DE69718178T2

DE69718178T2 - Vorrichtung zum kultivieren von mikroorganismen

Info

Publication number: DE69718178T2
Application number: DE69718178T
Authority: DE
Inventors: Henrik Norsker
Original assignee: BIOPROCESS AS HIRTHALS
Current assignee: BIOPROCESS AS HIRTHALS
Priority date: 1996-09-12
Filing date: 1997-09-11
Publication date: 2003-10-23
Anticipated expiration: 2017-09-12
Also published as: ES2189971T3; DE69718178D1; WO1998011199A1; GB9619058D0; US20020137187A1; NO991211D0; NO991211L; EP0925355A1; ATE230434T1; EP0925355B1; DK0925355T3; IS4995A; AU4131397A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Kultivierung von Mikroorganismen und insbesondere von Algen.
Herkömmliche Mikroalgenkultivierung für Kultivationsvorgänge wird normalerweise in Kunststoffbeuteln durchgeführt. Der gesamte Herstellungszyklus ist ziemlich arbeitsintensiv. Das lange Propagierungsverfahren von reinen Stammkulturen zu großen Herstellungsbeuteln bringt ein erhebliches Risiko mit sich, dass Ziliate, andere Protozoone oder Mikroalgen überhand nehmen könnten. Ein scheinbarer Beweis für eine solche Situation ist die Tatsache, dass die Kultur bleich wird, um kurz darauf "zusammenzubrechen". Einige Arten von Ziliaten können sich mehrmals am Tag verdoppeln, was eine Wachstumsrate darstellt, die die von Aquakulturalgen überschreitet, und die bekannte Erfahrung stützt, dass ein Beutel am Nachmittag in Ordnung aussehen kann und am nächsten Morgen zusammengebrochen ist.
In einigen Situationen stehen Herstellungskulturen kurz vor einem solchen Zusammenbruch. Es kann möglich sein, die Kultur zu ernten, gerade bevor die Ziliate überhand nehmen - bei einer Verzögerung kommt es dann aber bei aller Wahrscheinlichkeit zum Zusammenbruch. Bedingungen, die unter den optimalen Wachstumsbedingungen für die Algen liegen, lassen ebenfalls eine erfolgreiche Ernte unwahrscheinlich werden.
Bei hohen Kultivierungsvolumen ist erhöhte Temperatur sehr oft ein Problem und begrenzt die Lichtmenge, die einer Kultur zugeführt werden kann, besonders in warmen Umgebungen.
Geschlossene halbkontinuierliche Mikroalgenkulturen im Bereich von 1- 20 Litern sind andererseits nicht schwierig zu halten. Wenn sie aseptisch aufgebaut, regelmäßig mit sterilem Wachstumsmedium verdünnt und mit Luft, die eventuell ein wenig CO&sub2; enthält, begast wird, kann die Kultur für längere Zeitabschnitte fortgesetzt werden, bis der an den Wänden des Kolbens anhaftende Wuchs das Auswechseln des Kolbens erforderlich macht.
Ein Nachteil dieses halbkontinuierlichen Verfahrens ist jedoch, dass es arbeitsintensiv ist und der Wandwuchs seine Nützlichkeit begrenzt.
Oft wird das sogenannte Blinklicht-Prinzip verwendet, um den Fotosyntheseertrag in Mikrobenkulturen zu steigern.
Gemäß diesem Prinzip wird die Fotosynthese-Energieumwandlung einer gegebenen Menge an sichtbarem Licht in einer Kultur von Fotosynthese- Mikroorganismen, wie etwa Mikroalgen, erhöht, wenn das Licht in intensitätsstärken Impulsen, die durch längere Dunkelheitsintervalle unterbrochen sind, verabreicht wird.
Das Prinzip führt zu Zunahmen von Fotosynthese-Energieumwandlung, wobei das Licht in Impulsen mit einer Dauer zwischen so wenig wie u Sekunden und Minuten ausgesendet wird; Die Ergebnisse sind am deutlichsten bei den kürzeren Impulsen.
Verschiedene Entwurfansätze zur Untersuchung der Auswirkungen dieses Prinzips wurden unternommen, einschließlich der Verwendung von stroboskopischem Licht in kleinen experimentellen Kulturen und drehenden Kulturgefäßen, wie etwa einer Drehtrommel (beschrieben in Oswald et al. 1965, Proc. Am. Soc. Civil Eng. U (Sanit. Eng.), 91 (SA4), 23), wobei die Kultur durch die Zentrifugalkraft als ein dünner Film an den Wänden der Drehtrommel gehalten wird, oder wie bei der sogenannten Couette-Vorrichtung, wobei die Kultur in einer schmalen Lücke zwischen einem zentralen Rotor und einer äußeren statischen Wand gedreht wird. Ichimura (1976, Vereinigte Staaten Patent Nr. 3,986,297) beschreibt ein nicht-lichtdurchlässiges Fotosynthese-Reaktorgefäß, wobei Licht durch trockene Löcher im Gefäß verabreicht wird. Eine blinkende Wirkung wird erhalten, indem eine Klappe mit einem Schlitz um die Lichtquelle gedreht wird. Obwohl die Wirkung des Blinklichts in diesem System zu einer erhöhten fotosynthetischen Umwandlung des wirklich ausgesendeten Lichts führen kann, kann eine ähnliche Gesamt-Wirkung nicht erwartet werden, da das Blinken im Wesentlichen durch das Abdunkeln der Lichtquelle verursacht wird.
Keines dieser Systeme weist Herstellungsmaßstabsanwendungen auf, da die Energieeingabe und die Konstruktionskosten zum Errichten und zum Erhalten solcher Systeme nicht durch die Produktivitätssteigerungen gerechtfertigt werden.
Ein System, das geschichtete Turbulenz in im Freien befindlichen, offenen Fließkanalwannen durch die Einführung von flügelähnlichen Prallflächen in die Kultur verursacht, wird von Laws et al. 1983 Biotechnol. Bioeng. 25, 2319-2335 beschrieben; Dieses System weist jedoch immer noch eine komplexe Struktur auf und kann nicht in einem innen befindlichen Kultursystem, wie als Produktionskulturen verwendet, die zum Beispiel Mikroalgen für Zuchtanlagen und Streckteiche für zweischalige Muscheln, Zuchtanlagen für Seefische und industrielle Mikroalgenanwendungen, wie etwa Nährstoffe für Menschen, pharmazeutische Produkte usw. herstellen, angewendet werden.
Die bekannte Herstellungstechnologie für diese Anwendungen beinhaltet 50-500 Liter durchsichtiger harter Zylinder oder Kunststoffbeutel, offener kubischer oder rechteckiger Wannen, die alle beleuchtet und in nichtstrategischer Weise unter Verwendung von zufällig eingespritzten Luftblasen gerührt werden.
Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff "Licht" auf elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen in den Ultraviolett,sichtbaren und/oder Infrarotbereichen des elektromagnetischen Spektrums.
US5,281,533 und US4,326,034 offenbaren bekannte Kultiverungsverfahren, durch die die Erfindung gekennzeichnet ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet die Vorrichtung zur Kultivierung von Mikroorganismen einen Behälter zur Aufnahme von Mikroorganismen und eine Lichtquelle, wobei die Lichtquelle Licht mit einer Flussdichte von mehr als 500 uEm&supmin;²sec&supmin;¹ ausstrahlt.
Vorzugsweise beinhaltet die Vorrichtung weiterhin einen Bewegungsmechanismus zur Erzeugung von Relativbewegung zwischen der Lichtquelle und den Mikroorganismen.
Typischerweise beinhaltet der Bewegungsmechanismus einen Rührapparat, der die Mikroorganismen in dem Behälter rührt, um die Relativbewegung zu erzeugen.
Typischerweise kann der Rührapparat einen Impellerrührer oder einen Druckluftrührer beinhalten, der innerhalb des Behälters angebracht ist.
Vorzugsweise ist eine Anzahl von Lichtquellen bereitgestellt. Die Lichtquelle oder Lichtquellen sind typischerweise um den Umfang des Behälters arrangiert und befinden sich vorzugsweise außerhalb des Behälters, und der Behälter ist im Wesentlichen lichtdurchlässig.
Typischerweise weist das Licht eine Flussdichte von mehr als 600 uEm&supmin;² sec&supmin;¹ und am besten von mehr als 1000 uEm&supmin;²sec&supmin;¹ auf.
Vorzugsweise sind die Lichtquellen in Abständen um den Umfang angeordnet und so arrangiert, dass nicht der ganze Umfang des Behälters direkt belichtet wird; Typischerweise werden die Breite des Lichts, das auf den Behälter trifft, und die Relativbewegung so erzeugt, dass die Belichtungszeit bestimmter Mikroorganismen in dem Behälter nicht mehr als zwei Sekunden beträgt.
Vorzugsweise sind die Lichtquellen in gleichen Abständen um den Umfang des Behälters angeordnet.
Vorzugsweise, wenn der Behälter zylindrisch ist und eine Anzahl von Lichtquellen "n" mit Länge "l" und Breite "b" versehen werden und die Länge "l" sich im Wesentlichen parallel zur Zentralachse des Zylinders erstreckt, ist n · l kleiner/gleich einem Drittel des Umfangs des Zylinders.
Typischerweise ist die Relativbewegung Relativdrehung zwischen Mikroorganismen in dem Behälter und der Lichtquelle, so dass die Drehungen pro Minute mehr als 60b(d2π) betragen, wobei b die Breite der Lichtquelle ist und d der Durchmesser des Behälters ist, und vorzugsweise beträgt n · b weniger als πd/4, wobei n die Anzahl von Lichtquellen ist.
Ein Beispiel einer Vorrichtung zur Kultivierung von Mikroorganismen gemäß der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine schematische Draufsicht eines Bioreaktors ist;
Fig. 2 eine schematische Seitenansicht des in Fig. 1 dargestellten Bioreaktors ist;
Fig. 3a und 3b jeweils eine Draufsicht und eine Seitenansicht eines Druckluftrührers zur Verwendung mit dem in Fig. 1 und 2 gezeigten Bioreaktor sind; und
Fig. 4a und 4b jeweils eine Draufsicht und eine Seitenansicht eines Impellerrührers zur Verwendung mit dem in Fig. 1 und 2 gezeigten Bioreaktor sind.
Fig. 1 zeigt einen Bioreaktor, der einen zylindrischen Behälter 1 beinhaltet, in dem Mikroorganismen in Form einer Algenkultur enthalten sind (siehe Fig. 1 und 2). Vier Lichtquellen 2 sind um die Außenseite des Behälters 1 verteilt. Jede Lichtquelle 2 weist eine Länge 1 und eine Breite b auf.
Die Algen innerhalb des Behälters 1 werden von einem Rührmechanismus bei einer Winkelgeschwindigkeit von Ω Umdrehungen pro Minute gedreht. Der Rührmechanismus kann ein Druckluftrührer 3 (siehe Fig. 3a und 3b) oder ein Impellerrührer 4 (siehe Fig. 4a und 4b) sein.
Das Rühren der Kultur, die in dem zylindrischen Behälter 1 enthalten ist, besteht aus zwei Komponenten:
1 Drehung um die Achse des Behälters 1; und
2 eine Vertikalverschiebung der Kultur, die in dem Behälter 1 enthalten ist.
Der Druckluftrührer 4 beinhaltet ein senkrechtes Rohr 6, das drehbar von einem Lager 10 in einem Deckel 8 des Behälters 1 gestützt ist. Innerhalb des Rohrs 6 befindet sich ein Luftrohr 5. Indem Druckluftrührer 3, wie in Fig. 3a und 3b abgebildet, werden Luftblasen aus dem Luftrohr 5, das sich fast bis zum Boden des senkrechten Rohrs 6 erstreckt, ausgestoßen. Die Kulturflüssigkeit wird im Rohr 6 vom Boden des Rohrs 6 emporgehoben und durch die zwei waagerechten Arme 7 in tangentialer Richtung ausgestoßen. Die Kulturflüssigkeit im Behälter 1 wird dadurch um eine senkrechte Achse 9 gedreht und wird weiterhin in VPF-Modus von oben nach unten im Zylinder parallel zur Achse 9 versetzt.
Im Impellerrührer 4, wie in Fig. 4a und 4b abgebildet, sind senkrecht orientierte, rechteckige Schaufelräder 11 auf einer zentralen Welle 12 durch Stützstäbe 13 angebracht. Die Welle 12 erstreckt sich durch den Deckel 8, zum Beispiel mittels eines magnetisch gekoppelten Lagers 14. Die Welle 12 ist distal von einem Unterlager 15 gestützt. Ein innerer Drehzylinder 16 ist auch mittels der Schaufelrad-Stützstäbe 13 an der Welle 12 fixiert. Ein Teil der Innenfläche des Zylinders 16 ist mit einem spiralförmigen Rand 17 bedeckt. Daher wirkt der Innenzylinder 16 als Schraubenpumpe, wenn er gedreht wird, um die Kulturflüssigkeit durch den Innenzylinder 16 zu bewegen. In Fig. 4b ist die Flüssigkeitsrichtung im Innenzylinder 16, wie durch Pfeile 18 angezeigt, in die Richtung von unten nach oben. Die Richtung kann jedoch umgekehrt werden.
Das Blinklicht-Prinzip wird in dem in Fig. 1 und 2 gezeigten Bioreaktor angewendet, indem die Lichteingabe in vier senkrechten Lichtsträngen von den Lichtquellen 2 konzentriert wird, welche sich vorzugsweise entlang dem ganzen mit der Kultur gefüllten Teil des Kultivierungszylinders erstrecken.
Der nützliche Fluss von sichtbarem Licht ist 300 bis 3000 uEm&supmin;²sec&supmin;¹;
vorzugsweise höher als 600 uEm&supmin;²sec&supmin;¹ und am besten höher als 1000 uEm&supmin;²sec&supmin;¹.
Die volumetrische Bestrahlungsdosis (sichtbares Licht) ist 0,12 E/Liter/Tag < l/d (24 Std.) < 0,36 E/Liter/Tag.
Über 1000 uEm&supmin;²sec&supmin;¹ wird eine beleuchtete Oberfläche frei von anhaftendem Wuchs sein, zwischen 600 uEm&supmin;²sec&supmin;¹ und 1000 uEm&supmin;²sec&supmin;¹ sind die Probleme von anhaftendem Wuchs jedoch trotzdem stark reduziert.
Obwohl vier Lichtquellen 2 gezeigt sind, kann eine jegliche Anzahl verwendet werden. Es werden jedoch vorzugsweise zwei bis vier verwendet.
Die einfallenden Lichtfelder sollten als eine Anzahl n von engen Strängen arrangiert sein, wobei jeder eine Länge l und eine Breite b aufweist. Die Länge l sollte einen wesentlichen Teil der mit Kultur gefüllten Länge des Behälters 1, vorzugsweise die gesamte Länge davon, abdecken. n · b sollte ein so kleiner Teilabschnitt des ganzen Umfangs des Zylinders wie möglich sein, und auf jeden Fall weniger als 25% betragen.
Der maximale Umfang des Behälters 1, der von den Lichtfeldern abgedeckt werden sollte, wird in der folgenden Gleichung angegeben:
n·b/dπ < 0,25
Die Dauer jedes Lichtimpulses sollte weniger als 2 Sekunden sein, und, um dies zu erreichen, sollte die Winkelgeschwindigkeit Ω(U/min) der Kultur größer als 60b/(d2π) sein.
Indem einfallendes Licht in kleinen Flecken mit einer Intensität über bestimmten Grenzwerten konzentriert wird, wird das Wandwachstum von Fotosynthese-Mikroorganismen im Reaktor, was ein ernsthaftes praktisches Problem bei vorherigen Arten von Fotobioreaktoren ist, deutlich reduziert, da die Lichtintensität direkt unter der Wand des Kulturzylinders zu hoch ist, so dass sich anhaftende Biomasse nicht vermehren und wachsen kann.

Claims

1. Eine Vorrichtung zur Kultivierung von Mikroorganismen, die einen Behälter zur Aufnahme von Mikroorganismen und eine Lichtquelle beinhaltet, wobei die Lichtquelle Licht mit einer Flussdichte von mehr als 500 uEm&supmin;²sec&supmin;¹ ausstrahlt.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 mit einem Bewegungsmechanismus zur Erzeugung von Relativbewegung zwischen der Lichtquelle und den Mikroorganismen.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei der Bewegungsmechanismus aus einem Rührapparat besteht, der die Mikroorganismen in dem Behälter rührt, um die Relativbewegung zu erzeugen.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei der Rührapparat aus einem Impellerrührer oder einem Druckluftrührer besteht, der innerhalb des Behälters angebracht ist.

5. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Anzahl von Lichtquellen bereitgestellt wird.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei die Lichtquellen in Abständen um den Umfang des Behälters angeordnet sind.

7. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Lichtquelle(n) außerhalb des Behälters befindet/befinden.

8. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Behälter im Wesentlichen lichtdurchlässig ist.

9. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Licht eine Flussdichte von mehr als 600 uEm&supmin;²sec&supmin;¹ aufweist.

10. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Licht eine Flussdichte von mehr als 1000 uEm&supmin;²sec&supmin;¹ aufweist.

11. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere Lichtquellen so arrangiert sind, dass nicht der ganze Umfang des Behälters direkt belichtet wird.

12. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Breite des Lichts, das auf den Behälter trifft, und die Relativbewegung so erzeugt werden, dass die Belichtungszeit bestimmter Mikroorganismen in dem Behälter nicht mehr als 2 Sekunden beträgt.

13. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Behälter zylindrisch ist.

14. Vorrichtung gemäß Anspruch 13, wobei eine Anzahl von Lichtquellen "n" mit Länge "l" und Breite "b" versehen werden und ihre Länge "l" sich im Wesentlichen parallel zur Zentralachse des Zylinders erstreckt, und wobei n · l kleiner/gleich einem Drittel des Umfangs des Zylinders ist.

15. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Relativbewegung Relativdrehung zwischen Mikroorganismen in dem Behälter und der Lichtquelle ist.

16. Vorrichtung gemäß Anspruch 15, wobei die Drehungen pro Minute mehr als 60b(d2π) betragen, wobei b die Breite der Lichtquelle ist und d der Durchmesser des Behälters ist.

17. Vorrichtung gemäß Anspruch 16, wobei n · b weniger als πd/4 beträgt, wobei n die Anzahl von Lichtquellen ist.

18. Ein Verfahren zur Kultivierung von Mikroorganismen in einem Kulturbehälter, wobei das Verfahren aus dem Beleuchten des Kulturbehälters mit mindestens einer Lichtquelle besteht, wobei die Lichtquelle Licht mit einer Flussdichte von mehr als 500 uEm&supmin;²sec&supmin;¹ ausstrahlt.

19. Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei das Verfahren den weiteren Schritt beinhaltet, die Mikroorganismen relativ zur Lichtquelle zu bewegen.

20. Verfahren gemäß Anspruch 18 oder 19, wobei das Verfahren den Schritt beinhaltet, die Mikroorganismen von außerhalb des Kulturbehälters zu beleuchten.

21. Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei die Mikroorganismen von außerhalb des Kulturbehälters, der im Wesentlichen lichtdurchlässig ist, beleuchtet werden.

22. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 18-21, wobei das Verfahren aus dem Bereitstellen einer Anzahl n von Lichtquellen der Länge l entlang der Länge eines zylindrischen Behälters besteht, wobei n · l kleiner/gleich einem Drittel des Umfangs des Zylinders ist, und wobei ein Einheitsvolumen der Inhalte, das an dem Umfang des Zylinders anliegt, einem Bereich diskontinuierlicher heller und dunkler Zeitabschnitte ausgesetzt wird.