DE102021124016A1

DE102021124016A1 - Bioreaktor und Verfahren zum Betreiben eines Bioreaktors

Info

Publication number: DE102021124016A1
Application number: DE102021124016.6A
Authority: DE
Inventors: Ferdinand Bierbrauer; Franz-Josef Major
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-09-16
Filing date: 2021-09-16
Publication date: 2023-03-16
Anticipated expiration: 2041-09-17
Also published as: DE202021105345U1; DE102021124016B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Bioreaktor zur Aufnahme eines flüssigen Kulturmediums und ein Verfahren zum Betreiben eines Bioreaktors zum Produzieren von phototropen Organismen und Zellkulturen, insbesondere von (Mikro-)Algen, Pilzen, Hefen und Bakterien.
Um einen Bioreaktor zu schaffen, der für eine energieeffiziente Zucht von phototropen Organismen und Zellkulturen ausgebildet ist, wird im Rahmen der Erfindung vorgeschlagen, daß der Bioreaktor mindestens eine lichtdurchlässige Röhre aufweist, die sich im Innenbereich des Bioreaktors durch das flüssige Kulturmedium hindurch erstreckt und in der Leuchtmittel angeordnet sind.
Durch das Vorsehen von lichtdurchlässigen Röhren, die sich durch das flüssige Kulturmedium hindurch erstrecken und in welchen die Leuchtmittel angeordnet sind, kann bei vertretbaren Energiekosten ausreichend Licht in das Kulturmedium eingebracht werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Bioreaktor zur Aufnahme eines flüssigen Kulturmediums und ein Verfahren zum Betreiben eines Bioreaktors zum Produzieren von phototropen Organismen und Zellkulturen, insbesondere von (Mikro-)Algen, Pilzen, Hefen und Bakterien.
Aus der DE 20 2014 006 168 U1 ist eine Anlage zur Aufzucht von Spirulina-Algen bekannt, wobei diese Anlage zumindest ein Produktionsbecken aufweist. Hierbei erfolgt der Lichteintrag wahlweise durch den natürlichen Lichteintrag und/oder eine bevorzugt regelbare künstliche Beleuchtung, welche oberhalb des Produktionsbeckens angeordnet ist.
Die DE 20 2013 101 774 beschreibt einen geschlossenen Bioreaktor zur Algenzucht, umfassend einen Tankkörper, der zur Aufnahme eines flüssigen Kulturmediums für die Kultivierung von Algen dient, wobei der Tankkörper undurchsichtig ist und einen Deckel aus lichtundurchlässigem Material aufweist, wobei im Innern des Tankkörpers mindestens eine Lichtemissionsvorrichtung an den oberen Deckel gekoppelt ist und sich hauptsächlich nach unten entlang der Längsrichtung erstreckt, so daß mindestens ein Teil der mindestens einen Lichtemissionsvorrichtung in das flüssige Kulturmedium eintaucht.
In der Dissertation „Entwicklung und Bewertung eines Verfahrens zur Herstellung von Fucoxanthin und Eicosapentaensäure“ von Felix Derwenskus, Universität Stuttgart, 2020 wird ein Flach-Platten-Airlift-Photobioreaktor beschrieben.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Bioreaktor zu schaffen, der für eine energieeffiziente Zucht von phototropen Organismen und Zellkulturen ausgebildet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Bioreaktor mindestens eine lichtdurchlässige Röhre aufweist, die sich im Innenbereich des Bioreaktors durch das flüssige Kulturmedium hindurch erstreckt und in der Leuchtmittel angeordnet sind.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Effizienz von Bioreaktoren häufig durch die Menge an in das flüssige Kulturmedium eindringenden Lichts begrenzt wird. Durch das Vorsehen von lichtdurchlässigen Röhren, die sich durch das flüssige Kulturmedium hindurch erstrecken und in welchen die Leuchtmittel angeordnet sind, kann bei vertretbaren Energiekosten ausreichend Licht in das Kulturmedium eingebracht werden. Bei einem Volumen des Bioreaktors von beispielsweise 1.000 l sind erfindungsgemäß 3 bis 20, vorzugsweise 5 bis 15 und besonders bevorzugt 8 bis 12 lichtdurchlässige Röhren mit Leuchtmitteln vorgesehen. Selbstverständlich kann der Bioreaktor auch größer oder kleiner sein und je nach Lichtemission der Leuchtmittel bzw. Lichtbedarf der zu produzierenden Organismen die relative Anzahl der Röhren größer oder kleiner sein. Die Leuchtmittel können durch Herausziehen aus den lichtdurchlässigen Röhren bei Bedarf im laufenden Betrieb des Bioreaktors ausgetauscht werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung erstrecken sich die lichtdurchlässigen Röhren in im Wesentlichen horizontaler Richtung von einer Seite des Bioreaktormantels zur gegenüberliegenden Seite des Bioreaktormantels.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind die Leuchtmittel als LED-Leuchtelemente ausgebildet.
LED-Leuchtelemente zeichnen sich durch einen geringen Preis, eine lange Lebensdauer, eine gute Energieausbeute und die gute Steuerbarkeit hinsichtlich Lichtemission, Lichtfarbe und Leuchteffekten aus.
Vorzugsweise sind die lichtdurchlässigen Röhren als Acrylglasröhren ausgestaltet.
Selbstverständlich können auch andere lichtdurchlässige Materialien verwendet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Zulauf für das flüssige Kulturmedium an der Oberseite des Bioreaktors und der Ablauf für das flüssige Kulturmedium an der Unterseite des Bioreaktors angeordnet.
Eine Zirkulation des flüssigen Kulturmediums innerhalb des Bioreaktors wird durch Pumpen unterstützt. Hierbei tritt das flüssige Kulturmedium jeweils an der Oberseite in den Bioreaktor ein und verläßt ihn an der Unterseite. Es ist auch möglich, mehrere Bioreaktoren miteinander zu koppeln, wobei das flüssige Kulturmedium diese dann nacheinander durchströmt.
In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, daß im unteren Bereich des Bioreaktors eine Kohlendioxid-Zuführung angeordnet ist.
Das optimale Wachstum einer Vielzahl von Organismen, insbesondere von Algen, hängt wesentlich von der zur Verfügung gestellten Menge an Kohlendioxid (CO₂) ab. Daher wird Aquakulturen neben dem Kohlendioxid, das aus der Luft in die Kultur gelangt, oft auch zusätzlich Kohlendioxid zugeführt, beispielsweise aus Druckflaschen. So wachsen die Algen nicht nur schneller, sondern produzieren auch mehr Sauerstoff. Durch das Zugeben des Kohlendioxids an der Unterseite und die Zirkulation des flüssigen Kulturmediums von oben nach unten wird eine optimale Aufnahme des Kohlendioxids durch die Organismen sichergestellt.
In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, daß im oberen Bereich des Bioreaktors ein Abzug für überschüssiges Kohlendioxid und Sauerstoff angeordnet ist.
Weiterhin ist es zweckmäßig, daß Mittel zum Messen und Steuern des pH-Wertes des flüssigen Kulturmediums vorgesehen sind.
Der Start-pH-Wert des flüssigen Kulturmediums liegt im Bereich zwischen ca. 9 und 9,5. Während des Wachstums der Organismen steigt der pH-Wert an und der Gesamt-Carbonat-Gehalt sinkt. Bicarbonat (HCO₃ ^-) ist die bevorzugte Kohlenstoffquelle für die Organismen. Die Bicarbonat-Ionen werden aktiv in die Zelle transportiert und dann in Carbonat (CO₃ ^2-) und Kohlendioxid (CO₂) umgewandelt. Kohlendioxid wird für die Photosynthese genutzt und Carbonat wird wieder an das flüssige Kulturmedium abgegeben und treibt den pH-Wert in die Höhe. Durch erhöhte Konzentration an Hydroxidionen wird das flüssige Kulturmedium alkalisch, weshalb regelmäßig der pH-Wert ermittelt und dann auf den gewünschten Wert eingestellt werden muß.
Ebenfalls ist es zweckmäßig, daß Mittel zum Messen und Steuern der Temperatur des flüssigen Kulturmediums vorgesehen sind.
Je nach Art der in dem Bioreaktor gezüchteten Organismen muß die Temperatur des flüssigen Kulturmediums auf die für ein Wachstum optimale Temperatur eingestellt werden. Hierzu können Heiz- und/oder Kühlvorrichtungen an dem Bioreaktor angeordnet sein, die über entsprechende Steuermittel gesteuert werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß eine Vorrichtung zum Entkeimen des Wassers für das flüssige Kulturmedium vorgesehen ist.
Eine solche Vorrichtung kann als Entkeimungsbecken ausgestaltet sein, das mit Frischwasser befüllt wird. Das Frischwasser wird vorzugsweise mittels UV-C-Strahlung entkeimt (beispielsweise mit einer Anlage, die nach dem PURION-Verfahren arbeitet), wobei Bakterien und Viren abgetötet werden. Das entkeimte Wasser wird dann über ein Dosierventil in den bzw. die Bioreaktoren geleitet und mit den zu produzierenden Organismen bzw. Zellkulturen versetzt, die dann zu wachsen beginnen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß ein Vorkonzentrator zum Aufkonzentrieren des aus dem Bioreaktor entnommenen flüssigen Kulturmediums mit den gezüchteten Organismen sowie eine Trocknungsvorrichtung vorgesehen sind.
Sobald in einem Bioreaktor die Organismenkonzentration einen vorgegebenen Sollwert erreicht, startet die Ernte. Hierzu wird über ein Reglerventil mit einer Pumpe mit den gezüchteten Organismen versetztes flüssiges Kulturmedium vorzugsweise zunächst in einen Vorratsbehälter geleitet. Anschließend wird das Reglerventil geschlossen und die Pumpe wird ausgeschaltet. Das mit den gezüchteten Organismen versetzte flüssige Kulturmedium wird in einen Vorkonzentrator geleitet, in dem durch Filtration eine Aufkonzentration von ca. 2 % Trockenmasse auf ca. 10 % Trockenmasse erfolgt. Die so erhaltene zähflüssige Masse wird anschließend getrocknet oder im zähflüssigen Zustand weiterverarbeitet.
Die Trocknungsvorrichtung kann beispielsweise als Kondensationstrockner, als Wirbelschichttrockner, als Sprühtrockner, als Infrarottrockner oder als Vakuumkonustrockner ausgestaltet sein.
Nach der Trocknung liegt die Masse in einem leicht verklebten Zustand vor. Diese Masse wird beispielsweise in einer Hammermühle in ein leichtes und fein gemahlenes Pulver vermahlen, das anschließend verpackt werden kann.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Produzieren von phototropen Organismen und Zellkulturen, insbesondere von (Mikro-)Algen, Pilzen, Hefen und Bakterien, das folgende Verfahrensschritte umfaßt.

• Entkeimen von Wasser mittels UV-C-Strahlung,
• Versetzen des entkeimten Wassers mit den zu produzierenden Organismen bzw. Zellkulturen und Behandeln des so hergestellten flüssigen Kulturmediums in einem Bioreaktor, der mindestens eine lichtdurchlässige Röhre aufweist, die sich im Innenbereich des Bioreaktors durch das flüssige Kulturmedium hindurch erstreckt und in der Leuchtmittel angeordnet sind,
• Entnahme von flüssigem Kulturmedium mit den gezüchteten Organismen und Überführen in einen Vorkonzentrator, in dem die gezüchteten Organismen durch Filtrieren aufkonzentriert werden,
• Trocknen des Vorkonzentrats in einer Trocknungsvorrichtung,
• Zermahlen der getrockneten Masse, vorzugsweise in einer Hammermühle.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen

1 einen erfindungsgemäßen Bioreaktor in Seitenansicht,
2 einen erfindungsgemäßen Bioreaktor in zu 1 um 90° gedrehter Seitenansicht,
3 einen erfindungsgemäßen Bioreaktor in Draufsicht,
4 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Produzieren von phototropen Organismen und Zellkulturen, insbesondere von (Mikro-)Algen, Pilzen, Hefen und Bakterien.

In den 1, 2 und 3 ist ein erfindungsgemäßer Bioreaktor zur Aufnahme eines flüssigen Kulturmediums zum Produzieren von phototropen Organismen und Zellkulturen, insbesondere von (Mikro-)Algen, Pilzen, Hefen und Bakterien dargestellt. Der Bioreaktor weist einen Mantel (A) auf, welcher beispielsweise zylindrisch oder polygonal geformt sein kann.
Der Bioreaktor weist mindestens eine, vorzugsweise mehrere lichtdurchlässige Röhren (E) auf, die sich im Innenbereich des Bioreaktors durch das flüssige Kulturmedium hindurch erstreckt und in der Leuchtmittel angeordnet sind. Im gezeigten Beispiel weist der Bioreaktor, der ein Volumen von 1.000 hat, 10 solche lichtdurchlässigen Röhren (E) auf, die sich in im Wesentlichen horizontaler Richtung von einer Seite des Mantels (A) zur gegenüberliegenden Seite des Mantels (A) erstrecken. Die lichtdurchlässigen Röhren (E) sind als Acrylglasröhren ausgestaltet und die Leuchtmittel sind als LED-Leuchtelemente ausgebildet.
An der Oberseite des Bioreaktors ist ein Zulauf (D) für das flüssige Kulturmedium und an der Unterseite des Bioreaktors ist ein Ablauf (H) für das flüssige Kulturmedium angeordnet.
Im unteren Bereich des Bioreaktors ist eine Kohlendioxid-Zuführung (G) angeordnet, der in eine Kohlendioxid-Bedüsung (F) mündet, über die das Kohlendioxid in das flüssige Kulturmedium eingebracht wird.
Im oberen Bereich des Bioreaktors ist ein Abzug (B) für überschüssiges Kohlendioxid und Sauerstoff angeordnet.
Der Bioreaktor weist weiterhin einen Mannlochdeckel (C) auf, der beispielsweise eine Reinigung des Innenbereichs des Bioreaktors sowie Wartungsarbeiten ermöglicht.
Weiterhin sind Mittel zum Messen und Steuern des pH-Wertes und der Temperatur des flüssigen Kulturmediums vorgesehen.
Es kann auch eine Vorrichtung zum Entkeimen des Wassers für das flüssige Kulturmedium vorgesehen sein.
Schließlich kann auch ein Vorkonzentrator zum Aufkonzentrieren des aus dem Bioreaktor entnommenen flüssigen Kulturmediums mit den gezüchteten Organismen sowie eine Trocknungsvorrichtung vorgesehen sein.
4 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Produzieren von phototropen Organismen und Zellkulturen, insbesondere von (Mikro-)Algen, Pilzen, Hefen und Bakterien, das folgende Verfahrensschritte umfaßt:

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202014006168 U1 [0002]
DE 202013101774 [0003]

Claims

Bioreaktor zur Aufnahme eines flüssigen Kulturmediums zum Produzieren von phototropen Organismen und Zellkulturen, insbesondere von (Mikro-)Algen, Pilzen, Hefen und Bakterien, dadurch gekennzeichnet, daß der Bioreaktor mindestens eine lichtdurchlässige Röhre (E) aufweist, die sich im Innenbereich des Bioreaktors durch das flüssige Kulturmedium hindurch erstreckt und in der Leuchtmittel angeordnet sind.
Bioreaktor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die lichtdurchlässigen Röhren (E) in im Wesentlichen horizontaler Richtung von einer Seite des Bioreaktormantels (A) zur gegenüberliegenden Seite des Bioreaktormantels (A)erstrecken.
Bioreaktor gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtmittel als LED-Leuchtelemente ausgebildet sind.
Bioreaktor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtdurchlässigen Röhren als Acrylglasröhren ausgestaltet sind.
Bioreaktor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zulauf (D) für das flüssige Kulturmedium an der Oberseite des Bioreaktors und der Ablauf (H) für das flüssige Kulturmedium an der Unterseite des Bioreaktors angeordnet sind.
Bioreaktor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im unteren Bereich des Bioreaktors eine Kohlendioxid-Zuführung (G) angeordnet ist.
Bioreaktor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im oberen Bereich des Bioreaktors ein Abzug (B) für überschüssiges Kohlendioxid und Sauerstoff angeordnet ist.
Bioreaktor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Messen und Steuern des pH-Wertes des flüssigen Kulturmediums vorgesehen sind.
Bioreaktor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Messen und Steuern der Temperatur des flüssigen Kulturmediums vorgesehen sind.
Bioreaktor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zum Entkeimen des Wassers für das flüssige Kulturmedium vorgesehen ist.
Bioreaktor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorkonzentrator zum Aufkonzentrieren des aus dem Bioreaktor entnommenen flüssigen Kulturmediums mit den gezüchteten Organismen sowie eine Trocknungsvorrichtung vorgesehen sind.
Verfahren zum Produzieren von phototropen Organismen und Zellkulturen, insbesondere von (Mikro-)Algen, Pilzen, Hefen und Bakterien, das folgende Verfahrensschritte umfaßt: • Entkeimen von Wasser mittels UV-C-Strahlung, • Versetzen des entkeimten Wassers mit den zu produzierenden Organismen bzw. Zellkulturen und Behandeln des so hergestellten flüssigen Kulturmediums in einem Bioreaktor, der mindestens eine lichtdurchlässige Röhre aufweist, die sich im Innenbereich des Bioreaktors durch das flüssige Kulturmedium hindurch erstreckt und in der Leuchtmittel angeordnet sind, • Entnahme von flüssigem Kulturmedium mit den gezüchteten Organismen und Überführen in einen Vorkonzentrator, in dem die gezüchteten Organismen durch Filtrieren aufkonzentriert werden, • Trocknen des Vorkonzentrats in einer Trocknungsvorrichtung, • Zermahlen der getrockneten Masse, vorzugsweise in einer Hammermühle.