NL9001277A - Werkwijze voor het kweken van een fototroof aquatisch organisme. - Google Patents

Description

Titel: Werkwijze voor het kweken van een fototroof aquatisch organisme

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het kweken in een waterig milieu van een fototroof aquatisch organisme, waarbij men tijdens het kweken van het organisme in het waterig milieu voorziet in een belichting van het organisme.

Licht kan door een scala van organismen, waaronder ook vele in water levende organismen, worden benut als energiebron voor groei. Voorbeelden van dergelijke fototrofe aquatische organismen zijn fototrofe bacteriën, cyanobacteriën, algen en diatomeeën. Hiervan hebben vooral de relatief snel groeiende ééncellige organismen, zoals cyanobacterien van de genera Gloeothece en Synechococcus en algen behorend tot de genera nhlorococcus. Dunaniella en Scenedesmus in beginsel grote mogelijkheden. Zo zouden ze bijv. gebruikt kunnen worden om gemeentelijk of industriëel afvalwater te ontdoen van allerlei organische verontreinigingen (bijv. vetzuren, citraat, aldrin, dieldrin, PCB’s, gechloreerde naftalenen) en anorganische verbindingen (bijv. nitraat, fosfaat en zware metaal).

Voorts kunnen ze koolstofdioxide fixeren en zuurstof produceren volgens de gesimplificeerde overall vergelijking: CO2 + H2O + lichtenergie —> [CH2O] + O2 waarbij naast zuurstof ook biomassa (dat mogelijk van belang is als voedingsmiddel) wordt gevormd. Sommige cyanobacteriën kunnen ook moleculaire stikstof en andere stikstofhoudende gassen, zoals ammoniak, binden.

Afhankelijk van het desbetreffende organisme zouden ze bijvoorbeeld ook gebruikt kunnen worden voor de produktie van allerlei chemicaliën, waaronder bijv. elementaire zwavel, polyhydroxyboterzuur (PHB), waterstof, agar, betaines, carrageenan, cytokininen, acrylzuur, alginaat, eiwitten, polysacchariden, glycerol, neurotoxines, pigmenten en kleurstoffen zoals β-caroteen en astaxantine, welke verbindingen voor uiteenlopende doeleinden gebruikt kunnen worden, bijv. voor verwerking in voedingsmiddelen voor mens of dier, meststoffen, medische preparaten en cosmetica. Hierbij moet niet alleen gedacht worden aan klassieke biotechnologische processen, maar tevens aan de modernere ontwikkelingen van de biotechnologie waarbij genetisch gemanipuleerde (getransformeerde) organismen worden gekweekt, bijv. in verband met produktie van bepaalde, in geneeskundig of ander opzicht belangrijke eiwitten.

In de praktijk wordt echter nog nauwelijks van deze grote mogelijkheden van fototrofe aquatische organismen gebruik gemaakt, waarvoor als een van de mogelijke redenen kan worden aangevoerd dat geen economisch verantwoorde en toch adequate belichtingsmethode bekend is. Zo brengt het gebruik van lampen en andere bronnen van normaal kunstlicht als belichtingsbron hoge energiekosten met zich mee.

Aan het directe gebruik van zonlicht als belichtingsbron is niet alleen het bezwaar verbonden, dat zonlicht slechts gedurende een beperkt aantal uren per etmaal beschikbaar is, maar ook dat zonlicht in bijv. kweekvijvers slechts tot een beperkte diepte in de orde van 20-40 cm, mede afhankelijk van de troebelheid van het waterig medium, in het waterig milieu doordringt. De weinige installaties die in de praktijk zijn aangelegd, bestaan dan ook uit grote ondiepe vijvers, meestal in tropische of subtropische gebieden.

Doel van de uitvinding is om te voorzien in een zowel in economisch opzicht als ook in andere opzichten verantwoorde werkwijze voor het kweken van fototrofe aquatische organismen, welke werkwijze voor de bovengenoemde toepassingsmogelijkheden kan worden benut.

Dit doel wordt volgens de uitvinding gerealiseerd met een werkwijze voor het kweken in een waterig milieu van een foto-troof aquatisch organisme, waarbij men tijdens het kweken van het organisme in het waterig milieu voorziet in een belichting van het organisme, welke werkwijze volgens de uitvinding gekenmerkt wordt doordat men het organisme belicht met kunstlicht van één of meerdere geselecteerde golflengten, die door bij de fotosynthese betrokken pigmenten of fotosystemen van het organisme kunnen worden geabsorbeerd.

De uitvinding berust gedeeltelijk hierop, dat fototrofe organismen de voor groei benodigde lichtenergie opnemen door middel van pigmenten omvattende fotosystemen, waarbij elk van de betrokken pigmenten in het algemeen slechts een beperkt aantal specifieke golflengten van het totale lichtspectrum absorbeert. Dit betekent dat slechts een gering gedeelte (voor reincultures in de orde van grootte van 2 a 3%) van de energie van opvallend zonlicht of normaal kunstlicht door de pigmenten wordt geabsorbeerd. De rest van de energie van opvallend zonlicht of normaal kunstlicht wordt niet nuttig besteed. Dit bezwaar wordt nu volgens de uitvinding opgeheven door tijdens het kweken in waterig milieu van het fototrofe aquatische organisme belichtingsbronnen te gebruiken die in essentie alleen licht van bij het te kweken organisme passende golflengten uitzenden. Voor dit doel worden volgens de uitvinding bij voorkeur belichtingsbronnen met een laag energieverbruik gebruikt, die in staat zijn om de aan hen toegevoerde energie hoofdzakelijk om te zetten in licht met de gewenste golflengte. Daarbij valt in het bijzonder te denken aan het gebruik van een verzameling licht emitterende diodes (LED's). Deze leveren een enorme energiebesparing op t.o.v. normale bronnen van kunstlicht, die een veel groter deel van het lichtspectrum bestrijken en bovendien een groot deel van de aan hen toegevoerde energie omzetten in warmte.

De als belichtingsbronnen bij voorkeur toegepaste LED’s gebruiken maar weinig energie en kunnen eventueel worden gevoed met elektriciteit die van zonnecellen afkomstig is. De huidige zonnecellen zetten 10-15% van de invallende zonne-energie om in elektrische energie, die via LED1s efficiënt kan worden benut door fototrofe organismen. Op deze wijze is het mogelijk om zonlicht effectiever te benutten.

Wanneer men de kweek van het fototrofe aquatische organisme uitvoert in grote volumina waterig milieu, kan een voldoende belichting worden verzekerd door (ook) in het waterig medium (dus beneden het oppervlak) belichtingsbronnen te plaatsen, waarbij de belichtingsbronnen zonodig in een lichtdoorlatende omhulling zijn geplaatst. Aldus is het volgens de uitvinding mogelijk om de kweek uit te voeren in diepe bakken, waardoor een aanzienlijke besparing van ruimte kan worden verkregen.

De meeste fototrofe organismen hebben twee met elkaar verbonden fotosystemen die samen lichtenergie benutten. Het ene systeem bindt koolstofdioxide, het andere maakt zuurstof vrij uit water. De twee fotosystemen absorberen ieder licht van één of meerdere specifieke golflengten, die verschillend zijn voor de twee systemen. In het geval dat meerdere golflengten door één fotosysteem kunnen worden geabsorbeerd is het effect van deze verschillende golflengten op de fotosynthese gelijk; uit energetisch oogpunt verdient het in dit geval de voorkeur dat belicht wordt met kunstlicht met de grootste golflengte die nog geabsorbeerd wordt. Voor een optimale groei van de organismen is het van belang dat beide fotosystemen met een uitgebalanceerde intensiteit en onderlinge verhouding worden belicht met licht van een golflengte die specifiek is voor ieder van de systemen. In principe zal dus doorgaans moeten worden belicht met kunstlicht met twee verschillende golflengten, maar in bepaalde gevallen zal ook belichting met slechts één golflengte mogelijk zijn. Bij sommige soorten organismen zal het ook mogelijk zijn dat lage intensiteiten van licht met één of enkele andere golflengten stimulerend werkt. Soms zal men door de golflengtekeuze kunnen bijdragen aan de produktie van bepaalde stoffen, zoals de produktie van carotenoiden met behulp van blauw licht (420-450 nm) en de produktie van phytoerytrines met behulp van groen licht (500 of 550 nm). Een bijkomend voordeel van het gebruik van een beperkt aantal verschillende golflengten kan ten slotte zijn dat de ontwikkeling van bepaalde ongewenste soorten fototrofe organismen, die voor groei andere golflengtes nodig hebben, wordt tegengegaan.

Meer in concreto hebben veel fototrofe organismen een bij de binding van koolstofdioxide betrokken fotosysteem, dat in het bijzonder licht met een golflengte van ongeveer 710 nm absorbeert. Daarnaast hebben ze een apart, bij de produktie van zuurstof betrokken fotosysteem, dat in het reactiecentrum een chlorophyll pigment met een sterke absorptie bij 680 nm bevat. Dit reactiecentrum kan direct worden geëxciteerd door licht met een golflengte van 680 nm, of ook indirect worden aangeslagen via de verder aanwezige antenne pigmenten. De lichtabsorptie door de antenne pigmenten verschilt tussen de verschillende groepen en soorten van organismen. Bij groene algen absorberen de antenne pigmenten het sterkst rood licht met een golflengte van ca. 680 nm en blauw licht met een golflengte van ca. 450 nm. Het reactiecentrum kan dus zowel met rood licht als met blauw licht worden geëxciteerd, waarbij excitatie met rood licht vanuit energetisch oogpunt het meest efficiënt is. Bij cyanobacteriën absorberen de antenne pigmenten voornamelijk licht met een golflengte van ongeveer 550 nm, afhankelijk van de soort.

Daarnaast bestaan er ook fototrofe organismen met slechts één fotosysteem, dat dan doorgaans een maximale lichtabsorptie vertoont bij een golflengte van ongeveer 800 nm.

De fotosynthese leidt tot vermeerdering van het aantal organismen. Deze organismen kunnen allerlei stoffen produceren hetgeen kan plaatsvinden onder invloed van licht met een andere specifieke golflengte dan het licht dat nodig is voor de fotosynthese. De produktie van deze stoffen verloopt bij belichting met zonlicht of met normaal kunstlicht tegelijk met de fotosynthese of afwisselend met het dag- en nachtritme.

Door conform de uitvinding gebruik te maken van kunstlicht met specifieke golflengten kan men dezelfde situatie realiseren, maar kan men desgewenst ook de twee processen na elkaar laten verlopen onder condities die voor elk van deze processen optimaal zijn.

Wanneer een pigment molekuul van een fototroof organisme een lichtquantum heeft opgenomen, duurt het enige tijd voordat weer een nieuw lichtquantum door hetzelfde molekuul kan worden opgenomen. Deze periode, die gebruikt wordt voor omzetting van de energie van het lichtquanturn in chemische energie, wordt als de "gesloten" periode aangeduid. Gezien deze gesloten periode, waarin de lichtopname capaciteit van het pigment is gereduceerd, kan straffeloos een verdere energiebesparing worden bereikt door de belichtingsbronnen periodiek in en uit te schakelen volgens een tijdsschema dat in overeenstemming is met het ritme van de betrokken pigmenten of fotosystemen. Het heeft daarbij volgens de uitvinding de voorkeur dat de belichtingsbronnen periodiek gedurende ten hoogste 50 μεβο ingeschakeld en gedurende een ten minste even lange tijd tot ten hoogste 5 msec uitgeschakeld worden. Andere schema’s zijn echter ook mogelijk, afhankelijk van het organisme en van het beoogde resultaat. Zo is bijvoorbeeld ook mogelijk, dat de belichtingsbronnen periodiek in- en uitgeschakeld worden volgens een bij een gekozen groeipatroon van het organisme behorend tijdsschema, teneinde de lichtintensiteit aan te passen aan de dichtheid van de fototrofe organismen en aldus een onnodige belichting in een systeem waarin de organismen optimaal groeien te voorkomen. Ook een variatie, al dan niet periodiek, van de golflengtes van het uitgezonden kunstlicht is mogelijk.

In constructief opzicht is de uitvinding niet beperkt tot bepaalde uitvoeringsvormen. Bij gebruik van LED's kunnen grote aantallen daarvan tegelijk worden toegepast, al dan niet van hetzelfde of van verschillend type, al dan niet samengebouwd tot buizen, strips of panelen die in het waterig milieu kunnen worden geplaatst, of geplaatst buiten een bioreactor met een lichtdoorlatende wand. Een verzameling van LED's kan bijv. bijeen zijn gebracht op vlakke, gekromde, cylindervormige of nog anders uitgevoerde panelen, en al dan niet in enigerlei onderlinge configuratie.

De ruimte waarin het fototrofe aquatische organisme wordt gekweekt kan gevormd worden door open bakken of bassins, dan wel door gesloten houders of ketels, waardoor een ongewenst toetreden van andere stoffen en organismen en een ongewenst naar buiten treden van reactiecomponenten en -produkten worden voorkomen en een nauwkeurigere regeling van procescondities, zoals temperatuur, druk en samenstelling van het zich boven het waterig milieu bevindende gas mogelijk is. De ruimte kan al dan niet toegankelijk zijn voor zonlicht, afhankelijk van wat men wil bereiken en van de mogelijkheden.

Claims (13)

1. Werkwijze voor het kweken in een waterig milieu van een fototroof aquatisch organisme, waarbij men tijdens het kweken van het organisme in het waterig milieu voorziet in een belichting van het organisme, met het kenmerk, dat men het organisme belicht met kunstlicht van één of meerdere geselecteerde golflengten, die door bij de fotosynthese betrokken pigmenten of fotosystemen van het organisme kunnen worden geabsorbeerd.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat men het organisme belicht met kunstlicht van één geselecteerde golflengte.

3. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat men het organisme belicht met kunstlicht van twee geselecteerde golflengten, waarvan de ene specifiek geabsorbeerd wordt door het bij de koolstofdioxide binding betrokken fotosysteem van het organisme en de andere specifiek geabsorbeerd wordt door het bij de zuurstof produktie betrokken fotosysteem van het organisme.

4. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat men als belichtingsbron gebruik maakt van een verzameling licht emitterende dioden (LED's).

5. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat ten minste een deel van de belichtingsbronnen zich beneden het oppervlak van het waterige milieu bevindt.

6. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de belichtingsbronnen periodiek in- en uitgeschakeld worden.

7. Werkwijze volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de belichtingsbronnen periodiek in- en uitgeschakeld worden volgens een tijdsschema dat in overeenstemming is met het ritme van de betrokken pigmenten of fotosystemen.

8. Werkwijze volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de belichtingsbronnen periodiek gedurende ten hoogste 50 μββο ingeschakeld en gedurende een ten minste even lange tijd tot ten hoogste 5 msec uitgeschakeld worden.

9. Werkwijze volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de belichtingsbronnen periodiek in- en uitgeschakeld worden volgens een bij een gekozen groeipatroon van het organisme behorend tijdsschema.

10. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de belichtingsbronnen gevoed worden met door zonnecellen opgewekte elektriciteit.

11. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat men een organisme kweekt, gekozen uit de groep bestaande uit fototrofe bacteriën, cyanobacteriën, algen en diatomeeën.

12. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat men het organisme kweekt in het kader van een werkwijze voor het bereiden van een of meerdere chemicaliën, voedingsstoffen, farmaceutische stoffen, cosmetische stoffen, meststoffen, e.d.

13. Werkwijze volgens een der conclusies 1-11, met het kenmerk, dat men het organisme kweekt in het kader van een werkwijze voor het zuiveren van afvalwater.