DE102021106241B4

DE102021106241B4 - Device for cultivating microorganisms

Info

Publication number: DE102021106241B4
Application number: DE102021106241.1A
Authority: DE
Inventors: Bernd Ihlow
Original assignee: Individual
Current assignee: Quink Monika De
Priority date: 2021-03-15
Filing date: 2021-03-15
Publication date: 2023-04-06
Anticipated expiration: 2041-03-16
Also published as: DE102021106241A1; WO2022194834A1

Abstract

Vorrichtung zum Kultivieren von Mikroorganismen, bevorzugterweise von phototrophen Mikroorganismen, vorzugsweise Phytoplankton, insbesondere Mikroalgen, wie Spirulina oder Chlorella, umfassend einen Behälter (10, 100) mit Ein- und Auslass (12) für den Behälter durchströmende Nährflüssigkeit sowie zumindest eine Leiteinrichtung (40, 42, 44) für die durchströmende Nährflüssigkeit, dadurch gekennzeichnet , dass die Leiteinrichtung (40, 42, 44) wendelförmig ausgebildet ist.Device for cultivating microorganisms, preferably phototrophic microorganisms, preferably phytoplankton, in particular microalgae such as spirulina or chlorella, comprising a container (10, 100) with an inlet and outlet (12) for the nutrient liquid flowing through the container and at least one guide device (40, 42, 44) for the nutrient liquid flowing through, characterized in that the guide device (40, 42, 44) is designed helically.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Kultivieren von Mikroorganismen, bevorzugterweise von phototrophen Mikroorganismen, vorzugsweise Phytoplankton, insbesondere Mikroalgen, wie Spirulina oder Chlorella, umfassend einen Behälter mit Ein- und Auslass für den Behälter durchströmende Nährflüssigkeit sowie zumindest eine Leiteinrichtung für die durchströmende Nährflüssigkeit.The invention relates to a device for cultivating microorganisms, preferably phototrophic microorganisms, preferably phytoplankton, in particular microalgae such as spirulina or chlorella, comprising a container with an inlet and outlet for the nutrient liquid flowing through the container and at least one guide device for the nutrient liquid flowing through.

Mikroorganismen wie Mikroalgen werden für Pharmazeutika, Nahrungsmittel, Chemiestoffe genutzt, um nur beispielhaft einige Produkte zu nennen. Daher besteht ein Bedürfnis, diese in Massen zu produzieren. Aufgrund der bisherigen hohen Produktionskosten sind Schranken bei der Verwendung gesetzt. Nachteilig bekannter Produktionsanlagen ist auch, dass bei großen Produktionsanlagen bei Auftreten einer Kontamination aufwendige Reinigungsarbeiten erforderlich sind und häufig die Gesamtcharge, die sich in der Produktionsanlage befindet, vernichtet werden muss.Microorganisms such as microalgae are used for pharmaceuticals, food and chemicals, to name just a few products. Therefore, there is a need to mass-produce them. Due to the previous high production costs, there are limits to their use. Another disadvantage of known production plants is that in large production plants, if contamination occurs, complex cleaning work is required and the entire batch that is in the production plant often has to be destroyed.

Der WO 2015/032389 ist eine Produktionsanlage zu entnehmen, die ein Gehäuse mit vertikal verlaufenden Trennwänden aufweist, um eine mäanderförmige Strömung der zur Algenproduktion benutzten Lösung zu ermöglichen. Die für das Algenwachstum erforderliche Beleuchtung ist an den Stirnflächen der Trennwände angebracht. Tritt eine Kontamination auf, so dass die Vorrichtung zu reinigen ist, muss diese vollständig entleert werden. Dabei müssen die durch die vertikalen Trennwände unterteilten Bereiche einzeln gesäubert werden.The WO 2015/032389 shows a production plant that has a housing with vertical partitions to allow a meandering flow of the solution used for algae production. The lighting required for algae growth is attached to the front faces of the partition walls. If contamination occurs so that the device has to be cleaned, it must be emptied completely. The areas divided by the vertical partitions must be cleaned individually.

Um bei Kontaminationen große Chargen nicht vernichten zu müssen, ist es bekannt, Mikroorganismen in relativ kleinen Gefäßen wie Flaschen zu produzieren ( EP 2 987 400 B1 , DE 10 2009 028 059 A1 ). Nachteilig ist dabei, dass die zum Wachstum benötigte Strahlung grundsätzlich nur von außen appliziert werden kann, so dass es erforderlich ist, den Inhalt der Behältnisse fortwährend zu durchmischen, wie z.B. durch Drehen, Schütteln oder Rollen. Auch werden Rühreinrichtungen benutzt, die in die Behältnisse eingebaut werden.In order not to have to destroy large batches in the event of contamination, it is known to produce microorganisms in relatively small vessels such as bottles ( EP 2 987 400 B1 , DE 10 2009 028 059 A1 ). The disadvantage here is that the radiation required for growth can basically only be applied from the outside, so that it is necessary to continuously mix the contents of the containers, for example by turning, shaking or rolling. Stirring devices built into the containers are also used.

Aus der DE 10 2012 214 493 A1 ist ein Photobioreaktor zur Kultivierung von phototropher Organismen bekannt. Der Reaktor besteht aus einem zylinderförmigen Körper, der von einem lichtdurchlässigen Dach abgedeckt ist. Innerhalb des Reaktors verläuft etagenförmig ein transparentes Leitungssystem, das von Nährflüssigkeit durchströmt ist.From the DE 10 2012 214 493 A1 a photobioreactor for the cultivation of phototrophic organisms is known. The reactor consists of a cylindrical body covered by a translucent roof. Inside the reactor, a transparent line system runs in tiers, through which the nutrient liquid flows.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass großtechnisch Mikroorganismen kultiviert werden können, ohne dass ein hoher konstruktiver Aufwand betrieben werden muss.The present invention is based on the object of further developing a device of the type mentioned at the outset in such a way that microorganisms can be cultivated on an industrial scale without a high level of structural effort having to be made.

Nach einem weiteren Aspekt soll die Möglichkeit eines einfachen Entleerens der Vorrichtung, insbesondere im Falle einer Kontamination, gegeben sein.According to a further aspect, there should be the possibility of simply emptying the device, in particular in the event of contamination.

Auch soll im Falle des Kultivierens phototropher Mikroorganismen gewährleistet sein, dass die Nährlösung, in der die Mikroorganismen wachsen, einer Strahlung in hinreichendem Umfang ausgesetzt werden, ohne dass zusätzliche aufwendige Maßnahmen zum Durchmischen der Nährflüssigkeit erforderlich sind.In the case of cultivating phototrophic microorganisms, it should also be ensured that the nutrient solution in which the microorganisms grow is exposed to radiation to a sufficient extent, without additional complex measures for mixing the nutrient liquid being necessary.

Zur Lösung der Aufgabe sieht die Erfindung im Wesentlichen vor, dass die Leiteinrichtung wendelförmig ausgebildet ist.In order to achieve the object, the invention essentially provides that the guiding device is embodied helically.

Abweichend von vorbekannten Konstruktionen, bei denen die Produktion der Mikroorganismen in großen Anlagen produziert werden, also nicht in Flaschen oder kleinen Behältnissen, wie diese dem Stand der Technik zu entnehmen ist, erfolgt kein mäanderförmiges Durchströmen des Behälters, sondern ein Führen der Nährflüssigkeit entlang einer wendelförmig ausgebildeten Leiteinrichtung. Somit ist eine konstruktiv einfache Lösung gegeben, die insbesondere den Vorteil bietet, dass ein problemloses vollständiges Entleeren des Behälters durch eine im Bodenbereich vorhandene Öffnung ermöglicht wird.In contrast to previously known constructions, in which the microorganisms are produced in large plants, i.e. not in bottles or small containers, as can be seen in the prior art, there is no meandering flow through the container, but the nutrient liquid is guided along a helical path trained control system. A structurally simple solution is thus provided, which in particular offers the advantage that the container can be completely emptied without any problems through an opening in the floor area.

Daher sieht die Erfindung insbesondere vor, dass bodenseitig der Auslass und kopfseitig der Einlass vorhanden sind. Der Behälter selbst sollte eine Zylinderform aufweisen.Therefore, the invention provides in particular that the outlet is present on the bottom side and the inlet is present on the head side. The container itself should have a cylindrical shape.

Hervorzuheben ist des Weiteren, dass die Leiteinrichtung eine eine Spiralbahn bildende Führungseinrichtung aufweist, entlang der die Nährflüssigkeit strömt. Dabei ist die Leiteinrichtung gegenüber der Behälterinnenwandung abgedichtet und geht mittig von einer Spindel oder Säule aus oder weist eine solche auf.It should also be emphasized that the guide device has a guide device that forms a spiral track, along which the nutrient liquid flows. In this case, the guide device is sealed off from the inner wall of the container and extends centrally from a spindle or column or has one.

Vorzugsweise ist der Behälter aus zylinderförmigen Segmenten zusammengesetzt, von deren Innenseiten Abschnitte der Führungseinrichtung ausgehen.The container is preferably composed of cylindrical segments, from the insides of which sections of the guide device extend.

Um phototrophe Mikroorganismen mit der zum Wachsen erforderlichen Strahlung in hinreichendem Umfang aussetzen zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass mehrere radial sich in den Behälter erstreckende Lichtquellen vorgesehen sind. Diese können über Durchtrittsöffnungen in der Behälterwandung in den Behälter eingeführt werden. Dabei können die langgestreckten Lichtquellen, bei denen es sich insbesondere um LED-Röhren handelt, eine Bahn aufspannen, die zumindest abschnittsweise parallel zur Führungseinrichtung verläuft.In order to be able to sufficiently expose phototrophic microorganisms to the radiation required for growth, it is provided according to the invention that several light sources are provided which extend radially into the container. These can be opened via passage openings in the container wall are introduced into the container. The elongated light sources, which are in particular LED tubes, can span a path that runs parallel to the guide device, at least in sections.

Ein entsprechender Behälter kann z.B. eine in Bezug auf die Nährflüssigkeit effektive Höhe von drei Metern und einem Durchmesser von zwei Metern aufweisen.A corresponding container can, for example, have an effective height of three meters with respect to the nutrient liquid and a diameter of two meters.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmal - für sich oder / in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen.Further details, advantages and features of the invention result not only from the claims, the features to be taken from them--alone or/in combination--but also from the following description of preferred exemplary embodiments.

Es zeigen:

1 einen Behälter zum Kultivieren von Mikroorganismen,
2 der Behälter gemäß 1 in Draufsicht,
3 einen Schnitt entlang der Linie A-A in 2,
4 der Behälter gemäß 3 in auseinandergezogener Darstellung,
5 ein Segment des Behälters,
6 eine zweite Ausführungsform eines Behälters und
7 Einbauten des Behälters gemäß 6.

Show it:

1 a container for cultivating microorganisms,
2 the container according to 1 in top view,
3 a cut along the line AA in 2 ,
4 the container according to 3 in exploded view,
5 a segment of the container,
6 a second embodiment of a container and
7 Installations of the container according to 6 .

Anhand der Figuren werden Vorrichtungen zum Kultivieren von Mikroorganismen, insbesondere phototrophen Mikroorganismen, wie Mikroalgen, beschrieben, mit denen eine großtechnische Produktion ermöglicht wird. Dabei strömt die zum Wachsen der Mikroorganismen benötigte Nährlösung nicht entlang einer mäanderförmigen Strecke, sondern fließt insbesondere schwerkraftbedingt entlang eines wendelförmigen, also schrauben- oder zylinderspiralförmigen Weg. Ein entsprechender Strömungsweg wird in den Ausführungsbeispielen in einem zylinderförmigen Tank 10, 100, 100 gebildet. In diesem befinden sich entsprechende Führungseinrichtungen als Einbauten.Devices for cultivating microorganisms, in particular phototrophic microorganisms such as microalgae, are described with reference to the figures, with which large-scale production is made possible. The nutrient solution required for the growth of the microorganisms does not flow along a meandering path, but flows along a helical, ie helical or cylindrical spiral path, in particular due to the force of gravity. A corresponding flow path is formed in a cylindrical tank 10, 100, 100 in the exemplary embodiments. In this are corresponding guide devices as internals.

Wie sich aus der 3 ergibt, weist der Behälter 10 bodenseitig einen als Auslass dienenden Anschluss 12 auf, um über diesen aus dem Behälter 10 strömende Nährlösung mittels einer Kreislaufpumpe 14 zu einer Öffnung im Kopfbereich des Behälters 10 zu fördern, so dass die Nährlösung im Kreislauf strömen kann.As emerges from the 3 results, the container 10 has a connection 12 serving as an outlet on the bottom side, in order to convey the nutrient solution flowing out of the container 10 by means of a circulating pump 14 to an opening in the top area of the container 10, so that the nutrient solution can flow in the circuit.

Im Ausführungsbeispiel der 1 bis 5 besteht der Behälter aus Segmenten 18, 20, 22, 24, 26, wie dies sich insbesondere auch aus der auseinandergezogenen Darstellung gemäß 4 ergibt. Das unterste Segment 18 ist ein Bodensegment und weist eine Bodenwandung 28 auf. Das oberste Segment 26 wird über einen Deckel 38 verschlossen. Die Segmente 18, 20, 22, 24, 26 selbst können untereinander verschweißt werden und bestehen insbesondere aus Stahl, vorzugsweise V2A Stahl.In the embodiment of 1 until 5 the container consists of segments 18, 20, 22, 24, 26, as can be seen in particular from the exploded view according to FIG 4 results. The bottom segment 18 is a floor segment and has a floor wall 28 . The top segment 26 is closed by a cover 38 . The segments 18, 20, 22, 24, 26 themselves can be welded to one another and consist in particular of steel, preferably V2A steel.

Im Ausführungsbeispiel ist der Behälter 10 über Beine 30, 32, 34, 36 abgestützt.In the exemplary embodiment, the container 10 is supported by legs 30,32,34,36.

In den Segmenten 20, 22, 24, 26 befinden sich Abschnitte einer eine Spiralbahn bildenden Führungseinrichtung 40. Einige der von den Segmenten 18, 20, 22, 24, 26 ausgehenden Abschnitte sind mit den Bezugszeichen 42, 44 gekennzeichnet.In the segments 20, 22, 24, 26 there are sections of a guide device 40 forming a spiral track.

Das Segment 26 ist in 5 vergrößert dargestellt. Man erkennt den Abschnitt 42, der einen Spiralabschnitt darstellt und somit eine geneigte, also eine schräge Führungsbahn 44 für die entlang dieser strömenden Nährflüssigkeit bildet, wie die entsprechenden Abschnitte in den Segmenten 18, 20, 22, 24. Dabei gehen die Abschnitte stetig ineinander über.The segment 26 is in 5 shown enlarged. Section 42 can be seen, which represents a spiral section and thus forms an inclined, i.e. a sloping, guideway 44 for the nutrient liquid flowing along it, like the corresponding sections in segments 18, 20, 22, 24. The sections continuously merge into one another .

Des Weiteren geht jeder Abschnitt 42, 44 von einem Abschnitt einer Säule oder Spindel 50 aus, die die erforderliche Stabilität und Statik für die Abschnitte 42, 44 sicherstellt. Die Säule 50 verläuft mittig in dem Behälter 10 und in dessen Längsachsenrichtung.Furthermore, each section 42, 44 originates from a section of a column or spindle 50, which ensures the necessary stability and statics for the sections 42, 44. The column 50 runs centrally in the container 10 and in its longitudinal axis direction.

Ferner sind die Wendelabschnitte 42, 44 mit den Innenflächen 52 der Segmente 20, 22, 24, 26 dicht verbunden, insbesondere durch Schweißen, so dass die Nährflüssigkeit ausschließlich entlang der eine Spiralgeometrie aufweisenden Führungseinrichtung strömen muss, und zwar vom obersten Segment 26 zum Bodensegment 18 hin.Furthermore, the helical sections 42, 44 are tightly connected to the inner surfaces 52 of the segments 20, 22, 24, 26, in particular by welding, so that the nutrient liquid only has to flow along the guide device, which has a spiral geometry, from the top segment 26 to the bottom segment 18 there.

Um die Nährlösung der erforderlichen Strahlung zum Wachsen der phototrophen Mikroorganismen aussetzen zu können, weisen die Segmente Öffnungen auf, von denen einige mit den Bezugszeichen 54, 58 gekennzeichnet sind. In die Öffnungen können stabförmige Lichtquellen, wie LED-Röhren 58, 60, eingeschoben und abgedichtet gegenüber der Behälterwandung fixiert werden. Dabei erstrecken sich die Lichtquellen - wie insbesondere die 4 verdeutlicht - insbesondere radial innerhalb des Behälters 10. Kann von jeder der Öffnungen 56, 58 eine entsprechende stabförmige Lichtquelle ausgehen, so ist dies kein zwingendes Merkmal. Nicht benutzte Öffnungen werden dicht verschlossen.In order to be able to expose the nutrient solution to the necessary radiation for the growth of the phototrophic microorganisms, the segments have openings, some of which are indicated by the reference numerals 54, 58. Rod-shaped light sources, such as LED tubes 58, 60, can be pushed into the openings and fixed in a sealed manner relative to the container wall. The light sources extend - in particular the 4 makes clear--in particular radially inside the container 10. If a corresponding rod-shaped light source can emanate from each of the openings 56, 58, this is not a mandatory feature. Unused openings are sealed tightly.

Durch eine diesbezügliche Konstruktion kann zum einen die erforderliche Strahlung appliziert werden. Zum anderen kann ein problemloser Austausch erfolgen bzw. können in Abhängigkeit von der benötigten Lichtleistung eine entsprechende Anzahl von Lichterquelle in gewünschte Öffnungen eingeschoben werden. Die von den Leuchten emittierte Strahlung sollte im Wellenlängenbereich zwischen 430 nm und 680 nm liegen.By designing in this regard, the required radiation can be applied on the one hand the. On the other hand, a problem-free exchange can take place or, depending on the required light output, a corresponding number of light sources can be inserted into the desired openings. The radiation emitted by the lights should be in the wavelength range between 430 nm and 680 nm.

Ein entsprechender Behälter kann jedoch auch zur Produktion heterotropher Mikroorganismen genutzt werden. Dabei wird zur Kultivierung Zucker oder Essigsäure (Acetat) anstelle von Licht und CO₂ verwendet. Weitere Zusätze zur Nährlösung erfolgen gemäß dem Stand der Technik.However, a corresponding container can also be used for the production of heterotrophic microorganisms. Sugar or acetic acid (acetate) is used for cultivation instead of light and CO ₂ . Further additions to the nutrient solution are made in accordance with the prior art.

Der den 6 und 7 zu entnehmende Behälter unterscheidet sich von dem der 1 und 5 dahingehend, dass ersterer nicht in Segmentbauweise hergestellt ist. So ist zur Erzielung der spiralförmig verlaufenden Strömung der Nährlösung ein Einsatz 102 vorgesehen, der in der zeichnerischen Darstellung einstückig ausgebildet ist, wenngleich dies kein zwingendes Merkmal ist. Auch ist keine Spindel oder Säule eingezeichnet, die üblicherweise bei entsprechenden Spiralelementen vorhanden ist.the the 6 and 7 container to be removed differs from that of the 1 and 5 to the extent that the former is not made in segment construction. Thus, to achieve the spiral flow of the nutrient solution, an insert 102 is provided, which in the drawing is formed in one piece, although this is not a mandatory feature. Also, no spindle or pillar is drawn, which is usually present at corresponding spiral elements.

Im Übrigen ergeben sich die im Zusammenhang mit den 1 bis 5 beschriebenen Vorteile auch bei dem Behälter 10 zum Kultivieren von Mikroorganismen. Insoweit wird auf die entsprechenden Ausführungen verwiesen.Incidentally, arise in connection with the 1 until 5 described advantages also in the container 10 for culturing microorganisms. In this respect, reference is made to the corresponding explanations.

Der eine Zylinderform aufweisende Behälter 10, 100 kann ein Fassungsvermögen von z.B. 10m³ aufweisen. Der Durchmesser kann zwischen 2.200 mm und 2.400 mm betragen. Die Ganghöhe der Wendel sollte im Bereich von 500 mm liegen.The container 10, 100 having a cylindrical shape can have a capacity of, for example, 10m ³ . The diameter can be between 2,200 mm and 2,400 mm. The pitch of the helix should be in the range of 500 mm.

Bevorzugterweise wird der Behälter 10, 100 mit 50 LED-Röhren bestückt, wobei die Leistung einer Halogenröhre bei 36 Watt liegen sollte. Die Farbtemperatur sollte 6.500 K betragen.Preferably, the container 10, 100 is equipped with 50 LED tubes, with the power of a halogen tube should be 36 watts. The color temperature should be 6,500 K.

Claims

Device for cultivating microorganisms, preferably phototrophic microorganisms, preferably phytoplankton, in particular microalgae such as spirulina or chlorella, comprising a container (10, 100) with an inlet and outlet (12) for the nutrient liquid flowing through the container and at least one guide device (40, 42, 44) for the nutrient liquid flowing through, characterized in that the guide device (40, 42, 44) is designed helically.

device after claim 1 , characterized in that the container (10, 100) has a cylindrical shape with a head-side inlet and a bottom-side outlet (12).

device after claim 1 or 2 , characterized in that the guiding device (40, 42, 44, 102) has a guiding device forming a spiral track, which extends in the direction of the longitudinal axis of the container (10, 100).

Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the container has a plurality of light sources (58, 60) which preferably extend radially into the container.

Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the light sources (58, 60) or holders for these pass through openings (56, 62) in the container wall.

Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the container (10) is composed of segments (18, 20, 22, 24, 26) from the insides of which sections (42, 44) of the guide device (40) extend.

Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the sections (42, 44) of the guide device (40) are connected centrally to sections of a spindle or a column (50).