EP2300596A1 - Verfahren zur herstellung von algenbiomasse und deren verwendung - Google Patents

Verfahren zur herstellung von algenbiomasse und deren verwendung

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Publication number
EP2300596A1
EP2300596A1 EP09761357A EP09761357A EP2300596A1 EP 2300596 A1 EP2300596 A1 EP 2300596A1 EP 09761357 A EP09761357 A EP 09761357A EP 09761357 A EP09761357 A EP 09761357A EP 2300596 A1 EP2300596 A1 EP 2300596A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
algae
nutrient solution
algal biomass
biomass
light
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09761357A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Maack
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Algmax GmbH
Original Assignee
Algmax GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Algmax GmbH filed Critical Algmax GmbH
Publication of EP2300596A1 publication Critical patent/EP2300596A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N1/00—Microorganisms, e.g. protozoa; Compositions thereof; Processes of propagating, maintaining or preserving microorganisms or compositions thereof; Processes of preparing or isolating a composition containing a microorganism; Culture media therefor
    • C12N1/12—Unicellular algae; Culture media therefor
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01G—HORTICULTURE; CULTIVATION OF VEGETABLES, FLOWERS, RICE, FRUIT, VINES, HOPS OR SEAWEED; FORESTRY; WATERING
    • A01G33/00—Cultivation of seaweed or algae
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A40/00—Adaptation technologies in agriculture, forestry, livestock or agroalimentary production
    • Y02A40/80—Adaptation technologies in agriculture, forestry, livestock or agroalimentary production in fisheries management

Definitions

  • the present invention relates to a novel process for recovering algal biomass in the presence of a light amount of up to 40,000 lux using non-genetically engineered algae and the use of the processed product, as discussed below.
  • EP1040182 B1 describes a process for the production of biomass by means of photosynthesis, in which a photobioreactor is described.
  • An overview of open systems and other processes for algal biomass recovery can be found in Borowitzka, M.A. in Commercial production of microalgae: ponds, tanks, tubes and fermenters; in Journal of Biotechnology, Volume 70, Issues 1-3, 30 April 1999, 313-321.
  • the genetically engineered algae are grown under sterile conditions, the inoculum then further increased together with the nutrient medium under sterile conditions in bioreactors or other suitable containers (fermenters).
  • the present invention has for its object to provide a method for obtaining algal biomass, which manages while avoiding the disadvantages of previously known methods.
  • the object is achieved by growing and propagating algae under non-sterile conditions in the presence of a quantity of light of up to 40,000 lux for a certain time during the day or without light and without genetic manipulation using at least one other carbon-containing component in the nutrient medium in suitable containers become.
  • the present invention thus relates to a method for producing algal biomass by means of algae in a closed reactor, wherein by inoculation using non-sterile algae and using a non-sterile nutrient solution initially an algae nutrient solution suspension is formed, from which then obtained the algal biomass through cell growth and cell proliferation using non-genetically modified algae and producing the algal biomass in the presence of a light amount of up to 40,000 lux for a period of 30 min to 360 min per day, over a period of up to 30 days.
  • the algal biomass can be optimally multiplied and algae biomass produced inexpensively, since sterile conditions can be dispensed with. Furthermore, the invention dispenses with gene manipulation of the algae.
  • the preparation of the algal biomass is carried out in the presence of a quantity of light of 3,000 lux to 40,000 lux, for the duration of 60 min to 360 min per day, preferably 60 min to 240 min per day, over a period of 1 day to 14 days, preferably 2 days to 10 days.
  • the production of the algal biomass is carried out in the absence of light.
  • the algal biomass is formed within up to 14 days, preferably within 1 to 7 days.
  • the algae / nutrient solution suspension and / or the nutrient solution is preferably a gas which contains CO 2 which is added until a pH range of between 4 and 10 is obtained in the algae / nutrient solution suspension and / or nutrient solution , 5 and 7,0.
  • At least one further organic carbon source is added to the nutrient medium during the phase of cell growth of the algae as further carbon sources.
  • algae green algae in particular from the family of Chlorococcales, most preferably microalgae of the genus Chlorella.
  • Examples are Chlorella vulgaris, called Chlorella protothecoides.
  • an exhaust gas from combustion plants preferably cogeneration plants, from combustion processes, from internal combustion engines or from fermentation plants as CO 2 -containing gas, wherein the waste gas is preferably cooled before being introduced into the nutrient solution.
  • CO 2 carbon dioxide
  • CO 2 from flue gas and / or from exhaust gases from combined heat and power plants and / or internal combustion engines is used as a carbon source for the construction of the algal biomass.
  • a nutrient solution of nutrient-rich wastewaters in particular a sewage treatment plant and / or a biogas plant.
  • At least one single and / or multiple sugar to the nutrient solution as further organic carbon source, preferably glucose in a concentration of 0.1 g / l to 10 g / l of nutrient solution.
  • hydrolysates of polysaccharides and also lignocelluloses including lignin and salts of carboxylic acids (eg acetates).
  • polysaccharide hydrolysates are those formed from starch and starch products, from galactomannans, carrageenans, pectins, exudate gum, cellulose, alginates, agar, dextran, xanthan, lignocelluloses, lignin.
  • nutrient-containing wastewater from sewage treatment plants are suitable as further carbon sources for building up the algal biomass.
  • the nutrient solution contains water, nitrogen compounds, phosphates, potassium, calcium, magnesium compounds and trace elements, which are selected from the group consisting of boron, copper, iron, manganese, molybdenum and / or zinc.
  • the separation of the biomass is carried out in a manner known per se and the nutrient solution is returned to the reactor continuously or discontinuously.
  • Fig. 1 shows a reactor for the production of biomass
  • Fig. 2 shows the time course of biomass production and decrease of glucose
  • the algae inoculate 01 in the tank 02 is pumped by means of a pump 03 into the reactor 04, which is filled with nutrient medium 05 from the storage tank 06.
  • the control unit also controls a heater located in the reactor (not shown in the drawing) which ensures the temperature to maintain optimum breeding conditions and the stirring motors 11th
  • the so-adjusted algae nutrient solution suspension then circulates in the reactor 04 by means of stirring motors 11, which guarantee a continuous mixing of the suspension.
  • Algal biomass growth takes place in the reactor by metabolizing the introduced and dissolved CO 2 , as well as the inorganic nutrients present in the nutrient medium and the additional carbon source in the nutrient medium without light.
  • the dry matter concentration of the microalgae species used Chlorella vulgaris after adjustment of Inokulat 01 and nutrient medium 05 in the reactor is between 0.5 to 1, 0 g dry matter / l.
  • the now harvestable algae nutrient medium suspension is fed via the pump 03 into a separating device (eg separator, centrifuge, settling tank) known to the person skilled in the art (not shown in the drawing). which is fed to separation to allow separation into algal biomass and excess nutrient solution 05.
  • a separating device eg separator, centrifuge, settling tank
  • the freed from the algal biomass solution can be supplied via a pump 03 to the reactor 04 and / or the Nährmediumvorratstank 06 again (not shown in the drawing) This can be done continuously, but also discontinuously, depending on the growth of algal biomass.
  • the algae biomass thus separated can be isolated by techniques known to those skilled in the art and, as described in the current literature, for example. as a raw material for the production of biodiesel, ethanol production, feed or other uses.
  • the open-topped reactor 04 is covered by a light-tight film 12 which has an opening 13 from which gaseous metabolic products and excess gases can escape.
  • Fig. 2 shows the course of biomass formation [g / 1 TM] and the glucose concentration with 1% glucose and 1-hour light phase per day (low light), as described in Preparation Example 1 below.
  • the biomass yield increased continuously and amounted to 2.5 g / l dry matter after 10 days of test.
  • the optical density was determined quantitatively by means of spectrophotometry at 660 nm (eg UV-2102 PC spectrometer, Shimadzu Deutschland GmbH)
  • the HPLC analysis of glucose was carried out under the following conditions:
  • the incubation takes place in an unheated shaking water bath without light supply at a shaking frequency of 100 rpm.
  • the temperature in the water bath is between 20 ° C.-25 ° C.
  • the mixtures are exposed to daylight for 1 h daily.
  • the illuminance is determined by means of lux meters (eg Voltcraft LUXMETER LX-1108, Conrad Elektronicteil). Depending on the season, the amount of light can vary between 3,000 and 40,000 lux (winter or summer day).
  • the biomass is sampled after the light treatment.
  • the algal biomass is determined by filtration of 5 ml of -10 ml of sample through pre-dried and weighed membrane filter (0.45 microns, for example, Whatman Schleicher & Schuell) and subsequent drying at 105 0 C.
  • the first sample is taken. After 1 hour of incubation in the shaking bath, a further sampling for pH control takes place.
  • the incubation is carried out in a heated shaking water bath (temperature between 25-28 0 C) hne light supply at a shaking frequency of 100 rpm, the determination of the algal biomass is carried out by filtration of 5 ml of -10 ml of sample through pre-dried and weighed membrane filter (0.45 micron) and. subsequent drying at 105 0 C. After 3 days, no biomass increase takes place. Table 1 shows the biomass formation in the dark after 3 days.

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Abstract

Offenbart wird ein Verfahren zur Herstellung von Algenbiomasse mittels Algen ohne Verwendung von Licht in einem geschlossenen Reaktor, wobei durch Beimpfen mittels nicht steriler Algen und Verwendung einer nicht sterilen Nährlösung zunächst eine Algen-Nährlösungs-Suspension entsteht, aus welcher dann die Algenbiomasse durch Zellwachstum und Zellvermehrung gewonnen wird sowie die Verwendung der so erzeugten Algenbiomasse.

Description

Verfahren zur Herstellung von Algenbiomasse und deren Verwendung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein neuartiges Verfahren zur Gewinnung von Algenbiomasse in Gegenwart einer Lichtmenge von bis zu 40.000 Lux unter Einsatz nicht gentechnisch veränderter Algen sowie die Verwendung des Verfahrenserzeugnisses, wie im Nachfolgenden erörtert.
Stand der Technik
Die bekannten Verfahren zur Gewinnung von Algenbiomasse, welche bekannt und zahlreich in der Patentliteratur beschrieben sind, nutzten entweder so genannte Photobioreaktoren (PBR) oder Verfahren im offenen Systemen.
So beschreibt EP1040182 B1 ein Verfahren zur Herstellung von Biomasse mittels Photosynthese, bei welchem ein Photobioreaktor beschrieben wird. Eine Übersicht zu offenen Systemen und anderen Verfahren zur Algenbiomassegewinnung findet sich bei Borowitzka, M.A. in Commercial production of microalgae: ponds, tanks, tubes and fermenters; in Journal of Biotechnology, Volume 70, Issues 1-3, 30 April 1999, 313-321.
In den Beschreibungen sind immer Licht, geeignete Nährstoffe, sowie Kohlenstoffdioxid (CO2) für die Gewinnung der Algenbiomasse notwendig. Die verwendeten Algenarten werden zunächst unter sterilen Bedingungen angezüchtet und vermehrt, danach wird das so genannte Inokulat zusammen mit dem Nährmedium in jeweiligen oben genannten Systemen zur optimalen Vermehrung und Gewinnung der Algenbiomasse eingebracht. Andererseits können aber auch geschlossene Systeme verwendet werden, die ohne die Verwendung von Licht auskommen. Allerdings ist es bei diesem Verfahren notwendig, die Algen gentechnisch zu manipulieren, wie es z. B. in EP1780283 A1 - Trophische Umwandlung von obligat phototropischen Algen durch metabolische Manipulationbeschrieben wird. Chen F. et al. beschreiben ebenfalls die gentechnische Manipulation in Growing phototrophic cells without light, in Biotechnology Letters 2006 May; 28(9):607-616.
Erst durch die gentechnische Manipulation ist es dann den Algen möglich, ohne Verwendung von Licht, andere Energiequellen wie z.B. Zucker als Kohlenstoffquelle zum Aufbau der Algenbiomasse zu verwenden.
Auch beim Verfahren im Dunkeln werden die gentechnisch manipulierten Algen unter sterilen Bedingungen gezüchtet, das Inokulat dann zusammen mit dem Nährmedium unter sterilen Bedingungen in Bioreaktoren oder anderen geeigneten Behältnissen (Fermentern) weiter vermehrt.
Nachteile des Standes der Technik
Sowohl bei den offenen Systemen, als auch bei geschlossenen Systemen (PBR) wird die Algenbiomasse durch geeignete Vorrichtungen (Schaufelräder, Pumpen, Luftströme im Reaktor, Reaktordesign) bewegt, um ein Absetzen der Algen zu verhindern. Das Absetzen der Algenbiomasse ist unerwünscht und nachteilig, da bei Absetzung die optimale Lichtausbeute herabgesetzt und die Bildung neuer Algenbiomasse verringert und somit der Wirkungsgrad herabgesetzt wird.
Bei der Anwendung der gentechnischen Manipulation der Algen ist der hohe apparative Aufwand von Nachteil. Weiterhin ist auch das Einhalten der sterilen Bedingungen von Nachteil, da diese aufwendig und kostenintensiv sind. Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Gewinnung von Algenbiomasse bereitzustellen, welches unter Vermeidung der Nachteile bisher bekannter Verfahren auskommt.
Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass Algen unter nicht sterilen Bedingungen in Gegenwart einer Lichtmenge von bis zu 40.000 Lux für eine gewisse Zeit am Tag bzw. ohne Licht und ohne gentechnische Manipulation unter Verwendung mindestens einer anderen kohlenstoffhaltigen Komponente im Nährmedium in geeigneten Behältern gezüchtet und vermehrt werden.
Die vorliegende Erfindung betriff somit ein Verfahren zur Herstellung von Algenbiomasse mittels Algen in einem geschlossenen Reaktor, wobei durch Beimpfen mittels nicht steriler Algen und Verwendung einer nicht sterilen Nährlösung zunächst eine Algen-Nährlösungs-Suspension entsteht, aus welcher dann die Algenbiomasse durch Zellwachstum und Zellvermehrung gewonnen wird, wobei nicht gentechnisch veränderte Algen eingesetzt werden und die Herstellung der Algenbiomasse in Gegenwart einer Lichtmenge von bis zu 40.000 Lux für die Dauer von 30 min bis 360 min pro Tag, über eine Dauer von bis zu 30 Tagen erfolgt..
Vorteile der Erfindung
Durch das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich die Algenbiomasse optimal vermehren und Algenbiomasse kostengünstig herstellen, da auf sterile Bedingungen verzichtet werden kann. Weiterhin wird erfindungsgemäß auf eine Genmanipulation der Algen verzichtet.
Durch den weitergehenden Verzicht auf Licht zum Aufbau der Algenbiomasse erhöht sich die Ausbeute der Algenbiomasse, da der bei den vorstehend genannten Verfahren zum Stand der Technik limitierende Faktor Licht zum Aufbau der Algenbiomasse nicht mehr notwendig ist.
Mit der vorliegenden Erfindung liegt nun ein Verfahren vor, welches gegenüber den bislang bekannten Verfahren folgende Vorteile bietet:
• Verzicht der sterilen Bedingungen,
• Verzicht der Genmanipulation ,
• Verzicht auf die sonst notwendigen Sicherheitsstandards für genmanipulierte Organismen
• geringerer Platzbedarf, da das Volumen anstatt der Fläche genutzt wird.
Nach einer bevorzugen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Herstellung der Algenbiomasse in Gegenwart einer Lichtmenge von 3.000 Lux bis 40.000 Lux, für die Dauer von 60 min bis 360 min pro Tag, vorzugsweise 60 min bis 240 min pro Tag, über eine Dauer von 1 Tag bis 14 Tagen, bevorzugt 2 Tagen bis 10 Tagen.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Herstellung der Algenbiomasse in Abwesenheit von Licht. Hier erfolgt die Bildung der Algenbiomasse innerhalb von bis zu 14 Tagen, bevorzugt innerhalb von 1 bis 7 Tagen.
Bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Algen/Nährlösungs- Suspension und / oder der Nährlösung ein Gas, welches CO2 enthält, welches solange zugegeben wird, bis sich in der Algen/Nährlösungs-Suspension und/oder Nährlösung einen pH-Wert bereich zwischen 4,5 und 7,0 eingestellt hat.
Nach einem bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden, neben Kohlenstoffdioxid, während der Phase des Zellwachstums der Alge als weitere Kohlenstoff-Quellen dem Nährmedium mindestens eine weitere organische Kohlenstoff- Quelle hinzugefügt.
Weiter bevorzugt ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, die Algen/Nährlösungs- Suspension im Reaktor zu durchmischen, insbesondere mittels Rührern. Hierdurch wird durch Variation der Durchmischung ein optimaler Ertrag an Algenbiomasse durch Verstoffwechselung des eingebrachten Kohlenstoffdioxides und der zusätzlichen organischen Kohlenstoffquelle erzielt.
Nach einer weiteren bevorzugten Aufführungsform der Erfindung werden als Algen Grünalgen (Chlorophyta), insbesondere aus der Familie der Chlorococcales, ganz bevorzugt Mikroalgen der Gattung Chlorella eingesetzt. Beispielhaft seien Chlorella vulgaris, Chlorella protothecoides genannt.
Weiter bevorzugt ist es, im erfindungsgemäßen Verfahren als CO2 enthaltendes Gas ein Abgas aus Feuerungsanlagen, vorzugsweise Blockheizkraftwerken, aus Verbrennungsprozessen, aus Verbrennungsmotoren oder aus Fermentationsanlagen einzusetzen, wobei das Abgas bevorzugt vor Einleitung in die Nährlösung abgekühlt wird. So wird neben dem in der Luft enthaltenen Kohlenstoffdioxid (CO2) auch CO2 aus Rauchgas und/ oder aus Abgasen von Blockheizkraftwerken und/oder aus Verbrennungsmotoren, als Kohlenstoff-Quelle für den Aufbau der Algenbiomasse verwendet.
Weiter bevorzugt im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, eine Nährlösung aus nährstoffreichen Abwässern, insbesondere einer Kläranlage und / oder einer Biogasanlage, einzusetzen.
Weiter bevorzugt ist es, im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens der Nährlösung als weitere organische Kohlenstoffquelle mindestens ein Einfach- und / oder Mehrfachzucker zuzugeben, bevorzugt Glucose in einer Konzentration von 0,1 g/l bis 10 g/l Nährlösung.
Erfindungsgemäß eignen sich auch Hydrolysate von Polysacchariden, sowie Lignocellulosen einschließlich Lignin und Salze von Carbonsäuren (z.B. Acetate). Beispiele für die Polysaccharidhydrolysate sind die aus Stärke und Stärkeprodukten, aus Galaktomannanen, Carrageenanen, Pektinstoffen, Exsudat-Gummi, Cellulose, Alginaten, Agar, Dextran, Xanthan, Lignocellulosen, Lignin entstehen. Weiter sind nährstoffhaltige Abwässer aus Kläranlagen als weitere Kohlenstoff-Quellen zum Aufbau der Algenbiomasse geeignet. Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält die Nährlösung Wasser, Stickstoffverbindungen, Phosphate, Kalium-, Calcium-, Magnesiumverbindungen und Spurenelemente, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Bor, Kupfer, Eisen, Mangan, Molybdän und / oder Zink.
Es wurde überraschenderweise gefunden, dass erfindungsgemäß gerade diese Kombination erhöhter CÜ2-Zufuhr mit mindestens einer weiteren Kohlenstoff-Quelle, (z.B. auch Lignocellulosen einschließlich Lignin) bevorzugt Glucose, unter nicht sterilen Bedingungen die Algenbiomassebildung optimiert.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Abtrennung der Biomasse in an sich bekannter Weise und die Nährlösung wird in den Reaktor kontinuierlich oder diskontinuierlich zurückgeführt.
Der vorliegenden Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, Verwendungen für das Verfahrenserzeugnis Algenbiomasse bereitzustellen.
Dies ist einmal die Verwendung der Algenbiomasse, erhältlich nach den vorbeschriebenen Verfahrenschritten, als Ausgangsstoff für die Herstellung von Biodiesel oder Ethanol.
Dies ist weiterhin die Verwendung der Algenbiomasse, erhältlich nach den vorbeschriebenen Verfahrensschritten, als Bestandteil von Futtermittel oder als Futtermittel für Wirbeltiere, insbesondere für Nutz- und Haustiere.
Dies ist weiterhin die Verwendung der Algenbiomasse, erhältlich nach den vorbeschriebenen Verfahrenschritten, als Ausgangsstoff für die Herstellung von Biogas.
Dies ist schließlich die Verwendung der Algenbiomasse, erhältlich nach den vorbeschriebenen Verfahrenschritten, als Ausgangsstoff für die Herstellung von Bioschäumen. Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Es zeigen.
Fig. 1 einen Reaktor zur Herstellung der Biomasse
Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der Biomasseerzeugung und Abnahme von Glukose
Fig. 1 zeigt: eine beispielhafte Ausführungsform des Reaktors sowie den schematischen Ablauf des Verfahrens.
Das Algeninokulat 01 im Tank 02 wird mittels einer Pumpe 03 in den Reaktor 04, welcher mit Nährmedium 05 aus dem Vorratstank 06 gefüllt ist, gepumpt.
Über im Reaktor befindliche Messsensoren 07 , welche den pH-Wert, die Temperatur, den CC«2-Gehalt und die optischen Dichte der Suspension messen, wird über eine zentrale, computergesteuerte Mess- und Regeleinheit 08 der Eintrag von Cθ2-haltigem Gas 09 über eine Gas-Pumpe 10 gesteuert.
Die Regeleinheit steuert auch eine im Reaktor befindliche Heizung (in der Zeichnung nicht dargestellt) welche die Temperatur zur Einhaltung der optimalen Zuchtbedingungen sicherstellt und die Rührmotoren 11.
Die so eingestellte Algen-Nährlösungs-Suspension zirkuliert dann im Reaktor 04 mittels Rührmotoren 11, welche eine kontinuierliche Durchmischung der Suspension garantieren.
Im Reaktor erfolgt das Algenbiomassewachstum durch Verstoffwechselung des eingebrachten und gelösten CO2, sowie der in dem Nährmedium befindlichen anorganischen Nährstoffen und der in dem Nährmedium befindlichen zusätzlichen Kohlenstoff-Quelle ohne Licht. Die Trockenmassekonzentration der verwendeten Mikroalgensorte Chlorella vulgaris nach Einstellung von Inokulat 01 und Nährmedium 05 im Reaktor beträgt zwischen 0,5 bis 1 ,0 g Trockensubstanz/l.
Bei Erreichen einer Trockenmassekonzentration von mehr als 2,0 g/l im Reaktor wird die nun erntefähige Algen- Nährmedium-Suspension über die Pumpe 03 in eine dem Fachmann bekannte Trenneinrichtung (z.B. Separator, Zentrifuge, Absetzbecken) zugeführt (nicht in der Zeichnung dargestellt), der Abtrennung zugeführt, um eine Trennung in Algenbiomasse und überschüssiger Nährlösung 05 zu ermöglichen.
Die von der Algenbiomasse befreite Lösung kann über eine Pumpe 03 dem Reaktor 04 und / oder aber dem Nährmediumvorratstank 06 wieder zugeführt werden (in der Zeichnung nicht dargestellt) Dies kann kontinuierlich, aber auch diskontinuierlich, in Abhängigkeit von dem Wachstum der Algenbiomasse erfolgen.
Die so abgetrennte Algenbiomasse kann je nach Verwendungszweck und Zusammensetzung der Algentrockenmasse durch dem Fachmann bekannte Techniken und wie in der gängigen Literatur beschrieben z.B. als Rohstoff für die Biodieselgewinnung, der Ethanolgewinnung, als Futtermittel oder anderen Verwendungszwecken dienen.
Der nach oben offene Reaktor 04 ist mittels einer lichtdichten Folie 12 abgedeckt, welche eine Öffnung 13 besitzt, aus dem gasförmige Stoffwechselprodukte und überschüssige Gase entweichen können.
Fig. 2 zeigt den Verlauf der Biomassebildung [g / 1 TM] und der Glukosekonzen-tration mit 1 % Glukose und 1 -stündiger Lichtphase pro Tag (wenig Licht), wie nachstehend in Herstellbeispiel 1 beschrieben. Der Biomasseertrag stieg kontinuierlich an und betrug nach 10 Tagen Versuchsdauer 2,5 g/l Trockenmasse.
Die optische Dichte wurde quantitativ bestimmt mittels Spektralphotometrie bei 660 nm (z.B. UV-2102 PC Spektrometer, Shimadzu Deutschland GmbH) Die HPLC-Analyse von Glucose wurde unter folgenden Bedingungen durchgeführt:
- HPLC 1100 Series, Agilent
- Brechungsindexdetektor (Rl) 1100 Series, Agilent
- Säule: Rezex ROA - Organic Acid H+ (8%), Phenomenex
- Ofentemperatur: 70 0C
- mobile Phase: 5 mM H2SO4, isokratisch
Herstellbeispiel 1: wenig Licht
Leere, tarierte Erlenmeyerkolben mit Schraubverschluss und 500 ml Volumen werden mit CO2 geflutet und mit je 160 ml Algenkultur (Algenart: Chlorella vulgaris (z.B. aus natürlichen Quellen wie Fließgewässern, Teichen gewonnen oder auch bei der Deutschen Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen (DSMZ), Braunschweig erhältlich)(c= 0,41 g/L TM (Gramm pro Liter Trockenmasse) befüllt. Anschließend werden je 3 Ansätze mit 1 % Glukose (1 ,6 g je Kolben) versetzt. Nach Lösen der Glukose werden die Kolben erneut gewogen. Anschließend wird CO2 (z.B. Kohlendioxid GA 370, Linde AG) in die Suspension geleitet, bis sich ein konstanter pH- Wert bei pH 5,7 einstellt. Das Gas wird hierbei über eine feinporige Metallfritte (Bestandteil eines Fermenterbegasungssystems) zugeführt, womit eine sehr feinperlige Blasenbildung erzielt werden kann. Die Begasung erfolgt manuell und pH-gesteuert. Bevor die Kolben im Schüttelwasserbad inkubiert werden, erfolgt die erste Probennahme. Nach 1 -stündiger Inkubation im Schüttelbad erfolgt eine weitere Probennahme zur pH-Kontrolle.
Die Inkubation erfolgt im unbeheizten Schüttelwasserbad ohne Lichtzufuhr bei einer Schüttelfrequenz von 100 rpm. Die Temperatur im Wasserbad beträgt zwischen 20 0C - 25 0C. Die Ansätze werden täglich für 1 h dem Tageslicht ausgesetzt. Die Bestimmung der Beleuchtungsstärke erfolgt mittels Luxmeter (z.B. Voltcraft LUXMETER LX-1108, Conrad Elektronic Versand). Hierbei kann die Lichtmenge je nach Jahreszeit zwischen 3.000 und 40.000 Lux (Winter- bzw. Sommertag) variieren. Die Probennahme der erzeugten Biomasse erfolgt jeweils nach der Lichtbehandlung. Die Bestimmung der Algenbiomasse erfolgt durch Filtration von 5 ml -10 ml Probe durch vorgetrocknete und gewogenen Membranfilter (0,45 μm, z.B. Whatman Schleicher & Schuell) und anschließender Trocknung bei 105 0C.
Nach einer erneuten Begasung mit CO2 werden die Ansätze wieder im abgedunkelten Wasserbad inkubiert.
Herstellbeispiel 2: kein Licht
Leere, tarierte Erlenmeyerkolben mit Schraubverschluss und 500 ml Volumen werden mit CO2 geflutet und mit je 200 ml Algenkultur (Algenart: Chlorella vulgaris (z.B. aus natürlichen Quellen wie Fließgewässern, Teichen gewonnen oder auch bei der Deutschen Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen (DSMZ), Braunschweig erhältlich)(c= 1 ,0 g/L TM (Gramm pro Liter Trockenmasse) befüllt. Anschließend werden je 2 Ansätze mit 5 % Glukose (10,0 g je Kolben) versetzt. Nach Lösen der Glukose werden die Kolben erneut gewogen. Anschließend wird CO2 in die Suspension geleitet, bis sich ein konstanter pH-Wert bei pH 6,0 einstellt. Die Begasung erfolgt manuell und pH-gesteuert.
Bevor die Kolben im Schüttelwasserbad inkubiert werden, erfolgt die erste Probennahme. Nach 1 -stündiger Inkubation im Schüttelbad erfolgt eine weitere Probennahme zur pH-Kontrolle. Die Inkubation erfolgt im beheizten Schüttelwasserbad (Temperatur zwischen 25 - 28 0C) hne Lichtzufuhr bei einer Schüttelfrequenz von 100 rpm. Die Bestimmung der Algenbiomasse erfolgt durch Filtration von 5 ml -10 ml Probe durch vorgetrocknete und gewogene Membranfilter (0,45 μm) und anschließender Trocknung bei 105 0C. Nach 3 Tagen findet kein Biomassezuwachs mehr statt. Tabelle 1 gibt die Biomassebildung im Dunklen nach 3 Tagen wieder.
Tabelle 1 :
Bezugszeichenliste:
01 :Algeninkulat 02:Tank 03: Pumpe 04: Reaktor, offen 05: Nährmedium 06: Vorratstank 07: Messsensoren 08: Regeleinheit 09: CO2haltiges Gas 10: Gaspumpe 11 : Rührmotoren 12: Folie 13: Öffnung

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von Algenbiomasse mittels Algen in einem geschlossenen Reaktor, wobei durch Beimpfen mittels nicht steriler Algen und Verwendung einer nicht sterilen Nährlösung zunächst eine Algen-Nährlösungs- Suspension entsteht, aus welcher dann die Algenbiomasse durch Zellwachstum und Zellvermehrung gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, dass nicht gentechnisch veränderte Algen eingesetzt werden und die Herstellung der Algenbiomasse in Gegenwart einer Lichtmenge von bis zu 40.000 Lux für die Dauer von 30 min bis 360 min pro Tag, über eine Dauer von bis zu 30 Tagen erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung der Algenbiomasse in Gegenwart einer Lichtmenge von 3.000 Lux bis 40.000 Lux, für die Dauer von 60 min bis 360 min pro Tag, vorzugsweise 60 min bis 240 min pro Tag, über eine Dauer von 1 Tag bis 14 Tagen, bevorzugt 2 Tagen bis 10 Tagen erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung der Algenbiomasse in Abwesenheit von Licht erfolgt.
4 . Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Algen/Nährlösungs-Suspension und / oder der Nährlösung solange ein Gas, welches CO2 enthält, zugegeben wird, bis sich in der Algen/Nährlösungs- Suspension und/oder Nährlösung ein pH-Wertbereich zwischen 4,5 und 7,0 eingestellt hat.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Algen/Nährlösungs-Suspension während der Phase des Zellwachstums der Algenbiomasse zusätzlich mindestens eine weitere organische Kohlenstoff- Quelle zugeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Algen/Nährlösungs-Suspension im Reaktor durchmischt wird, insbesondere mittels eines Rührers.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Algen Grünalgen, insbesondere aus der Familie der Chlorococcales, ganz bevorzugt Mikroalgen der Gattung Chlorella eingesetzt werden
8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als CO2 enthaltendes Gas ein Abgas aus Feuerungsanlagen, vorzugsweise Blockheizkraftwerken, aus Verbrennungsprozessen, aus Verbrennungsmotoren oder aus Fermentationsanlagen eingesetzt wird, wobei das Abgas bevorzugt vor Einleitung in die Nährlösung abgekühlt wird.
9. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 , 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Nährlösung aus nährstoffreichen Abwässern, insbesondere einer Kläranlage und / oder einer Biogasanlage besteht.
10. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Nährlösung als weitere organische Kohlenstoffquelle mindestens ein Einfach- und/oder Mehrfachzucker zugegeben wird, bevorzugt Glucose in einer Konzentration von 0,1 g/l bis 10 g/l Nährlösung.
11. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 , 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Nährlösung Wasser, Stickstoffverbindungen, Phosphate, Kalium-, Calcium-, Magnesiumverbindungen und Spurenelemente enthält, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Bor, Kupfer, Eisen, Mangan, Molybdän und / oder Zink.
12. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 oder 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennung der Biomasse in an sich bekannter Weise erfolgt und die Nährlösung in den Reaktor kontinuierlich oder diskontinuierlich zurückgeführt wird.
13. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1, oder 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Nährlösung auch Hydrolysate von Polysacchariden, sowie Lignocellulosen einschließlich Lignin und / oder Salze von Carbonsäuren wie Acetate zugesetzt sind.
14. Verwendung der Algenbiomasse, erhältlich nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 13, als Ausgangsstoff für die Herstellung von Biodiesel oder Ethanol.
15. Verwendung der Algenbiomasse, erhältlich nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 13, als Bestandteil von Futtermittel oder als Futtermittel für Wirbeltiere, insbesondere Nutz- und Haustiere.
16. Verwendung der Algenbiomasse, erhältlich nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 13, als Ausgangsstoff für die Herstellung von Biogas.
17. Verwendung der Algenbiomasse, erhältlich nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 13, als Ausgangsstoff für die Herstellung von Bioschäumen.
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