DE4134813C2 - Einrichtung zur Kultivation von phototrophen Mikroorganismen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Kultivation von phototrophen Mikroorganismen. Die Einrichtung eignet sich sowohl für die Anwendung von Tageslicht als auch für Kunst­ licht.

Es sind Einrichtungen zur Kultivation von phototrophen Mikro­ organismen bekannt, die als offene Becken ausgebildet sind, die sich unter freiem Himmel befinden. Das zum Wachstum der Mikroorganismen erforderliche Licht ist Sonnenlicht, bei be­ decktem Himmel das Tageslicht als solches. Die Nachteile die­ ser Anlagen sind erheblich, eine Reinzucht ist nicht möglich, da die Gefahr einer Kontamination ständig gegeben ist. Da außer der Lichteinstrahlung für die Kultivation der Mikro­ organismen auch die Temperatur eine ebenso wichtige Rolle spielt, lassen sich Einrichtungen dieser Art nur in südlichen Gegenden mit Erfolg betreiben, in den nördlichen Gegen­ den sind Einrichtungen dieser Art wenig geeignet, da für die Zeit der Wintermonate der Betrieb ruhen muß. Bekanntlich ist die höchste Effektivität des Lichtes dann erzielbar, wenn der Einfallswinkel nahezu 90° beträgt, dagegen mit Leistungs­ abfall zu rechnen ist, wenn der Lichteinfall unter einem spitzen Winkel erfolgt, was in den Morgen- und Nachmittags­ stunden regelmäßig der Fall ist und von den Jahreszeiten abhängig ist.

Weiterhin sind Einrichtungen zur Kultivation von phototrophen Mikroorganismen bekannt, die ausschließlich mit Kunstlicht betrieben werden, bei denen das Kulturmedium in transparen­ ten Rohren geführt wird. Um die Lichtenergie möglichst im großen Umfang auszunutzen, werden die Rohre so eng wie möglich parallelliegend zueinander angeordnet. Doch dies gelingt nur unzureichend; schon deshalb ergibt sich immer ein gewis­ ser Abstand der Rohre voneinander, da sich kein Krümmer an­ fertigen läßt, dessen Innenradius praktisch Null ist, so daß zwei parallellaufende, miteinander verbundene Rohre gänzlich aneinander zu liegen kämen. Dieser Zwischenraum ist stets vorhanden, auch wenn man versucht hat, verschiedene, miteinander verbundene Rohrsysteme auf engstem Raum in sinn­ voller Weise so eng wie möglich ineinander zu verlegen. Ein solches System ist beispielsweise in US-PS 44 73 970 darge­ stellt. Die Rohre sind hier auf engstem Raum in einer quadra­ tischen Umgrenzung verlegt.

In der GB-AS 21 92 195 ist eine Anlage dargestellt, die mit einem behälterförmigen Bioreaktor versehen ist, in den über Lichtleiter das Licht in sein Inneres geleitet wird. Das Licht wird einmal über eine der Sonne nachführbare Fresnel-Linse zum anderen über eine Kunstlichtquelle über die gleichen Lichtleiter in das Kulturmedium geleitet. Es be­ steht die Möglichkeit, sofort von Solarlicht auf Kunstlicht umzuschalten.

Solche Einrichtungen sind teuer sowohl in der Herstellung als auch im Betrieb.

In der US-PS 45 55 864 ist eine Einrichtung zur Kultivation von Chlorella-Algen beschrieben, bei der Lichtleiter im Kultivationsgefäß in das Kulturmedium eintauchen und von oben her über schräg gestellte Spiegel mit Lichtenergie versorgt werden. Die Versorgung des Kulturmediums mit Lichtenergie auf diese Weise erscheint kostspielig und von der Sache her zu aufwendig.

Einrichtungen, die mit behälterförmigen Bioreaktoren aus­ gestattet sind, sind in aller Regel noch mit Mitteln zum Be­ wegen des Kulturmediums versehen, um eine intensive Belich­ tung zu erreichen. Dies bedeutet einen zusätzlichen Aufwand, der die Einrichtung verteuert.

In der WO-PS 88/04316 ist ein Modul zur Kultivation von Mikroorganismen beschrieben, das zwischen einer oberen und unteren transparenten Deickplatte Stege aufweist, die wechselseitig mit Durchbrüchen versehen sind, so daß das Kultmedium serpentinenförmig durch das Modul strömen kann. Dabei sind an den Schmalseiten Verschlußstücke vorgesehen, die in Form eines U-Profils über das Modul an beiden Enden übergreifen. An dessen Enden sind gleichzeitig Spannschrauben durch die Verschlußstücke und das Modul hindurchgeführt, um das Ganze zusammenzuhalten. Als Bindemittel ist Silikon vorgesehen, das als Nährboden für bestimmte Mikroorganismen dient, z. B. Pilzbefall und dadurch zu Fremdinfektion der Algenkulturen führen kann. Fungizidbehandelte Silikone wirken als Gifte auf Mikroorganismen und sind im vorgesehenen Anwendungsfall nicht brauchbar.

Nachteilig ist auch, daß durch die Schrauben Spannungen in dem Modul auftreten, die zu Undichtigkeiten oder zum Bruch führen können. Das Modul ist nur in waagerechter Lage betreibbar, worauf die Bezeichnungen von oberer und unterer Platte hinweisen. Da Silikon als Bindemittel dient, das nicht aushärtet, ist bei einer Lageveränderung mit einem Verschieben des Moduls in sich in oder einem gänzlichen Zerstören des Moduls zu rechnen. Eine hängende oder stehende Anordnung desselben ist offenbar nicht möglich, da das Modul nur in einer Richtung einer Körperachse ein biegesteifes System bildet. Weiterhin ist die belichtbare Fläche sehr klein und die Menge des Kulturmediums sowie die Lichtausbeute nur gering, weil die Bauteile des Moduls nicht vollständig aus transparentem Material ausgeführt sind und vor allem die überdeckenden Seitenbereiche den Lichteinfall des Moduls mindern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Kultivieren photoropher Mikroorganismen zu schaffen, mit der eine größtmögliche Ausnutzung der zur Verfügung stehenden oder einzusetzenden Lichtennergie zu erreichen ist, wobei deren Funktionskörper selbsttragende Eigenschaften aufweisen soll.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Platten mit den zwischenliegenden Stegen und den Seitenplatten einen kompakten Körper bildend unlösbar und flüssigkeitsdicht zu einer Einrichtung zusammengeführt sind, die biegesteif ausgebildet und selbsttragend Verwendung finden kann. Es ist im Sinne der Erfindung, daß der Einrichtung turbulenzerzeugende Mittel beigeordnet werden, welche vorzugsweise auf den Stegen befestigt sind. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung sind zwischen den Platten und den Stegen Kanäle mit einem rechteckigen Querschnitt ausgebildet.

Die Erfindung ist weiterhin ausgestaltet, wenn zwischen den Platten und Stegen Kanäle mit einem quadratischen Querschnitt ausgebildet sind. Eine gemäß der Erfindung vollständig aus transparenten Elementen hergestellte Einrichtung, in der sich ein serpentinenförmig durchströmbarer Kanal zur Führung des Kulturmediums befindet, weist den Vorteil auf, daß die aufgewandte Lichtenergie in vollem Maße dem Wachstum der zu kultivierenden Mikroorganismen zugute kommt. Das auf die ebene Platte auftreffende Licht erreicht praktisch an allen Punkten das Kulturmedium, das auch an jeder Stelle gleich weit von der Lichtquelle entfernt ist. Das Ganze wird begünstigt durch eine rechteckige Ausbildung der Kanäle, wobei die Stege die kurzen Seiten der Rechtecke bilden sollten. Durch die kompakte Bauweise der Einrichtung ist es möglich, eine solche, im Verbund mit weiteren kardanisch aufzuhängen und dem Sonnenstand nachzuführen, und auf diese Weise einen praktisch senkrechten Einfall der Sonnenstrahlung zu erreichen.

Auch für die Anwendung von Kunstlicht ist die Einrichtung gut geeignet. Zwischen eine mit Abstand zueinander aufgestell­ te Anzahl der erfindungsgemäßen Einrichtungen, die unter­ einander verbunden, eine Anlage bilden, können Kunstlicht­ quellen angeordnet werden. In jedem Fall ergibt sich die Möglichkeit der Zuführung von CO₂ und die Abführung von O₂. Zur Erreichung der optimalen Kultivationstemperatur läßt sich eine Temperaturregelung vorsehen, die mit Hilfe eines Wärmetauschers realisiert ist.

Um eine innige Vermischung von zugeführtem CO₂ und dem Kul­ turmedium zu erreichen, sind an den Stegen Mittel zur Erzeu­ gung von Turbulenzen angebracht. In dieser Weise wirkt auch der rechteckige bis quadratische Querschnitt des mäanderlinienförmig verlaufenden Kanals. Da sich in den Ecken die Flüssigkeitsreibung vergrößert und sich damit die Strömungsgeschwin­ digkeit des Kulturmediums gegenüber dem mittleren Teil des Querschnitts verringert, kommt es zur Wirbelbildung, die für eine ständige Durchmischung des Kulturmediums sorgt, wodurch auch die Belichtung der Mikroorganismen optimiert wird.

Die Erfindung ist an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den beigefügten Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Einrichtung,

Fig. 2 einen Schnitt in Richtung A-A,

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Einrichtung, kardanisch aufgehängt,

Fig. 4 mehrere Einrichtungen zu einer Kultivationsanlage zu­ sammengestellt, die mit Kunstlicht betrieben wird.

Die Einrichtung besteht aus zwei planparallelen, transparenten Platten 1 und 2, die die Vorder- und Hinterseite bilden (Fig. 2). Hierzu kann Glas, aber auch transparenter Kunststoff Verwen­ dung finden. Zwischen den Platten 1 und 2 sind Stege 3 einge­ setzt, die mit den Platten 1 und 2 dicht verbunden sind. Für den seitlichen Abschluß der Einrichtung sind zwei schmale Platten 4 und 5 vorgesehen, die ebenfalls dicht mit den Platten 1 und 2 verbunden sind. In den Stegen 3 sind Verbindungsöffnungen 6 vorgesehen, durch die die jeweils benachbarten, durch die Stege 3 gebildeten Kammern miteinander verbunden werden, wodurch ein einziger mäanderlinienförmig durchströmbarer Kanal 7 entsteht. Das Kulturmedium zur Kultivation der photo­ trophen Mikroorganismen wird bei Anschlußstutzen 8 zugeführt und verläßt bei Anschlußstutzen 9 die Einrichtung. Der Anschluß 10 ist für die Zuführung von CO₂ zum Kulturmedium vorgesehen. Im Kanal 7 sind einige turbulenzerzeugende Mittel 11 zu sehen, die kurz nach dem Anschluß 10 angeordnet sind, um eine innige Verwirbelung des Kulturmediums mit dem Kohlendioxyd zu erreichen. Ein weiterer Anschluß kann für die Abführung des während des Kultivationsprozesses entstehenden Sauerstoffs vorgesehen sein (Fig. 4). Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß der Kanal 7 etwa quadratischen Querschnitt aufweist. Es ist auch möglich, dem Querschnitt eine rechteckige Form zu geben, wobei es besonders günstig ist, die langen Seiten der Rechtecke an den Platten 1 und 2 vorzusehen. Hierdurch verbessert sich die Einwirkung der Lichtenergie auf das Kulturmedium erheblich, da dadurch eine große Fläche dem Licht zugewandt ist, der Kanal als solcher aber verhältnismäßig flach ist. Hier zeigt sich die Überlegenheit der erfindungsgemäßen Einrichtung gegenüber herkömmlichen Kultivatoren, die mit Rohren runden Querschnitts ausgeführt sind. Dazu bedingt der Kanal 7 noch einen weiteren Vor­ teil, der darin besteht, daß die rechtwinklig ausgebildeten Ecken des Kanals 7 eine die Strömung verzögernde Wirkung haben, während in der Mitte die Strömungsgeschwindigkeit höher ist. Dieser Umstand läßt in Kanal 7 keine laminare Strömung aufkommen, wodurch es zu einer ständigen Durchmi­ schung des Kulturmediums kommt und so gewährleistet ist, daß die Mikroorganismen sowohl mit dem zugeleiteten CO₂ in Kon­ takt gebracht werden als auch ein Optimum der Belichtung erreicht wird.

Die Fig. 3 zeigt eine Einrichtung, die zum Betrieb mit Solar­ energie kardanisch auf gehängt ist. Die Einrichtung 12 ist in einem Rahmen 13 um die Zapfen 14 schwenkbar eingehängt, wobei der Rahmen 13 um die Zapfen 15 im Ständer 16 in Richtung des Doppelpfeiles 17 schwenkbar ist. Pfeil 18 gibt die Rich­ tung des Lichteinfalls an. Auf diese Weise wird es möglich, die Einrichtung dem sich verändernden Lichteinfall nachzuführen. Dies kann von Hand aber auch über eine spezielle Nachführvorrichtung erfolgen. Durch die erfindungsgemäße Ausführung der Einrichtung ist es möglich, dieselbe nahezu in waagerechte Lage zu schwenken, ohne daß Bruchspannungen entstehen, die zur Zerstörung der Einrichtung führen könnten, auch wenn diese aus nicht allzu dickem Plattenmaterial ausgeführt ist. Die beiden Platten 1 und 2, die über die Stege 3 fest miteinander verbunden sind, ergeben ein äußerst biegesteifes System. Die mit Hilfe von Solarenergie betriebene Einrichtung 12 ist natürlich mit den Anschlüssen für die Zu- und Abführung des Kulturmediums, der Zuführung von CO₂ und der Abführung von O₂ und einer Umwälzpumpe so­ wie einem Wärmetauscher versehen; sie kann auch im Verbund mit weiteren Einrichtungen gleicher Art betrieben werden, was jedoch der Übersichtlichkeit halber in der Zeichnung nicht dargestellt wurde.

In Fig. 4 sind erfindungsgemäße Einrichtungen eingebunden in eine mit Kunstlicht betriebene Kultivationsanlage. Die Einrichtungen 12, die parallel zueinander in senkrechter Lage aufgestellt sind, sind hintereinander geschaltet und werden in Pfeilrichtung vom Kulturmedium durchströmt. Die Pumpe 19 setzt das Kulturmedium in Bewegung, das am Anschlußstutzen 20 die letzte der Einrichtungen 12 verläßt und nach Behälter 21 zurückströmt, um von dort erneut die Einrichtungen 12 zu durchströmen. Auf dem Rückfluß wird der Wärmetauscher 22 durchströmt, wo die Temperatur auf die optimale Wachstums­ temperatur der Mikroorganismen eingestellt wird. In den Zwischenräumen zwischen den Einrichtungen 12 sind Kunstlicht­ quellen 23 angeordnet, die für die notwendige Belichtung sorgen. Hierzu werden zweckmäßig Kaltlicht-Leuchtstoffröhren eingesetzt, um eine unnötige Erwärmung des Kulturmediums über die optimale Wachstumstemperatur der Mikroorganismen hinaus zu vermeiden. Am Anschluß 24 erfolgt die Zuführung von CO₂ in die Anlage; der sich während des Kultivations­ prozesses abscheidende Sauerstoff wird bei Anschluß 25 abgeführt.

Durch die Möglichkeit, die Einrichtungen 12 durch Kunstlicht­ quellen zu belichten, die in geringer Entfernung von densel­ ben angeordnet sind, ist eine größtmögliche Ausnutzung der aufgewandten Lichtenergie möglich. Dabei treffen die Licht­ strahlen im wesentlichen senkrecht auf die Einrichtungen 12 auf; der Abstand Lichtquelle zu Oberfläche der Einrichtungen ist an jeder Stelle gleich, wodurch sich Verluste, wie sie bei der Bestrahlung runder Rohre in herkömmlichen Anlagen, die Kulturmedium führen, vermeiden lassen und so eine inten­ sive Kultivation möglich wird.

Claims (4)

1. Einrichtung zum Kultivieren phototropher Mikroorganismen, die von einem Kulturmedium mäanderlinienförmig durchströmt und mittels Anwendung von natürlichem und/oder Kunstlicht zu betreiben ist, wobei aus dem Kulturmedium O₂ abgeführt und CO₂ zugeführt werden kann, die aus zwei planparallelen Platten gebildet ist, zwischen denen eine beliebige Anzahl von Stegen parallel und im gleichen Abstand zueinander, Kammern bildend angeordnet ist und am Ende eines Steges eine Verbindungsöffnung zur benachbarten Kammer vorgesehen ist, wobei die Verbindungsöffnungen benachbarter Stege sich an den jeweils entgegengesetzten Enden befinden und mit Anschlußstutzen versehene Deckplatten sowie Seitenplatten die Einrichtung verschließend angeordnet sind, gekennzeichnet dadurch, daß die Platten (1; 2) mit zwischenliegenden Stegen (3) und den Seitenplatten (4, 5) aus transparenten Bauteilen bestehen und unlösbar und flüssigkeitsdicht zu einem biegesteifen Körper zusammengefügt sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Stege (3) mit turbulenzerzeugenden Mitteln (11) versehen sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die zwischen den Platten (1; 2) und den Stegen (3) gebildeten Kanäle (7) einen rechteckigen Querschnitt aufweisen.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die zwischen den Platten (1; 2) und den Stegen (3) gebildeten Kanäle (7) einen quadratischen Querschnitt aufweisen.