NL1014825C2 - Werkwijze voor het kweken van algen. - Google Patents

Description

Werkwijze voor het kweken van algen

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het kweken van fotosynthetische micro-organismen (omvattende de groepen van de micro-algen en de 5 cyanobacteriën) op industriële schaal. De uitvinding wordt hier nader toegelicht aan de hand van algen als vertegenwoordigers van de fotosynthetische micro-organismen. Belangrijke taxonomische groepen in het algenrijk zijn: groenalgen, rode micro-algen, diatomeeën, dinoflagellaten.

Algenteelt is een milieuvriendelijk en energiezuinig proces voor de productie 10 van organisch materiaal door fotosynthese uit kooldioxide en lichtenergie. Daarbij wordt gebruik gemaakt van kostenloze energie uit zonlicht, kostenloze kooldioxide en water dat van lage kwaliteit kan zijn waaronder industrieel proceswater, effluent van biologische waterbehandeling, of andere afvalwaterstromen. Producten van de algenteelt zijn algenbiomassa en gezuiverd water, dat bijvoorbeeld kan worden toegepast als 15 industriewater. Indien het kooldioxide afkomstig is uit rookgas, levert deze algenproductie ook een bijdrage aan de rookgasreiniging, temeer omdat ook stikstofverbindingen (NOx) door de algen uit het rookgas kunnen worden verwijderd.

Uit de geproduceerde algenbiomassa kan - afhankelijk van de gekweekte soort — een reeks hoogwaardige stoffen worden gewonnen zoals: vetzuren (waaronder veel-20 voudig onverzadigde vetzuren, pigmenten, polysachariden en een reeks andere biologisch actieve stoffen. Deze producten kunnen worden toegepast in voeding en voedingssupplementen, cosmetica en andere 'personal care' producten, en in klinische en farmaceutische producten. Het restant van de biomassa kan worden bestemd als diervoeder, bodembemester of als grondstof voor energieproductie. De integratie van 25 productie- en milieufuncties is een gunstig kenmerk van algenteelt.

Voor de kweek van algen is de toevoer van (zon)licht vereist (als energiebron voor de fotosynthese) en een voldoende toevoer van voedingsstoffen in opgeloste vorm in het kweekmedium. Met name zijn dit: koolstof in de vorm van CO2, HCO3' of C02 afkomstig van mineralisatie van organische stoffen in het toegevoerde water, een 30 stikstofbron (doorgaans NO3-, NH4+ of ureum), fosfaat en een aantal andere nutriënten waaronder zwavel, kalium, magnesium en sporenelementen. Bij gebruik van afvalwater voor de kweek dienen hier - afhankelijk van de samenstelling - voedingsstoffen aan te worden toegevoegd om voldoende toevoer van alle benodigde voedingsstoffen te verzekeren. De vereiste nutriëntentoevoeging is afhankelijk van het type afvalwater. 35 Aan effluent van biologische waterzuivering kan het bijvoorbeeld noodzakelijk zijn fosfaat en sporenelementen toe te voegen om een goede groei mogelijk te maken. In 1 0U825 2 effluent of ander afvalwater is koolstof doorgaans (ook) aanwezig in gebonden vorm (CZV). Gebleken is dat deze organische stof in het algensysteem door bacteriën wordt gemineraliseerd, zodat C02 voor opname door de algen beschikbaar komt. Daarnaast is een aantal fotosynthetische micro-organismen in staat organische stof rechtstreeks op te 5 nemen en als voedingsstof en energiebron te benutten, in combinatie met het proces van de fotosynthese. Als alternatief kan ook ‘schoon’ worden gekweekt door gebruik van bijvoorbeeld oppervlaktewater of leidingwater waaraan de voedingsstoffen worden toegevoegd in de vorm van bijv. kunstmestproducten en zuiver, technisch C02.

In de praktijk tot nu toe worden twee typen algenkweeksystemen gebruikt. 10 Enerzijds zijn er de open systemen, bestaande uit open ondiepe bakken met een meng-voorziening, meestal ringvormig uitgevoerd (bijvoorbeeld “High Rate Algal Pond”, HRAP). Anderzijds kent men de gesloten fotobioreactorsystemen, die gewoonlijk de vorm hebben van staande of liggende buis- of paneelstelsels.

De open systemen worden ter verhoging van de efficiëntie gewoonlijk als 15 continue cultuur uitgevoerd, waarbij een vaste toevoer van kweekmedium of influent zorgt voor een constante verdunning van het systeem. De organismen passen hun groei-snelheid aan dit verdunningsregime aan, waarbij het organisme dat het best aan het in het systeem heersende milieu is aangepast de competitie met de andere organismen wint.

20 Het nadeel van de gangbare open algenkweeksystemen is de grote kans op infecties met ongewenste fotosynthetische micro-organismen die via de lucht of regen kunnen worden aangevoerd. In de praktijk is het daardoor niet mogelijk om een willekeurig gekozen algensoort met succes in open systemen te kweken, omdat algen die het systeem infecteren (veelal groenalgen) doorgaans snel gaan overheersen in het 25 systeem, waardoor de samenstelling van de algenbiomassa wordt verstoord. Hierdoor kunnen de samenstelling en kwaliteit van de geproduceerde biomassa (en daarmee de opbrengst van het gewenste product) niet worden beheerst. Dergelijke infecties vallen alleen te voorkomen door het kweekmedium zodanig te kiezen dat dit ongunstig is voor infecterende en andere ongewenste micro-organismen en gunstig is voor groei van de 30 gewenste algensoort, zodat deze de competitie kan winnen. In een beperkt aantal gevallen is dat mogelijk. Zo zijn bij de open kweek van Spirulina een hoge pH en een hoge alkaliniteit (zuuropnemend vermogen) selecterend voor deze algensoort. Naast Spirulina wordt een aantal Chlorella-soorten (zoals C. pyrenoidosa, en C. vulgaris) en Dunaliella-soorten (onder meer Dunaliella salina) aldus op grotere schaal gekweekt. De 35 selectieve voordelen die dit voor deze algengroepen mogelijk maken zijn respectievelijk: de hoge groeisnelheid waardoor de concurrentie van andere organismen 1014825 3 kan worden gewonnen (voor Chlorella sp.) en het zoutwatermilieu (voor Dunalietta sp.). Voor de meeste microalgensoorten geldt echter dat de kweekomstandigheden onvoldoende selectief zijn om goed beheersbare teelt in grootschalige open systemen mogelijk te maken. Daardoor is het productiepotentieel van algen (er zijn naar schatting 5 30.000 soorten) nog grotendeels onbenut. Ook indien het aanleggen van selectieve omstandigheden via de samenstelling van het kweekmedium mogelijk is, heeft dit nadelen, omdat het effluent na afscheiding van de biomassa niet kan worden hergebruikt. Bij de teelt van Spirulina sp. bijvoorbeeld is de consequentie dat het effluent een hoge pH en alkaliniteit heeft en daardoor voor vele doeleinden onbruikbaar 10 is. De teelt in zout water - zoals bij Dunaliella sp. - is weliswaar selectief voor Dunalietta (en mogelijk andere algengroepen) maar leidt evenmin tot een herbruikbaar effluent. De kweek van geselecteerde algensoorten in open continue cultuur in combinatie met hergebruik van het effluent is daardoor tot nu toe in het geheel niet mogelijk.

15 Een alternatief voor de geschetste problemen zou kunnen zijn de uitvoering van de algenteelt in gesloten fotobioreactoren. Daarin kunnen de procescondities nauwkeurig worden beheerst en treden geen infecties met ongewenste algensoorten op. Een groot nadeel van de gesloten fotobioreactoren vormen de hoge investeringskosten, die leiden tot hoge productiekosten. Daarnaast is de technologie van de fotobioreactoren 20 nog onvoldoende ontwikkeld voor een grootschalige toepassing.

Gevonden is nu een algenkweeksysteem, waarbij een hoge productie gepaard kan gaan aan een hoge graad van zuiverheid van de gekozen algensoort, dat wil zeggen met een minimale besmetting met andere, ongewenste soorten, en waaruit na afscheiding van de geproduceerde algen uit de vloeistof een effluent resulteert dat nuttig 25 kan worden toegepast, bijv. als industriewater. De werkwijze volgens de uitvinding wordt nader omschreven in bijgaande conclusies en in onderstaande toelichting.

De werkwijze voor het kweken van algen volgens de uitvinding berust op het toepassen van een serie achter elkaar geschakelde open reactoren. Het totale systeem gedraagt zich als een propstroomreactor, en wel sterker naarmate het aantal geschakelde 30 reactoren groter is. Deze propstroomreactor wordt, bij voorkeur continu dan wel periodiek, beent met een grote hoeveelheid algen, die onder gecontroleerde condities zijn voorgekweekt in een gesloten fotobioreactor en/of een ander van de buitenlucht afgesloten of afdoende overdekt kweeksysteem (bijv. een kas). Onder een gesloten reactor wordt hier aldus verstaan een reactor die in voldoende mate van mogelijke 35 infectiebronnen is afgesloten; afhankelijk van de omstandigheden kan dit ook een semi-gesloten reactor zijn.

1014825 4

De grote hoeveelheid algen waarmee de propstroomreactor vanuit de gesloten voorkweek wordt beënt bedraagt ten minste 105 cellen per lading; anderzijds kan deze hoeveelheid worden uitgedrukt ten opzichte van de uiteindelijk gewonnen hoeveelheid algen of fotosynthetische bacteriën, bij voorkeur ten minste 100 ppm van die 5 uiteindelijke hoeveelheid.

Kenmerk van het reactorsysteem van het propstroomtype is dat er geen macro-terugmenging optreedt, waardoor een eventueel optredende verontreiniging zich niet tot hogere dichtheden kan ontwikkelen en wordt uitgespoeld. Het onderliggende principe van de massale beënting met een gecontroleerde voorkweek wordt verduidelijkt in 10 onder staand kader.

De groei van algen

Indien de generatiesnelheid van een alg gelijk is aan T, kan de biomassa na een periode t uitgerekend worden met de volgende vergelijking

Nt = N0 2^ (N o is biomassa op t = 0)

De gevormde biomassa na een periode t wordt dus bepaald door N 0 en de generatietijd T Voorbeeld:

Bij een enting van 10 6 cellen van soort A met een generatietijd van 24 uur, zal de biomassa na 240 uur bedragen: N 24o = 1,024.109 cellen

Een infectie van soort B die bij het begin van het systeem binnenkomt en een generatietijd heeft van de helft van die van organisme A zal na 240 uur een biomassa hebben van: N240= 1,049 .106 cellen.

Conclusie

Ondanks de twee maal hogere groeisnelheid van de infectie vormt deze na 10 generaties slechts 0,1 % van de biomassa . Dit wordt veroorzaakt door de massale beginenting van soort A (10 6 cellen) t.o.v de beginenting van de infectie (1 cel)

Een open systeem gebaseerd op een massale enting en een constante stroom in één richting kan gebruikt worden voor de productie van relatief langzaam groeiende algensoorten zonder last van luchtinfecties. In principe kunnen zo alle gewenste algensoorten worden gekweekt.

De serie geschakelde open reactoren telt ten minste drie reactoren, bij voorkeur ten minste vier reactoren. De schakeling is zodanig dat bij overdracht van de inhoud van de 15 ene reactor naar de volgende reactor niet meer dan 5% terugmenging plaats vindt, d.w.z. dat niet meer dan 5% van de inhoud van de reactor die wordt doorgegeven aan de stroom» afwaartse reactor wordt gemengd met de volgende inhoud afkomstig van de stroom- 1 014825 5 opwaartse reactor. Bij voorkeur is dit percentage lager, bij voorbeeld ten hoogste 2% of liefst ten hoogste 1%. Het zal duidelijk zijn dat naarmate dit terugmengpercentage lager is, met het oog op beperking van infecties kan worden volstaan met een kleinere serie reactoren.

5 Voor de uitvoering van een dergelijk systeem kan worden gedacht aan een cascade van geschakelde buis- of gootreactoren (goten, kanalen, buizen of vergelijkbaar) of een cascade van ideaal gemengde reactorsystemen (CISTR's). Deze laatste kunnen zowel ideaal gemengde tankreactoren zijn als ook buisreactoren met statische mengers of gelijkwaardige systemen.

10 In de geschakelde elementen van het systeem vindt een exponentiële toename van de biomassa plaats (zoals toegelicht in bovenstaand kader). Daarnaast is het van belang voor het bereiken van een zo hoog mogelijke algenproductiviteit dat de bio-massadichtheid in het systeem zo nauwkeurig mogelijk wordt gehandhaafd op een optimale, constante waarde teneinde de omzetting van het invallende licht in algen-13 biomassa zo efficiënt mogelijk te laten verlopen. Deze optimale dichtheid is een functie van de invallende lichtintensiteit en de cultuurdiepte. Daar de biomassadichtheid optimaal moet blijven en de waterdiepte niet mag toenemen, zullen de elementen van het systeem bij voorkeur een exponentiële vergroting van het oppervlak vertonen. De vergroting van het oppervlak kan worden verkregen door een toename van het aantal 20 elementen in stroomafwaartse richting. In plaats daarvan kan een vergroting van het oppervlak worden verkregen door vergroting van het reactorvolume in stroomafwaartse richting. De volume-toename wordt verkregen door op twee of meer plaatsen extra kweekmedium of afvalwater met voedingsstoffen toe te voeren, waardoor de algenconcentratie op een constant niveau gehandhaafd blijft. Deze toevoeging wordt 25 gedoseerd op de algenconcentratie en derhalve op de groeisnelheid van de algen in het systeem. Daardoor is ook de stroomsnelheid een functie van de momentane groeisnelheid van de gekweekte alg. Aan het eind van het systeem worden de algen afgescheiden van het kweekmedium, waardoor als producten: gereinigd water en algenbiomassa als grondstof voor winning van producten ontstaan.

30 In Fig.l wordt het principe geïllustreerd aan de hand van een systeem bestaande uit een gesloten buizenbioreactor voor continue beënting van het open systeemdeel, dat -in dit voorbeeld- bestaat uit open goten.

Het systeem is in principe geschikt voor de grootschalige kweek van alle gewenste soorten en stammen fotosynthetische micro-organismen, ook die soorten en 35 stammen die bij de huidige stand van de techniek slechts in gesloten reactorsystemen met succes kunnen worden gekweekt, vanwege de eerder beschreven besmettings- 1014825 6 problematiek. Daardoor wordt bereikt dat -door de 'vrije' soorten- en/of stammenkeuze-ook de gewenste producten 'vrij' kunnen worden gekozen uit het spectrum van inhoud-stoffen die door fotosynthetische micro-organismen worden geproduceerd en dat aanzienlijk lagere productiekosten per eenheid biomassa en per eenheid product worden 5 gerealiseerd omdat het gevonden systeem een belangrijk lagere investering vereist dan gesloten bioreactorsystemen ven vergelijkbare schaal.

De werkwijze en het systeem volgens de uitvinding zijn geschikt voor elke soort of stam uit de groep van de fotosynthetische micro-organismen. Deze omvat fotosynthetische bacteriën en microalgen, uit de orde van de Cyanobacteriën (eertijds ook 10 wel aangeduid als algenorde Cyanophyta), de orde Chlorophyta (groene algen), de orde Chromophyta, de orde Cryptophyta, de orde Pyrrhophyta (dinoflagellaten), de orde Euglenophyta en de orde Rhodophyta (rode microalgen). Tot de Chromophyta behoren volgens deze indeling onder meer de klassen Bacillaiiophyceae (diatomeeën), Chryso-phyceae (goudalgen), Eustigmatophyceae en Xanthophyceae (geelgroene algen). 15 Volgens oudere indelingen vormen sommige van deze klassen eigen ordes (Bacillariophyta, Xanthophyta e.d.)

Voorbeelden zijn de kweek van Monodus-soorten (Eustigmatophyceae) voor de productie van veelvoudig onverzadigde vetzuren. Daarvan kan worden genoemd de soort Monodus subterraneus, een zoetwatersoort met optimale kweektemperatuur van 20 ca. 25°C en een optimale groeisnelheid (μ) van ca. 0.04 uur*1. Andere voorbeelden zijn soorten en stammen uit het microalgen-genera Porphyridium sp. (Rhodophyta) voor de productie van phycobiliproteinen en Chlorélla sp. (Chlorophyta) voor de productie van carotenoiden en bio-actieve stoffen en de cyanobacteriën-genera Nostoc sp., (voor productie van phycobiliproteinen) en Calothrix sp. (voor phycobiliproteinen en neven-25 producten).

Fieuurbeschriiving:

Figuur 1 geeft een overzicht van integraal kweeksysteem volgens de uitvinding.

Figuur 2 is een schematische weergave van het principe van een combinatie van een 30 gesloten fotobioreactor voor de productie van de ent (A) en het open systeemdeel, de Multiplicator (B) waarin de algen een aantal generaties verblijven (in dit voorbeeld 4 generaties). Het onderste deel van de figuur toont het principe van het open systeemdeel waarin de oppervlakte exponentieel toeneemt, zoals aangegeven door de exponentiële toename van het aantal blokjes. In de praktijkuitvoering zullen deze blokjes ofwel 35 bestaan uit (geschakelde) buis- of goot-reactoren (goten, kanalen, buizen of vergelijkbaar) of (geschakelde) ideaal gemengde reactorsystemen (CISTR's). Deze individuele 1014825 7 elementen van het systeem zullen om technische en economische redenen bij voorkeur een groter oppervlak hebben dan de getekende blokjes, dit onder de voorwaarde dat het oppervlak van het systeem als geheel exponentieel toeneemt in de lichting van de propstroom.

5 1014825

Claims (13)

1. Werkwijze voor het kweken vaii fotosynthetische micro-organismen in een open systeem door enten van een waterhoudend medium met een of meer soorten of stammen uit de groep van de fotosynthetische micro-organismen, kweken van de micro-organismen en winnen van de geproduceerde biomassa, met het kenmerk, dat men de fotosynthetische micro-organismen kweekt in een serie open reactoren, waarvan men de eerste ent met entmateriaal dat is voorgekweekt in een gesloten fotobioreactor.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij men de algen in de serie open reactoren gedurende 3 tot 15 generaties kweekt.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, waarbij men de concentratie biomassa in de serie open reactoren goeddeels constant houdt.

4. Werkwijze volgens een der conclusies 1-3, waarbij het oppervlak van de serie open reactoren per generatie of twee generaties van het gekweekte organisme verdubbelt in stroomafwaartse richting.

5. Werkwijze volgens een der conclusies 1-4, waarbij men op twee of meer plaatsen in de serie open reactoren medium toevoegt.

6. Werkwijze volgens een der conclusies 1-5, waarbij de terugmenging van reactorinhoud van een open reactor naar de direct stroomopwaarts liggende open reactor ten hoogste 5% bedraagt.

7. Werkwijze volgens een der conclusies 1-6, waarbij men als medium gebruik maakt van afval(water)stromen, al dan niet voorzien van aanvullende voedingsstoffen.

8. Werkwijze volgens een der conclusies 1-7, waarbij men na het afscheiden van de biomassa het resulterende effluent, al dan niet na een of meer aanvullende zuiveringsstappen, gebruikt voor toepassing als industriewater.

9. Werkwijze volgens een der conclusies 1-8, waarbij men fotosynthetische micro-organismen uit de groep van de micro-algen kweekt. 1014825 »

10. Werkwijze volgens conclusie 9, waarbij men fotosynthetische micro-organismen uit de groep van de Chlorophyta (groenalgen) of Chromophyta kweekt.

11. Werkwijze volgens conclusie 9, waarbij men fotosynthetische micro-organismen uit de groep van de Cryptophyta (goudalgen) of Pyrrhophyta (dinoflagellaten) kweekt.

12. Werkwijze volgens conclusie 9, waarbij men fotosynthetische micro-organismen uit de groep van de Euglenophyta of Rhodophyta kweekt

13. Werkwijze volgens een der conclusies 1-9, waarbij men fotosynthetische micro-organismen uit de groep van de cyanobacteriën kweekt. 1014825