DE102016206918A1

DE102016206918A1 - Bioreaktor für die Kultivierung von Organismen mit einer verbesserten Gaszuführung

Info

Publication number: DE102016206918A1
Application number: DE102016206918.7A
Authority: DE
Inventors: Alexander Laug
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2016-04-22
Filing date: 2016-04-22
Publication date: 2017-10-26

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Bioreaktor für die Kultivierung von Organismen, insbesondere einen Bioreaktor mit einer verbesserten Gaszuführung. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kultivierung von Organismen in einem solchen Bioreaktor.

Description

Die Erfindung betrifft einen Bioreaktor für die Kultivierung von Organismen, insbesondere einen Bioreaktor mit einer verbesserten Gaszuführung. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kultivierung von Organismen in einem solchen Bioreaktor.
Bioreaktoren sind Fermenter, in denen Mikroorganismen kultiviert werden und in denen biologische Stoffumwandlungen mit Enzymen, Mikroorganismen (Bakterien, Pilze, Hefen, Algen) sowie tierischen und pflanzlichen Zellen durchgeführt werden. Im Bioreaktor sollen optimale Bedingungen hinsichtlich Temperatur, pH-Wert, Nährstoffkonzentration und Zuführen von Gas hergestellt werden können. Zu den Aufgaben eines Bioreaktors gehören daher der Stofftransport innerhalb der Flüssigphase, das Durchmischen, das Dispergieren einer zweiten Phase, insbesondere Luft, um eine große Phasengrenzfläche für guten Stoffübergang zu erhalten, und der Wärmetransport, um die erzeugte Wärme abzuführen. Die Bauform eines Bioreaktors hängt von seinem Einsatzbereich ab und muss dementsprechend die spezifischen Anforderungen des verwendeten biologischen Systems berücksichtigen.
Zur Kultivierung von Mikroorganismen, insbesondere von phototrophen Mikroorganismen, kommen sogenannte Photobioreaktoren zum Einsatz. Airlift-Photobioreaktoren, beispielsweise ein Platten Air-Lift-Photobioreaktor oder ein Air-Lift-Schlaufenbioreaktor, gelten als besonders geeignet, um phototrophe Mikroorganismen anzuzüchten und zu hoher Zelldichte zu führen. Der Airlift-Photobioreaktor weist häufig einen turmförmigen Reaktorkessel auf, bei dem durch Eintrag von Luft ein Flüssigkeitsumlauf innerhalb einer konstruktiv festgelegten Schlaufe erzeugt wird. Der Airlift-Photobioreaktor ist dadurch in eine begaste und eine unbegaste Zone aufgeteilt, die boden- und kopfseitig miteinander verbunden sind, sodass sich aufgrund der hydrostatischen Druckdifferenz eine Pumpenwirkung einstellt, die zu einem Flüssigkeitsstrom in der begasten Zone führt. Die Durchmischung des Reaktormediums wird durch das Zuführen von Gas hervorgerufen, wodurch bei dieser Photobioreaktor-Bauform eine gute Durchmischung und ein hoher Gas-Flüssigkeits-Stoffaustausch bei geringem Energieeintrag erzielt werden.
Ein solcher Airlift-Photobioreaktor wird beispielsweise in GB 2 235 210 oder in DE 199 16 597 oder in EP 1 326 959 B1 beschrieben.
Zur Kultivierung von phototrophen Mikroorganismen ist nicht nur eine Lichteinstrahlung hoher Intensität notwendig, im Allgemeinen erzielt durch ein großes Oberflächen-Volumen-Verhältnis im Photobioreaktor, sondern auch ein kontinuierlicher und gleichmäßiges Zuführen von Gas. Die Begasung, also das Zuführen von Gas, in einem Platten Airlift-Photobioreaktor oder einem Airlift-Schlaufenbioreaktor mit einem Luft-CO₂-Gemisch im Airlift-Betrieb erfolgt über eine am unteren Ende installierte Gaszuführeinheit, insbesondere eine schlauchförmige Silikonmembran, die über die gesamte Breite des Reaktors einen gleichmäßigen Blasenvorhang über die statischen Mischer in den Kompartimenten gewährleisten soll. Um eine homogene Durchmischung der Kultur zu gewährleisten, wird die Flüssigkeit im Reaktor in den sogenannten Risern nach oben transportiert und strömt anschließend im Downcomer wieder nach unten, wodurch zwei kreisförmige Strömungen entstehen. Die beschriebene Walzenströmung verursacht Scherkräfte, die an den einzelnen Kompartimenten die Entstehung eines Biofilms verhindern sollen. Durch die aufsteigenden Gasblasen wird zudem zwischen den statischen Mischern eine zirkuläre Walzenströmung generiert. Das Kulturmedium wird so in eine kreisförmige Strömung versetzt. Dadurch sind Mikroorganismen, beispielsweise Algen, kurzen Licht- und Dunkelzyklen unterworfen, wodurch das auf die Reaktoroberfläche auftreffende Licht optimal auf Zellen verteilt wird.
Die Begasungsmembran in bekannten Bioreaktoren wird durch einen Silikonschlauch ausgebildet, der über die gesamte Länge in einer Linie perforiert ist. Die Poren der Silikonmembran öffnen sich, sobald im Innern des Schlauchs ein bestimmter Druck überschritten ist. Hierzu muss sich der Schlauch im Durchmesser über die gesamte Länge gleichmäßig ausdehnen, um die Porenlippen zu öffnen und Gasblasen in das Medium abgeben zu können. Damit das Ausdehnen der Membran gewährleistet ist, ist ein Ausdehnungsraum vorhanden.
Derartige Begasungsmembranen zeigen jedoch den Nachteil, dass einzelne Poren verkleben und nicht gleichmäßig öffnen oder vollständig verklebt oder verstopft sind und somit ein ungleichmäßiges Blasenbild beim Zuführen von Gas verursachen. Die Poren können von Beginn an durch lange Standzeiten ohne Begasung beziehungsweise während der Kultivierung durch absetzende Biomasse die Porenlippen verkleben. Durch geringe Begasungsraten reicht der Druck nicht aus, um die Porenlippen gleichmäßig zu öffnen. Des Weiteren füllt sich im Laufe der Zeit der Ausdehnungsraum der Membran mit abgesetzter Biomasse und verhindert deren Ausdehnung.
Unabhängig vom Blasenbild füllt sich der konstruktionsbedingte Spalt zwischen Reaktorwand und Begasungsschlauch von Beginn der Kultivierung an mit Algenkultur auf. In diesem Spalt stirbt die Kultur, da sie nicht mehr mit Nährstoffen und CO₂ als Kohlenstoffquelle versorgt wird, wodurch eine Kontaminierung mit Bakterien, die auf der abgestorbenen Biomasse wachsen, begünstigt wird. Problematisch ist auch das Animpfen des Reaktors mit geringen Zellkonzentrationen, da sich der Spalt erst mit Biomasse füllen muss, bevor es zu einem messbaren Wachstum zur Kultur kommt.
Um die Silikonmembran von abgesetzter Biomasse zu befreien und geschlossene Poren wieder zu öffnen, wird während der Kultivierung stoßweise die Begasung erhöht. Wenn die Biomasse zwischen Membran und Reaktorwand den Silikonschlauch noch nicht fest ummantelt und bei der Erhöhung der Begasungsrate etwas nachgibt, kann die ursprüngliche Bewegungsfreiheit der Membran manchmal wieder erreicht werden und der Begasungsdruck sich wieder gleichmäßig auf die Porenlippen verteilen. In den meisten Fällen hat dieses Verfahren allerdings keinen Erfolg, da die Biomasse der Silikonmembran keinen Bewegungsfreiraum lässt. Die Entfernung der Biomasse von der Silikonmembran lässt sich deshalb nur mit sehr hohem Arbeitsaufwand lösen, indem mit kurzen Abständen der Bioreaktor gereinigt wird, um die abgesetzte Biomasse aus dem Bereich der Membran zu entfernen, wieder sterilisiert und mit neuer Kultur angeimpft wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Bioreaktor für die Kultivierung von Organismen, insbesondere Mikroorganismen, bereitzustellen, der die vorstehenden Nachteile überwindet, insbesondere soll ein Bioreaktor bereitgestellt werden, der in möglichst wartungsarmer oder wartungsfreier Weise zuverlässig ein gleichmäßiges Blasenbild erzeugt. Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, einen Bioreaktor bereitzustellen, der zuverlässig und wartungsarm oder wartungsfrei die Entstehung eines Biofilms an der Reaktorwand verhindert, insbesondere unter Einsatz eines im Vergleich zum Stand der Technik geringen Begasungsdrucks. Weiterhin soll ein verbessertes, insbesondere zuverlässigeres, wartungsärmeres und effizienteres Verfahren zur Kultivierung von Organismen, insbesondere Mikroorganismen, bereitgestellt werden.
Diese Aufgaben werden mittels eines Bioreaktors für die Kultivierung von Organismen mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
Der erfindungsgemäße Bioreaktor für die Kultivierung von Organismen, umfasst

a) mindestens einen Reaktorinnenraum mit einem Kopf- und Bodenbereich, und
b) mindestens ein den Reaktorinnenraum nach unten abschließendes als Gaszuführleitung ausgebildetes Bodenteil, dadurch gekennzeichnet, dass
c) der Bioreaktor eine die Gaszuführleitung und den Reaktorinnenraum verbindende spaltförmige Gasaustrittsöffnung aufweist, wobei in der spaltförmigen Gasaustrittsöffnung oder an der vom Reaktorinnenraum abgewandten Seite der spaltförmigen Gasaustrittsöffnung ein mikroporöser fester Träger angeordnet ist.

Der erfindungsgemäße Bioreaktor weist gegenüber bekannten Reaktoren eine verbesserte Gaszuführeinheit auf, durch die Gas in Form von Gasblasen in den Reaktorinnenraum eintragen werden kann.
Erfindungsgemäß ist eine Gaszuführeinheit der vorliegenden Erfindung eine Einheit bestehend aus einer Gaszuführleitung, einer spaltförmigen Gasaustrittsöffnung und einem mikroporösen festen Träger.
Erfindungsgemäß weist die Gaszuführleitung eine spaltförmige Gasaustrittsöffnung auf, sodass der Innenraum der Gaszuführleitung über die spaltförmige Gasaustrittsöffnung mit dem Reaktorinnenraum verbunden ist. Ein mikroporöser fester Träger befindet sich in dem Spalt oder vor dem Spalt, das heißt an der vom Reaktorinnenraum abgewandten Seite der Gaszuführleitung. Die Gaszuführleitung kann einstückig mit dem Reaktor oder separat, insbesondere modulartig, zu den übrigen Reaktorkomponenten, insbesondere dem Reaktorinnenraum, ausgebildet sein.
Die erfindungsgemäßen Bioreaktoren eignen sich besonders für die Kultivierung phototropher Organismen, wie Mikroorganismen oder Pflanzen, insbesondere Algen. Erfindungsgemäß ermöglicht der Bioreaktor ein gleichmäßiges Zuführen von Gas, insbesondere über den gesamten Reaktorinnenraum, wobei das zugeführte Gas ein gleichmäßiges Blasenbild aufweist. In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Gas kontinuierlich, also mit gleichbleibender Geschwindigkeit in den Reaktorinnenraum zugeführt werden, oder diskontinuierlich, also mit sich ändernder Geschwindigkeit, in den Reaktorinnenraum zugeführt werden. Der erfindungsgemäße Bioreaktor ermöglicht insbesondere das Zuführen von Gas mit geringer Geschwindigkeit in den Reaktorinnenraum, bevorzugt mit einer Geschwindigkeit von 1 bis 100 L/min, bevorzugt von 10 bis 80 L/min, bevorzugt von 20 bis 40 L/min.
Der erfindungsgemäße Bioreaktor mit dem mikroporösen festen Träger ermöglicht in vorteilhafter Weise auch bei sehr geringen Begasungsraten, insbesondere bei im Vergleich zum Stand der Technik geringerem Druck, ein gleichmäßiges Blasenbild über die gesamte Breite des Reaktors zu erhalten. Es ist möglich, signifikant geringere Begasungsraten ohne den Verlust eines gleichmäßigen Blasenbilds zu fahren. Die Begasungsrate kann daher optimal an die Kultur angepasst werden, so lassen sich auch Organismen kultivieren, die sensibel auf Scherkräfte reagieren. Durch eine geringere Begasungsrate lassen sich Energiekosten zur Bereitstellung der Druckluft einsparen, da die Begasungsrate an die Kultur angepasst werden kann.
Der erfindungsgemäße Bioreaktor ermöglicht eine gleichmäßigere Walzenströmung im Vergleich zum Stand der Technik. In vorteilhafter Weise reduziert die gleichmäßigere Walzenströmung im erfindungsgemäßen Bioreaktor den Bewuchs an der Reaktorwand, dadurch wird insbesondere die Versorgung der Algen mit ausreichend Licht und die Wachstumsrate der Kultur über einen längeren Zeitraum sichergestellt, insbesondere wird die Entstehung eines Biofilms an der Reaktorwand verhindert oder deutlich verringert. Durch eine verringerte Bildung eines Biofilms an der Reaktorwand wird die Lichtverfügbarkeit verbessert und erhöht die damit verbundene Produktivität der Algen im Bioreaktor, insbesondere wird der kontinuierliche Betrieb des Bioreaktors über einen längeren Zeitraum ermöglicht, bevorzugt über mehrere Monate. Der erfindungsgemäße Bioreaktor ermöglicht insbesondere eine Verringerung des Wartungsaufwands, da im Vergleich zum Stand der Technik die Algenkulturen nicht mehr in kurzen Abständen abgeerntet werden müssen und der Bioreaktor nach der Reinigung neu gestartet werden muss, insbesondere wird eine Verringerung der Wartungsintervalle ermöglicht. Eine arbeits- und zeitaufwendige Reinigung des Bioreaktors ist nicht mehr so häufig notwendig, insbesondere da die Gaszuführeinheit weniger häufig oder gar nicht verstopft. Die Arbeitskosten werden reduziert und ein schneller Kulturwechsel ist möglich, da der anfängliche Biomasseverlust nicht mehr mit den Vorkulturen ausgeglichen werden muss.
Der erfindungsgemäße Bioreaktor mit dem mikroporösen festen Träger ermöglicht das Animpfen mit sehr geringen Zelldichten, beispielsweise von 0,2 g/l in TS im Vergleich zur Silikonmembran. In vorteilhafter Weise wird das Absetzen der Kultur zwischen der bekannten Gaszuführeinheit und Reaktorwand und damit auch der Biomasseverlust signifikant reduziert. Die Biomasse kann sich im Bioreaktor während der Kultivierung nicht absetzen, wodurch das Kontaminationsrisiko mit Bakterien reduziert wird.
Die Gaszuführeinheit enthaltend den mikroporösen Träger lässt sich gut sterilisieren, insbesondere kann die Gaszuführeinheit komplett gespült werden, beispielsweise mit H₂O₂. Durch die Möglichkeit, die Gaszuführeinheit von Kontaminationen zu befreien, eröffnen sich neue Einsatzmöglichkeiten, beispielsweise für die pharmazeutische Industrie.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist ein Bioreaktor ein Fermenter, in dem bestimmte Organismen, insbesondere Mikroorganismen, Zellen oder Pflanzen unter möglichst optimalen Bedingungen kultiviert werden. In bevorzugter Ausführungsform ist der Bioreaktor ein Platten Airlift-Photobioreaktor oder ein Airlift-Schlaufenbioreaktor. Der Bioreaktor kann bevorzugt ein Photobioreaktor sein. In bevorzugter Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Bioreaktor aus einem lichtdurchlässigen Material, bevorzugt aus Glas, PVC, Polycarbonat oder Plexiglas aufgebaut. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Bioreaktor eine Biogasanlage. Der erfindungsgemäße Bioreaktor kann verschiedene Größen aufweisen mit Volumina von 5 bis 1000 L, bevorzugt mit Volumina von 50 bis 600 L, bevorzugt mit Volumina von 100 bis 400 L, bevorzugt mit Volumina von 5 bis 50 L, wobei die Abmessung der Breite des Bioreaktors größer ist als die Abmessung der Tiefe des Bioreaktors.
In einem kartesischen Koordinatensystem entspricht die Länge des betriebsbereiten Bioreaktors der z-Achse, die durch Front- und Rückseite des Bioreaktors gebildete Breite der y-Achse und die durch die in der Regel schmalen Seitenteile gebildete Tiefe der x-Achse. Die Breite des Reaktors ist größer als dessen Tiefe. Der Reaktorinnenraum ist das lichte Volumen des Reaktors.
Erfindungsgemäß ist ein Reaktorinnenraum ein von den Reaktorwänden umschlossener Raum mit einem Kopf- und Bodenbereich, der ein Medium zur Kultivierung von Organismen, insbesondere Mikroorganismen, aufweisen kann. Der erfindungsgemäße Reaktor und Reaktorinnenraum kann die unterschiedlichsten Dimensionen aufweisen, beispielsweise in Form eines Folienreaktors, eines Flachplattenreaktors, Blasensäulenreaktors in unterschiedlichen Abmessungen. Der Reaktorinnenraum kann verschiedene Zonen aufweisen, insbesondere kann der Reaktorinnenraum Zonen aufweisen, die räumlich voneinander getrennt sind oder ein unterschiedliches Strömungsverhalten des darin befindlichen Mediums zeigen.
Die Breite b des Bodenteils entspricht der Breite b_ri des Reaktorinnenraums und die Tiefe t des Bodenteils entspricht der Tiefe t_ri des Reaktorinnenraums.
Der Reaktorinnenraum des erfindungsgemäßen Bioreaktors ist nach unten durch ein Bodenteil, das heißt die Gaszuführleitung, abgeschlossen, wobei das Bodenteil eine Breite b und eine Tiefe t aufweist, wobei bevorzugt die Abmessung der Tiefe t des Bodenteils der Abmessung der Tiefe t_ri des Reaktorinnenraums entspricht, und wobei bevorzugt die Abmessung der Breite b des Bodenteils der Abmessung der Breite b_ri des Reaktorinnenraums entspricht. Sofern die Tiefe t_ri des Reaktorinnenraums über die Länge des Reaktorinnenraums variiert, entspricht die Abmessung der Tiefe t des Bodenteils bevorzugt der Abmessung der Tiefe t_ri des Reaktorinnenraums in dem Bereich, in dem die geringste Tiefe des Reaktorinnenraums vorliegt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Verhältnis der Abmessung der Breite b zur Abmessung der Tiefe t des Bodenteils mindestens 5:1, vorzugsweise 15:1, vorzugsweise 15:1, insbesondere 20:1, insbesondere 25:1.
In einer bevorzugten Ausführungsform entspricht die Abmessung der Breite b_ri des Reaktorinnenraums der Abmessung der Länge l_gz der Gaszuführleitung (siehe 3).
In einer bevorzugten Ausführungsform entspricht die Abmessung der Breite b des Bodenteils der Abmessung der Länge l_gz der Gaszuführleitung.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die zum Reaktorinnenraum hingewandte Fläche des Bodenteils, das heißt der Gaszuführleitung, flach, insbesondere eben, ausgebildet.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Bodenteil im untersten Bereich des Reaktorinnenraums angeordnet.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die spaltförmige Gasaustrittsöffnung bündig und eben, insbesondere flach, mit der zum Reaktorinnenraum hingewandten Fläche des Bodenteils ausgebildet.
Erfindungsgemäß ist eine Gaszuführleitung der Bereich einer Leitung, die aus einer externen Quelle ein Gas, insbesondere Luft, CO₂, O₂ oder ein Gemisch davon, in einen Reaktorinnenraum leitet, der unterhalb, das heißt bodenseitig des Reaktorinnenraums, angeordnet und durch die Breite des Reaktors begrenzt ist. Die Gaszuführleitung erstreckt sich über die Breite des Reaktors, bildet das Bodenteil des Reaktorinnenraums und schließt diesen nach unten fluiddicht ab.
Erfindungsgemäß ist die als Bodenteil ausgeführte Gaszuführleitung eine Gaszuführleitung, insbesondere ausgeführt als länglicher Hohlkörper, die bevorzugt in Form eines Rohrs oder Schlauchs vorliegt. Die Gaszuführleitung kann in fester oder flexibler Form vorliegen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Gaszuführleitung eine rohrförmige Gaszuführleitung, insbesondere in flexibler oder fester Form, bevorzugt ist die Gaszuführleitung ein Rohr. Erfindungsgemäß kann ein Rohr bevorzugt einen kreisförmigen Querschnitt, einen viereckigen, sechseckigen, achteckigen oder polygonalen Querschnitt aufweisen. In bevorzugter Ausführungsform ist die rohrförmige Gaszuführleitung aufgebaut aus Glas, Keramik, Metall, Polymeren oder Verbundstoffen, bevorzugt ist rohrförmige Gaszuführleitung aus PVC aufgebaut, bevorzugt ein Rohr aus PVC.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Gaszuführleitung einen Durchmesser, insbesondere Innendurchmesser, das heißt eine lichte Weite von 1 bis 100 mm, bevorzugt 1 bis 50 mm, bevorzugt 1 bis 40 mm, bevorzugt 1 bis 20 mm, bevorzugt 1 bis 10 mm, bevorzugt 1 bis 5 mm, bevorzugt 50 bis 100 mm, bevorzugt 20 bis 40 mm, bevorzugt 10 bis 40 mm, bevorzugt 10 bis 20 mm, bevorzugt 5 bis 10 mm, bevorzugt 2 bis 5 mm auf, bevorzugt entspricht der Durchmesser der Gaszuführleitung dem Durchmesser des mikroporösen Trägers. Erfindungsgemäß weist die einen viereckigen, sechseckigen, achteckigen oder polygonalen Querschnitt aufweisende Gaszuführleitung einen Abstand, insbesondere lichten Abstand, von parallel gegenüberliegenden Seiten von 1 bis 100 mm, bevorzugt 1 bis 50 mm, bevorzugt 1 bis 40 mm, bevorzugt 1 bis 20 mm, bevorzugt 1 bis 10 mm, bevorzugt 1 bis 5 mm, bevorzugt 50 bis 100 mm, bevorzugt 20 bis 40 mm, bevorzugt 10 bis 40 mm, bevorzugt 10 bis 20 mm, bevorzugt 5 bis 10 mm, bevorzugt 2 bis 5 mm auf, bevorzugt entspricht der Abstand von parallel gegenüberliegenden Seiten der Gaszuführleitung dem Abstand von parallel gegenüberliegenden Seiten des mikroporösen Trägers.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Gaszuführleitung auch als partielle Ummantelung des mikroporösen Trägers ausgebildet sein, insbesondere eine Ummantelung, die den mikroporösen Träger über seinen Umfang und in seiner Länge nach umschließt, allerdings eine sich, vorzugsweise über die gesamte Länge des mikroporösen Trägers, erstreckende spaltförmige Gasaustrittsöffnung freilässt. Eine erfindungsgemäß bevorzugt vorgesehene, als Ummantelung eines mikroporösen festen Trägers ausgeführte Gaszuführleitung kann durch Aufbringen, insbesondere Imprägnierung oder Beschichtung, zum Beispiel eines Kunststoffs, eines Klebstoffs, eines Lacks oder sonstiger Materialien, auf den Träger bereitgestellt sein, die den mikroporösen festen Träger gasdicht verschließen, wobei eine spaltförmige Gasaustrittsöffnung sowie eine, vorzugsweise endständige, Zuleitungsöffnung für das Gas in den mikroporösen Träger frei bleibt. Ein derartiger mikroporöser fester Träger weist insbesondere eine bis auf eine spaltförmige Gasaustrittsöffnung und eine Öffnung für den Gaszulauf verschlossene Oberfläche auf, insbesondere sind die nach außen weisenden Poren verschlossen, bevorzugt ist die Oberfläche verklebt.
Erfindungsgemäß ist eine spaltförmige Gasaustrittsöffnung eine Öffnung einer Gaszuführleitung, insbesondere ein Spalt, durch die das Zuführen von Gas aus dem Inneren der Gaszuführleitung in einen Reaktorinnenraum ermöglicht wird. Die spaltförmige Gaszuführleitung weist bevorzugt eine Breite von 1 bis 10 mm auf, bevorzugt von 1 bis 8 mm, bevorzugt von 1 bis 5 mm, bevorzugt von 3 bis 5 mm, bevorzugt von 1 bis 3 mm, bevorzugt von 1 bis 2 mm, bevorzugt von 0,5 bis 1 mm, bevorzugt von weniger als 1 mm auf. Gegebenenfalls kann die Breite der spaltförmigen Gasaustrittsöffnung die Breite einer Öffnung einer Gaszuführleitung sein, die durch gegebenenfalls verwendeten Kleber zur Verbindung des mikroporösen Trägers mit der Gaszuführleitung verschmälert ist. Die spaltförmige Gasaustrittsöffnung ist in Richtung des Reaktorinnenraums gewandt. Die spaltförmige Gasaustrittsöffnung erstreckt sich ihrer Länge nach bevorzugt über den gesamten Bodenbereich des Reaktorinnenraums, insbesondere über die gesamte Breite b des Bodenteils des Reaktorinnenraums. Die bevorzugt vorgesehene schmale spaltförmige Gasaustrittsöffnung ist für ein gleichmäßiges Blasenbild vorteilhaft.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Gaszuführleitung eine spaltförmige Gasaustrittsöffnung auf, wobei sich die Länge der spaltförmigen Gasaustrittsöffnung bevorzugt über die gesamte Breite b_ri des Reaktorinnenraums oder b des Bodenteils erstreckt, und/oder sich die Breite der spaltförmigen Gasaustrittsöffnung in der gesamten Tiefe t des Bodenteils oder in der gesamten Tiefe t_ri des Reaktorinnenraums erstreckt. Vorteilhafterweise können so gleiche Bedingungen über den gesamten Bereich des Bioreaktors, insbesondere über die gesamte Breite des Bioreaktors erzeugt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Gaszuführleitung eine spaltförmige Gasaustrittsöffnung auf, wobei sich die Länge der spaltförmigen Gasaustrittsöffnung über mindestens 60%, vorzugsweise mindestens 70%, vorzugsweise mindestens 80% und höchstens 85%, vorzugsweise 90%, vorzugsweise 95%, der gesamten Breite b_ri des Reaktorinnenraums oder b des Bodenteils erstreckt, und/oder sich die Breite der spaltförmigen Gasaustrittsöffnung über mindestens 60%, vorzugsweise mindestens 70%, vorzugsweise mindestens 80% und höchstens 85%, vorzugsweise 90%, vorzugsweise 95%, der gesamten Tiefe t des Bodenteils oder der gesamten Tiefe t_ri des Reaktorinnenraums erstreckt.
In einer bevorzugten Ausführungsform entspricht die Länge der Gaszuführleitung der gesamten Breite des Reaktorinnenraums. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die Länge der Gaszuführleitung länger oder kürzer als die Breite des Reaktorinnenraums. Bevorzugt ist die Gaszuführleitung länger als die spaltförmige Gasaustrittsöffnung, bevorzugt auf beiden Seiten länger als die spaltförmige Gasaustrittsöffnung, bevorzugt auf einer der beiden Seiten länger als die spaltförmige Gasaustrittsöffnung.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die spaltförmige Gasaustrittsöffnung ein Spalt in der gesamten Länge der Gaszuführleitung.
In einer Ausführungsform kann die spaltförmige Gasaustrittsöffnung Stege aufweisen, bevorzugt in Form einer Reihe von Löchern gebildet werden, ohne dass dabei der erfindungsgemäße Effekt auf das Blasenbild wesentlich beeinträchtigt wird.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die spaltförmige Gasaustrittsöffnung durch den mikroporösen festen Träger vollständig verschlossen wird, bevorzugt an der vom Reaktorinnenraum abgewandten Seite der Gaszuführleitung oder durch Integration in den Spalt. Die spaltförmige Gasaustrittsöffnung wird durch den mikroporösen festen Träger so verschlossen, dass Gas, insbesondere Luft, allein durch den mikroporösen festen Träger aus dem Inneren der Gaszuführleitung in den Reaktorinnenraum gelangen kann. Der mikroporöse feste Träger ist daher entweder in der spaltförmigen Gasaustrittsöffnung oder an der vom Reaktorinnenraum abgewandten Seite der Gaszuführleitung, die spaltförmige Gasaustrittsöffnung überdeckend, luftdicht kontaktierend mit der Gaszuführleitung verbunden, ein Flüssigkeitsaustausch ist daher nicht möglich und ein Gasaustritt in den Reaktorinnenraum erfolgt lediglich durch den mikroporösen festen Träger.
Erfindungsgemäß ist ein mikroporöser fester Träger bevorzugt ein Poren-aufweisender Träger in starrer Form, also ein nicht flexibler Träger, insbesondere formstabiler Träger. Vorzugsweise ist der mikroporöse feste Träger keine Membran. Erfindungsgemäß ist insbesondere ein mikroporöser fester Träger vorgesehen, der für Gas durchlässig ist. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist auch ein mikroporöser fester Träger vorgesehen, der flexibel ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der mikroporöse feste Träger wasserdurchlässig, bevorzugt in einer Richtung wasserdurchlässig, insbesondere semipermeabel. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der mikroporöse Träger nicht wasserdurchlässig.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der mikroporöse Träger in der spaltförmigen Gasaustrittsöffnung angeordnet, das heißt im Spalt integriert. Bevorzugt ist der mikroporöse Träger bündig mit den Rändern der spaltförmigen Gasaustrittsöffnung verbunden und verschließt die spaltförmige Gasaustrittsöffnung, sodass ein Flüssigkeitsaustausch nicht möglich ist und ein Gasaustritt in den Reaktorinnenraum lediglich durch den mikroporösen festen Träger erfolgen kann. In einer bevorzugten Ausführungsform schließt die Oberfläche des mikroporösen Trägers bündig mit der zum Reaktorinnenraum gewandten Fläche der Gaszuführleitung ab, sodass der zum Reaktorinnenraum gewandte Boden eben ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der mikroporöse feste Träger an der vom Reaktorinnenraum abgewandten Seite der Gaszuführleitung angeordnet, das heißt unmittelbar unterhalb der spaltförmigen Gasaustrittsöffnung, und überdeckt, insbesondere verschließt diese, sodass ein Flüssigkeitsaustausch nicht möglich ist und ein Gasaustritt in den Reaktorinnenraum lediglich durch den mikroporösen festen Träger erfolgen kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der mikroporöse Träger aus einem Polymer, Keramik, Glas oder einem Verbundstoff aufgebaut. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Polymer ein Polyethylen, Polyacrylat, Polycarbonat oder Polyester.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der mikroporöse Träger eine Porengröße von 1 bis 150 μm, bevorzugt von 10 bis 150 μm, bevorzugt von 50 bis 150 μm, bevorzugt von 1 bis 50 μm, bevorzugt von 1 bis 20 μm, bevorzugt von 1 bis 10 μm, bevorzugt von 10 bis 50 μm, bevorzugt von 10 bis 30 μm, bevorzugt von 10 bis 15 μm auf. Der erfindungsgemäße Bioreaktor ermöglicht insbesondere durch die Porengröße des mikroporösen festen Trägers und die spaltförmige Gasaustrittsöffnung die Bereitstellung eines gleichmäßigen Blasenbilds, wobei insbesondere eine besonders große Menge an Blasen mit kleiner Blasengröße in den Reaktorinnenraum zugeführt wird. Die so erhaltenen kleinen Blasen verbinden sich nur langsam zu größeren Blasen, bleiben im erfindungsgemäßen Bioreaktor also besonders lange vorhanden und führen zu einer besonders homogenen Verteilung von Gas im Bioreaktor.
In einer bevorzugten Ausführung ist der mikroporöse Träger in Form eines Rohrs, Halbrohrs, Stabs oder Halbstabs in der Gaszuführleitung angeordnet. Erfindungsgemäß kann der Querschnitt des als Rohr oder Stab ausgeführten mikroporösen Trägers kreisförmig, viereckig, sechseckig, achteckig oder polygonal sein.
In bevorzugter Ausführungsform ist vorgesehen, dass der mikroporöse Träger mit der Gaszuführleitung verklebt, verschweißt oder in sonstiger Art und Weise fest verbunden ist. Gegebenenfalls kann der Kleber zur Verbindung des mikroporösen Trägers mit der Gaszuführleitung in die obersten Schichten des mikroporösen Trägers eindringen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der als kreisförmiges Rohr, Halbrohr, Stab oder Halbstab ausgeführte mikroporöse Träger einen Durchmesser, insbesondere Außendurchmesser, von 1 bis 50 mm, bevorzugt 1 bis 30 mm, bevorzugt 1 bis 20 mm, bevorzugt 1 bis 10 mm, bevorzugt 1 bis 5 mm, bevorzugt 1 bis 4 mm, bevorzugt 10 bis 30 mm, bevorzugt 5 bis 10 mm, bevorzugt 2 bis 10 mm, bevorzugt 2 bis 4 mm, bevorzugt 2 bis 3 mm auf. Erfindungsgemäß weist der als viereckiges, sechseckiges, achteckiges oder polygonales Rohr oder Stab ausgeführte mikroporöse Träger einen Abstand von parallel gegenüberliegenden Seiten, bezogen auf deren Außenflächen, von 1 bis 50 mm, bevorzugt 1 bis 30 mm, bevorzugt 1 bis 20 mm, bevorzugt 1 bis 10 mm, bevorzugt 1 bis 5 mm, bevorzugt 1 bis 4 mm, bevorzugt 10 bis 30 mm, bevorzugt 5 bis 10 mm, bevorzugt 2 bis 10 mm, bevorzugt 2 bis 4 mm, bevorzugt 2 bis 3 mm auf.
Der erfindungsgemäße Bioreaktor kann mehrere statische Mischer aufweisen, wobei die statischen Mischer als horizontale Kammern im Bioreaktor angeordnet sind. In bevorzugter Ausführungsform ist die spaltförmige Gasaustrittsöffnung direkt an den Eingang des ersten statischen Mischers an den Bioreaktor angebracht. Der erfindungsgemäße Bioreaktor ermöglicht eine gleichmäßige Durchmischung der Reaktorkompartimente, die Gasblasen, insbesondere die gleichmäßige Verteilung der Gasblasen über die gesamte Breite des Reaktors und die Größe der Gasblasen, ermöglichen eine verbesserte Walzenströmung zwischen die statischen Mischern.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Gaszuführeinheit dem Bioreaktor separat entnommen werden, bevorzugt ausgetauscht werden. Der Austausch der Gaszuführeinheit ist bevorzugt unter sterilen Bedingungen möglich und erlaubt insbesondere einen Austausch ohne Unterbrechung der Kultivierung. In bevorzugter Ausführungsform kann die Gaszuführeinheit während des Betriebs des Bioreaktors entnommen und wieder eingesetzt oder ausgetauscht werden.
In bevorzugter Ausführungsform ist der Bioreaktor ein Bioreaktor für die Kultivierung von Organismen, insbesondere von Mikroorganismen, wobei die Mikroorganismen ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Algen, Bakterien, Hefen und Pilzen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Bioreaktor ein Bioreaktor für die Kultivierung von phototrophen Mikroorganismen.
Die Erfindung stellt weiterhin ein Verfahren zur Kultivierung von Organismen, insbesondere Mikroorganismen, in einem erfindungsgemäßen Bioreaktor bereit, wobei der Bioreaktor für die Kultivierung von Organismen a) mindestens einen Reaktorinnenraum mit einem Kopf- und Bodenbereich, und b) mindestens ein den Reaktorinnenraum nach unten abschließendes als Gaszuführleitung ausgebildetes Bodenteil umfasst, wobei der Bioreaktor dadurch gekennzeichnet ist, dass c) der Bioreaktor eine die Gaszuführleitung und den Reaktorinnenraum verbindende spaltförmige Gasaustrittsöffnung aufweist, wobei in der spaltförmigen Gasaustrittsöffnung oder an der vom Reaktorinnenraum abgewandten Seite der spaltförmigen Gasaustrittsöffnung ein mikroporöser fester Träger angeordnet ist.
Im erfindungsgemäßen Verfahren werden Organismen, insbesondere Mikroorganismen, zur Kultivierung in den erfindungsgemäßen Bioreaktor eingebracht und dort unter geeigneten Bedingungen kultiviert.
In bevorzugter Ausführungsform ist das Verfahren ein Verfahren zur Kultivierung von Organismen, insbesondere Mikroorganismen, wobei die Mikroorganismen ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Algen, Bakterien, Hefen und Pilzen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Verfahren ein Verfahren zur Kultivierung von phototrophen Mikroorganismen.
In bevorzugter Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Kultivierung von Organismen das Zuführen von Gas, insbesondere das Zuführen von Gas durch die Gaszuführleitung, den mikroporösen festen Träger und die spaltförmige Gasaustrittsöffnung in den Reaktorinnenraum. In bevorzugter Ausführungsform ist das Gas Luft, CO₂, O₂ oder einem Gemisch davon. Das Zuführen von Gas in einem erfindungsgemäßen Bioreaktor ermöglicht die Bildung von vorteilhaft ausgebildeten Gasblasen im Medium, die zu einer guten Durchmischung der Mikroorganismen im Bioreaktor beitragen und eine Biofilmbildung verhindert.
In bevorzugter Ausführungsform wird das Gas mit einem Druck von 100 bis 2000 mbar, bevorzugt 100 bis 1000 mbar, bevorzugt 100 bis 600 mbar, bevorzugt 200 bis 1000 mbar, bevorzugt 200 bis 600 mbar, bevorzugt 200 bis 400 mbar in den Bioreaktor zugeführt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der Druck mit dem das Gas in den Bioreaktor zugeführt wird variiert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ermöglicht die Gaszuführleitung nicht nur das Zuführen von Gas in den Reaktorinnenraum, sondern ermöglicht auch den Eintrag von Flüssigkeiten, beispielsweise von Medium oder Nährstoffen.
In bevorzugter Ausführungsform können mehrere erfindungsgemäße Bioreaktoren in Reihe geschalten werden, wobei die Bioreaktoren durch eine Leitung miteinander verbunden sind.
In einer besonderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Bioreaktor einen Bestandteil eines Systems aus mehreren einzelnen Bioreaktoren darstellt, die fluidseitig in Reihe geschaltet sind. Die Erfindung betrifft daher auch Systeme, die aus in Reihe und/oder parallel zueinander geschalteten einzelnen Bioreaktoren der vorliegenden Erfindung aufgebaut sind.
Erfindungsgemäß ist ein statischer Mischer eine Vorrichtung zum Mischen von Fluiden in einem Bioreaktor, in der allein die Strömungsbewegung das Vermischen bewirkt. Der statische Mischer besteht dabei aus strömungsbeeinflussenden Elementen und nicht aus bewegten Elementen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die folgenden Zeichnungen veranschaulichen die Erfindung anhand verschiedener Ausführungsformen.
1 zeigt die Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Bioreaktors nach dem Grundprinzip eines Platten Airlift-Bioreaktors.
2A–F zeigt den Aufbau beispielhafter erfindungsgemäßer Gaszuführeinheiten im Querschnitt.
3 zeigt den Aufbau einer erfindungsgemäßen Gaszuführeinheit in der Draufsicht.
Die 1 zeigt einen Bioreaktor 1, der aus zwei baugleichen rechteckigen Grundkörpern 2 und 3 aus einem dünnen, flexiblen, lichtdurchlässigen Kunststoffelement besteht. Jeder der beiden Grundkörper 2 und 3 ist einstückig aus einem Frontteil 4 und auf dem Frontteil 4 angeordneten Septen 10 sowie ebenfalls auf dem Frontteil 4 angeordneten, eine lichte Tiefe T₁ aufweisenden Seitenteilen 5 aufgebaut, wobei jeweils zwei Seitenteile 5 als Längsseitenteile 6 sowie als Tiefenseitenteile 7 ausgebildet sind. Die Tiefe T₁ der Grundkörper 2 und 3 nimmt im unteren Ende der Grundkörper 2 und 3 ab und bildet eine Verschmälerung oder Verjüngung 11 des Bioreaktors. Der Bioreaktor 1 wird nach unten hin durch ein Bodenteil abgeschlossen, das als Gaszuführleitung 21 ausgeführt ist. Das Bodenteil befindet sich im untersten Bereich des Reaktorinnenraums 16. Die Gaszuführleitung 21 erstreckt sich unterhalb des Reaktorinnenraums 16 begrenzt durch die Breite b_ri des Reaktorinnenraums 16 über dessen gesamte Breite b_ri und weist in seiner Wand 41 zum Reaktorinnenraum 16 hingewandt eine spaltförmige Gasaustrittsöffnung 22 auf, welche sich ebenfalls über die gesamte Breite bri des Reaktorinnenraums 16 in der Gaszuführeinheit 20 erstreckt. Die spaltförmige Gasaustrittsöffnung 22 schließt flach, das heißt bündig, mit der zum Reaktorinnenraum 16 gewandten Fläche die Gaszuführleitung 21 ab. Innerhalb der spaltförmigen Gasaustrittsöffnung 22 befindet sich über dessen gesamte Länge, das heißt über die gesamte Breite b_ri des Reaktorinnenraums, ein mikroporöser fester Träger 23. Der mikroporöse Träger 23 verschließt die spaltförmige Gasaustrittsöffnung 22, welche den Reaktorinnenraum 16 mit dem Inneren der Gaszuführleitung 21 verbindet und stellt sicher, dass allein durch diesen mikroporösen festen Träger 23 das durch die Gaszuführleitung 21 herangeführte Gas in den Reaktorinnenraum 16 durch die Poren des mikroporösen festen Trägers 23 dringen kann. Der mikroporöse feste Träger 23, die Gaszuführleitung 21 und die spaltförmige Gasaustrittsöffnung 22 bilden zusammen eine Gaszuführeinheit 20.
Die Septen 10 sind in gleichem Abstand jeweils in einer Distanz D in Längsrichtung zueinander angeordnet. Die Septen weisen eine gleiche lichte Tiefe T₂ auf, die kleiner als die zweifache lichte Tiefe T₁ des Grundkörpers 2 beziehungsweise 3 aber größer als die lichte Tiefe T₁ eines Grundkörpers 2 oder 3 ist. Im zusammengebauten Zustand der beiden den Bioreaktor 1 bildenden Grundkörper 2 und 3 ergibt sich ein Spalt 12 zwischen den oberen Kanten der Septen 10 des einen Grundkörpers 2 beziehungsweise 3 und dem Frontteil 4 des gegenüberliegenden Grundkörpers 3 beziehungsweise 2. Die beiden baugleichen Grundkörper 2 und 3 sind also so aufeinander angeordnet, dass der obenliegende Grundkörper 2 umgeklappt, das heißt um 180° um seine Querachse gedreht, auf dem unten liegenden Grundkörper 3 aufliegt. Beide Grundkörper 2 und 3 berühren sich auf der durch den Kragen 8 der Frontteile 4 gebildeten Kontaktfläche und sind dort fluiddicht miteinander verbunden und bilden so den Reaktorinnenraum 16. Da im zusammengebauten Zustand, über die Längsachse des Bioreaktors gesehen, jeweils alternierend die Septen 10 eines Frontteils 4 des Grundkörpers 2 beziehungsweise 3 mit den Septen 10 des gegenüberliegenden Frontteils 4 des Grundkörpers 3 beziehungsweise 2 angeordnet sind, sind die gebildeten Spalten 12 auch jeweils alternierend an dem Frontteil 4 des einen Grundkörpers 2 beziehungsweise 3 und dem Frontteil 4 des anderen Grundkörpers 3 beziehungsweise 2 angeordnet. Die alternierend angeordneten Septen 10 bilden somit Unterkammern 18 dadurch, dass ein Septum 10 eines Grundkörpers 2 beziehungsweise 3 in die Kammer 14 des gegenüberliegenden Grundkörpers 3 beziehungsweise 2 hineinragt und so diese Kammer 14 in zwei Unterkammern 18 unterteilt. Das im Bioreaktor befindliche Medium wird entlang der Längsachse des Bioreaktors 1 mäanderförmig um die Septen 10 durch die Spalten 12 vom Frontteil 4 des Grundkörpers 2 beziehungsweise 3 zum Frontteil 4 des gegenüberliegenden Grundkörpers 3 beziehungsweise 2 geführt. Durch das Zuführen von Gas mittels der Gaszuführeinheit 20 in den Reaktorinnenraum 16 wird zuverlässig und wartungsfrei eine konstante Walzenströmung erzeugt, die das Medium effizient durchmischt und die Biofilmbildung verhindert.
Die 2A bis F zeigen den Aufbau beispielhafter erfindungsgemäßer Gaszuführeinheiten 20 im Querschnitt. Eine Gaszuführeinheit 20 ist aus einer Gaszuführleitung 21, einer spaltförmigen Gasaustrittsöffnung 22 und einem mikroporösem festen Träger 23 aufgebaut, wobei sich die spaltförmige Gasaustrittsöffnung 22 in der Wand oder Ummantelung 41 der Gaszuführleitung 21 befindet und die Gaszuführleitung 21 mit einem Reaktorinnenraum 16 verbindet. Der mikroporöse feste Träger 23 kann in Form eines Rohrs, Halbrohrs, Stabs oder Halbstabs vorliegen. An der vom Reaktorinnenraum 16 abgewandten Seite der spaltförmigen Gasaustrittsöffnung 22 (2A bis C und F) oder in der spaltförmigen Gasaustrittsöffnung 22 (2D und E) in der Wand 41 der Gaszuführleitung zwischen Reaktorinnenraum 16 und Gaszuführleitung 21 befindet sich ein mikroporöser fester Träger 23, der mit der Gaszuführleitung 21 oder den Rändern der spaltförmigen Gasaustrittsöffnung 22 verbunden ist, so dass kein Gas an den Seiten, also zwischen dem mikroporösen festen Träger 23 und der Gaszuführleitung 21 oder der spaltförmigen Gasaustrittsöffnung 22 ausströmen kann. Das Gas wird durch den mikroporösen festen Träger 23 in den Reaktorinnenraum 16 geleitet, wobei Gas aus der Gaszuführleitung 21 durch den mikroporösen festen Träger 23 und über die spaltförmige Gasaustrittsöffnung 22 in den Reaktorinnenraum 16 strömt.
Die 3 zeigt den Aufbau einer erfindungsgemäßen Gaszuführeinheit 20 in der Draufsicht. Die Gaszuführeinheit 20 ist aus einer Gaszuführleitung 21, einer spaltförmigen Gasaustrittsöffnung 22 und einem mikroporösem festen Träger aufgebaut, wobei sich die spaltförmige Gasaustrittsöffnung 22 in der Wand 41 der Gaszuführleitung 21 befindet und die Gaszuführleitung 21 mit einem Reaktorinnenraum 16 verbindet (siehe 2). In der vom Reaktorinnenraum 16 abgewandten Seite der spaltförmigen Gasaustrittsöffnung 22 befindet sich ein mikroporöser fester Träger 23, durch den Gas aus der Gaszuführleitung 21 über die spaltförmige Gasaustrittsöffnung 22 in den Reaktorinnenraum 16 strömen kann. Die Gaszuführleitung 21 ist als Bodenteil eines Bioreaktors ausgebildet (siehe 1). Die Gaszuführleitung 21 weist eine Länge l_gz und eine Breite b_gz aus. Die spaltförmige Gasaustrittsöffnung 22 weist eine Länge l_s und eine Breite b_s auf. Die Länge l_s der spaltförmigen Gasaustrittsöffnung 22 und der Gaszuführleitung 21 entspricht der Breite b_ri des Reaktorinnenraums 16.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

GB 2235210 [0004]
DE 19916597 [0004]
EP 1326959 B1 [0004]

Claims

Bioreaktor (1) für die Kultivierung von Organismen, umfassend a) mindestens einen Reaktorinnenraum (16) mit einem Kopf- und Bodenbereich, und b) mindestens ein den Reaktorinnenraum (16) nach unten abschließendes als Gaszuführleitung (21) ausgebildetes Bodenteil, dadurch gekennzeichnet, dass c) der Bioreaktor (1) eine die Gaszuführleitung (21) und den Reaktorinnenraum (16) verbindende spaltförmige Gasaustrittsöffnung (22) aufweist, wobei in der spaltförmigen Gasaustrittsöffnung (22) oder an der vom Reaktorinnenraum (16) abgewandten Seite der spaltförmigen Gasaustrittsöffnung (22) ein mikroporöser fester Träger (23) angeordnet ist.
Bioreaktor nach Anspruch 1, wobei der Bioreaktor (1) ein Platten Air-Lift Photobioreaktor oder ein Air-Lift-Schlaufenbioreaktor ist.
Bioreaktor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die spaltförmige Gasaustrittsöffnung (22) eine Spaltbreite von 1 bis 8 mm aufweist.
Bioreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mikroporöse Träger (23) eine Porengröße von 1 bis 150 μm, bevorzugt von 10 bis 15 μm, aufweist.
Bioreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gaszuführleitung (21) eine rohrförmige Gaszuführleitung ist.
Bioreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mikroporöse Träger (23) in Form eines Rohrs, Halbrohrs, Stabs oder Halbstabs in der Gaszuführleitung (21) angeordnet ist.
Bioreaktor nach Anspruch 6, wobei der als Rohr, Halbrohr, Stab oder Halbstab ausgeführte mikroporöse Träger (23) einen Durchmesser von 1 bis 10 mm, bevorzugt 2 bis 4 mm, aufweist.
Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der mikroporöse Träger im Spalt der spaltförmigen Gasaustrittsöffnung (22) angeordnet ist.
Bioreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mikroporöse Träger (23) aus einem Polymer, Keramik, Glas oder Verbundstoff aufgebaut ist.
Bioreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Polymer Polyethylen ist.
Bioreaktor nach Anspruch 5, wobei die rohrförmige Gaszuführleitung ein Rohr aus PVC ist.
Verfahren zur Kultivierung von Organismen in einem Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
Verfahren zur Kultivierung von Organismen, insbesondere Mikroorganismen, nach Anspruch 12, wobei die Mikroorganismen ausgewählt sind aus Algen, Bakterien, Hefen und Pilzen.
Verfahren zur Kultivierung von Organismen nach Anspruch 12 oder 13, umfassend das Zuführen von Gas durch die Gaszuführleitung (21) und die spaltförmige Gasaustrittsöffnung (22) in den Reaktorinnenraum (16).
Verfahren zur Kultivierung von Organismen nach Anspruch 14, wobei das Gas Luft, CO₂, O₂ oder einem Gemisch davon ist.
Verfahren zur Kultivierung von Organismen nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei das Gas mit einem Druck von 100 bis 1000 mbar, bevorzugt mit 200 bis 400 mbar, in den Bioreaktor zugeführt wird.