DE4411486C1

DE4411486C1 - Verfahren und Einrichtung zur Kultivation und Fermentation von Mikroorganismen oder Zellen in flüssigen Medien

Info

Publication number: DE4411486C1
Application number: DE19944411486
Authority: DE
Inventors: Wilfried Dr Czierpinski; Juergen Dr Broneske; Ina Dr Krueger; Otto Dr Pulz
Original assignee: INST GETREIDEVERARBEITUNG
Current assignee: IGV INSTITUT FUER GETREIDEVERARBEITUNG GMBH, 14558
Priority date: 1994-03-29
Filing date: 1994-03-29
Publication date: 1995-03-23
Anticipated expiration: 2014-03-30

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kultivation und Fermentation von Mikroorganis men oder Zellen in flüssigen Medien, insbesondere einer Dispersion, bestehend aus einem Nährmedium und Mikroorganismen oder Zellen, bei dem das zum Wachstum bzw. zur Teilung der Mikroorganismen oder Zellen erforderliche Medium im Kreislauf für einen Substanzaustausch und einer Lichtexposition bewegt wird. Das Medium enthält dabei die Mikroorganismen oder die Zellen und umspült diese, wobei auch vorgesehen ist, die Mi kroorganismen oder Zellen aus dem Medium auszutragen.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist bekannt, zur Kultivation und Fermentation von Mikroorganismen oder Zellen Bioreaktoren mit unterschiedlichen Formen und Anordnungen zu verwenden.

Die DE-OS 33 23 205 und DE-OS 41 08 519 offenbaren Bioreaktoren in einer Behälter form mit einem relativ geringen Oberflächen/Volumen-Verhältnis, in denen mit geeigne ten Einrichtungen eine turbulente Strömung erzeugt wird. Die DE-OS 29 26 091 und DE-OS 30 14 814 offenbaren Möglichkeiten zur Vergrößerung des Oberflächen/Volu men-Verhältnisses der Reaktoren mit Füllkörpern.

Weitere Bioreaktoren, welche ein relativ großes Oberflächen/Volumen-Verhältnis mit Möglichkeiten des Bewegens des Kulturmediums darstellen, z. B. durch Rüttelbewegung im Tischbioreaktor gemäß DE-OS 31 15 745 und eine Strömung im Plattenbioreaktor nach DE-OS 41 34 813 angeben, gewährleisten einen Lichtgenuß bzw. die Nährstoffversorgung der Organismen.

Zudem sind Bioreaktoren mit technischen Einrichtungen, wie Lichtreflektoren, Luft- und Gaskanälen aus der DE-OS 23 58 701 bekannt.

Reaktoren mit eingeordneten Membranen, die von einem Trägergas durchströmt, für die Entsorgung von Gasen aus dem Kulturmedium Verwendung finden, sind in der DE-OS 41 08 519 dargestellt. Dabei ist das Kultivieren von Zellen in Kammern, welche zumindest teilweise durch flächige Membranen begrenzt sind durch die DE-OS 34 09 501 genannt und eine Trennung von Nährmedium und Kulturmedium durch eine Membrane wird aus der DE-OS 35 41 738 bekannt. Entsprechend der DE-OS 35 33 615 werden in einer Ein richtung die hohlraumbildenden Membranen durch Folien gebildet. Der Stoffaustausch zur Ver- und Entsorgung der Zellen mit gelösten bzw. gasförmigen Nährstoffen oder Stoff wechselprodukten erfolgt dabei durch die aus Folien gebildeten Membranen.

Eine Immobilisierung von Organismen und die Kultivation mit Hilfe von Festbettverfahren wird in den DE-OS 36 17 875 und DE-OS 36 08 466 beschrieben.

Für die Bildung eines Polysaccharids wird in der DE-OS 31 32 497 ein Immobilisierungs verfahren mit Hilfe eines porösen, feinteiligen inerten Trägers dargestellt.

Photobioreaktoren sind Reaktoren einer bekannten speziellen Gruppe, die für das Wachs tum bzw. die Teilung phototropher Mikroorganismen oder Zellen eine Belichtung ermögli chen. Es ist bekannt, daß Licht für ein Wachstum phototropher Organismen zu jedem Zeitpunkt in ausreichender Menge und mit einem spezifischen Spektrum zur Verfügung stehen muß.

Die Populationsdichten phototropher Mikroorganismen, z. B. planktischer Algen, liegen im natürlichen Milieu, aber auch in den bisher bekannten und genutzten Kultivationsanla gen deutlich niedriger als die für heterotrophe Mikroorganismen wie Hefen oder Bakterien.

Haupthindernis für das Erhalten höherer Raum-Zeit-Ausbeuten ist eine mangelhafte Verknüpfung zwischen Lichtquelle und Assimilationspigmenten als Rezeptoren für den Energieeintrag und Startpunkt der Photosyntheseleistung einerseits und einer zumeist empirisch ausgebildeten Reaktorgeometrie andererseits.

Es ist bekannt, daß die Lichtversorgung in allen bekannten Photobioreaktoren (PBR) der für Produktivität und die Effizienz der Verfahren limitierende Faktor ist, wobei weltweit eine Tendenz zu geschlossenen, tubulären Photoreaktoren mit Schichtdicken im Zentime terbereich erkennbar ist.

Offene Dünnschichtkultivatoren (Trebon-Typ) überwinden das Lichtproblem durch extrem dünne Schichtdicken < 10 mm des Kulturmediums, dafür müssen aber sehr große freie Oberflächen, d. h. große Kontaminationsquellen in Kauf genommen werden.

Kunst- oder naturbelichtete tubuläre Reaktoren benötigen entweder eine große Fläche oder weisen erhebliche Verluste beim Lichteintrag über externe Lichtquellen auf.

Ein zweites ungelöstes Problem von Photobioreaktoren moderner Konfiguration besteht darin, daß in deren Reaktorraum eine hohe Konzentration von gelöstem und gasförmigen Sauerstoff entsteht.

Wie bekannt, entsteht bei dem so durchgeführten Verfahren 1 kg Biomasse unter Ver brauch von 2,06 kg CO₂ und Bildung von 1,65 kg Sauerstoff. Es besteht einerseits das Problem des CO₂-Eintrages bei möglichst hoher Verfügbarkeit des Gases und andererseits das der O₂-Entfernung zu lösen, wobei die Einhaltung des optimalen pH-Wertes gewährlei stet sein muß. Dabei soll außerdem die Sterilität des Systems erhalten bleiben.

Die Massenkultivierung phototropher Mikroorganismen oder Zellen kann dabei in bekann ter Weise in offenen oder geschlossenen Anlagen erfolgen.

Techniken zur Kultivierung und Fermentation besonders von Mikroalgen sind vor allem in der zweiten Hälfte der siebziger und in der ersten Hälfte der achtziger Jahre entwickelt worden. Die Entwicklungen standen primär im Zusammenhang mit der Gewinnung von Algenmasse zur Verwendung als eiweißreiche Nahrungsmittel. Hierbei ist die Anwendung einer einfachen Verfahrenstechnik bekannt. Als Reaktor dienen meist flache Becken, die mit dem Medium befüllt werden. Eine Variante stellen offene, flache, exakt nivellierte Becken dar, die als mäanderndes System oder in Form einer einfachen Schleife ausgeführt sind.

Die Becken bestehen aus Materialien, wie z. B. Beton, Stein u. ä. und werden durch Dichtmaterialien, z. B. PVC-Folien abgedichtet.

Um eine ausreichende Durchmischung zu gewährleisten und eine Sedimentation zu vermei den, ist sicherzustellen, daß alle Zellen regelmäßig an die Oberfläche gelangen und damit der erzeugten auftreffenden Strahlung ausgesetzt sind, werden Turbulenzen mittels Schau felrädern, air-lift-Systemen und Pumpen erzeugt.

Derartige Systeme werden allgemein nicht thermostatisiert.

Die Versorgung mit CO₂ erfolgt bei dem bekannten Verfahren und Einrichtung durch Begasung. Dabei ist die effektive Ausnutzung des Gases auf Grund der relativ geringen Schichtdicken des offenen Systems gering.

Bei weiterhin bekannten Verfahren wird ein Gas vor den Pumpen zudosiert. Die Konzen tration des gelösten Gases sinkt aber kontinuierlich ab, so daß eine Wachstumslimitierung auftreten kann.

Da die Regelung des pH-Wertes über die Kohlendioxyddosierung erfolgt, ist ein Gradient nicht zu vermeiden und die pH-Regelung nur in Grenzen möglich.

Es ist bekannt, daß eine Sterilisierung und eine monoseptische Arbeitsweise organischer Kulturen mit offenen Anlagen unmöglich ist.

Zur Gewährleistung einer ständigen Lichtversorgung ist bei der Entwicklung von Photobio reaktoren, die der Kultivation phototropher Mikroorganismen dienen, bisher häufig eine Reduzierung der Schichtdicken angestrebt worden. So sind tubuläre oder rigide Platten-Konfigurationen bekannt, in denen mit Schichtdicken von im geringsten Fall 16 mm Biomassekonzentrationen von 5 bis 10 g/l erreicht werden. Diese PBR-Ausführun gen gehören zum geschlossenen Typ im Rahmen der beschriebenen verfahrenstechni schen Lösungen.

Solche bekannten Anlagen bestehen aus lichtdurchlässigen Rohren mit einem nachgeschal teten Mischbehälter. Die Algensuspension wird dabei entweder mittels Pumpen oder Schwerkraft durch das Rohrsystem gefördert, welches einerseits zu einer guten Durchmi schung des Systems führt und andererseits einer Verminderung des Aufwuchses an den Rohrwandungen entgegenwirkt.

Eine Zudosierung von CO₂ kann vor der Pumpe erfolgen. Vor dem Eintritt der Sus pension in die Pumpe wird der gebildete Sauerstoff mittels eines kurzen Tauchstrahles über die mitgerissene, in einem strömungsberuhigten Abschnitt entweichende Luft, ausge tragen.

Anlagen dieser bekannten Art sind durch Verlängerung oder Parallelschaltung von Röhren in ihren wirksamen Oberflächen vergrößerbar. Die dabei notwendigen großen Rohrlängen haben als Nachteil damit verbunden hohe Druckverluste.

Grundgedanke für die Gestaltung eines Plattenreaktortyps ist die Verwirklichung einer dünnen Schicht photosynthetisierender Zelldispersionen als eine Voraussetzung der ständi gen Kopplung von Lichtquelle und -rezeptor. Gleichzeitig erfolgt über plattenförmige Packungen von mäanderisierend oder parallel durchströmten Kanälen eine Kompaktierung photosynthetisch aktiver Flächen, die zudem auch eine technisch einfache Orientierung in der Vertikalen erlaubt. Ergebnis dieser konfigurativen Konzepte sind Photobioreaktoren hoher Leistungsfähigkeit. Allerdings werden die nach diesem Prinzip betriebenen bekann ten Systeme von einigen Faktoren in ihrer Wirkung limitiert.

- Lichtlimitationen in kompakten Systemen
- O₂-Hyperkonzentration
- axenische, nicht aber sterile Fahrweise
- scale-up Fähigkeit in den Kubikmetermaßstab ist noch nachzuweisen

Es ist bekannt, als bisher dünnste Schichten geschlossener PBR- Stegplatten mit 16 mm Schichtdicke zu verwenden. Üblicherweise liegen die genutzten Kanaldurchmesser der tubulären PBR im Bereich von 25 bis 60 mm.

Damit bewegen sich die Schichtdicken bei dem 3000 bis 120 000fachen des Zelldurch messers der enthaltenen Mikroorganismen.

Optimal gestaltete tubuläre PBR erzielen Oberflächen/Volumen (O/V)-ratios im Bereich von 50 bis 60 m²/m³ und liegen damit um eine Zehnerpotenz über dem heute technisch Umgesetzten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kultivation und Fermen tation von Mikroorganismen oder Zellen in flüssigen Medien, insbesondere einer Dis persion, bestehend aus einem Nährmedium und Mikroorganismen oder Zellen, bei dem das zum Wachstum bzw. zur Teilung der Mikroorganismen oder Zellen erforderliche Medium im Kreislauf für einen Substanzaustausch und der Lichtexposition bewegt wird, wobei das Medium dabei die Mikroorganismen oder die Zellen enthält und umspült, wobei auch vorgesehen ist, die Mikroorganismen oder Zellen aus dem Medium auszutragen und weiterhin eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, mit dem auch bei oligozellulären Organismen oder Zellen eine permanente Lichtenergieversorgung bis in den Mikroorganismenbereich erfolgt und gleichzeitig günstige Voraussetzungen für einen intensiven Stoff- und Energieaustausch zwischen dem Kulturmedium mit den Mikroorga nismen und Zellen und der Umgebung gewährleistet ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß mittels des Verfahrens die Kultiva tion und Fermentation von Mikroorganismen oder Zellen in flüssigen Medien, insbe sondere einer Dispersion, bestehend aus einem Nährmedium und Mikroorganismen oder Zellen vorgenommen wird, bei dem das zum Wachstum bzw. zur Teilung der Mikroorga nismen oder Zellen erforderliche Medium im Kreislauf für einen Substanzaustausch und einer Lichtexposition bewegt wird, wobei das Medium dabei die Mikroorganismen oder die Zellen enthält und diese umspült, wobei vorgesehen ist, die Mikroorganismen oder Zellen aus dem Medium auszutragen, bei dem ein Nährmedium, bestehend aus Wasser, Nährstoffen, CO₂ sowie einem konditionierten Kulturmedium gebildet wird und in dem Nährmedium Mikroorganismen sowie Zellen gleichmäßig verteilt verwendet werden, wobei Aktionsoberflächen mit einem intensiven Stoff- und Energieaustausch zwischen dem Kulturmedienstrom und den Stoff- und Energiekanälen gebildet werden und es erfindungs gemäß von hoher Bedeutung ist, daß zwischen zwei Aktionsflächen ein ultradünner, filmar tiger Kulturmedienstrom bewegt wird.

Es ist für die Erfindung wesentlich, daß die Schichtdicke des Medienstromes angepaßt an die Ausbildung des Kulturmediums dem Gasaustausch und der Belichtung sowie Gewin nung und Separation der Mikroorganismen und Zellen oder deren Stoffwechselprodukte gesteuert und geregelt wird.

Die Erfindung ist weiterhin durch Aktionsoberflächen des Kulturmediums zur Herstellung von euphotischen Zonen im Kulturmedienstrom ausgebildet, welche belichtet werden.

Zur Behandlung des Kulturmediums kann der Kulturmedienstrom aufgefangen werden, wobei aus ökonomischer Sicht und einer Möglichkeit der Wiederverwertung, die Mikroor ganismen und Zellen aus dem Kulturmedienstrom abgeschieden und gesammelt werden.

In einer Weiterführung des Verfahrens ist es möglich, die Stoffwechselprodukte aus dem Kulturmedium abzuscheiden und zu sammeln, wobei das Verfahren dadurch vorteilhaft gestaltet wird, wenn die Mikroorganismen sowie Zellen und Stoffwechselprodukte von den Aktionsflächen abgenommen und gesammelt werden und danach das Kulturmedium, dem Verfahrensregime folgend, in den Kreislauf zurückgeführt wird.

Erfindungsgemäß ist die Lösung dadurch gezeichnet, daß der Spalt zur Durchführung des Kulturmedienstroms zwischen stoff- und lichtdurchlässigem, dünnwandigem Material für die Führung eines ultradünnen, filmartigen Medienstromes ausgebildet wird.

Die Erfindung ist vorteilhaft durch eine Einrichtung für die Durchführung des Verfahrens ausgebildet, bei der zwischen den dünnwandigen, stoff- und lichtdurchlässigen Materialien ein Spalt zum Führen eines filmartigen, ultradünnen Kulturmedienstromes gebildet ist. Es ist eine sinnvolle Ausbildung der Erfindung, wenn der Spalt eine Öffnungsbreite des 50-500fachen des Zelldurchmessers der Mikroorganismen bzw. Zellen aufweist.

Eine weitere Ausbildungsform der Erfindung sieht vor, daß mit den dünnwandigen Materialien in vielfachen Lagen neben und übereinander angeordnet Energiekanäle ausge bildet sind, wobei die Energiekanäle Gas- und Lichtkanäle darstellen.

Vorteilhaft ist die Erfindung ausgeführt, wenn zum Ausbringen des Kulturmediums für die Bildung des ultradünnen, filmartigen Kulturmedienstromes ein Ausbringungsorgan ange ordnet ist, wobei am oder im Spalt für die Bildung des ultradünnen, filmartigen Kulturme dienstromes Spalthindernisse angeordnet sind.

Die Erfindung ist ausgebildet, wenn die Spalthindernisse flächig zur Sedimentation bzw. Separation von Konglomeraten angeordnet sind.

Es ist nach der Erfindung sinnvoll, daß das dünnwandige und lichtdurchlässige Material bei einer Verwendung von phototrophen Mikroorganismen oder Zellen aus einem Stoff, welcher im ultradünnen, filmartigen Kulturmedienstrom eine hohe Lichtintensität bei einem gewünschten Wellenbereich des Lichtes bewirkt, ausgebildet ist.

Sinnvoll ist die Erfindung gestaltet, wenn das dünnwandige, stoff- und lichtdurchlässige Material aus mehreren Stoffen besteht, wobei bei der Verwendung von phototrophen Mikroorganismen oder Zellen zumindest ein Stoff eine lichtreflektierende Wirkung an der Aktionsoberfläche aufweist, wobei dem dünnwandigen, stoff- und lichtdurchlässigen Material fluoreszierende Verbindungen und Stoffe zugeordnet sind, und die Erfindung ausgestaltend, das dünnwandige, stoff- und lichtdurchlässige Material durch zwei miteinan der korrespondierende kommunizierende Folien gebildet ist.

Es ist eine sinnfällige Ausbildung der Erfindung, wenn das dünnwandige, stoff- und licht durchlässige Material ein vliesartiges Gewebe aufweist, das in Ausgestaltung der erfin dungsgemäßen Form eine große Rauhtiefe und eine oberflächenvergrößernde Struktur besitzt, wobei das Material eine besondere Ausbildung erhält, wenn in den Aktionsober flächen für den durchfließenden Kulturmedienstrom Hindernisse angeordnet sind.

Die Erfindung ist weiterhin vorteilhaft ausgestaltet, wenn in den Stoff- und Energiekanä len entsprechende Stoff- und Energieeintrittsöffnungen verschiedener Ausführungen an geordnet sind, wobei es erfindungsgemäß vorteilhaft sein kann, daß die Stoff- und Ener giekanäle, in denen sich entsprechende Stoff- und Energieträger befinden, mäanderbandför mig verbunden sind.

In der Einrichtung wird das Kulturmedium zur Bildung des ultradünnen, filmartigen Kul turmedienstromes über ein Ausbringungsorgan kontinuierlich oder diskontinuierlich ver teilt, wobei eine diskontinuierliche bzw. intermittierende Verteilung des Kulturmediums den ökophysiologischen Vorteil einer gradientenärmeren Nährstoffversorgung bei einer Mi nimierung der Schichtdicken bis in einen Bereich nahe dem Zelldurchmesser von Mikroor ganismen und einer Verringerung der erforderlichen Umtriebsenergie bietet.

Vorteilhaft sind zur gleichmäßigen, flächigen Verteilung des Kulturmediums im bzw. am Spalt Spalthindernisse angeordnet, welche gleichzeitig vorteilhaft zur Sedimentation/Sepa ration von Konglomeraten genutzt werden. Somit wird ein optimaler Stoff- und Energie transport zwischen den Mikroorganismen und Zellen und den Stoff- und Energiekanälen gewährleistet.

Der vorteilsgemäß ausgebildete ultradünne, filmartige Kulturmedienstrom bildet die Grundlage zur Wasser- und Nährstoffversorgung der Mikroorganismen und Zellen. Die Mikroorganismen und Zellen können im Kulturmedienstrom und in bzw. an den Akti onsflächen durch das Konditionieren des Kulturmedienstromes optimal versorgt werden.

Bei der Verwendung von phototrophen Mikroorganismen und Zellen besteht das dünnwan dige, stoff- und lichtdurchlässige Material zumindestens aus einem Stoff, welcher im Kulturmedienstrom eine hohe Lichtintensität mit einem gewünschten Wellenbereich des Lichtes bewirkt.

Dabei ist es vorteilhaft, daß das stoff- und lichtdurchlässige Material mindestens aus einem Stoff besteht, welcher eine lichtreflektierende Wirkung an der Aktionsoberfläche aufweist. Ausgehend von der strengsten, in der phototrophen Biotechnologie wirkenden Limitation der Versorgung der assimilierenden Zellen mit Lichtenergie, ist es im vorteilhaften Sinne der Erfindung, daß eine ständige Verbindung zwischen Lichtquelle und -rezeptoren ge währleistet wird.

Dabei ist es vorteilhaft, dem stoff- und lichtdurchlässigen Material fluoreszierende Verbin dungen oder Stoffe zuzuordnen.

Dem Vorteil folgend wird bei der Kultivation und Fermentation von phototrophen Mikro organismen eine Lichtquelle an der Stirnseite der stoff- und lichtdurchlässigen Materialien angeordnet.

Der Lichtgenuß der Mikroorganismen und Zellen kann somit durch Lichtreflexion und Lichtbrechung, selbst bei einer Lichtquelle mit einem Einfallswinkel kleiner 90° und geringer Lichtintensität, erhöht werden.

Überraschend und nicht vorherzusehen hat es sich gezeigt, daß die Mikroorganismen in ersten Versuchen mit einer geringen zur Verfügung stehenden Lichtmenge gute Möglich keiten zur Entwicklung zeigten.

Das dünnwandige, stoff- und lichtdurchlässige Material kann zum einen durch zwei mitein ander korrespondierende und kommunizierende Folien gebildet werden. Der ultradünne, filmartige Kulturmedienstrom mit einer hohen Langzeitstabilität wird dabei unter Mitwir kung der natürlichen Adhäsionskraft gebildet. Zum anderen kann die Oberflächenstruktur eines vliesartigen Gewebes für die Herstellung des ultradünnen, filmartigen Kulturmedien stromes genutzt werden.

Die dünnwandigen, stoff- und lichtdurchlässigen Materialien besitzen dabei Aktionsflächen mit einer großen Rauhtiefe und einer oberflächenvergrößernden Struktur, um gegebenen falls eine Immobilisierung der Mikroorganismen oder Zellen zu begünstigen.

Durch die Gestaltung der Aktionsflächen und der Strömungseigenschaften als laminare oder turbulente Strömung bzw. durch die Schichtdicke des ultradünnen, filmartigen Kultur medienstromes kann eine Immobilisierung der Mikroorganismen oder Zellen in bzw. an den Aktionsflächen und gleichzeitig die Schaffung von euphotischen Zonen gesteuert werden.

Dabei ist es im Sinne der Erfindung, daß in einem laminaren Strom geleitete Mikro organismen oder Zellen an mechanischen Hindernissen passiv, im Sinne einer Filtration festgehalten werden.

Durch die Anordnung von Stoff- und Energiekanälen mit den dünnwandigen, stoff- und lichtdurchlässigen Materialien und durch die Zuordnung von Stoff- und Energieeintrittsöff nungen bzw. Stoff- und Energieaustrittsöffnungen kann gleichzeitig ein intensiver Gasaustausch, vorzugsweise von Sauerstoff aus dem Kulturmedium und Kohlen dioxyd in das Kulturmedium, und eine optimale Lichtzufuhr an jeder einzelnen Biozelle gewährleistet werden.

Um einen relativ hohen Abbau von zum Beispiel Kohlendioxyd zu gewährleisten, können die Stoff- und Energiekanäle mäanderbandförmig miteinander verbunden sein.

Die Erfindung soll an Hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Verfahrenskreislaufes,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Einrichtung mit zwei Folien,

Fig. 3 den Schnitt A-A in Fig. 2,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Einrichtung mit einem Vlies.

Beispiel 1

Fig. 2 zeigt die Einrichtung zur Kultivation und Fermentation von phototrophen Mikroor ganismen 1, insbesondere phototrophen Mikroalgen, in einem flüssigen Kulturmedium 2. In einer Nährlösungsdosiereinrichtung 3 mit Meß- und Regelungstechnik 4, wie Leitfähig keitsmeß- und -regelungstechnik 4a, pH-Meß- und -regelungstechnik 4b und Temperatur meß- und -regelungstechnik 4c wird das Kulturmedium 2 in einem Behälter 5 konditio niert. Das heißt, das Kulturmedium 2 wird temperiert und mit den erforderlichen Nähr stoffen beschickt. Zudem wird aus einer Kohlendioxydquelle 6 der pH-Wert des Kul turmediums 2 eingestellt.

Das Kulturmedium 2 wird mit Hilfe einer Umwälzpumpe 7 und einem Ausbrin gungsorgan 8, vorzugsweise einem Viereckregner, gleichmäßig in einem Spalt 9 verteilt.

Im oder auch am Spalt 9, welcher mittels spaltbildender Elemente 10 aus Stahl-Winkel profilen gebildet ist, befinden sich zur besseren Verteilung des Kulturmediums 2 Spalthin dernisse 11.

Die Spalthindernisse 11 sind dabei aus einem dünnwandigen weißen Polyestervlies mit einem Flächengewicht von ca. 50 g/m² gebildet.

Der Spalt 9 bzw. die spaltbildenden Elemente 10 sind vielfach nebeneinander angeordnet und werden durch das Polyestervlies ganzflächig überdeckt. Dadurch erfolgt bei der Vertei lung des Kulturmediums 2 eine Sedimentation/Separation von Konglomeraten.

Am bzw. im Spalt 9 wird ein dünnwandiges, stoff- und lichtdurchlässiges Material 12 mit Aktionsoberflächen 13 vertikal angeordnet. Das dünnwandige, stoff- und lichtdurchlässige Material 12 wird dabei aus zwei PE-Folien mit einer Wanddicke von 0,05 mm gebildet. Der Spalt 9 mit den Spalthindernissen 11 und dem stoff- und lichtdurchlässigen Material 12 erzeugen einen ultradünnen, filmartigen Kulturmedienstrom 14.

Der ultradünne, filmartige Kulturmedienstrom 14 besitzt durch die zwischen den Aktionsoberflächen 13 wirkende Adhäsionskraft eine hohe Langzeitstabilität.

Durch die Rauhtiefe der Folien und durch laminare Strömungsbedingungen erfolgt in und auch an den Aktionsflächen 13 eine Immobilisierung der phototrophen Mikroorga nismen 1.

An der Stirnseite des stoff- und lichtdurchlässigen Materials 12 ist eine künstliche Licht quelle 15 mit Lichtreflektoren 16 angeordnet. Als Lichtquelle 15 wird eine 400 W-Natri umhochdrucklampe eingesetzt. Die Lichtenergie gelangt durch einen Stoff- und Energieka nal 17 bzw. durch das stoff- und lichtdurchlässige Material 12 zu den einzelnen phototro phen Mikroorganismen 1 im ultradünnen, filmartigen Kulturmedienstrom 14 und in bzw. an die Aktionsoberflächen 13. Der Stoff- und Energiekanal 17 ist dabei mäanderbandför mig angeordnet (Fig. 3).

Durch eine Stoff- und Energieeintrittsöffnung 18 wird ein Stoff- und Energieträger 19, beispielsweise ein mit Kohlendioxyd angereichertes temperiertes Abgas aus einem Hei zungsprozeß, in den Stoff- und Energiekanal 17 geleitet. Das Kohlendioxyd gelangt über das stoff- und lichtdurchlässige Material 12 zu den phototrophen Mikroorganismen 1 im ultradünnen filmartigen Kulturmedienstrom 14 und in bzw. an die Aktionsüberflächen 13. Der bei der Assimilation der phototrophen Mikroorganismen 1 erzeugte Sauerstoff wird über das stoff- und lichtdurchlässige Material 12, den Stoff- und Energiekanal 17 und eine Stoff- und Energieaustrittsöffnung 20 an die Umgebung 21 abgegeben. Ist keine Sauerstoff hyperkonzentration im Stoff- und Energieträger 19 vorhanden, kann der Stoff- und Ener gieträger 19 wiederum in den Stoff- und Energiekanal 17 eingeleitet werden (Fig. 3).

Über das stoff- und lichtdurchlässige Material 12 erfolgt ein intensiver Stoff- und Energie austausch zwischen dem ultradünnen, filmartigen Kulturmedienstrom 14 und dem Stoff- und Energieträger 19. Gleichzeitig können durch die Gestaltung der Schichtdicke des ultradünnen, filmartigen Kulturmedienstromes 14 euphotische Zonen 22 entlang der Ak tionsoberflächen 13 geschaffen werden. Dadurch kann die Assimilation der phototrophen Mikroorganismen optimiert werden.

Nachdem der ultradünne, filmartige Kulturmedienstrom 14 das stoff- und lichtdurchlässige Material 12 verlassen hat, wird dieser über einen Sammler 23 wieder der Dosiereinrich tung 3 zugeführt und konditioniert.

Ist im Kulturmedium 2 eine wirtschaftlich verwertbare Konzentration an phototrophen Mikroorganismen 1 oder an Stoffwechselprodukten 24 erreicht, erfolgt aus dem Behälter 5 eine teilweise Entnahme von Kulturmedium 2.

Zur optimalen Konditionierung der Bedingungen für die Produktion von Mikroorga nismen 1 kann die Einrichtung insgesamt durch eine Umhüllung 25, insbesondere aus festem oder beweglichem Material, wie z. B. Glas oder Folie, von der Umgebung 21 ge trennt sein.

Die beschriebene Einrichtung ist der Grundbaustein für einen Photobioreaktor 26. Durch das Aneinanderreihen solcher Bausteine kann der Photobioreaktor 26 den Anforderungen entsprechend dimensioniert werden.

Beispiel 2

Das Beispiel 2 ist analog zu dem im Beispiel 1 beschriebenen.

Als stoff- und lichtdurchlässiges Material 12 wird jedoch ein vliesartiges Gewebe 27, ins besondere ein dünnwandiges weißes Polyestervlies mit einem Flächengewicht von ca. 50 g/m² verwendet (Fig. 4). Der ultradünne, filmartige Kulturmedienstrom 14 durch dringt die gewebeartige Aktionsoberfläche 13 und bildet sich durch die Kapillarität des vliesartigen Gewebes 27 flächig aus. Das vliesartige Gewebe 27 stellt dabei für den ultra dünnen, filmartigen Kulturmedienstrom 14 ein Hindernis 28 dar, bei dem eine Immobilisie rung der phototrophen Mikroorganismen 1 erfolgt, wobei die Möglichkeit besteht, durch die Konditionierung des ultradünnen, filmartigen Kulturmedienstromes 14 die immobili sierten, phototrophen Mikroorganismen 1 wieder in den Stoffkreislauf einzubeziehen. Zudem werden zwischen den vliesartigen Geweben 27 fluoreszierende Verbindungen/Stof fe 29 angeordnet.

Bezugszeichenliste

1 phototrophe Mikroorganismen
2 Kulturmedium
3 Nährlösungsdosiereinrichtung
4 Meß- und Regeltechnik
4a Leitfähigkeitsmeß- und -regeltechnik
4b pH-Meß- und -regeltechnik
4c Temperaturmeß- und -regeltechnik
5 Behälter
6 Kohlendioxydquelle
7 Umwälzpumpe
8 Ausbringungsorgan
9 Spalt
10 spaltbildende Elemente
12 dünnwandiges, stoff- und lichtdurchlässiges Material
13 Aktionsoberflächen
14 ultradünner filmartiger Kulturmedienstrom
15 Lichtquelle
16 Lichtreflektoren
17 Stoff- und Energiekanal
18 Stoff- und Energieeintrittsöffnung
19 Stoff- und Energieträger
20 Stoff- und Energieaustrittsöffnung
21 Umgebung
22 euphotische Zonen
23 Sammler
24 Stoffwechselprodukt
25 Umhüllung
26 Photobioreaktor
27 vliesartiges Gewebe
28 Hindernis in bzw. an der Aktionsoberfläche
29 fluoreszierende Verbindungen/Stoffe

Claims

1. Verfahren zur Kultivation und Fermentation von Mikroorganismen oder Zellen in flüssigen Medien, bestehend aus einem Nährmedium und Mikroorganismen oder Zellen, bei dem das zum Wachstum bzw. zur Teilung der Mikroorganismen oder Zellen erforderliche Medium im Kreislauf für einen Substanzaustausch und der Lich texposition bewegt wird, wobei das Medium dabei die Mikroorganismen oder Zellen enthält und das Medium die Zellen umspült, wobei vorgesehen ist, die Mikroorganis men oder Zellen aus dem Medium auszutragen, welches ein Nährmedium, bestehend aus Wasser, Nährstoffen, CO₂ aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß

a. ein Kulturmedium aus dem Nährmedium und Mikroorganismen oder Zellen konditioniert wird;
b. Aktionsoberflächen mit einem intensiven Stoff- und Energieaustausch zwischen dem Kulturmedienstrom und den Stoff- und Energiekanälen gebildet werden;
c. zwischen zwei Aktionsoberflächen ein in einer ultradünnen Schicht ausgebildeter, filmartiger Kulturmedienstrom bewegt wird;
d. die Schichtdicke des Medienstromes angepaßt an die Ausbildung des Kulturme diums, dem Gasaustausch und der Belichtung und Gewinnung sowie Separation der Mikroorganismen und Zellen oder deren Stoffwechselprodukte gesteuert und geregelt wird;
e. die Aktionsoberflächen des Kulturmediums zur Herstellung von euphotischen Zonen im Kulturmedienstrom belichtet werden;
f. der Kulturmedienstrom aufgefangen wird;
g. die Mikroorganismen und Zellen aus dem Kulturmedienstrom abgeschieden und gesammelt werden;
h. die Mikroorganismen sowie Zellen und Stoffwechselprodukte aus dem Kulturme dienstrom abgeschieden und gesammelt werden;
i. die Mikroorganismen sowie Zellen und Stoffwechselprodukte von Aktionsflächen aus dem Kulturmedienstrom abgenommen und gesammelt werden;
j. das Kulturmedium in den Verfahrenskreislauf zurückgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt zur Bewegung des Kulturmedienstromes zwischen dem Stoff und lichtdurchlässigen, dünnwandigen Material für einen ultradünnen, filmartigen Medienstrom ausgebildet wird.

3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß zwischen den dünnwandigen, stoff- und lichtdurchlässigen flächigen Materialien ein Spalt zum Führen eines filmartigen ultradünnen Kulturmedienstromes gebildet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt eine Öffnungs breite des 50-500fachen des Zelldurchmessers von Mikroorganismen aufweist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit den dünnwandigen Materialien, in vielfachen Lagen neben- und übereinander angeordnet, Energiekanäle (17) ausgebildet sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiekanäle (17) Gas- und Lichtkanäle sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausbringen des Kulturmediums (2) für die Bildung des ultradünnen, filmartigen Kulturmedienstromes (14) ein Ausbringungsorgan (8) angeordnet ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Spalt (9) Spalthin dernisse (11) vorgeordnet sind.

9. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spalthindernisse (11) vorzugsweise flächig ausgebildet zur Sedimentation/Separation von Konglo meraten angeordnet sind.

10. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das dünnwandige, stoff- und lichtdurchlässige Material (12) bei einer Verwendung von phototrophen Mikroorganismen und Zellen (1) aus einem Stoff, welcher im ultradünnen filmartigen Kulturmedienstrom (14) eine hohe Lichtintensität mit einem vorbestimmten Wellenbe reich des Lichtes bewirkt, ausgebildet ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das dünnwandige, stoff- und lichtdurchlässige Material (12) aus mehreren Stoffen besteht, wobei bei der Verwendung von phototrophen Mikroorganismen oder Zellen (1) zumindest ein Stoff eine lichtreflektierende Wirkung an der Aktionsoberfläche (13) aufweist.

12. Einrichtung nach den Ansprüchen 3 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem dünnwandigen, stoff- und lichtdurchlässigen Material (12) fluoreszierende Verbindun gen und Stoffe (29) zugeordnet sind.

13. Einrichtung nach den Ansprüchen 3 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß das dünnwandige, stoff- und lichtdurchlässige Material (12) durch zwei miteinander korre spondierende/kommunizierende Folien gebildet ist.

14. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das dünnwandige, stoff- und lichtdurchlässige Material (12) durch ein vliesartiges Gewebe (27) gebildet ist.

15. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das dünnwandige, stoff- und lichtdurchlässige Material (12) Aktionsflächen (13) mit einer großen Rauh tiefe und einer oberflächenvergrößernden Struktur besitzt.

16. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß in den Aktionsoberflä chen (13) Hindernisse (28) angeordnet sind.

17. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den Stoff- und Energiekanälen (17) Stoff- und Energieeintrittsöffnungen sowie -austrittsöffnungen (18; 20) zugeordnet sind.

18. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoff- und Energiekanäle (17), denen ein Stoff- und Energieträger (19) beigeordnet ist, mäanderbandförmig verbunden sind.