivation condition. Once the microorganisms have formed sufficient quantities of surface molecules, magnetizable particles are added to the medium. The magnetisable particles bind to the surface molecules or deposit themselves in the formed gel.

Wird das Medium anschließend durch ein Magnetfeld hindurchgeführt, richten sich die magnetisierbaren Partikel entlang des Magnetfelds aus und werden zum Magnetpol hingezogen. Indem die magnetisierbaren Partikel fest mit den Mikroorganismen oder deren Zellagglomeraten verbunden sind, werden auch diese zum Magnetpol gezogen, so dass die magnetisierten Mikroorganismen von der nicht magnetisierten wässrigen Phase des Mediums getrennt werden. Der Begriff "wässrige Phase" bezeichnet dabei den Anteil des Mediums, der keine Mikroorganismen enthält. Dieser enthält neben Wasser gegebenenfalls nichtverbrauchte Nährstoffe sowie Stoffwechselprodukte der Mikroorganismen. If the medium is then passed through a magnetic field, the magnetizable particles align themselves along the magnetic field and are attracted to the magnetic pole. By the magnetizable particles are firmly connected to the microorganisms or their cell agglomerates, these are also drawn to the magnetic pole, so that the magnetized microorganisms are separated from the non-magnetized aqueous phase of the medium. The term "aqueous phase" refers to the proportion of the medium that does not contain microorganisms. This contains not only water but also unused nutrients and metabolites of microorganisms.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die phototrophen Mikroorganismen gallertefreie Mikroorganismen, bevorzugt gallertefreie Algen oder Cyanobakterien. Der Begriff "gallertefreie Mikroorganismen" bezeichnet Mikroorganismen, die natürlicherweise oder unter bestimmten Kulturbedingungen keine oder nur wenige Oberflächenmoleküle bzw. keine oder nur geringe Mengen an Gallerte, bilden. Durch die gezielte Induktion der Bildung von Oberflächenmolekülen vor der Zugabe der magnetisierbaren Partikel kann das energiesparende Verfahren der magnetischen Separation auch zur Abtrennung solcher Mikroorganismen eingesetzt werden. Dies ist besonders vorteilhaft, da es bei der Kultivierung solcher Mikroorganismen kaum zu Verklumpungen kommt, sodass der Rühr- und Pumpaufwand in der Anlage, erheblich geringer ist. Außerdem neigen solche Mikroorganismen kaum dazu sich an den Wänden des Bioreaktors abzusetzen, so dass der Bioreaktor seltener gereinigt werden muss. Dadurch wird die Gesamtproduktivität der Anlage gesteigert. In a preferred embodiment, the phototrophic microorganisms are gelatin-free microorganisms, preferably gelatin-free algae or cyanobacteria. The term "gelatin-free microorganisms" refers to microorganisms which naturally or under certain culture conditions form no or only a few surface molecules or no or only small amounts of jelly. The targeted induction of the formation of surface molecules prior to the addition of the magnetizable particles, the energy-saving method of magnetic separation can also be used for the separation of such microorganisms. This is particularly advantageous, since it hardly comes to clumping in the cultivation of such microorganisms, so that the stirring and pumping effort in the system, is considerably lower. In addition, such microorganisms hardly tend to settle on the walls of the bioreactor, so that the bioreactor must be cleaned less frequently. This increases the overall productivity of the system.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die phototrophen Mikroorganismen genetisch modifiziert. Der Begriff "genetisch modifiziert" bezeichnet, dass sich die genetische Information der Mikroorganismen von der genetischen Information ihres Wildtypstamms unterscheidet. Genetische Modifikationen können mit Hilfe gentechnischer Verfahren oder unter Verwendung klassischer Züchtungsverfahren erhalten werden. Dabei sind die Mikroorganismen derart modifiziert, dass ein externer Auslöser die Bildung eines Oberflächenmoleküls induzieren kann. Besonders bevorzugt sind hierbei genetisch modifizierte Mikroorganismen, die durch Änderung der Temperatur, des Salzgehalts oder des pH-Werts des Mediums zur Produktion von Exopolysacchariden induziert werden. In einer alternativen Ausführungsform sind die Mikroorganismen derart genetisch modifiziert, dass sie durch einen externen Auslöser zur Bildung eines zellwandständigen Proteins induziert werden. Das Protein kann ein Zellrezeptor sein, der an die magnetisierbaren Partikel bindet. Als genetische Modifikation kann beispielsweise ein Gen eingebracht werden, das einen solchen Zellrezeptor kodiert. Steht das Gen unter der Kontrolle eines temperatursensitiven Promotors, werden die Mikroorganismen durch Erhöhung der Temperatur des Mediums zur Bildung des Zellrezeptors veranlasst. In a preferred embodiment, the phototrophic microorganisms are genetically modified. The term "genetically modified" denotes that the genetic information of the microorganisms differs from the genetic information of their wild-type strain. Genetic modifications can be obtained by genetic engineering or using classical breeding techniques. The microorganisms are modified so that an external trigger can induce the formation of a surface molecule. Particularly preferred are genetically modified microorganisms which are induced by changing the temperature, the salt content or the pH of the medium for the production of exopolysaccharides. In an alternative embodiment, the microorganisms are genetically modified such that they are induced by an external trigger to form a cell-walled protein. The protein may be a cell receptor that binds to the magnetizable particles. As a genetic modification, for example, a gene can be introduced which has such a cell receptor coded. If the gene is under the control of a temperature-sensitive promoter, the microorganisms are caused by increasing the temperature of the medium to form the cell receptor.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Oberflächenmolekül ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polysacchariden, Lipopolysacchariden, Exopolysacchariden, Oberflächenrezeptoren und Mischungen davon. Oberflächenrezeptoren, an die magnetisierbare Partikel binden, erlauben eine besonders spezifische Beladung der Mikroorganismen. Polysaccharide, insbesondere Mischungen aus unterschiedlichen Polysacchariden, bilden hingegen stark verzweigte molekulare Netzwerke, die eine besonders effiziente Beladung der Mikroorganismen ermöglichen. In a preferred embodiment, the surface molecule is selected from the group consisting of polysaccharides, lipopolysaccharides, exopolysaccharides, surface receptors, and mixtures thereof. Surface receptors to which magnetizable particles bind allow a particularly specific loading of the microorganisms. Polysaccharides, in particular mixtures of different polysaccharides, on the other hand, form highly branched molecular networks which enable a particularly efficient loading of the microorganisms.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Bildung des Oberflächenmoleküls durch eine Veränderung mindestens einer Kultivierungsbedingung induziert. Dadurch sind keine Zugaben von Chemikalien notwendig, welche die Mikroorganismen gegebenenfalls schädigen könnten oder nach dem Abtrennen der Mikroorganismen wieder entfernt werden müssten. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Kultivierungsbedingung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Lichtexposition, Lichtwellenlänge, Temperatur, pH-Wert, Salzkonzentration und Zusammensetzung des Mediums, da diese Kultivierungsbedingungen ohne großen Aufwand verändert werden können. Die Temperatur des Mediums und die Lichtexposition kann beispielsweise durch Änderung der Beschattung des Photobioreaktors verringert oder erhöht werden. Alternativ kann die Bildung des Oberflächenmoleküls auch durch den natürlichen Nachtzyklus induziert werden. Die Wellenlänge des einfallenden Lichts kann verändert werden, indem das auf dem Bioreaktor eintreffende Sonnenlicht durch einen optischen Filter geleitet wird. Der pH-Wert des Mediums kann über die Menge an CO2, welches den Mikroorganismen als Kohlenstoffquelle zugeführt wird, reguliert werden. Des Weiteren kann die Zusammensetzung, beispielsweise der Salzgehalt der Nährlösung, welche den Mikroorganismen ständig zugeleitet wird, verändert werden. Es können auch zusätzliche Nährstoffe wie beispielsweise Zuckermoleküle zugeführt werden, die geeignet sind die Bildung von Oberflächenmolekülen zu induzieren. In a preferred embodiment, the formation of the surface molecule is induced by a change in at least one culture condition. As a result, no additions of chemicals are necessary, which could possibly damage the microorganisms or would have to be removed again after the removal of the microorganisms. In a particularly preferred embodiment, the cultivation condition is selected from the group consisting of light exposure, wavelength of light, temperature, pH, salt concentration and composition of the medium, since these cultivation conditions can be changed without much effort. The temperature of the medium and the light exposure can be reduced or increased, for example, by changing the shading of the photobioreactor. Alternatively, the formation of the surface molecule can also be induced by the natural night cycle. The wavelength of the incident light can be changed by passing the sunlight incident on the bioreactor through an optical filter. The pH of the medium can be regulated by the amount of CO 2 supplied to the microorganisms as a carbon source. Furthermore, the composition, for example the salt content of the nutrient solution, which is constantly supplied to the microorganisms, can be changed. Also, additional nutrients, such as sugar molecules, can be supplied which are capable of inducing the formation of surface molecules.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner den Schritt a1, des Überführens einer Teilmenge des Mediums in einen Induktionsreaktor. Der Begriff "Induktionsreaktor" bezeichnet einen Bioreaktor in dem die Mikroorganismen durch einen externen Auslöser zur Bildung von Oberflächenmolekülen veranlasst werden. Indem die Bildung der Oberflächenmoleküle in einem separaten Bioreaktor induziert wird, kann die eigentliche Kultivierung der Mikroorganismen ununterbrochen stattfinden. Nachdem eine Teilmenge des Mediums in den Induktionsreaktor überführt wurde, werden die Kultivierungsbedingungen in diesem so gewählt, dass die Mikroorganismen das Oberflächenmolekül bilden. Die Verwendung eines Induktionsreaktors ist insbesondere vorteilhaft wenn die Bildung der Gallerte von Zuckermolekülen abhängig ist und durch diese induziert wird. Steht während der Kultivierung der Mikroorganismen im Photobioreaktor als einzige Kohlenstoffquelle CO2 zur Verfügung, wird eine effiziente CO2-Fixierung gewährleistet. Gleichzeitig bilden die Mikroorganismen kaum Gallerte, weil ihnen hierzu die essentiellen Zuckermoleküle fehlen. Im Induktionsreaktor werden dann Zuckermoleküle zugegeben und die Mikroorganismen so zur Bildung der Gallerte veranlasst. Werden die Mikroorganismen anschließend mit den magnetisierbaren Partikeln gemischt, lagern sich diese in die Gallerte ein. In a preferred embodiment, the method further comprises the step a 1 of transferring a subset of the medium to an induction reactor. The term "induction reactor" refers to a bioreactor in which the microorganisms are caused by an external trigger to form surface molecules. By inducing the formation of the surface molecules in a separate bioreactor, the actual cultivation of the microorganisms can take place uninterrupted. After a subset of the medium has been transferred to the induction reactor, the cultivation conditions in it are chosen so that the microorganisms form the surface molecule. The use of an induction reactor is particularly advantageous if the formation of the gelatin is dependent on and induced by sugar molecules. If the sole carbon source CO 2 is available during the cultivation of the microorganisms in the photobioreactor, efficient CO 2 fixation is ensured. At the same time, the microorganisms hardly form jelly because they lack the essential sugar molecules for this purpose. In the induction reactor then sugar molecules are added and causes the microorganisms to form the gelatin. If the microorganisms are subsequently mixed with the magnetisable particles, these are deposited in the jelly.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die magnetisierbaren Partikel ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Eisenhaltigen Partikeln, Kobalt-haltigen Partikeln, Nickelhaltigen Partikeln, Gadolinium-hatltigen Partikel, Dysprosium-haltigen Partikeln, Holmium-haltigen Partikeln, Terbiumhaltigen Partikeln, Erbium-haltigen Partikeln und Magnetit. Der Begriff "magnetisierbare Partikel" bezeichnet kleine Teilchen beispielsweise in Form von Pulver oder Späne, die ferromagnetische Elemente enthalten und deshalb die Eigenschaft besitzen, sich in einem Magnetfeld auszurichten. Als magnetisierbare Partikel besonders bevorzugt sind Magnetitpartikel. Diese binden effizient an Mikroorganismen bzw. lagern sich in deren Gallerte ein. Dabei wirken die magnetischen Kräfte der Partikel aufeinander, wodurch die Agglomeratbildung der Mikroorganismen verstärkt wird. Sobald die mit Magnetit beladenen Mikroorganismen durch ein Magnetfeld geführt werden, richten sich die Magnetitpartikel in diesem aus und bewegen sich zu dem Magnetpol hin, wobei sie die Mikroorganismen mitziehen. Ein weiterer Vorteil von Magnetit liegt darin, dass es auf dem Rohstoffmarkt gut verfügbar und daher kostengünstig ist. Darüber hinaus ist Magnetit nicht giftig, sodass eine vollständige Entfernung der Partikel nach dem Trocknen der Mikroorganismen nicht zwingend notwendig ist. In a preferred embodiment, the magnetizable particles are selected from the group consisting of iron-containing particles, cobalt-containing particles, nickel-containing particles, gadolinium-containing particles, dysprosium-containing particles, holmium-containing particles, terbium-containing particles, erbium-containing particles and magnetite. The term "magnetizable particles" refers to small particles, for example in the form of powder or chips, which contain ferromagnetic elements and therefore have the property of aligning in a magnetic field. Particularly preferred magnetizable particles are magnetite particles. These efficiently bind to microorganisms or accumulate in their jellies. In this case, the magnetic forces of the particles interact, which increases the agglomeration of the microorganisms. As soon as the magnetite-laden microorganisms are passed through a magnetic field, the magnetite particles in it align and move towards the magnetic pole, dragging the microorganisms along. Another advantage of magnetite is that it is readily available in the commodity market and therefore cost effective. In addition, magnetite is not toxic, so that complete removal of the particles after drying of the microorganisms is not absolutely necessary.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft eine Anlage zum Kultivieren von phototrophen Mikroorganismen, die einen Photobioreaktor, einen magnetischen Separator und eine Transportleitung aufweist. Die Transportleitung führt die Mikroorganismen vom Photobioreaktor zum magnetischen Separator. Another object of the invention relates to a plant for culturing phototrophic microorganisms comprising a photobioreactor, a magnetic separator and a transport line. The transport line leads the microorganisms from the photobioreactor to the magnetic separator.

Der Begriff "Photobioreaktor" bezeichnet einen zur Kultivierung von phototrophen Mikroorganismen ausgebildeten Bioreaktor, wie beispielsweise einen offenen Bioreaktor, einen Rotationssolar-, Flachplatten-Airlift-, Blasensäulen-, Rohr- oder Raceway-Ponds-bioreaktor, wobei letzterer besonders zur Kultivierung von phototrophen Mikroorganismen im industriellen Maßstab geeignet ist. Über die Transportleitung wird das Medium vom Photobioreaktor zum magnetischen Separator transportiert. Der Begriff "magnetischer Separator" bezeichnet eine Vorrichtung mit deren Hilfe ein magnetisches Feld erzeugt wird und die ferner eine Vorrichtung umfasst, mittels der das Medium durch das Magnetfeld hindurchgeführt wird. Der magnetische Separator kann als Magnetfilter, Magnettrommel, Magnetwalze oder Magnetabscheider ausgestaltet sein. The term "photobioreactor" refers to a bioreactor designed to cultivate phototrophic microorganisms, such as an open bioreactor, a rotary solar, flat-plate airlift, bubble column, tube, or Raceway Ponds bioreactor, the latter being particularly suitable for the cultivation of phototrophic microorganisms on an industrial scale. The medium is transported from the photobioreactor to the magnetic separator via the transport line. The term "magnetic separator" refers to a device by means of which a magnetic field is generated and which further comprises a device by means of which the medium is passed through the magnetic field. The magnetic separator may be configured as a magnetic filter, magnetic drum, magnetic roller or magnetic separator.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Anlage ferner eine Einfüllvorrichtung für magnetisierbare Partikel auf. Diese kann beispielsweise in die Transportleitung münden, sodass sich die zugegebenen magnetisierbaren Partikel gleichmäßig in dem durchfließenden Medium verteilen, bevor es in den magnetischen Separator eintritt. Dadurch kann zusätzliches Mischen und Rühren vermieden werden. In a preferred embodiment, the system further comprises a filling device for magnetizable particles. This may, for example, open into the transport line, so that the added magnetizable particles distribute evenly in the flowing medium before it enters the magnetic separator. This allows additional mixing and stirring to be avoided.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Anlage ferner einen Induktionsreaktor auf. Er kann ebenfalls ein Photobioreaktor, beispielsweise ein Raceway-Pond-Reaktor sein. Als Induktionsreaktor eignen sich aber auch einfache lichtdurchlässige Fermentatoren, die verhältnismäßig kostengünstig sind. Je schneller die Mikroorganismen ausreichende Mengen des Oberflächenmoleküls bilden, um eine effiziente Bindung der magnetisierbaren Partikel zu gewährleisten, desto geringere Anforderungen werden an den Induktionsreaktor gestellt, da die Mikroorganismen nur eine relativ geringe Zeit darin verbleiben. Der Induktionsreaktor kann ferner mit einer Einfüllvorrichtung für die magnetisierbaren Partikel ausgebildet sein. Dabei reicht die zur Kultivierung notwendige Bewegung des Mediums aus, um die Mikroorganismen gleichmäßig mit den magnetisierbaren Partikeln zu beladen, sodass kein zusätzliches Mischen notwendig ist. Alternativ kann die Einfüllvorrichtung auch in einer Transportleitung, die vom Induktionsreaktor zum magnetischen Separator führt, angeordnet sein. In a preferred embodiment, the plant further comprises an induction reactor. It can also be a photobioreactor, for example a Raceway Pond reactor. But as an induction reactor are also simple translucent fermenters, which are relatively inexpensive. The faster the microorganisms form sufficient amounts of the surface molecule to ensure efficient binding of the magnetizable particles, the lower the demands will be placed on the induction reactor since the microorganisms will remain therein for a relatively short time. The induction reactor may further be formed with a filling device for the magnetizable particles. The movement of the medium necessary for the cultivation is sufficient to evenly load the microorganisms with the magnetisable particles, so that no additional mixing is necessary. Alternatively, the filling device can also be arranged in a transport line leading from the induction reactor to the magnetic separator.

Durch sie werden magnetisierbaren Partikel in das durchfließende Medium eingestreut, die sich dann aufgrund der Fließgeschwindigkeit mit den Mikroorganismen vermischen. Through them, magnetizable particles are interspersed in the flowing medium, which then mix due to the flow velocity with the microorganisms.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. In the following the invention will be explained in more detail with reference to the attached schematic drawings.

1 zeigt die grundlegenden Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Flussdiagramm. Phototrophe Mikroorganismen werden in einem Medium bis zur exponentiellen Wachstumsphase gezüchtet. Kurz vor dem Eintritt in die stationäre Wachstumsphase werden die Kulturbedingungen von außen geändert, sodass die Mikroorganismen mit der Bildung eines Oberflächenmoleküls beginnen. Sobald die Mikroorganismen ausreichende Mengen des Oberflächenmoleküls gebildet haben, werden magnetisierbare Partikel zu dem Medium zugegeben. Sie lagern sich an die Oberflächenmoleküle an, sodass die Mikroorganismen mit den magnetisierten Partikeln beladen werden. Anschließend wird das Medium in einen magnetischen Separator 10 überführt, in dem das Medium durch ein magnetisches Feld geleitet wird. Die mit magnetisierten Partikeln beladenen Mikroorganismen werden darin in Richtung des Magnetpols abgelenkt und so von der nicht magnetisierten wässrigen Phase des Mediums getrennt. 1 shows the basic steps of the method according to the invention in a flow chart. Phototrophic microorganisms are grown in medium until exponential growth phase. Shortly before entering the stationary growth phase, the culture conditions are changed from the outside, so that the microorganisms start with the formation of a surface molecule. Once the microorganisms have formed sufficient amounts of the surface molecule, magnetizable particles are added to the medium. They attach themselves to the surface molecules, so that the microorganisms are loaded with the magnetized particles. Subsequently, the medium is in a magnetic separator 10 in which the medium is passed through a magnetic field. The microorganisms loaded with magnetized particles are deflected therein in the direction of the magnetic pole and thus separated from the non-magnetized aqueous phase of the medium.

2 zeigt ein Flussdiagramm, das schematisch die Kultivierung und Abtrennung phototropher Algen in einem Medium darstellt. Die Algen werden in einem Raceway-Pond-Reaktor kultiviert, der aus geschlossenen, ca. 30 cm tiefen Kanälen besteht. Durch ein Schaufelrad wird das Medium mit den Mikroorganismen ständig bewegt. Dem Medium wird kontinuierlich eine Nährlösung 3 und Kohlendioxid (CO2) 4 zugeführt, um ein optimales Wachstum der Algen zu gewährleisten. Sobald die Algen eine Dichte von über 0,3 % im Medium erlangt haben, wird die Salzkonzentration der Nährlösung 3 geändert, so dass die Algen beginnen eine Gallerte zu bilden. Sobald die Algen aufgrund der gebildeten Gallerte Agglomerate bilden, werden Magnetitpartikel 102 zu dem Medium hinzugegeben, die sich in die Gallerte einlagern. Durch die magnetische Wechselwirkung zwischen den Magnetitpartikeln 102 kommt zu einer gesteigerten Agglomeratbildung. Anschließend wird das Medium in einen magnetischen Separator 10 überführt, in dem die Algen durch ein magnetisches Feld geleitet und so von der nicht magnetisierten wässrigen Phase des Mediums getrennt werden. Die Algen werden gesammelt und zur weiteren Verarbeitung getrocknet. 2 shows a flow chart which schematically illustrates the cultivation and separation of phototrophic algae in a medium. The algae are cultivated in a Raceway Pond reactor, which consists of closed, about 30 cm deep channels. By a paddle wheel, the medium is constantly moved with the microorganisms. The medium is continuously a nutrient solution 3 and carbon dioxide (CO 2 ) 4 supplied to ensure optimal growth of the algae. Once the algae have reached a density of over 0.3% in the medium, the salt concentration of the nutrient solution 3 changed so that the algae begin to form a jelly. As soon as the algae form agglomerates due to the formed gelatin, magnetite particles are formed 102 added to the medium, which are stored in the jelly. Due to the magnetic interaction between the magnetite particles 102 comes to an increased agglomeration. Subsequently, the medium is in a magnetic separator 10 in which the algae are passed through a magnetic field and thus separated from the non-magnetized aqueous phase of the medium. The algae are collected and dried for further processing.

3 zeigt schematisch den Aufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage 1 zur Kultivierung phototropher Mikroorganismen. Über eine Zuleitung 2 wird eine Nährlösung 3 und Kohlendioxid 4 in Form von Abgas in einen Photobioreaktor 5 geleitet. Unter Einstrahlung von Licht 6 werden im Photobioreaktor 5 phototrophe Mikroorganismen kultiviert. Sobald die Mikroorganismen eine Dichte von über 3 % erreicht haben wird eine Teilmenge des Mediums aus dem Photobioreaktor 5 über eine Transportleitung 7 in einen Induktionsreaktor 8 überführt. In diesem werden die Mikroorganismen durch Änderung der Kultivierungsbedingungen zur Bildung von Gallerte veranlasst. Anschließend werden über eine Einfüllvorrichtung 9 magnetisierbare Partikel in den Induktionsreaktor 8 gegeben, so dass die Mikroorganismen mit diesen beladen werden. Das Medium wird anschließend über eine Transportleitung 7 in einen magnetischen Separator 10 überführt, in welchem das Medium durch ein magnetisches Feld geführt wird. Darin werden die magnetisierbaren Partikel und die mit ihnen beladenen Mikroorganismen abgelenkt und so von einer nicht magnetisierten wässrigen Phase des Mediums getrennt. Aus dem magnetischen Separator 10 werden die Mikroorganismen über eine Ableitung 11 und die wässrige Phase über einen Abfluss 12 abgeleitet. 3 shows schematically the structure of an embodiment of the system according to the invention 1 for the cultivation of phototrophic microorganisms. Via a supply line 2 becomes a nutrient solution 3 and carbon dioxide 4 in the form of exhaust gas in a photobioreactor 5 directed. Under irradiation of light 6 be in the photobioreactor 5 cultivated phototrophic microorganisms. Once the microorganisms have reached a density of over 3%, a subset of the medium will be removed from the photobioreactor 5 via a transport line 7 in an induction reactor 8th transferred. In this, the microorganisms are caused by changing the culture conditions for the formation of gelatin. Subsequently, via a filling device 9 magnetizable particles in the induction reactor 8th given so that the microorganisms are loaded with these. The medium is then transferred via a transport line 7 in a magnetic separator 10 in which the medium is passed through a magnetic field. In it, the magnetizable particles and the microorganisms loaded with them are deflected and thus separated from a non-magnetized aqueous phase of the medium. From the magnetic separator 10 the microorganisms are via a derivative 11 and the aqueous phase via a drain 12 derived.

4 zeigt schematisch den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie den Aufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage 1. In einem Photobioreaktor 5 werden Cyanobakterien 101 unter Einfall von Licht 6 kultiviert. Durch Erhöhung der Temperatur in dem Photobioreaktor 4, dargestellt durch einen Pfeil 107, werden die Cyanobakterien 101 zur Bildung von Gallerte induziert. Anschließend werden die Cyanobakterien 101 über eine Transportleitung 7 in einen magnetischen Separator 10 überführt. Die Transportleitung 7 weist eine Einfüllvorrichtung 9 auf, über welche Magnetitpartikel 102 zu dem Medium, welches durch die Transportleitung 7 fließt, zugegeben werden. Diese lagern sich in die Gallerte der Cyanobakterien 101 ein und fördern die Bildung von Agglomeraten 103 von Cyanobakterien 101 und Magnetitpartikeln 102. Der magnetische Separator 10 beinhaltet eine Magnettrommel 104, über welche die Agglomerate 103 von Cyanobakterien 101 und Magnetitpartikeln 102 aus dem Medium entfernt werden. Eine Abscheidevorrichtung 105 löst die Agglomerate 103 von Cyanobakterien 101 und Magnetitpartikeln 102 von der Magnettrommel 104 und transportiert sie in ein Sammelbecken 106. Über einen Abfluss 12 wird eine wässrige Phase des Mediums aus dem magnetischen Separator 10 abgeführt. 4 schematically shows the sequence of the method according to the invention and the structure of an embodiment of the system according to the invention 1 , In a photobioreactor 5 become cyanobacteria 101 under the influence of light 6 cultured. By raising the temperature in the photobioreactor 4 represented by an arrow 107 , become the cyanobacteria 101 induced to form gelatin. Subsequently, the cyanobacteria 101 via a transport line 7 in a magnetic separator 10 transferred. The transport line 7 has a filling device 9 on, about which magnetite particles 102 to the medium passing through the transport line 7 flows, be admitted. These are deposited in the jelly of the cyanobacteria 101 and promote the formation of agglomerates 103 of cyanobacteria 101 and magnetite particles 102 , The magnetic separator 10 includes a magnetic drum 104 about which the agglomerates 103 of cyanobacteria 101 and magnetite particles 102 be removed from the medium. A separator 105 dissolves the agglomerates 103 of cyanobacteria 101 and magnetite particles 102 from the magnetic drum 104 and transports them to a collection basin 106 , About a drain 12 becomes an aqueous phase of the medium from the magnetic separator 10 dissipated.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (10)

Verfahren zum Abtrennen von phototrophen Mikroorganismen aus einem wässrigen Medium, umfassend die Schritte a) Kultivieren der Mikroorganismen, b) Induzieren der Bildung mindestens eines Oberflächenmoleküls durch die Mikroorganismen, c) Zugeben von magnetisierbaren Partikeln zu dem Medium, und d) Durchführen des Mediums durch ein Magnetfeld, in dem die Mikroorganismen von der wässrigen Phase des Mediums getrennt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisierbaren Partikel an das Oberflächenmolekül binden. A process for separating phototrophic microorganisms from an aqueous medium, comprising the steps of a) cultivating the microorganisms, b) inducing the formation of at least one surface molecule by the microorganisms, c) adding magnetizable particles to the medium, and d) passing the medium through Magnetic field in which the microorganisms are separated from the aqueous phase of the medium, characterized in that the magnetizable particles bind to the surface molecule. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die phototrophen Mikroorganismen gallertenfreie Mikroorganismen sind, bevorzugt gallertenfreie Algen oder Cyanobakterien (101). A method according to claim 1, characterized in that the phototrophic microorganisms are gelatin-free microorganisms, preferably gelatin-free algae or cyanobacteria ( 101 ). Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflächenmolekül ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polysacchariden, Lipopolysacchariden, Exopolysacchariden, Oberflächenrezeptoren und Mischungen davon. A method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the surface molecule is selected from the group consisting of polysaccharides, lipopolysaccharides, exopolysaccharides, surface receptors and mixtures thereof. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildung des Oberflächenmoleküls durch eine Veränderung mindestens einer Kultivierungsbedingung induziert wird. Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the formation of the surface molecule is induced by a change of at least one cultivation condition. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kultivierungsbedingung ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lichtexposition, Lichtwellenlänge, Temperatur, pH-Wert, Salzkonzentration und Zusammensetzung des Mediums. A method according to claim 4, characterized in that the culturing condition is selected from the group consisting of light exposure, wavelength of light, temperature, pH, salt concentration and composition of the medium. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner den Schritt a1, Überführen einer Teilmenge des Mediums in einen Induktionsreaktor (8), umfasst. Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the method further comprises the step a 1 , transferring a portion of the medium into an induction reactor ( 8th ). Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisierbaren Partikel ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Eisen-haltigen Partikeln, Cobalt-haltigen Partikeln, Nickel-haltigen Partikeln, und Magnetit. Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the magnetizable particles are selected from the group consisting of iron-containing particles, cobalt-containing particles, nickel-containing particles, and magnetite. Anlage (1) zum Abtrennen von phototrophen Mikroorganismen, die einen Photobioreaktor (5), einen magnetischen Separator (10) und eine Transportleitung (7), die Mikroorganismen von dem Photobioreaktor (5) in den magnetischen Separator (10) führt, aufweist. Investment ( 1 ) for separating phototrophic microorganisms containing a photobioreactor ( 5 ), a magnetic separator ( 10 ) and a transport line ( 7 ), the microorganisms from the photobioreactor ( 5 ) in the magnetic separator ( 10 ) leads. Anlage (1) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage eine Einfüllvorrichtung (9) für magnetisierbare Partikel aufweist. Investment ( 1 ) according to claim 8, characterized in that the plant comprises a filling device ( 9 ) for magnetizable particles. Anlage (1) gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage einen Induktionsreaktor (8) aufweist. Investment ( 1 ) according to claim 8 or 9, characterized in that the plant comprises an induction reactor ( 8th ) having.
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