DE102011081701A1

DE102011081701A1 - Photobioreaktor zur Kultivierung von Mikroalgen unter Verwendung einer Hohlfasermembran

Info

Publication number: DE102011081701A1
Application number: DE102011081701A
Authority: DE
Inventors: Bum Suk Jung; Joo Hwan Lim; Dae Young Goh; Soo Hyun HA; Won Bae Lee; Shin Tae Bae
Original assignee: Hyundai Motor Co; Industry Academy Cooperation Foundation of Myongji University
Current assignee: Hyundai Motor Co; Industry Academy Cooperation Foundation of Myongji University
Priority date: 2011-05-12
Filing date: 2011-08-29
Publication date: 2012-11-15
Also published as: US20120288928A1; CN102776117A; CN102776117B; KR101282625B1; KR20120126481A

Abstract

Es wird ein Hochgeschwindigkeits-Bioreaktor zur Kultivierung von Mikroalgen unter Verwendung einer Hohlfasermembran gezeigt. Insbesondere ein Hochgeschwindigkeits-Bioreaktor zur Kultivierung von Mikroalgen unter Verwendung einer Hohlfasermembran, die in der Lage ist, durch Erhöhen der Rate der Kohlendioxid-Sättigung in einem Nährmedium das Wachstum von Mikroalgen zu fördern und die Kohlendioxid-Bindung zu maximieren. Genauer gesagt umfasst ein Hochgeschwindigkeits-Bioreaktor zur Kultivierung von Mikroalgen unter Verwendung einer Hohlfasermembran einen Reaktor-Hauptteil zur Kultivierung von Mikroalgen; ein Hohlfasermembran-Modul zum Zuführen von Kohlendioxid in ein Nährmedium in dem Reaktor-Hauptteil; eine Nährmedium-Umwälzpumpe zum Umwälzen des Nährmediums; und einen Entschäumer zum Beseitigen von in dem Nährmedium erzeugten Schäumen.

Description

HINTERGRUND
(a) Technisches Gebiet
Die vorliegende Anmeldung betrifft einen Hochgeschwindigkeits-Bioreaktor zur Kultivierung von Mikroalgen unter Verwendung einer Hohlfasermembran. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere einen Hochgeschwindigkeits-Bioreaktor zur Kultivierung von Mikroalgen unter Verwendung einer Hohlfasermembran, die in der Lage ist, durch Erhöhen der Rate der Kohlendioxid-Sättigung das Wachstum von Mikroalgen zu fördern und die Kohlendioxid-Bindung zu maximieren.
(b) Stand der Technik
Es sind verschiedenste Versuche unternommen worden, um die mit der globalen Erwärmung und der Erschöpfung der fossilen Brennstoffe verbundenen weltweiten Umweltprobleme zu lösen. Unter einigen von diesen Versuchen befindet sich ein Verfahren zum biologischen Vermindern von CO₂ und zum Erzeugen von Biodiesel durch die Nutzung der Photosynthese von Mikroalgen, welches sich insofern als vorteilhaft erwiesen hat, dass es bei normaler Temperatur und normalem Druck gewannen werden kann und auf dem Kohlenstoffkreislauf der Natur basiert. Somit wird es als die praktischste Lösung für die Reduzierung der Treibhausgase angesehen.
Damit eine Technologie, die auf der Photosynthese von Mikroalgen basiert, eine erfolgreiche Lösung sein kann, sollte eine Mikroalgen-Spezies mit einer exzellenten CO₂-Absorptionsfähigkeit ausgewählt werden und es muss ein Photo-Bioreaktor für die Kultivierung entwickelt werden. Im Allgemeinen können die herkömmlichen Vorrichtungen zur Kultivierung von Mikroalgen in eine offene Teichanlage und eine geschlossene Anlage klassifiziert werden. Da die offene Teichanlage einen offenen Graben oder Teich verwendet, sind die Anfangsinvestitionskosten ziemlich gering. Es ist jedoch ein großer Bauraum erforderlich, weil die Flächenproduktivität ebenfalls gering ist und es kompliziert ist, die Nährstoffmenge, Temperatur, pH-Wert und andere Faktoren, die für ein Wachstum von Mikroalgen notwenig sind, zu steuern.
Um die mit der offenen Teichanlage verbundenen Probleme zu bewältigen, wird manchmal eine geschlossene Anlage verwendet, um ein Wachstum von Mikroalgen in hohen Dichten in einem kleinen Reaktor zu ermöglichen, so dass sie aktiv untersucht werden können. Diese bestehenden Vorrichtungen zur Kultivierung von Mikroalgen bestehen typischerweise aus einem Nährstoff-Lieferant, einem Mikroalgen-Photobioreaktor und einer Erntemaschine. Der Nährstoff-Lieferant liefert Nährstoffe und Wasser, die für das Wachstum von Mikroalgen erforderlich sind, und der Mikroalgen-Photobioreaktor ermöglicht, dass die Mikroalgen unter Verwendung von natürlichen, natürlichen/künstlichen Licht Photosynthese betreiben, um CO₂ zu binden. Die Erntemaschine, wie ihr Name bereits andeutet, erntet die gewachsenen Mikroalgen.
Unter diesen Komponenten ist der Mikroalgen-Photobioreaktor, wo eigentlich die Bindung von CO₂ erzielt wird, das Kernelement des biologischen CO₂-Bindungsvorgangs. Gewöhnlicherweise dauert es 9–10 Tage für die Mikroalgen, um von der Anfangskonzentration zu der Endkonzentration zu wachsen. Mikroalgen wachsen so langsam, weil CO₂-Gas in den Reaktor einfach durch einen Blasenbildungsvorgang eingeblasen wird und somit keine übermäßig lange Kontaktzeit von CO₂ mit den Mikroalgen aufgrund der geringen Löslichkeit von CO₂ in Wasser gewährleistet wird. Demzufolge ist Aufenthaltszeit in dem Nährmedium kurz. Da das von dem Nährmedium emittierte Gas nicht ganz CO₂-frei ist, wird darüber hinaus eine zusätzliche Sammelvorrichtung benötigt, um das Gas von dem Nährmedium wiederzuverwenden. Des Weiteren gibt es ebenfalls Probleme bei der Wiederverwendung des Wassers und beim Ernten der Mikroalgen, da das Nährmedium und die Mikroalgen separat gehandhabt werden sollten.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung ist auf die Bereitstellung eines Hochgeschwindigkeits-Bioreaktors zur Kultivierung von Mikroalgen unter Verwendung einer Hohlfasermembran gerichtet, die in der Lage ist, durch eine Hohlfasermembran mit einer großen Membranoberfläche das Wachstum von Mikroalgen zu fördern und die Kohlendioxid-Fixierung zu maximieren, und erhöht somit die Sättigungsrate von Kohlendioxid in dem Nährmedium.
In einer allgemeinen Ausgestaltung stellt die vorliegende Erfindung einen Hochgeschwindigkeits-Bioreaktor zur Kultivierung von Mikroalgen unter Verwendung einer Hohlfasermembran bereit, welcher einen Reaktor-Hauptteil zur Kultivierung von Mikroalgen; ein Hohlfasermembran-Modul zum Zuführen von Kohlendioxid in ein Nährmedium in dem Reaktor-Hauptteil; eine Nährmedium-Umwälzpumpe zum Umwälzen des Nährmediums; und einen Entschäumer zum Beseitigen von in dem Nährmedium erzeugten Schäumen umfasst.
Der Reaktor-Hauptteil kann mit einer Trennmembran ausgerüstet sein, welche ein mit Mikroalgen vermischtes Nährmedium und ein zirkulierendes Nährmedium trennt, welches von dem Hohlfasermembran-Modul zugeführtes Kohlendioxid umfasst, und das in dem zirkulierenden Nährmedium enthaltene Kohlendioxid zu dem mit den Mikroalgen vermischten Nährmedium durch einen Konzentrationsgradienten weiterleitet.
Eine außerhalb des Reaktor-Hauptteils vorgesehene Lichtquelle kann eingerichtet sein, um Licht mit einer Wellenlänge zu illuminieren, das die Photosynthese in den Reaktor-Hauptteil hinein aktiviert. Ferner können ein oder mehrere Rührwerke in dem Reaktor-Hauptteil vorgesehen sein, um das Fließvermögen der Mikroalgen zu gewährleisten.
Die Trennmembran kann insbesondere Poren mit einer Größe von ungefähr 0,4 μm oder kleiner aufweisen, um die Bewegung der Mikroalgen zu blockieren. Eine Hohlfasermembran des Hohlfasermembran-Moduls kann eine hydrophobe Membran mit Poren mit einer Größe von ungefähr 0,1 μm oder kleiner sein. Die Hohlfasermembran des Hohlfasermembran-Moduls kann ebenfalls einen Membran mit einer Porosität von ungefähr 10–40% sein.
Darüber hinaus kann ein weiteres Hohlfasermembran-Modul zwischen dem Hohlfasermembran-Modul und dem Reaktor-Hauptteil vorgesehen sein, und ein Gaseinlass des weiteren Hohlfasermembran-Moduls kann mit einem Gasauslass des Hohlfasermembran-Moduls verbunden sein, um die Kontaktzeit von Kohlendioxid mit dem Nährmedium zu erhöhen.
Da der Hochgeschwindigkeits-Bioreaktor unter Verwendung einer Hohlfasermembran gemäß der vorliegenden Erfindung in der Lage ist, das für das Wachstum der Mikroalgen notwendige CO₂ mit einer hohen Geschwindigkeit zu dem Nährmedium zu liefern und das mit den Mikroalgen vermischte Nährmedium unter Verwendung der Trennmembran von dem Nährmedium, das von Mikroalgen frei ist, zu trennen, ist es einfach, Nährstoffe zu liefern und schädliche Substanzen zu beseitigen, um auf diese Weise das Wachstum der Mikroalgen zu erleichtern. Darüber hinaus ist durch eine Modularisierung ein Scale-up möglich und das Mikroalgen-Wachstum und die Kohlendioxid-Bindung kann maximiert werden.
Die obigen und weitere Ausgestaltungen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend beschrieben.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nun ausführlich unter Bezugnahme auf deren bestimmte beispielhafte Ausführungsformen beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, welche nachfolgend lediglich der Veranschaulichung dienen und somit für die vorliegende Erfindung nicht einschränkend sind, und wobei:
1 zeigt eine Anordnung eines Hochgeschwindigkeits-Bioreaktors zur Kultivierung von Mikroalgen unter Verwendung einer Hohlfasermembran gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt eine Anordnung eines Hochgeschwindigkeits-Bioreaktors zur Kultivierung von Mikroalgen unter Verwendung einer Hohlfasermembran gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3a und 3b zeigen eine Anordnung eines Hochgeschwindigkeits-Bioreaktors, der gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung modularisiert ist; und
4 zeigt, nach Zuführen von Kohlendioxid bei einem konstanten Durchfluss zu einem Nährmedium unter Verwendung eines Hohlfasermembran-Moduls gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung oder unter Verwendung eines bestehenden Blasenreaktors, ein Ergebnis des Vergleichs der Konzentration von Kohlendioxid, das in jedem Nährmedium gelöst ist.
Es ist zu beachten, dass die beigefügten Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabgerecht sind, und eine etwas vereinfachte Darstellung von verschiedenen bevorzugten Merkmalen darstellen, welche die Grundsätze der Erfindung veranschaulichen. Die spezifischen Konstruktionsmerkmale der vorliegenden Erfindung wie sie hierin offenbart sind, einschließlich z. B. spezifischer Abmessungen, Orientierungen, Einbauorten, und Formen werden zum Teil durch die eigens dafür vorgesehene Anmeldung und der Arbeitsumgebung bestimmt.
In den Figuren beziehen sich die Bezugszeichen auf die gleichen oder äquivalenten Teile der vorliegenden Erfindung überall in den einzelnen Figuren der Zeichnungen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es wird nun ausführlich auf die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, wobei deren Beispiele in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind und unterhalb beschrieben werden. Obwohl die Erfindung in Verbindung mit beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wird, ist es zu beachten, dass die vorliegende Beschreibung nicht dazu vorgesehen ist, die Erfindung auf jene beispielhafte Ausführungsformen zu beschränken. Im Gegensatz dazu ist die Erfindung dazu vorgesehen, nicht nur die beispielhaften Ausführungsformen abzudecken, sondern ebenso verschiedenste Alternativen, Abänderungen, Äquivalente und weitere Ausführungsformen, welche innerhalb des Geistes und des Umfangs der Erfindung wie sie in den beigefügten Ansprüchen bestimmt ist, umfasst sein können.
Sofern nicht ausdrücklich angegeben oder aus dem Kontext ersichtlich, wird der Begriff ”ungefähr”, wie er hierin verwendet wird, derart verstanden, dass er innerhalb eines Bereichs mit normgemäßer Toleranz im Stand der Technik liegt, zum Beispiel innerhalb 2 Standardabweichungen der Mittelwerte. Ungefähr kann derart verstanden werden, dass es innerhalb 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0,5%, 0,1%, 0,05% oder 0,01% des angegebenen Werts liegt. Soweit es sich nicht anderweitig aus dem Kontext ergibt, werden alle hierin bereitgestellten numerischen Werte durch den Begriff ungefähr verändert.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hochgeschwindigkeits-Bioreaktor zur Kultivierung von Mikroalgen unter Verwendung einer Hohlfasermembran. Durch Erhöhen der Sättigungsrate von Kohlendioxid, das einem Nährmedium durch eine Hohlfasermembran mit einer erhöhten Membran-Oberfläche zugeführt wird, kann das Wachstum von Mikroalgen gefördert werden und die Kohlendioxid-Bindung kann gesteigert werden.
Zusätzlich zu der Erhöhung der Sättigungsrate von Kohlendioxid in dem Nährmedium ermöglicht eine Verwendung der Hohlfasermembran eine Beseitigung von Sauerstoff, der während dem Kultivieren der Mikroalgen erzeugt wird, um dadurch den Stoffwechselprozess der Mikroalgen zu unterstützen. Ferner kann durch Bereitstellen einer Trennmembran, die in der Lage ist, eine Bewegung der Mikroalgen in dem Reaktor-Hauptteil zu blockieren, der Transport des Nährmediums unabhängig gesteuert werden und die Effizienz des gesamten Systems kann verbessert werden.
Das heißt, die vorliegende Erfindung ermöglicht eine schnellere Zufuhr von Kohlendioxid-Gas unter Verwendung einer Hohlfasermembran als die herkömmliche Blasenbildung im Stand der Technik. Des Weiteren kann durch Zuführen von Kohlendioxid zu den Mikroalgen als Nährstoff für die Photosynthese unter Verwendung einer Lichtquelle (natürliches oder künstliches Licht) durch die in dem Reaktor-Hauptteil vorgesehene Trenn-Membran die Konzentration von Kohlendioxid, das in dem mit den Mikroalgen vermischten Nährmedium (nachfolgend bezeichnet als mit Mikroalgen vermischtes Nährmedium) gelöst ist, gesteuert werden und verhindert somit, dass die Mikroalgen aus dem Reaktor-Hauptteil heraus kommen und verhindert demzufolge eine Anhaftung der Mikroalgen an dem Hohlfasermembran-Modul. Ferner können durch Umwälzen des Nährmediums unterhalb der Trenn-Membran zwischen dem Reaktor-Hauptteil und der Hohlfasermembran, so dass die Konzentration von Kohlendioxid als konstant beibehalten wird, und Trennen des Nährmediums (nachfolgend bezeichnet als zirkulierendes Nährmedium) von dem mit den Mikroalgen vermischten Nährmedium, die Mikroalgen und das Nährmedium separat gehandhabt werden.
Da sowohl der Reaktor-Hauptteil als auch das Hohlfasermembran-Modul modularisiert werden können, kann bei dem Hochgeschwindigkeits-Bioreaktor der vorliegenden Erfindung in einfacher Weise ein Scale-up durchgeführt werden und somit kann die Kohlendioxid-Bindung maximiert werden.
Wie in 1 und 2 gezeigt, umfasst ein Hochgeschwindigkeits-Bioreaktor gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Reaktor-Hauptteil 10 mit einer zylinderförmigen Form mit einem vorbestimmten Volumen; eine Hohlfasermembran 20 zum Transport von Material, wie zum Beispiel eine Zufuhr von Kohlendioxid zu und eine Beseitigung von Sauerstoff von einem Nährmedium; einen Entschäumer 30 zum Beseitigen von Schäumen eines Nährmediums, das dem Reaktor-Hauptteil 10 und dem Hohlfasermembran-Modul 20 zugeführt wird; eine Lichtquelle 16, die außerhalb des Reaktor-Hauptteils 10 vorgesehen ist und die Licht mit einer Wellenlänge, das zum Kultivieren von Pflanzen geeignet ist, in den Reaktor-Hauptteil 10 illuminiert; und eine Nährmedium-Umwälzpumpe 18 zum Umwälzen des Nährmediums.
Der Reaktor-Hauptteil 10 ist ausgelegt, um darin Mikroalgen zu kultivieren und wird mit dem Nährmedium zum Liefern von Nährstoffen gefüllt. An dem Unterteil des Reaktor-Hauptteils 10 ist eine plattenförmige Trennmembran 12 zum Trennen eines mit Mikroalgen vermischten Nährmediums von einem zirkulierenden Nährmedium und zum Blockieren einer Bewegung der Mikroalgen vorgesehen.
Die Trennmembran 12 kann eine plattenförmige Membran mit Poren von einer Größe von ungefähr 0,4 μm oder kleiner sein, so dass die Mikroalgen nicht dort hindurch durchkommen können, während gleichzeitig ermöglicht wird, dass das Nährmedium durch die Trennmembran 12 durchkommt. Das heißt, die Trennmembran 12 ermöglicht einen Transport von Material (z. B. Kohlendioxid und Sauerstoff), während die Mikroalgen von dem Nährmedium (insbesondere dem zirkulierenden Nährmedium) in dem Reaktor-Hauptteil 10 getrennt werden. Die Trennmembran 12 weist vorzugsweise einen Durchmesser auf, der dem Innendurchmesser des Reaktor-Hauptteils 10 entspricht.
Die Bereitstellung der Trennmembran 12 in dem Reaktor-Hauptteil 10 ermöglicht die Zuführung von Kohlendioxid, das für die Photosynthese der Mikroalgen erforderlich ist, von dem zirkulierenden Nährmedium an dem Bodenteil des Reaktor-Hauptteils 10 zu dem mit den Mikroalgen vermischten Nährmedium darüber ebenso wie den Transport von Sauerstoff, der sich aus der Photosynthese ergibt, zu dem zirkulierenden Nährmedium, so dass der Sauerstoff beseitigt werden kann. Das heißt, die Trennmembran 12 ermöglicht eine Trennung des mit den Mikroalgen vermischten Nährmediums von dem Kohlendioxid enthaltenden zirkulierenden Nährmedium, das von dem Hohlfasermembran-Modul 20 zugeführt wird, ebenso wie einen Transport von Kohlendioxid von dem zirkulierenden Nährmedium zu dem mit den Mikroalgen vermischten Nährmedium über einen Konzentrationsgradienten.
Mit anderen Worten wird durch einen Konzentrationsgradienten des Nährmediums, das durch die Trennmembran 12 getrennt wird, das von dem Hohlfasermembran-Modul 20 zugeführte Kohlendioxid zu dem mit den Mikroalgen vermischten Nährmedium transportiert. Die Steuerung des Materialtransports des Nährmediums durch den Konzentrationsgradienten verbessert die Effizienz des gesamten Systems. Demzufolge kann die Trennmembran 12 eine Membran sein, die in der Lage ist, die Bewegung der Mikroalgen zu blockieren, aber ebenfalls den Transport von verschiedenen Nährstoffen, die durch die Mikroalgen benötigt werden, sowie von schädlichen Substanzen wie zum Beispiel Kohlendioxid, Sauerstoff oder dergleichen zu ermöglichen.
Aufgrund dieser Trennung durch die Trennmembran 12 in dem Reaktor-Hauptteil 10 kann eine Verschmutzung einer Hohlfasermembran 23, die zum Beispiel durch die Mikroalgen auftreten kann, wenn Kohlendioxid zu dem Hohlfasermembran-Modul 20 geliefert wird, verhindert werden, die Mikroalgen können in geeigneter Weise geerntet werden, und es wird leichter, das restliche Nährmedium wieder zu verwenden und eine Ergänzung unzureichender Nährstoffe wäre dann in den herkömmlichen geschlossenen Systemen möglich.
Ferner kann ein Rührwerk 14 in dem Reaktor-Hauptteil 10 vorgesehen sein, um eine durch den Konzentrationsgradienten verursachte Flockenbildung und Verschmutzung der Trennmembran 12 zu verhindern. Das Rührwerk 14 kann oberhalb der Trennmembran 12 einzeln oder mehrfach vorgesehen sein, um ein ausreichendes Fließvermögen der Mikroalgen durch das Rühren des Nährmediums, insbesondere des mit den Mikroalgen vermischten Nährmediums, in dem Reaktor-Hauptteil 10 zu gewährleisten, um dadurch eine Flockenbildung und eine Verschmutzung der Trennmembran 12 zu verhindern.
Die Lichtquelle 16 ist eine Lampe, die nahe zu dem Reaktor-Hauptteil 10 vorgesehen ist, um Licht mit einer Wellenlänge zu illuminieren, das die Photosynthese aktiviert und zum Kultivieren von Pflanzen geeignet ist. Insbesondere kann die Lichtquelle 16 ein Licht mit einer Wellenlänge von ungefähr 450 nm oder ungefähr 660 nm emittieren, was Chlorophylle für die Photosynthese aktiviert. Die Lichtquelle 16 liefert Lichtenergie von außerhalb des Reaktor-Hauptteils 10 zusammen mit natürlichem Licht Die Intensität des Lichts beträgt ungefähr 200 μmol m^–2s^–1, was für die Photosynthese geeignet ist.
Das Hohlfasermembran-Modul 20 umfasst eine Mehrzahl von Hohlfasermembranen 23, die in ein röhrenförmiges Modulgehäuse parallel zu dem Modulgehäuse eingefügt sind. Beide Endbereiche der Hohlfasermembran 23 können an dem Modulgehäuse durch eine Epoxid-Schicht angebracht werden.
Die Hohlfasermembran 23 ist aus einem hydrophoben Material, so dass die Poren der Membran durch das Nährmedium nicht nass werden, um einen guten Materialtransport zu gewährleisten. Die Hohlfasermembran kann ebenfalls Poren mit einer vorbestimmten Größe und einer Porosität von ungefähr 10–40% aufweisen. Die Hohlfasermembran kann zum Beispiel eine hydrophobe Membran mit Poren von einer Größe von ungefähr 0,1 μm oder kleiner sein.
Das Kohlendioxid enthaltende Gas, das dem Hohlfasermembran-Modul 20 zugeführt wird, kann reines Kohlendioxid oder ein Gemisch aus Kohlendioxid und Stickstoff oder Kohlendioxid und Luft sein, abhängig vom Wachstum und Konzentration der Mikroalgen.
Die meisten der bestehenden Bioreaktoren verwenden ein Belüftungsohr, mit welchem der Reaktor-Hauptteil ausgerüstet ist, um Kohlendioxid als Blasen zuzuführen. In diesem Fall umfasst jedoch das von dem Nährmedium emittierte Gas eine beträchtliche Kohlendioxidmenge und es ist für den Reaktor schwierig, das zugeführte Kohlendioxid vollständig zu beseitigen. Die Zufuhr von Kohlendioxid ist ebenfalls langsam und die Beseitigung des von der Photosynthese durch die Mikroalgen erzeugten Sauerstoffs wird nicht berücksichtigt.
Andererseits ist der Photo-Bioreaktor gemäß der vorliegenden Erfindung in der Lage, das Kohlendioxid dem Nährmedium aufgrund der erhöhten effektiven Membran-Oberfläche, die durch die feinen Poren der Hohlfasermembran 23 mit einer Größe von ungefähr 0,1 μm oder kleiner gebildet ist, effektiv zuzuführen. Da er darüber hinaus den von der Photosynthese durch die Mikroalgen erzeugten Sauerstoff beseitigen kann, kann der Stoffwechselprozess durch die Mikroalgen erleichtert werden.
An beiden Endbereichen des Hohlfasermembran-Moduls 20 sind ein Nährmedium-Einlass 24 zum Einströmen des zirkulierenden Nährmediums, ein Nährmedium-Auslass 25 zum Ableiten des zirkulierenden Nährmediums, ein Gas-Einlass 26 zum Einströmen des Kohlendioxid enthaltenden Gases und ein Gas-Auslass 27 zum Ableiten des Kohlendioxid enthaltenden Gases, das mit von dem Nährmedium emittierten Sauerstoff vermischt wird, vorgesehen.
Durch den Nährmedium-Einlass 24 wird das zirkulierende Nährmedium, zu welchem der von der Photosynthese der Mikroalgen erzeugte Sauerstoff übertragen wurde, nachdem das Kohlendioxid dem Nährmedium in dem Reaktor-Hauptteil 10 zugeführt wurde, eingeleitet. Durch den Nährmedium-Auslass 25 wird das zirkulierende Nährmedium, welches durch das durch den Gas-Einlass 26 zugeführte Kohlendioxid gesättigt wird, indem es durch die Hohlfasermembran 23 durchkommt, und von welchem Sauerstoff aus der Hohlfasermembran 23 heraus abgeleitet worden ist, abgeleitet.
Das heißt, wenn das zirkulierende Nährmedium eingeleitet wird, worin sich der Gehalt des Kohlendioxids verringert hat und der von Sauerstoff sich als Folge der Photosynthese durch die Mikroalgen erhöht hat, dient die Hohlfasermembran 23 um Sauerstoff von dem zirkulierenden Nährmedium zu beseitigen und die Konzentration des Kohlendioxids zu erhöhen.
Die Hohlfasermembran 23 dient gewöhnlich als eine Vorrichtung zum Zuführen von Kohlendioxid und Gas, aber wenn die Konzentration Von Sauerstoff in dem Nährmedium (zirkulierendem Nährmedium) als Folge der Photosynthese ansteigt, kann sie als ein Modul dienen, das den in dem Reaktor-Hauptteil 10 gelösten Sauerstoff entfernt, der durch die Trennmembran 12 durchgeströmt ist während Stickstoff oder das Gasgemisch transportiert wird.
Der Entschäumer 30 entfernt die Schäume, die in dem Nährmedium während dem Kultivieren der Mikroalgen erzeugt werden können, um dadurch einen effizienten Materialtransport durch die Membrane (die Trennmembran und die Hohlfasermembran) zu gewährleisten und ein rasches Ernten der Mikroalgen und eine Zufuhr von Nährstoffen zu ermöglichen.
Der Entschäumer 30 kann zum Beispiel wie in 1 oder 2 gezeigt eingerichtet sein. Das heißt, er kann wie in 1 gezeigt in mehrfacher Anzahl entlang der Nährmedium-Ablauflinie vorgesehen sein, so dass, nachdem die Schäume von dem Nährmedium beseitigt sind, das von dem Reaktor-Hauptteil 10 abgeleitet ist (das Nährmedium enthält eine relativ große Menge an Sauerstoff), Schäume wiederum Von dem Nährmedium entfernt werden können, das durch das Hohlfasermembran-Modul 20 durchgeströmt ist (das mit dem Kohlendioxid gesättigte Nährmedium).
Alternativ kann er in Einzahl entlang der Nährmedium-Ablauflinie vorgesehen sein, so dass Schäume von dem Nährmedium entfernt werden können, das Von dem Reaktor-Hauptteil 10 wie in 2 gezeigt abgeleitet ist.
Wenn der Entschäumer 30 in Einzahl wie in 2 gezeigt vorgesehen ist, so dass das Nährmedium, das durch das Hohlfasermembran-Modul 20 durchgeströmt ist, direkt zu dem Reaktor-Hauptteil 10 zirkuliert wird, kann der Durchfluss verglichen mit 1 relativ langsamer sein. Es gibt jedoch insofern einen Vorteil, dass Kohlendioxid direkt (ohne durch den Entschäumer durchzuströmen) den Mikroalgen zugeführt werden kann.
Ferner kann der Hochgeschwindigkeits-Bioreaktor der veranschaulichenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie in 3a und 3b gezeigt, durch Modularisieren des Hohlfasermembran-Moduls 21, 22 und/oder des Reaktor-Hauptteils 10 eingerichtet sein. Wenn der Reaktor-Hauptteil 10 in einer Mehrzahl vorgesehen ist, können die Reaktor-Hauptteile 10 in Reihe angeordnet werden und durch eine Nährmedium-Ablauflinie verbunden werden, so dass das zirkulierende Nährmedium der Reihe nach durch die Reaktor-Hauptteile 10 durchströmen kann.
Wenn die Reaktor-Hauptteile 10 in einer Mehrzahl vorgesehen sind, kann das Nährmedium in einer größeren Menge verwendet werden als wenn ein einzelner Reaktor-Hauptteil verwendet wird. Somit kann das Hohlfasermembran-Modul 21, 22 seriell in einer Mehrzahl vorgesehen sein, um die Kohlendioxid-Sättigungszeit (oder Kontaktzeit mit Kohlendioxid und dem Nährmedium) zu erhöhen. Das heißt, wie in 3a gezeigt, wird das von dem Reaktor-Hauptteil 10 abgeleitete Nährmedium in die Hohlfasermembran 23 durch den Nährmedium-Einlass 24 des ersten Hohlfasermembran-Moduls 21 eingeleitet und dann durch den Nährmedium-Auslass 25 des ersten Hohlfasermembran-Moduls 21 nach Zufuhr von Kohlendioxid und Entfernung von Sauerstoff abgeleitet.
Danach wird das durch den Nährmedium-Auslass 25 des ersten Hohlfasermembran-Moduls 21 abgeleitete Nährmedium erneut durch den Nährmedium-Einlass 24 des zweiten Hohlfasermembran-Moduls 22 eingeleitet und dann durch den Nährmedium-Auslass 25 des zweiten Hohlfasermembran-Moduls 22 nach Zufuhr von Kohlendioxid und Entfernung von Sauerstoff abgeleitet. Durch diesen Prozess wird das Nährmedium mit Kohlendioxid gesättigt und dann erneut zu dem Reaktor-Hauptteil 10 zirkuliert.
Alternativ kann das System wie in 3b gezeigt eingerichtet sein, so dass das von dem Gas-Auslass 27 des ersten Hohlfasermembran-Moduls 21 abgeleitete Gasgemisch in den Gas-Einlass 26 des zweiten Hohlfasermembran-Moduls 22 eingeleitet wird, um die Kontaktzeit von Kohlendioxid mit dem Nährmedium zu erhöhen. in diesem Fall kann das Gasgemisch, das nach Transfer von Kohlendioxid zu dem Nährmedium in dem ersten Hohlfasermembran-Modul 21 abgeleitet ist, wieder verwendet werden. Durch diesen Prozess kann der Sättigungsgrad von Kohlendioxid in dem Nährmedium und die Abtrennscheide-(Bindung)Leistung von Kohlendioxid in dem Gasgemisch erhöht werden.
Die Wiederverwendung des Kohlendioxid enthaltenden Gases und die Kohlendioxid-Bindung sind ohne Verwender eines zusätzlichen Sammlers möglich. Das heißt, durch eine weitere Bereitstellung des zweiten Hohlfasermembran-Moduls 22 zwischen dem ersten Hohlfasermembran-Modul 21 und dem Reaktor-Hauptteil 10 und dann Verbinden des Gas-Auslasses 27 des ersten Hohlfasermembran-Moduls 21 mit dem Gas-Einlass 26 des zweiten Hohlfasermembran-Moduls 22 kann die Kontaktzeit von Kohlendioxid mit dem Nährmedium erhöht werden. Als solches kann durch Bereitstellung der Hohlfasermembran-Module 21, 22 seriell in einer Mehrzahl die Kontaktzeit des Nährmediums mit dem Kohlendioxid-Gas erhöht werden und das Nährmedium kann mit Kohlendioxid gesättigt werden.
Nachdem das mit dem Kohlendioxid gesättigte Nährmedium dem Reaktor-Hauptteil 10 zugeführt ist, wird der Materialtransport durch die Trennmembran 12 aufgrund einer Diffusion durch einen Konzentrationsgradienten ausgeführt. Zu diesem Zeitpunkt, da nicht nur das Kohlendioxid, sondern ebenfalls der durch die Photosynthese erzeugte Sauerstoff diffundiert wird, wird das Wachstum der Mikroalgen in dem Nährmedium (das mit den Mikroalgen vermischten Nährmedium) oberhalb der Trennmembran 12 verbessert.
4 zeigt ein Ergebnis nach Zufuhr von Kohlendioxid bei einem konstanten Durchfluss zu dem Nährmedium unter Verwendung des Hohlfasermembran-Moduls gemäß der veranschaulichenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung oder dann unter Verwendung des bestehenden Blasenreaktors, wobei die Konzentration von Kohlendioxid verglichen wird, das in jedem Nährmedium gelöst wird. Die Ergebnisse sind gezeigt als ein Graph mit der in der Ordinate gezeigten Kohlendioxid-Konzentration in dem Nährmedium und die Zeit während das Nährmedium dem Kohlendioxid ausgesetzt ist (d. h., die Zeit während das Kohlendioxid enthaltende Gas von dem Hohlfasermembran-Modul dem Nährmedium zugeführt und gelöst wird) wird in der Abszisse gezeigt.
Wie aus 4 ersichtlich ist, wenn Kohlendioxid dem Nährmedium durch die Hohlfasermembran zugeführt wurde, konnte Kohlendioxid gelöst und in dem Nährmedium schneller gesättigt werden.
Da der Hochgeschwindigkeits-Bioreaktor gemäß der vorliegenden Erfindung die Hohlfasermembran mit einer erhöhten Membran-Oberfläche verwendet, kann wie beschrieben der Sättigungsgrad von Kohlendioxid in dem zirkulierenden Nährmedium gesteigert werden und die Trennmembran kann in dem Reaktor-Hauptteil eingebaut werden, um durch den Temperaturgradienten Kohlendioxid an das mit den Mikroalgen vermischte Nährmedium zuzuführen und Sauerstoff von dem mit den Mikroalgen vermischten Nährmedium zu entfernen. Da bei dem Hohlfasermembran-Modul und dem Reaktor-Hauptteil durch Modularisierung ein Scale-up durchgeführt werden kann, kann darüber hinaus die Wachstumsrate der Mikroalgen und die Kohlendioxid-Bindung maximiert werden.
Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen davon ausführlich beschrieben. Der Fachmann wird jedoch verstehen, dass verschiedenste Änderungen und Modifikationen in diesen Ausführungsformen gemacht werden können, ohne von den Grundsätzen und dem Geist der Erfindung abzuweichen, deren Umfang in den beigefügten Ansprüchen und ihren Äquivalenten bestimmt ist.

Claims

Hochgeschwindigkeits-Bioreaktor zur Kultivierung von Mikroalgen unter Verwendung von Hohlfasermembranen, aufweisend: einen Reaktor-Hauptteil, der eingerichtet ist, um Mikroalgen zu kultivieren; ein erstes Hohlfasermembran-Modul, das eingerichtet ist, um Kohlendioxid in ein Nährmedium in dem Reaktor-Hauptteil zuzuführen; eine Nährmedium-Umwälzpumpe, die eingerichtet ist, um das Nährmedium umzuwälzen; und einen Entschäumer, der eingerichtet ist, um in dem Nährmedium erzeugte Schäume zu entfernen.
Hochgeschwindigkeits-Bioreaktor nach Anspruch 1, wobei der Reaktor-Hauptteil mit einer Trennmembran ausgerüstet ist, die eingerichtet ist, um ein mit Mikroalgen vermischtes Nährmedium und ein zirkulierendes Nährmedium, das von dem ersten Hohlfasermembran-Modul zugeführtes Kohlendioxid umfasst, zu trennen und das von dem zirkulierenden Nährmedium umfasste Kohlendioxid zu dem mit den Mikroalgen vermischten Nährmedium durch einen Konzentrationsgradienten zu übertragen.
Hochgeschwindigkeits-Bioreaktor nach Anspruch 1, wobei eine außerhalb des Reaktor-Hauptteils vorgesehene Lichtquelle Licht mit einer Wellenlänge illuminiert, das die Photosynthese in den Reaktor-Hauptteil hinein aktiviert.
Hochgeschwindigkeits-Bioreaktor nach Anspruch 1, wobei ein oder mehrere Rührwerke in dem Reaktor-Hauptteil vorgesehen sind, um das Fließvermögen der Mikroalgen zu gewährleisten.
Hochgeschwindigkeits-Bioreaktor nach Anspruch 2, wobei die Trennmembran Poren mit einer Größe von ungefähr 0,4 μm oder kleiner aufweist, um die Bewegung der Mikroalgen durch die Trennmembran zu blockieren.
Hochgeschwindigkeits-Bioreaktor nach Anspruch 1, wobei eine Hohlfasermembran des ersten Hohlfasermembran-Moduls eine hydrophobe Membran mit Poren mit einer Größe von ungefähr 0,1 μm oder kleiner ist.
Hochgeschwindigkeits-Bioreaktor nach Anspruch 1, wobei eine Hohlfasermembran des ersten Hohlfasermembran-Moduls eine Membran mit einer Porosität von 10–40% ist.
Hochgeschwindigkeits-Bioreaktor nach Anspruch 1, wobei ein zweites Hohlfasermembran-Modul zwischen dem ersten Hohlfasermembran-Modul und dem Reaktor-Hauptteil vorgesehen ist, und ein Gaseinlass des zweiten Hohlfasermembran-Moduls mit einem Gas-Auslass des ersten Hohlfasermembran-Moduls verbunden ist, um die Kontaktzeit von Kohlendioxid mit dem Nährmedium zu erhöhen.
Photo-Bioreaktor, aufweisend: einen Reaktor, der eingerichtet ist, um Mikroalgen zu kultivieren; ein erstes Membran-Modul, das eingerichtet ist, um Kohlendioxid in ein Nährmedium in dem Reaktor zuzuführen; eine Pumpe, die eingerichtet ist, um das Nährmedium umzuwälzen; und einen Entschäumer, der eingerichtet ist, um in dem Nährmedium erzeugte Schäume zu entfernen.
Photo-Bioreaktor nach Anspruch 9, wobei der Reaktor eingerichtet ist, um die Mikroalgen in einem Hauptteil des Reaktors zu kultivieren.
Photo-Bioreaktor nach Anspruch 9, wobei das Membran-Modul ein erstes Hohlfasermembran-Modul ist.
Photo-Bioreaktor nach Anspruch 11, wobei ein zweites Hohlfasermembran-Modul zwischen dem ersten Hohlfasermembran-Modul und dem Reaktor-Hauptteil vorgesehen ist, und ein Gas-Einlass des zweiten Hohlfasermembran-Moduls mit einem Gas-Auslass des ersten Hohlfasermembran-Moduls verbunden ist, um die Kontaktzeit von Kohlendioxid mit dem Nährmedium zu erhöhen.
Photo-Bioreaktor nach Anspruch 9, wobei die Pumpe eine Nährmedium-Umwälzpumpe ist.
Photo-Bioreaktor nach Anspruch 9, wobei eine Hohlfasermembran des Membran-Moduls eine Porosität von 10–40% aufweist.
Photo-Bioreaktor nach Anspruch 9, wobei der Reaktor mit einer Trennmembran ausgerüstet ist, die eingerichtet ist, um elf mit Mikroalgen vermischtes Nährmedium und ein zirkulierendes Nährmedium, das von dem ersten Hohlfasermembran-Modul zugeführtes Kohlendioxid umfasst, zu trennen und das von dem zirkulierenden Nährmedium umfasste Kohlendioxid zu dem mit den Mikroalgen vermischten Nährmedium durch einen Konzentrationsgradienten zu übertragen.