DE102017101725A1 - Photo bioreactor for the cultivation of aquatic microorganisms - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Fotobioreaktor zur Kultivierung von aquatischen Mikroorganismen, zum Beispiel Mikroalgen oder Cyanobakterien, gebildet aus mehreren gestapelten Plattenmodulen (1), deren jeweilige Bodenplatte (8) aus einem lichtleitenden Material besteht. Die Bodenplatte (8) besitzt eine lichtstreuende Mikrostruktur an mindestens einer ihrer Deckflächen oder eine lichtstreuende Innengravur. Der Fotobioreaktor ist aufgrund der homogenen Beleuchtung des Kulturmediums besonders effektiv in seiner Ausbeute.The invention relates to a photobioreactor for the cultivation of aquatic microorganisms, for example microalgae or cyanobacteria, formed from a plurality of stacked plate modules (1), whose respective bottom plate (8) consists of a light-conducting material. The bottom plate (8) has a light-scattering microstructure on at least one of its top surfaces or a light-scattering interior engraving. The photobioreactor is particularly effective in its yield due to the homogeneous illumination of the culture medium.

Description

Die Erfindung betrifft einen Fotobioreaktor mit mehreren, versetzt gestapelten Plattenmodulen zur Kultivierung von aquatischen Mikroorganismen, insbesondere von Mikroalgen oder Cyanobakterien, zur Anwendung in der Wertstoff- und Biomassegewinnung, zur Behandlung von Abwässern, im Laborbetrieb sowie im Hobbybereich.The invention relates to a photobioreactor with a plurality of staggered plate modules for the cultivation of aquatic microorganisms, in particular of microalgae or cyanobacteria, for use in the recovery of valuable materials and biomass, for the treatment of waste water, in the laboratory and in hobby.

Mikroalgen wie auch Cyanobakterien gehören zu den aquatischen Mikroorganismen, die in der Lage sind, durch Fotosynthese aus Wasser und Kohlendioxid Biomasse aufzubauen - mit einer deutlich höheren Effizienz als Landpflanzen. Die Kultivierung derartiger Organismen in künstlichen Anlagen bildet eine vielversprechende Ressource in der Nahrungs- und Futtermittelproduktion, im Pharmazie- und Kosmetiksektor oder bei der Energieerzeugung.Microalgae as well as cyanobacteria belong to the aquatic microorganisms, which are able to build up biomass by photosynthesis from water and carbon dioxide - with a much higher efficiency than terrestrial plants. The cultivation of such organisms in artificial plants is a promising resource in food and feed production, in the pharmaceutical and cosmetics sectors or in energy production.

Für die kontrollierte Aufzucht von aquatischen Mikroorganismen sind diverse Verfahren bekannt, wobei die Anlagen zur Durchführung der Verfahren in offene und geschlossene Systeme unterschieden werden, deren Betrieb kontinuierlich oder im Batch-Verfahren möglich ist.Various methods are known for the controlled rearing of aquatic microorganisms, whereby the systems for carrying out the methods are distinguished into open and closed systems whose operation is possible continuously or in batch mode.

Geschlossene Systeme zeichnen sich gegenüber den offenen durch eine höhere Produktivität, eine bessere Kontrollierbarkeit der Prozesse und das geringere Risiko der Kontamination des Kulturmediums aus. Hier wird generell in Röhren-, Flachplatten- und Kesselreaktoren unterschieden, wobei eine besonders hohe Dichte an Mikroorganismen mit der Bauform des Flachplattenreaktors erzielbar ist.Closed systems are characterized by higher productivity, better controllability of processes and lower risk of contamination of the culture medium compared to the open ones. Here, a distinction is generally made in tube, flat plate and boiler reactors, with a particularly high density of microorganisms with the design of the flat plate reactor can be achieved.

Ein geschlossenes System zur Kultivierung von Mikroalgen ist bekannt aus US 8 713 850 B2 , demgemäß mehrere Flachplattenreaktoren in Form von transparenten Schubladen innerhalb eines Schrankes versetzt übereinander angeordnet sind. Das Kulturmedium fließt bei Betrieb von einer Schublade auf die jeweils darunterliegende, sodass sich in Folge des Versatzes ein mäanderförmiges Durchströmen der Anlage ergibt. Die Beleuchtung erfolgt durch separate Leuchtmittel, die in Ebenen zwischen den Schubladen positioniert sind. Nachteilig sind der großer Raumbedarf für die Leuchtmittel zwischen den Schubladen und die Erwärmung des Kulturmediums durch die Leuchtmittel.A closed system for the cultivation of microalgae is known US 8 713 850 B2 , Accordingly, several flat plate reactors in the form of transparent drawers within a cabinet offset from each other are arranged. The culture medium flows during operation from a drawer to the underlying each, so that results in a meandering flow through the system as a result of the offset. The lighting is provided by separate bulbs, which are positioned in levels between the drawers. Disadvantages are the large space required for the lamps between the drawers and the heating of the culture medium by the bulbs.

In WO 2015/102529 A1 ist ebenfalls ein geschlossener Fotobioreaktor offenbart, der aus Plattenreaktoren zusammengestellt ist, die mäanderförmig durchströmt werden. Mittels eines durch Pumpen angetriebenen Rückströmungssystems wird das Kulturmedium im Kreislauf geführt. Die Anlage ist für den Außeneinsatz unter Sonneneinstrahlung konzipiert. Nachteilig ist insofern, dass die Effizienz der Fotosynthese in den einzelnen Plattenmodulen durch gegenseitige Abschattung sinkt.In WO 2015/102529 A1 is also disclosed a closed photobioreactor, which is composed of plate reactors, which are flowed through meandering. By means of a pump driven return flow system, the culture medium is circulated. The system is designed for outdoor use under sunlight. The disadvantage is that the efficiency of the photosynthesis in the individual plate modules decreases due to mutual shadowing.

Zur Verbesserung der Einbringung von Licht in die Plattenreaktoren ist die Beleuchtung durch Lichtfasern bekannt. In US 6 603 069 B1 ist ein Fotobioreaktor zu Kultivierung von Cyanobakterien beschrieben, bei dem zwischen den Wänden der Plattenmodule Lichtleitfasern innerhalb des Kulturmediums geführt sind. Durch die Beleuchtung mittels der seitlich abstrahlenden Lichtfasern ist eine verlustfreie Einbringung des Lichtes in das Kulturmedium gewährleistet. Nachteilig ist, dass die in das Kulturmedium eingebrachten Lichtfasern mechanisch empfindlich sind, was z. B. die Reinigung des Plattenreaktors behindert.To improve the introduction of light into the plate reactors, the illumination by optical fibers is known. In US Pat. No. 6,603,069 B1 A photobioreactor for culturing cyanobacteria is described in which optical fibers are guided within the culture medium between the walls of the plate modules. The illumination by means of the laterally radiating optical fibers ensures lossless introduction of the light into the culture medium. The disadvantage is that introduced into the culture medium optical fibers are mechanically sensitive, which z. B. hinders the purification of the plate reactor.

WO 2008/145719 A1 offenbart einen Fotobioreaktor mit Leuchtmitteln, wobei LED-Leuchtkörper als Strahlungsquellen in einer Kunststoffmatrix eingeschlossen sind, die im Innern des Fotobioreaktors angeordnet sind. Aufgrund dieser Positionierung der Leuchtmittel im Inneren des Fotobioreaktors, besteht auch hier, zum Beispiel bei den notwendigen Reinigungsarbeiten infolge Verschmutzung der LED-Kunststoff-Formteile, das erhöhte Risiko der Beschädigung der Leuchtmittel. WO 2008/145719 A1 discloses a photobioreactor with illuminants, wherein LED luminous bodies are included as radiation sources in a plastic matrix, which are arranged in the interior of the photobioreactor. Because of this positioning of the bulbs in the interior of the photobioreactor, there is an increased risk of damage to the bulbs here, for example, in the necessary cleaning work due to contamination of the LED plastic moldings.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen robust aufgebauten Fotobioreaktor zur Kultivierung von aquatischen Mikroorganismen innerhalb eines Kulturmediums bereitzustellen, der in kontinuierlicher Arbeitsweise betrieben werden kann, wobei der Fotobioreaktor aus Flachplattenreaktoren aufgebaut ist, die mit hoher Flächenertragsdichte arbeiten.The object of the invention is to provide a robustly constructed photobioreactor for the cultivation of aquatic microorganisms within a culture medium, which can be operated in a continuous mode, wherein the photobioreactor is constructed of flat plate reactors, which operate with high surface yield density.

Die Aufgabe wird durch einen Fotobioreaktor mit den kennzeichnenden Merkmalen nach dem Patentanspruch 1 gelöst; zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 10 beschrieben.The object is achieved by a photo bioreactor with the characterizing features of claim 1; expedient developments of the invention are described in the subclaims 2 to 10.

Nach Maßgabe der Erfindung weist der Fotobioreaktor mehrere gestapelte Plattenmodule auf, deren jeweilige Bodenplatte aus einem lichtleitenden Material besteht.According to the invention, the photo-bioreactor has a plurality of stacked plate modules whose respective bottom plate consists of a light-conducting material.

Im Plattenmodulstapel ist durch die Zusammenstellung der Plattenmodule ein mäanderförmiger Kanal ausgebildet, den das Kulturmedium bei Betrieb durchströmt. Die Bodenplatten der Plattenmodule sind jeweils zum benachbarten, d. h. dem darüber oder dem darunter befindlichen Plattenmodul, versetzt angeordnet. Bevorzugt sind die Plattenmodule kastenförmig.In the disk module stack a meandering channel is formed by the composition of the plate modules, which flows through the culture medium during operation. The bottom plates of the plate modules are each to the adjacent, d. H. the above or below the disk module, staggered. The plate modules are preferably box-shaped.

Zur Auskopplung von Licht in das im Betrieb über die Bodenplatte strömende Kulturmedium besitzt die Bodenplatte eine lichtstreuende Mikrostruktur an mindestens einer ihrer Deckflächen oder eine, z. B. durch Laser erzeugte, lichtstreuende Innengravur.For decoupling light into the culture medium flowing over the bottom plate in operation, the bottom plate has a light-scattering microstructure on at least one of its top surfaces or one, z. B. generated by laser, light scattering interior engraving.

Der Fotobioreaktor weist ferner einen Rückführschacht auf, der das oberste mit dem untersten Plattenmodul fluidtechnisch verbindet, sodass ein Kreislaufkanal im Bioreaktor ausgebildet ist. Der Rückführschacht ist vom Plattenmodulstapel entkoppelbar.The photobioreactor further has a return duct, which fluidly connects the uppermost with the lowermost disk module, so that a circulation channel is formed in the bioreactor. The return shaft can be decoupled from the disk module stack.

Bei Betrieb des Fotobioreaktors fließt das Kulturmedium vom obersten Plattenmodul des Plattenmodulstapels kaskadenartig, dem mäanderförmigen Kanal folgend, in das jeweils darunter liegende Plattenmodul, bis es schließlich in das unterste Plattenmodul des Plattenmodulstapels gelangt. Aus dem mit dem untersten Plattenmodul verbundenen Rückführschacht erfolgt die Förderung des Kulturmediums mittels eines Strömungsgenerators, zum Beispiel einer Pumpe oder einem Ausströmer, zurück zum obersten Plattenmodul. Auf diese Weise durchströmt das Kulturmedium den Fotobioreaktor im Kreislauf.During operation of the photobioreactor, the culture medium flows cascade from the uppermost plate module of the plate module stack, following the meandering channel, into the respectively underlying plate module until it finally reaches the lowermost plate module of the plate module stack. From the return shaft connected to the lowermost disk module, the culture medium is conveyed by means of a flow generator, for example a pump or an air outlet, back to the uppermost disk module. In this way, the culture medium flows through the photo bioreactor in the circulation.

Das Kulturmedium ist eine wässrige Lösung, die auf die jeweiligen optimalen Lebensbedingungen der Mikroorganismen eingestellt ist. Bei Betrieb des Fotobioreaktors werden regelmäßig Kohlendioxid und Wasser als Ausgangsstoffe der Fotosynthesereaktion sowie ggf. Nährstoffe und Spurenelemente zugegeben. Die Fotosynthese und der Aufbau von Biomasse durch die Mikroorganismen finden primär in den beleuchteten Plattenmodulen statt, wobei deren Beleuchtung über die lichtleitende Bodenplatte erfolgt. Durch die Verwendung von transparenten Materialien für die Wände der Plattenmodule und des Rückführschachtes ist zusätzlich das Umgebungslicht für die Fotosynthese nutzbar. Alternativ können die Wände, in gleicher Weise wie die Bodenplatte, aus lichtleitendem Material ausgeführt sein, wobei sie eine lichtstreuende Mikrostruktur an mindestens einer ihrer Deckflächen oder eine lichtstreuende Innengravur aufweisen.The culture medium is an aqueous solution adjusted to the respective optimum living conditions of the microorganisms. During operation of the photobioreactor, carbon dioxide and water are regularly added as starting materials of the photosynthesis reaction and, if appropriate, nutrients and trace elements. The photosynthesis and the construction of biomass by the microorganisms take place primarily in the illuminated plate modules, with their illumination via the photoconductive base plate. By using transparent materials for the walls of the plate modules and the return shaft, the ambient light for photosynthesis is additionally usable. Alternatively, in the same way as the bottom plate, the walls may be made of photoconductive material having a light scattering microstructure on at least one of their top surfaces or a light scattering interior engraving.

Erfindungsgemäß sind an mindestens einer Seitenfläche der Bodenplatte Leuchtmittel, zum Beispiel Leuchtdioden, zur Einkopplung von Licht in die lichtleitende Bodenplatte angebracht. Als Leuchtmittel sind auch Lichtleiterkabel verwendbar, die gezielt Sonnenlicht von einem Kollektor oder Laserlicht in die Seitenflächen der Bodenplatte einleiten.According to the invention, illuminants, for example light emitting diodes, for coupling light into the photoconductive base plate are mounted on at least one side surface of the base plate. As light bulbs and optical fiber cable can be used, which initiate targeted sunlight from a collector or laser light in the side surfaces of the bottom plate.

Die Leuchtmittel sind bezüglich ihrer Beleuchtungsstärke regelbar, sodass die Einbringung der Lichtmenge an die Mikroorganismendichte im Kulturmedium angepasst werden kann. Außerdem sind die Leuchtmittel von den Seitenflächen der Bodenplatte demontierbar, wodurch ein leichter Austausch bei defekten Leuchtmitteln ermöglicht ist. Es kann vorgesehen sein, dass die Leuchtmittel in einem passiven Kühlkörper, z. B. Metallschaum, eingebettet sind.The lighting means are adjustable with respect to their illuminance, so that the introduction of the amount of light can be adapted to the microorganism density in the culture medium. In addition, the bulbs are removable from the side surfaces of the bottom plate, allowing easy replacement with defective bulbs is possible. It can be provided that the bulbs in a passive heat sink, for. As metal foam, are embedded.

Als lichtleitendes Material für die Bodenplatte eignen sich Kunststoffe, wie Polycarbonat oder Polymethylmethacrylat, oder Gläser. Die lichtstreuende Mikrostruktur entsteht als Oberflächenstrukturierung zum Beispiel durch eine gezielte Aufrauhung der Deckfläche oder durch Strukturierung der Deckfläche mit einem feinen Muster. Derartige Muster sind zum Beispiel Rillen oder Wellen, die vorzugsweise in Fließrichtung der Durchströmung orientiert sind. Die lichtstreuende Mikrostruktur kann alternativ im Inneren der Bodenplatte durch eine Innengravur, auch als Vitrographie bekannt, zum Beispiel mittels Laser eingebracht sein.Suitable light-conducting material for the bottom plate are plastics, such as polycarbonate or polymethylmethacrylate, or glasses. The light-scattering microstructure arises as a surface structuring, for example, by a specific roughening of the top surface or by structuring the top surface with a fine pattern. Such patterns are for example grooves or waves, which are preferably oriented in the flow direction of the flow. The light-scattering microstructure may alternatively be incorporated inside the bottom plate by an internal engraving, also known as vitrography, for example by means of a laser.

Bei Betrieb des Fotobioreaktors wird das Licht über die Seitenflächen in die Bodenplatte eingeleitet und über die lichtstreuenden Mikrostruktur ausgekoppelt. Dadurch wird das Plattenmodul mit dem darin befindlichen Kulturmedium gleichmäßig diffus über die gesamte Deckfläche der Bodenplatte beleuchtet.During operation of the photobioreactor, the light is introduced into the bottom plate via the side surfaces and coupled out via the light-scattering microstructure. As a result, the plate module is illuminated with the culture medium therein evenly diffused over the entire top surface of the bottom plate.

Ein Vorteil der Erfindung ist, dass das Kulturmedium in den als Flachplattenreaktoren arbeitenden Plattenmodulen unmittelbar und sehr gleichmäßig beleuchtet wird. Somit ist eine hoch effiziente Fotosynthese möglich. Im jeweiligen Plattenmodul sind keine unbeleuchteten Positionen vorhanden; ebenso wenig kommt es zu Abschattungseffekten zwischen einzelnen Plattenmodulen, die in gewünschter Höhe aufeinander gestapelt sein können. Die abschattungsfreie Zwischenbeleuchtung mittels der lichtleitenden Bodenplatten im Plattenmodulstapel führt zur hohen Flächenertragsdichte der Plattenmodule.An advantage of the invention is that the culture medium is illuminated directly and very evenly in the plate modules operating as flat-plate reactors. Thus, a highly efficient photosynthesis is possible. There are no unlit positions in the respective disk module; neither does shadowing effects occur between individual plate modules, which can be stacked at the desired height. The shading-free intermediate illumination by means of the light-conducting bottom plates in the plate module stack leads to the high surface yield density of the plate modules.

Zudem zeichnet sich der Fotobioreaktor durch eine robuste, platzsparende Bauweise aus, da die erfindungsgemäße Bodenplatte gleichzeitig als Struktur- und Funktionsbauteil wirkt.In addition, the photo bioreactor is characterized by a robust, space-saving design, since the bottom plate according to the invention simultaneously acts as a structural and functional component.

Folglich ist es, im Gegensatz zum Stand der Technik, nicht erforderlich, Licht erzeugende Leuchtmittel oder empfindliche Lichtfasern im Inneren des Fotobioreaktors (also im Bereich des Kulturmediums) zu positionieren. Dadurch ist das Risiko der Kontamination des Kulturmediums oder der Beschädigung der Leuchtmittel bzw. deren elektrischer Anschlüsse ausgeschlossen, da die Lichtversorgung ausschließlich durch extern eingeleitetes Licht erfolgt.Consequently, in contrast to the prior art, it is not necessary to position light-generating bulbs or sensitive light fibers inside the photobioreactor (ie in the region of the culture medium). As a result, the risk of contamination of the culture medium or the damage of the lamps or their electrical connections is excluded because the light is supplied exclusively by externally introduced light.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die lichtstreuende Mikrostruktur eine Oberflächenstrukturierung in mehreren abgegrenzten Bereichen an Deckfläche der Bodenplatte, d. h., die Deckfläche weist abwechselnd Bereiche mit Oberflächenstrukturierung und ohne auf. Eine solche Oberflächenstrukturierung ist zum Beispiel durch Aufrauhung der Oberfläche mittels Abrasivstrahlens herstellbar. Besonders geeignet sind Mikrostrukturen, die eine mittlere Rauheit Ra im Bereich von 0,2 bis 0,9 µm aufweisen.In one embodiment of the invention, the light-scattering microstructure is a surface structuring in a plurality of delimited areas on the top surface of the bottom plate, ie, the top surface alternately has areas with surface structuring and without. Such a surface structuring is, for example, by roughening the Surface can be produced by means of abrasive blasting. Particularly suitable are microstructures having an average roughness Ra in the range of 0.2 to 0.9 microns.

In vorteilhafter Weise ist jedes der Plattenmodule mit seinen im Plattenmodulstapel benachbarten Plattenmodulen durch Formschluss gas- und flüssigkeitsdicht verbunden. Der Formschluss ist durch passgenaue, geometrisch korrespondierende Gestaltung der Anschluss- bzw. Stoßstellen zwischen benachbarten Plattenmodulen, zum Beispiel mit gesicherten Steckverbindungen, realisierbar. Das oberste und unterste Plattenmodul des Plattenmodulstapels ist mittels Anschlussstücken jeweils mit dem Rückführschacht gas- und flüssigkeitsdicht verbunden.Advantageously, each of the plate modules with its plate module module adjacent stack plate modules by positive engagement gas and liquid tight connected. The fit can be realized by accurately fitting, geometrically corresponding design of the connection or joints between adjacent plate modules, for example with secure plug-in connections. The top and bottom plate module of the disk module stack is connected by means of connecting pieces in each case with the return shaft gas and liquid-tight.

Ein Vorteil dieser Ausführung der Erfindung ist, dass eine Kontamination des Fotobioreaktors mit Fremdorganismen oder dessen Verunreinigung nahezu ausgeschlossen ist. Insbesondere reduzieren sich die Risiken bei Betrieb des Fotobioreaktors mit empfindlichen aquatischen Mikroorganismen.An advantage of this embodiment of the invention is that contamination of the photobioreactor with foreign organisms or its contamination is virtually eliminated. In particular, the risks of operating the photobioreactor with sensitive aquatic microorganisms are reduced.

In die Anschlussstücke zwischen dem obersten bzw. untersten Plattenmodul des Plattenmodulstapels und dem Rückführschacht kann jeweils ein Schieber zum Öffnen und Verschließen der Anschlussstücke eingebracht sein, der es ermöglicht, Reinigungs- oder Revisionsarbeiten am Rückführschacht durchzuführen, ohne das Kulturmedium im Plattenmodulstapel ablassen zu müssen.In the connecting pieces between the top or bottom plate module of the disk module stack and the return shaft, a slide for opening and closing the fittings can be introduced, which makes it possible to perform cleaning or revision work on the return shaft without having to drain the culture medium in the disk module stack.

Vorteilhafterweise weist der Fotobioreaktor an einem oder mehreren der Plattenmodule eine Transferleitung auf. Bevorzugt sind die Transferleitungen auf der dem Rückführschacht abgewandten Seite des Fotobioreaktors angeordnet. Mittels der Transferleitungen erfolgt bei Betrieb die Zugabe von Wasser, Kohlendioxid und/oder Nährstoffen für die Mikroorganismen, aber auch die Entnahme von Proben des Kulturmediums. Weitere Transferleitungen, Vorrichtungen zum Wasseraustausch und zur Filtration, zum Beispiel Membranen, können im Rückführschacht angeordnet sein.Advantageously, the photobioreactor has a transfer line on one or more of the plate modules. The transfer lines are preferably arranged on the side of the photobioreactor facing away from the return shaft. By means of the transfer lines during operation, the addition of water, carbon dioxide and / or nutrients for the microorganisms, but also the removal of samples of the culture medium. Further transfer lines, devices for exchanging water and for filtration, for example membranes, can be arranged in the return shaft.

In einer Ausführungsform des Fotobioreaktors ist im Bodenbereich des Rückführschachtes ein zu dessen Deckenbereich hin ausgerichteter Ausströmer angeordnet, der zur Zufuhr eines sterilen Gases in das Kulturmedium dient. Als steriles Gas kann zum Beispiel sterile Luft verwendet werden. Ebenso ist das Einbringen von Kohlendioxid über den Ausströmer möglich. Bei Betrieb wird durch das einströmende Gas die Aufwärtsströmung nach dem Lufthebe- bzw. Airliftprinzip im Rückführschacht initiiert bzw. aufrechterhalten. Somit wirkt der Ausströmer auch als Strömungsgenerator. Das Erzeugen der Kreislaufströmung im Fotobioreaktor mittels dieses Airlift-Strömungsgenerators ist gegenüber mechanischen Kolbenpumpen, Kreiselpumpen oder Strömungsgeneratoren mit Propellern für die Mikroorganismen besonders schonend. Zudem wird das Risiko der Kontamination oder der Verstopfung beweglicher mechanischer Bauteile vermieden.In one embodiment of the photobioreactor, in the bottom region of the return duct, an outflow device, which is oriented towards the ceiling region, is arranged, which serves to supply a sterile gas to the culture medium. For example, sterile air can be used as the sterile gas. Likewise, the introduction of carbon dioxide through the vent is possible. In operation, the upward flow is initiated or maintained by the incoming gas in the return duct according to the Lufthebe- or Airliftprinzip. Thus, the vent also acts as a flow generator. Generating the circulation flow in the photo bioreactor by means of this airlift flow generator is particularly gentle compared to mechanical piston pumps, centrifugal pumps or flow generators with propellers for the microorganisms. In addition, the risk of contamination or clogging of moving mechanical components is avoided.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist jedes Plattenmodul kastenförmig, wobei die zwei entlang der Längserstreckung verlaufenden, gegenüberliegenden Seitenwände an ihrer jeweiligen Innenseite, d. h. an der zum Kulturmedium zugewandten Seite, eine Leitschiene aufweisen. Die Leitschienen sind derart gebogen oder geknickt, dass die Position und Ausrichtung der Leitschienen im Anschlussbereich von benachbarten Plattenmodulen übereinstimmen, sodass im Plattenmodulstapel ein dem mäanderförmigen Kanal folgendes, ununterbrochenes Leitschienensystem ausgebildet ist. Die Leitschienen schließen an den Stoßstellen zwischen Plattenmodulen kontinuierlich, d. h. ohne Sprünge oder Absätze, aneinander an.In one embodiment of the invention, each plate module is box-shaped, wherein the two along the longitudinal extension extending, opposite side walls at their respective inner side, d. H. have on the side facing the culture medium, a guide rail. The guide rails are bent or kinked in such a way that the position and orientation of the guide rails in the connection region of adjacent plate modules coincide so that an uninterrupted guide rail system follows the meandering channel in the plate module stack. The guide rails close continuously at the joints between plate modules, d. H. without jumps or heels, against each other.

Das Leitschienensystem dient zur Führung von Zusatzgeräten, wie zum Beispiel Reinigungsgeräten, statischen Mischern, Strömungsleitelementen oder Probengefäßen.The guide rail system is used to guide additional equipment, such as cleaning equipment, static mixers, flow guide or sample vessels.

Das Leitschienensystem ermöglicht es, den Fotobioreaktor während des Betriebs zu reinigen, indem zum Beispiel eine in die Leitschienen eingehängte Bürste entlang des mäanderförmigen Kanals durch diesen bewegt wird, und diese die inneren Oberflächen der Plattenmodule von Ablagerungen befreit. Statische Mischer oder Strömungsleitelemente können temporär oder dauerhaft in den Fotobioreaktor eingebracht werden, um die Dynamik der Strömung des Kulturmediums zu beeinflussen (zum Beispiel um gezielt zu verwirbeln oder um Totwasserbereiche in der Strömung zu vermeiden). Außerdem ist es möglich, Probengefäße am Leitschienensystem zur Entnahme von Proben für Prüfzwecke oder zur Chemikalienzugabe einzubringen.The guide rail system makes it possible to clean the photo bioreactor during operation, for example, by a brush suspended in the guide rails along the meandering channel is moved therethrough, and this frees the inner surfaces of the plate modules of deposits. Static mixers or flow directors may be temporarily or permanently introduced into the photobioreactor to affect the dynamics of the flow of the culture medium (for example, to swirl deliberately or to avoid dead water areas in the flow). In addition, it is possible to introduce sample vessels on the guide rail system for taking samples for testing purposes or for adding chemicals.

Vorteilhafterweise sind alle Plattenmodule des Fotobioreaktors im Plattenmodulstapel in ihren geometrischen Abmessungen identisch. Dadurch können die Plattenmodule je nach Bedarf übereinander gestapelt werden, sodass Fotobioreaktoren einer gewünschten Höhe des Plattenmodulstapels realisierbar sind. Für Wartungs- oder Reparaturarbeiten sind einzelne Plattenmodule leicht austauschbar.Advantageously, all plate modules of the photobioreactor in the plate module stack are identical in their geometric dimensions. As a result, the plate modules can be stacked as needed, so that photo bioreactors a desired height of the plate module stack can be realized. For maintenance or repair single plate modules are easily interchangeable.

In einer Ausführung der Erfindung weist der mäanderförmige Kanal im Plattenmodulstapel an jeder Position den gleichen Querschnitt bezüglich der Richtung der Durchströmung des Kulturmediums auf, wofür zum Beispiel die Übergange der Bodenplatte zu den stirnseitigen Wänden so abgerundet sind, dass der Eckenradius gleich dem Abstand der Bodenplatten ist. Dadurch ist neben einer gleichmäßigen Durchströmung des Kulturmediums die effektive Reinigung aller inneren Oberflächen entlang des mäanderförmigen Kanals mittels Reinigungsgeräten ermöglicht.In one embodiment of the invention, the meandering channel in the plate module stack at each position on the same cross-section with respect to the direction of flow through the culture medium, for which, for example, the transitions of the bottom plate to the frontal walls are rounded so that the corner radius equal to the distance Floor panels is. As a result, in addition to a uniform flow through the culture medium, the effective cleaning of all inner surfaces along the meandering channel is made possible by means of cleaning devices.

Der Fotobioreaktor kann Verbindungsleitungen zur fluidtechnischen Kopplung mit einem weiteren, baugleichen Fotobioreaktor aufweisen. Bevorzugt verbinden die Verbindungsleitungen das unterste Plattenmodul des einen Fotobioreaktors mit dem Rückführschacht des jeweils anderen Fotobioreaktors. Die Verbindungsleitungen können beleuchtet sein. Die Kopplung von Fotobioreaktoren dient der Erhöhung des Systemvolumens, wobei die Homogenität des Kulturmediums gesichert ist.The photobioreactor can have connecting lines for fluidic coupling with another, identical photobioreactor. The connecting lines preferably connect the lowermost plate module of one photobioreactor to the return shaft of the other photobioreactor. The connection lines can be illuminated. The coupling of photobioreactors serves to increase the system volume, whereby the homogeneity of the culture medium is ensured.

In einer Ausgestaltung des Fotobioreaktors weist dieser einen Erntebehälter auf, über den während des kontinuierlichen Betriebs Mikroorganismen aus dem Fotobioreaktor zur weiteren Verwendung abgezweigt werden können, ohne dass eine Unterbrechung des Kreislaufprozesses erforderlich ist. Bevorzugt ist der als Abschäumer ausgeführte Erntebehälter im oberen Bereich des Rückführungsschachtes angeordnet.In one embodiment of the photobioreactor, the latter has a harvesting container, via which microorganisms can be diverted from the photobioreactor for further use during continuous operation, without interrupting the circulation process. The harvesting container designed as a skimmer is preferably arranged in the upper region of the return shaft.

Es ist weiterhin möglich, dass innerhalb der Plattenmodule entlang der Längsrichtung verlaufende Zwischenwände eingebaut sind, sodass sich bei Zusammenstellung der Plattenmodule zum Plattenmodulstapel, mehrere parallele mäanderförmige Kanäle ausbilden. In den voneinander getrennten Parallelkanälen können unterschiedliche Mikroorganismen kultiviert werden.It is also possible that inside the plate modules along the longitudinal direction extending partitions are installed, so that when compiled the disk modules to the disk module stack, forming a plurality of parallel meandering channels. In the separate parallel channels different microorganisms can be cultivated.

Es kann vorgesehen sein, dass eine Abgasleitung am Erntebehälter mit dem Ausströmer verbunden ist. Dadurch ist es möglich, das Reaktorgas im Kreislauf zu führen und nach Bedarf mit Kohlendioxid anzureichern. Außerdem wird durch die Führung des Reaktorgases im geschlossenen Kreislauf das Risiko der Kontamination verringert.It can be provided that an exhaust pipe is connected to the crop container with the vent. This makes it possible to recycle the reactor gas and enrich it with carbon dioxide as needed. In addition, the closed loop management of the reactor gas reduces the risk of contamination.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert. Dazu zeigen

  • 1: den Fotobioreaktor im perspektivischen Längsschnitt, und
  • 2: ein Plattenmodul in der perspektivischen Ansicht.
The invention is explained in more detail below with reference to an embodiment with reference to the schematic drawings. Show this
  • 1 : the photo-bioreactor in perspective longitudinal section, and
  • 2 : a disk module in perspective view.

Im Fotobioreaktor gemäß 1 bilden zehn identisch aufgebaute kastenförmige, vertikal gestapelte und jeweils horizontal ausgerichtete Plattenmodule 1 den Plattenmodulstapel, der mit dem Rückführschacht 4 aus transparentem Kunststoff verbunden ist. Die Pfeile illustrieren die Durchströmung 2 des Kulturmediums durch den mäanderförmigen Kanal 18 im Plattenmodulstapel. Gemeinsam mit dem Rückführschacht 4 bildet der mäanderförmige Kanal 18 den Kreislaufkanal im Fotobioreaktor aus. Der mäanderförmige Kanal 18 im Plattenmodulstapel ist frei von Absätzen oder Vorsprüngen im Bereich der Stoßstellen benachbarter Plattenmodule 1. Der Rückführschacht 4 überragt in der Höhe den Plattenmodulstapel.In the photo bioreactor according to 1 form ten identically constructed box-shaped, vertically stacked and each horizontally oriented plate modules 1 the disk module stack with the return shaft 4 made of transparent plastic. The arrows illustrate the flow 2 of the culture medium through the meandering channel 18 in the disk module stack. Together with the return shaft 4 forms the meandering channel 18 the circulation channel in the photo bioreactor off. The meandering channel 18 in the plate module stack is free of heels or projections in the region of the joints of adjacent plate modules 1 , The return shaft 4 towers above the plate module stack in height.

Bei Betrieb wird durch den Ausströmer 3 sterile Luft in den Rückführschacht 4 eingeblasen. Die Initiierung bzw. die Aufrechterhaltung der Durchströmung 2 im Kreislaufkanal erfolgt nach dem Lufthebe- bzw. Airlift-Prinzip. Das Kulturmedium wird im Rückführschacht 4 nach oben gefördert und gelangt in das oberste Plattenmodul 1. Der Fotobioreaktor ist soweit mit Kulturmedium gefüllt, dass sich dessen Flüssigkeitsspiegel 13 im Rückführschacht 4 oberhalb des obersten Plattenmoduls 1 des Plattenmodulstapels ausbildet. Das Kulturmedium fließt vom obersten Plattenmodul 1 horizontal abwärts mäandrierend entlang des mäanderförmigen Kanals 18 bis zum untersten Plattenmodul 1 und schließlich zurück zum Rückführschacht 4.In operation, through the vent 3 sterile air into the return shaft 4 blown. The initiation or the maintenance of the flow 2 in the circulation channel takes place after Lufthebe- or Airlift principle. The culture medium is in the return shaft 4 promoted upward and gets into the top plate module 1 , The photobioreactor is so far filled with culture medium that its liquid level 13 in the return shaft 4 above the top plate module 1 forms the disk module stack. The culture medium flows from the top plate module 1 horizontally downwards meandering along the meandering channel 18 to the bottom plate module 1 and finally back to the return shaft 4 ,

In den Plattenmodulen 1 befindet sich die fotoaktive Zone zur Kultivierung der aquatischen Mikroorganismen. Im Rückführschacht 4 findet der Wasser- und Gasaustausch statt. Durch Flotation gelangen die Mikroorganismen kontinuierlich in den als Abschäumer ausgebildeten Erntebehälter 5 am oberen Endbereich des Rückführschachtes 4. Die kontinuierliche Entnahme der Mikroorganismen aus dem Kreislaufprozess erfolgt über die Ernteleitung 6. Am Erntebehälter 5 ist weiterhin die Abgasleitung 7 angebracht. Infolge der Anordnung des Erntebehälters 5 oberhalb des Plattenmodulstapels, d. h. oberhalb des obersten Plattenmoduls 1, können Reaktorgase, zum Beispiel der als Folge der Fotosynthesereaktion entstehende Sauerstoff, abgeführt werden.In the disk modules 1 is the photoactive zone for the cultivation of aquatic microorganisms. In the return shaft 4 the water and gas exchange takes place. By flotation, the microorganisms pass continuously into the designed as a skimmer crop container 5 at the upper end of the return shaft 4 , The continuous removal of microorganisms from the circulation process via the harvest line 6 , At the harvest container 5 is still the exhaust pipe 7 appropriate. Due to the arrangement of the harvest container 5 above the disk module stack, ie above the top disk module 1 , Reactor gases, for example, the resulting oxygen as a result of the photosynthesis reaction can be removed.

Eines der Plattenmodule 1, wie sie im Fotobioreaktor nach 1 verbaut sind, ist in der 2 wiedergegeben. Es weist die Bodenplatte 8, zwei Seitenwände 10, die Frontwand 12 und die Rückwand 11 auf. Die Bodenplatte 8 besteht aus dem lichtleitenden Material Polymethylmethacrylat. Sie besitzt auf der oberen und unteren Deckfläche eine durch Abrasivstrahlen erzeugte Mikrostrukturierung mit einer mittleren Rauheit Ra von 0,5 µm. An der Seitenfläche der Bodenplatte 8 sind die Leuchtmittel 9 in Form von Leuchtdioden so angebracht, dass das von den Leuchtdioden abgestrahlte Licht in das lichtleitende Material der Bodenplatte 8 eingeleitet bzw. eingekoppelt wird. Die Seitenwände 10 sowie die Frontwand 12 und die Rückwand 11 bestehen aus transparentem Kunststoff.One of the disk modules 1 as reflected in the photo bioreactor 1 are installed in the 2 played. It shows the bottom plate 8th , two side walls 10 , the front wall 12 and the back wall 11 on. The bottom plate 8th consists of the photoconductive material polymethylmethacrylate. It has on the upper and lower top surface a microstructure produced by abrasive blasting with an average roughness Ra of 0.5 microns. On the side surface of the bottom plate 8th are the bulbs 9 in the form of light-emitting diodes mounted so that the light emitted by the light-emitting diodes in the light-conducting material of the bottom plate 8th initiated or coupled. The side walls 10 as well as the front wall 12 and the back wall 11 consist of transparent plastic.

In der Rückwand 11 ist die Transferleitung 16 angebracht, durch die dem Fotobioreaktor Wasser, Kohlendioxid oder Nährstoffe für die Mikroorganismen zugeführt oder alternativ Mikroorganismen, zum Beispiel zu Prüfzwecken, entnommen werden.In the back wall 11 is the transfer line 16 attached, through which the photo bioreactor water, Carbon dioxide or nutrients supplied to the microorganisms or alternatively microorganisms, for example, for testing purposes, are removed.

Während des Betriebs fließt das Kulturmedium aus einem darüber angeordneten (nicht dargestellten) Plattenmodul 1 von oben in den Einlassbereich 14, durchströmt das Plattenmodul 1 und fließt aus der Auslassöffnung 15 in ein darunter angeordnetes (nicht dargestelltes) Plattenmodul 1.During operation, the culture medium flows from a disk module (not shown) above it 1 from the top into the inlet area 14 , flows through the disk module 1 and flows out of the outlet opening 15 into a disk module (not shown) underneath 1 ,

An den Innenseiten der Seitenwände 10 ist jeweils die Leitschiene 17 angebracht, wobei die in der perspektivischen Darstellung verdeckte Leitschiene 17 an der vorderen Seitenwand 10 durch die punktierte Linie dargestellt ist. Die Leitschiene 17 an der hinteren Seitenwand 10 in 3 ist als durchgezogene Linie im Sichtbereich wiedergegeben.On the insides of the side walls 10 is the guide rail 17 attached, wherein the concealed in the perspective view guide rail 17 on the front side wall 10 represented by the dotted line. The guardrail 17 on the back sidewall 10 in 3 is shown as a solid line in the field of view.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Plattenmodulboard module
22
Durchströmungflow
33
Ausströmer, Zufuhr für steriles GasOutlet, supply for sterile gas
44
RückführschachtFeedback shaft
55
Erntebehälterharvest container
66
Ernteleitungharvest line
77
Abgasleitungexhaust pipe
88th
Bodenplatte des PlattenmodulsBase plate of the plate module
99
LeuchtmittelLamp
1010
Seitenwand des PlattenmodulsSide wall of the plate module
1111
Rückwand des PlattenmodulsRear wall of the plate module
1212
Frontwand des PlattenmodulsFront wall of the disk module
1313
Flüssigkeitsspiegel des KulturmediumsLiquid level of the culture medium
1414
Einlassbereich des PlattenmodulsInlet area of the plate module
1515
Auslassöffnung des PlattenmodulsOutlet opening of the plate module
1616
Transferleitungtransfer line
1717
LeitschieneGuardrail
1818
mäanderförmiger Kanalmeandering channel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (10)

Fotobioreaktor zur Kultivierung von aquatischen Mikroorganismen mit mehreren, zu einem Plattenmodulstapel gestapelten Plattenmodulen (1), die im Plattenmodulstapel einen mäanderförmigen Kanal (18) ausbilden, und mit mindestens einem Rückführschacht (4), der zusammen mit dem mäanderförmigen Kanal (18) im Plattenmodulstapel einen Kreislaufkanal zur Durchströmung (2) eines Kulturmediums durch den Fotobioreaktor bildet, dadurch gekennzeichnet, dass - die Bodenplatte (8) jedes Plattenmoduls (1) aus einem lichtleitenden Material besteht, - wobei an mindestens einer Seitenfläche der Bodenplatte (8) Leuchtmittel (9) zur Einkopplung von Licht in die Bodenplatte (8) angebracht sind, und - wobei die Bodenplatte (8) eine lichtstreuende Mikrostruktur an mindestens einer ihrer Deckflächen oder eine lichtstreuende Innengravur aufweist.A photo bioreactor for cultivating aquatic microorganisms comprising a plurality of plate modules (1) stacked into a plate module stack forming a meandering channel (18) in the plate module stack, and at least one return well (4) co-located with the meandering channel (18) in the plate module stack Circulation channel for the flow (2) of a culture medium through the photobioreactor forms, characterized in that - the bottom plate (8) of each plate module (1) consists of a photoconductive material, - wherein at least one side surface of the bottom plate (8) lighting means (9) for Coupling light into the bottom plate (8), and - wherein the bottom plate (8) has a light-scattering microstructure on at least one of its top surfaces or a light-diffusing internal engraving. Fotobioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtstreuende Mikrostruktur eine aus mehreren abgegrenzten Bereichen bestehende Oberflächenstrukturierung auf der Deckfläche der Bodenplatte (8) ist.Photo bioreactor behind Claim 1 , characterized in that the light-diffusing microstructure is a surface structure consisting of several demarcated areas on the top surface of the bottom plate (8). Fotobioreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Plattenmodule (1) mit seinen im Plattenmodulstapel benachbarten Plattenmodulen (1) durch Formschluss gas- und flüssigkeitsdicht verbunden ist und das oberste und unterste Plattenmodul (1) des Plattenmodulstapels mittels Anschlussstücken jeweils mit dem Rückführschacht (4) gas- und flüssigkeitsdicht verbunden sind.Photo bioreactor behind Claim 1 or 2 , characterized in that each of the plate modules (1) with its in the plate module stack adjacent plate modules (1) gas-tight and liquid-tight manner is connected and the top and bottom plate module (1) of the plate module stack by means of fittings each with the return shaft (4) gas- and are connected liquid-tight. Fotobioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eines oder mehrere der Plattenmodule (1) jeweils mindestens eine Transferleitung (16) zur Zugabe von Wasser, Kohlendioxid und/oder Nährstoffen oder zur Entnahme von Proben des Kulturmediums aufweisen.Photo bioreactor after one of the Claims 1 to 3 , characterized in that one or more of the plate modules (1) each have at least one transfer line (16) for adding water, carbon dioxide and / or nutrients or for taking samples of the culture medium. Fotobioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Bodenbereich des Rückführschachtes (4) ein zu dessen Deckenbereich hin ausgerichteter Ausströmer (3) zur Zufuhr eines sterilen Gases in das Kulturmedium angeordnet ist.Photo bioreactor after one of the Claims 1 to 4 , characterized in that in the bottom region of the return shaft (4) is arranged to the ceiling region outwardly aligned vent (3) for supplying a sterile gas in the culture medium. Fotobioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Plattenmodule (1) kastenförmig ist, wobei die Innenseiten von zwei gegenüberliegenden Seitenwänden Leitschienen (17) aufweisen, deren Position und Ausrichtung im Anschlussbereich benachbarter Plattenmodule (1) übereinstimmen, wodurch im Plattenmodulstapel ein dem mäanderförmigen Kanal (18) folgendes, ununterbrochenes Leitschienensystem zur Führung von Zusatzgeräten im Hinblick auf Reinigung des Kanals (18), Verwirbelung oder Strömungsleitung des Kulturmediums und/oder Probenentnahme ausgebildet ist.Photo bioreactor after one of the Claims 1 to 5 characterized in that each of the plate modules (1) is box-shaped, the inner sides of two opposite side walls having guide rails (17) whose position and orientation in the connection area of adjacent plate modules (1) coincide, whereby a meandering channel (18) in the plate module stack the following, continuous guide rail system for guiding ancillary equipment with regard to cleaning the channel (18), turbulence or flow line of the culture medium and / or sampling is formed. Fotobioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass er Mittel zu Regelung der Beleuchtungsstärke der an der Bodenplatte (8) angebrachten Leuchtmittel (9) aufweist, die lösbar mit der Bodenplatte (8) verbunden sind.Photo bioreactor after one of the Claims 1 to 6 , characterized in that it comprises means for controlling the illuminance of the illuminant (9) attached to the bottom plate (8), which are detachably connected to the bottom plate (8). Fotobioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mäanderförmige Kanal (18) im Plattenmodulstapel an jeder Position den gleichen Querschnitt quer zur Richtung der Durchströmung (2) des Kulturmediums aufweist.Photo bioreactor after one of the Claims 1 to 7 , characterized in that the meandering channel (18) in the plate module stack at each position has the same cross section transverse to the direction of flow (2) of the culture medium. Fotobioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Fotobioreaktor Verbindungsleitungen zur fluidtechnischen Kopplung mit einem weiteren, baugleichen Fotobioreaktor aufweist.Photo bioreactor after one of the Claims 1 to 8th , characterized in that the photo bioreactor connecting lines for fluidic coupling with another, identical photo bioreactor has. Fotobioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Fotobioreaktor einen Erntebehälter (5) im oberen Bereich des Rückführungsschachtes (4) aufweist.Photo bioreactor after one of the Claims 1 to 9 , characterized in that the photo-bioreactor has a harvesting container (5) in the upper region of the return shaft (4).
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