EP4045627A1 - Emerser bioreaktor - Google Patents

Emerser bioreaktor

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Publication number
EP4045627A1
EP4045627A1 EP20796715.9A EP20796715A EP4045627A1 EP 4045627 A1 EP4045627 A1 EP 4045627A1 EP 20796715 A EP20796715 A EP 20796715A EP 4045627 A1 EP4045627 A1 EP 4045627A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
bioreactor
substrates
organisms
reactor chamber
biofilm
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.)
Pending
Application number
EP20796715.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Lakatos
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.)
Hochschule Kaiserslautern University Of Applied Sciences
Hochschule Kaiserslautern Univ Of Applied Sciences
Original Assignee
Hochschule Kaiserslautern University Of Applied Sciences
Hochschule Kaiserslautern Univ Of Applied Sciences
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 Hochschule Kaiserslautern University Of Applied Sciences, Hochschule Kaiserslautern Univ Of Applied Sciences filed Critical Hochschule Kaiserslautern University Of Applied Sciences
Publication of EP4045627A1 publication Critical patent/EP4045627A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/02—Photobioreactors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
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    • C12M23/04—Flat or tray type, drawers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
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    • C12M33/00—Means for introduction, transport, positioning, extraction, harvesting, peeling or sampling of biological material in or from the apparatus
    • C12M33/14—Means for introduction, transport, positioning, extraction, harvesting, peeling or sampling of biological material in or from the apparatus with filters, sieves or membranes

Definitions

  • This invention relates to a bioreactor for the growth of organisms on substrates.
  • the bioreactor is set up for use with a light device (6) for providing light for the organisms.
  • the bioreactor comprises several substrates made of Lest material or a semi-solid material for the emersed growth with aerophilic, photosynthetic organisms. It further comprises a reactor chamber in the interior of which the substrates for growth with the organisms are arranged, a gassing device for supplying the organisms with gas, a humidifying device for supplying the organisms with liquid, and a light device for providing light for the organisms.
  • Dr. Björn Podola published the article "A new approach to the economic use of microalgae" on the internet platform www.git-labor.de on October 8, 2016, in which it is proposed to use microporous plates in a water-filled reactor chamber to make production more efficient .
  • the object of the invention is to make the production of terrestrial aerophilic organisms more effective in a reactor chamber.
  • the subject matter of the invention is defined by the features of the independent claims.
  • the subclaims relate to advantageous developments of the invention.
  • the emersed bioreactor has substrates which are formed in pieces and are present as a bed in the reactor chamber during operation. Pathways for gas and / or moisture are present between several substrates.
  • One advantage of such a structure of a bioreactor is that one or more biofilms can be generated from aerophilic vegetation with high volume efficiency and high growth rate.
  • the bed enables a great increase in the surface area that can be used for the build-up of biofilms, in particular compared to the inner surface including the internals of the emersed reactor chamber by Strieth et al. according to the state of the art.
  • the passage paths for gas and moisture in the bed in the emersed bioreactor enable a good supply of the biofilm.
  • a growth-promoting ratio of oxygen to carbon dioxide and a high diffusion of carbon dioxide in the reactor are preferred.
  • the size of a surface of the substrates is understood to mean an area which can be determined at least by approximate determination, the surface being determined from averaged outer dimensions of the substrates or averaged inner dimensions of through paths through the substrate or substrates. Porosity within the substrate (s) and surface roughness of the substrates are not taken into account.
  • a differential pressure that is present along the passage paths also plays a role here. In practice, however, it is advantageous to make do with low differential pressures. For example, a differential pressure of less than 104 kPa, preferably less than 10 kPa and particularly preferably less than 1 kPa is used.
  • a differential pressure of less than 104 kPa preferably less than 10 kPa and particularly preferably less than 1 kPa is used.
  • One advantage of these pressure ratios is that they can also be provided by generating negative pressure during operation under the earth's atmospheric pressure, which is a maximum of 104 kPa.
  • the substrate surface area to the container surface area ratio is then preferably optimized. It is preferably at least ten, particularly preferably at least one in fifty.
  • the mentioned container surface relates to the inner surface of the reactor chamber into which the bed of substrate is introduced.
  • terrestrial eukaryotic algae for example Chlamydomonas, Trentepohlia, and / or prokaryotic cyanobacteria, for example Nostoc flagelliform and / or lichens and / or fungi and / or mosses and / or ferns
  • Cell cultures from higher and lower plants and / or plant cells can be used.
  • Prokaryotes for example bacteria and / or archaea, or pilen can be used together with the phototrophs. These can cooperate mutually and jointly use the resources available in the bioreactor in an improved manner.
  • the bioreactor is suitable for all aerophilic photosynthetic organisms.
  • the bioreactor is preferably operated sterile or approximately sterile or with little contamination.
  • substances such as polysaccharides, active ingredients, e.g. cyanovirin, nostoflan,
  • Noscomin, Scytovirin, Spirulan, Scytonemin, dyes such as phycocyanin and / or phycoerythrin and / or allophycocyanin and / or chlorophyll and / or carotenoids and a wide variety of lipids and proteins are produced. These can be extracted from the biomass by downstreaming. Alternatively, the biomass can be used directly, for example as food or for fertilization or as an energy source.
  • the substrates have an average size of more than 1 mm, preferably more than 2 mm and particularly preferably more than 5 mm and preferably at most 50 mm and particularly preferably at most 20 mm. With a substrate size of less than 1 mm, considerable pressure is required to generate gas and
  • larger substrates can be used with particular advantage, in particular substrates which are on average larger than 50 mm.
  • the length of the through-paths is increased here, which can be achieved by an increased cross-section of the through-paths, which in turn is a consequence of larger substrates.
  • the passageways can also be compressed in the case of less solid substrates.
  • an average substrate size of more than 50 mm can be provided.
  • the size distribution of the substrates within the reactor chamber is preferably at least approximately homogeneous.
  • the substrates can preferably absorb, store and release liquid.
  • a material of the substrate that can store liquid in the material itself, such as hydrocolloids or (natural fibers or fiber composite materials, or through cavities in the substrates, such as pores. At the same time as liquid, in particular water, nutrients can also be stored
  • the substrates can alternatively or additionally comprise biostimulants, in particular in the liquid.
  • a semi-solid substance is also understood to mean a material that has a lower strength than conventional solids, but exhibits dimensional stability over a longer period of time.
  • a semi-solid substance can be a gel that can absorb water, in particular a hydrogel.
  • Types of gels such as organogels, in particular polymer gels, nanocomposite gels or aerogels, can be used.
  • the semi-solid material is preferably dimensionally stable in spite of its strong deformability and suffers only insignificant permanent deformations.
  • the substrates can consist, at least in large part, of hydrogel. Solid substrates can comprise inorganic, in particular mineral, and / or organic material.
  • the substrates can include nutrients for the organisms that can be released from the substrates by fluid or the organisms themselves.
  • Solid substrates in particular can have pores that are open towards the surface.
  • Solid substrates can include, for example, glass, in particular porous glass, ceramic or plastic.
  • volcanic granules and / or clay-based material or absorber materials such as an acrylate can be used. It is also conceivable to use solid substrates that are coated with a semi-solid material.
  • a solid substrate with a semi-solid layer.
  • a glass or plastic substrate in particular a sphere
  • a gel coating in particular a hydrogel.
  • the shape of the substrates can, for example, at least approximate a sphere or a cylinder or be granules.
  • Other forms of the substrate, in particular production-related forms, are also possible.
  • carrier pellets with an enlarged surface can be used, for example made of polypropylene.
  • Carrier pellets usually have a very open shape with webs and a large proportion of perforations in relation to the closed portion of the carrier pellet. As a result, the surface of the carrier pellet is considerably increased compared to the surface of the volume into which it can be inscribed with its external dimensions.
  • the carrier pellets are made from a polyolefin or another plastic, in particular injection molded. They preferably have struts in the form of meridians and circles of latitude of a reduced globe, which enclose an empty interior thereof.
  • the average ratio between the largest and the smallest dimension of the substrates is preferably less than ten. This is advantageous for removing the substrates.
  • the surface can be smooth.
  • the surface is preferably structured. This increases the surface area and also enables the organisms to adhere better to the surface.
  • depressions can be present in the surface, which can be punctiform or linear. These can be, for example, pores, grooves, furrows, indentations and / or punctiform surface depressions, which in particular can be formed with an undercut or an expansion in the depth.
  • the depressions preferably have undercuts. This gives organisms a better hold on the surface of the substrates. After harvesting a Rinfilm, residues can remain in the depressions, which can serve as inoculum for inoculating the next production batch.
  • the substrates are at least partially translucent, this part of the substrates, preferably all substrates, preferably being completely translucent and in particular transparent.
  • transparency is understood to mean the absence of any optical clouding of a substrate.
  • partial light transmission means that a substrate is partially opaque inside and / or on the surface and / or is only cloudy or partially reflective, so that only part of the light that falls on the substrate is allowed to pass through.
  • At least partially transparent substrates is that a bed of such substrates for illuminating the organisms refracts incident light many times, thereby enabling the light to penetrate the reactor chamber to a greater depth.
  • some of the light can change its direction significantly through refraction and total reflection.
  • Organisms illuminated from the front can also be illuminated from the rear or the side.
  • the utilization of incident light is considerably improved as a result.
  • Light falling through a biofilm to illuminate other organisms is not very suitable, since wavelength ranges that the organisms need to grow are filtered out by the latter and subsequently illuminated organisms are no longer available. Therefore, light that comes from a different direction but has not yet passed through a biofilm is particularly valuable for lighting. Such light is particularly well distributed in the bed by the transparent substrates.
  • the substrates can be used as translucent materials for the substrates.
  • Fully transparent substrate material is preferred. Such material uses a particularly large proportion of the incident light.
  • the substrates are preferably at least approximately spherical or irregular or at least approximately have the shape of a short cylinder or another geometric body with dimensions that are at least approximately similar in preferably all directions.
  • a considerable proportion of the bulk volume is preferably not filled with the substrate. This can be achieved, for example, with the aforementioned shapes of the substrates. Due to the open areas in the bulk volume, light can enter the inner area or an area of the bulk volume further back in the direction of illumination, even if there is heavy vegetation. Alternatively or additionally, the substrates can be reflective.
  • the surface of at least some of the substrates is partially reflective and partially transmissive. Reflections on the surface deflect part of the light at an angle. This, as well as the transparency of the substrates, results in more directions from which the organisms are illuminated and a more even distribution of the light in the bed.
  • translucent substrates have an uneven surface shape. This causes falling light to be refracted in more directions. This results in a stronger deflection of incident light in directions inclined to it.
  • An uneven surface shape is all the more advantageous the larger the substrates are, in particular if they are larger than 5 mm on average.
  • Substrates that are smaller than 20 mm preferably have no uneven surface shape.
  • An uneven surface shape can be achieved, for example, by surface treatment of the substrates. For example, a transformation,
  • the substrates are biodegradable. This has the advantage that the substrates can be used as fertilizer in agriculture after they have been removed from the bioreactor. Suitable materials for this are in particular organic polymers, e.g. cellulose, carageenan, nanocellulose, alginate, or polymers with biodegradable predetermined breaking points and / or compounds.
  • the bioreactor preferably has a drying seal, the activity of which can dry out the biofilm.
  • the drying device can be part of the
  • the humidification device can be controlled by the drying device in such a way that drying is achieved due to the lack of luminosity.
  • a drying phase that alternates with a growth phase in contrast to a continuous process in which one end of the reactor is watered and the other is dried, enables greater effectiveness in biomass production, since the duration of the drying process means less loss of productivity than the continuous disuse of part of the reactor for growth.
  • the bioreactor preferably has a pull-off device, the activity of which allows the at least part of the biofilm in the bioreactor with and / or without substrates to be pulled out of the bioreactor.
  • the pull-off device can have an opening device which can open the bioreactor.
  • the pull-off device can have a mechanical movement device, in particular a shaking device and / or a stirring device and / or a compressed air inlet device include, through which the bed in the bioreactor can be shaken, stirred, blown or otherwise moved. This allows biofilm to be detached from the substrates.
  • the bioreactor preferably has a substrate filter that holds at least the substrates inside the reactor chamber, while organisms and / or organic material such as biofilm and / or substances produced by the organisms can leave the reactor chamber through the pull-off device.
  • the bioreactor preferably has an extraction device. This is preferably arranged at a lower end of the bioreactor.
  • the extraction device can be used to remove biofilm with and / or without substrates.
  • the biofilm is preferably discharged from the bioreactor by gravity, possibly supported by shaking, and / or by a flushing medium, in particular a gas, preferably air.
  • the extraction device is preferably set up to be able to open and close the bioreactor.
  • tablets made from substrates are proposed.
  • the tablets can be enriched with nutrients.
  • the substrates are preferably made of a gel which is present in the tablet in dried form.
  • the types of gels mentioned in this patent application can be used for this.
  • Such tablets can be transported inexpensively and moistened for use in the bioreactor on site.
  • a tablet is preferably inoculated with the type or types of organism with which biomass is to be produced.
  • the bioreactor is preferably equipped with the tablets and the tablets are moistened within the bioreactor. Production can then begin.
  • a lighting device of the bioreactor can be, for example, active lighting or a transparent wall of the reactor chamber through which light can enter the reactor chamber from outside.
  • the sun can also serve as a lighting device.
  • White light is preferably used, but it is also conceivable to use green and / or red and / or blue light.
  • Daylight for example solar radiation or reduced solar radiation, is particularly preferred.
  • the bioreactor preferably has at least one chamber door. This is especially designed and provided so that substrates and / or the organisms can be introduced into the reactor chamber and / or removed from the reactor chamber through the chamber door.
  • the chamber port is preferably arranged in an upper region of the bioreactor. In this way, the bioreactor can easily be filled with substrates through the chamber door.
  • the substrate filter is preferably a sieve.
  • the mesh size of the screen is preferably smaller than most of the substrates.
  • the chamber gate preferably enables an at least approximately contamination-free loading of the reactor chamber with substrates and / or removal from the Reactor chamber.
  • the reaction chamber can have multiple chamber ports.
  • a chamber gate can be designed as a lock with two openable and closable accesses to the reaction chamber that are connected one behind the other.
  • the gassing device is set up to supply the bioreactor with gas.
  • gas can be, for example, air or an exhaust gas or a mixture of air with other gases such as, for example, carbon dioxide or carbon dioxide-containing exhaust gas.
  • An exhaust gas can in particular originate from a combustion process or a process engineering process.
  • conditions can be created in the bioreactor that represent stress factors for the organisms. This can be done, for example, by introducing dry and / or dehumidified air, oxygen, nitrogen or toxic gases.
  • Fine dust can be present in the gas for fertilization.
  • the fine dust can be taken from the environment and / or be present in an air and / or exhaust gas flow and / or be added in a targeted manner. These can be part of an exhaust gas.
  • the gassing device preferably has a gas inlet into the reactor chamber and a gas outlet from the reactor chamber.
  • the gassing device preferably has a gas delivery device.
  • a gas conveying device can be arranged in relation to the gas flow which is conveyed through the reactor chamber in front of the reactor chamber or after the reactor chamber. This can be a fan or a compressor. Its pressure side can be connected to the gas inlet. Alternatively, or additionally in the case of a second compressor, this can be connected to the gas outlet on the suction side.
  • a negative pressure can then be set in the reactor chamber with suitable throttling at the gas inlet. Alternatively, an overpressure can be set with a suitable throttle at the gas outlet if a fan or compressor is connected to the gas inlet.
  • the growth of the organisms can be influenced by adjusting the pressure conditions in the reactor chamber.
  • the humidifier supplies the reactor chamber with moisture.
  • the humidifying device can cause drops of a humidifying liquid to flow in the direction of gravity through the bed.
  • the humidifying device can have a drop outlet.
  • the humidifying device can generate aerosol, which can be introduced into the gas of the gassing device.
  • the aerosol can then be transported through the reactor chamber with the gas flow which is conveyed through the gas supply device.
  • the droplets of the aerosol are preferably significantly smaller than an average diameter of a transmission path, for example less than a tenth of that.
  • the average diameter of the transmission path can be taken as one fifth of the average substrate size.
  • an average droplet size is less than 1/50 of the average substrate size.
  • a preferred average droplet size is therefore less than 200 ⁇ m for an average substrate size of 10 mm, for example. Average droplet sizes of 20 to 100 ⁇ m are preferably used.
  • Droplet generation can be accomplished in a conventional manner by a droplet generator such as a nebulizer.
  • the droplet generator can employ available prior art techniques such as ultrasound, valves, or fine meshes.
  • the droplets can be generated in such a way that, after generation, they are in the gas stream of the
  • the gas stream of the gas supply device is preferably split up into a multiplicity of small partial gas flows for each of the multiplicity of passage paths.
  • Each of the partial gas flows preferably carries an aerosol.
  • the organisms are supplied with moisture through the precipitation of droplets or condensation along a transmission path.
  • Excess liquid can flow along the passage channels in the direction of gravity.
  • the gas inlet is preferably located further in the direction of gravity than the gas outlet.
  • the flow of liquid can then flow at least partially counter to the movement of the partial gas flows due to the effect of gravity.
  • Liquid which emerges from the bed in the direction of gravity preferably reaches the droplet generator again.
  • Droplets which emerge from the bed in the direction of the gas flow are preferably stored together in a droplet separator to form larger drops and / or a liquid flow.
  • At least approximately droplet-free gas preferably emerges from the bioreactor.
  • These droplets and / or the flow of liquid preferably re-enter the bed in the direction of gravity and moisten it by flowing through in the direction of gravity.
  • These drops and / or the liquid flow can reach the droplet generator again.
  • Droplet generator can add the liquid to the gas flow again. Preferably, almost no liquid leaves the bioreactor. It is conceivable to use a air dryer in the gas stream before it exits the bioreactor to separate air moisture and return it to the bioreactor.
  • the moisture in the bioreactor can preferably be controlled by the humidifying device by a control or regulating device or can be regulated with feedback from moisture measurement information.
  • a droplet generator can be activated for the increased or reduced delivery of liquid in the form of droplets.
  • the biomass production process can preferably be conducted into the bioreactor by controlling or regulating the humidity. For example, a high moisture content can be set in a growth phase and in a drying phase before harvesting, a low humidity can be set.
  • the humidifying device preferably interacts with the gassing device to control or regulate the humidity.
  • the gassing device can therefore also be controlled or regulated by the control or regulating device.
  • the liquid is preferably water. However, it is conceivable to supply organisms that use a liquid other than water in their metabolism with this liquid.
  • the liquid can be collected in the environment, for example as rain or condensation water, and stored to humidify the bioreactor. As an alternative or in addition, it can be taken from a liquid supply that takes place through pipelines from a central reservoir, for example from a water supply network.
  • the liquid can provide nutrients for that
  • Nutrients can be, for example, glucose, molasses, basic building blocks for the metabolism, alcohol, acetone.
  • nutrients can be extracted from the substrate, in particular inorganic nutrients.
  • a pH buffer can be added to the liquid, in particular water. It is also possible that the pH buffer is present in the substrate. It is also conceivable to add a pH buffer to the gas supplied.
  • a pH buffer can be, for example, a carbonate buffer, an acetate buffer, a phosphate buffer or another known buffer. be.
  • the bioreactor is preferably set up for this purpose.
  • the bioreactor is preferably set to a humidity of 70 to 100% in order to promote the growth of the organisms.
  • the lighting device can have active artificial lighting for the organisms.
  • at least a section of a wall of the reactor chamber preferably a large part of the reactor chamber or the entire reactor chamber, can be designed to be transparent. In this way, ambient light, in particular sunlight, can enter the reactor chamber and illuminate the organisms.
  • the reactor chamber is preferably tubular.
  • the reactor chamber particularly preferably has a transparent tube.
  • the longitudinal axis of the tube is preferably oriented at an angle to and particularly preferably at least approximately in the direction of gravity.
  • the reactor chamber can alternatively be part of a flat bed reactor.
  • the flat bed is preferably oriented vertically.
  • the bulk has preferred in one main direction of illumination a dimension of preferably 6 to 40 cm, particularly preferably less than 20 cm and particularly preferably less than 10 cm, in particular, but not only, in the case of a flat bed reactor.
  • the reactor chamber in such a way that the organisms can be illuminated from several different directions from the environment. It is also conceivable to make the reactor chamber rotatable during operation. In particular, a tubular reactor chamber can be rotatable about its longitudinal axis, such as in the manner of a rotatable advertising column. In this way, the dimensions of the bed in the main direction of illumination can be twice the penetration depth of the light. A more compact and comparatively less elongated or flat construction of the bioreactor is thus possible.
  • the temperature can preferably be set in the bioreactor. The setting range is preferably between 15 and 50 ° C.
  • the bioreactor can work in a smaller temperature range or at a certain constant temperature which, in particular, can be adapted to an available heat source.
  • Waste heat is preferably used to heat the bioreactor.
  • the production output of the bioreactor can thereby be increased, particularly when the outside temperature is cold.
  • the waste heat can, for example, be room heat escaping from a building, in particular if the bioreactor is used on a facade of the building. It is also possible to use the waste heat from technical processes, for example from machines or heated room air, waste heat from air conditioning systems, waste heat from combined heat and power plants or the waste heat from charging stations for electric cars.
  • Waste heat with a low temperature of up to around 50 ° C from large-scale technology such as power plants, cement works, steel works, aluminum works, asphalt works and the like can in principle be used, as can waste heat from animal husbandry. Waste heat with temperatures below 50 ° C, in particular below 40 ° C or below 30 ° C, but in any case above the ambient temperature, can be used sensibly. Since it is difficult to use in any other way, it is available in many places.
  • the temperature in the bioreactor can be regulated. Conventional methods can be used for this purpose.
  • a lantern which has a bioreactor according to one of the described embodiments.
  • a lighting device with active lighting of the bioreactor can serve both as lighting for the organisms and for lighting objects in the vicinity of the lantern at night.
  • a window for a building which has a bioreactor according to one of the described embodiments.
  • the bioreactor can be in an area of the window which is exposed to the temperature of the room on the inside of the window.
  • the bioreactor can use daylight falling from the outside of the building.
  • it can be exposed to a favorable operating temperature.
  • artificial light from the room on the inside of the window can also be used to illuminate the bioreactor.
  • a charging station for electric vehicles which has a bioreactor according to one of the described embodiments. Waste heat from the charging station can be fed to the bioreactor to heat it.
  • the organisms are fed and / or fertilized with flax dust.
  • the bioreactor is heated with waste heat.
  • the bioreactor is controlled in such a way that the organisms which form a biofilm on the substrates dry out within the reactor chamber after a growth phase. This can be achieved, for example, by supplying non-humidified gas. It is also possible to increase the temperature in the reactor chamber.
  • One advantage of this process is that the biofilm produced does not have to be removed from the reactor chamber together with the substrates.
  • produced, dried biofilm is removed from the reactor chamber, while substrates remain in the reactor chamber.
  • the dried biofilm is preferably detached from the substrates before removal from the reactor chamber, for example by moving, in particular shaking and / or stirring, and / or spinning and / or turning the reactor chamber so that the top is turned downwards, in particular several times , and / or by whirling through a strong gas input, in particular a pulsating gas input.
  • the detachment of the biofilm from the substrates is facilitated when using substrates which contain gel, in that the gel contracts during drying and at least partially detaches itself from the surface of the biofilm.
  • the removal of the biofilm from the bioreactor can take place, for example, by means of gravity, possibly supported by shaking, pressure surge, blowing out or other movement of the contents of the reactor chamber. The removal can be done through a sieve that holds back the substrate, or through Blow out.
  • the gassing device in particular can be used for blowing out.
  • the dried biofilm is preferably separated from the gas stream emerging from the reactor chamber.
  • a prior art separator can be used for this purpose.
  • the substrates are removed from the reactor chamber together with the biofilm produced by them.
  • the contents of the bioreactor may or may not have been previously dried.
  • the biofilm can, in particular with undried substrates, at least partially adhere to the substrates. Not drying the contents has the advantage that the bioreactor is immediately ready for use again for the growth process of organisms on other substrates after removing the substrates.
  • the biofilm produced can then be removed from the substrates outside the reactor chamber. In particular, the removed substrates can be dried outside the reactor chamber for this purpose.
  • the substrates After removing the biofilm from the substrates, they can be used again in the reactor chamber.
  • the substrates preferably have structures in which a residue of the biofilm remains, which can serve as an inoculum when it is used again.
  • such structures can be undercuts or depressions. In this way, the reactor does not have to be inoculated again.
  • dried substrates are introduced into the reactor chamber. These can be in tablet form.
  • the tablets are preferably inoculated. This can be done by the fact that a remnant of a biofilm previously grown on the substrates is contained in the tablets as inoculum. Substrates can be moistened within the biofilm. This allows them to reach the size they are when they are wet. After the humidification, the bioreactor can be used for production.
  • a method for fertilizing in agriculture comprises the production of biofilm with a bioreactor according to the invention on biodegradable substrates.
  • the substrates with the biofilm are removed from the bioreactor and applied for fertilization in agriculture, in particular in the vicinity of plants to be fertilized. This can also be viewed as using generated organisms and / or biofilm.
  • nitrogen-containing organisms grow in the bioreactor. In particular, these organisms are able to take nitrogen from a gas, in particular atmospheric nitrogen.
  • Such organisms can for example be cyanobacteria, in particular cyanobacteria possessing heterocysts, or other nitrogen-fixing bacteria, for example rhizobia species and / or actinomycetes of the genus Lrankia.
  • this can be expanded, using substrates that can absorb water, the substrates with the organisms produced being applied to or in a soil for plant growth, so that the soil is improved. In addition to its ability to be supplied with fertilizing organisms, it is then in a position to store water in an improved manner.
  • biofilm and / or organisms that have been generated by one of the methods described above and / or with a bioreactor described above as food for humans and / or animals.
  • substrates that are edible for humans and / or animals can be used in the method or the bioreactor.
  • the substrates with the organisms and / or the biofilm then result in edible portions. This can also be viewed as a manufacturing process for such a portion.
  • Figure la schematically shows a sketch of a bioreactor according to the invention
  • Figure lb shows schematically a sketch of part of a bed of substrates in the bioreactor
  • Figure 2a shows a drawing of a bioreactor in front view, which is designed as a facade element
  • FIG. 2b shows the bioreactor from FIG. 2a in a side view
  • FIG. 2c shows the bioreactor from FIG. 2a in a top view.
  • FIG. 1 shows a schematic side view of a bioreactor 1 according to the invention.
  • the bioreactor 1 has a reactor chamber 10.
  • Substrates 2 are arranged in the reactor chamber.
  • the substrates 2 form a bed 20 within the reactor chamber 10.
  • the bed 20 rests on a support 11 in the interior of the reactor chamber 10.
  • the bed 20 is shown schematically and can in practice extend to the upper end of the interior of the reactor chamber 10.
  • An aerosol device 45 which forms a combination of a gassing device 4 and a humidifying device 5, is arranged below the support 11.
  • the aerosol device 45 can be supplied with electrical energy from a power supply 451, which can be a battery.
  • the aerosol device 45 has a nebulizer, not explicitly shown, for liquid, in particular water, and an opening into Inside the reactor chamber 10. Aerosol 450 rises from the aerosol device 45 into the interior of the reactor chamber 10. This enters the bed 20 through the support 11. There are passage paths 21 between the individual substrates 2. The aerosol 450 can pass through the passage paths 21. Passage paths 21 are also shown schematically in the upper part of the reactor chamber 10, in which the bed 20 can also be located, but this is not shown in FIG is shown. As it passes through, the aerosol 450 releases liquid to the substrates 2 or to organisms 3 which grow on the substrates 2 and are not explicitly shown in FIG.
  • the aerosol device 45 can optionally be connected to a drying device 451.
  • the drying device 451 can have the effect that the aerosol device 45 no longer ejects aerosol 450.
  • aerosol 450 can optionally be actively separated from an inflow or outflow to or from the bioreactor 1, which is not explicitly shown in the figures.
  • a cold trap or an absorber for example, can be used for this purpose. It is also possible to passively separate aerosol, for example by enlarging the surface area over which the inflow or outflow is bypassed. If the organisms are to be dried, the
  • Drying device 451 aerosol 450 are separated from the inflow.
  • aerosol discharged from the outflow can be separated off and recycled. In this way, the bioreactor uses less water.
  • the drying device 451 and, alternatively, a device provided separately for this purpose can be used for the separation.
  • an at least partially closed gas circuit can be provided in that at least part of the effluent is fed back into the inflow, which is not explicitly shown in the figures.
  • fresh gas is constantly flushed in to supply the organisms.
  • the discharged exhaust gas can be freed from emerging aerosol 450 by means of a drying device 451. The water obtained in this way can be recycled, which reduces the water consumption of the bioreactor 1.
  • the organisms 3 located in the reactor chamber 10 or of the biofilm 31 containing them can be dried.
  • gas can continue to be passed through the bioreactor 1, in particular dry gas such as dry air.
  • droplets from the aerosol device 45 can form larger drops or a trickle, whereby the water of gravity SK follows and runs over the bed 20 up to the support 11, from which the liquid returns to the aerosol device 45 arrives and is nebulized again.
  • the aerosol device 45 can, although this is not shown in FIG. 1, be connected to an external supply of liquid.
  • a liquid pump 52 is connected with its suction side to the aerosol device 450.
  • the liquid pump 50 conveys water from the aerosol device 450 to a drop device 51.
  • the drop device 51 can release drops 50.
  • the drops 50 drip into the bed 20.
  • This liquid which flows through the bed 20 due to the force of gravity SK, humidifies the bed 20.
  • the upper part of the reactor chamber 10 can be humidified in this way.
  • the liquid pump 52 and the drip device 51 form part of the humidifier 5.
  • the part of the humidifier 5 described in this paragraph can also be used in other embodiments.
  • the gassing device 4 has a gas supply device 42, through which gas 4, in particular ambient air, can be supplied to the bioreactor.
  • the gas supply device 42 has a filter and / or a sterilizer for gas entering the bioreactor, which largely prevents contamination of the bioreactor 1.
  • the gas 4 provided by the gas supply device can enter a gas return line 43.
  • Gas return line 43 gas is returned to the aerosol device 45, which gas previously passed through the bed 20 in the reactor chamber 10 as an aerosol.
  • a gas delivery device is not shown explicitly. It is possible that the aerosol device 45 takes over the gas delivery. In particular, it has a fan that conveys gas to the reactor chamber. After exiting the reactor chamber 10, the gas flow through the reactor chamber 10 reaches a gas distributor 44. The gas distributor 44 directs part of the gas arriving there into the gas return line 43 and another part to a gas discharge device 46.
  • the gas discharge device 46 can be a filter and / or have a sterilizer. As a result of the exhaust gas 47 being discharged from the bioreactor, there is preferably little or no contamination.
  • the bioreactor 1 can be supplied with gases which are necessary for the growth of the organisms 3.
  • a wall 16 of the reactor chamber 10 is preferably made of transparent material. Then light 60 from the sun S can penetrate through the wall 16 into the interior of the reactor chamber 10. Alternatively or in addition, artificial lighting 61 can also emit light 60, which can penetrate into the interior of the reactor chamber 10 through a transparent wall 16. The artificial lighting 61 can be connected to an energy supply. This can be a battery, among other things.
  • the wall 16 of the reactor chamber 10 is preferably tubular.
  • FIG. 1b shows, schematically, several different substrates 2 which are illuminated by the sun S.
  • the substrates 2 are translucent.
  • a substrate 2 with a smooth surface is shown on the far right in FIG. 1b.
  • the substrate 2 is struck by light 60 from the sun S.
  • the incident light 60 is emitted from the substrate 2 as scattered light 63 in a multiplicity of directions due to refraction, total internal reflection and scattering at irregularities in the surface.
  • the scattered light can in turn fall on other substrates 2, so that organisms 3 can be illuminated therewith.
  • the illustration of the middle substrate 2 shows a strongly structured substrate 2.
  • This substrate 2 has a surface that is considerably larger than a sphere of the same external dimensions. It has strong indentations.
  • this substrate 2 has undercuts 22 in its interior, which are open to the exterior of the substrate 2.
  • the illustration of the left substrate 3 shows schematically a substrate 2 which has a rotated structure by twisting an output body. As a result, the surface of the substrate 2 is enlarged in comparison to the surface of the starting body.
  • the substrates 2 show incipient growth with organisms 3. In particular, organisms 3 can be present in the undercuts 22. Even after the biofilm has been removed from the organisms 3, organisms remain in the undercuts 22. These can serve as inoculum when the substrates 2 are used again in a bioreactor 1 according to the invention.
  • FIG. 2a shows a front view of a bioreactor 1 which is constructed as a flat bed reactor. The bioreactor 1 is designed as a facade element.
  • the bioreactor 1 comprises a reactor chamber 10, within which a bed 20 of substrates 2 is arranged.
  • the reactor chamber 10 has an aerosol device 45.
  • the aerosol device 45 is arranged below the bed 20, seen in the direction of gravity SK.
  • Arranged in the interior of the reactor chamber 10 is an aerosol distribution device which has a plurality of, in particular four as shown, aerosol outlet pipes 454.
  • the aerosol outlet tubes 454 have openings on their periphery from which aerosol 450 can exit.
  • the aerosol outlet tubes 454 are supplied with aerosol from the aerosol device 45.
  • the purpose of the aerosol distribution device 451 is to prevent aerosol 450 from being conducted through the bed 20 over a distance.
  • the reactor chamber 10 preferably has a gas outlet 48 which is arranged at an end of the reactor chamber opposite the aerosol device 45. From there, gas can be returned to the aerosol device 45. Substrates 2 of the bed 20 can be withdrawn from the reactor chamber 10 through the opening through which the aerosol device 45 introduces aerosol 450 into the reactor chamber 10. In such a variant, the aerosol device 45 can at the same time form an extraction device 453.
  • the reactor chamber 10 can be filled with substrates 2 through the gas outlet 48. In such a variant, the gas outlet 48 can at the same time also form a chamber port 7.
  • the reactor chamber 10 is preferably attached to a frame 80.
  • the frame 80 preferably has fastening elements 81 for fastening the frame 80 to a facade or another part of the building.
  • the bioreactor 1 preferably basically follows the functional diagram that is shown in FIG.
  • FIG. 2b shows the bioreactor 1 from FIG. 2a in a sectional side view in an installation situation in a building wall 100.
  • the reactor chamber 10 with the bed 20 is arranged between two glass panes 91 and 92.
  • the reactor chamber 10 has transparent walls 16, between which the bed 20 is arranged. Artificial light from the inside of the building can fall through the walls 16 from the inside I and daylight from the outside of the building can fall onto the fill 20 from the outside A.
  • the glass panes 91 and 92 are held in the frame 80.
  • the frame 80 is connected to the building wall 100 via connecting elements 81.
  • the building wall 100 has a cutout in which the bioreactor 1 is arranged.
  • FIG. 2c shows the bioreactor from FIGS. 2a and 2b in a top view.
  • the same features are denoted by the same reference symbols.
  • the gas outlet 48 can also be seen in FIG. 2c.
  • the reactor chamber 10 can be filled with substrates 2 through this gas outlet 48.

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Abstract

Diese Erfindung betrifft einen Bioreaktor (1) mit mehreren Substraten (2) aus Feststoff oder einem halbfesten Stoff für den emersen Bewuchs mit aerophilen, photosynthetisierenden Organismen (3) zur Verwendung mit einer Lichteinrichtung (6) zum Bereitstellen von Licht (60) für die Organismen (3), wobei der Bioreakor eine Reaktorkammer (10), in deren Inneren die Substrate (2) zum Bewuchs mit den Organismen (3) angeordnet sind, eine Begasungeinrichtung (4) zum Versorgen der Organismen (3) mit Gas (40), und eine Befeuchtungseinrichtung (5) zur Versorgung der Organismen (3) mit Feuchtigkeit (50) aufweist, wobei die Substrate (2) stückig ausgebildet sind und im Betrieb als Schüttung (20) in der Reaktorkammer (10) vorliegen, wobei zwischen mehreren Substraten (2) Durchgangspfade (21) für Gas (40) und/oder Feuchtigkeit (50) vorhanden sind und der Bioreaktor (1) derart eingerichtet ist, dass die Schüttung (20) mit Licht (60) von der Lichteinrichtung (6) beleuchtbar ist. Weiter betrifft die Erfindung ein Substrat für einen Bioreaktor, ein Verfahren zue Erzugung eines Biofilms und eine Verwendung des Biofilms zum Düngen, zur Bodenaufwertung oder zur unmittelbaren oder mittelbaren Ernährung von Menschen oder Tieren.

Description

Titel: Emerser Bioreaktor
Diese Erfindung betrifft einen Bioreaktor für den Bewuchs von Substraten mit Organismen. Der Bioreaktor ist zur Verwendung mit einer Lichteinrichtung (6) zum Bereitstellen von Licht für die Organismen eingerichtet, Der Bioreaktor umfasst mehrere Substraten aus Leststoff oder einem halbfesten Stoff für den emersen Bewuchs mit aerophilen, photosynthetisierenden Organismen. Er umfasst weiter eine Reaktorkammer, in deren Inneren die Substrate zum Bewuchs mit den Organismen angeordnet sind, eine Begasungeinrichtung zum Versorgen der Organismen mit Gas, eine Befeuchtungseinrichtung zur Versorgung der Organismen mit Llüssigkeit, und eine Lichteinrichtung zum Bereitstellen von Licht für die Organismen.
Bisher übliche Verfahren zur Produktion von photosynthetisierenden Organismen und Zellen wie zum- Beispiel Cyanobakterien, Algen, Moose, Larne und Zellkulturen wurde submers, d.h. in Nährmedium, eingebettet oder verwirbelt durchgeführt.
Dr. Björn Podola hat auf der Internetplattform www.git-labor.de am 08. Oktober 2016 den Artikel „Ein neuer Ansatz zur wirtschaftlichen Nutzung von Mikroalgen“ veröffentlicht, in dem vorgeschlagen ist, zur Effektivierung der Produktion mikroporöse Platten in eine mit Wasser gefüllte Reaktorkammer einzusetzen.
Die bisher verwendeten submersen Verfahren haben im Wesentlichen die Nachteile der limitierten Diffusion von Kohlendioxid im Medium, die Verklumpung der Kulturen, ein wachstumsverringemdes Verhältnis von Sauerstoff zu Kohlendioxid, einen stetigen Energieaufwand für die Verdoppelung des Mediums und Abtrennung des Kultivats vom Medium. Des Weiteren können durch submerse Verfahren nur Organismen kultiviert werden, die daran angepasst sind, in Wasser zu leben. Dagegen findet in einem emersen Bioreaktor die biologische Reaktion nicht submers, sondern Gas-exponiert (emers) auf einem Feststoff statt. In der Veröffentlichung Dorina Strieth, Julia Schwing, Stephan Kühne, Michael Lakatos, Kai Muffler, Roland Ulber: „A semi-continuous process based on an ePBR for the production of EPS using Trichocoleus sociatus“. Journal of Biotechnology, 256 (2017), 6-12 ist ein emerser Bioreaktor offenbart, der für den Bewuchs der Innenseite seiner Reaktorkammer mit terrestrischen Mikroorganismen ausgelegt ist. Nachteil dieser Anordnung ist jedoch, dass sie nur eine geringe Produktivität erreicht.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Produktion von terrestrischen aerophilen Organismen in einer Reaktorkammer zu effektivieren. Der Gegenstand der Erfindung ist durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche definiert. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Über den Stand der Technik hinaus weist der emerse Bioreaktor Substrate auf, die stückig ausgebildet sind und im Betrieb als Schüttung in der Reaktorkammer vorliegen. Zwischen mehreren Substraten sind Durchgangspfade für Gas und/oder Feuchtigkeit vorhanden.
Ein Vorteil eines solchen Aufbaus eines Bioreaktors liegt darin, dass mit hoher Volumeneffizienz und hoher Wachstumsrate ein oder mehrere Biofilme aus aerophilem Bewuchs erzeugt werden können.
Dies ergibt sich daraus, dass die Schüttung eine starke Vergrößerung der für den Aufbau von Biofilmen nutzbaren Oberfläche ermöglicht, insbesondere gegenüber der inneren Oberfläche einschließlich der Einbauten der emersen Reaktorkammer von Strieth et al. gemäß dem Stand der Technik. Außerdem ermöglichen die Durchgangspfade für Gas und Feuchtigkeit in der Schüttung in dem emersen Bioreaktor eine gute Versorgung des Biofilms. Bevorzugt wird ein wachstumsfördemdes Verhältnis von Sauerstoff zu Kohlendioxid sowie eine hohe Diffusion von Kohlendioxid im Reaktor.
Unter der Größe einer Oberfläche der Substrate wird in dieser Patentanmeldung eine Fläche verstanden, die zumindest durch angenäherte Bestimmung ermittelbar ist, wobei die Oberfläche aus gemittelten Außenabmessungen der Substrate oder gemittelten Innenabmessungen von Durchgangspfaden durch das oder die Substrate ermittelt wird. Porosität innerhalb des oder der Substrate und Oberflächenrauigkeit der Substrate werden nicht berücksichtigt.
Eine zu starke Vergrößerung der nutzbaren Oberfläche führt in einem vorgegebenen Außenvolumen zu immer kleineren Durchgangspfaden, so dass die Versorgung des Biofilms bei einer zu starken
Vergrößerung suboptimal bis hin zur Nichtversorgung wird. Dabei spielt auch ein Differenzdruck, der entlang der Durchgangspfade anliegt, eine Rolle. In der Praxis ist es jedoch vorteilhaft, mit geringen Differenzdrücken auszukommen. Beispielsweise wird ein Differenzdruck von weniger als 104 kPa, bevorzugt weniger als 10 kPa und besonders bevorzugt weniger als 1 kPa angewendet. Ein Vorteil dieser Druckverhältnisse ist, dass sie im Betrieb unter Erdatmosphärendruck, der maximal 104 kPa beträgt, auch durch Erzeugung von Unterdrück bereitgestellt werden können. Das Substratoberfläche- zu- Behälteroberfläche-Verhältnis ist vorzugsweise daraufhin optimiert. Es beträgt vorzugsweise wenigstens zehn, besonders bevorzugt wenigstens eins zu fünfzig. Die genannte Behälteroberfläche bezieht sich auf die Innenoberfläche der Reaktorkammer, in die die Substratschüttung eingebracht ist. Als Organismen können beispielsweise terrestrische eukaryotische Algen, z.B. Chlamydomonas, Trentepohlia, und/oder prokaryotische Cyanobakterien z.B. Nostoc flagelliforme und/oder Flechten und/oder Pilze und/oder Moose und/oder Farne eingesetzt werden. Es können Zellkulturen aus höheren und niederen Pflanzen und/ oder Pflanzenzellen eingesetzt werden. Auch Ko-Kulturen aus Prokaryoten, z.B. Bakterien und/oder Archaeen, oder Pil en können zusammen mit den Phototrophen eingesetzt werden. Diese können mutualistisch Zusammenwirken und die im Bioreaktor zur Verfügung stehenden Ressourcen gemeinsam verbessert ausnutzen. Grundsätzlich ist der Bioreaktor für alle aerophilen photosynthetisierenden Organismen geeignet. Vorzugsweise wird der Bioreaktor steril oder näherungsweise steril oder kontaminationsarm betrieben.
Mit dem Bioreaktor können Stoffe wie Polysaccharide, Wirkstoffe, z.B. Cyanovirin, Nostoflan,
Noscomin, Scytovirin, Spirulan, Scytonemin, Farbstoffe, wie Phycocyanin und/oder Phycoerythrin und/oder Allophycocyanin und / oder Chlorophyll und / oder Carotinoide sowie unterschiedlichste Lipide und Proteine produziert werden. Diese können durch Downstreaming aus der Biomasse extrahiert werden. Die Biomasse kann alternativ unmittelbar verwertet werden, zum Beispiel als Lebensmittel oder zum Düngen oder als Energieträger.
Insbesondere haben die Substrate eine durchschnittliche Größe von mehr als 1mm, bevorzugt mehr als 2mm und besonders bevorzugt mehr als 5 mm und bevorzugt höchstens 50mm und besonders bevorzugt höchstens 20mm. Bei einer Substratgröße von weniger als 1 mm wird erheblicher Druck benötigt, um Gas und
Feuchtigkeit durch die Schüttung zu fördern. Bei großen Reaktoren mit Reaktorkammem mit einer Abmessung von mehr als lm können mit besonderem Vorteil größere Substrate eingesetzt werden, insbesondere Substrate, die durchschnittlich größer als 50mm sind. Die Länge der Durchgangspfade ist hier erhöht, was durch einen erhöhten Querschnitt der Durchgangspfade erreichbar ist, was wiederum eine Folge größerer Substrate ist. Aufgrund eines großen Gewichtes infolge einer großen Schütthöhe können bei weniger festen Substraten außerdem die Durchgangspfade zusammengedrückt werden. Um ein vollständiges Verschließen zu verhindern und einen ausreichenden Durchgangsquerschnitt offen zu halten, kann eine durchschnittliche Substratgröße von mehr als 50 mm vorgesehen werden. Bevorzugt ist die Größenverteilung der Substrate innerhalb der Reaktorkammer zumindest näherungsweise homogen. Vorzugsweise können die Substrate Flüssigkeit aufnehmen, speichern und abgeben. Dies kann beispielsweise durch ein Material des Substrats erreicht werden, das Flüssigkeit im Material selbst speichern kann, wie etwa Hydrokolloide oder (Naturfasern oder Faserverbundmaterialien, oder durch Hohlräume in den Substraten, wie etwa Poren. Zugleich mit Flüssigkeit, insbesondere Wasser, können auch Nährstoffe gespeichert werden. Die Substrate können alternativ oder zusätzlich Biostimulanzien umfassen, insbesondere in der Flüssigkeit.
Unter einem halbfesten Stoff wird in dieser Patentanmeldung auch ein Material verstanden, das eine geringere Festigkeit als übliche Feststoffe aufweist, jedoch über eine längere Zeit eine Formstabilität zeigt. Beispielsweise kann ein halbfester Stoff ein Gel sein, das Wasser aufnehmen kann, insbesondere ein Hydrogel. Typen von Gelen wie etwa Organogele, insbesondere Polymergele, Nanokomposit-Gele oder Aerogele können angewendet werden. Vorzugsweise ist der halbfeste Stoff trotz starker Verformbarkeit formstabil und erleidet nur unwesentliche bleibende Verformungen. Die Substrate können mindestens zu einem großen Teil aus Hydrogel bestehen. Feste Substrate können anorganisches, insbesondere mineralisches, und/oder organisches Material umfassen. Die Substrate können Nährstoffe für die Organismen umfassen, die durch Flüssigkeit oder die Organismen selbst aus den Substraten gelöst werden können. Insbesondere feste Substrate können zu Oberfläche hin offene Poren aufweisen. Feste Substrate können z.B. Glas, insbesondere poröses Glas, Keramik oder Kunststoff umfassen. Es können z.B. vulkanische Granulate und/oder tonbasiertes Material oder Absorbermaterialien wie etwa ein Acrylat verwendet werden. Es ist auch denkbar, feste Substrate einzusetzen, die mit einem halbfesten Material überzogen sind.
Es ist denkbar, ein festes Substrat mit einer halbfesten Schicht zu beschichten. Beispielsweise kann ein Glas- oder Kunststoffsubstrat, insbesondere eine Kugel, mit einem Gel-Überzug versehen sein, insbesondere einem Hydrogel. Die Form der Substrate kann beispielsweise eine Kugel oder einen Zylinder zumindest annähem oder ein Granulat sein. Auch andere, insbesondere produktionsbedingte Formen des Substrats sind möglich. Beispielsweise können oberflächenvergrößerte Trägerpellets eingesetzt werden, z.B. aus Polypropylen. Trägerpellets weisen üblicherweise eine sehr offene Form mit Stegen und im Verhältnis zum geschlossenen Anteils am Trägerepellet großen Anteil an Durchbrüchen auf. Dadurch ist die Oberfläche des Trägerepellets im Vergleich zur Oberfläceh des Volumens, in das es sich mit seinen Außenabmessungen einbeschreiben lässt, erehblich erhöht. Zum Beispiel sind die Trägerepellets aus einem Poleolefin oder einem anderen Kunststoff hergestellt, inbesondere spritzgegossen. Vorzugsweise weisen sie Streben in Form von Meridianen und Breitenrkeisen eines verkleinerten Globus auf, die ein leeres Inneres davon umschließen. Bevorzugt ist das durchschnittliche Verhältnis zwischen der größten und der kleinsten Abmessung der Substrate kleiner als zehn. Dies ist für die Entnahme der Substrate vorteilhaft.
Die Oberfläche, insbesondere von festen Substraten, kann glatt sein. Vorzugsweise ist die Oberfläche jedoch strukturiert. Dies vergrößert die Oberfläche und ermöglicht außerdem ein verbessertes Festhalten der Organismen an der Oberfläche. Beispielsweise können in der Oberfläche Vertiefungen vorhanden sein, die punktuell oder linear vorliegen können. Dies können etwa Poren, Rillen, Furchen, Eindellungen und/oder punktuelle Oberflächenvertiefungen, die insbesondere mit einem Hinterschnitt bzw. einer Erweiterung in der Tiefe ausgebildet sein können, sein. Vorzugsweise weisen die Vertiefungen Hinterschneidungen auf. Dadurch können Organismen besseren Halt auf der Oberfläche der Substrate finden. In den Vertiefungen können nach dem Ernten eines Rinfilms Reste Zurückbleiben, die als Inoculum zum Animpfen der nächsten Produktionscharge dienen können.
Vorzugsweise sind zumindest ein Teil, vorzugsweise alle der Substrate zumindest teilweise lichtdurchlässig, wobei dieser Teil der Substrate, vorzugsweise alle Substrate, bevorzugt vollständig lichtdurchlässig und insbesondere transparent sind.
Unter Transparenz wird in dieser Patentanmeldung das Fehlen einer optischen Trübung eines Substrats verstanden. Eine teilweise Lichtdurchlässigkeit bedeutet in dieser Patentanmeldung, das ein Substrat im Inneren und/oder an der Oberfläche abschnittsweise opak und/oder nur eine Trübung oder Teilreflektion vorliegt, sodass nur ein Teil des Licht, das auf das Substrats fällt, von diesem durchgelassen wird.
Ein Vorteil zumindest teilweise transparenter Substrate ist, dass durch eine Schüttung aus solchen Substraten zur Beleuchtung der Organismen einfallendes Licht vielfach gebrochen und dadurch eine größere Eindringtiefe des Lichts in die Reaktorkammer ermöglicht wird. Durch Brechung und Totalreflektion kann außerdem ein Teil des Lichts stark seine Richtung ändern. Von vorne beleuchtete Organismen können zusätzlich von hinten oder der Seite beleuchtet sein. Die Ausnutzung einfallenden Lichtes wird dadurch erheblich verbessert. Durch einen Biofilm hindurchfallendes Licht bis zur Beleuchtung weitere Organismen wenig geeignet, da Wellenlängenbereiche, die die Organismen zum Wachsen brauchen, von diesem ausgefiltert werden und nachfolgend beleuchteten Organismen nicht mehr zur Verfügung stehen. Daher ist Licht, das von einer anderen Richtung kommt, jedoch noch nicht durch einen Biofilm gelaufen ist, besonders wertvoll zur Beleuchtung. Solches Licht wird durch die transparenten Substrate besonders gut in der Schüttung verteilt.
Als lichtdurchlässige Materialien für die Substrate können zum Beispiel Glas, mineralische Kristalle, Kunststoffe oder Gele verwendet werden. Vollständig transparentes Substratmaterial wird bevorzugt. Solches Material nutzt einen besonders großen Anteil des einfallenden Lichts aus. Vorzugsweise sind die Substrate zumindest näherungsweise kugelförmig oder ungleichmäßig oder haben zumindest näherungsweise die Form eines kurzen Zylinders oder eines anderen geometrischen Körpers mit in bevorzugt alle Richtungen zumindest näherungsweise ähnlichen Abmessungen. Vorzugsweise füllt sich ein erheblicher Anteil des Schüttvolumens nicht mit dem Substrat. Dies kann zum Beispiel mit den vorgenannten Formen der Substrate erreicht werden. Durch die offenen Stellen im Schüttvolumen kann auch bei stärkerem Bewuchs Licht in den inneren oder einem von in Beleuchtungsrichtung weiter hinten liegenden Bereich des Schüttvolumens eintreten. Alternativ oder zusätzlich können die Substrate reflektierend sein. Es ist denkbar, dass die Oberfläche zumindest eines Teils der Substrate teilweise reflektierend und teilweise transmittierend ist. Reflexionen an der Oberfläche lenken einen Teil des Lichts schräg ab. Dadurch ergeben sich ebenso wie durch die Transparenz der Substrate mehr Richtungen, aus denen eine Beleuchtung der Organismen stattfindet und eine gleichmäßigere Verteilung des Lichts in der Schüttung.
Vorzugsweise haben lichtdurchlässige Substrate eine ungleichmäßige Oberflächenform. Diese bewirkt, dass ein fallendes Licht in mehr Richtungen gebrochen wird. Auf diese Weise ergibt sich eine stärkere Umlenkung einfallenden Lichts in dazu schräge Richtungen. Eine ungleichmäßige Oberflächenform ist umso vorteilhafter, die größer Substrate sind, insbesondere, wenn sie durchschnittlich größer als 5 mm sind. Substrate, die kleiner 20mm sind, weisen vorzugsweise keine ungleichmäßige Oberflächenform auf. Eine ungleichmäßige Oberflächenform kann beispielsweise durch eine Oberflächenbehandlung der Substrate erreicht werden. Beispielsweise kann eine Umformung,
Ritzung, Prägung, Abspanung oder Aufrauung oder eine Urform ung durchgeführt werden, die die unregelmäßige Oberflächenform erzeugt. Vorzugsweise sind die Substrate biologisch abbaubar. Dies hat den Vorteil, dass die Substrate nach einer Entnahme aus dem Bioreaktor als Dünger in der Landwirtschaft ausgebracht werden können. Geeignete Materialien hierfür sind insbesondere organische Polymere, z.B. Cellulose, Carageen, Nanocellulose, Alginat, oder Polymere mit bioabbaubaren Sollbruchstellen und/oder Verbindungen.
Vorzugsweise weist der Bioreaktor eine Trocknungseimichung auf, durch deren Aktivität der Biofilm austrockenbar ist. Beispielsweise kann eine die Trocknungeinrichtung Teil der
Befeuchtungseinrichtung sein. Die Befeuchtungseinrichtung kann durch die Trocknungseinrichtung derart gesteuert werden, dass durch ausbleibende Leuchtigkeit die Trocknung erreicht wird. Eine Trocknungsphase, die sich mit einer Wachstumsphase abwechselt, ermöglicht im Gegensatz zu einem kontinuierlichen Verfahren, bei dem in einem Reaktor an einem Ende bewässert und an einem anderen Ende getrocknet wird, eine größere Effektivität in der Biomasseerzeugung, da die Zeitdauer des Trocknungsprozesses weniger Produktivitätsverlust bedeutet, als die kontinuierliche Nichtnutzung eines Teils des Reaktors für Wachstum.
Bevorzugt weist der Bioreaktor eine Abzieheinrichtung auf, durch deren Aktivität der zumindest ein Teil des Biofilms in dem Bioreaktor mit und/oder ohne Substraten aus dem Bioreaktor abziehbar ist. Beipielsweise kann das Abziehen ferngesteuert druch Aktivierung der Abzieheinrichtung durchgeführt werden. Die Abzieheinrichtung kann eine Öffnungseinrichtung aufweisen, die den Bioreaktor öffnen kann. Die Abzieheinrichtung kann eine mechanische Bewegugnseimichtung aufweisen, insbesondere eine Schütteleinrichtung und/oder eine Rühreinrichtung und/oder eine Drucklufteinleitungseinrichtung umfassen, durch die die Schüttung in dem Bioreaktor geschüttelt, gerührt, durcblasen oder anderweitig bewegt werden kann .Dadurch kann Biofilm von den Substraten gelöst werden. Bevorzugt weist der Bioreaktor einen Substratfilter auf, der zumindest die Substrate innerhalb der Reaktorkammer hält, während Organismen und/oder organisches Material wie Biofilm und/oder von den Organismen produzierte Stoffe die Reaktorkammer durch die Abzieheinrichtung verlassen können.
Vorzugsweise weist der Bioreaktor eine Abzugseinrichtung auf. Diese ist bevorzugt an einem unteren Ende des Bioreaktors angeordnet. Durch die Abzugseinrichtung kann Biofilm mit und/oder ohne Substraten entnommen werden. Vorzugsweise wird der Biofilm durch Schwerkraft, evtl unterstützt durch Schütteln, und/oder durch ein Spülmedium, insbesondere ein Gas, bevorzugt Luft, aus dem Bioreaktor ausgetragen. Die Abzugseinrichtung ist bevorzugt dazu eingerichtet, den Bioreaktor öffnen und schließen zu können.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung werden Tabletten aus Substraten vorgeschlagen. Die Tabletten können mit Nährstoffen angereichert sein. Die Substrate sind bevorzugt aus einem Gel, welches in der Tablette getrocknet vorliegt. Prinzipiell können die in dieser Patentanmeldung genannten Typen von Gelen dafür eingesetzt werden. Besonders geeignet sind Substrate aus Polymeren wie z.B. Na-
Polyacrylat. Solche Tabletten können kostengünstig transportiert und für den Einsatz in den Bioreaktor vor Ort befeuchtet werden. Vorzugsweise ist eine solche Tablette mit dem oder den Arten von Organismen, mit dem bzw. denen Biomasse produziert werden soll, angeimpft. Vorzugsweise wird der Bioreaktor mit den Tabletten bestückt und die Tabletten werden innerhalb des Bioreaktors befeuchtet. Anschließend kann die Produktion beginnen.
Eine Lichteinrichtung des Bioreaktors kann beispielsweise eine aktive Beleuchtung oder eine transparente Wand der Reaktorkammer sein, durch die Licht von außen in die Reaktorkammer eintreten kann. Auch die Sonne kann als Lichteinrichtung dienen. Vorzugsweise wird weißes Licht eingesetzt, es ist jedoch auch denkbar, grünes und/oder rotes und/oder blaues Licht einzusetzen. Besonders bevorzugt ist Tageslicht, zum Beispiel Sonneneinstrahlung oder abgemilderte Sonneneinstrahlung.
Vorzugsweise weist der Bioreaktor wenigstens eine Kammerpforte auf. Diese ist insbesondere dazu ausgebildet und dazu vorgesehen, dass durch die Kammerpforte Substrate und/oder die Organismen in die Reaktorkammer einbringbar und/oder aus der Reaktorkammer entnehmbar sind. Vorzugsweise ist die Kammerpforte in einem oberen Bereich des Bioreaktors angeordnet. Auf diese Weise kann der Bioreaktor durch die Kammerpforte auf einfache Weise mit Substraten befüllt werden.
Vorzugsweise ist der Substratfilter ein Sieb. Die Maschenweite des Siebes ist bevorzugt kleiner als ein Großteil der Substrate. Die Kammerpforte ermöglicht vorzugsweise eine zumindest angenähert kontaminationsfreie Beschickung der Reaktorkammer mit Substraten und/oder Entnahme aus der Reaktorkammer. Die Reaktionskammer kann mehrere Kammerpforten aufweisen. Eine Kammerpforte kann als Schleuse mit zwei hintereinander geschalteten offen- und schließbaren Zugängen zu der Reaktionskammer ausgestaltet sein.
Die Begasungseinrichtung ist dazu eingerichtet, den Bioreaktor mit Gas zu versorgen. Dies kann zum Beispiel Luft oder ein Abgas oder eine Mischung von Luft mit weiteren Gasen wie zum Beispiel Kohlendioxid oder kohlendioxidhaltiges Abgas sein. Ein Abgas kann insbesondere aus einem Verbrennungsprozess oder einem verfahrenstechnischen Prozess stammen.
Um einen bestimmten Stoffwechsel von Organismen zu erzielen, können in dem Bioreaktor Bedingungen erzeugt werden, die Stressfaktoren für die Organismen darstellen. Dies kann zum Beispiel durch die Einleitung von trockener und / oder entfeuchteter Luft, Sauerstoff, Stickstoff oder toxischen Gasen erfolgen.
Es ist weiter denkbar, Gase zuzusetzen, die der Düngung der Mikroorganismen dienen, etwa Schwefeloxid und/oder Schwefeldioxid und/oder Stickoxid. Zur Düngung kann in dem Gas Feinstaub vorhanden sein. Der Feinstaub kann der Umgebung entnommen und/oder in einem Luft- und/oder Abgasstrom vorhanden sein und/oder gezielt zugesetzt sein. Diese können Teil eines Abgases sein.
Vorzugsweise weist die Begasungseinrichtung einen Gaseinlass in die Reaktorkammer und einen Gasauslass aus der Reaktorkammer auf. Bevorzugt weist die Begasungseinrichtung eine Gasfördereinrichtung auf. Eine Gasfördereinrichtung kann in Bezug auf den Gasstrom, der durch die Reaktorkammer gefördert wird, vor der Reaktorkammer oder nach der Reaktorkammer angeordnet sein. Dies kann ein Ventilator oder Verdichter sein. Dessen Druckseite kann mit dem Gaseinlass verbunden sein. Alternativ, oder zusätzlich bei einem zweiten Verdichter, kann dieser an der Saugseite mit dem Gasauslass verbunden sein. Mit geeigneter Drosselung am Gaseinlass kann dann ein Unterdrück in der Reaktorkammer eingestellt werden. Alternativ kann ein Überdruck mit einer geeigneten Drosselung am Gasauslass eingestellt werden, wenn ein Ventilator oder Verdichter mit dem Gasteinlass verbunden ist. Durch Anpassung der Druckverhältnisse in der Reaktorkammer kann das Wachstum der Organismen beeinflusst werden.
Die Befeuchtungseinrichtung versorgt die Reaktorkammer mit Feuchtigkeit. Die Befeuchtungseinrichtung kann bewirken, das Tropfen einer Befeuchtungsflüssigkeit in Richtung der Schwerkraft durch die Schüttung fließen. Insbesondere kann die Befeuchtungseinrichtung einen Tropfenauslass aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die Befeuchtungseinrichtung Aerosol erzeugen, welches in das Gas der Begasungseinrichtung eingebracht werden kann. Dann kann das Aerosol mit dem Gasstrom, welcher durch die Begasungseinrichtung gefördert wird, durch die Reaktorkammer transportiert werden. Vorzugsweise sind die Tröpfchen des Aerosol deutlich kleiner als ein durchschnittlicher Durchmesser eines Durchlasspfades, beispielsweise weniger als ein Zehntel davon. Der durchschnittliche Durchmesser des Durchlasspfades kann als ein Fünftel der durchschnittlichen Substratgröße angenommen werden. Vorzugsweise beträgt eine durchschnittliche Tröpfchengröße weniger als 1/50 der durchschnittlichen Substratgröße. Eine bevorzugte durchschnittliche Tröpfchengröße beträgt somit beispielsweise für eine durchschnittliche Substratgröße von 10 mm weniger als 200pm. Bevorzugt werden durchschnittliche Tröpfchengrößen von 20 bis 100 pm eingestetzt. Die Tröpfchenerzeugung kann auf herkömmliche Weise durch einen Tröpfchenerzeuger wie etwa einen Vernebler erfolgen. Der Tröpfchenerzeuger kann verfügbare Verfahren nach dem Stand der Technik einsetzen, etwa Ultraschall, Ventile oder feine Netze. Die Tröpfchen können so erzeugt werden, dass sie nach der Erzeugung in den Gasstrom der
Begasungseinrichtung eintreten. Der Gasstrom der Begasungseinrichtung wird vorzugsweise nach dem Eintritt in die Reaktorkammer in eine Vielzahl kleiner Teilgasströme für jeden von der Vielzahl der Durchtrittspfade aufgespalten. Bevorzugt führt jeder der Teilgasströme Aerosol.
Durch Niederschlag von Tröpfchen oder Kondensation entlang eines Durchlasspfades werden die Organismen mit Feuchtigkeit versorgt. Überschüssige Flüssigkeit kann entlang der Durchlasskanäle in Richtung der Schwerkraft fließen. Vorzugsweise befindet sich der Gaseinlass weiter in Schwerkraftrichtung als der Gasauslass. Dann kann das Fließen von Flüssigkeit durch Schwerkraftwirkung zumindest teilweise entgegen der Fortbewegung der Teilgasströme fließen. Vorzugsweise erreicht Flüssigkeit, die in Schwerkraftrichtung aus der Schüttung austritt, erneut den Tröpfchenerzeuger. Bevorzugt werden Tröpfchen, die aus der Schüttung in Richtung des Gasstroms austreten, in einem Tröpfchenabscheider zu größeren Tropfen und/oder einem Flüssigkeitsstrom zusammengelagert. Aus dem Bioreaktor tritt bevorzugt zumindest näherungsweise tröpfchenfreies Gas aus. Diese Tropfen und/oder der Flüssigkeitsstrom treten bevorzugt in Schwerkraftrichtung wieder in die Schüttung ein und befeuchten sie durch Hindurchfließen in Schwerkraftrichtung. Diese Tropfen und/oder der Flüssigkeitsstrom können den Tröpfchenerzeuger wieder erreichen. Der
Tröpfchenerzeuger kann die Flüssigkeit erneut dem Gasstrom zusetzen. Bevorzugt verlässt näherungsweise keine Flüssigkeit den Bioreaktor. Es ist denkbar, in dem Gasstrom vor dem Austritt aus dem Bioreaktor zur Abscheidung von Fuftfeuchtigkeit und Rückführung in den Bioreaktor einen Fufttrockner einzusetzen. Vorzugsweise ist die Feuchtigkeit in den Bioreaktor durch die Befeuchtungseinrichtung durch eine Steuer- oder Regeleinrichtung steuerbar oder unter Rückkopplung einer Feuchtemessinformation regelbar. Insbesondere kann ein Tröpfchenerzeuger zur vermehrten oder verringerten Abgabe von Flüssigkeit in Form von Tröpfchen angesteuert werden. Bevorzugt kann der Produktionsprozess von Biomasse durch Steuerung oder Regelung der Feuchtigkeit in den Bioreaktor geführt werden. Beispielsweise kann in einer Wachstumsphase eine hohe Fuftfeuchtigkeit eingestellt werden und in einer Trocknungsphase vor dem Ernten eine geringe Luftfeuchtigkeit eingestellt werden. Bevorzugt wirkt die Befeuchtungseinrichtung zur Steuerung oder Regelung der Feuchte mit der Begasungseinrichtung zusammen. Die Begasungseinrichtung kann daher ebenfalls von der Steuer oder Regeleinrichtung gesteuert oder geregelt werden. Die Flüssigkeit ist bevorzugt Wasser. Es ist jedoch denkbar, Organismen, die in ihrem Stoffwechsel eine andere Flüssigkeit als Wasser verwenden, mit dieser Flüssigkeit zu versorgen. Die Flüssigkeit kann in der Umgebung gesammelt werden, zum Beispiel als Regen- oder Kondenswasser, und zur Befeuchtung des Bioreaktors gespeichert werden. Alternativ oder zusätzlich kann sie aus einer Flüssigkeitsversorgung, die durch Rohrleitungen von einem Zentralreservoir aus erfolgt, etwa aus einem Wasserversorgungsnetz, entnommen sein. Der Flüssigkeit können Nährstoffe für die
Organismen zugesetzt sein. Nährstoffe können beispielsweise Glukose, Melasse, Grundbausteine für den Stoffwechsel, Alkohol, Aceton sein. Außerdem können Nährstoffe aus dem Substrat entnommen werden, insbesondere anorganische Nährstoffe.
Insbesondere kann der Flüssigkeit, insbesondere Wasser, ein pH-Puffer zugesetzt sein. Es ist auch möglich, dass der pH-Puffer in dem Substrat vorhanden ist. Weiter ist denkbar, dem zugeführten Gas einen pH-Puffer zuzusetzen. Ein pH-Puffer kann beispielsweise ein Carbonatpuffer, ein Acetatpufferr ein Phosphatpuffer oder ein anderer bekannter Puffer sein. sein.
Eine Möglichkeit, einen bestimmten Stoffwechsel von Organismen zu erzielen liegt darin, wachstumsfördemde Feuchtigkeitsverhältnisse oder Trockenheit in dem Bioreaktor einzustellen. Vorzugsweise ist der Bioreaktor dazu eingerichtet. Vorzugsweise wird der Bioreaktor auf eine Luftfeuchtigkeit von 70 bis 100% eingestellt, um das Wachstum der Organismen zu fördern.
Die Lichteinrichtung kann eine aktive künstliche Beleuchtung für die Organismen aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann zumindest ein Abschnitt einer Wand der Reaktorkammer, bevorzugt ein Großteil der Reaktorkammer oder die ganze Reaktorkammer, lichtdurchlässig ausgebildet sein. Auf diese Weise kann Umgebungslicht, insbesondere Sonnenlicht, in die Reaktorkammer eintreten und die Organismen beleuchten.
Vorzugsweise ist die Reaktorkammer ist rohrförmig ausgebildet. Besonders bevorzugt weist die Reaktorkammer ein transparentes Rohr auf. Die Längsachse des Rohrs ist im Betrieb bevorzugt schräg zur und besonders bevorzugt zumindest näherungsweise in Richtung der Schwerkraft ausgerichtet. Die Reaktorkammer kann alternativ Teil eines Flachbettreaktors sein. Das Flachbett ist vorzugsweise vertikal ausgerichtet. Die Schüttung hat in einer Hauptbeleuchtungsrichtung bevorzugt eine Abmessung von vorzugsweise 6 bis 40 cm, besonders bevorzugt weniger als 20 cm und besonders bevorzugt weniger als 10 cm, insbesondere, jedoch nicht nur, bei einem Flachbettreaktor.
Es ist denkbar, die Reaktorkammer so auszubilden, dass die Organismen aus mehreren unterschiedlichen Richtungen von der Umgebung aus beleuchtbar sind. Denkbar ist auch, die Reaktorkammer im Betrieb drehbar auszuführen. Insbesondere kann eine rohrförmige Reaktorkammer in um ihre Längsachse drehbar sein, wie etwa in der Art einer drehbaren Litfaßsäule. Auf diese Weise kann die Abmessung der Schüttung in Hauptbeleuchtungsrichtung die doppelte Eindringtiefe des Lichts sein. Es ist so ein kompakterer und vergleichsweise weniger langgestreckter oder flächiger Aufbau des Bioreaktors möglich. Vorzugsweise ist in dem Bioreaktor die Temperatur einstellbar. Vorzugsweise liegt der Einstellbereich zwischen 15 und 50 °C. Alternativ dazu kann der Bioreaktor in einem kleineren Temperaturbereich oder bei einer bestimmten konstanten Temperatur arbeiten, welcher bzw. welche insbesondere an eine zur Verfügung stehende Wärmequelle angepasst sein kann. Vorzugsweise wird zur Beheizung des Bioreaktors Abwärme eingesetzt. Insbesondere bei kalten Außentemperaturen kann die Produktionsleistung des Bioreaktors dadurch gesteigert werden. Die Abwärme kann beispielsweise aus einem Gebäude entweichende Raumwärme sein, insbesondere, wenn der Bioreaktor an einer Fassade des Gebäudes eingesetzt ist. Möglich ist auch, die Abwärme von technischen Prozessen zu nutzen, etwa von Maschinen oder erwärmte Raumluft, Abwärme von Klimaanlagen, Abwärme von Blockheizkraftwerken oder die Abwärme von Ladestationen für Elektroautos. Auch Abwärme mit geringer Temperatur bis etwa 50 °C aus der Großtechnik wie Kraftwerke, Zementwerke, Stahlwerke, Aluminiumwerke, Asphaltwerke und dergleichen ist prinzipiell nutzbar, ebenso wie Abwärme aus der Tierhaltung. Abwärme mit Temperaturen unter 50 °C, insbesondere unter 40 °C oder unter 30 °C, jedoch in jedem Fall über der Umgebungstemperatur, kann so sinnvoll genutzt werden. Sie steht, da sie anderweitig schwer verwertbar ist, an vielen Stellen zur Verfügung. Die Temperatur in dem Bioreaktor kann regelbar sein. Dazu können herkömmliche Verfahren zur Anwendung kommen.
Die vorstehend genannten Merkmale von Bioreaktoren können in Kombination zum Einsatz kommen, sofern sich dies nicht technisch ausschließt·
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Laterne vorgeschlagen, welche einen Bioreaktor nach einer der beschriebenen Ausführungsformen aufweist. Eine Lichteinrichtung mit aktiver Beleuchtung des Bioreaktors kann nachts zugleich als Beleuchtung für die Organismen, als auch zur Beleuchtung von Objekten in der Umgebung der Laterne dienen.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Fenster für ein Gebäude vorgeschlagen, welches einen Bioreaktor nach einer der beschriebenen Ausführungsformen aufweist. Der Bioreaktor kann in einem Bereich des Fensters angeordnet sein, der der Temperatur des Raumes auf der Innenseite des Fensters ausgesetzt ist. Auf diese Weise kann der Bioreaktor von der Außenseite des Gebäudes einfallendes Tageslicht nutzen. Zugleich kann er in vielen Fällen einer günstigen Betriebstemperatur ausgesetzt werden. Nachts kann zusätzlich künstliches Licht aus dem Raum auf der Innenseite des Fensters zur Beleuchtung des Bioreaktors genutzt werden.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Ladestation für elektrische Fahrzeuge vorgeschlagen, welche einen Bioreaktor nach einer der beschriebenen Ausführungsformen aufweist. Abwärme aus der Ladestation kann dem Bioreaktor zugeführt werden, um ihn zu beheizen.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Produktion von Biofilm mit einem Bioreaktor gemäß einer der beschriebenen Ausführungsformen vorgeschlagen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens werden die Organismen mit Leinstaub ernährt und/oder gedüngt.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird der Bioreaktor mit Abwärme beheizt.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird der Bioreaktor derart gesteuert, das die Organismen, die einen Biofilm auf den Substraten bilden, nach einer Wachstumsphase innerhalb der Reaktorkammer austrocknen. Dies kann z.B. durch Zuführung von nicht befeuchtetem Gas erreicht werden. Es ist auch möglich, die Temperatur in der Reaktorkammer zu erhöhen. Ein Vorteil dieses Verfahrens ist, dass der erzeugte Biofilm nicht zusammen mit den Substraten aus der Reaktorkammer entnommen werden muss. In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird erzeugter, getrockneter Biofilm aus der Reaktorkammer entnommen, während Substrate in der Reaktorkammer verbleiben. Vorzugsweise wird der getrocknete Biofilm vor dem Entnehmen aus der Reaktorkammer von den Substraten gelöst, zum Beispiel durch Bewegen, insbesondere Schütteln und/oder Rühren, und/oder Schleudern und/oder Umdrehen der Reaktorkammer, so dass die Oberseite nach unten gekehrt wird, insbesondere mehrfach, und/oder durch Durcheinanderwirbeln durch starken Gaseintrag, insbesondere pulsierenden Gaseintrag. Das Lösen des Biofilms von den Substraten wird bei Einsatz von Substraten, die Gel aufweisen, dadurch erleichtert, dass sich das Gel beim Trocknen zusammenzieht und sich von der Oberfläche des Biofilms zumindest teilweise löst. Das Abziehen des Biofilms aus dem Bioreaktor kann z.B. mittels Schwerkraft, eventuell durch Schütteln, Druckstoß, Ausblasen oder andere Bewegung des Inhalts der Reaktorkammer unterstützt, erfolgen. Die Entnahme kann durch ein Sieb, das die Substrat zurückhält, erfolgen, oder durch Ausblasen. Zum Ausblasen kann insbesondere die Begasungseinrichtung verwendet werden.
Diese kann dazu in einer anderen Betriebsart laufen. Bevorzugt wird in diesem Fall der getrocknete Biofilm aus dem Gasstrom ausgeschieden, der aus der Reaktorkammer austritt. Dazu kann ein Abscheider nach dem Stand der Technik verwendet werden. In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden die Substrate zusammen mit dem von ihnen erzeugten Biofilm aus der Reaktorkammer entnommen. Der Inhalt des Bioreaktors kann zuvor getrocknet worden sein oder nicht. Der Biofilm kann, insbesondere bei nicht getrockneten Substraten, den Substraten zumindest teilweise anhaften. Den Inhalt nicht zu trocknen, hat den Vorteil, dass der Bioreaktor nach dem entnehmen der Substrate sofort wieder für den Wachstumsprozess von Organismen auf anderen Substraten einsatzfähig ist. Der erzeugte Biofilm kann dann außerhalb der Reaktorkammer von den Substraten entfernt werden. Insbesondere können die entnommenen Substrate dazu außerhalb der Reaktorkammer getrocknet werden. Nach dem Entfernen des Biofilms von den Substraten können diese erneut in der Reaktorkammer eingesetzt werden. Vorzugsweise weisen die Substrate Strukturen auf, in denen ein Rest des Biofilms verbleibt, der beim erneuten Einsatz als Inoculum dienen kann. Insbesondere können solche Strukturen Hinterschneidungen oder Vertiefungen sein. Auf diese Weise kann das erneute Animpfen des Reaktors entfallen.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden in die Reaktorkammer getrocknete Substraten eingebracht. Diese können Tablettenform haben. Vorzugsweise sind die Tabletten angeimpft. Dies kann dadurch geschehen, dass ein Rest eines zuvor auf den Substraten gewachsenen Biofilms als Inoculum in den Tabletten enthalten ist. Substrate können innerhalb des Biofilms befeuchtet werden. Dadurch können sie die Größe erreichen, die sie im feuchten Zustand haben. Nach der Befeuchtung kann der Bioreaktor zur Produktion eingesetzt werden.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Düngen in der Landwirtschaft vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die Produktion von Biofilm mit einem erfindungsgemäßen Bioreaktor auf biologisch abbaubaren Substraten. In einem weiteren Schritt des Verfahrens werden die Substrate mit dem Biofilm aus dem Bioreaktor entnommen und zur Düngung in der Landwirtschaft, insbesondere in der Nähe zu düngender Pflanzen, ausgebracht. Dies kann auch als Verwendung von erzeugten Organismen und/oder Biofilm angesehen werden. Insbesondere wachsen in dem Bioreaktor stickstoffhaltige Organismen. Insbesondere sind diese Organismen in der Lage, Stickstoff aus einem Gas, insbesondere Luftstickstoff, zu entnehmen. Solche Organismen können zum Beispiel Cyanobakterien sein, insbesondere Heterocysten besitzende Cyanobakterien, oder andere Stickstofffixierende Bakterien, zum Beispiel Rhizobienarten und/oder Aktinomyzeten der Gattung Lrankia, sein. In einer Fortbildung des im letzten Absatz beschriebenen Verfahrens kann dieses erweitert werden, Substrate eingesetzt werden, die Wasser aufnehmen können, wobei die Substrate mit den produzierten Organismen auf oder in einen B öden für Pflanzenwachstum ausgebracht werden, sodass der Boden verbessert wird. Er ist dann neben seiner Eigenschaft, mit düngenden Organismen versorgt zu sein, in der Fage, Wasser verbessert zu speichern.
In einem weiteren Aspekt wird vorgeschlagen, Biofilm und/oder Organismen, die nach einem der vorstehend beschriebenen Verfahren und/oder mit einem vorstehend beschriebenen Bioreaktor erzeugt worden ist, als Nahrungsmittel für Menschen und/oder Tiere zu verwenden. Dazu können in dem Verfahren bzw. dem Bioreaktor für Menschen und/oder Tiere eßbare Substrate eingesetzt werden. Die Substrate mit den Organismen und/oder dem Biofilm ergeben dann essbare Portionen. Dies kann auch als Herstellverfahren solcher Portion angesehen werden.
In den Zeichnungen im Anhang sind beispielhaft Ausführungsformen der Erfindung dargestellt, in denen:
Figur la schematisch eine Skizze eines erfindungsgemäßen Bioreaktors zeigt,
Figur lb schematisch eine Skizze eines Teils einer Schüttung von Substraten in dem Bioreaktor zeigt,
Figur 2a eine Zeichnung eines Bioreaktors in Frontalansicht zeigt, der als Fassadenelement ausgeführt ist,
Figur 2b den Bioreaktor aus Figur 2a in einer Seitenansicht zeigt, und
Figur 2c den Bioreaktor aus Figur 2a in einer Draufsicht zeigt. Figur 1 zeigt in einer Seitenansicht schematisch einen erfindungsgemäßen Bioreaktor 1. Der Bioreaktor 1 weist eine Reaktorkammer 10 auf. In der Reaktorkammer sind Substrate 2 angeordnet. Die Substrate 2 bilden eine Schüttung 20 innerhalb der Reaktorkammer 10. Die Schüttung 20 liegt auf einer Auflage 11 im Inneren der Reaktorkammer 10 auf. Die Schüttung 20 ist schematisch dargestellt und kann sich in der Praxis bis zum oberen Ende des Inneren der Reaktorkammer 10 erstrecken. Unterhalb der Auflage 11 eine Aerosoleinrichtung 45 angeordnet, welche eine Kombination aus einer Begasungseinrichtung 4 und einer Befeuchtungseinrichtung 5 bildet. Die Aerosoleinrichtung 45 ist aus einer Stromversorgung 451, die eine Batterie sein kann, mit elektrischer Energie versorgbar. Die Aerosoleinrichtung 45 weist einen mit nicht explizit dargestellten Vernebler für Flüssigkeit, insbesondere Wasser, und eine Öffnung ins Innere der Reaktorkammer 10 auf. Aus der Aerosoleinrichtung 45 steigt ins Innere der Reaktorkammer 10 Aerosol 450 auf. Dieses tritt durch die Auflage 11 hindurch in die Schüttung 20 ein. Zwischen den einzelnen Substraten 2 befinden sich Durchgangspfade 21. Das Aerosol 450 kann durch die Durchgangspfade 21 hindurchtreten· Durchlasspfade 21 sind schematisch auch in dem oberen Teil der Reaktorkammer 10 dargestellt, in dem sich ebenfalls die Schüttung 20 befinden kann, was in Figur 1 jedoch nicht dargestellt ist. Beim Hindurchtreten gibt das Aerosol 450 Flüssigkeit an die Substrate 2 oder an Organismen 3 ab, die auf den Substraten 2 wachsen und in Figur 1 nicht explizit dargestellt sind.
Die Aerosoleinrichtung 45 kann optional mit einer Trocknungeinrichtung 451 verbunden sein. Die Trocknungseinrichtung 451 kann bewirken, dass die Aerosoleinrichtung 45 kein Aerosol 450 mehr ausstößt.
Alternativ oder zusätzlich kann optional Aerosol 450 aktiv aus einem Zustrom oder Abstrom zu bzw. von dem Bioreaktor 1 abgeschieden werden, was in den Figuren nicht explizit dargestellt ist. Dazu kann z.B. eine Kältefalle oder ein Absorber eingesetzt werden. Es ist auch möglich, Aerosol passiv abzuscheiden, zum Beispiel über Vergrößerung der Oberflächen, an denen der Zustrom bzw. Abstrom vorbeigeleitet wird. Wenn die Organismen getrocknet werden sollen, kann mit der
Trocknungseinrichtung 451 Aerosol 450 aus dem Zustrom abgeschieden werden. Im normalen Wachstumsbetrieb, in dem dem Zustrom üblicherweise Aerosol 450 zugesetzt wird, kann aus dem Abstrom ausgetragenes Aerosol abgeschieden und recycelt werden. Auf diese Weise verbraucht der Bioreaktor weniger Wasser. Zum Abscheiden kann zum Beispiel die Trocknungseinrichtung 451 und alternativ eine separat dafür vorgesehene Einrichtung verwendet werden.
Besonders bevorzugt kann in Ausführungsformen des Bioreaktors ein zumindest teilweise geschlossener Gaskreislauf vorgesehen werden, indem zumindest ein Teil des Abstroms dem Zustrom wieder zugeführt wird, was in den Figuren nicht explizit dargestellt ist. Üblicherweise wird ständig frisches Gas zur Versorgung der Organismen eingespült. Das ausgetragene Abgas kann mittels einer Trocknungseinrichtung 451von austretendem Aerosol 450 befreit werden. Das so gewonnene Wasser kann recycelt werden, was den Wasserverbrauch ist Bioreaktors 1 senkt.
Dadurch kann die Trocknung der in der Reaktorkammer 10 befindlichen Organismen 3 oder von Biofilm 31, der diese enthält, erreicht werden. Dann kann weiterhin Gas durch den Bioreaktor 1 geleitet werden, insbesondere trockenes Gas wie etwa trockene LuftiDurch die dauerhafte Befeuchtung der Substrate 2 bzw. darauf befindlicher Organismen 3 können sich Tröpfchen aus der Aerosoleinrichtung 45 zu größeren Tropfen bzw. zu einem Rinnsal zusammenlagemwobei das Wasser der Schwerkraft SK folgt und über die Schüttung 20 hinweg bis zu der Auflage 11 läuft, von der aus die Flüssigkeit zurück in die Aerosoleinrichtung 45 gelangt und erneut vernebelt wird. Die Aerosoleinrichtung 45 kann, was in Figur 1 jedoch nicht dargestellt ist, an eine externe Versorgung mit Flüssigkeit angeschlossen sein.
In der gezeigten Ausführungsform ist eine Flüssigkeitspumpe 52 mit ihrer Saugseite an die Aerosoleinrichtung 450 angeschlossen. Die Flüssigkeitspumpe 50 fördert Wasser von der Aerosoleinrichtung 450 zu einer Tropfeinrichtung 51. Die Tropfeinrichtung 51 kann Tropfen 50 freisetzen. Die Tropfen 50 tropfen in die Schüttung 20 hinein. Diese Flüssigkeit, die aufgrund der Schwerkraft SK durch die Schüttung 20 rinnt, befeuchtet die Schüttung 20. Insbesondere kann so der obere Teil der Reaktorkammer 10 befeuchtet werden. Die Flüssigkeitspumpe 52 und die Tropfeinrichtung 51 bilden einen Teil der Befeuchtungseinrichtung 5. Der in diesem Absatz beschriebene Teil der Befeuchtungseinrichtung 5 kann auch in anderen Ausführungsformen eingesetzt werden.
Die Begasungseinrichtung 4 weist in der gezeigten Ausführungsform eine Gaszuführeinrichtung 42 auf, durch welche dem Bioreaktor Gas 4 zugeführt werden kann, insbesondere Umgebungsluft. Die Gaszuführeinrichtung 42 weist einen Filter und/oder einen Sterilisierer für in den Bioreaktor eintretendes Gas auf, der die Kontamination des Bioreaktors 1 weitgehend verhindert. Das von der Gaszuführeinrichtung bereitgestellte Gas 4 kann in eine Gasrückführleitung 43 eintreten. In der
Gasrückführleitung 43 wird Gas zu der Aerosoleinrichtung 45 zurückgeführt, welches zuvor als Aerosol die Schüttung 20 in der Reaktorkammer 10 durchtreten hat. Eine Gasfördereinrichtung ist nicht explizit dargestellt. Es ist möglich, dass die Aerosoleinrichtung 45 die Gasförderung übernimmt. Sie weist insbesondere ein Gebläse auf, das Gas zu der Reaktorkammer fördert. Der Gasstrom durch die Reaktorkammer 10 erreicht nach dem Austritt aus der Reaktorkammer 10 einen Gasverteiler 44. Der Gasverteiler 44 lenkt einen Teil des dort ankommenden Gases in die Gasrückführleitung 43 und einen anderen Teil zu einer Gasausleitungsvorrichtung 46. Die Gasausleitungsvorrichtung 46 kann einen Filter und/oder einen Sterilisierer aufweisen. Durch den Auslass von Abgas 47 aus dem Bioreaktor findet bevorzugt keine oder nur geringe Kontamination statt. Durch stete Zuführung von frischem Gas 4 kann der Bioreaktor 1 mit Gasen versorgt werden, die für das Wachstum der Organismen 3 erforderlich sind.
Eine Wand 16 der Reaktorkammer 10 ist bevorzugt aus transparentem Material. Dann kann Licht 60 von der Sonne S durch die Wand 16 ins Innere der Reaktorkammer 10 eindringen. Alternativ oder zusätzlich kann eine künstliche Beleuchtung 61 kann ebenfalls Licht 60 abgeben, das durch eine transparente Wand 16 der Reaktorkammer 10 in deren Inneres eindringen kann. Die künstliche Beleuchtung 61 kann an eine Energieversorgung angeschlossen sein. Diese kann unter anderem eine Batterie sein. Bevorzugt ist die Wand 16 der Reaktorkammer 10 rohrförmig ausgestaltet.
Vorzugsweise ist die ganze Wand 16 transparent. Figur lb zeigt schematisch mehrere verschiedene Substrate 2, die von der Sonne S beleuchtet werden. Die Substrate 2 sind lichtdurchlässig.
Ganz rechts in der Figur lb ist ein Substrat 2 mit einer glatten Oberfläche gezeigt. Das Substrat 2 wird von Licht 60 von der Sonne S getroffen. Durch Brechung, Totalreflektion im inneren und Streuung an Unregelmäßigkeiten der Oberfläche wird das einfallende Licht 60 von dem Substrat 2 als Streulicht 63 in eine Vielzahl von Richtungen abgegeben. Das Streulicht kann wiederum auf andere Substrate 2 fallen, so dass Organismen 3 darauf damit beleuchtet werden können.
Die Abbildung des mittleren Substrats 2 zeigt ein stark strukturiertes Substrat 2. Dieses Substrat 2 hat eine im Vergleich zu einer Kugel gleicher Außenabmessung erheblich vergrößerte Oberfläche. Es weist starke Einbuchtungen auf. Insbesondere weist dieses Substrat 2 in seinem Inneren Hinterschneidungen 22 auf, die zum äußeren des Substrats 2 offen sind.
Die Abbildung des linken Substrats 3 zeigt schematisch ein Substrat 2, das durch Verdrillen eines Ausgangskörpers einer gedrehte Struktur aufweist. Dadurch wird die Oberfläche des Substrats 2 im Vergleich zu der Oberfläche des Ausgangskörpers vergrößert. Die Substrate 2 weisen beginnenden Bewuchs mit Organismen 3 auf. Insbesondere können Organismen 3 in den Hinterschneidungen 22 vorhanden sein. Auch nachdem Abemten des Biofilms aus den Organismen 3 verbleiben Organismen in den Hinterschneidungen 22. Diese können als Inoculum bei einem erneuten Einsatz der Substrate 2 in einen erfindungsgemäßen Bioreaktor 1 dienen. Figur 2a zeigt eine Frontansicht eines Bioreaktors 1, der als Flachbettreaktor aufgebaut ist. Der Bioreaktor 1 ist als Fassadenelement ausgestaltet. Der Bioreaktor 1 umfasst eine Reaktorkammer 10, innerhalb der eine Schüttung 20 aus Substraten 2 angeordnet ist. Die Reaktorkammer 10 weist eine Aerosoleinrichtung 45 auf. Die Aerosoleinrichtung 45 ist in Richtung der Schwerkraft SK gesehen unterhalb der Schüttung 20 angeordnet. Im inneren der Reaktorkammer 10 ist eine Aerosolverteilungseinrichtung angeordnet, welche mehrere, insbesondere wie gezeigt vier, Aerosolauslassrohre 454 aufweist. Die Aerosolauslassrohre 454 weisen an ihrem Umfang Öffnungen auf, aus denen Aerosol 450 austreten kann. Die Aerosolauslassrohre 454 werden von der Aerosoleinrichtung 45 mit Aerosol versorgt. Die Aerosolverteilungseinrichtung 451 hat den Zweck, Aerosol 450 über eine Strecke nicht durch die Schüttung 20 zu leiten. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass in Abschnitten der Durchlasspfade 21, die weit von der Aerosoleinrichtung 45 entfernt sind, keine Aerosoltröpfchen mehr vorhanden sind. Die Fänge der Durchlasspfade 21 in der Schüttung 20 kann im Vergleich zu einer Anordnung ohne Aerosolverteilungseinrichtung 451 verkürzt sein.
Die Reaktorkammer 10 weist vorzugsweise einen Gasauslass 48 auf, der an einem der Aerosoleinrichtung 45 gegenüberliegenden Ende der Reaktorkammer angeordnet ist. Von dort kann Gas zu der Aerosoleinrichtung 45 zurückgeführt werden. Durch die Öffnung, durch die die Aerosoleinrichtung 45 Aerosol 450 in die Reaktorkammer 10 einleitet, können Substrate 2 der Schüttung 20 aus der Reaktorkammer 10 abgezogen werden. Die Aerosoleinrichtung 45 kann in einer solchen Variante zugleich eine Abzugseinrichtung 453 bilden. Die Reaktorkammer 10 kann durch den Gasauslass 48 mit Substraten 2 befüllt werden. Der Gasauslass 48 kann in einer solchen Variante zugleich auch eine Kammerpforte 7 bilden. Die Reaktorkammer 10 ist bevorzugt an einem Rahmen 80 befestigt. Der Rahmen 80 weist vorzugsweise Befestigungselemente 81 zur Befestigung des Rahmens 80 an einer Fassade oder einem anderen Gebäudeteil auf.
Der Bioreaktor 1 folgt vorzugsweise prinzipiell dem Funktionsschema, das in Figur la dargestellt ist.
Merkmale dieser Ausführungsform können auch in anderen Ausführungsformen zum Einsatz kommen, insbesondere die Aerosolverteilungseinrichtung 451.
Figur 2b zeigt den Bioreaktor 1 aus Figur 2a in einem Schnitt einer Seitenansicht in einer Einbausituation in einer Gebäudewand 100. Die Reaktorkammer 10 mit der Schüttung 20 ist zwischen zwei Glasscheiben 91 und 92 angeordnet. Die Reaktorkammer 10 weist transparente Wände 16 auf, zwischen denen die Schüttung 20 angeordnet ist. Durch die Wände 16 kann von der Innenseite I Kunstlicht aus dem Inneren des Gebäudes und von der Außenseite A Tageslicht von der Außenseite des Gebäudes auf die Schüttung 20 fallen. Die Glasscheiben 91 und 92 sind in dem Rahmen 80 gehalten. Der Rahmen 80 ist über Verbindungselemente 81 mit der Gebäudewand 100 verbunden. Die Gebäudewand 100 weist einen Ausschnitt auf, in dem der Bioreaktor 1 angeordnet ist.
Figur 2c zeigt den Bioreaktor aus den Figuren 2a und 2b in einer Draufsicht. Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. In Figur 2c ist zusätzlich der Gasauslass 48 zu sehen. Durch diesen Gasauslass 48 kann die Reaktorkammer 10 mit Substraten 2 befüllt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Bioreaktor (1) mit mehreren Substraten (2) aus Feststoff oder einem halbfesten Stoff für den emersen Bewuchs mit aerophilen, photosynthetisierenden Organismen (3) zur Verwendung mit einer Lichteinrichtung (6) zum Bereitstellen von Licht (60) für die Organismen (3), wobei der Bioreakor eine Reaktorkammer (10), in deren Inneren die Substrate (2) zum Bewuchs mit den Organismen (3) angeordnet sind, eine Begasungeinrichtung (4) zum Versorgen der Organismen (3) mit Gas (40), und eine Befeuchtungseinrichtung (5) zur Versorgung der Organismen (3) mit Feuchtigkeit (50) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate (2) stückig ausgebildet sind und im Betrieb als Schüttung (20) in der Reaktorkammer (10) vorliegen, wobei zwischen mehreren Substraten (2) Durchgangspfade (21) für Gas (40) und/oder Feuchtigkeit (50) vorhanden sind und der Bioreaktor (1) derart eingerichtet ist, dass die Schüttung (20) mit Licht (60) von der Lichteinrichtung (6) beleuchtbar ist.
2. Bioreaktor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate (2) eine durchschnittliche Größe von mehr als 1mm, bevorzugt mehr als 2mm und besonders bevorzugt mehr als 5 mm und bevorzugt höchstens 50mm und besonders bevorzugt höchstens 20mm aufweisen.
3. Bioreaktor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Substrate (2) Hydrogel aufweisen, wobei die Substrate bevorzugt mindestens zu einem großen Teil aus
Hydrogel bestehen und/oder eine Beschichtung aus Hydrogel aufweisen.
4. Bioreaktor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche von Substraten strukturiert ist.
5. Bioreaktor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil, vorzugsweise alle der Substrate (2) zumindest teilweise lichtdurchlässig sind, wobei dieser Teil der Substrate (2), vorzugsweise alle Substrate (2), bevorzugt vollständig lichtdurchlässig und insbesondere transparent sind.
6. Bioreaktor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate biologisch abbaubar sind.
7. Bioreaktor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bioreaktor (1) eine Trocknungseinrichung (452) aufweist, durch deren Aktivität die Organismen (3) oder ein Biofilm (31) aus Organismen (3) austrockenbar ist, insbesondere alle Organismen (3) bzw. der gesamte Biofilm (31) in dem Bioreaktor (1).
8. Bioreaktor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bioreaktor (1) eine Abzieheinrichtung aufweist, durch deren Aktivität der zumindest ein Teil der Organismen (3) in dem Bioreaktor (1) mit und/oder ohne Substraten (2) aus dem Bioreaktor (1) entnehmbar ist.
9. Bioreaktor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bioreaktor wenigstens eine Kammerpforte (7) aufweist, die dazu ausgebildet und dazu vorgesehen ist, dass durch die Kammerpforte (7) Substrate (2) und/oder die Organismen (3) in die Reaktorkammer (10) einbringar und/oder aus der Reaktorkammer (10) entnehmbar sind.
10. Bioreaktor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bioreaktor (1) einen Substratfilter (71) aufweist, mit dem Substrate (2) in der Reaktorkammer zurückhaltbar sind, während Organismen (3) und/oder von den Organismen (3) produzierte Stoffe die Reaktorkammer (10) durch die Kammerpforte (7) verlassen können.
11. Substrat (2) für einen emersen Bioreaktor (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) zumindest an seiner Außenoberfläche Hydrogel aufweist.
12. Substrate (2) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate (2) getrocknet sind und zumindest einen Teil einer Tablette bilden. .
13. Verfahren, gemäß dem Organismen (3) und/oder Biofilm (31) mit einem Bioreaktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 produziert werden, woran insbesondere Substrate (2) nach einem der Ansprüche 11 oder 12 beteiligt sind.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass Bioreaktor (1) derart gesteuert wird, dass die Organismen (3), die insbesondere einen Biofilm (31) auf den Substraten bilden, nach einer Wachstumsphase innerhalb der Reaktorkammer (10) austrocknen, insbesondere alle Organismen (3) bzw. der gesamte Biofilm (31) in der Reaktorkammer.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass getrockneter Biofilm aus der Reaktorkammer entnommen wird, während Substrate in der Reaktorkammer verbleiben.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass getrocknete Organismen (3) und/oder getrockneter Biofilm (31) vor dem Entnehmen aus der Reaktorkammer (10) von den Substraten (2) gelöst wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass Substrate (2) zusammen mit dem auf ihnen erzeugten Organismen (3) aus der Reaktorkammer (10) entnommen werden.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dass zur Produktion von Organismen (3) oder Biofilm (31) in die Reaktorkammer (10) getrocknete Substrate (2) eingebracht werden.
19. Verwendung von Biofilm (31) und/oder Organismen (3), die nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18 oder mit einem Bioreaktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 erzeugt worden ist, zum Düngen, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verfahren bzw. dem Bioreaktor (1) Organismen (3) eingesetzt werden, die in der Lage sind, Stickstoff aus einem Gas zu entnehmen und den Stickstoff in den Organismen (3) bzw. in einem Biofilm (31), der Organismen (3) enthält, anzureichem, und die produzierten Organismen (3) und/oder der produzierte Biofilm (31) zum Düngen ausgebracht werden.
20. Verwendung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Organismen (3) oder der Biofilm auf biologisch abbaubaren Substraten (2) erzeugt sind, wobei insbesondere die Substrate (2) beim Düngen ebenfalls ausgebracht werden.
21. Verwendung nach einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verfahren bzw. dem Bioreaktor (1) Substrate (2) eingesetzt werden, die Wasser aufnehmen können, wobei die Substrate (2) mit den produzierten Organismen (3) auf oder in einen B öden für Pflanzenwachstum ausgebracht werden, sodass der Boden verbessert wird.
22. Verwendung von Biofilm (31) und/oder Organismen (3), die nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18 oder mit einem Bioreaktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 erzeugt worden ist, als Nahrungsmittel für Menschen und/oder Tiere, wobei in dem Verfahren bzw. dem Bioreaktor (1) für Menschen und/oder Tiere eßbare Substrate (2) eingesetzt werden, sodass die Substrate (2) mit den Organismen (3) und/oder dem Biofilm (31) essbare Portionen ergeben.
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