NL2002309C2

NL2002309C2 - PHOTOBIOREACTOR AND METHOD FOR GROWING ALGAE.

Info

Publication number: NL2002309C2
Application number: NL2002309A
Authority: NL
Inventors: Gerrit Vermeer
Original assignee: Newplant B V
Priority date: 2008-12-10
Filing date: 2008-12-10
Publication date: 2010-06-11

Description

Fotobioreactor en werkwijze voor het kweken van algen.Photo bioreactor and method for growing algae.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een fotobioreactorstelsel omvattende een hellend groeivlak voor algen, aan de stroomafwaartse zijde 5 aangesloten op een houder, welke houder verbonden is met de inlaat van een pomp, waarbij de afVoer van die pomp verbonden is met de stroomopwaartse zijde van dat hellende groeivlak, waarbij dat hellende groeivlak omvat een gotensamenstel met ten minste drie naast elkaar aangebrachte en zich in hoofdzaak op dezelfde wijze uitstrekkende goten.The present invention relates to a photobioreactor system comprising an inclined growth surface for algae, connected on the downstream side to a holder, which holder is connected to the inlet of a pump, the discharge of that pump being connected to the upstream side of that inclined growth surface, wherein said inclined growth surface comprises a netting assembly with at least three troughs arranged next to each other and extending substantially in the same manner.

10 Een dergelijk stelsel is bekend uit WO 03/066799 Al. Daarin wordt een aantal goten beschreven waarin algenkweek plaats kan vinden.Such a system is known from WO 03/066799 A1. A number of gutters are described in which algae cultivation can take place.

Bovendien is uit US 5,981,271 een fotobioreactorstelsel bekend waarbij een tweetal op elkaar aansluitende hellende vlakken beschreven waarbij op elk hellend vlak een waterfilm gehandhaafd wordt waarop de algen gekweekt worden.In addition, a photobioreactor system is known from US 5,981,271 in which two adjacent sloping surfaces are described, wherein a water film is maintained on each sloping surface on which the algae are cultivated.

15 Een dergelijke teeltmethode stelt hoge eisen aan de positionering van de draagvlakken. Deze moeten zeer nauwkeurig gepositioneerd worden en reeds de geringste afwijking, en met name afwijking ten opzichte van de horizontaal in de richting dwars op de stroomrichting leidt tot enerzijds plaatsen die geen of onvoldoende water ontvangen en anderzijds plaatsen die teveel water ontvangen.Such a cultivation method places high demands on the positioning of the bearing surfaces. These must be positioned very accurately and even the slightest deviation, and in particular deviation from the horizontal in the direction transverse to the flow direction, leads to places that receive no or insufficient water and places that receive too much water.

20 Het is een doel van de onderhavige uitvinding dit nadeel te vermijden en in een verbeterde fotobioreactor te voorzien die goedkoper vervaardigd kan worden en minder gevoelig is voor het later opnemen verzakkingen, bezettingen en dcrgclijkc.It is an object of the present invention to avoid this drawback and to provide an improved photobioreactor that can be manufactured more cheaply and is less sensitive to subsidence, occupation and obvious subsidence.

Dit doel wordt bij de hierboven beschreven fotobioreactorstelsel verwezenlijkt doordat die goten met een helling van 0,5 - 5% zijn aangebracht en waarbij in die goten 25 stuwen zijn aangebracht.This object is achieved in the photobioreactor system described above in that those gutters are arranged with a slope of 0.5 to 5% and wherein weirs are provided in those gutters.

Volgens de onderhavige uitvinding wordt het vlak waarop de algen gekweekt worden onderverdeeld in een groot aantal subvlakken, dat wil zeggen de aan elkaar grenzende goten. Deze goten strekken zich in hoofdzaak in dezelfde richting uit maar in principe vormt het geen probleem indien een goot wat lager ligt dan de daaraan 30 grenzende goot. In beide goten zullen de algen nog steeds van voldoende water voorzien worden aannemend dat bij de stroomopwaartse zijde aan elk van de goten voldoende water toegevoerd wordt. Dergelijke goten zijn in de stand der techniek als 2 teeltgoten of andere goten algemeen bekend en kunnen bijzonder eenvoudig vervaardigd worden.According to the present invention, the surface on which the algae are cultivated is subdivided into a large number of sub-surfaces, i.e. the adjacent troughs. These gutters extend substantially in the same direction, but in principle it is no problem if a gutter is somewhat lower than the gutter adjacent thereto. In both gutters, the algae will still be supplied with sufficient water, assuming that sufficient water is supplied to each of the gutters at the upstream side. Such troughs are generally known in the art as 2 cultivation troughs or other troughs and can be manufactured particularly easily.

Volgens een voorkeursuitvoering van de onderhavige uitvinding worden dergelijke goten eenvoudig vervaardigd door het voorzien in een hellende bodem. Het aanbrengen 5 van dergelijke hellende bodems is in de stand der techniek voor het vervaardigen van draagbodem voor gewassen algemeen bekend (eb-vloedsystemen). Vervolgens worden op deze hellende bodem met regelmatige tussenruimten verticale schotten geplaatst, die de tussenschotten tussen de betreffende goten vormen. Daarna wordt in waterdichtheid een verdere afwerking van de goten voorzien door over dit geheel folie aan te brengen. 10 Daarbij is het niet noodzakelijk dat hetzij de bodem hetzij de schotten hetzij de aansluiting tussen bodem en schotten waterdicht is.According to a preferred embodiment of the present invention, such troughs are simply manufactured by providing an inclined bottom. The provision of such sloping soils is generally known in the state of the art for the production of substrate for crops (ebb-flood systems). Subsequently, vertical partitions are placed on this sloping bottom at regular intervals, forming partitions between the gutters in question. A further finish of the gutters is then provided in watertightness by applying foil over this whole. It is not necessary that either the bottom or the partitions or the connection between bottom and partitions is watertight.

Vanzelfsprekend is het mogelijk op andere wijze in de goten te voorzien. Zo is het mogelijk goten van de rol te gebruiken, die bij installatie in de gewenste vorm gebracht worden en voor het vergroten van de sterkte met elkaar gekoppeld kunnen worden.It is of course possible to provide the gutters in a different way. Thus, it is possible to use gutters from the roll, which during installation are brought into the desired shape and which can be coupled together for increasing the strength.

15 Volgens de uitvinding zijn middelen aanwezig om de stroming van het water door de goten te beïnvloeden. Dergelijke middelen kunnen stuwen omvatten zoals natuurlijke stuwen bestaande uit dwarsschotten die onder of in de goten gemonteerd kunnen worden of met behulp van het doorblazen van gassen kan op enigerlei plaats de stroming tegengehouden worden. Daarmee is het mogelijk bij verhoudingsgewijs grote 20 waterdiepte zeer beperkte stroming van het water te verkrijgen. Bij voorkeur ligt de waterdiepte in de goten tussen 0,5 en 5 cm en is meer in het bijzonder ongeveer 2,5 cm.According to the invention, means are present for influencing the flow of the water through the gutters. Such means may comprise weirs such as natural weirs consisting of transverse bulkheads which can be mounted under or in the gutters or by means of blowing through gases the flow can be stopped at any location. This makes it possible to obtain a very limited flow of water with a relatively large water depth. The water depth in the troughs is preferably between 0.5 and 5 cm and more in particular approximately 2.5 cm.

Volgens een bijzondere uitvoering van de onderhavige uitvinding wordt de fotobioreactor die hierboven beschreven is, geplaatst in een ten opzichte van de omgeving afgesloten teeltruimte. Daardoor is het niet langer mogelijk dat altijd in de 25 omgeving aanwezige algen of andere micro organismen of verontreinigingen, de algengroei in de fotobioreactor verstoren. Daardoor kan met zeer kwetsbare gemakkelijk te verdringen algen in de fotobioreactor gewerkt worden omdat deze geen concurrentie hebben van andere algsoorten of door verontreinigen aangetast kunnen worden. Bovendien wordt daardoor de bedrijfszekerheid van de reactor vergroot en kan 30 gewaarborgd worden dat steeds het gewenste algensoort gekweekt wordt. Dit kan zowel een zoetwater- als een zoutwateralgsoort zijn. Een dergelijke afgesloten ruimte kan enige verstelbare ruimte omvatten maar is bij voorkeur uit een lichtdoorlatend 3 materiaal vervaardigd zodat inwendige verlichting zover mogelijk beperkt kan worden. Meer in het bijzonder wordt de afsluiting gevormd door een in de stand der techniek als zodanig bekende teeltruimte zoals een kas. Een dergelijke kas kan elke uitvoering hebben zoals een tunnelkas, een kas met kappen en dergelijke. Bovendien kan voor de 5 omhulling van de fotobioreactor elk materiaal gebruikt worden zoals kunststof, glas en dergelijke.According to a special embodiment of the present invention, the photobioreactor described above is placed in a cultivation room closed off from the environment. As a result, it is no longer possible for algae or other micro-organisms or contaminants that are always present in the environment to disrupt the growth of algae in the photobioreactor. As a result, very fragile, easily displaceable algae can be used in the photobioreactor because they have no competition from other algae species or can be affected by contamination. Moreover, the operational reliability of the reactor is thereby increased and it can be guaranteed that the desired type of algae is always cultivated. This can be both a freshwater and a saltwater algae species. Such a closed space may comprise some adjustable space, but is preferably made of a light-transmitting material so that internal lighting can be limited as far as possible. More in particular, the closure is formed by a cultivation space known as such in the state of the art, such as a greenhouse. Such a greenhouse can be of any embodiment such as a tunnel greenhouse, a greenhouse with caps and the like. Moreover, any material such as plastic, glass and the like can be used for the envelope of the photobioreactor.

Bij het in een gesloten ruimte kweken van algen is het mogelijk dat door de invloed van straling de temperatuur van het water waarin de algen opgekweekt worden te hoog wordt. In dat geval moeten maatregelen genomen worden om koeling te 10 verwezenlijken. Dit kunnen niet algemeen bekende maatregelen zijn zoals het actief koelen van het circulerende water. Volgens een bijzondere uitvoering van de uitvinding wordt de circulatiesnelheid van het water in de goten onder andere geregeld afhankelijk van de temperatuur daarvan. Bij een hogere temperatuur wordt een hogere omloop snelheid gekozen zodat door de buffende werking van een eventueel aanwezig mengvat 15 respectievelijk buffervat temperatuurspieken vereffend kunnen worden. Volgens een bijzondere uitvoering van de onderhavige uitvinding kan verdere koeling verkregen worden doordat uit de goten verdampend water dat neerslaat op de wand van de afsluiting ten opzichte van de omgeving (kaswand) teruggevoerd wordt in het systeem.When growing algae in a closed space, it is possible that due to the influence of radiation the temperature of the water in which the algae are grown becomes too high. In that case, measures must be taken to achieve cooling. These measures may not be generally known, such as the active cooling of the circulating water. According to a special embodiment of the invention, the circulation speed of the water in the troughs is controlled inter alia depending on the temperature thereof. At a higher temperature, a higher circulation speed is selected so that temperature peaks can be compensated for by the bending action of a possibly present mixing vessel or buffer vessel. According to a special embodiment of the present invention, further cooling can be obtained because water evaporating from the troughs and depositing on the wall of the closure relative to the environment (greenhouse wall) is fed back into the system.

Daarmee wordt dadelijk een verder voordeel van de onderhavige uitvinding 20 aangegeven. Door het in een gesloten ruimte telen, kan het waterverlies onder andere met de hierboven genoemde maatregel beperkt worden of zelfs volledig voorkomen worden zodat op elke locatie op aarde, ook op plaatsen waar watergebrek heerst de teelt uitgevoerd kan worden.This immediately indicates a further advantage of the present invention. By growing in a closed space, the water loss can, among other things, be limited with the above-mentioned measure or even completely prevented so that cultivation can be carried out at any location on earth, even in places where there is a lack of water.

Volgens een verdere uitvoering van de onderhavige uitvinding wordt kooldioxide 25 of ander groeibevorderend gas toegevoerd. Dit kan zowel in de teeltruimte zijn als aan het water dat aan de algen toegevoegd wordt. Bij ge wast cc It in de hierboven beschreven gesloten uitvoering van de onderhavige uitvinding hoeft verlies van CO2 niet gevreesd te worden zodat met een beperkte doses van CO2 het optimale effect in een dergelijke gesloten teeltruimte verwezenlijkt kan worden. Hierin worden onder 30 micro-algen alle microscopische soorten planten in het bijzonder eencellige planten bestaan die groeien in een vloeistofomgeving. Voor verdere ventilatie is het mogelijk in 4 het teeltruimte ventilatiemiddelen zoals een ventilator of een met fijn gaas afdekbare doorlatende opening aan te brengen.According to a further embodiment of the present invention, carbon dioxide or other growth-promoting gas is supplied. This can be either in the growing room or in the water that is added to the algae. In the closed embodiment of the present invention described above, loss of CO2 need not be feared so that with a limited dose of CO2 the optimum effect can be realized in such a closed cultivation space. Herein, among micro-algae, all microscopic species of plants, in particular single-cell plants, exist that grow in a fluid environment. For further ventilation it is possible to provide ventilation means such as a fan or a permeable opening that can be covered with fine mesh in the cultivation space.

Door het hoge gehalte van de C02 in de omringende lucht is het ook mogelijk om het waterniveau in de tijd te variëren (bekend als het eb- en vloedsysteem) bijvoorbeeld 5 door de stuwen te verhogen - verlagen. Bij het lage waterniveau komen de organismen dan beter in contact met de C02 van de omringende lucht. Het voordeel van deze werkwijze is dat algen die op het grensvlak van water en lucht gedijen ook in het systeem geteeld kunnen worden. De oogst kan hierbij via een zuigsysteem plaatsvinden.Due to the high content of the CO2 in the surrounding air, it is also possible to vary the water level over time (known as the ebb and flow system), for example by raising and lowering the weirs. At the low water level, the organisms then come into better contact with the CO2 of the surrounding air. The advantage of this method is that algae that thrive on the interface between water and air can also be grown in the system. The harvest can take place via a suction system.

10 De onderhavige uitvinding wordt hieronder nader aan de hand van een in de tekening afgebeeld uitvoeringsvoorbeeld verduidelijkt. Daarbij tonen:The present invention is explained in more detail below with reference to an exemplary embodiment shown in the drawing. Show:

Fig. 1 schematisch in perspectief een fotobioreactor aangebracht in een teeltruimte; en 15 Fig. 2 een detail van de gootconstructie volgens de uitvinding.FIG. 1 is a diagrammatic, perspective view of a photobioreactor installed in a growing room; and FIG. 2 shows a detail of the gutter construction according to the invention.

In fig. 1 is met 1 een teeltruimte zoals een kas getoond. Begrepen moet worden dat een dergelijke teeltruimte op enigerlei andere wijze uitgevoerd kan worden. Deze teeltruimte is voorzien van een zijwand 2 en een niet nader aangegeven kapconstructie.In Fig. 1, 1 shows a growing space such as a greenhouse. It must be understood that such a cultivation space can be designed in any other way. This cultivation space is provided with a side wall 2 and a roof construction not further specified.

20 De bodem van de teeltruimte (zie fig. 2) is met 17 aangegeven en is hellend afgevoerd. De hellingshoek bedraagt bij voorkeur enkele procenten. Zoals uit fig. 2 blijkt, wordt op dit hellende bodcmvlak 17 een aantal schotten 18 geplaatst cn vervolgens wordt over deze schotten een foliemateriaal 19 aangebracht. Dit fo Hernat er iaal kan in principe elk soort foliemateriaal zijn maar is bij voorkeur een 25 waterdicht materiaal dat verhoudingsgewijs glad is waardoor aanhechting van algen en dergelijke zoveel mogelijk voorkomen kan worden. Als voorbeelden wordt een PE of HDPE-folie genoemd. Op de hierboven beschreven wijze ontstaat door een combinatie van folie 19, schotten 18 en bodem 17, een gootsamenstel 10 opgebouwd uit een aantal allerlei grenzende goten 11. In principe hebben deze goten allen dezelfde helling. Het is 30 mogelijk dat door plaatselijke omstandigheden geringe verschillen optreden. Omdat de goten ten opzichte van de hierna te bespreken waterdiepte slechts beperkte breedte hebben, zal het effect van het enigszins scheef staan in horizontale richting, dat wil 5 zeggen in de richting in figuur 2 van links naar rechts, geen effect hebben op de volgende aangrenzende goot.The bottom of the cultivation space (see fig. 2) is indicated by 17 and is drained away. The angle of inclination is preferably a few percent. As can be seen from Fig. 2, a number of partitions 18 are placed on this inclined bottom surface 17 and subsequently a film material 19 is applied over these partitions. This material can in principle be any type of film material, but is preferably a watertight material that is relatively smooth, whereby adhesion of algae and the like can be prevented as much as possible. A PE or HDPE film is mentioned as examples. In the manner described above, a combination of foil 19, partitions 18 and bottom 17 creates a gutter assembly 10 composed of a number of all kinds of adjacent gutters 11. In principle, these gutters all have the same slope. It is possible that slight differences occur due to local circumstances. Because the gutters have only a limited width relative to the water depth to be discussed below, the effect of being slightly skewed in the horizontal direction, i.e. in the direction in Figure 2 from left to right, will have no effect on the next adjacent gutter.

Uit fïg. 1 blijkt dat het gootsamenstel 10 in de teeltruimte 1 aangebracht is. Bovendien kunnen in de flg. 2 verwezenlijkte goten 11 stuwen 12 aangebracht worden 5 waarbij daardoor ook zonder circulatie van water in de goten water blijft staan. Het gotensamenstel heeft een stroomopwaartse zijde 13 die verhoudingsgewijs hoog ligt en een stroomafwaartse zijde 14 die verhoudingsgewijs laag ligt. Bij de stroomafwaartse zijde is een voor alle goten en een gemeenschappelijke opvang aanwezig die via een leiding 15 verbonden is met een mengvat 6. Uit mengvat 6 komt een leiding 8 die 10 verbonden is met een pomp 9 en aan de stroomopwaartse zijde 13 alle goten in hoofdzaak gelijkmatig van water voorziet. In de bovenzijde van het mengvat komt een CO2 toevoerleiding 7 uit. Om het schematisch in het mengvat aangeduide watemiveau te handhaven is een buffervat 5 aanwezig. Op dit buffervat 5 is behalve een uitwendige toevoer een leiding 4 aangesloten die verbonden is met een inwendige goot 3 van de 15 eindwand2.From FIG. 1 it appears that the trough assembly 10 is arranged in the cultivation space 1. In addition, in the flg. 2 realized gutters 11 weirs 12 are provided whereby water remains in the gutters even without circulation of water. The gutter assembly has an upstream side 13 that is relatively high and a downstream side 14 that is relatively low. At the downstream side there is a catch for all gutters and a common collector which is connected via a pipe 15 to a mixing vessel 6. From mixing vessel 6 a pipe 8 is connected which is connected to a pump 9 and on the upstream side 13 all gutters into provides substantially even water. A CO2 supply line 7 emerges in the top of the mixing vessel. To maintain the water level indicated schematically in the mixing vessel, a buffer vessel 5 is provided. In addition to an external supply, a pipe 4 is connected to this buffer vessel 5 which is connected to an internal channel 3 of the end wall 2.

De hierboven beschreven constructie werkt alsvolgt. Water wordt met behulp van pomp 9 gecirculeerd vanaf de stroomopwaartse zijde 13 aan de stroomafwaartse zijde 14. Naar behoefte wordt CO2 in het mengvat 6 gedoseerd en door het water wat met pomp 9 naar de stroomopwaartse zijde 13 gepompt wordt, geabsorbeerd en bij het 20 doorstromen van de goten 11 weer afgegeven. Omdat de teeltruimte 1 in het algemeen uit lichtdoorlatend materiaal bestaat, kan de bestraling een plaatselijk verhoogde temperatuur ontstaan terwijl de buitentemperatuur aanzienlijk lager is. In dat geval zal water uit de goot verdampen en aan de zijdelings wanden zoals aan het wand 2 condenseren. Door de aanwezigheid van goot 3 kan dit gecondenseerde water via 25 leiding 4 terugstromen in de waterbuffer 5. Op deze wijze gaat geen water verloren en is het niet noodzakelijk water toe te voeren terwijl toch in een effectieve koeling voorzien kan worden. Zelfs tevens is het mogelijk deze koeling verder te optimaliseren door het aanbrengen van bijzondere warmtewisselaarspompen en dergelijke.The construction described above works as follows. Water is circulated with the help of pump 9 from the upstream side 13 on the downstream side 14. As required, CO2 is dosed into the mixing vessel 6 and absorbed by the water which is pumped with pump 9 to the upstream side 13 and flow-through from the troughs 11. Because the cultivation space 1 generally consists of light-transmitting material, the irradiation can result in a locally elevated temperature, while the outside temperature is considerably lower. In that case, water will evaporate from the gutter and condense on the side walls such as on the wall 2. Due to the presence of gutter 3, this condensed water can flow back via line 4 into the water buffer 5. In this way no water is lost and it is not necessary to supply water, while effective cooling can nevertheless be provided. It is also possible to further optimize this cooling by applying special heat exchanger pumps and the like.

Doordat het buffervat in combinatie met het mengvat een aanzienlijk volume 30 heeft, is het mogelijk piektemperaturen weg te nemen door de stroomsnelheid van het water in het gotensamenstel 10 te verhogen. Daardoor kan meer warmte in het mengvat 6 6 respectievelijk buffervat 5 opgenomen worden. Dit is slechts tijdelijk verlaagd maar kan bij gedeeltelijk bewolkt weer voldoende zijn.Because the buffer vessel in combination with the mixing vessel has a considerable volume, it is possible to remove peak temperatures by increasing the flow rate of the water in the drain assembly 10. As a result, more heat can be absorbed in the mixing vessel 6 or buffer vessel 5, respectively. This is only temporarily reduced but may be sufficient in partly cloudy weather.

Na het lezen van bovenstaande beschrijving zullen degenen bekwaam in de stand der techniek duidelijk varianten opkomen die voor de handliggend zijn. Deze liggen 5 binnen het bereik van de bijgaande conclusies.After reading the above description, those skilled in the art will clearly come up with variants that are obvious. These are within the scope of the appended claims.

Claims

A photobioreactor system comprising an inclined growth surface for algae, connected on the downstream side (14) to a holder (6), which holder is connected to the inlet of a pump (9), the discharge of said pump being connected to the upstream side (13) of said inclined growth surface, said inclined growth surface comprising a channel assembly (10) with at least three adjacent gutters (11) arranged in substantially the same way, characterized in that said gutters with an inclination from 0.5 to 5% and with dams (12) arranged in those gutters.

System according to claim 1, wherein said channels are arranged on an inclined bottom surface (17).

System according to one of the preceding claims, wherein said channels comprise vertical (18) and horizontal (17) carriers and a flexible foil (19) arranged over it.

4. System as claimed in any of the foregoing claims, wherein said troughs are arranged in a closed cultivation space (1).

5. System as claimed in claim 4, wherein said cultivation space comprises a light transmissive separation with respect to the environment.

System according to one of claims 4 or 5, wherein said cultivation space comprises a separation with respect to the environment, which is provided with moisture collection means (11).

System according to claim 6, wherein said moisture collection means (11) are in flowing connection with said troughs. 30

System according to one of the claims, wherein said container (6) comprises a CO2 supply (7).

A method for growing algae comprising growing algae on an inclined growth surface when water is circulated over said inclined growth surface from an upstream location of said growth surface to a downstream location of said growth surface, the growth surface comprising at least three adjacent to each other troughs arranged and extending substantially in the same manner, characterized in that a minimum water height of 1 cm is maintained in each of said troughs, wherein the flow of water through said troughs is retained at any location.

10. Method as claimed in claim 9, wherein said troughs are realized by providing a sloping bottom common to said troughs, arranging vertical partitions thereon and placing a foil over said bottom and said partitions.

11. Method as claimed in claim 9 or 10, wherein the circulation speed of said water in said gutters is dependent on the water temperature in those gutters.

12. Method as claimed in any of the claims 9-11, wherein said troughs are arranged in a space closed off with respect to the environment and water evaporates from said troughs at elevated temperature, condenses on said closure with respect to said environment and from there on those gutters are returned.