DE102014225349A1

DE102014225349A1 - Reaktorsystem zur Kultivierung von Mikroorganismen und deren Anwendung für biochemische Photosynthese-Prozesse

Info

Publication number: DE102014225349A1
Application number: DE102014225349.7A
Authority: DE
Inventors: Nora Haufe; Jost Weber; Gerd Hilpmann; Rico Illing; Felix Krujatz; Karsten Helbig; Sara Grützner; Rüdiger Lange; Thomas Bley; Gianaurelio Cuniberti; Simone Thierfelder; Michael Mertig
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2014-12-10
Filing date: 2014-12-10
Publication date: 2016-06-16
Anticipated expiration: 2034-12-11
Also published as: DE102014225349B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kernstück für einen Photobioreaktor, der aus einem transparenten Material, vorzugsweise einem transparenten Kunststoff besteht. Vorzugsweise ist das Kernstück aus dem transparenten Material als Monolith ausgebildet. Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung dieses Kernstücks oder Monoliths aus transparentem Material zur effizienten Beleuchtung einen Photobioreaktors von innen. Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung des Kernstücks oder des Monolithen aus transparentem Material sowie ein Verfahren zur Kultivierung von phototrophen Mikroorganismen, ausgewählt aus phototrophen Prokaryonten und Mikroalgen. Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung des Kernstücks oder des Monolithen aus transparentem Material und des Verfahrens zur Kultivierung von phototrophen Mikroorganismen zur Herstellung von Biotreibstoff, Wasserstoff, Feinchemikalien, Nahrungsmitteln, Nahrungsergänzungsmitteln usw..

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Kernstück für einen Photobioreaktor, der aus einem transparenten Material, vorzugsweise einem transparenten Kunststoff besteht. Vorzugsweise ist das Kernstück aus dem transparenten Material als Monolith ausgebildet. Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung dieses Kernstücks oder Monoliths aus transparentem Material zur effizienten Beleuchtung einen Photobioreaktors von innen. Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung des Kernstücks oder des Monolithen aus transparentem Material sowie ein Verfahren zur Kultivierung von phototrophen Mikroorganismen, ausgewählt aus phototrophen Prokaryonten und Mikroalgen. Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung des Kernstücks oder des Monolithen aus transparentem Material und des Verfahrens zur Kultivierung von phototrophen Mikroorganismen zur Herstellung von Biotreibstoff, Wasserstoff, Feinchemikalien, Nahrungsmitteln, Nahrungsergänzungsmitteln usw..
Stand der Technik
Um Phototrophie beziehungsweise Photosynthese durchführen zu können, benötigen Organismen ganz bestimmte Farbstoffe (Pigmente). Diese besonderen Pigmente sitzen in Biomembranen. Dort absorbieren sie Licht und machen die in dem Licht enthaltene Strahlungsenergie nutzbar. In phototrophen Organismen wurden bisher zwei verschiedene Klassen solcher Pigmente entdeckt: Chlorophylle (wie zum Beispiel pflanzliche Chlorophylle und Bacteriochlorophylle) und Rhodopsine (Bacteriorhodopsin, Proteorhodopsin, Xanthorhodopsin).
Der Lichteintrag in einen Photobioreaktor erfolgt bei herkömmlichen Systemen in der Regel von außen. Aus dem Stand der Technik sind auch Versuche bekannt, die Verteilung von Licht innerhalb des Reaktors vorzunehmen. Jedoch ist der Lichteintrag in einen Photobioreaktor von außen bzw. die Verteilung von Licht innerhalb eines Reaktors, die auf herkömmliche Weise durchgeführt werden, sehr ungleichmäßig. Hinzukommen die relativ geringe Eindringtiefe des Lichts in biologische Medien sowie die teilweise Absorption des Lichts durch die Bauteile des Photobioreaktors, wie z. B. die Wandung des Gehäuses. Dadurch entstehen Totzonen im Reaktor, in deren Volumina die phototrophen Mikroorganismen nichts produzieren können bzw. in denen die Mikroorganismen gar nicht erst aktiviert werden. Das wiederum führt zu einer geringeren Volumen-bezogenen Reaktoreffizienz.
Gegenwärtig bekannte Mittel zur Beleuchtung eines Photobioreaktors von innen umfassen mehrere Glaskapillaren, die Leuchtmittel enthalten, oder Leuchtkugeln. Wenn eine Beleuchtung der Photobioreaktoren von außerhalb vorgenommen wird, erfolgt diese auf herkömmliche Weise beispielsweise über mehrere separate Lichtquellen, eine herkömmliche Ringbeleuchtung oder Tageslicht. Es sind außerdem verschiedenen Bauformen von Photobioreaktoren bekannt, wie Plattenreaktoren oder etwa dünne Glasrohre. Diese können zwar die geringe Lichteindringtiefe teilweise kompensieren, jedoch sind diese Systeme in der Regel mit einem weiteren Nachteil behaftet. Mit allen bekannten Systemen zur Beleuchtung ist keine oder eine nur unvollständige Immobilisierung der Mikroorganismen möglich, wodurch eine zusätzliche Kreislaufführung oder die Abtrennung der Mikroorganismen nötig wird, um diese zurückzugewinnen bzw. als mögliche Verunreinigung aus dem Produktstrom zu entfernen.
Gegenwärtig wird versucht, die Mikroorganismen über Kreislaufbetrieb aus dem Produktstrom zurückzugewinnen. Um hohe Produktreinheiten erzielen zu können, sind jedoch teilweise separate Abtrennungsprozessstufen nötig. Es existieren zwar Ansätze, um die Mikroorganismen auf diversen Trägerstrukturen innerhalb der unterschiedlichen Reaktoren zu immobilisieren. Diese herkömmlichen Trägerstrukturen sind allerdings selten transparent, und selbst wenn sie transparent sind, wie zum Beispiel Glaskörperschüttungen, verfügen sie über keine direkte Lichteinkopplung.
Alle aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen zur Beleuchtung von Photobioreaktoren sind deshalb sehr ineffizient in Bezug auf die Lichtzufuhr und/oder die Lichtverteilung im Photobioreaktor. Die Kultivierung der phototrophen Mikroorganismen erfolgt häufig in diskontinuierlichen Systemen, welche durch ihren chargenweisen Betrieb ungeeignet für industrielle Anwendungen sind. Im Falle der Anwendung von kontinuierlichen Systemen ist nur selten eine Immobilisierung der Mikroorganismen im Reaktor möglich. Dadurch ist meist eine Kreislaufführung oder Abtrennung nötig, wodurch erhöhte Kosten für Pumpen, Filtrationseinheiten usw. anfallen. Im Falle der Verwendung von Leuchtkugeln zur Beleuchtung von innen ist eine hohe Anzahl einzelner Bauteile notwendig, die zudem schwierig zu reinigen sind. Die bekannten Plattenreaktoren benötigen große Oberflächen und haben deswegen einen erhöhten Platzbedarf bzw. erhöhten Flächenbedarf. Allen derzeitigen aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen ist gemeinsam, dass sie meist nur schlecht skalierbar und in eine industrielle Anwendung überführbar sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Verbesserung des Lichteintrags hinsichtlich der Effizienz des Lichteintrags und einer gleichmäßigeren Lichtverteilung innerhalb des biologischen Mediums bzw. Reaktionsmediums in einem Photobioreaktor bereitzustellen, die gleichzeitig der Immobilisierung der zu kultivierenden phototrophen Mikroorganismen dient.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch die Bereitstellung eines Kernstücks für einen Photobioreaktor, das aus einem transparenten Material besteht. Das transparente Material kann beispielsweise Glas oder ein transparenter Kunststoff sein.
Das Kernstück aus transparentem Material kann einteilig gestaltet sein oder aus mehreren Teilen, beispielsweise 2 bis 5, vorzugsweise 2 bis 4, 3 oder 2 Teilen bestehen. Das Kernstück für den Photobioreaktor gemäß der vorliegenden Erfindung ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform einteilig gestaltet und besteht aus einem transparenten Kunststoff. Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn das Kernstück ein Monolith aus einem transparenten Kunststoff ist.
Für die Herstellung des erfindungsgemäßen Kernstücks, vorzugsweise Monolithen, kommt jeder herkömmliche transparente Kunststoff in Frage. Vorzugsweise besteht das Kernstück bzw. der Monolith aus einem transparenten Kunststoff ausgewählt aus Acrylglas (Polymethylmetacrylat, PMMA), Polycarbonat (PC), Polyvinylchlorid (PVC), Polystyrol (PS), Polyphenylenether (PPO) oder Polyethylen (PE).
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht der erfindungsgemäße Monolith aus Polycarbonat (PC).
Für die Herstellung des erfindungsgemäßen Kernstücks bzw. des erfindungsgemäßen Monolithen aus transparentem Kunststoff für die Photobioreaktoren ist grundsätzlich jedes herkömmliche Verfahren für die Verarbeitung von Kunststoffen bzw. die Herstellung von Produkten aus Kunststoffen geeignet. Hierzu zählen beispielsweise das Spritzgießen, das Extrudieren, Blasformen oder das Schäumverfahren. Vorzugsweise erfolgt die Herstellung des erfindungsgemäßen Kernstücks oder Monolithen aus transparenten Kunststoff mittels Spritzgießen oder durch Extrudieren.
In besonders bevorzugten Ausführungsform stellt die Erfindung aber auch ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kernstücks oder Monolithen aus transparentem Kunststoff mittels 3D-Druckverfahren bereit.
Diese Ausführungsform, insbesondere das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Monolithen aus transparentem Kunststoff mittels 3D-Druck hat den Vorteil, dass die Dimensionen bzw. die Geometrie des Monoliths völlig variabel anpassbar sind an die unterschiedlichsten Anforderungen. So können die Dimensionen des Monolithen aus transparentem Kunststoff an verschiedene Gehäuse eines Photobioreaktors, die sich in Durchmesser und/oder Höhe unterscheiden, bei der Herstellung des Monolithen auf einfache Weise angepasst werden. Zum anderen ist die Formgestaltung des erfindungsgemäßen Monolithen völlig frei wählbar bei einem Herstellungsverfahren mittels 3D-Druck. So können Strukturen in den Monolithen eingearbeitet werden, wodurch beispielsweise der Eintrag von CO₂ in das Reaktionsmedium sowie die Verteilung von Nährstoffen in das Reaktionsmedium optimierbar sind. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Formgestaltung des Monolithen aus transparentem Kunststoff mittels 3D-Druck so gestaltbar, dass der CO₂- und Nährstoffeintrag im gesamten Reaktionsmedium homogen erfolgen kann. Dementsprechend kann der Monolith verschiedenste Strukturen aufweisen, welche eine hohe gleichmäßige Ausleuchtung, eine große Fläche zur Biofilmbildung oder ein großes Volumen bieten.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Monolith zahlreiche parallele Einzelkanäle. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Oberfläche des Monolithen vergrößert wird und eine größere Fläche für die Immobilisierung der zu kultivierenden phototrophen Mikroorganismen bereitgestellt wird. Gleichzeitig wird eine größere Fläche für den Lichteintrag in den Photobioreaktor von innen zur Verfügung gestellt. Dies verbessert die Effizienz des Lichteintrags von innen insbesondere dann, wenn das Kernstück bzw. der Monolith aus einem transparenten Material, vorzugsweise einem transparenten Kunststoff, besteht, der selbst zum Teil als Lichtleiter fungiert. Die durch das Vorhandensein zahlreicher paralleler Einzelkanäle vergrößerte Oberfläche des Kernstücks bzw. des Monolithen fördert außerdem den Stoffaustausch zwischen den immobilisierten phototrophen Mikroorganismen und dem Reaktions- bzw. Kulturmedium, was zu einer Steigerung der Produktausbeute der herzustellenden Zielprodukte führt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst das Kernstück bzw. der Monolith aus transparentem Material zahlreiche Anschlussmöglichkeiten für Lichtquellen. Unter Lichtquelle werden im Sinne der vorliegenden Erfindung Bauteile wie optische Fasern, Leuchtstoffröhren oder Licht emittierende Dioden (LED) bezeichnet, die Licht über kurze oder lange Strecken seitlich abstrahlen. Die Lichtleitung wird bei den optischen Fasern durch Totalreflexion aufgrund eines geringen Brechungsindex des den Lichtleiter umgebenden Mantels bzw. erreicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die verwendeten Lichtleiter, die an den Monolithen aus transparentem Kunststoff angeschlossen werden können, Lichtwellenleiter, die aus Kunststofffasern bestehen. Die Lichtwellenleiter können auch ganz oder teilweise aus Glas, wie beispielsweise Glasasern oder der Hard Clad Silica Optical Fiber ausgewählt sein. Hard Clad Silica Optical Fiber (Hart-ummantelter Lichtwellenleiter), bezeichnet einen Lichtwellenleiter mit einem optischen Kern aus Quarzglas und einem optischen Mantel aus einem speziellen Kunststoff.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist auch das Material des transparenten Kunststoffs, aus dem das erfindungsgemäße Kernstück bzw. der erfindungsgemäße Monolith hergestellt worden ist, zur Lichtleitung und Streuung fähig, d.h. in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Monolith selbst zum Teil ein Lichtleiter und Lichtquelle, bestehend aus einem transparentem Kunststoff. In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform besteht der erfindungsgemäße Monolith, der selbst als Lichtleiter fungiert, aus PMMA oder Polycarbonat.
Vorzugsweise funktioniert der Lichteintrag in einen Photobioreaktor gemäß der vorliegenden Erfindung so, dass Licht von externen Lichtquellen über ein oder mehrere, vorzugsweise 1 bis 20, besonders bevorzugt 5 bis 20, 5 bis 15 oder 5 bis 10 Lichtwellenleiter über die von dem erfindungsgemäßen Kernstück bzw. Monolithen umfassten Anschlussmöglichkeiten für die Lichtwellenleiter in den Monolithen selbst eingetragen wird. Vorzugsweise wird dann das von den Lichtwellenleitern in den Monolithen eingetragene externe Licht von dem transparenten Kunststoff, aus dem der Monolith besteht, innerhalb des Monolithen selbst verteilt. In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Verteilung des Lichts innerhalb des Monolithen gleichmäßig.
Als Lichtquellen, deren Licht in den erfindungsgemäßen Monolithen einspeisbar ist, kommen jegliche herkömmliche Lichtquellen in Frage. Es kann sowohl Kunstlicht in den verschiedensten Wellenlängen als auch Tageslicht bzw. Sonnenlicht in den erfindungsgemäßen Monolithen eingespeist werden. Geeignete herkömmliche Lichtquellen sind beispielsweise Glühlampen, Leuchtstoffröhren, Leuchtdioden, insbesondere LEDs o.ä.. Die Lichtfarbe, die Wellenlänge, die Intensität sowie die Helligkeit des in dem Monolithen eingestrahlten Lichts ist dabei frei wählbar und insbesondere an die Gattung oder Spezies der zu kultivierenden phototrophen Mikroorganismen und/oder die zu produzierenden Zielprodukte anpassbar. Es ist auch denkbar, dass eine Kombination verschiedener Lichtarten, die von unterschiedlichen Lichtquellen emittiert werden, in den erfindungsgemäßen Monolithen eingestrahlt wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Monolithen für Photobioreaktoren aus einem transparenten Kunststoff mittels 3D-Druck. 3D-Druckverfahren sind besonders dann geeignet, wenn höhere Schichtdicken realisiert werden und/oder räumliche Strukturen erzeugt werden sollen.
Ein 3D-Drucker ist ein Drucker, der dreidimensionale Werkstücke aufbaut. Der Aufbau erfolgt computergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen. 3D-Drucker dienten zunächst vor allem der Herstellung von Prototypen und Modellen, dann der Herstellung von Werkstücken, von denen nur geringe Stückzahlen benötigt werden. Zunehmend werden 3D-Drucker auch für die Massenproduktion von Werkstücken eingesetzt. Konventionelle 3D-Drucker haben nur mit einem Werkstoff oder einer Werkstoffmischung und einem Druckverfahren gearbeitet. Es wurden aber bereits kombinierte Druckverfahren erprobt, bei denen Werkstücke aus mehreren Werkstoffen gedruckt wurden. Beispielsweise ist das Drucken von Kunststoffen in unterschiedlichen Härtegraden und Farben inzwischen auch simultan möglich. Dies macht Prozesse, die bisher mehrere Fertigungsschritte benötigten, in einem Arbeitsgang durchführbar.
Im Stand der Technik sind zahlreiche 3D-Druck Verfahren bekannt, die prinzipiell in den Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kernstücks bzw. des erfindungsgemäßen Monolithen anwendbar sind.
Bekannt sind z.B. 3D-Druckverfahren, wie das Sinter- und Pulverdruckverfahren, beispielsweise von Gipspulver bzw. wie das selektive Lasersintern, selektive Laserschmelzen, Elektronenstrahlschmelzen, Fused Deposition Modeling und das Laserauftragsschweißen.
Besonders weit verbreitet sind Stereolithographieverfahren, wie zum Beispiel das Film Transfer Imaging und das Digital Light Processing. Es werden aber auch bereits Verfahren zum Drucken mit flüssigen Materialien eingesetzt. Hierzu gehören beispielsweise das Multi-Jet Modeling und PolyJet Verfahren. Weitere 3D-Druck Verfahren umfassen das Laminated Object Modeling, den Polyamidguss, Space Puzzle Moulding und Contour Crafting.
Besonders bevorzugt für die Anwendung in den Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kernstücks bzw. des erfindungsgemäßen Monolithen sind 3D-Druckverfahren mit flüssigen Materialien. Das hierzu zählende Multi-Jet Modeling (MJM) Verfahren erinnert stark an einen herkömmlichen Tintenstrahldrucker. Beim Multi-Jet Modeling wird flüssiges Material aus einer Düse aufgetragen, die sich in x- und y-Richtung bewegen kann. Sobald das Material austritt wird es unter UV-Licht gehärtet. Die Genauigkeit des Multi- Jet Modeling Verfahrens ist sehr hoch. Als Werkstoffe werden beispielsweise Thermoplaste oder UV-empfindliche Flüssigkunststoffe eingesetzt.
Beim PolyJet Verfahren, einem weiteren 3D-Druck Verfahren mit flüssigen Materialien, nutzt der Drucker zwei oder mehr Druckköpfe, die das eigentliche Konstruktionsmaterial applizieren. Gleich danach werden die Photopolymere mittels UV-Licht gehärtet. Werden mehr als zwei Druckköpfe eingesetzt können sogar Objekte aus unterschiedlichen Materialien hergestellt werden. Mit diesem Verfahren ist die gleichzeitige Verarbeitung von Materialien, die unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, wie beispielsweise eine unterschiedliche Härte oder verschiedene Farben, bei ein und demselben Objekt möglich. Die Genauigkeit der PolyJet Verfahren ist sehr hoch und es ist die Erzeugung von Objekten mit sehr dünnen Wandstärken möglich. Als Werkstoffe werden lichtempfindliche Flüssigkunststoffe, sogenannte PolyJet-Photopolymere eingesetzt. Mit PolyJet-Photopolymeren lassen sich in dünnen Schichten eine Vielzahl an Materialeigenschaften erzeugen. Die additive Fertigung mit umfassender Multimaterial-Flexibilität ist möglich. Es können verschiedene Materialien im gleichen 3D-Modell oder im gleichen Arbeitsschritt kombiniert werden und es besteht eine Fülle an Möglichkeiten wie beispielsweise Overmoulding, Erzeugung von Grautönen und gleichzeitiges Drucken in unterschiedlichen Materialien. Während des Drucks können außerdem aus zwei Materialien Verbundmaterialien bzw. Digital Materials mit einzigartigen Eigenschaften herstellt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Herstellung des erfindungsgemäßen Kernstücks bzw. des erfindungsgemäßen Monolithen mittels 3D-Druck aus einem UV-härtbaren transparenten Flüssigkunstoff. In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Herstellung des erfindungsgemäßen Kernstücks bzw. des erfindungsgemäßen Monolithen mittels 3D-Druck aus einer einzigen transparenten Kunststoffart, die selbst als Lichtleiter fungiert, wie beispielsweise aus PMMA oder Polycarbonat.
Die Informationen über Abmessungen und Formgestaltung des mittels 3D-Druck herzustellenden Kernstücks und/oder Monolithen aus transparentem Kunststoff werden dem 3D-Drucker auf herkömmliche Weise von einer an den 3D-Drucker angeschlossenen Steuereinheit, wie beispielsweise von einem Steuercomputer, bereitgestellt. Die Festlegung der Abmessungen und Formgestaltung des mittels 3D-Druck herzustellenden Kernstücks und/oder Monolithen aus transparentem Kunststoff kann mit dem Fachmann bekannten Computerprogrammen und/oder Softwareprogrammen, wie z.B. CAD Software, vorgenommen werden.
In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung einen Photobioreaktor bereit, der das erfindungsgemäße Kernstück oder den erfindungsgemäßen Monolithen aus transparentem Kunststoff umfasst.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der erfindungsgemäße Photobioreaktor weiterhin ein Gehäuse und einen Deckel. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Deckel des Photobioreaktors gemäß der Erfindung Bohrungen für die Durchführung von Lichtwellenleitern auf, die der Anzahl der Anschlussmöglichkeiten von Lichtwellenleitern an dem erfindungsgemäßen Monolithen aus transparenten Kunststoff entsprechen und die in dem Deckel entsprechend so positioniert sind, dass sie mit der Position der Anschlussmöglichkeiten für die Lichtwellenleiter an den Monolithen aus transparentem Kunststoff im inneren des Photobioreaktors übereinstimmen.
In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Bohrungen oder Durchführungen für die Lichtwellenleiter in dem Deckel des Photobioreaktors so gestaltet, dass sie gasdicht verschließbar sind. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Verfahren zur Kultivierung der phototrophen Mikroorganismen unter sterilen Bedingungen durchgeführt werden können. Andererseits ist es für bestimmte Anwendungen des Photobioreaktors gemäß der Erfindung auch zwingend notwendig, dass die Herstellung bestimmter Produkte unter Sauerstoffabschluss erfolgen kann oder muss. Dies gilt beispielsweise für die Herstellung von Wasserstoff mittels phototrophen Mikroorganismen.
Technisch gelöst werden kann das Erreichen der Gasdichtheit der Bohrungen beziehungsweise Durchführungen durch Verwendung entsprechender Dichtmittel, wie beispielsweise entsprechender Pasten, oder durch die Verwendung von Einschraubverbindungen, die Dichtungselemente, wie beispielsweise einen Null-Ring o.ä. aufweisen, mit deren Hilfe die Lichtwellenleiter gleichzeitig in dem Deckel des erfindungsgemäßen Photobioreaktors fixiert werden können. Solche Einschraubverbindungen, die einen Null-Ring oder entsprechende Dichtungselemente aufweisen, sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt.
Der erfindungsgemäße Photobioreaktor kann mittels diskontinuierlichen Verfahren oder mittels kontinuierlichen Verfahren betrieben werden. Welche Art des Verfahrens benutzt wird, ist von verschiedenen Faktoren abhängig. Der diskontinuierliche Betrieb wird vorzugsweise dann eingesetzt, wenn phototrophe Mikroorganismen kultiviert werden, die nicht auf dem Kernstück und/oder dem Monolithen aus transparentem Kunststoff immobilisieren. Im Gegensatz dazu wird der kontinuierliche Betrieb vorzugsweise dann eingesetzt, wenn phototrophe Mikroorganismen kultiviert werden, die auf dem Kernstück und/oder dem Monolithen aus transparentem Kunststoff immobilisieren.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Gehäuse des erfindungsgemäßen Photobioreaktors ein oder mehrere Bohrungen oder Durchführungsmöglichkeiten für den Anschluss von Schläuchen, Leitungen oder Ähnlichem, mit deren Hilfe das Reaktionsmedium bzw. das Kulturmedium dem Photobioreaktor kontinuierlich zugeführt und wieder entnommen werden kann, d.h. mit deren Hilfe ein Kreislaufbetrieb unter kontinuierlichen Bedingungen möglich ist.
In einer weiteren Ausführungsform umfassen der Deckel und/oder das Gehäuse weitere Anschlussmöglichkeiten für Schläuche, Leitungen oder Ähnliches, beispielsweise für die Zufuhr von CO₂, die Zugabe von bestimmten Stoffen zum Reaktionsmedium oder auch für den Gasauslass. Letzteres ist z.B. besonders wichtig bei der Produktion von Wasserstoff mittels der phototrophen Mikroorganismen.
Die Erfindung stellt weiterhin die Verwendung des Kernstücks oder des Monolithen aus transparentem Kunststoff und/oder des Photobioreaktors umfassend das besagte Kernstück oder den besagten Monolithen zur Kultivierung von phototrophen Mikroorganismen bereit, wobei die Beleuchtung und/oder Lichtzufuhr von innen über das Kernstück oder den Monolithen aus transparenten Kunststoff erfolgt.
Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass der Lichteintrag hinsichtlich Effizienz und hinsichtlich einer gleichmäßigeren Lichtverteilung innerhalb des Reaktionsmediums stark verbessert werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zur Kultivierung von phototrophen Mikroorganismen bereit, wobei das Verfahren das erfindungsgemäße Kernstück oder den erfindungsgemäßen Monolithen und/oder den erfindungsgemäßen Photobioreaktor umfasst, und wobei die Beleuchtung und/oder Lichtzufuhr in den Photobioreaktor von innen über das Kernstück oder den Monolithen aus transparentem Kunststoff erfolgt.
In einer weiteren Ausführungsform ist auch möglich, dass die Beleuchtung und/oder Lichtzufuhr von innen optional in Kombination mit der Beleuchtung und/oder Lichtzufuhr von außen durchgeführt wird.
Ein besonderer Vorteil des Kernstücks und/oder des Monolithen aus transparentem Kunststoff gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass das Kernstück oder der Monolith aus transparentem Kunststoff gleichzeitig zur Immobilisierung der phototrophen Mikroorganismen dient. Dadurch ist eine vorteilhafte Kombination des Lichteintrags von innen mit der Immobilisierung der phototrophen Mikroorganismen möglich, da die lichtemittierende Oberfläche gleichzeitig als Träger für die Mikroorganismen dient. Dies wird ermöglicht durch den kompakten Aufbau auf Basis einfacher Bauprinzipien bzw. durch möglichst nur ein integrales Bauteil, das in einen Photobioreaktor eingebracht wird.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Kernstücks und/oder des erfindungsgemäßen Monolithen aus transparentem Kunststoff besteht darin, dass die Formgestaltung so gewählt werden kann, dass die zur Verfügung stehende Oberfläche für die Immobilisierung der phototrophen Mikroorganismen optimiert, besonders bevorzugt maximiert werden kann. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass das Kernstück und/oder der Monolith aus transparentem Kunststoff mittels 3D-Druck herstellbar ist, wodurch die Ausbildung verschiedenster Oberflächenstrukturen des Kernstücks und/oder des Monolithen möglich wird.
Dadurch, dass das Kernstück und/oder der Monolith aus transparentem Kunststoff gleichzeitig der Immobilisierung der phototrophen Mikroorganismen dient, weisen die erfindungsgemäße Verwendung des Kernstücks, des Monolithen und/oder des Photobioreaktors und auch das erfindungsgemäße Verfahren zur Kultivierung phototropher Mikroorganismen einen entscheidenden weiteren Vorteil auf. Es erfolgt eine Integration von Reaktionsraum, Beleuchtung und Immobilisierung. Dadurch kann der Betrieb des Systems über eine kontinuierliche Prozessführung realisiert werden, d.h. es ist eine kontinuierliche Prozessführung für einen kompakten Photobioreaktor möglich.
Die Bauweise des erfindungsgemäßen Photobioreaktors ermöglicht im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen eine sehr einfache und sehr gute Skalierbarkeit des erfindungsgemäßen Photobioreaktors bis in den industriellen Produktionsmaßstab. Dadurch wird eine höhere Effizienz und verbesserte Anwendbarkeit von Verfahren zur Kultivierung phototropher Mikroorganismen für industrielle Anwendungen erreicht.
Durch die kontinuierliche Prozessführung mit Hilfe des erfindungsgemäßen Photobioreaktors und des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kultivierung phototropher Mikroorganismen entfallen aufwändige Maßnahmen zur Produktreinigung und insbesondere zur Abtrennung der Mikroorganismen aus dem Reaktionsmedium, da diese auf dem Kernstück bzw. Monolithen aus transparentem Kunststoff immobilisiert sind.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die phototrophen Mikroorganismen, die mit dem erfindungsgemäßen Photobioreaktor bzw. mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kultiviert werden können, ausgewählt aus phototrophen Prokaryonten oder Mikroalgen.
Die phototrophen Prokaryonten können beispielsweise ausgewählt sein aus Cyanobakterien, grünen Nichtschwefelbakterien, grünen Schwefelbakterien, Halobakterien, Heliobakterien, Nichtschwefelpurpurbakterien, Thermoplasmata, α-Proteobakterien β-Proteobakterien, Flavobakterien und Schwefelpurpurbakterien.
Die Mikroalgen gemäß der Erfindung können beispielsweise ausgewählt sein aus Chlorophyceae (Grünalgen), Bacillariophyceae (Diatomeen), Prymnesiophyceae und Chrysophyceae (Goldalgen).
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die phototrophen Mikroorganismen ausgewählt aus Isochrysis spec., Chaetoceros spec., Chlorella spec., Chlamydomonas spec., Arthrospira spec. und Dunaliella spec. In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die phototrophen Mikroorganismen ausgewählt aus Chlamydomonas reinhardtii oder Arthrospira platensis.
Der erfindungsgemäße Photobioreaktor und/oder das erfindungsgemäße Verfahren können prinzipiell zur Herstellung aller Produkte verwendet werden, die mithilfe von phototrophen Mikroorganismen erzeugbar sind. Dabei kann es sich beispielsweise um die Gewinnung von Biomasse handeln. Vorzugsweise werden der erfindungsgemäße Photobioreaktor und/oder das erfindungsgemäße Verfahren aber dazu verwendet, Produkte wie Biotreibstoff, Wasserstoff, Sekundärmetabolite, Feinchemikalien, Nahrungsergänzungsmittel usw. herzustellen.
Die Erfindung wird nachfolgend an fünf Zeichnungen und drei Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen Querschnitt durch einen Monolithen aus transparentem Kunststoff 1 umfassend zahlreiche parallele Einzelkanäle 2 und zahlreiche Anschlussmöglichkeiten für Lichtwellenleiter 3;
2 einen erfindungsgemäßen Photobioreaktor umfassend einen Monoliothen aus transparentem Kunststoff 1, ein Gehäuse 4, einen Deckel 5 umfassend Löcher bzw. Bohrungen 6 für die Durchführung von Lichtwellenleitern 7; sowie Vorrichtungen 8 zur Befestigung des Monolithen aus transparentem Kunststoff innerhalb das Photobioreaktors. Der Deckel des Photobioreaktors weist außerdem Öffnungen bzw. Bohrungen 9 zur Aufnahme von Mitteln zur Befestigung des Deckels 5 an dem Gehäuse 4 auf. Die Bohrungen bzw. Anschlüsse 10 dienen dem Anschluss von Schläuchen, Leitungen oder Ähnlichem, mit deren Hilfe das Reaktionsmedium dem Photobioreaktor kontinuierlich zugeführt und wieder entnommen werden kann, d.h. mit deren Hilfe ein Kreislaufbetrieb unter kontinuierlichen Bedingungen möglich ist;
3 den Deckel 5 des erfindungsgemäßen Photobioreaktors in Draufsicht (3A) und in Schnittdarstellung (3B), umfassend Öffnungen bzw. Bohrungen 6 für die Durchführung von Lichtwellenleitern und Öffnungen bzw. Bohrungen 9 für die Aufnahme von Mitteln zur Befestigung des Deckels 5 an dem Gehäuse des Photobioreaktors;
4 die schematische Darstellung des Gehäuses 4 des erfindungsgemäßen Bioreaktors umfassend Bohrungen bzw. Löcher 9 zur Aufnahme von Mitteln zur Befestigung des Deckels des Photobioreaktors an dem Gehäuse 4 und Bohrungen bzw. Anschlussmöglichkeiten 10 für Leitungen, Schläuche oder ähnlich geeignete Mittel für die Zufuhr und Abfuhr des Reaktionsmediums;
5 das Gehäuse 4 des Photobioreaktors in Draufsicht (5A) und als Schnittdarstellung (5B), umfassend Löcher bzw. Bohrungen für die Aufnahme von Mitteln zur Befestigung des Deckels an dem Gehäuse 4 des Photobioreaktors, Mittel zur Befestigung 8 des Monolithen aus transparentem Kunststoff sowie Öffnungen bzw. Anschlussmöglichkeiten 10 für Leitungen, Schläuche oder ähnliche Vorrichtungen für die Zuführung und die Abfuhr des Reaktionsmediums des Photobioreaktors.
Ausführungsbeispiele
Beispiel 1: Verfahren zur Herstellung eines Monolithen aus transparentem Kunststoff mittels 3D-Druck
Der Monolith 1 gemäß 1 und 2, umfassend zahlreiche parallele Einzelkanäle 2 und insgesamt 9 Anschlussmöglichkeiten für Lichtwellenleiter 3 wurde mittels 3D-Druckverfahren hergestellt. Die Herstellung erfolgte mit einem 3D-Drucker ProJet 6000 (HD) der Fa. 3D Systems mittels der Stereolithografie Technologie (SLA) mit einer Auflösungsgrenze bei 0,125 mm. Als Material für den 3D-Druck wurde der Kunststoff VisiJet SL Clear der Fa. 3D Systems eingesetzt.
Der so hergestellte Monolith hatte einen Durchmesser von 51 mm und eine Höhe von 100 mm und wies eine innere Struktur (Verteilung und Anzahl der parallelen Einzelkanäle) wie in 1 gezeigt auf.
Beispiel 2: Wasserstofferzeugung mit Rhodobacter sphaeroides
Das Purpurbakterium Rhodobacter sphaeroides ist, unter bestimmten Kultivierungsbedingungen, in der Lage Wasserstoff herzustellen. Das so produzierte Gas besteht zu über 80 % aus Wasserstoff, wobei der Rest im wesentlichen Kohlendioxid ist. Die hohe Reinheit des Gases erlaubt eine einfache Aufreinigung des Wasserstoffs, so dass dieser als Brennstoff energetisch oder stofflich z.B. in der chemischen Industrie verwertet werden kann. Voraussetzung dafür, dass R. sphaeroides Wasserstoff produziert ist, dass der Organismus in einem stickstofflimitierten Medium kultiviert wird, die Anwesenheit eines organischen Elektronendonor und die Versorgung mit ausreichend Licht. Als geeigneter organischer Elektronendonor für die Wasserstoffproduktion stellte sich Milchsäure heraus. Als Kohlenstoff und Stickstoffquelle für ein initiales Wachstum zeigte sich Glutaminsäure als geeignet. Als Medium für die Kultivierung dient TAP Medium mit einem pH Wert von ca. 7,2. Die Kultivierung erfolgt bei 30°C. Die Zusammensetzung des Mediums im Einzelnen ist wie folgt: 3,6 g L^–1 D/L Milchsäure, 1,6 g L^–1 Glutaminsäure, 0.9 g L^–1 K₂HPO₄, 0.6 g L^–1 KHPO₄ (beide Roth), 0.2 g L^–1 MgSO₄ × 7H₂O, 0.1 g L^–1 CaCl₂ (beide Merck KGaA) 0.002 g L^–1 4-aminobencoic acid (Fluka), 0.01 g L^–1 nicotinic acid (Sigma), 0.01 g L^–1 thiamine hydrochloride (Sigma) und 0.02 g L^–1 biotin (Roth), 0.045 g L^–1 MnCl₂ × 4H₂O (Merck KGaA), 0.019 g L^–1 CoCl₂ × 6H₂O (Roth), 0.005 g L^–1 CuSO₄ (Merck KGaA), 0.05 g L^–1 NaMoO₄ × 2H₂O (Merck KGaA), 0.01 g L^–1 ZnCl₂ (Ridel-de Haen), 0.002 g L^–1 LiCl (Merck KGaA), 0.002 g L^–1 SnCl₂ × 2H₂O (Merck KGaA), 0.005 g L^–1 H₃BO₃ (Roth), 0.01 g L^–1 KBr (Merck KGaA), 0.01 g L^–1 KI (Merck KGaA), 0.02 g L^–1 BaCl₂ × 2H₂O (Merck KGaA), 2.3 g L^–1 EDTA dinatriumsalt (Fluka)
Der herein beschriebene Bioreaktor dient als Reaktionsgefäß. Damit kann eine kontinuierliche Prozessführung realisiert werden. Grundlage für den kontinuierlichen Betrieb ist die Bildung eines Biofilms auf der Monolithoberfläche des Reaktors.
Zunächst wird der Reaktor mit Medium befüllt, abgedichtet und für 20 min bei 121°C autoklaviert. Anschließend wird das Medium auf 30°C temperiert und der Reaktor wird mit 0,05 g L^–1 R. sphaeroides angeimpft. In die Monolithen wird über eine Glasfaser Licht eingekoppelt. Hierbei handelt es sich zweckmäßigerweise um Licht aus einer LED mit warmweißer Farbe, Halogenlicht oder Sonnenlicht. Initial wird der Reaktor diskontinuierlich gefahren, zur Vermeidung von Gradienten wird das Medium im Reaktor mit einer Pumpe im Kreis gefahren. Durch die Phototaxis der Organismen siedeln sich diese selbstständig auf der Oberfläche des Reaktors ab. Hat sich ein ausreichend dicker Biofilm gebildet, wird der kontinuierliche Prozess gestartet, indem kontinuierlich frisches Medium zu- und verbrauchtes Medium abgeführt wird. Zu- und Abführung erfolgen dabei in gleicher Rate, damit das Reaktionsvolumen konstant bleibt. Der dabei entstehende Wasserstoff wird über einen Gasauslass an der Oberseite des Reaktors abgeführt und der Aufbereitung zugeführt. Durch die permanente Zufuhr von frischem Medium kann der Prozess über Monate konstant gefahren werden.
Beispiel 3: Produktion von Phycocyaninen mit Arthrospira platensis
Phycocyanine sind akzessorische Pigmente von Cyanobakterien und erscheinen farblich purpurblau bis kobaltblau. Phycocyanine werden derzeit als natürliche blaue Farbstoffe in Lebensmitteln und Kosmetika eingesetzt. So findet dieses Pigment z.B. in Lidschatten, Kajal- und Lippenstiften Verwendung. Darüber hinaus werden kleinere Mengen auch für den diagnostischen Markt als Fluoreszenzfarbstoff produziert.
Die Produktion von Phycocyanin erfolgt über die Produktion von Biomasse von Arthrospira platensis.
Zum Wachstum von Arthrospira platensis eignet sich z.B. Zarrukmedium folgender Zusammensetzung (g L^–1): NaNO₃ 2.5, K₂SO₄ 1.0, NaCl 1.0, MgSO₄·7H₂O 0.2, CaCl₂ 2H₂O 0.04, NaHCO₃ 13.61, Na₂CO₃ 4.03, K₂HPO₄ 0.5; sowie folgender Mikroelemente die aus 200-facher Stammlösung herunter verdünnt werden (μg L^–1): ZnSO₄·7H₂O 5, MnSO₄·4H₂O 10, H₃BO₃ 50, Co(NO₃)₂·6H₂O 5, Na₂MoO₄ 2H₂O 5, CuSO₄·5H₂O 0.025, FeSO₄·7H₂O 0.0035. Die Nährstoffe werden in deionisiertem Wasser gelöst und der pH des Mediums auf 9,4 eingestellt.
Der Reaktor wird mit dem Medium befüllt und für 20 Minuten bei 121°C autoklaviert. Das Licht wird über einem Lichtleiter in den Monolith gekoppelt. Nach dem Abkühlen wird das Medium mit 5% Arthrospira platensis Vorkultur beimpft. In einer ca. 90 stündigen Satz Kultivierung wird das Medium zur Vermeidung von Gradienten im Kreislauf gefahren. Hat sich in der Satz Kultivierung ausreichend Biomasse gebildet, kann in den kontinuierlichen Betrieb gewechselt werden. Dabei wird der gleiche Volumenstrom an frischem Medium in den Reaktor wie aus dem Reaktor heraus gepumpt. Da Arthrospira platensis unter den gegebenen Kultivierungsbedingungen nicht immobilisiert ist, ist der Abfluss eine Suspension aus verbrauchtem Medium und Biomasse. Die Biomasse im Ablauf wird aufgefangen und das Phycocyanin über eine Extraktion mit wässrigen Salzlösungen aus der Biomasse gelöst. Durch die permanente Zufuhr von frischem Medium kann der Prozess über Monate konstant gefahren werden.
Bezugszeichenliste

1: Monolith aus transparenten Kunststoff
2: Parallele Einzelkanäle
3: Anschlussmöglichkeiten für Lichtwellenleiter
4: Gehäuse
5: Deckel
6: Öffnung/Bohrung für die Durchführung von Lichtwellenleitern
7: Lichtwellenleiter
8: Befestigungsmittel für Monolith aus transparentem Kunststoff
9: Löcher/Bohrungen zur Aufnahme von Befestigungsmitteln
10: Öffnungen/Anschlüsse für Leitungen und Schläuche

Claims

Kernstück zur Beleuchtung für einen Photobioreaktor von innen, bestehend aus einem transparenten Material, vorzugsweise aus einem transparenten Kunststoff.
Kernstück für einen Photobioreaktor nach Anspruch 1, wobei das Kernstück aus einem Monolith 1 aus transparentem Kunststoff besteht und der Monolith zahlreiche parallele Einzelkanäle 2 umfasst.
Monolith nach Anspruch 2, weiterhin umfassend zahlreiche Anschlüsse 3 für Lichtwellenleiter 7.
Kernstück oder Monolith nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kernstück und/oder der Monolith aus Acrylglas (Polymethylmetacrylat, PMMA), Polycarbonat (PC), Polyvinylchlorid (PVC), Polystyrol (PS), Polyphenylenether (PPO) oder Polyethylen (PE) besteht.
Kernstück oder Monolith nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernstück und/oder der Monolith aus Polycarbonat (PC) besteht.
Monolith nach wenigstens einem der der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dimensionen/Geometrie des Monoliths variabel anpassbar sind.
Verfahren zur Herstellung eines Kernstücks oder Monolithen für Photobioreaktoren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernstück und/oder der Monolith mittels 3D-Druck hergestellt wird.
Photobioreaktor, umfassend ein Kernstück oder einen Monolithen 1 nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, ein Gehäuse 4 und einen Deckel 5.
Photobioreaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet dass der Deckel 5 zahlreiche Bohrungen 6 für die Durchführung von Lichtwellenleitern 7 aufweist.
Photobioreaktor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet dass das Gehäuse 4 Öffnungen und/oder Anschlüsse 10 für Leitungen und Schläuche aufweist.
Verwendung des Kernstücks, des Monolithen und/oder des Photobioreaktors nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Kultivierung von phototrophen Mikroorganismen, dadurch gekennzeichnet dass die Beleuchtung/Lichtzufuhr von innen über das Kernstück oder den Monolithen aus transparentem Kunststoff erfolgt.
Verfahren zur Kultivierung von phototrophen Mikroorganismen umfassend ein Kernstück, einen Monolithen und/oder einen Photobioreaktor nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet dass die Beleuchtung/Lichtzufuhr von innen über das Kernstück oder den Monolithen aus transparentem Kunststoff erfolgt.
Verwendung oder Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernstück oder der Monolith aus transparentem Kunststoff gleichzeitig zur Immobilisierung der phototrophen Mikroorganismen dient.
Verwendung oder Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine kontinuierliche Kultivierung der phototrophen Mikroorganismen erfolgt.
Verwendung oder Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet dass die phototrophen Mikroorganismen ausgewählt sind aus phototrophen Prokaryonten und Mikroalgen.
Verwendung oder Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die phototrophen Prokaryonten ausgewählt sind aus Cyanobakterien, grünen Nichtschwefelbakterien, grünen Schwefelbakterien, Halobakterien, Heliobakterien, Nichtschwefelpurpurbakterien, Thermoplasmata, α-Proteobakterien β-Proteobakterien, Flavobakterien und Schwefelpurpurbakterien.
Verwendung oder Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroalgen ausgewählt sind aus Chlorophyceae (Grünalgen), Bacillariophyceae (Diatomeen), Prymnesiophyceae und Chrysophyceae (Goldalgen).
Verwendung oder Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die phototrophen Mikroorganismen ausgewählt sind aus Isochrysis spec., Chaetoceros spec., Chlorella spec., Chlamydomonas spec., Arthrospira spec. und Dunaliella spec.
Verwendung oder Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 11 bis 18 zur Gewinnung von Biomasse und/oder zur Herstellung von Biotreibstoff, Wasserstoff, Sekundärmetaboliten, Feinchemikalien, Nahrungsmitteln und/oder Nahrungsergänzungsmitteln.