DE102017001041A1

DE102017001041A1 - Photobioreaktor und Verfahren zur Kultivierung von phototrophen Mikroalgen

Info

Publication number: DE102017001041A1
Application number: DE102017001041.2A
Authority: DE
Inventors: Jörn Jander
Original assignee: Gfs - Der Solarenergienutzung E V Gesell zur Forderung; Gfs Ges Zur Foerderung Der Solarenergienutzung E V
Current assignee: Jander Joern De
Priority date: 2017-01-27
Filing date: 2017-01-27
Publication date: 2018-08-02
Anticipated expiration: 2037-01-28
Also published as: DE102017001041B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Photobioreaktor und ein Verfahren zur Kultivierung von phototrophen Mikroalgen für die Gewinnung von Biomasse durch Nutzung der photosynthetisch nutzbaren Strahlung in einem geschlossenen System mit Unterdruck. Durch Reduzierung des Gasdruckes im Reaktor wird das Kulturmedium in den Innenraum gesaugt. Der Unterdruck stabilisiert die Reaktorkonstruktion und verringert den Aufwand für den Bau hoher und großflächiger Reaktoren. Im Reaktor wird das Kulturmedium vertikal entlang des Druckgradienten durch Innenlamellen kanalisiert und mäandrierend durch den Innenraum geleitet. Durch einen Propeller wird das Medium in Bewegung versetzt. Durch den geringeren Gasdruck nimmt die Löslichkeit von Sauerstoff im Medium ab. Produzierter Sauerstoff wird im Reaktor durch Zuführung von Luft als Spülgas entfernt. Das Spülgas wird durch den Propeller in kleine Gasblasen zerkleinert und teils mit dem Medium mittransportiert. Das Spülgas sammelt sich in der Gasphase im oberen Teil des Reaktors und wird abgesaugt. Durch Erhöhung des Gaspartialdruckes des Kohlenstoffdioxid im Spülgas wird die Löslichkeit und die Bioverfügbarkeit von anorganischem Kohlenstoff erhöht.

Description

Beschreibung des Standes der Technik
Mikroalgen besitzen viele bedeutende Inhaltsstoffe, die wirtschaftlich von großem Interesse sind (Journal of Applied Phycology, Vol. 25, 734, 2013, M.A. Borowitzka). Seit den 1940er Jahren wurden Algen vornehmlich als Nahrungsergänzungsmittel, pharmazeutisch oder zur Gewinnung von Biomolekülen verwendet. Aufgrund des Potentials der oft vielfach höheren Biomassebildung gegenüber den Landpflanzen steht ihre Nutzung als Energiequelle in Form von Methan oder Biokraftstoff im zukünftigen Fokus.
Probleme bereiten jedoch viele Faktoren bei der Herstellung von Mikroalgenbiomasse. Die Wirtschaftlichkeit der Verfahren ist noch nicht gegeben. Enorme Investitionskosten für den Bau großskaliger Anlagen sind erforderlich. Ein notwendiges Ziel ist es daher, die energetische und technische Effizienz des Kultivierungsprozesses zu erhöhen. Für die Gewinnung von Mikroalgenbiomasse stehen viele Kultivierungsmethoden zu Verfügung. Gupta et al. (World Journal of Microbiology and Biotechnology, Vol. 31, 1409, 2015, P. L. Gupta et al.) geben einen kurzen Überblick über die Systeme sowie über ihre Vor- und Nachteile. Aus der ursprünglichen Form der Kultivierung in offenen Systemen (open ponds) entwickelten sich eine Vielzahl geschlossener Systeme von Photobioreaktoren (PBR) wie vertikale Säulen-PBR, Flachplatten-PBR oder tubuläre PBR. Diese sind aber in Bedienung und Bau sehr aufwendig, kompliziert und kostenintensiv. In allen bisher bekannten Systemen unterliegen die Algen einem hydrostatischen Druck, der gleichgroß oder höher als der Atmosphärendruck ist. Die Algen werden durch das System gepumpt oder in der Wassersäule durch aufsteigende Blasen bewegt. Gegenüber den Plattenreaktoren verbrauchen tubuläre Systeme die meiste Energie in ihrem Betrieb (Chemical Engineering Journal, Vol. 138, 136, 2008, E.Sierra). So betrug der Energieaufwand für den Medientransport in Plattenreaktoren 53 W m^-3 und in Airliftreaktoren 40 W m^-3. Dem gegenüber benötigen tubuläre Reaktoren gewöhnlich zwischen 2000 und 3000 W m^-3 (Chemical Engineering Journal, Vol. 138, 136, 2008, E.Sierra). Trotz der hohen Biomasseproduktion mit optimal 2 g 1^-1 d^-1 und der Annahme von einem Energiegehalt von 6,7 Wh g^-1, entspricht der notwendige Energieverbrauch das 3 bis 5fache des Energiegehaltes der gebildeten Algenbiomasse. Auch beim Versuch einer Optimierung des Designs von Plattenphotobioreaktoren ( WO2004074423 A2 und WO2011013104 A1 ) wird 41 % der Energie photosynthetisch produzierter Algenbiomasse wieder für den Medientransport verbraucht. (Applied Energy, Vol. 154, 1103, 2015, M. R. Tredici et al.). Zusätzlicher Energiebedarf wird für die Klimatisierung und die Ernte der Algenbiomasse benötigt. Ein weiterer Nachteil dieser Technik ist die geringe Flächennutzung. Die von Tredici verwendeten Folienreaktoren haben nur eine Flächennutzung von 70 %. Es werden flexible Plastikfolienbehälter verwendet die zwischen eine Rahmenkonstruktion geklemmt werden oder frei an einer leichten Stahlkonstruktion hängen. Für Platten-PBR sind Größe und Form durch den vorherrschenden hydrostatischen Druck begrenzt oder benötigen Sonderkonstruktionen, die den hydrostatischen Belastungen standhalten können (Patent EP 2 228 432 A1 , Fassadenintegration) .
Figurenliste
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kultivierung von phototrophen Mikroalgen mittels Unterdruck. Der Unterdruck-Platten-Photobioreaktor (LPP-PBR) wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

1 Zeigt den Korpus des Behälters und dessen Aufbau (1a), den Aufbau des Winkelgestells und das Fundament (1b), sowie eine Frontalansicht des kompletten Reaktoraufbaus (1c) in der Schnittebene parallel zu den Frontplatten
2 Zeigt die Draufsicht auf einen oben geöffneten Behälter

Die Vorrichtung besteht aus einem plattenförmigen Photobioreaktor. Die Frontplatten (1) in 2 und Seitenplatten (4) in 1 und 2 bilden einen schmalen Behälter. Lamellen innerhalb des Behälters unterteilen diesen in Kammern, die miteinander verbunden sind. Bodenlamellen (2) und Wendelamellen (3) in 1 sind vertikal und versetzt angeordnet.
Beide Lamellentypen kanalisieren das Kulturmedium im LPP-PBR. Zwischen Wendelamelle (3) und Kopfplatte (6) in 1 befindet sich eine Öffnung (7) als Verbindung zwischen den Kammern. Die Wendelamellen (3) haben an der Unterseite keinen Kontakt mit dem Grundkörper (5), so dass das Medium zwischen Wendelamelle (3) und Grundkörper (5) strömen kann und die Änderung der vertikalen Strömungsrichtung ermöglicht. Bodenlamellen (2) mit Ventilen (19) berühren den Grundköper (5) und haben zur Kopfplatte (6) einen großen Spalt. Beide Lamellentypen ermöglichen so ein vertikal mäandrierendes Strömen des Mediums im Reaktor. Die Seitenplatten (4) besitzen vertikal verlaufene Falze. Diese dienen als Abstandshalter den beiden Frontplatten (1) in 2. Die Stirnseiten der Seitenplatten (4) schließen bündig mit der Außenseite der Frontplatten (1) ab. Frontplatten (1) und Seitenplatten (4) sind miteinander und auch mit dem Grundkörper (5), der sich im Bodenbereich des Reaktors befindet, elastisch verbunden. Die Ventile (19) zwischen Bodenlamellen (2) und Grundkörper (5) sind bei Betrieb geschlossen und lassen bei Befüllung und Entleerung des Behälters das Kulturmedium durch.
Der Zuflusskanal (9) und der Abflusskanal (10) begrenzen die Umkehreinheiten (8). Der Grundkörper (5) bildet den unteren Abschluss des Reaktors. Auf ihm ruht der Korpus des LPP-PBR.
Durch den Grundkörper (5) verläuft das Anschlussrohr (15), das mit der Medienversorgung (8) verbunden ist. Jeder LPP-PBR besitzt eine eigenständige Antriebseinheit (11) die aus einer Propellereinheit (12) und einem Motor (13) besteht. Die Kraftübertragung zwischen Motor (13) und Propellereinheit (12) erfolgt beispielhaft über eine magnetische Kopplung. Mit der Propellereinheit (12) wird das Medium bewegt.
Der Reaktor wird oben durch eine Kopfplatte (6) gasdicht verschlossen. Mit der Kopfplatte (6) verbunden sind Antriebseinheit (11) und Füllstandsregeleinheit (14).
Der LPP-PBR steht auf einem Fundament (17). Er wird durch ein Winkelgestell (16) eingerahmt und stehend durch Halteprofile (18) in 1b gehalten.
Das Betreiben der Vorrichtung zur Kultivierung phototropher Mikroalgen erfolgt durch Unterdruck. Durch Erniedrigung des Innendruckes im LPP-PBR erfolgt ein Anheben der Wassersäule bis zu einer konstanten Füllhöhe unterhalb der Öffnung (7) zwischen Wendelamelle (3) und Kopfplatte (6). Auf den LPP-PBR wirkt der Atmosphärendruck, der von den Falzen der Seitenplatten (4) und den Lamellen (2, 3) sowie dem Grundkörper (5) zwischen den Frontplatten (1) abgefangen wird. Das Kulturmedium wird aus der Medienversorgung (8) bodenständig zugeführt. Nach Erreichen der Sollfüllhöhe ist ein mäandrierendes Durchströmen des Innenraums möglich. Durch die Antriebseinheit (11) wird das Kulturmedium über die Medienversorgung (8) und Anschlussrohr (15) in den Reaktor befördert. Nach Durchströmen des LPP-PBR wird das Kulturmedium über den Ausflusskanal (10) und das Anschlussrohr (15) in die Medienversorgung (8) zurückgeführt.
Im Zuflusskanal (9) wird Spülgas reguliert eingeleitet. Das Spülgas besteht aus Luft und kann mit anderen Gasen, insbesondere mit Kohlenstoffdioxid, gemischt werden. Es gelangt durch Aufsteigen in die Propellereinheit (12), wo es durch den Propeller mit dem Medium vermischt wird. Die Gasblasen werden hierbei zerkleinert.
Vorteile der Erfindung sind die Verringerung der Investitions- und Prozesskosten, die Erhöhung der Anlagenwirtschaftlichkeit und Erweiterung des Anwendungsspektrums der zu produzierenden Produkte. Der LPP-PBR wird als Einzelreaktor betrieben oder in Reihe geschaltet zu einer Großanlage aufskaliert.
Der auf den LPP-PBR lastende atmosphärische Druck verleiht dem Bioreaktor Stabilität. Dadurch wird eine Hochbauweise und eine optimale Flächenausnutzung gewährleistet. Außerdem können die Abstände zwischen den in Reihe geschalteten LPP-PBR vergrößert werden. Dadurch reduziert sich die Anzahl der Reaktoren pro genutzter Landfläche und die Zugänglichkeit zu den Reaktoren verbessert sich.
Ein Vorteil des LPP-PBR ist die dezentrale Entfernung des Sauerstoffs aus dem geschlossenen System. Dadurch wird die Skalierbarkeit der Größe einer Anlage vereinfacht und macht eine zentrale Komponente für die Reduzierung der Sauerstoffkonzentration überflüssig.
Der durch den Unterdruck bedingte geringere Sauerstoffpartialdruck in der Gasphase reduziert die Löslichkeit und fördert die Ausgasung von Sauerstoff aus dem Kulturmedium. Der dezentrale Transport des Kulturmediums durch den LPP-PBR verringert den technologischen Aufwand für die Versorgung einer großen Anzahl von Reaktoren. Durch die dezentrale Austragung von Sauerstoff aus dem Medium kommt es nicht zu einer Aufkonzentrierung in der geschlossenen Anlage. Eine negative Beeinflussung der Photosynthese und damit der Primärproduktion durch hohe Sauerstoffkonzentrationen wird verhindert. Gegenüber den Reaktoren, die nach dem Airlift-Prinzip funktionieren, wird weniger Gasvolumina durch die Kammer geleitet. Die Dezentralisierung von Medientransport und Sauerstoffentfernung setzt das modulare Konzept der Erfindung um. Mehrere LPP-PBR können sich dabei aus einer Medienversorgung mit konditioniertem Nährmedium bedienen, in denen die Algen suspendiert vorliegen. Gegenüber herkömmlichen Großanlagen können auch kleine Einheiten der Anlage, also einzelne Photobioreaktoren, ohne Störung des Produktionsprozesses entnommen, gewartet oder hinzu geführt werden. Der modulare Aufbau ermöglicht eine schrittweise Erweiterung der eingebundenen Reaktoren während des Betriebes.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2004074423 A2 [0002]
WO 2011013104 A1 [0002]
EP 2228432 A1 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Journal of Applied Phycology, Vol. 25, 734, 2013, M.A. Borowitzka [0001]
Gupta et al. (World Journal of Microbiology and Biotechnology, Vol. 31, 1409, 2015, P. L. Gupta et al. [0002]
Chemical Engineering Journal, Vol. 138, 136, 2008, E.Sierra [0002]
Applied Energy, Vol. 154, 1103, 2015, M. R. Tredici et al. [0002]

Claims

Photobioreaktor zur Kultivierung phototropher Mikroalgen in einem Kulturmedium innerhalb eines Reaktorraums dadurch gekennzeichnet, dass ein plattenförmiger gasdichter Behälter, bestehend aus zwei transparenten Frontplatten (1), die die Bodenlamellen (2) und Wendelamellen (3) einschließen und mit Seitenplatten (4) und einem Grundkörper (5) elastisch verbunden sind und einer Kopfplatte (6) mit Füllstandsregeleinheit (14) und einer Antriebseinheit(11) , in dem der Innenraum zu einem mäanderförmigen Kanal, bestehend aus einem Anschlussrohr (15) am Zuflusskanal (9), Bodenlamellen (2), einem Grundkörper (5), Wendelamellen (3) und einem Abflusskanal (10) mit Anschlussrohr (15), zusammengesetzt ist, wobei zwischen Kopfplatte (6) und Wendelamellen (3) Öffnungen (7) und zwischen Bodenlamellen (2) und Grundkörper (5) Ventile (19) angeordnet sind und der auf einem Fundament steht, das mit einem auf dem Fundament (17) montiertem Winkelgestell (16) über Halteprofile (18) verbunden ist.
Photobioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle ein rechteckiges Querschnittprofil mit abgerundeten Ecken besitzen.
Photobioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Antriebseinheit (11), bestehend aus der Propellereinheit (12) und Motor (13), oberhalb des Zuflusskanals (9) befindet.
Verfahren zur Kultivierung phototropher Mikroalgen in einem Photobioreaktor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kulturmedium durch Unterdruck in den Reaktor über die Anschlussrohre (15) bodenseits angesaugt wird, bis eine von der Behälterhöhe unterdruckabhängige Füllstandshöhe unterhalb der Öffnungen (7) zwischen Wendelamelle (3) und Kopfplatte (6) erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Spülgas, bestehend aus Luft und optional anderen Gaszusätzen, in den Zuflusskanal (9) geleitet und beim Passieren der Propellereinheit (12) in Bläschen zerkleinert und mit dem Kulturmedium vermischt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass sich das Spülgas in der Gasphase unterhalb der Kopfplatte (6) sammelt und über die Füllstandsregeleinheit (14) abgeführt wird und eine konstante Füllhöhe aufrecht erhält.
Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Kulturmedium aus einer Medienversorgung (8) über ein Anschlussrohr (15) in den Zuflusskanal (9) des Photobioreaktors gelangt, mäandrierend den Photobioreaktor durchfließt, nach Passieren des Abflusskanals (10) über ein folgendes Anschlussrohr (15) den Photobioreaktor verlässt und in die Medienversorgung (8) zurückfließt.