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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Bioreaktor zur Lebendhaltung eines stationären Biofilms aus photosynthetisch aktiven Mikroorganismen und ein Verfahren zur Luftreinigung und Stoffproduktion.
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Das Interesse an photosynthetisch aktiven Mikroorganismen (PAM) steigt nicht nur in der Biotechnologie. Sie werden vor allem auch in der Energie- und Lebensmittelbranche zunehmend beachtet. Zu photosynthetisch aktiven Mikroorganismen sind Algen im engeren Sinn v.a. Grünalgen, Cyanobakterien, anoxygene, phototrophe Bakterien und bestimmte Archaebakterien zu zählen. Gegenüber pflanzlichen Systemen weisen sie weitaus höhere Wachstumsraten pro Fläche auf und können ohne Erde auch auf versiegelten Flächen angebaut werden. Ihre Stoffwechsel unterscheiden sich von tierischen und zum Teil auch von pflanzlichen Systemen derart, dass vielfältige andersartige Stoffwechselprodukte durch sie produziert werden können. PAM werden in Bioreaktoren kultiviert. Überwiegend geschieht dies in Flüssigreaktoren. In diesen Bioreaktoren werden die PAM überwiegend durch mechanische Kräfte oder Begasungsströmungen umgewälzt, damit alle Zellen mit Licht bestrahlt werden. Zusätzlich ist eine energieintensive Begasung notwendig, damit alle Zellen das für sie notwendige CO2 erhalten. In den meisten Anwendungsfällen werden die PAM geerntet, indem sie energieaufwendig durch Zentrifugation von dem Medium getrennt werden. Das Wasser in dem Medium wird dabei verbraucht.
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Demgegenüber haben sogenannte Biofilme aus PAM eine Reihe von Vorteilen. Als Biofilm bezeichnet man einem dünnen Schleimfilm, in dem Populationen von Mikroorganismen organisiert vorliegen. Der größte Teil aller Mikroorganismen kommt in der Natur in solchen zu meist heterogenen Biofilmen vor. Der Biofilm bietet ihnen viele Vorteile. So können sie sich dauerhaft an Objekten fixieren, sich vor Eindringlingen schützen und in Symbiose mit anderen Organismen leben. Die Schleimschicht ist eine Exopolysaccharidschicht (EPS) überwiegend bestehend aus Polyuroniden, d.h. Polysacchariden, welche Uronsäuren enthalten wie z. B. D-Mannuronsäure, D-Galacturonsäure oder D-Glucuronsäure. Die Uronsäuren liegen immer in Pyranoseform vor und verleihen den Makromolekülen einen sauren Charakter, sowie die Fähigkeit, Wasser einzulagern und damit ein Gel zu bilden. Es wurde in Studien herausgefunden, dass die Zellen in dem Biofilmverbund auch untereinander Stoffe austauschen, so dass die weiter unten sitzenden Zellen zum Beispiel auch mit den durch Licht hergestellten Stoffen versorgt werden, Sauerstoff raus und CO2 auch in Form von HCO3reintransportiert und verteilt wird.
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Die EPS schützt die PAM vor Austrocknung, großen Temperaturunterschieden, Salzstress, starker Strahlung sowie vor Fressfeinden. Dadurch können die PAM weitaus besser in der Natur überleben. Es wird beabsichtigt PAM-Biofilme für den Menschen nutzbar zu machen. Teilweise wird ihr Einsatz in der Wasserreinigung untersucht. Dort sollen sie Phosphate und Nitrate aufnehmen. Allerdings sind diese Schadstoffe gleichzeitig Dünger für die PAM, so dass der Biofilm wachsen müsste und abgeerntet werden müsste. Dafür gibt es aber keine validen Nutzungsszenarien, zumal eine einmal ausgebildete Schutzhaut nicht erweitert wird. Pflanzenstiele oder Blätter, die mit dem Organismus Biofilm vergleichbar sind, wachsen auch nicht in die Breite. Daher kommt ausschließlich die Verwendung eines stationären Biofilms in Betracht. Stationäre Biofilme wachsen nicht mehr. Sie haben einen Eigenstoffwechsel und einen Überflussstoffwechsel. Der Überflussstoffwechsel, der zur Anhäufung oder Sekretion von Stoffwechselprodukten führen kann, wird vor allem genutzt, wenn zusätzliche Energie in Form von Licht vorhanden ist.
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Im Stand der Technik sind Bioreaktoren für Biofilme bekannt. Aus
WO2014172691A4 ist ein Kultursystem mit Biofilmhaftfläche für unter anderem Algen, die auf einem umführenden Element, das mehrere Akkordeonfalten bildet und in einem umführenden Fahrweg getragen wird, aufgewachsen sind. Das umführende Faltensystem hat einige Nachteile, da unter anderem viel Energie verbraucht wird. Zudem wird kein stationäres System verwendet. Schließlich kann es durch die Bewegung zu Schäden an dem Biofilm kommen.
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Aus
WO2014085869A1 ist ebenfalls ein Bioreaktor für PAM-Biofilme bekannt. Flüssigkeitsdurchlässige Schichten bilden hiernach eine erste Oberfläche, auf der photosynthetische Mikroorganismen kultiviert werden können, um einen Biofilm zu bilden. Eine zweite Oberfläche steht in Fluidverbindung mit einer Fluidquelle. Die Flüssigkeitsdurchlässige Schicht wird rotiert. Dadurch wird zusätzlich Energie verbraucht. Nicht zuletzt ist das System auf das ineffektive Wachstum des Biofilms ausgelegt. In dem rundlichen System sind die Auftragung und die Erhaltung des Biofilms deutlich schwieriger.
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US10072239B1 offenbart ein System zur Anzucht von mindestens einem photosynthetischen Mikroorganismus und zum Umwandeln von CO
2 in O
2 mit reduziertem Wasserverbrauch. Das System beinhaltet einen Flüssigkeitstransportkapillarkanal, einen photosynthetischen Mischkulturbiofilm und ein Flüssigkeitstransportsubstrat, das zwischen dem Kapillarkanal und dem Biofilm positioniert ist und an diesen angrenzt, wobei die Flüssigkeitstransportrate durch Einstellung der lokalen Luftfeuchtigkeit einstellbar ist. Dieses System ist an das Versorgungsprinzip angelegt, dass Bäume zur Versorgung ihrer Blätter mit Wasser verwenden. Nur werden die dort entstehenden Salze von den Blättern verbraucht. Bei dem hier vorgeschlagenen System ist nicht ersichtlich, wie die bei der Verdunstung überbleibenden Salze verwendet werden und wie lange das System dadurch läuft oder etwa Funktionseinbußen auftreten. Der Flüssigkeitstank ist immer unten angebracht, so dass es energetische Nachteile mit sich bringt, da entgegen der Schwerkraft der Wassertransport erfolgt. Das ganze System hängt stark von der verfügbaren Luftfeuchtigkeit ab. Wenn diese übermäßig vorhanden ist, funktioniert es nicht. Das System ist auch auf das Wachstum und nicht auf stationäres Bestehen der Biofilme ausgerichtet.
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In der Nichtpatentliteratur wurden verschiedene Biofilmreaktoren entwickelt. Naumann et al. haben ein System veröffentlicht, bei dem Mikroalgen durch Selbsthaftung an vertikal orientierten Zweischichtmodulen immobilisiert werden. Die Zweischichtmodule bestehen aus Glasfaservlies, durch die das Kulturmedium im Schwerkraftverfahren transportiert wird, und Druckerpapier, welches die Algen auf beiden Oberflächen der Module trägt. Die wachsenden Mikroalgen werden für die Fütterung von Aquakulturen eingesetzt. Ein stationärer Biofilm wird nicht kultiviert. Des Weiteren ist ein Reservetank nicht vorhanden. Der mehrmodulige Aufbau ist komplex und anfällig für Kontaminationen.
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Podola et al. und Liu et al. schlagen ein System vor, bei dem ein Algenbiofilm auf einer mikroporösen Membran wächst. Dahinter befindet sich ein Kulturmedium. Mehrere Module werden über eine Pumpe versorgt. In sogenannten Biofilm-PBR (porous substrate bioreactors) wachsen Biofilme auf einer flüssigkeitsverteilenden Struktur, die als Befestigung für einen inneren Versorgungskanal auf einem hängenden Modul vorhanden ist. Ein unmittelbar anliegender Flüssigkeitstank ist nicht vorhanden. Auch sind mehrere Module mit beidseitiger Ausrichtung vorhanden. Die Vorrichtung dient ausschließlich dem Wachstum der Biofilme, also der Erzeugung von Biomasse, mit den damit verbundenen Problemen der Ernte und des Nachwachsens eines an sich abgeschlossenen Systems.
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Mit der vorliegenden Erfindung soll ein Bioreaktor zur Lebendhaltung eines stationären Biofilms aus photosynthetisch aktiven Mikroorganismen für einen längeren Zeitraum mit einem wartungs- und energiearmen Betrieb bereitgestellt werden.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Bioreaktor für einen stationären Biofilm aus photosynthetisch aktiven Mikroorganismen bestehend aus einem quaderförmigen, flachen, länglichen Gehäuse, wobei eine Wand der länglich-breiten Seite, die Vorderwand, mindestens zum Teil aus transparentem Material besteht und Luftöffnungen in den Seitenwänden vorhanden sind. Der Biofilm ist auf porösem Material, der Aufwachsmatte, aufgewachsen. Eine Schicht Flüssigkeit leicht verteilendes Material, die Verteilmatte, befindet sich darunter. Die Matten mit dem Biofilm liegen an der Innenseite der Rückwand an oder sind dort befestigt. Ein Tank mit Medium zur Versorgung des Biofilms ist an der Außenseite der Rückwand oder als Ausstülpung des Gehäuses vorhanden, wobei der Tank über Öffnungen in Verbindung mit dem Innenraum des Gehäuses steht und eine Öffnung zum Nachfüllen aufweist.
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Von Vorteil ist bei der vorliegenden Lösung, dass ein stationärer Biofilm wartungs- und energiearm erhalten werden kann. Die Aufzucht kann an einem anderen Ort erfolgen. Die Biofilme werden lediglich in das Gehäuse eingesetzt. Da ein stationärer Biofilm benutzt wird, sind keine Abschöpfungsvorkehrungen notwendig. Mit dieser Methode und diesem Aufbau konnten bereits Biofilme für 2 Jahre erfolgreich im Labor am Leben gehalten werden, ohne dass es Einbußen bei der CO2-Aufnahme oder sonstige Veränderungen gab. Die einmal gebildete Schutzhaut in Form der EPS ist mit einer Cuticula vergleichbar.
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Ein weiterer Vorteil ist die Bauweise und die Robustheit. Durch den einfachen Aufbau kann bei Bedarf der Biofilm schnell und wenig zeitaufwendig ausgewechselt werden. Es muss zudem keine aufwendige Sterilisation vorgenommen werden. Durch diese einfache Handhabbarkeit ist die Anwendung auch außerhalb des Labors möglich: zu Hause, im Büro oder auch als autarke Anlage im Außenbereich.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass nur wenig Wartung notwendig. Der Wasserbedarf ist, da der Biofilm nicht mehrwächst, gering. Im Schnitt muss ein 100 ml-Tank bei einer Biofilmfläche von 30 x 40 cm und durchschnittlicher Luftfeuchtigkeit nur ein bis zweimal pro Monat nachgefüllt werden. Die PAM verbrauchen nur so viel wie sie tatsächlich benötigen. Durch die optimale Verteilung der Flüssigkeit in der Aufwachsmatte und der Verteilmatte ist ein energiearmer Betrieb möglich. Gegebenenfalls auftretende Stoffwechselendprodukte oder Tochterzellen können sich im Gehäuse ansammeln. Ohne Stressbedingungen wurde die Abgabe von letzteren nur sehr selten beobachtet. Die PAM sondern zudem Stoffe ab, die ein Wachstum von unerwünschten Organismen wie Pilzen und dergleichen verhindern. Durch die Struktur des Bioreaktors und die einfache Handhabbarkeit ist nun ein dauerhaftes und nachhaltiges Zusammenleben von Mikroorganismen mit einem hohen Nutzungspotential mit dem Menschen möglich.
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Das Gehäuse ist flach ausgebildet, d.h. es gibt eine große Vorderwand und eine große Rückwand. Die Breite der Seitenwände, der Decken- und Bodenwand ist im Vergleich zu diesen Flächenausdehnungen gering. Luftöffnungen befinden sich in den zuletzt genannten Wänden. Durch den flachen Aufbau wird ein passiver Luftfluss durch das Gehäuse möglich (Kamineffekt). Durch die Lichteinstrahlung produzieren die PAM warme Luft, die nach oben steigt. Kalte Luft strömt nach. Bei diesem Prozess entsteht auch Luftfeuchtigkeit, die nach außen abgegeben werden kann. Gerade bei Niedrigenergiehäusern ist trockene, synthetische Luft, die durch große energieverschwendende Filteranlagen erzeugt wird, ein großes Problem. Zudem darf in diesen Häusern zumeist nicht durchgelüftet werden, um allzu großen Energieverlust zu vermeiden. Die längliche Ausgestaltung ist für eine ergonomische und platzsparende Anwendung auch außerhalb des Labors von großer Bedeutung für die Anwenderfreundlichkeit. In einem länglichen Behälter kann nicht zuletzt ein möglichst großer Biofilm untergebracht werden. Wenig Verschattung tritt zudem auf.
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Der Lichteinfall erfolgt durch transparentes Material der Vorderseite. Dieses besteht aus Glas oder Polymethylmethacrylat (Acrylglas, Plexiglas). Das Medium unterscheidet sich je nach den verwendeten PAM. Es ist mit keinem Dünger also vor allem nicht mit Nitraten und Phosphaten versehen. Der Salzgehalt ist niedrig, so dass ein ausreichendes Konzentrationsgefälle der gelösten Stoffe zur zu reinigenden Luft besteht. Es diffundiert durch die Verteilmatte und versorgt dadurch den gesamten Biofilm. Insbesondere läuft die Flüssigkeit aufgrund der Schwerkraft mit der Zeit nach unten.
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Die Verteilmatte ist eine Absorbiermatte, Saugmatte oder ein Saugvlies. Die Haupteigenschaft ist die Aufnahme und gleichmäßige Verteilung von Flüssigkeit aus einer punktuellen Flüssigkeitsquelle. Von Vorteil ist, wenn die Matte faserig aufgebaut ist durch Vorhandensein von Mikrofasern. Materialien finden sich in Windeln und Matten zur Handhabung von Inkontinenz. Die Matte kann aus z.B. Zellulose, Polypropylen, Copolymerfasern, Bicofasern bestehen. Sie liegt an der Aufwachsmatte an. Diese kann z.B. ein Vliesstoff (englisch „nonwoven“) sein, also ein Gebilde aus Fasern begrenzter Länge, Endlosfasern (Filamenten) oder geschnittenen Garnen jeglicher Art und jeglichen Ursprungs, die zu einem Vlies (einer Faserschicht, einem Faserflor) zusammengefügt und auf eine Art miteinander verbunden worden sind ohne das Verkreuzen bzw. Verschlingen von Garnen, wie es beim Weben, Wirken, Stricken, der Spitzenherstellung, dem Flechten und Herstellung von getufteten Erzeugnissen geschieht. Es kann sich dabei unter anderem um Folien, Papiere oder faserverstärkte Kunststoffe handeln.
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Auf der Aufwachsmatte ist ein Biofilm aufgewachsen. Zur Erzeugung des Biofilms werden die PAM vorher in Flüssigkultur angezüchtet und auf die Aufwachsmatte aufgetragen, so dass sie dort einwachsen und die Exopolysaccharidschicht bilden können. Es können sowohl homogene als auch heterogene Biofilme mit verschiedenen PAM oder auch anderen Spezies verwendet werden. Von den PAM eignen sich Algen und Cyanobakterien wie Axodine, Bacillariophyceae, Bryopsidophyceae, Chlorophyceae, Cyanophyceae, Dinophyceae, Eustigmatophyceae, Labyrinthulea, Mesostigmatophyceae, Pelagophyceae, Phaeophyceae, Phaeothamniophyccac, Pleurastrophyceae, Prasinophyceaer phidophyceae, Synurophyceae, Trebouxiophyceae, Ulvophyceae, Xanthophyceae, Gloeothecae, Plectonemae, Anabaena sp. und Nostoc sp. Insbesondere Cyanobakterien sind aufgrund zusätzlicher Photopigmente in der Lage auch bei wenig Licht, wie es in schattigen Zimmern vorkommt, effektiv zu arbeiten. Die PAM nehmen Licht auf und wandeln es zum Teil in Wärme um. Dadurch steigt die Luft im Gehäuse nach oben und wird durch die Luftöffnungen nach draußen gedrückt. Neue Luft strömt nach (Kamineffekt). Auf dem Biofilm ist ein dünner Flüssigkeitsfilm vorhanden, an dessen Grenzfläche ähnlich wie in der Lunge oder den Spaltöffnungen von Pflanzen Gas mit der Luft ausgetauscht werden kann. Kurze Diffusionswege ermöglichen einen schnellen Austausch mit den Zellen. Das Medium mit wenigen Bestandteilen fließt im Gegenstromprinzip zudem an der Luft vorbei (Gegenstromprinzip).
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Ob der Tank auf der Rückseite oder als Ausstülpung des Gehäuses vorhanden ist, hängt davon ab, welche Konstruktion einfacher realisierbar ist. Gerade bei Anwendung von 3D-Druckverfahren oder höheren Stückzahlen ist dies ausschlaggebend.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind Luftöffnungen in den kleinsten Wänden, d.h. in der Bodenwand und der Deckenwand vorhanden. Sie liegen sich somit in einer vertikalen Achse gegenüber. Durch diese Anordnung werden der Kamineffekt und das Gegenstromprinzip optimal ausgenutzt. Die Form der Luftöffnungen ist dabei egal. Die Größe ist entsprechend gewollter Luftwechselraten zu wählen. Je größer sie sind, desto mehr Luft kann durchströmen. Dies kommt auch auf die Umgebung, insbesondere deren Feuchtigkeit an. In Räumen sind gerade durch Radiatoren und Heizkörper, an denen warme Luft nach oben strömt, vor allem vertikale Strömungen vorhanden, welche durch diesen Aufbau ausgenutzt werden.
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In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform ist in den Luftöffnungen ein Filter oder ein Gitter, welches eine minimale Maschenweite von 0,2 mm aufweist, integriert oder angeschlossen. Ein Filter insbesondere ein Gitter in den Öffnungen mit minimaler Maschenweite von 0,2 mm aus nichtrostenden Materialien wie Edelstahl oder Kunststoff verhindert effektiv das Eindringen von Insekten, lässt aber noch Luft und Staub durch.
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In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform sind die Luftöffnungen insbesondere als Kanäle nach innen verlängert oder es ist ein Steg an der Innenseite der Bodenwand vorhanden, so dass in beiden Fällen ein Auffangbecken gebildet wird. Als Kanäle können Röhrchen oder jeweils dem Lochformat angepasste Kanäle verwendet werden. Der Steg befindet sich zwischen Scheibe und Rückwand und schließt an die Luftöffnungen an. Dadurch wird das Auffangbecken größer gehalten. Der Steg kann Verlängerung einer Öffnung in Form eines breiten Spalts sein. Das durch die zusätzlichen Einbauten oder Ausstülpungen gewonnene Auffangbecken dient als Auslaufschutz, wenn die Flüssigkeit zu schnell vom Tank durchläuft. Ohne Auffangbecken könnte es passieren, dass das Medium durch die Luftöffnungen nach außen tropft. Die Kanäle bzw. der Steg sind aus z.B. Kunststoff und bevorzugt transparent, damit mehr von dem Biofilm nach außen sichtbar ist. Die Länge der Verlängerung oder des Stegs ist möglichst so zu wählen, dass keine Verschattung des Biofilms bzw. keine Sichtbarkeit von außen gegeben ist, falls ein Rahmen verwendet wird. In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform ist das Auffangbecken mit wasserabsorbierendem Material gefüllt. Das Auslaufen wird dadurch bei der Drehung noch besser verhindert. Wasserabsorbierendes Material ist zum Beispiel Wasserspeichergranulat. Dies kann ein vernetztes Copolymer auf Kaliumsalz-Basis sein. Es nimmt bis zum 300-fachen seines Eigenvolumens an Wasser auf. In Frage kommen aber auch Schwämme oder dergleichen.
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In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform ist ein schmaler Hohlraum mit insbesondere wasserabsorbierendem Material an der Rückwand mit Öffnung zum Auffangbecken vorhanden. Eine kleine Öffnung für die Abgabe von sich sonst anstauender Luft kann vorhanden sein. Diese Ausführungsform bietet ein zusätzliches Auffangbecken, in dem noch mehr Medium vom Biofilm zur Zwischenspeicherung aufgenommen werden kann. Das wasserabsorbierende Material kann wie zuvor ausgestaltet sein. Es können auch die Matten über den Biofilm hinaus in den Hohlraum weiterführen. Auch sie haben Aufnahmekapazität. Der Hohlraum ermöglicht niedrigere Luftöffnungskanäle bzw. einen niedrigeren Steg, was zu einem besseren Design beiträgt. Außerdem ist der Raum unterhalb vom Tank, wenn er weiter oben angebracht ist, ungenutzt. Eine gleichmäßig ausgebildete Fläche entsteht dadurch. Vor allem kann das Gehäuse zur Anbringung an der Wand dann gerade angebracht werden. Da es sich vorzugsweise unterhalb des Tanks befindet, ist eine optimale Platznutzung gegeben. Das Gehäuse wird dadurch nicht zu tief.
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In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform verbinden Bänder insbesondere Schnüre aus wassertransportierendem Material über die Öffnungen, welche in dieser Ausführungsform dieselbe Größe wie die Bänder haben, den Tank mit dem Innenraum des Gehäuses und liegen dort an der Verteilmatte an. Insbesondere tauchen sie im Tank von oben in das Medium ein oder es ist eine nur bei Sog das Medium durchlassende Membran in den Öffnungen vorhanden, die mit der Verteilmatte in Verbindung steht.
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Die Schnüre oder Fäden können aus Wolle, Kunststoff o.ä. bestehen, wie Dochte gewickelt oder geflochten sein. Die Fasern stellen feine Kanäle dar. Der Wassertransport in diesen wird durch Kapillarkräfte (Dochteffekt) und Verdunstung am anderen Ende hervorgerufen. Antriebskraft kann aber auch durch hydrostatischen Druck entstehen, wenn die Öffnung an der unteren Seite des Tanks befestigt ist. Da dadurch nach Befüllung allerdings zu viel Fluss entstehen kann, ist es besser, wenn die Schnüre nur ins Medium eintauchen und der Wassertransport nur erfolgt, wenn die Verdunstung so hoch ist, dass die Kapillarkräfte bzw. der Verdunstungssog die Schwerkraft überwiegen. Alternativ kann eine Membran bevorzugt eine hydrophobe, nur wenig Medium durchlassende verwendet werden. Wenn die Verdunstung hoch ist, dann kann der daraus entstehende Verdunstungssog den hydrophoben Membrangegendruck überwinden.
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In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform ist der Tank abgeflacht und es ist auf der vom Gehäuse abgewandten Seite ein Füllstandsfenster vorhanden. Durch die Abflachung nimmt der Bioreaktor nur wenig Platz bei Anbringung an der Wand in den Raum hinein ein. Dies hat Vorteile bei der Anbringung und beim Design. Das Füllstandsfenster ermöglicht jederzeit die Ablesung des Füllstands, so dass der Benutzer weiß, wann er durch die Öffnung des Tanks neues Medium nachfüllen muss. Eine vollständige Transparenz des Tanks würde zur Folge haben, dass dort möglicherweise auch PAM wachsen, was nicht erwünscht ist.
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In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform sind eine Bewässerungseinheit insbesondere in Form eines Betropfungsrohrs oder -schlauchs mit Öffnungen quer weniger als 2 cm oberhalb der Oberkante des Biofilms oder unter der Verteilmatte im oberen Bereich und eine Pumpe vorhanden, wobei mittels der Pumpe vom Auffangbecken Medium durch die Bewässerungseinheit gepumpt wird. In dieser Ausführungsform gelangt das Medium durch eine mittels Pumpe betriebene Bewässerungseinheit auf den Biofilm. Die Bewässerungseinheit kann als Betropfungseinheit ausgestaltet sein, die horizontal über dem Biofilm oder der Verteilmatte bzw. der nicht notwendigerweise an dieser Stelle bewachsenen Aufwachsmatte angebracht ist. Somit sollten also die Matten so weit in das Gehäuse reinragen oder nach hinten versetzt sein, dass sie von oben betropft werden können. Andererseits ist auch eine Besprühung des Biofilms denkbar. Dies erfordert jedoch einen höheren Pumpdruck. Auch ist denkbar, dass eine Bewässerungseinheit unterhalb der Matten vorhanden ist. Der Durchmesser der Öffnungen ist 0,2 bis wenige Millimeter groß (entspricht dem Durchmesser einer Kanüle). Es muss verhindert werden, dass Algen diese Öffnungen zuwachsen. Daher sollten sie nicht erleuchtet sein. Andererseits sollte eine Reinigungsmöglichkeit gegeben sein. Beispielsweise ist an eine kurzzeitige, turnusmäßige Druckerhöhung zu denken, durch welche die Öffnungen wieder freigedrückt werden, ohne den Biofilm zu schädigen. Die Rohre oder Schläuche sollten einen Durchmesser von wenigen Millimeter bis Centimeter haben und z.B. aus Kunststoff bestehen. Eine beidseitige Anströmung wird bevorzugt, da dabei das Medium sich in der Mitte trifft und dadurch der Druck größer ist, durch die kleinen Öffnungen zu fließen. Aufgrund der Schwerkraft läuft das Medium in den Matten nach unten und bewässert den Biofilm.
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In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform ist eine Auffangkante unterhalb der Bewässerungseinheit mit einem Spalt von weniger als 1 mm zum Biofilm auf der Aufwachsmatte vorhanden. Die Auffangkante aus z.B. Kunststoff ermöglicht eine bessere Verteilung bzw. ein Sammeln der einzelnen Tropfen. Es verhindert somit vor allem, dass sich Bahnen auf dem Biofilm bilden, die eine ungleichmäßige Versorgung bedeuten. Zusätzlich ermöglicht die Auffangkante eine Verschattung der Bewässerungseinheit und damit ein nicht erwünschtes Wachstum der PAM in der Bewässerungseinheit.
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In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform ist das transparente Material der Vorderwand als Glas- oder Polymethylmethacrylatscheibe ausgestaltet und eine Nut jeweils in den Seitenwänden und der Bodenwand vorhanden, in welche die Scheibe eingeschoben wird. Die Deckenwand ist abnehmbar und dient als oberer Verschluss. Um das Gehäuse zu öffnen, muss hiernach die Deckenwand abgenommen und die Scheibe nach oben herausgezogen werden. Dies ermöglicht ein einfaches Öffnen. Damit Medium nicht aus dem Auffangbecken beim Ankippen des Gehäuses herausfließt, wenn kein Steg vorhanden ist, muss die Scheibe nach unten abgedichtet sein. Dies kann z. B. durch ein Moosgummi, auf dem die Scheibe ruht und das sich an den Seiten befindet, erreicht werden. Denkbar ist auch, dass die Matten durch die Deckenwand eingeklemmt werden, so dass keine Klemmschiene oder ähnliche im oberen Bereich sichtbare Einrichtung notwendig ist. Die Nut kann unter anderem durch Anbringung eines U-Profils auf den Seitenwänden und der Bodenwand realisiert werden.
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In weiterhin bevorzugten Ausführungsformen weisen die Seitenwände und die Bodenwand eine Nut für den Einschub der Rückwand mit Biofilm und Matten darauf oder einer zur Rückwand getrennten Ebene mit Biofilm und Matten darauf auf. Diese Ausführungsformen ermöglichen den einfachen Tausch des Biofilms, wenn ein Wechsel nötig ist. Gerade der Austausch des Biofilms hat unter möglichst sterilen Bedingungen zu erfolgen. Eine unachtsame Bewegung kann des Weiteren zu einem Riss führen. Für den Benutzer ohne diese Fertigkeiten ist es einfacher nur die feste Grundlage des Biofilms zu wechseln. Diese Ausführungsformen erhöhen somit die Benutzerfreundlichkeit. Auch bei diesen Ausführungsformen bietet sich eine ablösbare Deckenwand als Verschluss an. Es ist aber auch ein Schlitz in der Deckenwand denkbar, durch den die Ebene mit Biofilm geschoben wird.
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In weiterhin bevorzugten Ausführungsformen weisen die Vorderseite und die Rückseite ganz oder zum Teil Rundungen auf. Insbesondere ist das Gehäuse zylinderförmig ausgestaltet. Für die Funktionalität ist es dabei wichtig, dass die Vorder- und die Rückseite dieselbe Form haben. Die rechteckige Form beruht auf der Verteilung des Mediums durch Schwerkraft. Da aber Kapillarkräfte auch seitwärts Medium in der Verteilmatte verteilen können, ist auch eine andere Form möglich. Auch ein Polygon, ein gedrehtes Viereck oder z.B. eine Raute sind neben runden Formen wie Kreisen, Ovalen o.ä. möglich.
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In weiterhin bevorzugten Ausführungsformen erfolgt die Befestigung der Matten durch Nadeln, Klett, eine Klemmschiene, Sehnen und/oder auf einem Gitter. Bei vertikaler Nutzung ist eine Fixierung notwendig. Möglichst wenig sichtbar und gleichzeitig robust soll dabei die Anbringung sein. Dafür eignen sich vor allem Nadeln mit einem kleinen Kopf. Sie sollten aus rostfreiem Material (Stahl, behandeltes Eisen, Kunststoff) bestehen, möglichst transparent oder in dunkelgrüner Farbe sein. Bei der Verwendung von Klett ist ein leichtes Ablösen möglich. Die Poren der Matten insbesondere der Aufwachsmatte ermöglichen einen guten Halt. Auf eine Verteilmatte ist, wenn der Klett dort nicht anheftet, gegebenenfalls zu verzichten. Auch die Verwendung von transparenten Sehnen hat Vorteile. Diese können zur Fixierung auf einem Gitter verwendet werden. Ebenso kann der Biofilm mit den Matten auf einem Gitter ohne Sehnen befestigt werden. Das Gitter kann an der Rückwand befestigt werden.
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In weiterhin bevorzugten Ausführungsformen ist ein Rahmen vor der Vorderwand vorhanden oder die Vorderwand weist eine nicht transparente Fläche auf und der Rahmen oder die nicht transparente Fläche sind mit einer Photovoltaikanlage ausgestattet oder bilden solch eine. Dadurch kann die Fläche genutzt werden, um einen autarken Betrieb zu gewährleisten. Stromkabel sind zudem nicht mehr notwendig. Wie auch solarbetriebene Taschenrechner mit wenig Licht betrieben werden können, ist ein unmittelbarer Betrieb eines Verbrauchers oder das Laden einer Batterie denkbar.
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In weiterhin bevorzugten Ausführungsformen sind Luftzusammensetzungssensoren und andere Sensoren im oder am Gehäuse vorhanden. Luftzusammensetzungssensoren können z.B. die Luftfeuchtigkeit oder den Gehalt an COx, NOx, SOx, Ozon, flüchtigen Chemikalien oder Ammoniak bestimmen. Ein anderer Sensor kann z.B. ein Umweltsensor wie ein Temperatursensor oder ein pH-Sensor sein. Unter anderem kann die Kontrolle vorher und nachher erfolgen: Am Eingang und am Ausgang separat oder verbunden über ein gemeinsames Luftrohr. Der Strom für die Sensoren kann aus einer externen Quelle, einer integrierten Mini-PV-Anlage und/oder Batterie stammen. Es kann für die Sensorik und ggf. Steuerung der Raum auf der Rückseite unterhalb des Tank unter anderem genutzt werden. Die Messungen erfolgen zu bestimmten Zeitpunkten, um Strom zu sparen. In der Zwischenzeit befinden sich die Sensoren im Schlafmodus. Dies kann durch eine Steuerung gesteuert werden.
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In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform ist eine Datenübertragung insbesondere eine Funkverbindung zum Übersenden von Daten der Sensoren an einen Empfänger vorhanden. Dadurch kann der Benutzer jederzeit einsehen wie die Luft in dem Raum zusammengesetzt ist oder andere Umweltbedingungen sind. Die Daten können an einen Server, eine Cloud oder an eine App etc. gesendet werden. Es ist auch die direkte Steuerung oder Kommunikation mit z.B. Belüftungseinrichtungen oder Sonnenschutzeinrichtungen möglich. Der Strom für die Anlage kann aus einer externen Quelle, einer integrierten Mini-PV-Anlage und/oder Batterie stammen.
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In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform wird das Gehäuse aktiv über die Luftöffnungen belüftet. Insbesondere ist dazu ein Ventilator in den Luftöffnungen vorhanden. Durch die aktive Belüftung ist ein höherer Luftdurchsatz möglich. Dazu können kleine Ventilatoren oder auch Lüfter unter anderem verwendet werden. Sie können in oder außerhalb vom Gehäuse sein. Der Strom kann aus einer externen Stromquelle oder aus einer Mini-PV-Anlage und/oder Batterie stammen.
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In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform wird Luft zur Begasung des Mediums in den Tank eingeleitet. Dadurch können effektiv Stoffe aus der durchgeleiteten Luft im Medium gelöst werden, welches wiederrum diese an den Biofilm abgibt.
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In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform ist ein Rahmen oder ein nicht transparenter Abschnitt der Vorderwand vorhanden, von dem aus Lampen von außen nicht sichtbar den Innenbereich des Gehäuses und damit den Biofilm beleuchten. Dies dient nicht nur der Versorgung des Biofilms mit Lichtenergie und Wärme, sondern hebt den Biofilm auch optisch besser hervor. Als Lampen können LEDs o.ä. verwendet werden. Die Benutzung von Schwarzlicht zur Nutzung der Biolumineszenz der PAM, die im unsichtbaren Licht absorbieren, es aber im sichtbaren Bereich wieder emittieren, ist ebenfalls möglich. Der Strom kann aus einer externen Stromquelle oder aus einer Mini-PV-Anlage und/oder Batterie stammen.
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In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform sind ganz oder teilweise Lampen unterhalb des Biofilms bzw. der Matten zur rückseitigen Beleuchtung vorhanden. Dies ermöglicht nicht nur die Versorgung der PAM mit Lichtenergie und Wärme, es ermöglicht auch eine optische Hervorhebung. Insbesondere ist die Projektion von bestimmten Formen wie Logos etc. möglich. Als Lichtquelle können sparsame LEDs verwendet werden. Der Strom kann aus einer externen Stromquelle oder aus einer Mini-PV-Anlage und/oder Batterie stammen. Bei vollständiger Beleuchtung ist die Nutzung des Bioreaktors als abwischbare Tafel mit dunkler Farbe der Stifte möglich. Bei nur teilweiser Beleuchtung oder auch keiner Beleuchtung sind weiße Stifte zu verwenden.
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In weiterhin bevorzugten Ausführungsformen ist der Bioreaktor im Decken- oder Bodenbereich eines Raumes angebracht, wobei im Bodenbereich die Vorderwand verstärkt ist. Bei Anbringung im Deckenbereich wird der Biofilm z.B. über eine nur wenig Medium durchlassende, hydrophobe Membran versorgt, über der das Medium sich befindet. Dabei ist sicherzustellen, dass möglichst kein Medium auf die Scheibe tropft. Mit einer Pumpe kann Medium zur Decke über eine Leitung befördert werden, wobei eine automatische Versorgung bei niedrigem Füllstand bevorzugt wird. Alternativ ist auch die Nutzung von Regenwasser, welches sich auf dem Dach gesammelt hat, denkbar. Bei Anbringung im Bodenbereich diffundiert das Medium z.B. von unten durch die Matten zum Biofilm oder er wird von oben durch ein Sprühverfahren o.ä. befeuchtet. Der Tank wird durch eine nach oben zeigende Öffnung bzw. Verbindung nachgefüllt. Es ist eine stabile Scheibe mit ggf. Verstärkungen zu nutzen. Vorteil dieser Ausführungsformen ist die Nutzung von Bereichen, die sonst nicht oder nur wenig genutzt werden. Insbesondere kann ein von hinten oder vorne beleuchteter Bioreaktor als Lampe genutzt werden.
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Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der detaillierten Beschreibung und den Zeichnungen ersichtlich.
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Figurenliste
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- 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Bioreaktors von vorne mit Vorderwand.
- 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Bioreaktors von vorne mit Vorderwand und eingesetztem Biofilm.
- 3 ist eine perspektivische Ansicht eines Bioreaktors von hinten ohne Vorderwand mit sichtbarem Tank auf der Rückwand.
- 4 ist ein ionenchromatografisches Diagramm mit aus Stickstoffdioxid umgewandeltem Nitrit nach 4 Minuten Retentionszeit (gemessen durch Leitfähigkeit in µS)
- 5 ist ein ionenchromatografisches Diagramm mit reduziertem Gehalt an aus Stickstoffdioxid umgewandeltem Nitrit nach 4 Minuten Retentionszeit (gemessen durch Leitfähigkeit in µS)
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Im Folgenden wird auf 1 - 3 Bezug genommen. Demnach umfasst die gewählte Ausführungsform:
- Einen Bioreaktor bestehend aus einem quaderförmigen, flachem, länglichen Gehäuse (1), wobei eine flache Wand (Vorderwand (2)) als Polymethylmethacrylatscheibe auf die Seitenwände (4) aufgeklebt wird. Das Gehäuse (1) weist Luftöffnungen in den kleinsten Wänden (Bodenwand (12) und Deckenwand (13)) auf, sichtbar in 1.
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2 zeigt: Ein statischer, phototropher Biofilm (5) aus filamentösen Blaualgen ist auf Vliesstoff (Aufwachsmatte (6)) aufgewachsen. Diese Schicht liegt auf einer Verteilmatte (8) als Saugvlies. Die Matten sind am oberen Ende in die Klemmschiene (17) eingeklemmt und liegen an der Rückwand (7) an.
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3 zeigt: An der Außenseite der Rückwand (7) ist ein flacher Tank (9) angeklebt, der über Öffnungen (10) in Verbindung mit dem Innenraum des Gehäuses (1) steht und eine Öffnung zum Nachfüllen (11) sowie ein Füllstandsfenster (18) hat. In den Öffnungen befinden sich Schnüre (16) in Form von Wollfäden, welche auf der Innenseite des Gehäuses (1) miteinander verbunden sind, dort an der Verteilmatte (8) anliegen und im Tank befindliches Medium aufgrund eines Verdunstungssogs zu den Matten und dem Biofilm (5) transportieren. Durch das Füllstandsfenster (18) kann der Füllstand abgelesen werden. Sobald das Medium verbraucht ist, kann bei Bedarf durch die Öffnung zum Nachfüllen (11) Medium nachgefüllt werden. Das Medium umfasst die für die Blaualgen nötigen Mineralien und Spurenelemente.
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Durch die Öffnungen (10) in der Bodenwand (12) strömt Luft von außen ein und bewegt sich über den Biofilm (5). Der Biofilm erwärmt die Luft, die dadurch nach oben abfließt. Das Medium mit wenig Salzen läuft im Gegenstrom. Es kommt zur Aufnahme von Luftschadstoffen. Saubere Luft verlässt die Luftöffnungen (3) in der Deckenwand (13).
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Es wurde folgende Nichtpatentliteratur zitiert:
- Akihiro et al.: Removal of the product from the culture medium strongly enhances free fatty acid production by genetically engineered Synechococcus elongatus, Biotechnology for Biofuels 10, S. 141.
- Amsler et al.: Algal Chemical Ecology, 2008, Springer Berlin/Heidelberg, S. 273.
- Bell et al.: Chemotactic and growth responses of marine bacteria to algal extracellular products, 1972 Biol. Bull., S. 265-77.
- Chang et al.: Excretion of glycolate, mesotartrate and isocitrate lactone by synchronized cultures of Ankistrodesmus braunii, 1970 Plant Physiol. 46, S. 377-385.
- Dellagreca et al.: Fatty Acids Released by Chlorella vulgaris and Their Role in Interference with Pseudokirchneriella subcapitata: Experiments and Modelling, 2010 Journal of Chemical Ecology 36(3), S. 339-49.
- Hallegraeff et al.: A review of harmful algal blooms and their apparent global increase, 1993 Phycologia 32, S. 79-99.
- Pratt et al.: Some properties of the growth inhibitor formed by Chlorella vulgaris, 1942 Amer. J. Bot. 29, S. 142-148.
- McConville et al.: Subcellular location and composition of the wall and secreted extracellular sulphated polysaccharides/proteoglycans of the diatom Stauroneis amphioxys, 1999 Bacic A. Protoplasma 206, S. 188.
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Bezugszeichenliste
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- (1)
- Gehäuse
- (2)
- Vorderwand
- (3)
- Luftöffnungen
- (4)
- Seitenwänden
- (5)
- stationärer, phototropher Biofilm
- (6)
- Aufwachsmatte
- (7)
- Rückwand
- (8)
- Verteilmatte
- (9)
- Tank
- (10)
- Öffnungen
- (11)
- Öffnung zum Nachfüllen
- (12)
- Bodenwand
- (13)
- Deckenwand
- (15)
- Auffangbecken
- (16)
- Bänder
- (17)
- Klemmschiene
- (18)
- Füllstandsfenster
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2014172691 A4 [0005]
- WO 2014085869 A1 [0006]
- US 10072239 B1 [0007]
