NO315244B1 - Anordning for produksjon av alger - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en anordning for produksjon av alger i veksthus.

Produksjon av biomasse slik som alger, har i den senere tid fått oppmerksomhet i forbindelse med muligheter for utnyttelse som næringsmiddel, legemidler og energiproduksjon. Ved fotosyntese i alger blir lysenergi omdannet ved bruk av CO2 og vann til lagret kjemisk energi ved produksjon av cellemateriale. Algevekst krever et medium bestående av vann, mineralske næringsstoffer og CO2. Kontinuerlig produksjon av biomasse med definert kvalitet er basis for industriell utnyttelse av mikroalger. Praktisk bruk av alger omfatter flere ulike grupper alger, som f.eks. fotosyntetiske prokaryote og eukaryote mikroalger.

Tradisjonelt har alger blitt dyrket i åpne dammer som inneholder et dyrkningsmedium. Algene i øvre del av kulturvæsken får tilførsel av sollys og CO2 slik at fotosyntesen kan gjennomføres og veksten stimuleres. For at også algene i de nedre deler av væsken skal få tilstrekkelig tilførsel, foretas det omrøring av væsken f.eks. ved hjelp av motordrevne vannhjul.

Ettersom algeveksten er svært avhengig av sollyset, har det vært knyttet problemer til den varierende daglengden vi har i Norge og andre nordlige land. Vi vil vente gode forhold i sommerhalvåret hvor dagene er lange, men betydelig mindre utbytte i vinterhalvåret, der også dyrking utendørs vil måtte stoppes på grunn av de lave temperaturene.

Et lignende problem er knyttet til de store temperaturvariasjonene, ettersom optimal algevekst kun oppnås innenfor et lite temperaturområde.

WO 96/23865 viser en produksjonsprosess for alger som omfatter en hydraulisk lukket sløyfe hvor en væske som inneholder algene kan sirkulere. Temperaturen til algevæsken holdes innenfor to forhåndssatte verdier og væsken tilføres karbondioksid og næringsstoffer. En del av sløyfen er transparent for sollyset for å stimulere fotosyntesen.

Dette er et forholdsvis komplisert system og vil ikke være tilfredsstillende i perioder med lite sol. I store deler av sløyfen er ikke algene utsatt for lys, og dette gir nedsatt produksjon.

En løsning kan være å lage innendørs produksjonsanlegg med kunstig belysning og klimakontroll.

Dette vil bli svært kostbart i land som f.eks. Norge hvor store energimengder vil måtte tilføres i store deler av året. Det er derfor ønskelig å finne en måte å kontrollere klima i produksjonsanleggene som har en rasjonell energibruk. Slike anlegg med kontrollert klima er kjent fra plantedyrking i veksthus. Se f.eks. søkerens patent NO 146116, Anordning for veksthus eller vekstrom for å fremme vekst av planter eller spiring av frø. Her anvendes kontrollert tilførsel av klimaregulert luft for å gi en sone med luft med optimale forhold nær plantenes vekstområder.

Dette systemet er imidlertid ikke egnet for algedyrking fordi alger krever et helt annet vekstmedium enn planter. Alger dyrkes i en kulturvæske som trenger omrøring for å gi like betingelser for alle algene i kulturen. Det er heller ikke opplagt hvordan tilførselen av klimaregulert luft skal skje, ettersom man ikke kan utstyre beholdere for væske med hull slik som beskrevet for planteveksthus.

Hensikten med oppfinnelsen er derfor å tilveiebringe en anordning for algeproduksjon i veksthus-lignende miljø og som gir god algevekst med lite energiforbruk.

Denne hensikten oppnås ved hjelp av trekkene i patentkravene.

Anordningen i henhold til oppfinnelsen omfatter et hus, fortrinnsvis et veksthus av den type som anvendes for planter, ( NO 146116). Huset er lufttett. Inne i huset er det et reservoar for et dyrkningsmedium/kulturvæske. Over reservoaret befinner det seg et antall renner som fortrinnsvis har en helning. I en foretrukket utførelse kan helningsvinkelen til rennene endres ved hjelp av en vippeanordning. I forbindelse med reservoaret og rennene finnes også minst en pumpe av en kjent type, f.eks. en membranpumpe. Reservoaret kan i en utførelse utgjøres av rørledninger som forbinder øvre og nedre ende av rennene og som er tilknyttet pumpen. I tilknytning til huset finnes også anordninger for innblåsing av luft og for innblanding av tilsatsstoffer som f.eks. CO2 i innblåsningsluften.

Deler av kulturvæsken pumpes opp i den enden av rennene som ligger høyest slik at kulturvæsken renner langs rennene og tilbake i reservoaret. Ved å kontrollere mengden av kulturvæske som pumpes opp i rennene, kan tykkelsen på væskesjiktet kontrolleres. Ved et tynt væskesjikt (i området <5mm) og en tilpasset helningsvinkel, oppstår et bølgetog av små bølger som skaper en roterende bevegelse av vannmolekylene i vannsjiktet (se Rouse, H, «Engineering Hydraulics», John Wiley & sons, 1950, s. 711-768). Denne roteringen øker antallet algeenheter i væsken som kommer i kontakt med lyset og luften og utveksler CO2 og 02-

Rennene er plassert tett sammen slik at det dannes adskilte rom over og under rennene. Mellom rennene er det anordnet åpninger med en definert størrelse. I forbindelse med rommet under rennene, er det en anordning for innblåsing av luft inn i.dette rommet. Anordningen kan f.eks. være en vifte hvor viftepropellen kan ha justerbare blader, eller turtallet kan reguleres for å kunne justere lufttrykket ut fra viften og inn i rommet under rennene. Når det blåses luft inn i rommet under rennene, dannes et overtrykk som presser luften opp gjennom åpningene mellom rennene og inn i rommet over rennene. Ved å kontrollere tilsetning av CO2 og evt. andre tilsetninger samt temperaturen til luften som presses opp mellom rennene, kan det oppnås svært gunstige betingelser for algeveksten. Ved nøye styring av lufttrykket i det nedre rommet og dermed av mengden og trykket på luften som stiger opp mellom rennene, dannes en sone over rennene med disse gunstige betingelsene. På denne måten oppnås en energibesparelse i forhold til å ha disse betingelsene i hele luftrommet over rennene. Ettersom den varme, fuktige luften ikke stiger opp mot taket i veksthuset, unngås også kondens og det innkommende sollyset blir ikke dempet og kan dermed utnyttes maksimalt. Om sommeren vil den oppadstigende luft skape en nedkjølt luftpute som beskytter algekulturen mot oppheting, og det brukes ikke unødig energi for å avkjøle hele rommet over rennene.

Oppfinnelsen vil nå bli nærmere beskrevet ved hjelp utførelseseksempel med henvisning til de medfølgende tegningene. Figur 1 viser en skisse av et veksthus i henhold til oppfinnelsen som er innredet for dyrking av alger. Figur 2 viser en utførelse av renner og reservoar for kulturvæske sett fra en langside. Figur 3 viser samme utførelsen som i figur 2, men sett fra en kortende.

Veksthuset vist i figur 1, er av en lignende type som det som brukes for dyrking av planter. Taket er transparent for synlig lys, fortrinnsvis for de bølgelengder som stimulerer fotosyntesen til algene best. Dette vil være avhengig av typen alger som skal dyrkes, og kan f.eks være i området 600-700nm, eller mer bestemt 675nm 5% for blågrønnalger som absorberer lys i det røde området av lysets bølgelengdespektrum. Renner 21 er plassert skråstilt inne i huset. Et reservoar 20 for en kulturvæske befinner seg under rennene, og er fortrinnsvis utformet som åpne kanaler, men reservoaret kan også utgjøres av et lukket rørsystem som er fylt med kulturvæsken. I begge tilfeller er det anordnet en pumpe 14 som pumper kulturvæsken opp via rør 11 til den høyeste enden av rennene for sirkulering av kulturvæsken. Kulturvæsken renner så ned langs rennene og tilbake i reservoaret.

Algevekst krever et medium, kulturvæsken, som består av vann, mineralske næringsstoffer og CO2. Avløpsvann inneholder en rekke mineralske næringsstoffer, og i en foretrukket utførelsesform, benyttes avløpsvann som kulturvæske for algene. Algene forbruker mineraler og omdanner også en del av dem til andre stoffer, noe som medfører en renseeffekt av avløpsvannet. Det kan dermed tenkes å benytte algedyrking som et ledd i en renseprosess for avløpsvann hvor avløpsvannet tas ut fra de ordinære renseanleggene f.eks. etter fysisk filtrering, men før tilsetning av evt. rensekjemikalier. Når algene har forbrukt de nødvendige næringsstoffene, kan avløpsvannet returneres til renseanlegget for videre behandling. Dette vil da kunne medføre en reduksjon i mengden rensekjemikalier i slike renseanlegg.

Skråstillingen av rennene har som formål å danne bølger i væsken som renner langs rennene. Slike bølger oppstår ved en viss hastighet og sjikttykkelse for væskesjiktet som renner på rennene (se Rouse, H, «Engineering Hydraulics», John Wiley & sons, 1950, s. 711-768). Helningsvinkelen til rennene kan derfor varieres, avhengig tykkelsen på kulturvæskesjiktet som flyter i rennene.

Rennene er plassert tett sammen og utgjør et skille i huset, dvs. slik at det oppstår adskilte rom over og under rennene.

I strøk med varierende dagslyslengde, må det suppleres med kunstig lys i deler av døgnet. Det kunstige lyset er tilpasset den tidligere nevnte bølgelende på f.eks 675nm ±5% for best mulig stimulering av algeveksten. Det finnes alternative plasseringer for lyskildene, hvor de ulike alternativene er vist i figur 1.13 betegner en lysarmatur anordnet over rennene, på en måte som er kjent fra veksthus for planter. Armaturen kan stilles slik at den skygger minst mulig for det naturlige lyset når det er mest fremtredende. 23 betegner en lysarmatur anordnet under rennene. I dette tilfellet produseres rennene i et transparent materiale slik at kulturvæsken belyses direkte fra undersiden. Ved den foretrukket utførelsesformen med et kulturvæskereservoar i åpne kanaler, blir lysarmaturen i dette tilfellet plassert mellom rennene og kanalene og væsken i kanalene blir dermed også belyst. Dette er den utførelsen som best utnytter naturlig og kunstig lys samtidig og er mest energieffektiv ettersom så godt som alt lys og varme blir overført til kulturvæsken. Som en tredje utførelsesform kan også lyskilden være neddykket i kulturvæskereservoaret, vist i figur 1 ved 24.

En vifteanordning 12 blåser luft inn i rommet under rennene. For optimal vekst, er det ønskelig å optimalisere CC^-innholdet i luften der algene vokser. For planter er CC>2-konsentrasjonen 500-1000 ppm, optimalt 800ppm, og det er antatt at lignende forhold gjelder for alger. Innblåsningsluften reguleres til ønsket temperatur, fortrinnsvis i området 20-30°C og tilsettes CO2 i riktig blandingsforhold, 500-lOOOppm, fortrinnsvis 800ppm. sammen med evt. andre tilstetninger som f.eks. fosfat, nitrat, ammonium.

Figur 2 og 3 viser snitt gjennom rennene sett fra ulike sider. 22 angir bølger på rennenes overflater når kulturvæsken renner ned langs rennene. De deler i figurene som er de samme som i figur 1 har de samme henvisningstall. Disse figurene viser enda en foretrukket utføreisesform av oppfinnelsen, hvor det er anordnet ytterligere kanaler 25 under kulturvæskereservoar-kanalene. Disse ytterligere kanalene 25 fører temperert vann for kjøling eller oppvarming av kulturvæsken til optimal veksttemperatur for algene, som ligger på ca. 20-35°C.

Når det blåses luft inn i rommet under rennene, oppstår et overtrykk der. Mellom rennene er det anordnet et kanalsystem/åpninger 32 (fig. 3). Overtrykket under rennene forårsaker at luften presses opp gjennom kanalsystemet/åpningene 32 mellom rennene, illustrert med piler i figur 3. Ved å regulere hastigheten på innblåsningsluften i rommet under rennene, f.eks. ved å endre viftebladenes vinkler, reguleres også overtrykket i rommet og dermed mengden luft som presses opp mellom rennene. Utformingen av kanalsystemet/åpningene 32 og størrelsen på overtrykket i rommet under rennene virker sammen slik at luftstrømmen som presses opp mellom rennene hindrer at kald luft synker ned til væskeoverflaten, men er tilstrekkelig svak til at den kun forårsaker en langsom omrøring i luftsjiktet rett over væskeflaten. Dette medfører at det dannes et avgrenset lag med kontrollert luft over kulturvæsken i rennene. På denne måten oppnås en svært god kontroll med dyrkingsbetingelsene, samtidig som det bare er nødvendig å ha optimale forhold i dette avgrensede laget, og ikke i hele huset, noe som gir en stor energispareeffekt. Ved kalde uretemperaturer, unngår man at varm, fuktig luft stiger opp og kondenserer, og kanskje til og med fryser, på innsiden av taket, noe som vil hindre lysgjennomgang av naturlig lys. Dette gir også en energispareeffekt.

Claims (13)

1. Anordning for produksjon av alger som omfatter et hus (10), et reservoar (20) for kulturvæske, og en pumpeanordning (14) for sirkulasjon av kulturvæske, karakterisert ved- at renner (21) for transport av kulturvæske er anordnet i huset, innbyrdes parallelt og i en slik høyde at huset er oppdelt av rennene (21) i et øvre og et nedre rom, - at det er anordnet en tilførselsinnretning for kulturvæske ved en ende av rennene og utløp ved den andre enden og strømmen av kulturvæske drives ved hjelp av pumpeanordningen (14), - at anordningen også omfatter en vifteanordning (12) for innblåsing av luft i det nederste rommet og at det mellom rennene er åpninger (32) med definert størrelse for luftgjennomstrømning, og - at det er anordnet belysning (13, 23, 24) for belysning av rennene.

2. Anordning i henhold til krav l,karakterisert ved at rennene (21) er skråstilt mellom tilførsel og utløp med en vinkel som er variabel.

3. Anordning i henhold til krav 2, karakterisert ved at vinkelen er variabel med den mengden kulturvæske som flyter på den for å oppnå bølger i kulturvæsken i rennene (21).

4. Anordning i henhold til krav 1,karakterisert ved at kulturvæskereservoaret (20) og rennene (21) er plassert i det samme området i huset.

5. Anordning i henhold til krav 1,karakterisert ved at kulturvæskereservoaret omfatter et lukket rørsystem.

6. Anordning i henhold til krav 1,karakterisert ved at det også omfatter kunstig belysning, som fortrinnsvis er plassert over eller under rennene.

7. Anordning i henhold til krav 6, karakterisert ved at den kunstige belysningen (24) er plassert i kulturvæskereservoaret (20).

8. Anordning i henhold til et av kravene 6 eller 7, karakterisert ved at den kunstige belysningen inneholder en overvekt av lys med bølgelengde på 675nm ±5%.

9. Anordning i henhold til et av kravene 1-8, karakterisert ved at husets (10) tak er transparent for synlig lys.

10. Anordning i henhold til et av kravene 1-8, karakterisert ved at husets (10) tak har gode transmisjonsegenskaper for lys med bølgelengde på 675nm 5%.

11. Anordning i henhold til et av kravene 1-12, karakterisert ved at det også omfatter et sett med kanaler (25) i eller under kulturvæskereservoaret (20), som inneholder en væske som har god termisk kontakt med kulturvæskereservoaret.

12. Anordning i henhold til krav 11,karakterisert ved at temperaturen til væsken i kanalene (25) er regulerbar for styring av temperaturen i kulturvæskereservoaret (20).

13. Anordning i henhold til krav 1,karakterisert ved at den innkommende luften er blandet med CO2 før innblåsningen, fortrinnsvis med en konsentrasjon av CO2 på 800 ppm.