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Die
Erfindung betrifft das Gebiet der Kultur in flüssigem Reaktionsmedium von
Mikroorganismen oder von isolierten Zellen pflanzlicher oder tierischer Makroorganismen.
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Genauer
gesagt betrifft sie ein Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades
eines Bioreaktors, der wenigstens eine ringförmige Bioreaktionskammer aufweist,
welche durch zwei koaxiale zylindrische Wände begrenzt ist, von denen
wenigstens eine, die sogenannte Austauschwand, einen Übergang gasförmiger oder
flüssiger
Stoffe oder den Durchgang des Lichts ermöglicht, und in welcher ein
flüssiges
Reaktionsmedium, das eine Kultur von Mikroorganismen oder von isolierten
Zellen pflanzlicher oder tierischer Makroorganismen in Suspension
enthält, axial
zirkuliert, Verfahren, wonach die Kultur einer biosynthetischen
Reaktion unterzogen wird, die durch den Stoff oder das Licht, der
bzw. das die genannte Austauschwand durchquert, aktiviert wird.
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Die
Erfindung bezieht sich sowohl auf die Kultur von phototrophen Mikroorganismen
oder isolierten Zellen als auch auf die Kultur von heterotrophen
Mikroorganismen oder isolierten Zellen.
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Bei
der Kultur phototropher Mikroorganismen wird eine sichtbare Lichtstrahlung
sowie Kohlendioxid zugeführt,
das im Laufe der Photosynthesereaktion mit Sauerstoffproduktion
verbraucht wird. Der Sauerstoff muß entzogen werden, da er über eine
bestimmte Konzentration hinaus toxisch ist.
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Bei
der Kultur heterotropher Mikroorganismen wird Sauerstoff zugeführt. Der
Sauerstoff wird verbraucht, und es kommt zu einer Produktion von Kohlendioxid,
das entzogen werden muß,
da es jenseits einer bestimmten Konzentration eine Toxizität aufweist.
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In
der
FR-A 2 762 326 ist
ein Photobioreaktor für
die Kultur von photoautotrophen Mikroorganismen beschrieben, der
eine Vielzahl von horizontalen Ringkammern aufweist, deren Innenwand
transparent ist und eine Lichtkammer umschließt. Das Reaktionsmedium wird
in die Ringkammer axial eingeleitet, in der es einer Wirbelbewegung
ausgesetzt wird.
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Wenn
eine Flüssigkeit
in eine Ringkammer axial eingeleitet wird, bleiben die Moleküle im wesentlichen
immer im gleichen Abstand von der Achse der Kammer. Wenn die Bewegung
eine Wirbelbewegung ist, erfahren die Moleküle leichte radiale Bewegungen
um eine mittlere Position. Hieraus wird abgeleitet, daß die in
der Nähe
der Innenwand befindliche Kultur stark beleuchtet wird, während die
in der Nähe der
Außenwand
befindliche Kultur kaum beleuchtet wird. Eine sehr starke Wirbelströmung würde vielleicht
zu einer Erneuerung der Kultur in der Nähe der Innenwand führen. Mikroorganismen
sind jedoch empfindlich gegenüber
Scherbeanspruchung, und eine starke Wirbelströmung ist für die Produktion schädlich.
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In
der
FR-A 2 762 326 wird
die Absorbanz der Kultur dadurch eingestellt, daß dem Reaktionsmedium transparente
oder reflektierende Teilchen mit einer Dichte, die im wesentlichen
gleich der Dichte des Reaktionsmediums ist, zugegeben wird, wobei der
Volumenprozentsatz der Teilchen in dem Reaktionsmedium von der Art
der kultivierten Mikroorganismen, von der Dicke der Kammer und von
der gewünschten
Endkonzentration der Kultur in dem Reaktionsmedium abhängt.
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Diese
Anordnung ermöglicht,
dafür zu
sorgen, daß alle
Mikroorganismen während
ihres Transports in der Ringkammer beleuchtet werden, ganz gleich
um welche Art von Mikroorganismen es sich handelt. Sie ermöglicht aber
nicht die Fortsetzung eines Wachstums bei Dunkelheit, nachdem die
Mikroorganismen über
einen Zeitraum Tlum beleuchtet worden sind.
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Das
Ziel der Erfindung ist es, den Wirkungsgrad dieser Art von Photobioreaktor
zu verbessern, und zwar dadurch, daß in der Kammer eine Strömung erzeugt
wird, welche die Erneuerung der Kultur in der Nähe der beleuchteten Wand begünstigt,
damit die Mikroorganismen, die beleuchtet worden sind, ihr Wachstum
fortsetzen, wenn sie wieder in nicht beleuchtete Bereiche eintreten.
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So
wird bei einer gegebenen Menge des Reaktionsmediums das Wachstum
der Mikroorganismen größer sein
als das, welches mittels des bekannten Verfahrens erzielt wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann auch auf andere Mikroorganismen oder isolierte Zellen als phototrophe
Mikroorganismen angewandt werden.
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Insbesondere
dann, wenn die Bioreaktion durch den Verbrauch eines Gases (Kohlendioxid oder
Sauerstoff) und die Produktion eines zu entfernenden weiteren Gases
(Sauerstoff oder Kohlendioxid) erhalten wird, kann die Innenwand
der Bioreaktionskammer aus einer semipermeablen, hydrophoben Membran
bestehen, die das Reaktionsmedium in der Kammer zurückhält und eines
der Gase passieren läßt. Im Fall
einer Zufuhr von Gas befindet sich letzteres in dem Innenrohr der
Kammer (Quelle) unter Druck. Im Fall eines Gasabzugs befindet sich
das Innenrohr (Senke) unter Unterdruck.
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Es
sei angemerkt, daß die
Gasaustauschwand die Außenwand
der Bioreaktionskammer sein kann, letztere ist dann in einer Leitung
mit größerem Durchmesser
angeordnet, die der Zufuhr eines vorzugsweise unter Druck stehenden
Gases (Quelle) dient. Die beiden Wände der Bioreaktionskammer
können
semipermeabel und hydrophob sein, wobei die Innenwand eine Unterdruck-Senke für den Abzug
des toxischen Gases bildet und die Außenwand an eine Quelle von
während
der Bioreaktion zu verbrauchendem Gas angeschlossen ist. Ebenso
kann eine der Wände
transparent sein, um die Beleuchtung der Kultur zu ermöglichen
und kann die andere Wand semipermeabel und vorzugsweise hydrophob
sein, um die Zufuhr eines Gases oder die Abfuhr des während der
Photobioreaktion erzeugten toxischen Gases zu ermöglichen.
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Wenn
die Bioreaktion die Zufuhr einer mineralischen oder organischen
Nährlösung erfordert,
besteht die Innenwand der Bioreaktionskammer aus einer porösen, hydrophilen
Membran und definiert eine unter Druck stehende Nährlösungsquelle.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist dadurch gekennzeichnet, daß das
in der Bioreaktionskammer zirkulierende Reaktionsmedium einer primären spiralförmigen Wirbelströmung um
die Achse der Kammer unterworfen wird, die unter der Wirkung der Fliehkraft,
sekundäre
Drehwirbel erzeugt, um die Erneuerung der Kultur in der Nähe der Austauschwand zu
begünstigen.
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Vorteilhafterweise
wird das Reaktionsmedium einer primären spiralförmigen Wirbelströmung dadurch
unterworfen, daß das
Reaktionsmedium an einem der Enden der Bioreaktionskammer in einer zur
Achse der Kammer im wesentlichen senkrechten und gegenüber dieser
Achse außermittigen
Richtung eingeleitet wird.
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Vorzugsweise
wird das Reaktionsmedium über
eine Leitung, die eine zur Achse der Kammer im wesentlichen senkrechte
Achse aufweist und die an die Außenwand der Kammer tangential
angeschlossen ist, in die Bioreaktionskammer eingeleitet.
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Die
innere Querabmessung der Leitung in der zur Achse der Bioreaktionskammer
senkrechten Richtung ist höchstens
gleich der radialen Dicke der Kammer.
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Weitere
Vorteile sowie Merkmale der Erfindung werden beim Lesen der nachfolgenden
als Beispiel zu verstehenden Beschreibung hervorgehen, die unter
Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erfolgt, hierin zeigen:
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1 eine
Ringkammer eines Photobioreaktors gemäß dem Stand der Technik;
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2 ein
Diagramm, das die radialen Bewegungen der Mikroorganismen in einer
Ringkammer nach dem Stand der Technik zeigt, in die das Reaktionsmedium
in einer in der Symmetrieebene der Kammer liegenden axialen Richtung
eintritt;
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3 auf
schematische Weise eine erfindungsgemäße Bioreaktionskammer sowie
die Leitung zum Zuführen
des Reaktionsmediums;
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4 einen
radialen Schnitt der Bioreaktionskammer durch eine durch die Achse
der Leitung zum Zuführen
des Reaktionsmediums verlaufende Ebene;
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5 auf
schematische Weise die Erzeugung der sekundären Drehwirbel; und
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6 ein
Diagramm, das die radialen Bewegungen der Mikroorganismen in der
erfindungsgemäßen Bioreaktionskammer
zeigt.
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1 zeigt
eine Kammer
1 einer Photobioreaktors gemäß der
FR A 2 762 326 .
Diese Ringkammer ist innen durch eine transparente zylindrische Wand
2 und
außen
durch eine zweite zylindrische Wand
3 begrenzt. Das flüssige Reaktionsmedium wird
an einem Ende der Kammer
1 über eine Eintrittsleitung
4 eingeleitet,
deren Achse
5 in der durch die Achse
6 der Kammer
1 verlaufenden
Ebene liegt. In der Achse
6 der transparenten Wand
2 ist
eine Leuchtröhre
7 angeordnet.
Die Kammer
1 hat eine Länge
von im wesentlichen gleich 1500 mm und eine Dicke nahe 30 mm. Das
Reaktionsmedium strömt wirbelnd
axial in der Kammer
1 und wird über eine Austrittsleitung
8,
die an dem zur Eintrittsleitung
4 entgegengesetzten Ende
der Kammer
1 angeordnet ist, abgeführt.
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Das
Diagramm der 2 zeigt den Bereich der Bewegungskurve 9 eines
Mikroorganismus in der Kammer 1. Der Pfad dieses Mikroorganismus
erfährt geringe
radiale Bewegungen im Laufe seiner axialen Bewegung in der Kammer 1.
Hieraus folgt, daß keine Erneuerung
der Kultur in der Nähe
der transparenten Wand 2 stattfindet.
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Die 3 und 4 zeigen
eine Bioreaktionskammer 10 ringförmiger Art, die durch eine
zylindrische Innenwand 11 und eine zylindrische Außenwand 12,
welche an wenigstens einem ihrer Enden durch einen Boden 13 verbunden
sind, begrenzt ist. Die Innenwand 11 und die Außenwand 12 sind
koaxial, und wenigstens die Innenwand 11, die sogenannte
Austauschwand, ermöglicht
den Durchgang eines gasförmigen
oder flüssigen
Stoffes oder den Durchgang des Lichts, der bzw. das für die Bioreaktion
von Mikroorganismen oder von isolierten Zellen pflanzlicher oder
tierischer Makroorganismen, die in Suspension in einem in der Ringkammer 10 zirkulierenden
flüssigen
Reaktionsmedium 14 enthalten sind, notwendig ist. Das Reaktionsmedium 14 wird
an dem Ende der Kammer 10 in der Nähe des Bodens 13 mittels
einer Leitung 15 eingeleitet, deren Achse 16 senkrecht
zur Achse 17 der Kammer 10 verläuft und
gegenüber
dieser Achse 17 dezentriert ist. Die Zuführleitung 15 ist
an die Außenwand 12 der
Kammer 10 tangential angeschlossen. Mit anderen Worten
gesagt weist die Leitung 15 eine von der Achse 17 der
Kammer 10 entfernte Mantellinie auf, welche die Außenwand 12 berührend verläuft. Der
Querschnitt der Zuführleitung 15 ist
kreisförmig
oder gekrümmt,
jedoch ist ihre Abmessung d in der Richtung senkrecht zur Achse 17 der
Kammer 10 höchstens gleich
dem radialen Abstand e zwischen den beiden Wänden 11 und 12 der
Kammer 10. Der Zylinder der Öffnung 18 der Zuführleitung 15 weist
folglich keinen Schnittpunkt mit der zylindrischen Innenwand 11 auf.
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Die über die
Zuführleitung 15 gelieferte
Menge an flüssigem
Reaktionsmedium dringt also tangential und im wesentlichen senkrecht
zur Achse 17 an einem der Enden der Ringkammer 10 ein.
Aufgrund der Tatsache, daß sich
die Zuführleitung 15 in unmittelbarer
Nähe des
Bodens 13 befindet, zirkuliert das Reaktionsmedium 14 in
der Kammer 10 in einer primären spiralförmigen Wirbelströmung um
die Achse 17 der Kammer 10. Die spiralförmige Achse
dieser primären
Wirbelströmung
ist in 3 durch das Bezugszeichen 19 dargestellt.
Zudem erzeugt die Primärbewegung
aufgrund der Fliehkräfte
sekundäre Drehwirbel 20 um
die spiralförmige
Achse des primären
Wirbels. Die so erzielte Wirbelströmung 20, die nicht
aufrechterhalten wird, neigt dazu, durch Verringerung der Umfangsgeschwindigkeit
schwächer
zu werden. Sie bleibt jedoch über
eine Strecke von wenigstens 1500 mm aktiv.
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Die
Achse 16 der Zuführleitung 15 ist
nicht zwingend geradlinig. Wichtig ist, daß das Reaktionsmedium 14 in
einer gegenüber
der Achse 17 dezentrierten und zu dieser im wesentlichen
senkrechten Richtung hineingelangt und daß die Menge tangential zur
Außenwand 12 eindringt,
um Scherbeanspruchungen sowie Rezirkulationen in diesem Eintrittsbereich
zu vermeiden.
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Der
Querschnitt der Eintrittsleitung 15 ist kleiner als der
Querschnitt der Kammer 10, damit die axiale Geschwindigkeit
Va des Reaktionsmediums in der Kammer geringer als seine Geschwindigkeit
in der Zuführleitung
Vc ist. Der Geschwindigkeitsfaktor Vc/Va beträgt beispielsweise 4 und kann
in einem weiten Bereich, zum Beispiel zwischen 2 und 10 liegen Dieser
Geschwindigkeitsfaktor wird derart gewählt, daß über die gesamte Länge der
Kammer 10 ein wohl geformter Wirbel 19 vorliegt
und daß die
Erneuerung der Kultur im Bereich der Innenwand 11 sichergestellt
ist.
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6 zeigt
den Bereich der Bewegungskurve eines Mikroorganismus in der Kammer 10,
wenn das Reaktionsmedium so wie oben beschrieben eingeleitet wird.
Man stellt fest, daß sich
der Mikroorganismus – ab
dem mittleren Eintrittspunkt 21 – im Punkt 22 der
Außenwand 12 genähert hat,
anschließend
im Punkt 23 zur Innenwand 11 zurückgelangt, sich
im Punkt 24 erneut der Außenwand 12 nähert, um
im Punkt 25 am anderen Ende der Bioreaktionskammer 10 wieder
in die Nähe
der Innenwand 11 zurückzugelangen.
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Es
sei angemerkt, daß die
Spezifikationen bezüglich
der Länge
der Eintrittsleitung 15 nicht zwingend sind, denn primäre Wirbelströmungen sind
mit Leitungslängen
von 12 mm erzielt worden. Die Spezifikationen bezüglich der
Austrittsöffnung
der Kammer 10 sind nicht zwingend. Insbesondere ist die
tangentiale Position der Austrittsleitung nicht erforderlich.
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Bei
dem oben im einzelnen beschriebenen Beispiel, das auf einen Photobioreaktor
Anwendung findet, ist die Innenwand 11 transparent und
ermöglicht
den Durchgang eines durch eine Lichtquelle ausgesandten Lichts.
Diese Wand kann eine semipermeable, hydrophobe Wand sein, und der
Innenhohlraum der Innenwand 11 kann unter Druck stehendes
Kohlendioxid enthalten, um die Mikroorganismen zu nähren, oder
kann unter Unterdruck gesetzt werden, um den im Laufe der Bioreaktion
erzeugten Sauerstoff, der über
eine bestimmte Konzentration hinaus toxisch ist, aus dem Reaktionsmedium
abzuziehen.
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Diese
Wand 11 kann porös
und hydrophil sein. Der Innenhohlraum dient dann als eine unter Druck
stehende Nährlösungsquelle
für die
Kultur photo- oder heterotropher Mikroorganismen.
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ÜBERSETZUNG DES TEXTES IN DEN
ZEICHNUNGEN
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1
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- art antérieur – Stand
der Technik
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2
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- position radiale (mm) – radiale Position (mm)
- position axiale (mm) – axiale
Position (mm)
-
6
-
- position radiale (mm) – radiale Position (mm)
- position axiale (mm) – axiale
Position (mm)