DE202013011727U1 - Bioreactor element - Google Patents
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Abstract
Bioreaktor-Element mit erheblicher Längsausdehnung und einer zumindest teilweise transparenten Wandung (2) aus Kunststoff zur Durchleitung einer mit Mikroorganismen beimpften Nährmittellösung (1) zur Herstellung von Biomasse mittels Photosynthese, dadurch gekennzeichnet, dass das Bioreaktor-Element einstückig ausgeführt ist und mehrere parallele Kanäle (3, 4, 5) besitzt, von denen wenigstens ein Nährmittel-Kanal (3) von der Nährmittellösung (1) und zumindest ein Beeinflussungs-Kanal (4, 5) von einem, die Herstellung der Biomasse beeinflussenden Fluid durchströmt wird.Bioreactor element with considerable longitudinal expansion and an at least partially transparent wall (2) made of plastic for the passage of a nutrient solution (1) inoculated with microorganisms for the production of biomass by photosynthesis, characterized in that the bioreactor element is designed in one piece and several parallel channels ( 3, 4, 5), of which at least one nutrient channel (3) is flowed through by the nutrient solution (1) and at least one influencing channel (4, 5) is flowed through by a fluid which influences the production of the biomass.
Description
Die Erfindung betrifft ein Bioreaktor-Element mit erheblicher Längsausdehnung und einer zumindest teilweise transparenten Wandung aus Kunststoff zur Durchleitung einer mit Mikroorganismen beimpften Nährmittellösung zur Herstellung von Biomasse mittels Photosynthese.The invention relates to a bioreactor element with considerable longitudinal extent and an at least partially transparent wall made of plastic for the passage of a microorganism inoculated nutrient solution for the production of biomass by means of photosynthesis.
Die Herstellung von Biomasse mittels Photosynthese ist seit längerer Zeit bekannt und wird u. a. in der
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher die Effizienz der Biomasseherstellung mit möglichst geringem Aufwand zu steigern.The object of the invention is therefore to increase the efficiency of biomass production with the least possible effort.
Erfindungsgemäß wurde die Aufgabe dadurch gelöst, dass das Element einstöckig ausgeführt ist und mehrere parallele Kanäle besitzt, von denen wenigstens ein Nährmittel-Kanal von der Nährmittellösung und zumindest ein Beeinflussungs-Kanal von einem, die Herstellung der Biomasse beeinflussenden Fluid durchströmt wird.According to the invention the object has been achieved in that the element is designed in one piece and has a plurality of parallel channels, of which at least one nutrient channel is traversed by the nutrient solution and at least one influencing channel of a, the production of the biomass influencing fluid.
Während das Fluid des Beeinflussungskanals zur Steigerung der Effizienz der Photosynthese genutzt werden kann, wird über die einstückige Ausführung der Herstellungsaufwand erheblich minimiert und für eine möglichst große Kontaktfläche zwischen Nährmittel-Kanal und Beeinflussungs-Kanal gesorgt. Außerdem entfallen durch die Einstückigkeit auch Abdichtungsprobleme, mit denen ansonsten bei einem langen, aus mehreren hintereinander angeordneten Segmenten zusammengesetzten Reaktor gerechnet werden muss.While the fluid of the influencing channel can be used to increase the efficiency of photosynthesis, the one-piece design of the manufacturing effort is significantly minimized and provided for as large a contact surface between nutrient channel and influencing channel. In addition, the one-piece design also eliminates sealing problems which otherwise have to be reckoned with in the case of a long reactor composed of a plurality of successively arranged segments.
In Abhängigkeit von den Einsatzbedingungen und den Mikroorganismen kann es vorteilhaft sein, wenn das Fluid von einem Kühl- oder Heizfluid, vorzugsweise von einer Kühl- oder Heizflüssigkeit gebildet wird und so die Temperatur im Nährmittel-Kanal beeinflusst wird.Depending on the conditions of use and the microorganisms, it can be advantageous if the fluid is formed by a cooling or heating fluid, preferably by a cooling or heating fluid, and thus the temperature in the nutrient channel is influenced.
Des Weiteren kann die Aktivität der Mikroorganismen noch dadurch gefördert werden, dass das Fluid licht-reflektierende und/oder licht-brechende und/oder den Durchtritt wenigstens einer bestimmten Wellenlänge des Lichts behindernde Licht-Elemente mit sich führt und der Beeinflussungs-Kanal bezüglich des Lichteinfalls vor dem Nährmittel-Kanal angeordnet ist. Beispielsweise kann über mit dem Fluid mitschwimmende, lichtreflektierende, fluoreszierende oder die Wellenlänge des Lichts verändernde Licht-Elemente in Form kleiner Partikel die Lichteinwirkung auf die Mikroorganismen ständig verändert werden.Furthermore, the activity of the microorganisms can be further promoted by the fact that the fluid carries light-reflecting and / or light-refracting and / or obstructing the passage of at least a certain wavelength of light obstructing light elements and the influencing channel with respect to the light is arranged in front of the nutrient channel. By way of example, the effect of light on the microorganisms can be constantly changed by way of small particles which are co-floating with the fluid, light-reflecting, fluorescent or changing the wavelength of the light.
Um den Prozess der Photosynthese auch bei sich ändernden Umwelteinflüssen, wie Lichteinstrahlung und Temperatur aber auch bei sich ändernder Beschaffenheit der Nährmittellösung inklusive ihrer Mikroorganismen steuern zu können, sollten die Zusammensetzung des Fluids und/oder dessen Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Umfang der mitgeführten Licht-Elemente und/oder die Art der mitgeführten Licht-Elemente und/oder die Zusammensetzung unterschiedlicher Arten von Licht-Elementen veränderbar sein.In order to be able to control the process of photosynthesis even with changing environmental influences, such as light irradiation and temperature but also with changing nature of the nutrient solution including its microorganisms, should the composition of the fluid and / or its flow rate and / or the scope of the entrained light elements and / or the nature of the entrained light elements and / or the composition of different types of light elements be changeable.
Die Lichteinwirkung auf den Nährmittel-Kanal lässt sich alternativ oder ergänzend auf einfache Weise auch durch eine zumindest teilweise Beschichtung oder Beklebung der Wandung des Bioreaktor-Elementes vorzugsweise von außen beeinflussen. Gleiches gilt, wenn die Wandung des Bioreaktor-Elementes oder ein bezüglich des Lichteinfalls vor einem Nährmittel-Kanal angeordneter Beeinflussungs-Kanal ein optisches Prisma bildet.The light effect on the nutrient channel can be alternatively or additionally easily influenced by an at least partial coating or gluing of the wall of the bioreactor element, preferably from the outside. The same applies if the wall of the bioreactor element or an influencing channel arranged with respect to the light incidence in front of a nutrient channel forms an optical prism.
Außerdem kann es von Vorteil sein, wenn zumindest einem, vorzugsweise allen Nährmittel-Kanälen jeweils mehrere Beeinflussungs-Kanäle zugeordnet sind. Einerseits können hierdurch mehrere Beeinflussungs-Kanäle zur Temperierung genutzt werden und andererseits bietet dies auch die Möglichkeit wenigstens einen Beeinflussungs-Kanal zur Zugabe von CO2 in die Nährmittellösung zu verwenden, weshalb dieser CO2-führende Beeinflussungs-Kanal mit dem entsprechenden Nährmittel-Kanal in Verbindung steht.In addition, it may be advantageous if at least one, preferably all nutrient channels each have multiple influencing channels assigned. On the one hand, this allows several influencing channels to be used for temperature control and, on the other hand, also offers the possibility of using at least one influencing channel for adding CO 2 into the nutrient solution, which is why this CO 2 -effecting influencing channel with the corresponding nutrient channel in Connection stands.
Da die Aktivität der Mikroorganismen durch die Zugabe von CO2 wesentlich gesteigert wird, sollte generell zumindest einem Nährmittel-Kanal wenigstens eine Dosiervorrichtung zur Zugabe von CO2 in die Nährmittellösung zugeordnet sein.Since the activity of the microorganisms is substantially increased by the addition of CO 2 , at least one dosing device should generally be assigned to at least one nutrient channel for the addition of CO 2 into the nutrient solution.
Um die Herstellung sehr langer Bioreaktor-Elemente mit möglichst geringem Aufwand zu ermöglichen, sollten diese mittels Extrusionsverfahren in unmittelbarer Nähe ihres Einsatzortes hergestellt werden. Mit Vorteil wird die zur Herstellung der Elemente verwendete Extrusionsmasse dabei von thermoplastischem Kunststoff, insbesondere PMMA, PC, PE, PET oder PVC gebildet. In diesem Fall können die gebrauchten Elemente nach der Zerkleinerung und gegebenenfalls auch einer Reinigung zur Wiederverwendung des Materials dem Extruder zugeführt oder anderweitig wiederverwendet werden.In order to enable the production of very long bioreactor elements with the least possible effort, they should be made by extrusion in the immediate vicinity of their place of use. Advantageously, the extrusion composition used for the production of the elements is formed by thermoplastic material, in particular PMMA, PC, PE, PET or PVC. In this case, the used elements after comminution and possibly also a cleaning for Reuse of the material fed to the extruder or otherwise reused.
Dabei sollte während der Herstellung des Bioreaktor-Elementes außerhalb des Extruders auf das, den Extruder, insbesondere seine Abzugsvorrichtung verlassende Ende des Elementes eine Zugkraft einwirken, welche den Beginn des Bioreaktor-Elementes vom Extruder wegzieht.In this case, during the production of the bioreactor element outside of the extruder on the extruder, in particular its exhaust device leaving end of the element act a tensile force, which pulls the beginning of the bioreactor element from the extruder.
Durch die Herstellung der Bioreaktor-Elemente in der Nähe ihres Einsatzortes entfallen die Transportprobleme, da so nur die Extrusionsvorrichtung sowie die Rohstoffe transportiert werden müssen. Über die Zugkraft kann das Bioreaktor-Element in eine Position gezogen werden, die die weitere Montage erleichtert. Außerdem können hierdurch auch Materialien für die Bioreaktor-Elemente zum Einsatz kommen, die nur wenig elastisch und/oder wenig belastbar sind. Dies ermöglicht problemlos die Herstellung von Biorekator-Elementen mit einer Länge von mehr als 25, vorzugsweise mehr als 50 und insbesondere mehr als 100 m.The production of the bioreactor elements in the vicinity of their location eliminates the transport problems, since so only the extrusion device and the raw materials must be transported. About the tensile force, the bioreactor element can be pulled into a position that facilitates further assembly. In addition, this also materials for the bioreactor elements can be used, which are only slightly elastic and / or less resilient. This easily enables the production of Biorekator elements with a length of more than 25, preferably more than 50 and in particular more than 100 m.
Um den Extruder möglichst umfassend einsetzen zu können, ist es von Vorteil, wenn dieser mobil ausgeführt, d. h. insbesondere auf einem Fahrzeug montiert ist. Auf diese Weise kann der Extruder nach Bedarf einfach zu den entsprechenden Einsatzorten der Bioreaktor-Elemente transportiert werden. Dabei ist es außerdem vorteilhaft, wenn dem Extruder eine Schneid- oder Schredder-Vorrichtung zur Zerkleinerung und vorzugsweise auch eine Reinigungsvorrichtung zur Reinigung gebrauchter Bioreaktor-Elemente zugeordnet sind. Sollen bestehende Bioreaktor-Elemente ersetzt werden, so können diese entsprechend zerkleinert und bei Bedarf auch gereinigt werden. Allein dies kann den Abtransport der gebrauchten Bioreaktor-Elemente sehr erleichtern. Außerdem könnten die Partikel der zerkleinerten Elemente bei der Herstellung neuer Rohr- oder Profil-Elemente wiederverwendet werden.In order to use the extruder as fully as possible, it is advantageous if this carried out mobile, d. H. in particular mounted on a vehicle. In this way, the extruder can be easily transported as needed to the appropriate locations of the bioreactor elements. It is also advantageous if the extruder is associated with a cutting or shredding device for comminution and preferably also a cleaning device for cleaning used bioreactor elements. If existing bioreactor elements are to be replaced, they can be shredded accordingly and, if necessary, also be cleaned. This alone can greatly facilitate the removal of the used bioreactor elements. In addition, the particles of the shredded elements could be reused in the production of new pipe or profile elements.
Den Transport des Bioreaktor-Elementes aus dem Extruder übernimmt eine bekannte Abzugsvorrichtung desselben, welche meist zwei oder mehrere Raupenketten besitzt. Hierzu liegt das Bioreaktor-Element zwischen den gegeneinander gedrückten Laufflächen der Ketten.The transport of the bioreactor element from the extruder takes over a known take-off device thereof, which usually has two or more caterpillar tracks. For this purpose, the bioreactor element lies between the mutually pressed running surfaces of the chains.
Die außerhalb des Extruders auf das, den Extruder verlassende Ende einwirkende und den Beginn des Bioreaktor-Elementes vom Extruder wegziehende Zugkraft sollte von einer Zugvorrichtung aufgebracht werden, deren Zugkraft und/oder Position veränderbar ist. Dies kann vor allem bei sehr langen Bioreaktor-Elementen von Vorteil sein. Alternativ ist es aber auch möglich, dass der Beginn des Bioreaktor-Elementes fixiert und die Zugkraft durch ein Wegbewegen des Extruders erzeugt wird, was bei einer mobilen Montierung des Extruders problemlos möglich sein sollte.The pulling force exerted outside the extruder on the end leaving the extruder and pulling away from the extruder the beginning of the bioreactor element should be applied by a pulling device whose traction and / or position can be varied. This can be particularly advantageous for very long bioreactor elements. Alternatively, it is also possible that the beginning of the bioreactor element fixed and the tensile force is generated by moving away the extruder, which should be easily possible with a mobile mounting of the extruder.
Unabhängig von der Art der Erzeugung der Zugkraft ist es ebenso vorteilhaft, wenn die Zugkraft in Abhängigkeit von der Laufgeschwindigkeit des Bioreaktor-Elementes am Ausgang des Extruders, insbesondere der Laufgeschwindigkeit der Abzugsvorrichtung und/oder der aktuell hergestellten Länge des Bioreaktor-Elementes eingestellt oder gesteuert wird.Regardless of the type of generating the tensile force, it is also advantageous if the tensile force is set or controlled in dependence on the running speed of the bioreactor element at the outlet of the extruder, in particular the speed of the take-off device and / or the currently produced length of the bioreactor element ,
Des Weiteren kann die Beanspruchung der Bioreaktor-Elemente durch die Zugkraft insbesondere bei der Herstellung sehr langer Bioreaktor-Elemente dadurch vermindert werden, dass das Bioreaktor-Element während der Herstellung zwischen Extruder und dem Beginn des Bioreaktor-Elementes auf wenigstens einer Führungsvorrichtung abgestützt wird, welche in Zugrichtung der Zugvorrichtung beweglich ist oder sich in Zugrichtung bewegende, insbesondere rotierende Führungselemente besitzt.Furthermore, the stress of the bioreactor elements can be reduced by the tensile force, in particular in the production of very long bioreactor elements in that the bioreactor element is supported during manufacture between the extruder and the beginning of the bioreactor element on at least one guide device which in the pulling direction of the pulling device is movable or has moving in the pulling direction, in particular rotating guide elements.
Durch die Herstellung in der Nähe des Einsatzortes können auch Bioreaktor-Elemente mit mehreren Beeinflussungs-Kanälen oder besonderen Querschnittsformen einstückig in sehr großen Längen hergestellt werden. Hierdurch vermindern sich die Abdichtungsprobleme bei den Kanälen erheblich, da die Bioreaktor-Elemente nicht mehr aus einer Vielzahl von Teil-Elementen zusammengefügt werden müssen.Bioreactor elements having multiple interference channels or particular cross-sectional shapes can also be made in one piece in very long lengths by manufacturing near the site of use. As a result, the sealing problems in the channels reduce considerably, since the bioreactor elements no longer have to be assembled from a plurality of sub-elements.
Fehlt den Bioreaktor-Elementen, im Wesentlichen ihrer Wandung eine ausreichende Stabilität, so ist es möglich den Formerhalt über Druckluft zu unterstützen. Hierzu werden die Kanäle am, den Extruder verlassende Ende luftdicht verschlossen und während der Herstellung des Bioreaktor-Elements vom Extrusionswerkzeug des Extruders her mit Druckluft gefüllt.If the bioreactor elements lack sufficient stability, essentially their walls, it is possible to support the retention of shape via compressed air. For this purpose, the channels are hermetically sealed at the end leaving the extruder and filled with compressed air during the production of the bioreactor element from the extrusion tool of the extruder.
Die Herstellung von Biomasse mittels Photosynthese ist allgemein bekannt, wobei zunehmend geschlossene Systeme in Form von Röhrenreaktoren zum Einsatz kommen, die direkt oder indirekt über Lichtleitsysteme mit Sonnenlicht oder künstlichem Licht bestrahlt werden.The production of biomass by means of photosynthesis is well known, with increasingly closed systems in the form of tubular reactors are used, which are irradiated directly or indirectly via light control systems with sunlight or artificial light.
Im Interesse einer kostengünstigen Konstruktion werden die transparenten Rohre oder flexiblen Schläuche hierbei meist horizontal verlegt. Beim Übergang zu Großanlagen erwiesen sich bisher die Herstellung und der Transport langer Elemente bzw. die Abdichtung zu verbindender Segmente insbesondere bei mehrkanaliger Ausbildung als Hemmnis.In the interest of cost-effective construction, the transparent tubes or flexible hoses are usually laid horizontally. In the transition to large-scale systems, the production and transport of long elements or the sealing of segments to be joined proved hitherto as an obstacle, especially in the case of multi-channel training.
Um die Montage und/oder spätere Fixierung der Bioreaktor-Elemente in einer Stützvorrichtung der Anlage zu erleichtern, sollte das Bioreaktor-Element zwischen seinen Enden wenigstens eine, vorzugsweise im oberen Bereich angeordnete Haltevorrichtung zur Verbindung mit einer das Bioreaktor-Element tragenden Stützvorrichtung besitzen.In order to facilitate the assembly and / or later fixation of the bioreactor elements in a supporting device of the plant, the bioreactor element between its ends should have at least one, preferably arranged in the upper region holding device for connection to a bioreactor element bearing support device.
Nachfolgend soll die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der beigefügten Zeichnung zeigt:The invention will be explained in more detail below with reference to several exemplary embodiments. In the attached drawing shows:
Die Bioreaktor-Elemente dienen der Produktion von phototropen Organismen und Zellkulturen unter Lichteinwirkung, weshalb diese Elemente aus einem ganz oder teilweise transparenten Kunststoff gefertigt werden.The bioreactor elements are used to produce photochromic organisms and cell cultures under the action of light, which is why these elements are made of a completely or partially transparent plastic.
Zur Herstellung sehr langer, einstückiger Bioreaktor-Elemente eignet sich insbesondere das Extrusionsverfahren, bei dem eine feste bis dickflüssige und härtbare Masse unter Druck kontinuierlich aus einer formgebenden Düse des Extruders
Nach dem Austritt aus der Düse erstarrt der Kunststoff in einer folgenden und meist wassergekühlten Kalibrierung des Extruders
Nach der Kalibrierung schließt sich in der Regel noch eine Abzugsvorrichtung des Extruders
Um die Transportprobleme bei sehr langen Bioreaktor-Elementen zu vermeiden und die Herstellung sehr langer Bioreaktor-Elemente insbesondere auch mit mehreren Kanälen
Damit der Extruder trotz der Herstellung vor Ort umfassend einsetzbar ist, sollte dieser mobil ausgeführt sein. Hierzu bietet sich die Montage des Extruders
Um die Zugkraft auf das, den Extruder
Im Interesse einer möglichst geringen Beanspruchung des Bioreaktor-Elementes infolge Reibung wird dieses während der Herstellung zwischen Extruder
Hierzu besitzt die Führungsvorrichtung
Somit kann das, den Extruder
Um möglichst viel Biomasse produzieren zu können, umfasst die Anlage eine Vielzahl parallel und horizontal verlaufender, sehr langgestreckter Bioreaktor-Elemente mit einer zumindest teilweise transparenten Wandung
Selbst bei Bioreaktor-Elementen mit einer Länge von 50 m oder mehr genügt es, wenn der Abstand zwischen zwei benachbarten Stützmasten wenigstens 6 m und der Abstand zwischen zwei benachbarten Abstützpunkten zumindest 1 m beträgt.Even with bioreactor elements with a length of 50 m or more, it is sufficient if the distance between two adjacent support poles is at least 6 m and the distance between two adjacent support points is at least 1 m.
Die Tragelemente erstrecken sich annähernd über die gesamte Länge der Bioreaktor-Elemente und werden beispielhaft von einem flexiblen Stahlseil gebildet. Die Haltelemente
Eine derartige Stützkonstruktion ist nicht nur mit geringen Kosten, sondern auch mit einem geringen Montageaufwand verbunden.Such a support structure is not only associated with low costs, but also with a low installation cost.
Neben der indirekten Abstützung über die Trag- und Halteelemente
Für eine möglichst kompakte Anordnung sind die Bioreaktor-Elemente in mehreren übereinander liegenden, horizontal verlaufenden Reihen angeordnet. Dabei stützt sich jede, auf einer Seite der Stützmasten verlaufende Reihe von Bioreaktor-Elementen auf jeweils einem Stützarm der jeweiligen Stützmasten ab.For a compact arrangement, the bioreactor elements are arranged in a plurality of superimposed, horizontally extending rows. In this case, each row of bioreactor elements extending on one side of the support masts is supported on a respective support arm of the respective support masts.
Um eine Verbindung der Halteelemente
Bei der Ausführung gemäß
In ihrer einfachsten Ausführung haben die Bioreaktor-Elemente nur einen Kanal, den Nährmittel-Kanal
Das Extrusionsverfahren erlaubt auch bei diesen Bioreaktor-Elementen mit mehreren Kanälen
Da die Mikroorganismen meist nur in einem schmalen Temperaturbereich optimal wirken können und sich die Bioreaktor-Elemente bzw. die darin enthaltene Nährmittellösung
Um den Lichteinfall bezüglich der Nährmittellösung
Für die Erzeugung der Biomasse benötigen die Mikroorganismen der Nährmittellösung
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DE102013001446.8A Ceased DE102013001446A1 (en) | 2013-01-29 | 2013-01-29 | Bioreactor element with a major longitudinal extension and at least partial transparent wall for passing nutrient solution inoculated with microorganisms for producing biomass by means of photosynthesis, comprises many parallel channels |
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Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19814253A1 (en) | 1997-04-10 | 1998-10-15 | Preussag Ag | Process for the production of biomass by means of photosynthesis |
Also Published As
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