DE4440081A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erhöhung der Produktivität in einem Biokollektor - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Erhöhung der Produktivität in einem BiokollektorInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Biokollektor und ein Verfahren nach dem
Oberbegriff des 1. und 2. Anspruchs.
Biokollektoren sind Bioreaktoren, in denen Licht für biologische Umsetzungen
durch Mikroorganismen oder Teile von Mikroorganismen benutzt wird. In den
meisten Fällen wird es sich um phototrophe Organismen handeln. Hierzu zählen
Grünalgen, Blaualgen und phototrophe Bakterien, zum Beispiel Purpurbakterien.
Wesentliches Merkmal aller Biokollektoren ist, daß das einfallende direkte oder
diffuse Sonnenlicht bzw. auch Kunstlicht für die im Biokollektor befindlichen
Biokatalysatoren (z. B. Enzyme oder Zellen) für photosynthetische Prozesse zur
Verfügung gestellt werden muß.
Für Prozesse mit phototrophen Mikroorganismen (z. B. Herstellung von
Algenbiomasse) sind bisher folgende Einrichtungen bekannt:
Für Massenkulturen von Algen werden offene Becken unter freiem Himmel
beschrieben, in denen eine kontrollierte Prozeßführung wegen der vollkommen
unsterilen Verhältnisse nicht möglich ist.
Bisher verwendete geschlossene Bauformen für Einrichtungen zur Kultivation von
phototrophen Mikroorganismen sind röhrenförmige Reaktoren, die zu einer Fläche
nebeneinander angeordnet sind (US-PS 4473970) oder Plattenreaktoren, in denen
durch Stege Kanäle gebildet werden (DE 41 34 813).
Die Nachteile dieser bekannten Bauformen ergeben sich in erster Linie durch die
Notwendigkeit einer zusätzlichen Einrichtung zum Bewegen der Kulturflüssigkeit,
um die notwendigen Transportprozesse zu unterstützen. Dies bedeutet zusätzliche
Investitions- und Betriebskosten. Als weiterer Nachteil kann genannt werden, daß
eine Reinigung der engen Kanäle relativ aufwendig ist.
Eine weitere Erfindung betrifft einen Biokollektor in plattenförmiger Bauweise, der
zur gleichzeitigen Erzeugung von Wasserstoff und Wärme dient (DE 41 26 703). In
diesem Reaktor wird eine schlaufenförmige Bewegung um eine senkrecht zum
Hauptlichteinfall eingebaute Zwischenplatte durch den Thermosiphoneffekt und
durch den Blasensäuleneffekt der aufsteigenden Wasserstoffbläschen erreicht.
Eine zusätzliche Einrichtung zum Umpumpen des Nährsubstrates erübrigt sich.
Dieser Reaktor hat den Nachteil, daß bei Schrägstellung die sich auf der
Zwischenplatte absetzenden Biokatalysatoren nur sehr langsam angeströmt
werden, da der Hauptströmungsvektor des Blasensäuleneffekts lotrecht nach
oben gerichtet ist und sich deshalb die Gasblasen an der Frontscheibe entlang
nach oben bewegen.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Vermeidung der oben genannten
Nachteile, indem für den Plattenreaktor nach DE 41 26 703 oder nach einer
anderen Bauart Einbauten vorgenommen werden, die eine zusätzliche Fläche zur
Besiedelung durch Mikroorganismen bieten und die zwangsweise durchströmt
werden. So wird ständig neues Nährsubstrat an die bewachsenen Oberflächen
herangeführt. Dieses Verfahren ist besonders geeignet für Prozesse, in denen
nicht die Biomasse selbst das gewünschte Produkt ist, sondern ein von den Zellen
ausgeschiedener Stoff (zum Beispiel ein Enzym, ein Aromastoff, ein Protein, eine
Carbonsäure oder ein Kohlenhydrat, Wasserstoff oder Sauerstoff). Die
produzierende Biomasse bleibt an die Oberflächen absorbiert. Sie wird auch bei
hohen Durchflußraten im Reaktor zurückgehalten (immobilisiert). Das Verfahren
kann auch für nicht wachsende Zellen (resting cells) sinnvoll eingesetzt werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 enthaltenen
Merkmale allein oder im Zusammenwirken mit den Merkmalen der Unteransprüche
gelöst.
Die Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Biokollektor 1 bestehend aus dem
Gehäuse 2, der zur Sonneneinstrahlung 3 weisenden transparenten Abdeckung 4,
der rückwärtigen Gegenkühlung 5 sowie der isolierenden lichtundurchlässigen
Zwischenplatte 6. Die Zwischenplatte kann zur Vergrößerung der Oberfläche und
zur Vermeidung zu starker Sonneneinstrahlung mit einer Rippenstruktur 7
versehen sein, deren Anstellwinkel je nach Breitengrad so berechnet ist, daß eine
Sonneneinstrahlung unter 90°, die besonders schädigend wirkt, vermieden
werden kann. In den belichteten Teil des Reaktors ist nach Anspruch 1 eine
weitere poröse Platte eingebaut, in der die Mikroorganismen siedeln können. Die
Dicke der Platte sowie die Struktur der Poren kann den Gegebenheiten
(Sonneneinstrahlwinkel, Art und Größe der Organismen) angepaßt werden.
Vorgeschlagen wird eine Wabenstruktur mit einer Dicke zwischen 2 und 10 mm.
Bevorzugte Materialien sind transparente Kunststoffe (Polycarbonate, PVC) oder
auch Metalle (Aluminium). Die Oberflächen der Platten müssen nicht parallel sein.
Der Einbau erfolgt derart, daß die im Reaktor aufsteigende Flüssigkeit
zwangsweise durch die Platte hindurchströmen muß.
In Fig. 2 ist die poröse Zwischenplatte in Aufsicht dargestellt. Als Beispiel ist hier
eine längliche Wabenstruktur dargestellt. Diese Form hat den besonderen Vorteil,
daß seitlich einfallendes Licht auf eine besonders große Oberfläche fällt und die
Struktur dennoch in sich stabil ist. Der Porenquerschnitt kann eine runde,
viereckige oder andere geometrische Form haben. Er kann von der belichteten
Seite zur unbelichteten Seite hin enger werden. Die Porengröße kann auch in der
Hauptströmungsrichtung variieren, um den Filterwiderstand so anzupassen, daß
eine möglichst gleichmäßige Durchströmung der porösen Platte gewährleistet ist.
Zum Säubern des Reaktors können die gesamten Einbauten zu einer Seite aus
dem Plattenreaktor herausgezogen werden. Die bewachsenen Platten können
gegen neue ausgetauscht und zentral gereinigt und neu mit Mikroorganismen
beimpft werden.
Die Ausrichtung der porösen Platte kann so erfolgen, daß die Seitenwände der
Poren optimal auf die Morgen- bzw. Abendsonne ausgerichtet sind. In
Experimenten hat sich gezeigt, daß die starke Mittagsonne sich eher schädlich auf
die Photosynthesepigmente auswirkt. Bei der Reaktorzwischenplatte, auf die bei
nach Süden ausgerichteten Reaktoren die Mittagsonne im Winkel von 90°
auftreffen würde, könnte durch geeignete Wahl einer Rippenstruktur vermieden
werden, daß besiedelbare Oberflächen unter 90° von der Sonne beschienen
würden.
Claims (9)
1) Biokollektor dadurch gekennzeichnet, daß die von Organismen besiedelbare
Oberfläche im Reaktorvolumen durch zusätzlich angeordnete durchströmte Poren,
Lamellen oder Hohlprofile vergrößert wird, deren Abmessungen so gestaltet sind,
daß keine Kapillarwirkung auftritt.
2) Verfahren mit einem Biokollektor nach Anspruch 1 für die Herstellung von
Ausscheidungsprodukten phototropher Mikroorganismen, Mikroalgen und Teilen
davon.
3) Biokollektor nach Anspruch 1 und Verfahren nach Anspruch 2 dadurch
gekennzeichnet, daß die im Reaktorvolumen angeordneten Oberflächen so
ausgerichtet sind, daß die durch den Sonnengang im Tagesverlauf unterschiedlich
belichteten Oberflächen eine Erhöhung der Produktivität in den Morgen- und
Abendstunden ermöglichen, da die Sonne zu diesen Zeiten in einem günstigen
Winkel auf die inneren Oberflächen scheint.
4) Biokollektor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch
gekennzeichnet, daß die Lamellen oder Hohlprofile dünnwandig aufgebaut sind
und das aktive Reaktorvolumen nur unwesentlich verringern.
5) Biokollektor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch
gekennzeichnet, daß die die Poren aufbauenden Lamellen oder Hohlprofile aus
elastischem folienähnlichem Material aufgebaut sind.
6) Biokollektor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch
gekennzeichnet, daß die poröse Zwischenplatte nach Anspruch 1 aus
transparenten oder nicht transparenten Kunststoffen, aus keramischen
Materialien, Glas oder aus Metallen besteht.
7) Biokollektor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch
gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Einrichtung zum Bewegen der
Kulturflüssigkeit eingebaut wird.
8) Biokollektor und Verfahren nach einem oder mehreren vorhergehenden
Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Zwischenplatte mit einer
zusätzlichen Polymerschicht zum Immobilisieren von Mikroorganismen überzogen
wird.
9) Biokollektor und Verfahren nach einem oder mehreren vorhergehenden
Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Zwischenplatte extern
gereinigt und mit Biokatalysatoren beschichtet wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19944440081 DE4440081A1 (de) | 1994-11-10 | 1994-11-10 | Verfahren und Vorrichtung zur Erhöhung der Produktivität in einem Biokollektor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19944440081 DE4440081A1 (de) | 1994-11-10 | 1994-11-10 | Verfahren und Vorrichtung zur Erhöhung der Produktivität in einem Biokollektor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4440081A1 true DE4440081A1 (de) | 1996-05-15 |
Family
ID=6532918
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19944440081 Withdrawn DE4440081A1 (de) | 1994-11-10 | 1994-11-10 | Verfahren und Vorrichtung zur Erhöhung der Produktivität in einem Biokollektor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4440081A1 (de) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19611855C1 (de) * | 1996-03-26 | 1997-08-21 | Tramm Werner Sabine Dr Rer Nat | Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff, Sauerstoff und Biomasse durch Einwirkung des Sonnenlichtes |
WO2000061719A1 (de) * | 1999-04-13 | 2000-10-19 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Photobioreaktor mit verbessertem lichteintrag durch oberflächenvergrösserung, wellenlängenschieber oder lichttransport |
DE102010021154A1 (de) * | 2010-05-21 | 2011-11-24 | Karlsruher Institut für Technologie | Photobioreaktor |
DE102013208227A1 (de) * | 2013-05-06 | 2014-11-06 | Siemens Aktiengesellschaft | Photobioreaktor für immobilisierte Mikroorganismen |
-
1994
- 1994-11-10 DE DE19944440081 patent/DE4440081A1/de not_active Withdrawn
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19611855C1 (de) * | 1996-03-26 | 1997-08-21 | Tramm Werner Sabine Dr Rer Nat | Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff, Sauerstoff und Biomasse durch Einwirkung des Sonnenlichtes |
WO2000061719A1 (de) * | 1999-04-13 | 2000-10-19 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Photobioreaktor mit verbessertem lichteintrag durch oberflächenvergrösserung, wellenlängenschieber oder lichttransport |
US6509188B1 (en) | 1999-04-13 | 2003-01-21 | Fraunhofer-Gesellschaft Zur | Photobioreactor with improved supply of light by surface enlargement, wavelength shifter bars or light transport |
DE102010021154A1 (de) * | 2010-05-21 | 2011-11-24 | Karlsruher Institut für Technologie | Photobioreaktor |
DE102013208227A1 (de) * | 2013-05-06 | 2014-11-06 | Siemens Aktiengesellschaft | Photobioreaktor für immobilisierte Mikroorganismen |
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