DE102014000691A1

DE102014000691A1 - Photobioreaktor und Verfahren zur Dünnschichtkultivierung

Info

Publication number: DE102014000691A1
Application number: DE102014000691.3A
Authority: DE
Inventors: Ladislav Nedbal
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2014-01-17
Filing date: 2014-01-17
Publication date: 2015-07-23
Also published as: WO2015106733A1; WO2015106733A9

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Photobioreaktor und ein Verfahren zur Dünnschichtkultivierung. Erfindungsgemäß wird eine Suspension von Photosynthese betreibenden Mikroorganismen in einem Photobioreaktor über mindestens eine Kultivierungsoberfläche (1) geleitet, die sich in einem Begasungsraum (6) befindet, der mit CO2 oder CO2-haltigem Gas gefüllt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Photobioreaktor und ein Verfahren zur Dünnschichtkultivierung von Photosynthese betreibenden Mikroorganismen.
Bei der Produktion von Wertstoffen werden Photosynthese betreibende Mikroorganismen, beispielsweise Algen, eingesetzt, die ihre Energie aus der Photosynthese beziehen und dazu in der Lage sind bestimmte Wertstoffe zu produzieren. Diese Wertstoffe können beispielsweise Öl, Vitamine oder Aminosäuren sein.
Zu diesem Zweck werden die Algen kultiviert. Bei der Kultivierung werden die Algen mit CO₂ und mit Licht versorgt. Dazu werden die Algen typischerweise in einem Photobioreaktor mit Luft, mit CO₂ angereicherter Luft, CO₂, oder einem anderen Gas, das CO₂ enthält versorgt. Als Lichtquelle dient Sonnenlicht oder eine künstliche Beleuchtung. Die Algen befinden sich dabei in einem Medium, welches die Stoffe beinhaltet, die für das die Algenwachstum notwendig oder förderlich sind. Die Kultivierung wird dabei mit einer Algen enthaltenden Suspension hoher Zelldichte vorgenommen.
Für diesen Prozess wird Energie benötigt. Diese Energie setzt sich aus der Energie zusammen, die benötigt wird um das Licht, das Medium sowie die Gasphase im Bioreaktor zur Verfügung zu stellen und den Prozess, zum Beispiel mittels einer Pumpe, aufrecht zu erhalten.
Bei der Umsetzung dieses Prozesses wird nach dem Stand der Technik eine Vorrichtung eingesetzt, wie sie in der Schrift US 5,981,271 B1 beschrieben ist. Dabei handelt es sich um eine offene Vorrichtung, bei der die die Algen enthaltende Suspension mittels eines Verteilers auf das obere Ende einer Ebene aufgegeben wird, die in einem Winkel geneigt ist, so dass ein Gefälle entsteht. Diese Ebene stellt eine Kultivierungsoberfläche dar. Die Algen enthaltende Suspension läuft über die gesamte Fläche dieser Ebene in einer dünnen Schicht hinunter und wird in einem Tank aufgefangen. Der Tank wird über eine Gaszufuhr mit CO₂ versorgt, welches im Tank aufsteigt und die die Algen enthaltende Suspension mit CO₂ anreichert. Die mit CO₂ angereicherte, Suspension von Photosynthese betreibenden Mikroorganismen wird in einem Kreislauf über eine Pumpe auf das obere Ende der Ebene gefördert, wo der Prozess von neuem beginnt. Während die Suspension von Photosynthese betreibenden Mikroorganismen über die schiefe Ebene läuft, erhalten die Photosynthese betreibenden Algen das nötige Licht um Photosynthese zu betreiben und damit die nötige Energie für den Zellstoffwechsel und die Produktion der Wertstoffe zu erhalten. Die die Photosynthese betreibenden Algen können das produzierte Produkt sekretieren, welches dem Prozess anschließend entzogen werden kann. Wenn die Algen oder die Photosynthese betreibenden Mikroorganismen das Produkt nicht sekretieren können, so werden die Zellen aufgeschlossen und das gewünschte Produkt isoliert.
Die Suspension von Photosynthese betreibenden Algen bzw. das Medium enthält die Photosynthese betreibende Mikroorganismen, ggf. für das Wachstum notwendige Nährstoffe, gelöstes CO₂ und Sekrete der Photosynthese betreibenden Mikroorganismen, die Stoffwechselprodukte der Photosynthese betreibenden Algen sind, beispielsweise Öl oder extrazelluläre Polysaccharide.
Die Gasphase des Photobioreaktors enthält volatile Produkte des Metabolismus der Algen.
Der Betrieb der Photobioreaktoren verbraucht Energie.
Es besteht der Bedarf, den Energieverbrauch der Photobioreaktoren zu senken. Das ist nicht nur kostengünstiger sondern auch umweltfreundlich. Eine Energieersparnis ist insbesondere gewünscht, wenn mit den Photosynthese betreibenden Mikroorganismen Stoffe produziert werden sollen, die ihrerseits Energieträger sind, wie beispielsweise Öl, oder Kohlenwasserstoffe, die als Brennstoff eingesetzt werden können.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung ein Dünnschichtkultivierungsverfahren und einen Photobioreaktor zur Verfügung zu stellen, mit denen bei der Produktion von Wertstoffen Energie eingespart werden kann und mit denen die Produktion von Wertstoffen gesteigert werden kann. Insbesondere ist es die Aufgabe der Erfindung die Produktion von Wertstoffen zu steigern und dabei zusätzlich Energie einzusparen.
Ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 und des nebengeordneten Anspruchs wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit den im kennzeichnenden Teil dieser Ansprüche angegebenen Merkmalen.
Mit dem erfindungsgemäßen Photobioreaktor und dem Dünnschichtkultivierungverfahren ist es nunmehr möglich, den Energieverbrauch zu senken, die Energiebilanz des Verfahrens zu verbessern und dabei die Produktivität der Photosynthese betreibenden Mikroorganismen zu steigern.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der erfindungsgemäße Photobioreaktor kann mit Photosynthese betreibenden Mikroorganismen betrieben werden. Photosynthese betreibende Mikroorganismen im Sinne der Erfindung sind einzellige oder mehrzellige Mikroorganismen, die Photosynthese betreiben. Beispielhaft können Algen, wie beispielsweise Blaualgen, Grünalgen oder Braunalgen, oder Cyanobakterien genannt werden. Diese Photosynthese betreibenden Mikroorganismen sind dazu in der Lage, Wertstoffe zu produzieren. Wertstoffe im Sinne der Erfindung sind beispielsweise Öl, Vitamine, Farbpigmente, Aminosäuren, Proteine, Zuckerstoffe, Polysaccharide, Fette, sekundäre Metabolite, Lebensmittelzusatzstoffe, Tierfutter, Antioxidantien, Biotreibstoffe Agrochemikalien, Bioprodukte, hochwertige Produkte für die Kosmetik-, Pharma- und Chemieindustrie und andere organische Moleküle. Was an Biomasse übrig bliebt, kann als Viehfutter Verwendung finden oder in Kraftwerken verbrannt werden.
In der folgenden Beschreibung werden die Photosynthese betreibenden Mikroorganismen der Einfachheit halber als Mikroorganismen bezeichnet. Damit sind aber immer die Photosynthese betreibenden Mikroorganismen gemeint, die Wertstoffe produzieren können.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt mindestens eine Kultivierungsoberfläche, die als Ebene ausgebildet ist. Diese Kulturfläche ist zu einem Ende in einem Winkel α geneigt, so dass zwischen einem oberen und diesem unteren Ende ein Gefälle besteht.
Am oberen Ende der Kultivierungsoberfläche befindet sich ein Verteiler, der die Kultivierungsoberfläche mit einer Suspension von Photosynthese betreibenden Mikroorganismen beaufschlagt. Bei dem Verteiler kann es sich um eine Leitung, eine Wanne oder eine Rinne handeln, die Bohrungen oder Schlitze aufweisen können, aus denen die Mikroorganismen enthaltende Suspension austreten kann. Der Verteiler soll so ausgestaltet sein, dass die gesamte Kultivierungsoberfläche mit der ausströmenden Mikroorganismen enthaltenden Suspension bedeckt wird. Dann ist die gesamte Kultivierungsoberfläche optimal mit der Suspension von Mikroorganismen bedeckt und die Mikroorganismen enthaltende Suspension kann auf der Kultivierungsoberfläche dem Gefälle folgend ablaufen.
Am unteren Ende der Kultivierungsoberfläche sind Mittel zum Auffangen und Mittel zum Zuführen der enthaltende Suspension von Mikroorganismen zu einer Pumpe angebracht, die die Mikroorganismen enthaltende Suspension durch eine Leitung wieder zum oberen Ende der Kultivierungsoberfläche fördert.
Erfindungsgemäß befindet sich die Vorrichtung in einer Umhausung beispielsweise einem Begasungsraum oder einer Hülle, die eine Begasung ermöglicht.
Im Folgenden wird die Umhausung in der Beschreibung als Begasungsraum bezeichnet. Jedoch soll damit auch jede andere Umhausung, wie beispielsweise eine Hülle oder Folie umfasst sein, die eine Begasung der Kultivierungsoberflächen ermöglicht. Die Umhausung kann beispielsweise ein Gewächshaus, ein Gebäude oder eine Hülle oder Folie sein, die mit Gas, hier CO₂-haltigem Gas oder CO₂ beaufschlagt werden können, so dass eine Versorgung der Kultivierungsoberflächen mit CO₂ möglich ist.
Der Begasungsraum verfügt vorzugsweise über Mittel zur Versorgung mit CO₂ oder CO₂-haltigem Gas.
Vorteilhaft sind Mittel zur Steuerung des CO₂ Gehaltes oder der Gaszusammensetzung vorhanden.
Weiterhin können Mittel zum Abführen des in dem Begasungsraumes enthaltenen Gases vorhanden sein, so dass beispielsweise bei der Photosynthese gebildeter Sauerstoff entzogen werden kann. Um den Sauerstoffgehalt in dem Begasungsraum zu reduzieren kann auch ein Absorbens vorhanden sein, welches Sauerstoff absorbiert.
Die CO₂-Versorgung der Mikroorganismen enthaltenden Suspension erfolgt dabei erfindungsgemäß durch den Kontakt der mit der Mikroorganismen enthaltenden Suspension beaufschlagen Kultivierungsoberfläche und dem sich in dem Begasungsraum befindlichen CO₂ oder Gas, das CO₂ enthält.
Weiterhin muss eine Lichtquelle vorhanden sein. Die Lichtquelle kann die Sonne oder eine künstliche Lichtquelle sein.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, dass der Tank, der bei der Vorrichtung nach dem Stand der Technik zum Auffangen und zur Begasung mit CO₂ benötigt wird, entfallen kann. Dadurch kann Energie eingespart werden, da das CO₂ oder das CO₂-haltige Gas nicht gegen den Druck einer Flüssigkeitssäule aus Photosynthese betreibende Mikroorganismen enthaltender Suspension eingeführt werden muss. Da das CO₂ enthaltende Gas in dem Tank aufsteigt, muss sich dieser unterhalb der Auffangvorrichtung für die Mikroorganismen enthaltende Suspension befinden. Das hat zur Folge, dass die Mikroorganismen enthaltende Suspension über eine größere Höhe zum oberen Ende der Kultivierungsoberfläche gefördert werden muss, wobei viel Energie verbraucht wird. Diese Höhendifferenz, gegen die gepumpt werden muss, kann eingespart werden, so dass Energie gespart wird, die dem Prozess nicht mehr extern zugeführt werden muss.
Mit dem Wegfall des Tanks entfällt auch ein Totvolumen, in dem die Suspension von Mikroorganismen dem Produktionsprozess entzogen wird, weil die Mikroorganismen dort nicht mit Licht versorgt werden. Der Produktionsprozess wird daher für dieses Volumen nicht unterbrochen. Dadurch wird das Verfahren effizienter.
Der erfindungsgemäße Photobioreaktor kann jedoch auch einen Tank besitzen.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass die Produktivität der Mikroorganismen gesteigert werden kann. Da die CO₂-Zufuhr bei der Vorrichtung nach dem Stand der Technik lokal in dem Tank oder Behälter erfolgt, verbraucht sich das zur Photosynthese und damit zur Energiegewinnung nötige CO₂ in der Suspension von Mikroorganismen während des Herunterlaufens der Suspension von Mikroorganismen auf der Kultivierungsoberfläche. Da natürliche Luft, wie sie in offenen Anlagen vorhanden ist, wenig CO₂ enthält, findet keine ausreichende zusätzliche Versorgung der Suspension von Mikroorganismen mit CO₂ statt. Daher beinhaltet die Suspension von Mikroorganismen am unteren Teil der Kultivierungsfläche wenig CO₂, da es bereits zur Photosynthese verbraucht wurde, so dass die Versorgung mit diesem wichtigen Edukt für die Photosynthese nicht mehr ausreichend gewährleistet ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung überwindet diesen Nachteil, da die Mikroorganismen enthaltende Suspension über die große Oberfläche auf der Kultivierungsfläche durch die Beaufschlagung mit CO₂ haltigem Gas ständig mit CO₂ versorgt wird. Da bei dieser Dünnschichtkultivierungstechnik nur geringe Schichtdicken an Mikroorganismen enthaltende Suspension über eine sehr große Oberfläche versorgt werden, ist eine ständige Versorgung aller Bereiche der Suspension von Mikroorganismen auf der Kultivierungsoberfläche mit CO₂ gewährleistet. Dadurch wird die Produktion von Wertstoffen gesteigert. Dadurch wird auch ermöglicht eine größere Anzahl von Kultivierungsoberflächen seriell anzuordnen, da sich der CO₂ Gehalt in der Suspension von Mikroorganismen nicht über die gesamte Fließstrecke verringert, so dass die Vorrichtung erweitert werden kann. Es wird so eine größere für die Produktion von Wertstoffen notwendige Kultivierungsoberfläche ermöglicht.
Das geschlossene erfindungsgemäße System hat den Vorteil, dass Kontaminationen von den Mikroorganismen ferngehalten werden können und ein Entweichen von Mikroorganismen in die Umgebung unterbunden wird. Das ist insbesondere bei der Verwendung genetisch modifizierter Mikroorganismen vorteilhaft.
Im Folgenden werden weitere Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung beschrieben, die nicht einschränkend auszulegen sind.
Die Kultivierungsoberfläche kann als Fläche ausgebildet sein, die die Form einer langen Bahn hat. Je größer die Kultivierungsoberfläche ist, desto mehr Mikroorganismen enthaltende Suspension kann kultiviert und zur Produktion von Wertstoffen genutzt werden.
Die Kultivierungsoberflächen können in einer vorteilhaften Ausgestaltung aus einem transparenten Material, wie Glas oder einem lichtdurchlässigem Kunststoff sein.
In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung können mindestens zwei bzw. mehrere Kultivierungsoberflächen oder Bahnen seriell angeordnet sein. Unter seriell im Sinne der Erfindung ist zu verstehen, dass die Kultivierungsoberflächen so zueinander angeordnet sind, dass das untere Ende einer Kultivierungsoberfläche im Verhältnis zum oberen Ende einer darauffolgenden Kultivierungsoberfläche so angeordnet ist, dass eine Überleitung der fließenden Suspension von Mikroorganismen von der ersten Kultivierungsoberfläche auf die zweite Kultivierungsoberfläche möglich ist. Dabei befinden sich am unteren Ende oder unterhalb einer Kultivierungsoberfläche vorzugsweise Mittel zum Auffangen der Mikroorganismen enthaltende Suspension und Mittel zum Weiterleiten der Suspension von Mikroorganismen zum oberen Teil der nächsten Kultivierungsoberfläche. Es ist in einer einfachen Ausführungsform der Erfindung auch möglich, dass die Mikroorganismen enthaltende Suspension direkt von einer oberen Kultivierungsoberfläche auf eine darunter liegende Kultivierungsoberfläche fließt, ohne dass die obere Kultivierungsoberfläche Mittel zum Auffangen dieser Suspension und/oder die untere Kultivierungsoberfläche Mittel zum Verteilen der Suspension haben. Dann könnten auch die Mittel zum Weiterleiten der Suspension entfallen. Dies kann für eine Anzahl n Kultivierungsoberflächen weiter wiederholt werden. Dabei können beispielsweise 2, 5, 8, 10 der mehr Kultivierungsoberflächen seriell nacheinander angeordnet sein. Die Obergrenze ergibt sich dabei lediglich aus praktischen Erwägungen. Die Kultivierungsoberflächen bzw. Bahnen können übereinander angeordnet sein, so dass sich von der Seitensicht eine Zickzackanordnung ergibt. Dabei ergibt sich eine besonders platzsparende Anordnung, die mit einem kleinen Begasungsraum auskommt. Die Kultivierungsoberflächen bzw. Bahnen können jedoch auch so angeordnet sein, dass jeweils zwei aufeinander folgende Kultivierungsoberflächen oder Bahnen seitlich versetzt angeordnet sind. Dann sind jeweils die in die gleiche Richtung geneigten Kultivierungsoberflächen oder Bahnen übereinander angeordnet. So kann der Begasungsraum flacher gehalten werden und es gibt zwei obere Kultivierungsoberflächen, die ungehindert beispielsweise von Sonnenlicht bestrahlt werden können. Weiterhin sind andere Anordnungen denkbar in denen die Projektion der Kultivierungsoberflächen von oben eine trigonale, tetragonale oder polygonale Geometrie annimmt, so dass eine helicale Struktur der Vorrichtung entsteht.
Der Neigungswinkel α der Kultivierungsoberfläche gegenüber der Horizontalen sollte klein sein. Die Fließgeschwindigkeit, mit der die Suspension von Photosynthese betreibenden Mikroorganismen auf der Kultivierungsoberfläche fließt, ist umgekehrt proportional zu der Neigung der Kultivierungsoberfläche. Je kleiner der Neigungswinkel α, desto größer ist die Verweildauer der Mikroorganismen enthaltende Suspension auf der Kultivierungsoberfläche und desto länger kann die Suspension von Mikroorganismen zur Produktion von Wertstoffen genutzt werden.
Die Neigung der Kultivierungsoberfläche kann zwischen 0,1° und 5° betragen. Typisch ist ein Bereich von 1° bis 2°, besonders 1,2° bis 1,9°. Optimal ist eine Neigung, die gerade noch ein Fließen der Mikroorganismen enthaltenden Suspension ermöglicht, so dass ein Kreisprozess aufrechterhalten werden kann.
Die Wahl des Neigungswinkels α hängt jedoch auch von der Viskosität der Mikroorganismen enthaltenden Suspension ab. Bei höheren Viskositäten können größere Neigungswinkel vorteilhaft sein. Die Wahl des Neigungswinkels α wird auch durch die Zellgröße und/oder das Gewicht der Photosynthese betreibenden Mikroorganismen beeinflusst. Größere und/oder schwerere Mikroorganismen sedimentieren leichter in der wässrigen Phase und benötigen daher höhere Neigungswinkel. Es können daher auch Neigungswinkel von beispielsweise 10°, 15°, 20°, 25° oder 30° oder mehr, beispielsweise 50°, 60°, 70° oder 80° vorliegen. Eine Obergrenze ergibt sich lediglich aus praktischen Erwägungen und liegt im Ermessen des Fachmanns.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Neigungswinkel der Kultivierungsoberflächen auch frei wählbar und einstellbar sein. Dazu können die Enden der Kultivierungsoberflächen beispielsweise mit einer vertikalen Schiene in Verbindung stehen mit der sie in ihrer Höhe verstellbar sind.
Eine langsame Strömung und eine kleine Neigung der Oberfläche führen zu geringem Energieverbrauch der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens, da beim Rückpumpen über eine kleinere Höhendifferenz weniger Energie verbraucht wird. Je kleiner der Neigungswinkel α der Kultivierungsoberflächen gegenüber der Horizontalen ist, desto geringer ist die Energie, die für die Rückführung der am unteren Ende der Vorrichtung austretenden Suspension an den Ausgangspunkt des Prozesses benötigt wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Oberfläche der Kultivierungsoberfläche aufgeraut, so dass die Fließgeschwindigkeit der Mikroorganismen enthaltende Suspension reduziert werden kann.
Am oberen Ende jeder Kultivierungsoberfläche befindet sich vorzugsweise ein Verteiler, der die Kultivierungsoberfläche mit einer Suspension von Mikroorganismen beaufschlagt. Bei dem Verteiler kann es sich um eine Leitung oder einen Schlauch handeln, die Öffnungen aufweist, aus denen die Suspensionen von Mikroorganismen austreten können. Als Verteiler können auch Wannen oder Rinnen dienen, die Austrittsöffnungen haben, aus denen die Suspension von Mikroorganismen austreten kann oder über deren Rand die Suspension fließen kann. Die Rinnen oder Wannen können auch als Mittel zum Aufnehmen der Suspension von Mikroorganismen einer darüber liegenden oder nachfolgenden Kultivierungsoberfläche dienen.
Der Verteiler soll so ausgestaltet sein, dass die gesamte Kultivierungsfläche mit der ausströmenden Suspension von Photosynthese betreibenden Mikroorganismen bedeckt wird. Dann ist die gesamte Kultivierungsfläche optimal mit der Suspension von Mikroorganismen bedeckt und die Mikroorganismen enthaltende Suspension kann auf der Kultivierungsoberfläche dem Gefälle folgend ablaufen.
Sind mindestens zwei Kultivierungsoberflächen seriell angeordnet, so können die Mittel zum Auffangen der Suspension von Mikroorganismen und die Mittel zum Weiteleiten zum nächsten Verteiler auf unterschiedliche Weise ausgestaltet sein. Als Mittel zum Auffangen der Suspension von Mikroorganismen kann jeder Vorrichtungsteil angesehen werden, dass funktionell geeignet ist, die Suspension von Mikroorganismen aufzunehmen, unabhängig von der baulichen Ausgestaltung. Beispielsweise kommen Rinnen oder Wannen zum Auffangen und/oder zum Weiterleiten und Leitungen zum Weiterleiten in Betracht. Gleiches gilt auch für das Mittel zum Weiterleiten der Suspension von Mikroorganismen. Die Mittel zum Auffangen und Weiterleiten der Suspension von Mikroorganismen zur nachfolgenden Kultivierungsoberfläche oder zum darauffolgenden Verteiler können auch in einem Teil verwirklicht sein. Sind zwei aufeinanderfolgende Kultivierungsoberflächen nebeneinander angeordnet, so kann das Mittel zum Auffangen der Suspension von Mikroorganismen eine Rinne oder Wanne sein, in die die Suspension hineinläuft. Diese Rinne oder Wanne kann sich in einer weiteren Rinne oder in einer Leitung fortsetzen, die sich am oberen Ende der nächsten Kultivierungsoberfläche befindet und die Löcher, Bohrungen oder Schlitze zum Verteilen der Suspension von Mikroorganismen auf der nächsten Kultivierungsoberfläche besitzt. Bei dieser Ausführungsform können die Mittel zum Auffangen und Weiterleiten der Suspension von Mikroorganismen in einem Teil vereint sein.
Sind die seriell aufeinanderfolgenden Kultivierungsoberflächen übereinander gestapelt, so dass eine Zickzackanordnung von übereinander liegenden Kultivierungsoberflächen vorliegt, so ist es möglich, dass die Mittel zum Auffangen der Suspension von Mikroorganismen eine Rinne ist, die entweder an der unteren Seite Löcher, Bohrungen oder Schlitze besitzt, die eine Verteilung der Suspension auf der Kultivierungsoberfläche ermöglichen, so dass die Mittel zum Auffangen und Verteilen der Suspension von Mikroorganismen in einem Teil vereinigt sind. Es ist aber auch möglich, dass die Mittel zum Auffangen der Suspension von Mikroorganismen über eine Leitung mit dem Verteiler der nächsten Kultivierungsoberfläche verbunden sind oder dass die Suspension von Mikroorganismen direkt in eine Röhre fließt, die mit Löchern, Bohrungen oder Schlitzen versehen ist und die als Verteiler dient. Bei dieser Ausführungsform sind die Mittel zum Auffangen und zur Verteilung der Suspension von Mikroorganismen in einem Teil vereint. Letztlich kann die Suspension von Mikroorganismen in eine Auffangrinne laufen, von der sie über deren Rand in eine Verteilerrinne läuft. Bei einer Anordnung, bei der aufeinanderfolgende Kultivierungsoberflächen gestapelt übereinander angeordnet sind, können die Mittel zum Auffangen der Mikroorganismen enthaltenden Suspension auch in dem oberen Bereich der auf eine Kultivierungsoberfläche folgenden Kultivierungsoberfläche bestehen, so dass besondere, extra ausgestaltete Mittel zu Auffangen der Mikroorganismen enthaltenden Suspension entfallen können.
Für die Ausgestaltung von Auffangmittel, Mitteln zum Verteilen der Suspension von Mikroorganismen auf der Kultivierungsoberfläche und Mittel zum Verbinden zwischen diesen Mitteln sind der Ausgestaltung durch den Fachmann keine Grenzen gesetzt.
Am unteren Ende der letzten oder untersten Kultivierungsoberfläche befinden sich Mittel zum Auffangen der Suspension von Mikroorganismen, die mit einer Pumpe in Verbindung stehen, die die Mikroorganismen enthaltende Suspension zum oberen Ende der am höchsten liegenden Kultivierungsoberfläche führt.
Bei dem Begasungsraum kann es sich um einen Raum handeln, der abgeschlossen oder abschließbar ist. In ihm befindet sich das CO₂-haltige Gas oder CO₂ das für die Photosynthese der Mikroorganismen in der Suspension von Mikroorganismen benötigt wird.
Bei der Umhausung oder dem Begasungsraum kann es sich um einen Raum mit lichtdurchlässigen Wänden oder um eine Hülle, beispielsweise aus einer Folie handeln, die transpatent ist. Dann kann Sonnenlicht als Lichtquelle genutzt werden. Es kann jedoch auch eine künstliche Lichtquelle vorhanden sein.
Alternativ kann die Umhausung bzw. der Begasungsraum oder die Umhüllung aus lichtundurchlässigem Material bestehen oder Teile davon können lichtundurchlässig sein. Wenn die Umhausung vollkommen lichtundurchlässig ist, muss eine künstliche Lichtquelle vorhanden sein. Wenn sie in Teilen lichtundurchlässig ist, kann eine künstliche Lichtquelle vorhanden sein.
Die künstliche Lichtquelle kann grundsätzlich an jedem Ort innerhalb des Begasungsraumes oder der Umhausung sein. Bei einem Lichtdurchlässigen oder teilweise lichtdurchlässigen Begasungsraum kann sie auch außerhalb des Begasungsraumes angebracht sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung befindet sich die künstliche Lichtquelle in seitlicher Position zu den Kultivierungsoberflächen oder der Kultivierungsoberfläche. Eine seitliche Anordnung der Lampe oder der Lampen hat den Vorteil, dass bei Vorrichtungen, die mindestens zwei übereinander angeordnete Kultivierungsoberflächen besitzen, alle Ebenen mit Licht versorgt werden. Das Licht, das seitlich auf die Kultivierungsoberflächen eingestrahlt ist, ist ausreichend um die Photosynthese aufrecht zu erhalten, da eine noch größere Lichtmenge nicht zu einer gesteigerten Photosynthese führt.
Natürlich können auch zwei oder mehrere künstliche Lichtquellen vorhanden sein.
Bei der künstlichen Lichtquelle kann es sich um eine Lampe handeln, die weißes Licht aussendet. Besonders bevorzugt sind Lampen mit einem hohen Strahlungsanteil insbesondere im roten aber auch im blauen Bereich des sichtbaren Spektrums. Es können auch Lampen eingesetzt werden, die rotes oder blaues Licht aussenden.
Der Begasungsraum bzw. die Umhausung ist an eine Gaszufuhr angeschlossen oder besitzt eine Gasquelle, wie eine Gasflasche oder einen Gasvorratsbehälter, die Beispiele für Mittel zur Versorgung mit Gas sind.
Es kann auch ein Gasauslass vorhanden sein. Der Gasauslass ermöglicht den Abzug von verbrauchtem CO₂-haltigem Gas, insbesondere von O₂, das bei der Photosynthese entstanden ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren fließt eine dünne Schicht einer Suspension von Mikroorganismen auf mindestens einer in einem Winkel α zur Horizontale geneigten Kultivierungsoberfläche herunter und wird dabei in einem Begasungsraum mit einem Gas beaufschlagt, welches eine CO₂-Konzentration aufweist, die höher ist als die der natürlichen Luft oder der Atmosphäre. Dabei wird die Mikroorganismen enthaltende Suspension mit Licht versorgt. Die am unteren Ende der Kultivierungsoberfläche ankommende Suspension von Mikroorganismen wird aufgefangen und dem Prozess wieder zugeführt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann Energie eingespart werden, da die Beaufschlagung der Kultivierungsoberfläche, mit CO₂ über den Kontakt der Kultivierungsoberfläche, auf der sich eine dünne Schicht der konzentrierten Suspension von Mikroorganismen befindet, mit dem CO₂ erfolgt und kein CO₂ oder CO₂-haltiges Gas gegen den Druck einer Flüssigkeitssäule gepumpt werden muss. Die Höhendifferenzen, gegen die die Mikroorganismen enthaltende Suspension bei der Vorrichtung nach dem Stand der Technik gepumpt werden muss, werden verkürzt, wodurch Energie eingespart wird. Durch die kontinuierliche Versorgung der Kultivierungsoberfläche mit CO₂ werden auch Bereiche der Kultivierungsoberfläche, die sonst weit von einem Begasungsbehälter entfernt wären weiterhin mit CO₂ versorgt, so dass die gesamte Suspension von Mikroorganismen in vollem Maße zur Produktion von Wertstoffen herangezogen wird. Die Produktivität der Mikroorganismen kann so gesteigert werden. Während bei der Begasung nach dem Stand der Technik etwa 80% des CO₂ aus dem Tank entweicht und damit verloren geht, kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren das gesamte CO₂ dem Prozess zugeführt und verbraucht werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Suspension von Mikroorganismen über eine Kultivierungsoberfläche mit einem Gefälle geleitet. Dabei bildet die Suspension von Mikroorganismen eine dünne Schicht auf der Kultivierungsoberfläche aus.
Um einen möglichst gleichmäßigen ununterbrochenen Flüssigkeitsfilm der Mikroorganismen enthaltende Suspension zu erzeugen kann die Mikroorganismen enthaltende Suspension über einen Verteiler am oberen Ende auf die Kultivierungsoberfläche gegeben werden. Dazu können Rinnen, Wannen, Röhren oder Schläuche eingesetzt werden, die Öffnungen, wie Bohrungen, Löcher oder Schlitze aufweisen. Die Suspension kann auch über den Rand von Rinnen oder Wannen fließen.
Erfindungsgemäß wird die sich auf der Kultivierungsoberfläche befindliche Mikroorganismen enthaltende Suspension mit einem Gas beaufschlagt, dass eine höhere CO₂-Konzentration besitzt als die natürliche Luft bzw. die Atmosphäre. Dazu kann die Beaufschlagung der Kultivierungsoberflächen mit dem CO₂-haltigem Gas in einer Umhausung bzw. einem Begasungsraum durchgeführt werden.
Bei dem CO₂ enthaltenden Gas kann es sich um ein Gas oder Luft handeln, welche mit CO₂ angereichert ist. Es kann aber auch technisches oder reines CO₂ eingesetzt werden. Weiterhin kann auch Abgas aus industriellen Prozessen verwendet werden, die CO₂ enthalten, sowie CO₂, das aus CO₂-Entsorgungsverfahren gewonnen wird.
Wird ein Gas eingesetzt, das CO₂ enthält, so kann beispielsweise eine CO₂ Konzentration von 0,1% bis 5%, 1% bis 3%, oder 1,8% bis 2,2% verwendet werden. Wird CO₂ in Form von Abgas aus industriellen Prozessen oder CO₂, das aus CO₂-Entsorgungsverfahren gewonnen wird, verwendet, so kann die CO₂ Konzentration auch höhere Werte annehmen. Hier kann die CO₂ Konzentration 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90 oder mehr betragen. Der Konzentrationsbereich für das CO₂ kann zwischen 380 ppm, was der natürlichen Atmosphärenkonzentration entspricht, und 100% liegen, wie es beispielsweise aus der Kohleverbrennung bezogen wird. Eine höhere CO₂ Konzentration in der Gasphase begünstigt die Versorgung der Photosynthese betreibenden Mikroorganismen mit CO₂.
Die Kultivierungsoberfläche ist von einer Umhausung oder einem Begasungsraum umgeben, in dem die gewünschte CO₂ Konzentration aufrechterhalten werden kann.
Der Begasungsraum kann abgeschlossen werden oder abschließbar sein und wird mit dem CO₂-haltigen Gas oder dem CO₂ versorgt.
Als Umhausung kann auch eine Hülle oder Folie eingesetzt werden, die mit CO₂-haltigem Gas oder CO₂ beaufschlagt werden kann.
Als Begasungsraum kann beispielsweise ein Gewächshaus oder ein Gebäude eingesetzt werden.
Als Begasungsraum kann ein Raum mit transparenten Wänden, beispielsweise aus Glas oder Plexiglas oder aus einem nicht Licht durchlässigem Material eingesetzt werden.
Alternativ kann ein Begasungsraum eingesetzt werden, der lichtundurchlässig oder teilweise lichtundurchlässig. Wird ein Begasungsraum verwendet, der lichtundurchlässig ist, so muss die Kultivierungsoberfläche mit einer Lampe bestrahlt werden. Bei einem teilweise lichtundurchlässigen Begasungsraum kann zusätzlich eine Lampe eingesetzt werden.
Als Umhausungen können auch Hüllen oder Folien eingesetzt werden, die eine Begasung der Kultivierungsoberflächen ermöglichen, wie sie im Beschreibungsteil für die Vorrichtung beschrieben sind.
Die Mikroorganismen enthaltende Suspension wird vorzugsweise mit einer geringen Fließgeschwindigkeit über die Kultivierungsoberfläche geleitet. Dazu ist die Kultivierungsoberfläche in einem kleinen Winkel α geneigt, so dass die Mikroorganismen enthaltende Suspension in einem Gefälle von beispielsweise einen Winkeln von 0,5° bis 5°, typischerweise von 1° bis 2°, oder 1,2° bis 1,9° fließt. Je geringer die Neigung der Kultivierungsfläche, desto größer ist die Verweildauer der Mikroorganismen enthaltende Suspension auf der Kultivierungsoberfläche. Damit ist die Suspension von Mikroorganismen länger dem CO₂-haltigen Gas und dem Licht ausgesetzt, so dass Photosynthese betrieben werden kann.
Die Wahl des Neigungswinkels α hängt jedoch auch von der Viskosität der Mikroorganismen enthaltenden Suspension ab. Bei höheren Viskositäten können größere Neigungswinkel vorteilhaft sein. Die Wahl des Neigungswinkels α wird auch durch die Zellgröße und/oder das Gewicht der Photosynthese betreibenden Mikroorganismen beeinflusst. Größere und/oder schwerere Mikroorganismen sedimentieren leichter in der wässrigen Phase und benötigen daher höhere Neigungswinkel. Es können daher auch Neigungswinkel von beispielsweise 10°, 15°, 20°, 25° oder 30° oder mehr, beispielsweise 50°, 60°, 70° oder 80° vorliegen. Eine Obergrenze ergibt sich lediglich aus praktischen Erwägungen und liegt im Ermessen des Fachmanns. Vorteilhaft können die Neigungswinkel α auch je nach den vorliegenden Verhältnissen eingestellt werden.
Beispiel:
Beispielhaft kann für eine Suspension, die Chlorella als Photosynthese betreibenden Mikroorganismus enthält, ein Gefälle angegeben werden, bei dem der Abfall gegenüber der Horizontalen 2 cm über eine Länge von 200 cm beträgt. Das führt zu einer Flussrate von 2,4 L/min bei einer Breite der Kultivierungsoberfläche von 100 cm.
Typischerweise werden Mikroorganismen enthaltenden Suspensionen eingesetzt, die eine hohe Zelldichte haben. Je höher die Zellsichte ist, desto höher ist die Viskosität der Suspension und so geringer ist die Fließgeschwindigkeit.
Die Kultivierungsoberfläche kann aufgeraut werden, bzw. es kann eine aufgeraute Kultivierungsoberfläche eingesetzt werden, so dass die Fließgeschwindigkeit weiter reduziert wird.
Es können Kultivierungsoberflächen aus transparentem Material, wie Glas oder transparentem Kunststoff verwendet werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mindestens zwei Kultivierungsoberflächen seriell angeordnet.
Dazu wird die die obere Kultivierungsoberfläche verlassende Photosynthese betreibende Mikroorganismen enthaltende Suspension aufgefangen und dem oberen Teil einer weiteren Kultivierungsoberfläche zugeführt.
Wiederum wird die Mikroorganismen enthaltende Suspension möglichst gleichmäßig in einem vorzugsweise dünnen Film einer Suspension über die Kultivierungsoberfläche verteilt. Dazu können die im Beschreibungsteil für die Vorrichtung beschriebenen Mittel zum Verteilen der Suspension von Mikroorganismen eingesetzt werden.
Dieser Prozess kann mehrfach wiederholt werden, beispielsweise 2 mal, 5 mal, 8 mal, 10 mal oder öfter. Die Anzahl der Wiederholungen ist lediglich durch praktische Erwägungen begrenzt.
Wie bereits bei der Beschreibung der Vorrichtung beschrieben, können die Kultivierungsoberflächen übereinander angebracht werden, so dass eine Stapelung von Kultivierungsoberflächen entsteht oder in einer trigonalen, tetragonalen oder polygonalen Struktur angeordnet werden, so dass eine helicale Struktur entsteht. Die Kultivierungsoberflächen können aber nebeneinander angeordnet werden, so dass zwei Kultivierungsoberflächen oder zwei Stapelungen von Kultivierungsoberflächen nebeneinander existieren, bei denen die Neigung der Kultivierungsoberfläche jeweils gleich ausgerichtet ist.
Die Durchführung des Verfahrens in der Stapelung hat den Vorteil, dass der umgebende Begasungsraum klein dimensioniert werden kann und damit auch für den Prozess notwendiges Gas eingespart wird.
Das erfindungsgemäße Dünnschichtkultivierungsverfahren kann mit Sonnenlicht und/oder mit künstlicher Bestrahlung der Kultivierungsoberfläche mit Lampen durchgeführt werden.
Als Lichtquellen können Lampen eingesetzt werden, die weißes, rotes oder blaues Licht abstrahlen.
Insbesondere in einer Ausführungsform bei der mindestens zwei Kultivierungsoberflächen seriell eingesetzt werden, ist es vorteilhaft die Lichtquellen bzw. Lampen seitlich zu den Kultivierungsoberflächen anzuordnen. So werden alle Kultivierungsoberflächen mit Licht versorgt und die Lichtmenge ist für den Betrieb des Photobioreaktors ausreichend.
Die Figuren zeigen beispielhaft zwei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die nicht einschränkend auszulegen sind.
Es zeigt
1: Eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit zwei Kultivierungsoberflächen
2: Eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Stapelung von mehreren Kultivierungsoberflächen.
3: Eine Darstellung der Kultivierungsoberflächen der erfindungsgemäßen Vorrichtung in verschiedenen Ansichten gemäß den Unterfiguren 3a), 3b). 3c), 3d) und 3e)
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Photobioreaktor mit einer Kultivierungsoberfläche 1, die an ihrem oberen Ende einen Verteiler 2 für die Suspension von Mikroorganismen besitzt. Am unteren Ende der Kultivierungsoberfläche 1 befindet sich eine Auffangvorrichtung 3, die die Mikroorganismen enthaltende Suspension aufnimmt. Die Mittel zum Auffangen der Suspension von Mikroorganismen steht mit einem weiteren Verteiler 2a in Verbindung, der sich am oberen Ende einer weiteren Kultivierungsoberfläche 1a befindet. Am unteren Ende der Kultivierungsoberfläche 1a ist eine weiteres Mittel zum Auffangen der Suspension von Mikroorganismen 2a angebracht, die mit einer Pumpe 4 in Verbindung steht die Mikroorganismen enthaltende Suspension über eine Leitung 5 wieder an das obere Ende der Kultivierungsoberfläche 1 zum Verteiler 2 befördert. Der Photobioreaktor steht in einem Begasungsraum 6, der mit einer Gaszufuhr 7 und einem Gasauslass 8 ausgestattet ist.
In 2 haben gleiche Vorrichtungsmerkmale dieselben Bezugszeichen. In ihr ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der mehrere Kultivierungsoberflächen 1, 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, mit Verteilern und Auffangbehältern ausgestattet sind, die hier baulich in jeweils einem Teil 9, 9a, 9b, 9c, 9d, 9e, 9f vereinigt sind. Der Begasungsraum 8 ist in dieser Figur aus Gründen der besseren Erkennbarkeit von Details nur schematisch mit 3 Wänden dargestellt.
Die 3a) bis e) zeigen die Kultivierungsoberflächen der erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematischer Form. Gleiche Vorrichtungsteile haben dieselben Bezugszeichen wie in den 1 und 2. Figur a) zeigt eine Seitenansicht. Die Figuren b) und c) zeigen Ansichten von den beiden Frontseiten. In Figur d) ist eine Sicht von oben dargestellt. In ihnen wird die Geschwindigkeit der fließenden Suspension mit Photosynthese betreibenden Mikroorganismen schematisch durch einen Pfeil mit der Bezeichnung v dargestellt. Teilfigur e) zeigt eine schematische Darstellung der Seitenansicht, in der die Neigung dargestellt ist. In ihr bezeichnet das Bezugszeichen 10 die Höhendifferenz zwischen dem oberen und unteren Ende der Kultivierungsoberfläche 1, 1a und das Bezugszeichen 11 die Höhendifferenz zwischen dem oberen und dem unteren Ende der Kultivierungsoberfläche 1a. Linie 12 bezeichnet die Horizontale, die das obere Ende der Kultivierungsoberfläche 1 durchläuft. Linie 13 ist die Horizontale, die das untere Ende der Kultivierungsoberfläche 1a durchläuft. Linie 14 bezeichnet die Horizontale, die den Verlauf der Kultivierungsoberflächen 1 und 1a symmetrisch teilt. Der Winkel α bezeichnet den Neigungswinkel, die die Kultivierungsoberflächen gegenüber den Horizontalen haben.
Beispiel:
Im Folgenden wird die Erfindung beispielshaft erläutert, ohne dass die Beschreibung einschränkend auszulegen ist. Vielmehr ist die beispielhafte Darstellung ergänzend und kann auch auf die im allgemeinen Beschreibungsteil offenbarten Inhalte übertragen werden.
Mikroalgen und Caynobakterien, im weiteren Sinne Algen sind Mikroorganismen, die ähnlich wie Pflanzen, befähigt sind, Photosynthese zu betreiben. Sie werden unter Gebrauch von Wasser und CO₂ durch Licht mit Energie versorgt und können Proteine, Fette, Kohlenhydrate, Pigmente, sekundäre Metabolite und andere organische Moleküle synthetisieren. Während Pflanzen seit Jahrtausenden im Ackerbau kultiviert werden, haben Algen erst seit Kurzem eine Bedeutung in der Produktion von Nahrungsmitteln und Ergänzungsstoffen für Nahrungsmittel oder andere Ergänzungsstoffe, die ökonomisch von Bedeutung ist. Typische Ergänzungsstoffe sind Tierfutter, Antioxidantien, Biotreibstoffe, Agrochemikalien und andere Bioprodukte. Algen werden auch zunehmend in der Kohlenstoffbindung bei der Kohleverbrennung und anderen CO₂ produzierenden Industrieprozessen und für tertiäre Abwasserbehandlung eingesetzt. Das natürliche genetische Potential von Algen ist weiterhin durch gentechnische Maßnahmen und Neuerungen im Ingenieurwesen vergrößert, so dass zunehmend neue Produkte durch Algen produziert werden können.
Die Wirtschaftlichkeit von Algen-basierten Technologien hängt in hohem Maße von der Effektivität und Kosteneffektivität der Kultivierungssysteme ab. Die Kulivierungssysteme führen den Algen Sonnenlicht oder Licht eine künstlichen Strahlungsquelle, CO₂ und andere Moleküle zu, die für den Metabolismus benötigt werden. Umgekehrt wird durch die Zellen gebildeter Sauerstoff (O₂) von den Zellen ausgeschieden und muss abgeführt werden. Die Lichtversorgung und der Massentransfer in offenen Kultivierungssystemen ist natürlichen Gewässern, wie Seen oder Teichen, ähnlich. Der CO₂- und O₂-Massentransfer, wie die Lichtdurchdringung erfolgen direkt über die Luft-Wasser Grenzfläche. Die Einfachheit der offenen Kultivierungssysteme zeigt sich typischerweise in niedrigen Kosten der Konstruktion und in der Handhabung. Die mit den offenen Systemen produzierten Suspensionen haben oft eine geringe Zelldichte, was zu hohen Erntekosten führt.
Im Gegensatz zu offenen Systemen haben geschlossene Systeme typischerweise eine flüssige und eine Gasphase in einem geschlossenen Container, der gegenüber der Umgebungsluft abgeschlossen ist. Diese Systeme werden als Photobioreaktor oder Reaktor bezeichnet. In den Photobioreaktoren befinden sich die Algen typischerweise in Kesseln unterschiedlicher Form, Glasröhren, transparenten flachen Panelen, lichtdurchlässigen Beuteln aus Plastik oder ähnlichen Formen. Pumpen bewegen und durchblasen die Suspension, so dass Licht, CO₂ und frisches Medium kontinuierlich zugeführt werden und O₂ abgeführt wird.
Geschlossene Systeme sind finanziell und energetisch aufwendiger als offene Systeme. Allerding haben die geschlossenen Systeme den Vorteil, dass die Kulturen von außen nicht kontaminiert werden und umgekehrt keine Algen in die Umgebung gelangen, die ggf. genetisch modifiziert sind. Photobioreaktoren erlauben einen besseren Massentransfer von CO₂ in die Suspension und von O₂ aus der Suspension sowie eine bessere Temperaturkontrolle. In offenen Systemen dringt das Licht besser in die Biomasse ein, so dass eine hohe Zelldichte erreicht wird. Dadurch ergeben sich ökonomische Vorteile bei der Ernte und ein geringerer Energieverbrauch pro Einheit an Biomasse. Werden vertikale Säulen als Reaktoren eingesetzt, so wird durch die Begasung mit CO₂ Energie verbraucht, die gegen den hydrostatischen Druck aufgewendet werden muss. Die Abfuhr von O₂ verbraucht ebenfalls Energie.
Die Erfindung betrifft einen Photobioreaktor mit vertikal geschichteten, geneigten Oberflächen, über die die Algen oder Cyanobakterien, angetrieben durch die Schwerkraft, über jede dieser geneigten Oberflächen über den Rand einer höheren Oberfläche auch den Rand der darunterliegenden Oberfläche fließt. Die Suspension wird an der unteren Oberfläche gesammelt und von dort aus auf das obere Ende der oberen Oberfläche gefördert. Auf diese Weise fließt die Suspension in einer dünnen Schicht von der obersten zur untersten Oberfläche über zwei oder mehrere leicht geneigte Oberflächen. Es wird ein geschlossener Kreislauf ausgebildet bei dem die Suspension von der untersten zur höchsten geneigten Oberfläche gefördert wird.
Der sich auf den geneigten Oberflächen ausbildende Fluss der Algensuspension ist in einer Ausführungsform ein einem transparenten bzw. lichtdurchlässigen Gebäude untergebracht, in dem die CO₂ und O₂ Konzentration bzw. deren Partialdruck kontrollied werden können.
Wie beispielhaft in 1 dargestellt, können die dünnen Schichten von Algen direkt mit Sonnenlicht bestrahlt werden, wenn zwei geneigte Oberflächen nebeneinander angebracht sind, so dass keine gegenseitige Beschattung der Oberflächen durch die jeweils andere erfolgt.
Wie in 2 beispielhaft dargestellt können die die Oberflächen auch gewinkelt übereinander angeordnet sein, so dass das Sonnenlicht von der Seite einstrahlen kann.
Die Effektivität des Sonnenlichts kann mit Lichtversorgern oder einer zusätzlichen Verstärkung des Lichts erfolgen. Das kann beispielsweise durch Spiegel geschehen, die das Licht sammeln und auf die Oberflächen bündeln. In einer weiteren Ausführungsform können auch zusätzliche künstliche Beleuchtungsmittel eingesetzt werden, die eine Beleuchtung von oben und/oder von der Seite in die flach geneigten Oberflächen ermöglichen.
Die Neigung der flachen Oberflächen kann sehr klein sein, so dass die Oberflächen zu einer hohen Einheit gestapelt werden können. Eine langsame Strömung und eine kleine Neigung der Oberfläche führen zu geringem Energieverbrauch der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens, da beim Rückpumpen über eine kleinere Höhendifferenz weniger Energie verbraucht wird.
Gemäß der Erfindung wird ein Dünnschichtreaktor des Typs, wie er in der US Schrift US 5,981,271 B1 offenbart ist, in ein geschlossenes System überführt bei dem die Gaszusammensetzung die Schichten der Algensuspension umgibt die gelöste CO₂ Konzentration gesteigert werden und die O₂ Konzentration durch einen effektiveren Massentransfer über die große Oberfläche gesenkt werden kann. Diese Art des Gastransfers eliminiert das Erfordernis der energieverbrauchenden Begasung und meidet die Dunkelheit im Sammeltank der Vorrichtung US 5,981,271 B1 . Das geschlossene erfindungsgemäße System hat den Vorteil, dass Kontaminationen von den Organismen ferngehalten werden können und ein Entweichen von Organismen in die Umgeben unterbunden wird.
Das umschließende Gebäude kann lichtdurchlässig ausgebildet sein, so dass Sonnenlicht von oben und von der Seite eindringen kann. Ergänzend können auch künstliche Lichtquellen, wie lichtemittierende Dioden vorhanden sein, die die Kultivierungsoberfläche von oben und/oder der Seite beleuchten. Die künstliche Lichtquelle kann auch ausschließlich verwendet werden, wenn das umschließende Gebäude nicht lichtdurchlässig ist. Bei lichtdurchlässigen umschließenden Gebäuden können sowohl Sonnenlicht als auch künstlich erzeugtes Licht verwendet werden. Mit künstlich erzeugtem Licht kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch bei Nacht betrieben werden. Dieser Effekt wird zusätzlich durch den kurzen Weg des Lichts durch die dünne Schicht von Algen verbessert, da die photosynthetische Aktivität in der dünnen Schicht der Algensuspension mit einer hohen Zelldichte verbessert wird. Die hohe Zelldichte der Kultur reduziert die Energie, die für das Pumpen von Wasservolumen pro Einheit von bewegter Biomasse benötigt wird.
Die transparente bzw. lichtdurchlässige Umhüllung erlaubt eine Kontrolle der Gasatmosphäre, die die geschichteten Dünnschichtoberflächen umgibt. Der CO₂ Partialdruck kann hoch und der O₂ Partialdruck gering gehalten werden, so dass die Photosynthese nicht durch die Verfügbarkeit des CO₂ limitiert wird, während eine Beeinträchtigung und photooxidative Beschädigung durch den geringen O₂ Gehalt reduziert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5981271 B1 [0005, 0104, 0104]

Claims

Photobioreaktor zur Dünnschichtkultivierung von Photosynthese betreibenden Mikroorganismen mit einer in einem Winkel zur Horizontale geneigten Kultivierungsoberfläche (1), die am oberen Ende einen Verteiler (2) zur Beaufschlagung der Kultivierungsoberfläche (1) mit einer Suspension von Photosynthese betreibenden Mikroorganismen besitzt, oder mindestens zwei in einem Winkel zur Horizontalen geneigten Kultivierungsoberflächen, die seriell angeordnet sind, wobei die erste Kultivierungsoberfläche (1) am oberen Ende einen Verteiler besitzt und bei der die Kultivierungsoberfläche (1) oder im Falle des Vorliegens von mindestens zwei Kultivierungsoberflächen, sie seriell angeordnet sind die letzte Kultivierungsoberfläche am unteren Ende Mittel zum Auffangen (3) der Suspension von Photosynthese betreibenden Mikroorganismen aufweist, die mit einer Pumpe (4) in Verbindung stehen, die die Suspension von Photosynthese betreibenden Mikroorganismen in den Verteiler (2) fördert, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Photobioreaktor in einer Umhausung (6) befindet.
Photobioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen aufeinander folgende Kultivierungsoberflächen (1) eine Auffangvorrichtung (3) für die Suspension Photosynthese betreibender Mikroorganismen befindet, die mit einem Verteiler (2a) der nachfolgenden Kultivierungsoberfläche (1) in Verbindung steht.
Photobioreaktor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Kultivierungsoberflächen (1) übereinander seriell angeordnet sind, so dass sich in der Seitenansicht eine Zickzackstruktur ausbildet.
Photobioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Kultivierungsoberflächen (1) nebeneinander angeordnet sind.
Photobioreaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Kultivierungsoberflächen (1) seriell angeordnet sind, so dass mindestens unter einer der beiden oberen Kultivierungsoberflächen (1) mindestens eine weitere Kultivierungsoberfläche (1) angeordnet ist.
Photobioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kultivierungsoberflächen (1) in einem Winkel von 0,5° bis 5° zur Horizontale geneigt sind.
Photobioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens eine Lampe besitzt.
Photobioreaktor nacheinem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lampe seitlich von der Kultivierungsoberfläche (1) positioniert ist.
Photobioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lampe weißes, rotes oder blaues Licht aussendet.
Photobioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass er über Mittel zur Versorgung mit Gas (7) verfügt.
Photobioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhausung (6) ein Begasungsraum, ein Gewächshaus, ein Gebäude, eine Hülle oder eine Folie ist.
Verfahren zur Dünnschichtkultivierung, bei dem mindestens eine Kultivierungsoberfläche (1) mit einer Suspension von Photosynthese betreibenden Mikroorganismen überströmt wird, die mit Licht und/oder Sonnenlicht bestrahlt und mit CO₂ oder CO₂-haltigem Gas versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgung der Suspension von Photosynthese betreibenden Mikroorganismen in einem Begasungsraum (8) erfolgt, der mit CO₂ oder CO₂-haltigem Gas versorgt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das zugeführte Gas eine höhere CO₂-Konzentration hat als die natürliche Atmosphäre.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass als CO₂ haltiges Gas Abgas aus industriellen Prozessen oder CO₂, das aus CO₂ Entsorgungsverfahren stammt, verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension von Photosynthese betreibenden Mikroorganismen über mindestens zwei Kultivierungsoberflächen (1) geleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension von Mikroorganismen in einem Kreisprozess geführt wird, in dem sie dem Ausgangspunkt für das Verfahren zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension von Photosynthese betreibenden Mikroorganismen mit weißem, roten oder blauem Licht bestrahlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlung von einer Position seitlich der Kultivierungsoberfläche (1) erfolgt.