DE19814253C2 - Verfahren zur Herstellung von Biomasse mittels Photosynthese - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Biomasse mittels PhotosyntheseInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Biomasse mittels
Photosynthese. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kultivation von
Mikroalgen und ermöglicht eine effektive Produktion von Biomasse durch Fixierung
von Kohlendioxid aus CO2-haltigen Abgasen.
Mikroalgen lassen sich gut kultivieren, und daher sind Techniken zur Nutzung der
hohen photosynthetischen Produktivität aus zahlreichen Patenten und Publikationen
bekannt (Biotechnology and Bioengineering, Vol. 35, 809, 1990, H. Gutermann).
Häufig wird das Phytoplankton zur Gewinnung von Wertstoffen oder Pharmazeutika
wie Polysacchariden, polyungesättigten Fettsäuren, Farbstoffen, Vitaminen usw.
geerntet (Algae and Human Affairs, Cambridge University Press, Cambridge, 1988,
K. G. Sprenger et al.). Aber auch als proteinreiche Futterstoffe finden die Biomassen
aus Algen Verwendung.
Unter den Verfahren, die zur Erzeugung eines Massenproduktes angewendet
werden, sind zunächst die häufig beschriebenen offenen Systeme zu nennen.
Hierunter werden raceway ponds, runde Becken und evt. natürliche Lagunen mit
einer Wassertiefe von in der Regel 10-30 cm verstanden. In diesen Systemen
werden die in Suspension vorliegenden Algen mit Hilfe von Rührvorrichtungen wie
z. B. Schaufelrädern, Propellern oder Archimedischen Schrauben agitiert, um ein
Absetzen der Mikroorganismen zu verhindern. Gleichzeitig gelangen alle Algen durch
intensives Mischen in die oberen, von intensiverem Licht durchstrahlten
Wasserschichten (Applied Biochemistry and Biotechnology, Vol. 51/52, 681, 1995, H.
Matsumoto et al.).
Die Produktivität der Mikroalgen in offenen Systemen hängt stark von der
Lichtintensität sowie der Fließgeschwindigkeit ab, die eng mit der Technik der
Agitation verbunden ist. Typische Biomasseerträge in offenen Systemen liegen
bei 8-12 g/m2 d.
Eine weitere Steigerung der Biomasseerträge läßt sich durch Verfahren, in denen
geschlossene Reaktoren eingesetzt werden, erzielen. Dort lassen sich die
Kultivationsbedingungen wie Temperatur, Nährstoffangebot, CO2 Angebot und
Lichtintensität genauer als in offenen Systemen steuern bzw. kontrollieren. Bei den
geschlossenen Systemen handelt es sich in der Regel um Platten- oder
Röhrenreaktoren, die direkt mit Sonnenlicht bzw. künstlichem Licht bestrahlt werden
oder in die das Licht durch Lichtleitsysteme, Spiegel und Linsen eingekoppelt wird
(Advanves in Biochemical Engineering/Biotechnology, Vol. 46, 63, 1992, I. Karube et
al.). Die Biomasseerträge liegen abhängig von der Algenspezies sowie vom
Kultivierungsverfahren in den genannten Systemen bei 15-25 g/m2d.
Da der Kohlenstoffgehalt der Biomasse ca. 60 Massen- % beträgt, wird deutlich, daß
CO2 während der Photosynthese den größten Beitrag zum Stoffaufbau liefert und
somit nach preisgünstigen CO2 Quellen gesucht werden muß. Der CO2-Gehalt der
Atmosphäre ist zu gering, um die erforderlichen Produktivitäten zu gewährleisten.
Rauchgas und andere industrielle Abgase haben dagegen das Potential, auch große
Algenfarmen mit ausreichenden Mengen an CO2 zu versorgen. Ein Screening nach
Algenspezies, die hohe CO2-Konzentrationen und die im Abgas enthaltenen
Spurengase wie SOx, NOx und CO tolerieren, ist aus verschiedenen Druckschriften
bekannt (Plant Physiol., 82, 610, 1986, Y. Marcus et al.; Plant Physiol. 91, 514, 1989,
G. D. Price; Plant Physiol. 94, 760, 1990, T. Ogewa). Untersuchungen über das
Wachstumsverhalten während der Versorgung der Mikroalgen mit Abgasen zeigten,
daß diverse marine Algen, z. B. Tetraselmis suecicca,
Nannochloropsis/Phaeodactylum, durch eine Verwendung der Abgase nicht in ihrem
Wachstum eingeschränkt wurden und die Kulturen für ein Jahr stabil blieben
(Applied Biochemistry and Biotechnology, Vol. 51/52, 681, 1995, H. Matsumoto et
al.). Diese Ergebnisse können jedoch nicht verallgemeinert werden und sind stark
von der verwendeten Spezies und den Kultivationsbedingungen abhängig.
Weiterhin muß die Ernte der Biomasse auf die jeweiligen Mikroorganismen
abgestimmt werden, da die entsprechenden Verfahren stark von der
Erntekonzentration, der Organismengröße sowie den physiologischen Eigenschaften
abhängig sind. Aus der Biotechnologie sowie der Abwassertechnologie sind eine
Vielzahl von Verfahren zur Zellernte und Feststoffabtrennung bekannt. Beispielhaft
seien Tellerzentrifuge, Lamellenseparator und Filtration mit Flockungsmitteln genannt
("Micro-algal Technology", Cambridge University Press, 1988, M. A. Borowitzka,
L. J. Borowitzka (eds.)).
Gleiches wie für die Ernte gilt auch für den Aufschluß sowie die Extraktion von
Mikroalgen. Die zum Einsatz kommenden Verfahren müssen auf die Zelle und den
Verwendungszweck der Biomasse abgestimmt werden.
In Biotechnology and Bioengineering, Vol. 38, S. 1182-1189 (1991) wird eine
Gasaustauscheinrichtung zur Konditionierung einer Kultursuspension außerhalb
eines Photobioreaktors eingesetzt. Eine mixotrophe Ernährung der Mikroalgen wird
nicht erwähnt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung
von Biomasse mittels Photosynthese, insbesondere zur Kultivation von Mikroalgen
vorzustellen, welches eine effektive Produktion von Biomasse durch Fixierung von
Kohlendioxid aus CO2 haltigen Abgasen unter Vermeidung der Nachteile bekannter
Verfahren ermöglicht. Mit der vorliegenden Erfindung sollen bekannte derartige
Verfahren hinsichtlich ihrer Energiebilanz, ihres Herstellungsaufwandes und einer
optimalen Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Lichtenergie dahingehend
verbessert werden, daß diese für einen großtechnischen Einsatz geeignet sind.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausbildungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 23 enthalten.
Die Erfindung beinhaltet weiterhin die Verwendung besonders bevorzugter
Algenspezies.
Nach der vorliegenden Erfindung erfolgt die Herstellung von Biomasse mittels
Photosynthese, wobei durch Beimpfen einer Nährlösung mit Mikroorganismen eine
Kultursuspension hergestellt wird und die Kultursuspension in einem Gaswäscher mit
einem CO2-enthaltenden Gas unter Sättigung der im Gas enthaltenen Komponenten
bis zur Blasenfreiheit konditioniert wird. Dabei wird in der Kultursuspension ein pH-
Wert von < 5,0 und < 7,0 eingestellt, wodurch die Mikroorganismen einem
Konditionierungsstreß (pH-Streß) unterliegen, wodurch der Fettanteil der Biomasse
ingesamt sowie der Anteil spezieller Fettsäuren wie beispielsweise der Anteil
mehrfachungesättigter Fettsäure überraschend gesteigert werden kann. Die
quantitative Zusammensetzung der Zellinhaltsstoffe kann nach einem besonderen
Merkmal der Erfindung gezielt modifiziert werden, wobei ein Fettgehalt von mehr als
20% in der Trockenbiomasse erreicht wird. Weiterhin erfolgt während der
logarithmischen, bis weit in die stationäre Wachstumsphase der Mikroorganismen
eine Zuführung weiterer organischer Kohlenstoffquellen.
Nach einem bevorzugten Merkmal der Erfindung werden als weitere C-Quellen der
Kultursuspension Einfach- und/oder Mehrfachzucker, und zwar insbesondere
Glucose, in einer Konzentration von 0,3 bis 10 g/l Kultursuspension zugegeben.
Durch diese mixotrophe Ernährungsweise der Mikroorganismen wird das Potential
der Algenzelle, Kohlenstoff auf verschiedenen Stoffwechselwegen mit Hilfe
unterschiedlicher biochemischer Prozesse für die Bildung von zelleigener,
energiereicher Substanz zu assimilieren, voll ausgeschöpft. Außerdem können die
Prozesse der Photorespiration, durch die 1 bis 10% des neu assimilierten
Kohlenstoffes verlorengehen, minimiert werden.
Die Suspension wird anschließend unter Erzeugung eines gleichmäßigen
Strömungsprofiles in einen Reaktor geleitet, in dem bei Belichtung und Einstellung
einer optimalen Fließgeschwindigkeit der Lösung eine Abreicherung des in der
Kultursuspension enthaltenen CO2 durch Aufbau energiereicher
Kohlenstoffverbindungen und Bildung weiterer Stoffwechselprodukte erfolgt.
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren vorgestellt, welches sich
gegenüber bislang bekannten Verfahren durch ein reduziertes Kontaminationsrisiko,
reproduzierbare Kultivationsbedingungen, hohe Flexibilität in Bezug auf
Umwelteinflüsse, geringeren Platzbedarf und reproduzierbare Biomassequalitäten
auszeichnet.
Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung handelt es sich bei dem
Stoffwechselprodukt um ein O2-haltiges Gas, welches durch Phasentrennung nach
Durchgang durch den Reaktor abgetrennt wird und einer weiteren Verwendung
zugeführt werden kann. Diese Sauerstoffproduktion macht das erfindungsgemäße
Verfahren besonders effizient.
Nach einem bevorzugten Merkmal der Erfindung werden als Mikroorganismen
phototrophe Organismen und/oder Zellkulturen, insbesondere Mikroalgen eingesetzt.
Es wurde gefunden, daß mit den Mikroalgenspecies Chlorella vulgaris und/oder
Scenedesmus spp./Microcystis (Mischkultur) sich besonders gut die oben
beschriebenen Vorteile des Verfahrens erreichen lassen.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung werden nach dem vorliegenden
Verfahren Algenbiomasse und deren Stoffwechselprodukte erzeugt, wobei als
Nährlösung Wasser und Stoffe, die für den Aufbau energiereicher
Kohlenstoffverbindungen erforderlich sind, eingesetzt werden. Dabei handelt es sich
um Stickstoffverbindungen, Phosphate, Kalium-, Calcium-, Magnesiumverbindungen
und Spurenelemente. Nach einem anderen Merkmal der Erfindung enthält die
Nährlösung auch organische Substanzen, z. B. Kohlenhydrate wie Zucker und/oder
Acetate und/oder puffernde Substanzen wie Tris und/oder Borax und/oder Kalk.
Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung kann die Nährlösung auch
nährstoffhaltige Abwässer, einschließlich Klärschlämme und/oder synthetische
Lösungen enthalten. Dadurch wird ein äußerst effektiver Einsatz derartiger Abwässer
ermöglicht.
Ein ebenfalls bevorzugtes Merkmal der Erfindung beinhaltet, daß als CO2-
enthaltendes Gas ein Abgas, und zwar insbesondere ein Abgas aus
Verbrennungsprozessen, Kalkbrennprozessen und /oder metallurgischen Prozessen
eingesetzt wird. Damit müssen derartige Abgase nicht mehr an die Umwelt
abgegeben werden, sondern können einer sinnvollen Verwendung zugeführt werden.
Die Algenspezies erhalten darüber hinaus ausreichende Mengen an
CO2, um die erforderliche Produktivität zu gewährleisten.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung erfolgt die Konditionierung der
Kultursuspension mit dem CO2-enthaltenden Gas unter Sättigung der im Gas
enthaltenen Komponenten in einem Gaswäscher. Die Komponenten des Gases
lösen sich dabei in der Kultursuspension bis zur Sättigung und Komponenten der
Kultursuspension, deren Konzentration die Gaslöslichkeit in der Kultursuspension
überschreitet, werden ausgetragen. Die Suspension verläßt den Gaswäscher
blasenfrei. Mit dem Gaswäscher ist ein geregelter CO2 Eintrag bei geringen CO2-
Verlusten möglich.
Ein bevorzugtes Merkmal der Erfindung beinhaltet, daß das aus
Verbrennungsprozessen stammende CO2-enthaltende Abgas in einem Abgaskühler
temperiert wird und das dabei entstehende Kondensat mit dem CO2-enthaltenden
Abgas über einen Gaswäscher in den Reaktor geleitet wird. Das Kondensat wird
damit Bestandteil der Kultursuspension und einer sinnvollen Verwendung zugeführt.
Nach einem besonders bevorzugten Merkmal der Erfindung wird das gleichmäßige
Strömungsprofil der konditionierten Kultursuspension dadurch erzeugt, daß diese in
einen Reaktor geleitet wird, der ein photosynthetisch und hydrodynamisch aktives
Dünnschichtsystem umfaßt.
Das Dünnschichtsystem besteht nach diesem Merkmal aus mindestens einem Modul,
wobei das Modul aus einer Vielzahl von zueinander beabstandeten,
übereinanderliegenden und parallel zueinander verlaufenden Dünnschichtgefäßen
besteht, deren Eintritts- und Austrittsseiten über Anschlußstücke und Verbinder mit
einem Modulverlauf beziehungsweise Rücklauf verbunden sind. Die einzelnen
Verbinder weisen dabei jeweils eine Querschnittsfläche auf, die ein gleichmäßiges
Strömungsprofil über alle Glasrohre ermöglicht. Dabei nimmt die Querschnittsfläche
der Verbinder in Fließrichtung des Modulvorlaufes zu, während die
Querschnittsfläche der Verbinder des Modulrücklaufes in Fließrichtung abnimmt.
Modulvor- und -rücklauf bestehen aus jeweils aus einem Rohr mit Anschlußstücken
für die Verbinder, wobei die Querschnittsfläche des Modulvorlaufes in Fließrichtung
abnimmt und die Querschnittsfläche des Modulrücklaufes in Fließrichtung zunimmt.
Durch die querschnittsreduzierten beziehungsweise -erweiterten Verbinder und
querschnittsreduzierten beziehungsweise -erweiterten Modulvor- und -rückläufe wird
ein gleichmäßiges Strömungsprofil über alle Dünnschichtgefäße ermöglicht.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird das gleichmäßige Strömungsprofil
der konditionierten Kultursuspension dadurch erzeugt, daß diese in einen Reaktor
eingeleitet wird, der ein Dünnschichtsystem umfaßt, welches aus mindestens einem
einstückig extrudierten transparenten Plattenmodul besteht, welches eine Vielzahl
von übereinanderliegenden und parallel zueinander verlaufenden durchgehenden
Kanälen aufweist, deren Eintritts- und Austrittsseiten in einen Flüssigkeitssammler
und/oder Flüssigkeitsverteiler münden, wobei der Flüssigkeitsverteiler in Fließrichtung
eine Querschnittsreduzierung und der Flüssigkeitssammler eine
Querschnittserweiterung aufweist. Dadurch kann erfindungsgemäß über alle Kanäle
eine optimale, gleichmäßige Fließgeschwindigkeit der Lösung im Reaktor eingestellt
werden. Es wird mit überraschend einfachen Mitteln erreicht, daß mit geringen
Strömungsgeschwindigkeiten turbulente Verhältnisse im Kulturmedium erhalten
werden, die für eine optimale Lichtenergieausnutzung erforderlich sind. Darüber
hinaus kann der Strömungswiderstand im Vergleich zu den bekannten Lösungen
erheblich verringert werden.
Letztendlich wird dadurch die erforderliche Pumpleistung wesentlich reduziert,
wodurch die Energiebilanz besonders vorteilhaft verbessert wird. Die Verbindung
mehrerer Plattenmodule ermöglicht außerdem den Aufbau beliebig großer Reaktoren
für den großtechnischen Einsatz aus einfachen Standardbauteilen.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert
werden.
In der Abbildung zeigt die
Fig. 1 eine beispielhafte Ausführungsform der Reaktoranlage und den
schematischen Ablauf des Verfahrens,
Fig. 2 eine weitere Variante der zur Reaktoranlage gehörenden
Dünnschichtsysteme.
Aus dem Brennprozeß eines Kalkbrennofens wird ein Abgas 27a mit einer CO2-
Konzentration von ca. 25% einem Abgaskühler (nicht dargestellt) zugeführt. Im
Abgaskühler wird das CO2-enthaltende Abgas auf eine Temperatur von ca. 35°C
temperiert. Während des Kühlprozesses entsteht ein Kondensat.
Das CO2-enthaltende Abgas und das Kondensat werden über einen Gaswäscher 5 in
einen Reaktor geleitet, wobei im Gaswäscher 5 eine Kultursuspension 4a mit dem
CO2-enthaltenden Abgas 27a und dem Kondensat (nicht dargestellt) unter Sättigung
der im Abgas enthaltenen Komponenten bis zur Blasenfreiheit konditioniert wird.
Die Kultursuspension 4a besteht aus einer Nährlösung und einer Mikroalgenspecies
Chlorella vulgaris. Die Nährlösung besteht aus Wasser 9, anorganischen Nährstoffen
und Tris(hydroxymethyl)-aminomethan.
Das Wasser wird dabei als Abwasser aus dem Kalkbrennofen zur Verfügung gestellt.
Im Abwasser sind in geringer Konzentration anorganische Nährstoffe gelöst.
Die Nährlösung (NL) beinhaltet dabei folgende anorganische Nährstoffe.
Tris(hydroxymethyl)-aminomethan ist eine organische Substanz, die als Säurepuffer
der Nährlösung in einer Konzentration von ca. 1,0 g/l, zugesetzt wird.
Die konditionierte Kultursuspension zirkuliert in der Reaktoranlage, welche gemäß
der Fig. 1 aus einer Plattenmodulanlage 1 aus einstückig extrudierten transparenten
Plattenmodul 1a . . . 1n, einem Ausgleichsbehälter 6, einer Systempumpe 8, einer
Meßstrecke 7, einem Vorlauf 2, einem Rücklauf 3 und dem Gaswäscher 5 besteht
und wird mit Hilfe der natürlichen Sonneneinstrahlung 12 belichtet. Die konditionierte
Kultursuspension gelangt aus dem Ausgleichsbehälter 6 durch die Systempumpe 8
über den Vorlauf 2 in das Plattenmodul 1a.
Das Plattenmodul 1a weist eine Vielzahl von übereinanderliegenden und parallel
zueinander laufenden durchgehenden Kanälen auf, deren Eintritts- und
Austrittsseiten in einem Flüssigkeitssammler 21 bzw. Flüssigkeitsverteiler 15
münden.
Der Flüssigkeitsverteiler besitzt dabei in Fließrichtung eine Querschnittsreduzierung
und der Flüssigkeitssammler besitzt eine Querschnittserweiterung (siehe Fig. 2).
Dadurch wird im Plattenmodul ein gleichmäßiges Strömungsprofil der konditionierten
Kultursuspension gewährleistet.
Die gleiche Wirkung wird selbstverständlich auch in einem Reaktor nach Fig. 2
erreicht. Dieser Reaktor besteht aus einem photosynthetisch und hydrodynamisch
aktiven Dünnschichtsystem aus mindestens einem Modul A mit einer Vielzahl von
zueinander beabstandeten, übereinanderliegenden und parallel zueinander
verlaufenden, röhrenförmigen Dünnschichtgefäßen B, deren Eintritts- und
Austrittsseiten über Anschlußstücke C, D und Verbinder E für die
übereinanderliegenden Dünnschichtgefäße jeweils eine Querschnittsfläche
aufweisen, die in Fließrichtung des Modulvorlaufes F zunimmt und in Fließrichtung
des Modulrücklaufes G abnimmt. Dabei bestehen Modulvor- und -rücklauf F und G
jeweils aus einem Rohr mit Anschlußstücken H und I für die Verbinder E, wobei die
Querschnittsfläche des Modulvorlaufes F in Fließrichtung abnimmt und die
Querschnittsfläche des Modulrücklaufes G in Fließrichtung zunimmt.
Im Plattenmodul erfolgt das Biomassewachstum, die Abreicherung des gelösten CO2
und die Anreicherung von Sauerstoff 28.
Nach dem Plattenmodul gelangt die Kultursuspension 4a über den Rücklauf 3 und
den Gaswäscher 5 in den Ausgleichsbehälter 6 zurück.
Das CO2-enthaltende Abgas 27a wird mit Hilfe des Gaswäschers 5 in der
Kultursuspension 4a gelöst, und der im Verlauf der photobiologischen Prozesse
gebildete Sauerstoff 28 mit den nicht genutzten Komponenten des Abgases 27b wird
ausgetragen.
Die Konditionierung des CO2-enthaltende Abgases erfolgt in Abhängigkeit der pH-
und Temperatur- und Optischen Dichtewerten der Kultursuspension, welche in der
Meßstrecke 7 vor der Systempumpe 8 erfaßt werden.
Die Messung, Steuerung, Regelung und Speicherung von Zustandsgrößen der
Kultursuspension und des CO2-enthaltenden Abgases erfolgt dabei über eine
zentrale Meß-, Steuer-, Regel- und Speichereinheit 29.
Die Trockenmassekonzentration der Mikroalgenspecies Chlorella vulgaris in der
Kultursuspension beträgt ca. 2 g Trockensubstanz/l. Im Verlaufe des Wachstums der
Biomasse werden energiereiche Kohlenstoffverbindungen aufgebaut. Die
Biomasseernte erfolgt bei einer Trockenmassekonzentration in der Kultursuspension
von < 2 g/l.
Mit Hilfe der Systempumpe 8 wird die Kultursuspension einer Ernteeinrichtung (nicht
dargestellt) zugeführt.
Die Erntevorrichtung besteht aus einem Zwischenspeicher, einer Förderpumpe und
einer Zentrifuge. Die Zentrifuge trennt die Biomasse von der Nährlösung, welche
wieder in den Reaktor zurückgeführt wird. Die Biomasse besitzt eine
Trockenmassekonzentration von ca. 120 g/l und ist dementsprechend feststoffreich,
aber pumpfähig.
Die somit erhaltene Biomasse wird einer Verarbeitungseinrichtung (nicht dargestellt)
zugeführt. Diese Verarbeitungseinrichtung ist eine Einrichtung, die auf extraktiver
Basis arbeitet. Die Biomasse wird einer Lösungsmittelextraktion unterzogen, wobei
die energiereichen Kohlenstoffverbindungen als Energieträger gewonnen werden.
In einem weiteren Verfahrensschritt (nicht dargestellt) werden die gewonnenen
energiereichen Kohlenstoffverbindungen einer Veresterung unterworfen und somit
ein Biodiesel hergestellt. Bis zum Zeitpunkt des Verbrauchs wird der Biodiesel in
einem Speicher zwischengelagert.
Nach einem weiteren Beispiel wird die erhaltene Biomasse als Futtermittel
beziehungsweise Futtermittelzusatz eingesetzt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine Modifizierung der quantitativen
Zusammensetzung der Zellinhaltsstoffe ermöglicht. Als Ausführungsbeispiel gilt die
wesentliche Erhöhung der Fettgehalte auf vorzugsweise mehr als 20% in der
Trockenbiomasse. Der Zusatz von ca. 1% der erfindungsgemäßen Algenbiomasse
zum Gesamtfutter bei Legehennen bringt überraschende Ergebnisse. Die höheren
Legeleistungen bei Legehennen, sowohl in ökologischer als auch konventioneller
Haltung, werden auf die gesundheitsfördenden synergistischen Wirkungen der
natürlichen, biologisch-gebundenen, ausgewogenen, bioaktiven Zellinhalts-Wirkstoffe
der Mikroalge Chlorella vulgaris, wie Ballaststoffe, insbesondere lösliche, resistente
Stärke, Oligosaccharide, Plysaccharide, Vitamine, essentielle mehrfach ungesättigte
Fettsäuren, essentielle Aminosäuren, Mineralien und Spurenelemente zurückgeführt.
Wirkungen dieser Stoffkomplexe sind die Förderung der Darm-Mikroflora und die
Bildung von immunbiologisch und -physiologisch aktiven Substanzen, die Senkung
des Blutzucker-, Cholesterinspiegels und des Bluthochdrucks, antitumorale und
antimutagene Effekte.
Claims (24)
1. Verfahren zur Herstellung von Biomasse mittels Photosynthese, wobei durch
Beimpfen einer Nährlösung mit Mikroorganismen eine Kultursuspension
hergestellt wird,
die Kultursuspension in einem Gaswäscher mit einem CO2-enthaltenden Gas unter Sättigung der im Gas enthaltenen Komponenten bis zur Blasenfreiheit konditioniert wird, wobei in der Kultursuspension ein pH-Wert von < 5,0 und < 7,0 eingestellt wird und der Kultursuspension während der logarithmischen bis weit in die stationäre Wachstumsphase der Mikroorganismen weitere organische Kohlenstoff-Quellen zugeführt werden,
die Suspension unter Erzeugung eines gleichmäßigen Strömungsprofiles in einen Reaktor geleitet wird, in dem bei Belichtung und Einstellung einer optimalen Fließgeschwindigkeit eine Abreicherung des in der Kultursuspension enthaltenen CO2 durch Aufbau energiereicher Kohlenstoffverbindungen und Bildung weiterer Stoffwechselprodukte erfolgt,
die Suspension zum Gaswäscher rückgeführt wird und in der Reaktoranlage zirkuliert,
die im Reaktor erzeugte Biomasse aus der Kultursuspension abgetrennt wird.
die Kultursuspension in einem Gaswäscher mit einem CO2-enthaltenden Gas unter Sättigung der im Gas enthaltenen Komponenten bis zur Blasenfreiheit konditioniert wird, wobei in der Kultursuspension ein pH-Wert von < 5,0 und < 7,0 eingestellt wird und der Kultursuspension während der logarithmischen bis weit in die stationäre Wachstumsphase der Mikroorganismen weitere organische Kohlenstoff-Quellen zugeführt werden,
die Suspension unter Erzeugung eines gleichmäßigen Strömungsprofiles in einen Reaktor geleitet wird, in dem bei Belichtung und Einstellung einer optimalen Fließgeschwindigkeit eine Abreicherung des in der Kultursuspension enthaltenen CO2 durch Aufbau energiereicher Kohlenstoffverbindungen und Bildung weiterer Stoffwechselprodukte erfolgt,
die Suspension zum Gaswäscher rückgeführt wird und in der Reaktoranlage zirkuliert,
die im Reaktor erzeugte Biomasse aus der Kultursuspension abgetrennt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das gleichmäßige Strömungsprofil der konditionierten Kultursuspension erzeugt
wird, indem diese in einen Reaktor eingeleitet wird, der ein photosynthetisch
und hydrodynamisch aktives Dünnschichtsystem aus mindestens einem Modul
(A) mit einer Vielzahl von zueinander beabstandeten, übereinanderliegenden
und parallel zueinander verlaufenden, röhrenförmigen Dünnschichtgefäßen (B)
besteht, deren Eintritts- und Austrittsseiten über Anschlußstücke (C, D) und
Verbinder (E) mit einem Modulvorlauf (F) beziehungsweise Rücklauf (G)
verbunden sind, wobei die einzelnen Verbinder (E) für die
übereinanderliegenden Dünnschichtgefäße (B) jeweils eine Querschnittsfläche
aufweisen, die in Fließrichtung des Modulvorlaufes (F) zunimmt und in
Fließrichtung des Modulrücklaufes (G) abnimmt und Modulvor- und -rücklauf (F,
G) jeweils aus einem Rohr mit Anschlußstücken (H, I) für die Verbinder (E)
bestehen, wobei die Querschnittsfläche des Modulvorlaufs (F) in Fließrichtung
abnimmt und die Querschnittsfläche des Modulrücklaufes (G) in Fließrichtung
zunimmt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das gleichmäßige Strömungsprofil der konditionierten Kultursuspension erzeugt
wird, indem diese in einen Reaktor eingeleitet wird, der aus mindestens einem
einstückig extrudierten transparenten Plattenmodul besteht, welches eine
Vielzahl von übereinanderliegenden und parallel zueinander verlaufenden
durchgehenden Kanälen aufweist, deren Eintritts- und Austrittsseiten in einen
Flüssigkeitssammler und/oder Flüssigkeitsverteiler münden, wobei der in
Fließrichtung gesehene Flüssigkeitsverteiler eine Querschnittsreduzierung und
der Flüssigkeitssammler eine Querschnittserweiterung aufweist, wodurch über
alle Kanäle eine optimale, gleichmäßige Fließgeschwindigkeit der Suspension
im Reaktor eingestellt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
als weitere organische Kohlenstoffquellen der Kultursuspension Einfach-
und/oder Mehrfachzucker zugegeben werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
als weitere organische Kohlenstoffquellen der Kultursuspension Glucose in
einer Konzentration von 0,3 bis 10 g/l, Kultursuspension zugegeben wird.
6. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die quantitative Zusammensetzung der Zellinhaltsstoffe der Biomasse
modifiziert wird, wobei ein Fettgehalt von mehr als 20% in der
Trockenbiomasse erreicht wird.
7. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Stoffwechselprodukt ein O2-haltiges Gas ist, welches durch
Phasentrennung nach Durchgang durch den Reaktor abgetrennt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Abtrennung der Biomasse unter Ausnutzung von Dichteunterschieden in
Absetzbecken und/oder Zentrifugen und/oder unter Ausnutzung der
Teilchengröße in Filtereinrichtungen erfolgt und die Kulturlösung in das
Reaktorsystem zurückgeführt wird.
9. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
Algenbiomasse und deren Stoffwechselprodukte erzeugt werden und als
Nährlösung Wasser und Stoffe, die für den Aufbau energiereicher
Kohlenstoffverbindungen erforderlich sind, eingesetzt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Nährlösung Stickstoffverbindungen, Phosphate, Kalium-, Calcium,
Magnesiumverbindungen und Spurenelemente enthält.
11. Verfahren nach den Ansprüchen 9 und 10,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Nährlösung als weitere organische Kohlenstoffquellen Zucker und/oder
Acetate und/oder als puffernde Substanzen Tris(hydroxymethyl-aminomethan)
und/oder Borax und/oder Kalk enthält.
12. Verfahren nach den Ansprüchen 9 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß
als Nährlösung nährstoffhaltige Abwässer, einschließlich Klärschlämme
und/oder synthetische Lösungen verwendet werden.
13. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
als Mikroorganismen phototrophe Organismen und/oder Zellkulturen eingesetzt
werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß
als Mikroorganismen Mikroalgen eingesetzt werden.
15. Verfahren nach Anspruch 13 und 14,
dadurch gekennzeichnet, daß
als Mikroorganismen die Mikroalgenspecies Chlorella ssp. und/oder
Scenedesmus spp. und/oder Microcystis ssp. als Rein- oder Mischkulturen
eingesetzt werden.
16. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
als CO2-enthaltendes Gas ein Abgas eingesetzt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet, daß
als CO2-enthaltendes Gas ein Abgas aus Verbrennungsprozessen,
Kalkbrennprozessen und/oder metallurgischen Prozessen eingesetzt wird.
18. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Konditionierung der Kultursuspension mit dem CO2-enthaltenden Gas in
einem Gaswäscher erfolgt, wobei sich die Komponenten des Gases in der
Suspension bis zur Sättigung lösen und eine blasenfreie Kultursuspension
erzeugt wird.
19. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
das CO2-enthaltende Abgas in einem Abgaskühler temperiert wird und das
dabei entstehende Kondensat mit dem CO2-enthaltenden Abgas über einen
Gaswäscher in den Reaktor geleitet wird.
20. Verfahren nach Anspruch 19,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Gas im Gegenstrom zur Kultursuspension durch den Gaswäscher geführt
wird.
21. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Belichtung der im Reaktor befindlichen Kultursuspension durch natürliche
direkte und/oder diffuse Sonneneinstrahlung und/oder künstliche Beleuchtung
erfolgt.
22. Verwendung der nach einem der obigen Ansprüche erzeugten Biomasse zur
Weiterverarbeitung als Energieträger.
23. Verwendung der nach einem der obigen Ansprüche erzeugten Biomasse zur
Herstellung von chemischen und/oder pharmazeutischen Grund- und
Wirkstoffen.
24. Verwendung der nach einem der obigen Ansprüche hergestellten Biomasse als
Futtermittel- und/oder Futtermittelzusatz.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: BIOPRODUKTE PROF. STEINBERG GMBH, 06749 BITTERFELD |
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8304 | Grant after examination procedure | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20141001 |