DE10315750A1

DE10315750A1 - Anlage zur Herstellung von Mikroalgenkonzentrat

Info

Publication number: DE10315750A1
Application number: DE2003115750
Authority: DE
Inventors: Bernd Nachtwei; Klaus Dr. Trommler
Original assignee: BILAMAL PRODUKTE GmbH; STADTWERKE STOLLBERG
Current assignee: BILAMAL PRODUKTE GmbH; STADTWERKE STOLLBERG
Priority date: 2003-04-04
Filing date: 2003-04-04
Publication date: 2004-10-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Herstellung von Mikroalgenkonzentrat, bestehend aus einem Photobioreaktor (G) zur Beschleunigung des Wachstums und der Vermehrung der Mikroalgen in einer Suspension mit einer Gruppe von Reaktorsegmenten (G1, G2, G3), die transparente, parallel zueinander ausgerichtete Kanäle oder Rohre (R) besitzen, aus mindestens einem Behälter (C) zur Anreicherung der Suspension mit Kohlendioxyd (CO¶2¶) und anderen Nährstoffen, aus einem Mittel (C1) zur Abscheidung von Sauerstoff (O¶2¶) aus der Suspension und aus einer Erntevorrichtung (H) mit Mitteln zur Abtrennung eines Mikroalgenkonzentrates, wobei der Photobioreaktor (G), der Mischbehälter (C) und die Mittel (C1) zum Abscheiden von Sauerstoff (O¶2¶) in einen Kreislauf eingebunden sind, der mindestens eine Pumpe (P) aufweist. Mit dem Ziel, die Effektivität der Anlage zu erhöhen und die Qualität des Mikroalgenkonzentrates zu verbessern, wird die Anlage so gestaltet, dass die Reaktorsegmente (G1, G2, G3) als Einheit und die Rohre (R)/Kanäle der Reaktorsegmente (G1, G2, G3) parallel zueinander durchströmt in den Kreislauf einbezogen sind und dass dem Behälter in Form eines Mischbehälters (C) eine Mischvorrichtung (A1, GRS; A1', Ca, Cb, C') zur intensiven Vermischung mit kohlendioxydhaltigem Gas (z. B. abgetrennt aus Rauchgas) zugeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Herstellung von Mikroalgenkonzentrat bestehend aus einem Photobioreaktor zur Beschleunigung des Wachstums und der Vermehrung der Mikroalgen in einer Suspension mit einer Gruppe von Reaktorsegmenten, die transparente, parallel zueinander ausgerichteten Kanäle oder Rohre besitzen, aus mindestens einem Behälter zur Anreicherung der Suspension mit Kohlendioxyd und anderen Nährstoffen, aus einem Mittel zur Abscheidung von Sauerstoff aus der Suspension und aus einer Erntevorrichtung mit Mitteln zur Abtrennung eines Mikroalgenkonzentrates, wobei der Photobioreaktor, der Mischbehälter und die Mittel zum Abscheiden von Sauerstoff in einen Kreislauf eingebunden sind, der mindestens eine Pumpe aufweist.

Durch die US 2,732,663 ist eine Anlage dieser Art bekannt geworden. Der Photobioreaktor besteht aus transparenten, mäanderförmig in den Boden von Feldern gelegten Rohren mit sehr langen, zueinander parallelen Abschnitten, die in einen Kreislauf eingeordnet sind. Der Kreislauf umfasst zudem einen Bereitstellungsbehälter und einen Abscheidebehälter für die Suspension aus Wasser und Algen.

Der Abscheidebehälter ist mit einer Erntevorrichtung gekoppelt. Die Suspension füllt den Querschnitt der Rohre in der Regel nicht voll aus, so dass sich – so die Rohre exakt in Waage verlegt sind – über der Suspension ein Hohlraum befindet, in dem sich Gase (Luft) verteilen können. Im Bereich der Scheitel der Mäanderbögen wird am Ende einer durchflossenen Schlaufe zunächst aus dem Gasraum der aus der Aufspaltung von CO₂ resultierende Sauerstoff abgeführt.

Hinter einem Damm, der nur den Gasraum trennt, wird frische, kohlendioxidhaltige Luft für den folgenden Teil des Kreislaufes zugeführt. Angeregt durch das Tageslicht wird in den transparenten Röhren durch die Mikroalgen dem Kohlendioxid der Kohlenstoff entzogen und Sauerstoff freigesetzt.

Eine solche Anlage ist sehr aufwändig. Sie erfordert eine sehr ebene Ausführung der Unterlage der transparenten Rohre, so dass sich oberhalb des Flüssigkeitsspiegels eine durchgehende Gasschicht aufbauen kann. Die Bewegung der Flüssigkeit in den transparenten Rohren kann nur sehr langsam erfolgen. Auf die nicht allseitig begrenzte Flüssigkeitssäule kann nur ein sehr geringer Förderdruck ausgeübt werden. Ein Gefälle kann nicht vorgesehen werden, da die Flüssigkeit paralleler Rohrabschnitte des Kreislaufes jeweils in entgegengesetzte Richtungen fließen muss. Im Übrigen werden regelmäßig nur die am Flüssigkeitsspiegel befindlichen Mikroalgen mit CO₂ versorgt und damit in ihrem Wachstum und in ihrer Vermehrung gefördert.

Diese Anlage hat damit nur den Wert einer Anregung. Sie wird praktisch unter industriemäßigen Bedingungen nicht zu verwertbaren Ergebnissen führen.

Durch die FR 2 564 854 ist eine ähnliche Anlage für den genannten Zweck vorgeschlagen worden, bei der einzelne Segmente mit zueinander parallel verlaufenden horizontalen Rohren versehen sind. Diese transparenten Rohre sind parallel zueinander an einen Kreislauf mit Pumpe angeschlossen. Die Pumpe fördert die Suspension durch alle Rohre gleichgerichtet. Am Ausgang der Rohre wird die Suspension gesammelt und in einen Auffangbehälter geführt, an dessen Oberfläche der frei werdende Sauerstoff entweichen kann. Auch diese Anlage ist unbefriedigend hinsichtlich ihrer Leistung, da keine besonderen Mittel vorgesehen sind, den Bedarf an Kohlendioxid in jedem Kreislauf zu decken.

Mit dem US 4,473,970 wird ein Verfahren zur Verbesserung der Ausbringung einer Anlage vorgeschlagen, die dem oben beschriebenen US 2,732,663 weitgehend entspricht. Im Bereich eines Abschnittes, in dem die Photosynthese mit einer Zuführung von Kohlendioxyd weitgehend abgeschlossen sein soll, wird das Gas mit dem darin angereichertem Sauerstoff über der Suspension in einen Nebenkreis geleitet. In diesem Nebenkreis wird zunächst der Sauerstoff herausgefiltert und dann frische Luft mit einem größeren Anteil an Kohlendioxid zugeführt. Der Kreislauf mündet oberhalb der Suspension des folgenden Abschnittes für die Durchführung einer Photosynthese.

Zur Unterstützung der Verteilung des Kohlendioxids in der Suspension wird ein Teilstrom aus der Suspension abgezweigt und unter Druck in den Nebenkreis – dort wo die Luft zugeführt wird – eingesprüht. In der Suspension wird so der Anteil der von CO₂ ernährten Mikroalgen größer. Nachteilig ist jedoch, dass sich das CO₂ schnell aus der Suspension löst und wieder in den Gasraum über der Suspension übergeht.

Mit einer solchen Anlage konnten geringfügig bessere Ergebnisse erzielt werden. Die Ausbeute ist jedoch – vor allem wegen der nach wie vor ungenügenden Wirksamkeit des CO₂ in der Suspension – unbefriedigend.

Durch das EP 0 261 872 wird eine Vorrichtung dieser Art – jedoch mit undurchsichtigen Rohren – vorgestellt. Die aus Polyethylen bestehenden Rohre sind spiralförmig in Zylinderform angeordnet und lassen nur eine geringe Lichtmenge an die Suspension. Der Ertrag ist deshalb auch entsprechend gering.

Die Zuführung von CO₂ erfolgt bei dieser Anlage kontinuierlich im Erntekreislauf. Nach dem Abscheiden einer größeren Menge von Algen mittels Filtersystem der Erntevorrichtung werden durch ein sog. Absorptionssystem CO₂ und Luft in die Suspension eingebracht. Die Durchmischung von Gas und Suspension fördert man dadurch, dass beide zusammen durch einen Mikrofilter gepresst und schließlich dem Saugrohr der Zykluspumpe zugeführt werden.

Durch die US 4,868,123 ist es bekannt geworden, den Photobioreaktor aus einzelnen, horizontal angeordneten Reaktorsegmenten zusammenzusetzen. Die transparenten Rohre der Reaktorsegmente sind mäanderförmig in Reihe geschalten.

Aus einem zentralen Mikroalgen-Recycling-Behälter werden jedem Reaktorsegment neue Algenstämme zugeführt. Außerdem ist jedes Reaktorsegment separat mit einem allen Reaktorsegmenten gemeinsamen Erntekreislauf verbunden.

Jedem Reaktorsegment ist ein Behälter zur Anreicherung der Suspension mit Kohlendioxid zugeordnet. In einem sog. Carbonator wird CO₂ am Grund eines Behälters mit Suspension zugeführt. Die sich bildenden, aufsteigenden Blasen werden beim Durchqueren einer filterähnlichen Packung an die in der Flüssigkeit schwebenden Algen fein verteilt angelegt. Dieser Absoptionsprozess erfolgt sehr langsam. Das wenige, so eingebrachte CO₂ wird innerhalb der Rohre der Reaktorsegmente von den Algen schnell verbraucht und bringt nicht das erwartete Ergebnis.

Mit der DE 41 34 813 wird vorgeschlagen, die Segmente des Photobioreaktors als senkrecht stehende Plattensegmente auszubilden. Zwischen zwei senkrechten Platten sind Stege so angeordnet, dass sie horizontal übereinander liegende Kanäle ausbilden. Diese Kanäle werden von dem Substrat, von oben beim ersten Plattensegment beginnend, mäanderförmig durchströmt. Mehrere dieser Plattensegmente sind danach in den Kreislauf mäanderförmig in Reihe zugeschaltet und stehen mit einem Wärmetauscher, einem Zwischenspeicher und einer Zuführung für Kohlendioxid in Verbindung. Eine Pumpe, die aus dem Zwischenspeicher saugt, hält den Zyklus aufrecht.

Auch eine solche Anlage ist hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit begrenzt. Die verfügbaren Werkstoffe für die transparenten Plattensegmente sind hinsichtlich ihrer Druckbelastung stark begrenzt, so dass bei dem vorhandenen Strömungswiderstand nur mit einer geringen Strömungsgeschwindigkeit gearbeitet werden kann. Die in Reihe geschaltenen Plattensegmente erhöhen die von der Zykluspumpe zu überwindenden Strömungswiderstände erheblich.

Die Zyklen für die Ergänzung von CO₂ und die Abführung von Sauerstoff sind sehr lang. Der Austausch von Gasen wird nur im Zwischenbehälter möglich. Im Übrigen ist die Verteilung der Suspension mit dem CO₂ sehr unvollständig, weil das kopfseitig in die Kanäle des ersten Segmentes eingeführte CO₂ bei der sehr niedrigen Strömungsgeschwindigkeit nur durch einige gestellfeste Leitelemente – wenn das bei einer Fließgeschwindigkeit von etwa 0,25 m/s überhaupt möglich ist – etwas verwirbelt wird. Das Wachstum und die Vermehrung der Mikroalgen ist auch bei einer solchen Anlage äußerst unbefriedigend.

Zusätzliche Probleme bereiten die vielen Kupplungs- und Klebestellen im Bereich der Plattensegmente und dazwischen. Diese Kupplungs- und Klebestellen führen zu Undichtheiten und enthalten Nährstoffe für Bakterien. Bakterien wiederum behindern das Algenwachstum und verringern die Qualität des Algenkonzentrates. Dadurch kann das Algenkonzentrat in mehreren Fällen nicht eingesetzt werden.

Das DE 297 06 379 U1 und das EP 968 273 B1 offenbaren jeweils Anlagen, die der vorgenannten sehr ähnlich sind. Anstelle der Plattensegmente werden Segemente aus Glasrohren eingesetzt.

Die Rohre sind übereinander liegend angeordnet und werden in einer Weise, wie sie aus dem FR 2 564 854 bereits bekannt ist, parallel zueinander durchströmt. Die Suspension wird in allen Rohren eines Reaktorsegmentes in gleicher Richtung geführt. An ihren Enden ist die Zuführung bzw. Abführung so gestaltet, wie es bei Kühlsystemen und Wärmetauschern üblich ist. Die Enden der Rohre werden durch konische Zuführ- oder Abführabschnitte zusammengefasst.

Bei dieser Anlage wird das kohlendioxidhaltige Gas (Luft oder Rauchgas) durch einen sog. Gasübertrager zugegeben. Die Wirkungsweise ist nicht beschrieben. Es wird davon ausgegangen, dass die Wirkungsweise diejenige ist, die in Bezug auf die DE 41 34 813 C2 beschrieben wurde.

Die in der Zeichnung angedeuteten Zuführungen und Abführungen für Gase im Bereich der Mäanderbögen sind praktisch nicht realisierbar und in Wirklichkeit auch nicht realisiert worden.

Die Entnahme von Sauerstoff ist im Bereich der oberen Mäanderbögen zwischen aufeinander folgenden Reaktorsegmenten nicht möglich, weil man aus einer vollständig eingeschlossenen Flüssigkeitssäule, die unter Druck steht, kein Gas allein entnehmen kann. Durch die relativ lange Anwesenheit von Sauerstoff innerhalb der Suspension können sich Bakterien sehr schnell entwickeln. Die Wirkungen hinsichtlich der Qualität und auch der Quantität des schließlich gewonnenen Mikroalgenkonzentrates wurde bereits beschrieben.

Führt man in diesem Zusammenhang Gas – hier CO₂ – in den unteren Mäanderbogen der Flüssigkeitssäule ein, dann bilden sich Bläschen unterschiedlicher Größe – gefüllt mit CO₂ und/oder mit Sauerstoff. Diese steigen auf und setzen sich innerhalb der horizontalen Rohre/Kanäle an den Wänden ab.

Die Bläschen versorgen Bakterien mit Sauerstoff und Mikroalgen mit Kohlenstoff. Die sich an den CO₂-haltigen Bläschen entwickelnden und vermehrenden Mikroalgen bleiben dort hängen und führen bald zu Verstopfungen. Der Prozess wird unterbrochen. Die sich an die O₂-haltigen Bläschen anlegenden, ebenfalls schnell wachsenden und sich vermehrenden Bakterien behindern den Wachstumsprozess der Algen und reduzieren deren Qualität. Der Prozess ist häufig unterbrochen. Es sind komplizierte und kostenaufwändige Reinigungsoperationen erforderlich.

Zusammenfassend können wir feststellen, dass alle bekannten Anlagen zur Herstellung von Mikroalgenkonzentraten hinsichtlich ihrer Ausbringung pro Zeiteinheit sehr begrenzt sind. Die Qualität der erzeugten Konzentrate wird im erheblichen Maß durch die lange Anwesenheit von Sauerstoff beeinträchtigt. Die Folge sind ein verstärktes Wachsen und Vermehren von aeroben Bakterien oder anderen Mikroorganismen. Die gewonnenen Mikroalgen sind daher für die Verwendung in der Pharmazie oder in Nahrungsergänzungsmitteln nur begrenzt einsetzbar.

Die geringe Ausbeute hat zudem den Nachteil, dass dieser hochwertige Rohstoff für verschiedene Anwendungsgebiete, wie z. B. als Ergänzung zum Tierfutter oder gar als Brennstoff für die Energiegewinnung nicht unter ökonomischen Bedingungen einsetzbar ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Anlage vorzuschlagen, die es ermöglicht,

– den Anteil der unter günstigen Bedingungen wachsenden und sich vermehrenden Algen in allen Teilen der Anlage zu vergrößern,
– das Wachstum und die Vermehrung von Bakterien und Mikroorganismen zu behindern, – mit geringerem Aufwand, – mit einer reduzierten Anzahl von Verbindungsstellen in jedem Kreislauf und – mit einem geringeren Reparatur und Wartungsaufwand eine deutlich höhere Ausbringung mit höherer Qualität zu erreichen.

Diese Aufgabe wird durch eine Anlage gemäß Anspruch 1 auf überraschend einfache Weise realisiert. Durch die Parallelschaltung der Reaktorsegmente an sich und der Rohre in den Reaktorsegmenten werden sehr kurze Umlaufzeiten erreicht. In jedem Umlauf wird der sich ausbildende Sauerstoff freigesetzt und abgeführt sowie Kohlendioxid intensiv zugemischt und im gesamten Umlaufbereich gleichmäßig verteilt.

Das wiederholt und kurzzeitig einwirkende Licht regt den Wachstums- und Vermehrungsprozess der Mikroalgen gut an, so dass bei Bereitstellung eines Gases mit einem hohen Anteil an Kohlendioxid – z. B. Rauchgas – stets der nötige Kohlenstoff zur Verfügung steht. Die höhere Frequenz der Freisetzung von Sauerstoff gewährleistet eine höhere Konzentration des CO₂ im Kreislauf und stützt damit den Wachstums- und Vermehrungsprozess der Mikroalgen. Andererseits behindert die nur kurzfristige Anwesenheit reinen Sauerstoffes das Wachstum der Bakterien und anderer Mikroorganismen, so dass die Qualität des Mikroalgenkonzentrates steigt. Durch die extreme Verkürzung des Kreislaufes sind zudem wesentlich weniger Gefahrenstellen für eine Infektion der Biomasse durch Kleber oder Dichtungselemente oder -stoffe gegeben.

Werden die Rohre oder Kanäle der Reaktorsegmente gemäß Anspruch 2 vertikal angeordnet, dann ist es möglich, den Druck in diesen zu erhöhen und den Umlaufprozess zu beschleunigen. Den Einsatz von Glasrohren kann man auch bei hohen Umlaufgeschwindigkeiten gewährleisten. Die Glasrohre haben eine höhere Lebensdauer. Die Gefahr, dass sich Gasbläschen an den Wänden der Rohre oder Kanäle absetzen, wird geringer.

Die Ausgestaltung der Mischvorrichtung nach Anspruch 3 gewährleistet eine gute Verteilung des Kohlendioxids in der Suspension. Die im Anschluss an die Mischvorrichtung wiederholt wechselnde Strömungsgeschwindigkeit führt zu zusätzlichen Effekten einer guten Durchmischung.

Die Mischvorrichtung gemäß Anspruch 4 hat den Vorteil, dass für das Ausführen der Mischung keine zusätzliche Energie erforderlich ist. Die Verteilung des Kohlendioxids in der Suspension ist bei Verwendung dieses Mischprinzipes besonders intensiv.

Die Mittel zur Abscheidung von Sauerstoff gemäß Anspruch 5 vermeiden die Mischung des Sauerstoffes mit dem neu zugeführten Kohlendioxid.

Die Anordnung des Abscheidebehälters nach Anspruch 6 hat den Vorteil, dass mit diesem sowohl die Abscheidung des Sauerstoffes als auch die Bereitstellung von Suspension für die Mischvorrichtung möglich wird, ohne dass ein gesonderter Abscheidebehälter und eine weitere Pumpe zur Bewirkung der Mischung erforderlich ist.

Die Ausgestaltung der Pumpe nach Anspruch 7 hat den Vorteil, dass man in Abhängigkeit von den zu züchtenden Mikroorganismen die Geschwindigkeit im Kreislauf auf optimale Werte einstellen kann.

Die Anordnung eines Wärmetauschers im unteren Bereich des Mischbehälters erlaubt es, in Abhängigkeit von der Außentemperatur oder von den durch den Prozess entstehenden thermischen Bedingungen, die Temperatur insbesondere innerhalb des Photobioreaktors auf einem optimalen Niveau zu halten.

Die Anordnung von Drallgebern im Eingangsbereich der Rohre – nach Anspruch 9 – ermöglicht, dass ein erheblicher Teil der sich durch die Rohre bewegenden Mikroorganismen mindestens kurzzeitig einer starken Beleuchtung, die im Umfangsbereich der Rohre gegeben ist, ausgesetzt werden kann.

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, die Ernte nicht kontinuierlich sondern erst beim Erreichen einer entsprechenden Konzentration von Mikroalgen auszuführen. Das ermöglicht das Ventil, das durch die Steuereinheit der Maschine nach Auswertung von Messergebnissen betätigt wird.

Es hat sich gemäß Anspruch 11 als sinnvoll erwiesen, im Ernteabzweig zunächst einen Filter und nachgeordnet eine Tiefkühlanlage sowie eine Gefriertrockenanlage anzuordnen. Verwendet man Keramikfilter, erreicht man eine Konzentration an Mikroalgen, die zwischen 20 % und 25 Algenanteil liegt. Eine solche Dichte ist Voraussetzung für einen rationellen Einsatz der Tiefkühl- und Gefriertrockenanlage. Diese Gestaltung des Erntekreislaufes hat zudem den Vorteil, dass während der Trocknung keine Bakterien (z. B. durch trocknende Warmluft) in das Algenkonzentrat gelangen bzw. dass sich derartige Mikroorganismen bei den genannten Temperaturen nicht vermehren können.

Die mechanische Zerkleinerungsanlage nach Anspruch 12 sorgt für eine für die Weiterverarbeitung oder Nutzung vorteilhafte Pulverform. Die Gefriertrockenanlage stellt die Biomasse nur in Flockenform bereit.

Zur Erhaltung der Qualität der zu erntenden Mikroalgenkonzentrate oder des Mikroalgenpulvers hat es sich als zweckdienlich erwiesen, den Bereich des gesamten Ernteabzweiges einzuhausen und damit hermetisch gegenüber Schadstoffen oder Mikroorganismen der Umwelt abzuschirmen.

Die Dichte der Reaktorsegmente und damit ihre hohe Konzentration auf einer geringen Fläche kann man unterstützen, wenn man innerhalb der Glasrohre in an sich bekannter Weise lichtstreuende Lichtleiter oder Lichtquellen einfügt, die vorzugsweise mit einer pulsierenden Steuerschaltung verbunden sind. Durch eine entsprechende Steuerung ist auch die Farbe des Lichtes variierbar.

Die deutlich höhere Leistung gestattet im zunehmenden Maß die Anwendung der Mikroalgen für neue Einsatzgebiete. Insbesondere ist dabei an den hohen Brennwert der Mikroalgen zu denken, die dem der Steinkohle sehr nahe kommt.

Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den dazu gehörigen Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Gesamtanlage für die Herstellung von Biomassekonzentrat und/oder Biomassepulver aus Mikroalgen,
2 eine erste Variante des Kreislaufes mit dem Photobioreaktor und mit einer Mischanordnung nach dem Sprühprinzip,
3 eine Anordnung ähnlich 2 mit einem Mischprinzip unter Verwendung flacher Trichter,
4 einen Querschnitt entlang der Linie IV – IV in 3,
5 einen Querschnitt entlang der Linie V – V in 3 und
6 einen Querschnitt entlang der Linie VI – VI in 3.
Die Anlage zur Herstellung von Mikroalgenkonzentrat oder Mikroalgenpulver ist schematisch in 1 dargestellt. Die Hauptbaugruppe dieser Anlage ist der Photobioreaktor G. Dieser Photobioreaktor G setzt sich im vorliegenden Fall aus drei Reaktorsegmenten G1, G2, G3 zusammen. Jedes Reaktorsegment G1, G2, G3 ist etwa in der Weise gestaltet, wie es in 2 unter der Bezeichnung G1 gezeigt ist. Die Reaktorsegmente G1, G2, G3 sind sowohl im oberen Zulaufbereich als auch unten im Rücklaufbereich untereinander derart verbunden, dass jedes Reaktorsegement G1, G2, G3 im Kreislauf mit annähernd gleicher Durchsatzmenge pro Zeiteinheit parallel zu den anderen durchströmt wird.
Die Rohre R sind in den Reaktorsegementen G1, G2, G3 parallel zueinander und senkrecht ausgerichtet. Sie sind in üblicher Weise dem einfallenden Tageslicht, einem äußeren Kunstlicht oder dem Licht von Licht leitern mit streuendem Lichteffekt (nicht dargestellt) ausgesetzt.
Die oberen Enden der Rohre R sind in jedem Reaktorsegement G1, G2, G3 durch einen Zulauf – z. B. G1Z – miteinander, verbunden. In diesem Zulauf G1Z verteilt sich die Strömung über eine Doppelreihe der Rohre R derart, dass in allen Rohren R nahezu eine gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit zwischen 0,5 m/s und 5 m/s erreicht wird.
Am unteren Ende befindet sich ein Sammler (z. B. G1 R), der die Strömung aus den Rohren R zusammenfasst und über einen Rücklauf GR, der durch die Pumpe P bewirkt wird, den Kreislauf über einen Abscheidebehälter C1 zur Mischvorrichtung C schließt.
Der Abscheidebehälter C1 hat die Aufgabe, den beim Durchlauf durch das Reaktorsegment G1, G2, G3 frei werdenden Sauerstoff O₂ aus der Suspension zu lösen und an die Umgebung zurückzuführen.
Der im Kreislauf folgende Behälter, in dem die Zuführung von Kohlendioxid CO₂ erfolgt, ist als Mischbehälter C ausgebildet. Dieser ist für das Aufbereiten der Suspension für den folgenden Kreislauf zuständig. In ihm wird die Suspension mit dem CO₂ oder mit einem Gas, das mit CO₂ angereichert ist (vorzugsweise aufbereitetes Rauchgas), intensiv gemischt. Das CO₂ wird auf diese Weise möglichst gleichmäßig in der Suspension verteilt, so dass sich die sehr kleinen Bläschen an Mikroalgen anlagern, ohne dass sie bei der vorhandenen Strömung nach oben getragen werden.
Die so mit CO₂ angereichterte Suspension gelangt über den Zulauf GZ wieder zu den Reaktorsegmenten G1, G2, G3, die parallel zueinander mit etwa gleicher Geschwindigkeit durchströmt werden.
Das für diesen Prozess sehr wichtige CO₂ wird zweckmäßiger Weise aus dem Abgas (Rauchgas) von Verbrennungsanlagen beliebiger Art gewonnen. Es wird zur Verwendung in diesem Prozess im Bereich der Aufbereitungsanlage A auf etwa 40 °C abgekühlt. Bei diesem Prozess wird das entstehende Kondensat abgeschieden und zur Nitrataufbereitung in den Kondensatlösungsaufbereiter D gegeben. Von dort kommend wird dieses Kondensat in einer Nährstoffversorgung E mit weiteren Nährstoffen angereichert und der Dosierung F zugeführt.
Parallel zu dieser Nährstoffversorgung aus der Kondensataufbereitung wird das verbleibende CO₂-haltige Gas über die Leitung A1 dem Mischbehälter C zugeführt und dort mit der neu in den Prozess zu führenden Suspension intensiv vermischt.
Die Suspension wird während des Kreislaufes permanent hinsichtlich der Konzentration der Mikroalgen und auch anderer Parameter durch nicht gezeigte, weil bekannte Anordnungen überwacht. Nach Erreichen einer entsprechenden Konzentration an Mikroalgen wird ein Teil der Suspension über die Leitung HZ in den Erntekreislauf oder Ernteabzweig H geführt. Aus dem Erntebehälter HB gelangt die Suspension in einen Filter J, der vorzugsweise als Keramikfilter ausgebildet ist. Mit Hilfe dieses Filters J wird der überwiegende Teil der Mikroalgen aus der Suspension über die Konzentratleitung J1 ausgeschieden. Das gewonnene Mikroalgenkonzentrat wird entweder als flüssiges Konzentrat über die Leitung J2 in einen Konzentratbehälter N oder über die Leitung J3 in eine Tiefkühlanordnung mit Gefriertrockenanlage K geführt.
Innerhalb dieser Gefriertrockenanlage K, die in an sich bekannter Weise im Vakuum arbeitet, wird regelmäßig Verdunstungsfeuchtigkeit abgesaugt, so dass die Biomasse aus Mikroalgen in Form trockener Flocken den Gefriertrockner K verlässt. Diese Flocken werden, sofern es erforderlich ist, durch den Zerkleinerer L zu einem Pulver vermahlen, das so oder in Tablettenform verpresst der weiteren Verarbeitung zugeführt wird.
Zur Verhinderung des Eindringens von Mikroorganismen und/oder Schmutzpartikeln in das Mikroalgenkonzentrat und/oder in die getrockneten Pulverbestandteile wird die Anlage um den Ernteabzweig H mit einer hermetischen Einhausung Q umgeben. Sowohl der Erntebehälter HB, der Filter J als auch die Kühl- und Gefriertrockenanlage K sind dadurch gegen die Einflüsse der Umwelt hermetisch abgeschirmt.
Für die Ausgabe und Speicherung des flüssigen Konzentrates und/oder des Pulvers sind entsprechende Schleusen vorgesehen. Die Arbeitsweise der gesamten Anlage wird in an sich bekannter Weise mittels elektronischer Steuereinheit überwacht, koordiniert und geregelt.
Die 2 zeigt im Zentrum ein bereits erwähntes Reaktorsegment G1. Das Substrat, das eben das Reaktorsegment G1 passiert hat, wird mittels Pumpe P über den Rücklauf GR in den Abscheidebehälter C1 geführt. Die unter Druck in diesen Abscheidebehälter C1 gelangende Suspension wird innerhalb des Behälters turbulent verteilt, so dass sich aus der Suspension der Sauerstoff oder andere Gasbestandteile lösen. Dieses Gas gelangt durch eine entsprechende Öffnung in die Atmosphäre oder wird einer anderen Verwendung zugeführt.
Innerhalb des Gasraumes dieses Abscheidebehälters können zwischen der Flüssigkeitsoberfläche und der Gasabführung Membranen C1d angordnet werden, die die Eigenschaften von Lungengewebe haben und die in der Lage sind, CO₂ und O₂ räumlich voneinander zu trennen.
Am Boden des Abscheidebehälters C1 wird die Suspension durch die Pumpe P1 angesaugt und unter Druck über entsprechende Sprühdüsen GRS in den Mischbehälter C von oben eingesprüht. In dem Zwischenraum zwischen dem Flüssigkeitsspiegel dieses Behälters C und der oberen Abdeckung wird CO₂ über die Leitung A1 eingeführt. Dieses CO₂ wird an die Tröpfchen der Suspension angelagert und mehr oder weniger gleichmäßig verteilt in die flüssige Suspension eingebracht. Im Bereich der Oberflächenturbulenz wird der Mischvorgang abgeschlossen.
In der darunter anschließenden relativ langsamen und ruhigen Absinkbewegung der Suspension setzt sich die Vermischung und Verteilung des Gases vor allem durch die sog. Molekularbewegung weiter fort. Die Photosynthese kann dann, wenn diese Mischung die Rohre R unter Lichteinfall durchströmt, in Gang gesetzt werden. Diese Photosynthese setzt das Wachstum sowie die Vermehrung der Mikroalgen in den Rohren R derart in Gang, dass es sich auch im übrigen Teil des Kreislaufes unterhalb der transparenten Rohre R fortsetzt.
Es hat sich als zweckmäßig herausgestellt, die Fließgeschwindigkeit in den Rohren zwischen 1 m/s und 5 m/s in Abhängigkeit von der Art der Mikroalgen zu variieren. Die gewählte Geschwindigkeit ist abhängig vom Lichtbedarf (Intensität und Dauer) der einzelnen Algenarten und von der Reaktionsgeschwindigkeit.
In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Änderung gegen über der 2 besteht vor allem darin, dass der Abscheidebehälter C1' und der Mischbehälter C' zu einer Einheit zusammengefügt sind und keine zusätzliche Pumpe P1 zur Aufrechterhaltung des Mischvorganges erforderlich ist. Der Rücklauf GR mündet in einem Abscheidebehälter C1', der über dem Mischbehälter C' angeord net ist. Der Abscheidebehälter C1' hat an seiner Oberseite Durchbrechungen, durch die Rohre zur Zuführung A1' und A1'' von CO₂ geführt werden können.
Der Abscheidebehälter C1' besitzt zudem im Bodenbereich zwei Ringspalte, die auf den äußeren Umfang darunter angeordneter Trichter Ca, Ca' gerichtet sind. Diese Trichter sind Bestandteil des Mischbehälters C' münden mit ihren zentralen Auslassöffnung in dem senkrechten oberen Abschnitt von Mischrohren Cb, Cb'. Diese Mischrohre Cb, Cb' sind an ihrem unteren Ende in die Horizontale gebogen und erzeugen unmittelbar unterhalb dem Flüssigkeitsspiegel des Mischbehälters C' eine turbulente Strömung.
Die axial und radial nach innen gerichtete Strömung im flachen Trichter führt im Zentrum desselben und im oberen Abschnitt des Mischrohres Cb, Cb' zu einer extrem turbulenten Strömung, die nach unten ausweicht und dabei Gas, das sich über dieser turbulenten Zone befindet, mit nach unten reißt. Dieser Effekt wird ausgenutzt, indem man die Rohrabschnitte A1', A1'', die CO₂-haltiges Gas führen, bis über diese turbuente Zone führt. Das CO₂ wird angesaugt und in dar extrem turbulenten Strömung mit der Suspension vermischt. Die sich an den Mikroalgen anlagernden Gasbläschen sind so verteilt und dadurch so klein, dass die Mikroalgen nicht der Strömung des Kreislaufes widerstehen und aufschwimmen oder sich an den Gefäßwänden oder Rohrwänden anlagern. Der Mischvorgang wird nach dem Austritt aus den gekrümmten Abschnitten der Mischrohre noch bei geringer Turbulenz fortgesetzt, so dass weitere Mikroalgen Kohlenstoff aufnehmen und Sauerstoff frei setzen können.
Es ist bekannt, dass die Photosynthese so wie das Wachstum und die Vermehrung der Mikroalgen bei bestimmten Temperaturen die besten Ergebnisse bringen. Der Wärmetauscher T, der mit einer Kühl- und/oder Heizeinrichtung U verbunden ist, sorgt mit einem entsprechenden Regelkreis für die Einhaltung des optimalen Temperaturfensters.
Unmittelbar unterhalb des Wärmetauschers T ist die Suspension bereit für den Beginn der Photosynthese. Zu diesem Zweck kann man durch die Einbringung von Lichtimpulsen, z. B. durch Leuchtstoffröhren oder Lichtleiter, die ein intensives Streulicht erzeugen, bereits die Photosynthese anregen, so dass – wenn auch begrenzt – schon während der Verteilung der Suspension zu den Eintrittsöffnungen der Rohre R der Wachstums- und Vermehrungsprozess beginnen kann.
Innerhalb der Rohre R, die zweckmäßiger Weise aus einem bestimmten Glas , das auch eingefärbt sein kann, bestehen, wird das Substrat unter Lichteinwirkung bewegt. Damit die Mehrheit der Mikroalgen der Suspension – wenn auch nur kurzzeitig – dem intensiven Licht an der Oberfläche der Rohre oder an einem der Strahler ausgesetzt ist, werden am Eingang der Rohre Drallgeber angebracht, die innerhalb der Rohre bei der höheren Geschwindigkeit eine Turbulenz erzeugen.
Die 4 bis 6 zeigen unterschiedliche Schnittdarstellungen der Mischanordnung gemäß 3. In 4 ist der Zuführbehälter für Kohlendioxid CO₂ gezeigt. Über die Zuführung A1 wird CO₂ eingebracht und über die Rohrabschnitte A1', A1'' über die Trichter Ca, Ca' geführt.
5 zeigt einen Schnitt in der Ebene des Abscheidebehälters C1'. In den Abscheidebehälter C1' wird über die Zuleitung GR die Suspension aus dem Kreislauf zugeführt. Sie verteilt sich in diesem Behälter mit geringer Turbulenz, so dass oberhalb des Flüssigkeitsspiegels C1b sich Gase lösen können, die überwiegend aus O₂ bestehen. Diese Gase gelangen in die Umwelt oder werden weiter aufbereitet. Neben der Suspension aus dem Kreislauf GR und der Rückführung HR aus dem Ernteabzweig können in diesen Abscheidebehälter C1' auch die Nährstoffe aus der Dosiereinheit F (über die Leitung F1) und Wasser aus der Aufbereitung B (über die Leitung B1) geführt werden.
Die im Bodenbereich dieses Abscheidebehälters C1' angeordneten Ringspalte C1c, C1c' haben einen Querschnitt, der etwa dem der Zuleitung GR entspricht. Diese Ringspalte C1c, C1c' münden im Bereich der großen Durchmesser der Trichter Ca, Ca'. Die im Trichter Ca, Ca' entstehende Stömung zum Zentrum ist frei von jeder Rotation und hat nur axiale und radiale Komponenten. Dadurch findet keine Trennung von Gasen und Suspension in Abhängigkeit von einer unterschiedlichen Dichte statt.
Vor dem Erreichen des Zentrums des Trichters Ca, Ca' überquert die Strömung einen Bereich des Mischrohres Cb, Cb', in denn ein Unterdruck vorhanden ist. In diesen Bereich weicht die sich im Zentrum konzentrierende Trichterströmung der Suspension aus und saugt dabei darüber befindliches Gas – CO₂ – mit hinein. Die Turbulenz ist so stark, dass das Gas fein verteilt sehr vielen Mikroalgen angelagert wird. Eine weitere Verteilung des Gases erfolgt in dem Bereich, in den die Mischrohre Cb, Cb' mit ihren abgebogenen Abschnitten münden. Hier entsteht eine weitere Mischzone, in der die Verteilung fortgesetzt wird.
Die letzte Schnittdarstellung, gem. 6, zeigt den Bereich unterhalb der Mischzone des Mischbehälters C'. Der Wärmetauscher T ist sehr flach ausgeführt und erstreckt sich nahezu über den gesamten Querschnitt des Mischbehälters C'. Ein erheblicher Teil der Suspension im Strömungsquerschnitt wird dadurch hinsichtlich seiner Temperatur korrigiert. Ein zusätzlicher Effekt eines so angeordneten Wäremetauschers besteht darin, dass die turbulente Strömung in der Mischzone von dem Strömungsprofil im Verteilerbereich getrennt wird. Es ist möglich, auch mehrere Lichtleiter oder Lichtquellen S in einer Ebene quer zur Strömungsrichtung anzuordnen (3). Bei entsprechenden Querschnitten dieser Lichtquellen können auch diese das Strömungsprofil mit formen.

A: Rauchgasaufbereitung
A1, A1', A1'': Rauchgaszuführung
B: Wasseraufbereitung
B1: Wasserzuführung
C, C': Mischbehälter
Ca, Ca': Trichter
Cb, Cb': Mischrohr
C1, C1': Abscheide behälter
C1a: Suspension
C1b: Flüssigkeitsspiegel
C1c, C1c': Ringspalt
C1d: Membran
D: Kondensatlösungsaufbereiter
E: Nährstoffversorgung
F: Dosiereinheit
F1: Dosierleitung
G: Photobioreaktor
GZ: Zulauf
GR: Rücklauf
GRS: Sprühdüsen
G1, G2, G3: Reaktorsegmente
G1Z: Verteiler
G1R: Sammler
G4, G4': Querverbinder
H: Ernteabzweig
HB: Erntebehälter
HZ: Zulauf für Ernteabzweig
HR: Substratrücklauf
J: Filtersystem
J1: Konzentratleitung
J2: Konzentratleitung (zum Konzentratbehälter)
J3: Konzentratleitung (zur Kühl- und Gefriereinheit)
K: Kühl- und Gefriereinheit
L: Zerkleinerer
M: Steuereinheit
N: Konzentratbehälter
O: Verpackungseinheit
P: Pumpe
P1: Pumpe
Q: Einhausung für Ernteabzweig
R: Rohre
S: Leuchtstab / Lichtleiter
T: Wärmetauscher
U: Kühler/Heizer
O₂: Sauerstoff
CO₂: Kohlendioxid

Claims

Anlage zur Herstellung von Mikroalgenkonzentrat bestehend aus einem Photobioreaktor (G) zur Beschleunigung des Wachstums und der Vermehrung der Mikroalgen in einer Suspension mit einer Gruppe von Reaktorsegmenten (G1, G2, G3), die transparente, parallel zueinander ausgerichteten Kanäle oder Rohre (R) besitzen, aus mindestens einem Behälter (C) zur Anreicherung der Suspension mit Kohlendioxyd (CO₂) und anderen Nährstoffen, aus einem Mittel (C1) zur Abscheidung von Sauerstoff (O₂) aus der Suspension und aus einer Erntevorrichtung (N} mit Mitteln zur Abtrennung eines Mikroalgenkonzentrates, wobei der Photobioreaktor (G), der Mischbehälter (C) und die Mittel (C1) zum Abscheiden von Sauerstoff (O₂) in einen Kreislauf eingebunden sind, der mindestens eine Pumpe (P) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktorsegmente (G1, G2, G3) als Einheit und die Rohre (R) / Kanäle der Reaktorsegmente (G1, G2, G3) parallel zueinander durchströmt in den Kreislauf einbezogen sind und dass dem Behälter in Form eines Mischbehhälters (C) eine Mischvorrichtung (A1, GRS; A1', A1'', Ca, Ca', Cb, Cb', C') zur intensiven Vermischung mit kohlendioxydhaltigem Gas (z. B. abgetrennt aus Rauchgas) zugeordnet ist.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (R)/Kanäle der Reaktorsegmente (G1, G2, G3) vertikal angeordnet sind.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischvorrichtung (C) Suspension verteilende Sprühdüsen (GRS) aufweist, die an dem Rücklauf (GR) befestigt und über dem Flüssigkeitsspiegel in den Mischbehälter (C) gerichtet sind, und dass in dem Mischbehälter (C) mindestens eine Rohrleitung (A1) zur Zuführung von Kohlendioxyd-haltigem Gas mündet.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischvorrichtung aus mindestens einem in seinem Außenbereich mit Suspension beschickten flachen Trichter (Ca, Ca') besteht, dem in einem darüber angeordneten Behälter (Abscheidebehälter C1') koaxial zum Trichter (Ca, Ca') angeordnete Ringspalte (C1c, C1c') zur Zuführung der Suspension zugeordnet sind und dessen Zentrum in einem senkrechten Abschnitt eines Mischrohres (Cb, Cb') mündet, und dass über dem Zentrum des Trichters (Ca, Ca') eine Rohrleitung (A1, A1', A1'') zur Zuführung des Kohlendioxid-haltigen Gases mündet.
Anlage nach Anspruch 1 sowie einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Abscheidung des Sauerstoffes (O₂) einen gesonderten Abscheidebehälter (C1, C1') umfassen, der im Kreislauf in Strömungsrichtung zwischen dem Photobioreaktor (G) und dem Mischbehälter (C, C1') angeordnet ist, der einen Flüssigkeitspiegel (C1b) aufweist und der einen Turbulenzen ausbildenden Eingang für die Suspension und eine Öffnung zum Ableiten des Sauerstoffes (O₂) aufweist.
Anlage nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der gesonderte Abscheidebehälter (C1') über dem Trichter (Ca, Ca') angeordnet ist und in seinem Bodenbereich mindestens einen Ringspalt (C1c, C1c') für die Speisung des Trichters (Ca, Ca') hat.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (P) für die Sicherung des Kreislaufes mit einer Antriebssteuerung bzw. einer Antriebsregelung (z. B. M) ausgestattet ist, mit der die Fließgeschwindigkeit in den Rohren (R)/Kanälen der Reaktorsegmente (G1, G2, G3) bis auf 5 m/s einstellbar ist.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Mischbehälter (C) unterhalb der Mischzone ein Wärmetauscher (T) zur Korrektur der Temperatur der Suspension angeordnet ist.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Eingangsbereich der Rohre (R)/Kanäle der Reaktorsegmente (G1, G2, G3) Drallgeber für den Flüssigkeitsstrom angeordnet sind.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Kreislauf vor dem Abscheidebehälter (C1) ein Ernteabzweig (H) über ein Ventil bedienbar ist.
Anlage nach Anspruch 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ernteabzweig (H) ein Keramikfilter (J) und eine Tiefkühl- sowie Gefriertrockenanlage (K) angeordnet sind.
Anlage nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gefriertrockenanlage (K) ein Zerkleinerer (L) nachgeordnet ist.
Anlage nach Anspruch 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Ernteabzweig (H) mit einer Einhausung (Q) umgeben ist.