WO2011095404A1 - Method for dehydrating microorganisms - Google Patents

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WO2011095404A1
WO2011095404A1 PCT/EP2011/050850 EP2011050850W WO2011095404A1 WO 2011095404 A1 WO2011095404 A1 WO 2011095404A1 EP 2011050850 W EP2011050850 W EP 2011050850W WO 2011095404 A1 WO2011095404 A1 WO 2011095404A1
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microorganisms
electric field
electrodes
nutrient solution
algae
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PCT/EP2011/050850
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Werner Hartmann
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • C12N1/00—Microorganisms, e.g. protozoa; Compositions thereof; Processes of propagating, maintaining or preserving microorganisms or compositions thereof; Processes of preparing or isolating a composition containing a microorganism; Culture media therefor
    • C12N1/12—Unicellular algae; Culture media therefor
    • 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
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    • C12N1/06—Lysis of microorganisms
    • C12N1/066—Lysis of microorganisms by physical methods
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N13/00—Treatment of microorganisms or enzymes with electrical or wave energy, e.g. magnetism, sonic waves

Definitions

  • the invention relates to a process for the dehydrogenation of microorganisms
  • Using solar energy can be a larger
  • Fer ⁇ ner also fuels, such as biodiesel can be generated from biomass.
  • the production of biomass using solar energy also consumes carbon dioxide to a greater extent.
  • This carbon dioxide can be recovered from insbeson ⁇ particular already incurred combustion processes, wherein the environmental pollution caused by CO 2, which is held such combustion processes, can be reduced.
  • accumulating carbon dioxide may already be bound by the producti on ⁇ biomass or are converted to innocuous products climate.
  • the biomass thus obtained can be used for other purposes.
  • the object of the invention is to provide a dehydrogenation ⁇ process for microorganisms and a dehydration plant for the microorganisms, which require compared to the prior art, a reduced energy consumption.
  • the object is achieved in a method for dehydration of microorganisms having the features of claim 1 and in a device for dehydration of cells of a microorganism having the features of patent ⁇ claim 10 and a plant for breeding Mikroorga ⁇ organisms according to claim 13.
  • the inventive process for the dehydrogenation of micro-organisms is characterized in that first micro Orga ⁇ mechanisms are cultivated in a nutrient solution. Furthermore, the nutrient solution is at least partially removed and such a concentrated mixture of microorganisms and nutrient solution is exposed to a pulsed electric field. Subsequently, the cell water of the microorganisms by a
  • the field intensity of the pulsed electric field is adjusted so that a so-called electroporation occurs at the Zellican ⁇ . That is, the cell wall is irreversibly damaged by the strong electric field and porous. Through the porous cell wall, the cell water can be removed with lower pressure than would be the case with undamaged cells. The pressure applied and the energy required to squeeze out the cell water From the algae cells are thus significantly reduced and increases the overall efficiency of algae production.
  • the pulsed electric field has a field strength between 1 kV / cm and
  • the required Ge ⁇ felenergy the pulsed electric field is so low that the generation of the electric field may be performed by a semiconductor switch.
  • a thyristor has proven to be advantageous as a semiconductor switch.
  • the current amplitudes required for the generation of the electric field are preferably in a range between 10 kA and 100 kA.
  • the field strength is set so that a irrever ⁇ sible damage to the cell wall of the microorganisms occurs, which, as already mentioned, referred to as electroporation.
  • the concentrated solution of microorganisms is pumped through a channel in which the pulsed electric field is applied. It is expedient, the pumping speed and the
  • microorganisms used in the process are preferably algae.
  • Another component of the invention is an apparatus for the dehydrogenation of cells of a microorganism umfas ⁇ transmitting electrodes for generating a pulsed electric Feldes and a pressing device for pressing out cell water.
  • a channel is provided in which the electrodes are arranged and the electric field acts on a concentrated solution of micro ⁇ organisms.
  • a component of the invention is a plant for growing microorganisms, which comprises a device according to one of claims 10 to 12.
  • Figure 1 is a schematic representation of a system for
  • Figure 2 is a schematic representation of a vaccination with
  • Electrodes for generating a pulsed electric field before seeding are Electrodes for generating a pulsed electric field before seeding
  • FIG. 3 shows the schematic representation from FIG. 2 during the vaccination process
  • FIG. 4 likewise a schematic representation of a seedling system, the electrodes being arranged in the form of tubular electrodes in a channel,
  • Figure 5 is a schematic representation of a vaccination after
  • FIG. 4 in which the electrode is designed in the form of a coaxial electrode
  • FIG. 6 shows a bioreactor in which electrodes are provided
  • FIG. 7 shows part of a bioreactor, namely a bubble reactor for mixing the nutrient solution and introducing carbon dioxide
  • FIG. 8 shows a bioreactor for cultivating microorganisms in the form of a hose reactor
  • FIG. 9 shows a bioreactor for cultivating microorganisms in the form of a plate reactor
  • FIG. 10 shows a bioreactor for cultivating microorganisms in the form of a tubular reactor
  • FIG. 11 shows the arrangement of electrodes on a housing wall of a bioreactor in the form of conductor tracks
  • FIG. 12 shows the arrangement of electrodes on a housing wall of a bioreactor in the form of wires which are fastened to the surface of the housing wall or are embedded in the housing wall,
  • FIG. 13 shows the arrangement of electrodes on a housing wall in the form of conductor tracks, arranged inside and outside,
  • Figure 14 is a view in the direction of the arrow XIII of FIG
  • FIG. 15 shows the same view of a housing wall according to FIG. 13 along the arrow XIII, wherein the electrodes are arranged inside and outside but crossed over.
  • FIG. 16 shows a separation plant with sedimentation tanks and high-voltage electrodes
  • FIG. 17 is a cross-sectional view of the separation plants according to FIG. 1.
  • FIG. 18 shows a detailed representation of the process from FIG. 1 with a dehydrating plant for microorganisms.
  • a nutrient solution is first prepared in a Impfan ⁇ läge 2, which is treated in even closer to ⁇ writing, different forms with an electric field, whereby unwanted microorganisms are removed before vaccination from the Impfif or obstructed in their reproduction.
  • the nutrient solution 3 is after The vaccination with vaccine cells 4 (see Figure 3) placed in a bioreactor 25.
  • the bioreactor 25 is schematically shown as a dome shown here (bubble reactor 42) in which the ge ⁇ inoculated nutrient solution is prepared 3, comparable with carbon dioxide is set and is mixed.
  • the actual multiplication of the microorganisms takes place, for example, in a hose reactor 44, which is exposed in particular to solar radiation and in which the actual propagation of the microorganisms takes place.
  • the walls of the reactor 25 may be provided with electrodes 28, which generate a ge ⁇ pulstes electric field.
  • the nutrient solution 3 with the microorganisms in a separation plant 50 given.
  • an electric field can in turn act on the microorganisms so that they sink to the bottom and settle as concen ⁇ tured porridge there.
  • microorganisms thus deposited are pumped via a pipeline 76 into a further dewatering plant 75.
  • these algae are be ⁇ vorzugt exposed to a strong electric field so that their cell wall is irreversibly destroyed. This process is called electroporation.
  • the so-damaged algae are placed in a Abpressbecken 78, wherein the cell water is forced out of the cells by high pressure. In this way, the algae lose a high proportion of their water and can be further processed as comparatively dry biomass for further purposes.
  • FIGS. 2 and 3 schematically show a seedling 2, in FIG. 2 before a seedling process, in FIG. 3 during a seedling process.
  • the Impfanläge 2 comprises a Impf ⁇ basin 5, in the electrodes 6, here in the form of Parallelplat- tenelektroden 7, are arranged.
  • a nutrient solution 3 is contained in the Impfbe 5.
  • the nutrient solution 3 contains desired nutrients and other unwanted foreign biological cells, such as unwanted algae, bacteria or yeast cells. By applying a pulsed electric field 8, such cells are sustainably damaged in the nutrient solution 3, so that their growth during the ripening process of the desired microorganisms, in this case the algae, is prevented.
  • the applied electric field 8 is a pulsed electric field having a field strength greater than
  • the electric field can be significantly stronger, and be up to 100 kV / cm.
  • a comparatively long pulse of the pulsed electric field is selected.
  • the pulse duration is about 1 ms for a field of 1 kV / cm and can be shortened up to 10 ns if the electric field is greater than 10 kV / cm.
  • the electric field strength is dependent on a flow ⁇ rate of the nutrient solution 3 through the sedimentation tank 5, and through a channel 12, it is also dependent on the cross-sectional area and the volume of the electrode system and, as already mentioned, of the type of eliminating unwanted cell h - len.
  • the pulse repetition rates of the pulsed electric field 8 are between two pulses / s up to fifty pulses / s. Suitable high-voltage amplitudes are in the Range from 10 kV to over 100 kV, at currents of several 100 A up to 10 kA.
  • FIGS. 2 and 3 also show a seed nozzle 9, which is shown schematically in order to illustrate the addition of seed cells 4 (see FIG.
  • the nutrient solution 3 can be pumped through a channel 12, in which electrodes 6 in the form of tubular electrodes 10 are arranged. These tube electrodes 10 are interrupted so that they are arranged in pairs and generate an electric field 8. As the nutrient solution flows through the tube electrodes 10 unwanted cells in the nutrient solution 3 are rendered harmless. After passing through the tubular electrode 10, the seed cells 4 of the desired microorganism can be so genzellen Al ⁇ inserted through the injection nozzle. 9 Subsequently, the nutrient solution 3 is pumped into the bioreactor 25, where the further processing and the multiplication of the algae takes place.
  • a vaccination process is likewise shown in FIG. 5, wherein coaxial electrodes 11 are used as an alternative to the tubular electrodes 10 in FIG. 4, which run as concentric tubes, whereby the nutrient solution 3 passes through both tubes simultaneously and the electric field 8 is generated between the tubes. Also after passing through the electrode system 11, the vaccination is carried out by the Impfdüse 9 and a forwarding of the nutrient solution 3 in the bioreactor 25th
  • FIG. 6 Another alternative is described in FIG. 6, wherein the nutrient solution 3 can be inoculated in the bioreactor 25, wherein the bioreactor 25 is designed in the form of a bubble reactor 42, which is part of the bioreactor 25.
  • this nutrient solution is mixed, processed and shipping ⁇ hen with CO 2.
  • electrodes 6 in the form of parallel plate electrodes 7 are arranged here by way of example, and before the vaccination process with the seed nozzle 9, the nutrient solution freed by the electric field 8 of unwanted cells.
  • FIG. 7 shows a part of a bioreactor 25 is shown, namely, a bubble reactor 42.
  • the bubble possibly already with the cell of a Musses microorganisms, in particular algae cells inoculated nutrient solution is 3 ge ⁇ mixed and processed.
  • a circulating system 38 is seen before ⁇ and an inlet 46 for carbon dioxide (C0 2 ) and an outlet 47 for the elimination of nitrogen (N 2 ).
  • the bladder reactor 42 has a housing wall 27, to which optionally electrodes 28 may be provided, if necessary.
  • Electrodes 28 are used to generate an electric field, can be killed by the unwanted microorganisms such as yeast cells, bacteria or unwanted algae, or can be inhibited in their propagation such that they do not cover a surface 31 of the Reak ⁇ torwand in the form that the incoming sunlight could be permanently obscured. The so-called biofouling is prevented by this measure.
  • FIG. 8 shows by way of example a further component of the bioreactor 25, this being a hose reactor 44, which is designed in the form of flexible plastic films.
  • the nutrient solution 3 with the microorganisms 37 multiplying therein, ie in this embodiment in the form of the algae 37 to be cultivated, is pumped by the bubble reactor 42 into the tubing reactor 44, where the nutrient solution 3 dwells with the algae 37 until the algae 37 have reached that point that they have shielded the nutrient solution 3 in which they are located from the sunlight in such a way that further growth is inhibited.
  • This situation is usually present with an algae concentration of 5%.
  • FIG. 8 is merely an exemplary embodiment of a bioreactor 25 in which the algae 37 can grow.
  • Alternative embodiments are again shown purely by way of example and schematically in FIGS. 9 and 10.
  • 9 is a Plattenre ⁇ actuator 43 is shown, where the nutrient solution 3 with the Mikroor ⁇ organisms 37 between two parallel, transparent plates such as glass plates or acrylic plates, is arranged. Through the plates of the plate reactor 43 Suns ⁇ light can be incident, which is used for multiplication of algae 37 under execution of photosynthesis.
  • FIG. 10 is in the form of a tubular reactor 45, wherein transparent tubes serve to store the nutrient solution 3 with the multiplying algae 37.
  • the applied parameters of the pulsed electric field are, of course, dependent on the geometry of the bioreactor 25 and the process parameters selected therein. For example, it is important which wall distance the walls 27 of the bioreactor 25 have or whether the nutrient solution 3 with the algae 37 circulates in the bioreactor or whether it is stationary and how high the solar radiation is at the location of the bioreactor. It has been found to be expedient ⁇ SSIG that the pulsed electric field having a field strength of 0.5 kV / cm and 5 kV / cm.
  • the im- Pulse duration is between 10 ns and 50 ys, wherein just ⁇ if, depending on the geometry of the bioreactor 25 and the geometry or the thickness of the housing wall 27 and zer to ⁇ disturbing unwanted microorganisms, the total energy that is introduced by the electric field, should be varied. Therefore, it is also expedient, with a high field strength, to choose a low pulse duration and vice versa.
  • the applied pulse duration is between 5 pulses / s and 50 pulses / s. It should also be considered here whether the nutrient solution 3 circulates in the reactor or whether it remains stationary.
  • 11 shows a section of a housing wall 27 is provided, where ⁇ are configured with the electrodes 28 in the form of conductor tracks 30th
  • the conductor tracks 30 can be vapor-deposited on the surface 31 of the housing wall 27, for example, by a coating method.
  • the conductor tracks 30 are arranged parallel to one another. It is expedient that the surface 31 of the housing wall 27 concealed by the electrodes 28 is kept as small as possible.
  • the electrodes shown in FIG. 11 are thus shown relatively thick and can therefore be seen purely as an example, not to scale.
  • FIG. 12 shows a further exemplary illustration of a housing wall 27 of a bioreactor 25. This may be, for example, a section of a tubular reactor 45.
  • the electrodes 28 are here shown in the form of wires 32, which can be attached on the one hand to the inside 34 of the housing wall 27.
  • the wires 32 at the In ⁇ nenwand 34 of the housing wall 27 are clamped near the surface on the surface.
  • wires 32 on an outer side 33 of the housing wall 27 are in the material the housing wall 27 introduced.
  • FIG. 13 again shows a similar housing wall 27 as shown in FIG.
  • the electrodes 28 are again configured in the form of printed conductors 30 here.
  • an electrode 28 on the outer side 33 of the housing wall 27 is arranged on ⁇ and another, corresponding thereto electrode 28 on the inner side 34 of the housing wall 27 is arranged.
  • FIG 14 is an illustration of a detail of egg ⁇ ner housing wall 27 along the arrow XIII in Figure 13 gege ⁇ ben.
  • the electrodes 28, which are shown here in the form of conductor tracks 30, are arranged on the inner side 34
  • Serpentine is indicated. It has been found to be moderately ⁇ purpose, that in particular a grounded elec trode ⁇ on the outer side 33 of the housing wall is mounted 27th Although the area of a high field strength in the nutrient solution 3 is reduced by this measure, the energy loss generated by heat is also minimized, so that this arrangement of the electrodes inside and outside or offset from one another ensures particularly economical operation.
  • FIG. 15 the same view of the arrow XIII is shown in FIG. 13 as in FIG. 14. Only the electrodes 28, or again in the form of printed conductors 30, are likewise shown on the inner side 34 or the outer side 33 (again dashed) ).
  • the printed conductors 30 according to FIG. 15 are arranged crossed at an angle to one another, which leads to many intersections of the electrodes relative to one another. A special orientation of the electrodes each other is not necessary so, thus reducing the Vietnamesesanfor ⁇ changes to the electrodes and the manufacturing cost of the housing walls.
  • the algae separation from the nutrient solution 3 will be described below.
  • a separation unit 50 provides Darge ⁇ comprising a sedimentation tank 52, in which the saturated algae nutrient solution is pumped 3 after the algae cultivation in the bioreactor 25th
  • the algae or other microorganisms are very small, floating particles that do not readily settle. Therefore, it is Schwiering ⁇ rig to separate the algae mechanically from the nutrient solution.
  • the application of short-pulsed high electric fields in the nutrient solution with the algae temporarily stops their metabolism. The thus anesthetized algae or microorganisms sink to the bottom of the settling tank 52 (in the separation plant 50 treated algae are provided from the figure 16 with the reference numeral 51).
  • To generate the mentioned electric field is a
  • High voltage electrode 53 is introduced into the nutrient solution 3 and via a semiconductor switching technique high voltage pulses are applied to the electrodes 53. Since the cell walls of the algae 51 do not necessarily have to be destroyed sustainably in these process steps, a rela ⁇ tively weak electric field is generally sufficient, based on the size of the settling tank 52 or its height and based on the concentration of the algae 51 and depending on the species of algae is usually between 100 V / cm and 10 kV / cm. The applied pulse duration is between 100 ns and about 10 ys.
  • FIG. 16 shows a three-dimensional representation of a round settling basin 52, which comprises a rotatably mounted supporting beam 54, on which in turn the high-voltage electrodes 53 are arranged.
  • the support beam 54 rotates through the round sedimentation tank 52, pulling the high voltage electrodes through the nutrient solution so that the algae 51 floating therein are gradually exposed to the electric field.
  • the algae 51 are anesthetized and cease their metabolism and sink as Algenbrei 51 on the bottom of the settling tank 52 (see Figure 3).
  • the height of the water level in settling tank 52 is preferably about 50 cm to 1 m.
  • the high voltage electrodes 53 have shielding elements 55. These shielding elements 55 are configured in the form of wires 56.
  • the electrically conductive shielding elements 55 are electrically insulated from the high voltage electrodes and grounded. They cause that forms a defined electric field strength around the high voltage electrodes 53, without the water volume of the Eindi ⁇ ckers (settling tank 52) at other places one can see for MEN, animals or plant parts dangerous high voltage potential is exposed.
  • the shielding elements 55 are shown schematically on the left and right.
  • the shielding elements 55 are configured in the form of wires 56, which are arranged at a distance of approximately 15 cm to 45 cm around the high-voltage electrode 53 are. These wires 56, which are also cleanedstal ⁇ tet as wire mesh, move with the high voltage electrode 53 and the support bar 54 continuously through the nutrient solution 3.
  • an alternative Aus ⁇ design is shown, wherein the shielding 55 'in Shape of a wire basket 57 are designed, which encloses the radius bar described by the Hal ⁇ 54 and the high voltage electrode 53 within the settling tank 52. This wire basket 57 has the same effect as the shielding elements
  • a typical mesh size of the wire ⁇ basket 57 is 0.5 cm.
  • the shielding elements per se preferably use a material which is inert to the nutrient solution, for example stainless steel.
  • a combi nation ⁇ of wires 56 and one or a plurality of wire baskets 57 as the shield 55 in a separation tank is also useful.
  • the pulse repetition rate is chosen in dependence on the Geome ⁇ ration of the settling tank, the rotation speed or Be ⁇ motion speed of the stop bar 54 and the Konzentra ⁇ tion of algae 51 in the nutrient solution 3 such that air entrapped in the volume of algal cells at least once each time, Preferably, three to five times, possibly even up to 20 times, are subjected to the high voltage pulse before they sink to the bottom of the settling tank 52.
  • the settled algal cells 51 located in the settling tank 52 at the bottom are sucked out of the settling tank 52 via a pumping channel 76.
  • a pumping channel 76 electrodes 77, 77 'are included.
  • the electrodes 77 are tube electrodes which are interrupted and connected in series, the electrodes 77 'are intended to represent parallel plate electrodes. Coaxial tube electrodes would also be expedient.
  • the pumping channel 76 is designed in the manner of preferred with an almost rectangular cross section may have a width of 10 cm to about 1 m aufwei ⁇ sen.
  • the pumping channel 76 is designed rather rectangular with egg ⁇ ner higher width and a shallower height.
  • the electric field is applied by the electrodes 77.
  • the electric field is chosen so that it has a field strength of 1 kV / cm up to 10 kV / cm depending on the biological nature of the microorganisms to be treated.
  • Typical current amplitudes are 10 kA up to 100 kA, the pulse durations are between 10 ns and 50 ys.
  • the combination of the mentioned field strengths and the current amplitudes and the pulse duration leads to effective applied amounts of energy which are so low that high-power semiconductor switches, such.
  • high-power semiconductor switches such as thyristors can be used as high-voltage generators. This leads to a significant reduction in the investment costs for high-voltage generators, which reduces the total operating costs of the plant for algae cultivation. If higher current amplitudes are required, for example, for larger channel widths, this can be achieved by connecting several semiconductor switches in parallel.
  • This treatment with electric fields results in electroporation of the aigen cell walls, resulting in micropores in the cell walls.
  • This so treated concentrated algae mass 79 is pumped into a Abpressbecken 78, in which the actual pressing out of the cell water or dehydration is carried out by a press die 80 shown schematically. Due to the already existing micropores in the algae cells, the cell water can be removed with a significantly lower pressure than would be the case without the use of electroporation and without the application of electric fields. After pressing, one obtains a highly dehydrated biomass, which can in principle be ⁇ already thermally utilized directly or may be supplied as a raw material in the chemical industry or the pharmaceutical industry, in this form, depending on the type of microorganism ses.
  • a further thermal drying step may be necessary, but the energy expenditure is significantly lower than a conventional drying process in a conventional Algenzüchtungs ⁇ method according to the prior art.
  • the thus dried algae mass can be transported with less effort, for example as a pumpable medium in tanker trucks. Thus, this can be transported to the energy sources for further drying - if necessary - or be transported in power plants for further thermal utilization.

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Abstract

The invention relates to a method for dehydrating microorganisms, wherein first microorganisms are cultured in a nutrient solution (3). After multiplication, the nutrient solution (3) is at least partially removed, wherein a concentrated mixture of microorganisms and nutrient solution (3) is created. Said concentrated mixture is exposed to a pulsed electric field, and subsequently cell water of the cells of the microorganisms is removed by the pressing process.

Description

Beschreibung description
Verfahren zur Dehydrierung von Mikroorganismen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dehydrierung vonThe invention relates to a process for the dehydrogenation of microorganisms
Mikroorganismen nach dem Patentanspruch 1 sowie eine Vorrichtung zur Dehydrierung von Zellen eines Mikroorganismusses nach dem Patentanspruch 10. Unter Verwendung von Solarenergie lässt sich eine größereMicroorganisms according to claim 1 and a device for the dehydration of cells of a microorganism according to claim 10. Using solar energy can be a larger
Menge an Biomasse herstellen, die nach einer weiteren Verarbeitung sowohl einerseits für Rohstoffe der chemischen Industrie und der Pharmaindustrie umgewandelt werden kann. Fer¬ ner können aus Biomasse auch Treibstoffe, wie beispielsweise Biodiesel, erzeugt werden. Bei der Herstellung von Biomasse unter Verwendung von Solarenergie wird zudem Kohlendioxid in größerem Maße verbraucht. Dieses Kohlendioxid kann insbeson¬ dere aus bereits entstandenen Verbrennungsprozessen gewonnen werden, wobei die Umweltbelastung durch CO2, die derartigen Verbrennungsprozessen inne liegt, reduziert werden kann. Somit kann ohnehin anfallendes Kohlendioxid durch die Produkti¬ on von Biomasse gebunden werden bzw. zu klimaunschädlichen Produkten umgewandelt werden. Die so gewonnene Biomasse kann, wie bereits erwähnt, anderweitig nützlich verwendet werden. Produce quantity of biomass, which can be converted after further processing both on the one hand for raw materials of the chemical industry and the pharmaceutical industry. Fer ¬ ner also fuels, such as biodiesel can be generated from biomass. The production of biomass using solar energy also consumes carbon dioxide to a greater extent. This carbon dioxide can be recovered from insbeson ¬ particular already incurred combustion processes, wherein the environmental pollution caused by CO 2, which is held such combustion processes, can be reduced. Thus accumulating carbon dioxide may already be bound by the producti on ¬ biomass or are converted to innocuous products climate. As already mentioned, the biomass thus obtained can be used for other purposes.
Da die gezüchteten Mikroorganismen - in der Regel handelt es sich um Algen - einen hohen Anteil an intrazellulärem Wasser aufweisen, muss dieses für die weitere Verwertung der Algenzellen durch einen Dehydrierungsprozess entfernt werden. Since the cultured microorganisms - which are usually algae - have a high content of intracellular water, this must be removed by a dehydration process for the further utilization of algae cells.
Nach dem Stand der Technik werden zur Entwässerung von Algen bzw. auch Bakterien oder Hefekulturen, sowohl mechanische Pressen (Band- oder Filterpressen bzw. vergleichbare Prozesse) als auch die Abwärme von thermischen Industrieprozessen bzw. Kraftwerken genutzt. Gegebenenfalls werden auch Kombina¬ tionen dieser Methoden eingesetzt. Nachteilig dabei ist, dass aufgrund der mechanisch stabilen Zellwände der Algenzellen das intrazelluläre Wasser sehr stark gebunden ist, so dass sich sehr lange Trocknungszeiten ergeben und sehr hohe Pressdrücke notwendig sind. Sowohl durch die Trocknung als auch durch die aufgewandte Pressenergie ist der Entwässerungspro- zess, also der Dehydrierungsprozess der gewonnenen Mikroorga- nismen, energetisch sehr ungünstig und der dabei erzielbare Massendurchsatz ist sehr gering. Als Stand der Technik sei auf die Veröffentlichung „Electroporation as an optimizing stepp in drying of green biomass", M. Sack et al . ; According to the prior art are used for dewatering of algae or bacteria or yeast cultures, both mechanical presses (belt or filter presses or similar processes) and the waste heat of thermal industrial processes or power plants. Optionally Kombina ¬ tions of these methods are used. The disadvantage here is that due to the mechanically stable cell walls of the algae cells, the intracellular water is very strongly bound, so that very long drying times arise and very high compression pressures are necessary. Both the drying and the applied pressing energy make the dehydration process, ie the dehydrogenation process of the microorganisms obtained, very energetically unfavorable and the mass throughput which can be achieved is very low. As state of the art, reference may be made to the publication "Electroporation as an optimizing step in the drying of green biomass", M. Sack et al.
1-4244-0914-4/07 IEEE verwiesen (Anmerkung an Hrn. Hartmann: Ist dies so richtig zitiert?) . 1-4244-0914-4 / 07 IEEE (Note to Mr. Hartmann: Is this really quoted?).
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Dehydrierungs¬ prozess für Mikroorganismen und eine Dehydrierungsanlage für die Mikroorganismen bereitzustellen, die gegenüber dem Stand der Technik einen reduzierten Energieaufwand benötigen. The object of the invention is to provide a dehydrogenation ¬ process for microorganisms and a dehydration plant for the microorganisms, which require compared to the prior art, a reduced energy consumption.
Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfahren zur Dehydrierung von Mikroorganismen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie in einer Vorrichtung zur Dehydrierung von Zellen eines Mikroorganismusses mit den Merkmalen des Patent¬ anspruchs 10 sowie einer Anlage zur Züchtung von Mikroorga¬ nismen nach Patentanspruch 13. The object is achieved in a method for dehydration of microorganisms having the features of claim 1 and in a device for dehydration of cells of a microorganism having the features of patent ¬ claim 10 and a plant for breeding Mikroorga ¬ organisms according to claim 13.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Dehydrierung von Mikroor- ganismen zeichnet sich dadurch aus, dass zunächst Mikroorga¬ nismen in einer Nährlösung gezüchtet werden. Im Weiteren wird die Nährlösung zumindest teilweise entfernt und eine derart konzentrierte Mischung aus Mikroorganismen und Nährlösung wird einem gepulsten elektrischen Feld ausgesetzt. Anschlie- ßend wird das Zellwasser der Mikroorganismen durch einenThe inventive process for the dehydrogenation of micro-organisms is characterized in that first micro Orga ¬ mechanisms are cultivated in a nutrient solution. Furthermore, the nutrient solution is at least partially removed and such a concentrated mixture of microorganisms and nutrient solution is exposed to a pulsed electric field. Subsequently, the cell water of the microorganisms by a
Pressvorgang entfernt. Die Feldstärke des gepulsten elektrischen Feldes wird dabei so eingestellt, dass an den Zellwän¬ den eine so genannte Elektroporation auftritt. D.h., die Zellwand wird durch das starke elektrische Feld irreversibel geschädigt und porös. Durch die poröse Zellwand lässt sich das Zellwasser mit niedrigerem Druck entfernen, als dies bei ungeschädigten Zellen der Fall wäre. Der angewandte Druck und die damit benötigte Energie beim Auspressen des Zellwassers aus den Algenzellen werden somit deutlich erniedrigt und der gesamte Wirkungsgrad der Algenproduktion erhöht. Pressing away. The field intensity of the pulsed electric field is adjusted so that a so-called electroporation occurs at the Zellwän ¬. That is, the cell wall is irreversibly damaged by the strong electric field and porous. Through the porous cell wall, the cell water can be removed with lower pressure than would be the case with undamaged cells. The pressure applied and the energy required to squeeze out the cell water From the algae cells are thus significantly reduced and increases the overall efficiency of algae production.
Es hat sich als zweckmäßig herausgestellt, dass das gepulste elektrische Feld eine Feldstärke zwischen 1 kV/cm und It has been found to be expedient that the pulsed electric field has a field strength between 1 kV / cm and
10 kV/cm aufweist. Bei einer Impulsdauer, die in einem Intervall von 10 ns und 50 ys liegen kann, ist die benötigte Ge¬ samtenergie des gepulsten elektrischen Feldes so gering, dass die Erzeugung des elektrischen Feldes durch einen Halbleiter- Schalter erfolgen kann. Hierbei hat sich insbesondere ein Thyristor als Halbleiterschalter vorteilhaft bewährt. 10 kV / cm. For a pulse duration which can lie in an interval of 10 ns and 50 ys, the required Ge ¬ samtenergie the pulsed electric field is so low that the generation of the electric field may be performed by a semiconductor switch. In particular, a thyristor has proven to be advantageous as a semiconductor switch.
Die für die Erzeugung des elektrischen Feldes erforderlichen Stromamplituden liegen bevorzugt in einem Bereich zwischen 10 kA und 100 kA. The current amplitudes required for the generation of the electric field are preferably in a range between 10 kA and 100 kA.
Dabei wird die Feldstärke so eingestellt, dass eine irrever¬ sible Schädigung der Zellwand der Mikroorganismen erfolgt, was, wie bereits erwähnt, als Elektroporation bezeichnet wird. The field strength is set so that a irrever ¬ sible damage to the cell wall of the microorganisms occurs, which, as already mentioned, referred to as electroporation.
In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung wird die konzentrierte Lösung von Mikroorganismen durch einen Kanal gepumpt, in dem das gepulste elektrische Feld angelegt wird. Dabei ist es zweckmäßig, die Pumpgeschwindigkeit und dieIn another embodiment of the invention, the concentrated solution of microorganisms is pumped through a channel in which the pulsed electric field is applied. It is expedient, the pumping speed and the
Pulsrate des elektrischen Feldes so aufeinander abzustimmen, dass jede Zelle des Mikroorganismus mit einer Impulszahl zwi¬ schen 3 und 10 Impulsen beaufschlagt wird. Bei einer Beauf¬ schlagung der Mikroorganismen der Zellen mit dieser absoluten Impulszahl in Verbindung des beschriebenen elektrischen Feldes entsteht die gewünschte Elektroporation der Zellwände. Match pulse rate of the electric field to each other so that each cell of the microorganism is acted upon with a number of pulses between ¬ 3 and 10 pulses. In a Beauf ¬ suppression of the microorganisms of the cells with this absolute number of pulses in conjunction of the described electric field, the desired electroporation of the cell walls.
Bei den im Verfahren verwendeten Mikroorganismen handelt es sich bevorzugt um Algen. The microorganisms used in the process are preferably algae.
Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Dehydrierung von Zellen eines Mikroorganismusses umfas¬ send Elektroden zur Erzeugung eines gepulsten elektrischen Feldes und eine Pressvorrichtung zum Auspressen von Zellwasser . Another component of the invention is an apparatus for the dehydrogenation of cells of a microorganism umfas ¬ transmitting electrodes for generating a pulsed electric Feldes and a pressing device for pressing out cell water.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung ist ein Kanal vorgesehen, in dem die Elektroden angeordnet sind und das elektrische Feld auf eine konzentrierte Lösung der Mikro¬ organismen wirkt. In a preferred embodiment of the invention, a channel is provided in which the electrodes are arranged and the electric field acts on a concentrated solution of micro ¬ organisms.
Ferner ist Bestandteil der Erfindung eine Anlage zur Züchtung von Mikroorganismen, die eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12 umfasst. Furthermore, a component of the invention is a plant for growing microorganisms, which comprises a device according to one of claims 10 to 12.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Erfindung weitere Merkmale werden anhand der folgenden Zeichnungen her erläutert. Dabei zeigen: Further advantageous embodiments of the invention further features will be explained with reference to the following drawings. Showing:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Anlage zur Figure 1 is a schematic representation of a system for
Züchtung von Mikroorganismen mit einer Impfanlage, einem Bioreaktor, einer Ernteanlage und einer  Breeding of microorganisms with a seeding system, a bioreactor, a harvesting plant and a
Trocknungsanlage,  Drying plant
Figur 2 eine schematische Darstellung einer Impfanlage mit  Figure 2 is a schematic representation of a vaccination with
Elektroden zur Erzeugung eines gepulsten elektrischen Feldes vor dem Impfen,  Electrodes for generating a pulsed electric field before seeding,
Figur 3 die schematische Darstellung aus Figur 2 während des Impfprozesses ,  FIG. 3 shows the schematic representation from FIG. 2 during the vaccination process,
Figur 4 ebenfalls eine schematische Darstellung einer Impfanlage, wobei die Elektroden in Form von Rohrelektroden in einem Kanal angeordnet sind,  FIG. 4 likewise a schematic representation of a seedling system, the electrodes being arranged in the form of tubular electrodes in a channel,
Figur 5 eine schematische Darstellung einer Impfanlage nach  Figure 5 is a schematic representation of a vaccination after
Figur 4, indem die Elektrode in Form einer Koaxialelektrode ausgestaltet ist und  FIG. 4, in which the electrode is designed in the form of a coaxial electrode, and
Figur 6 einen Bioreaktor, bei dem Elektroden vorgesehen  FIG. 6 shows a bioreactor in which electrodes are provided
sind, die zur Behandlung der Nährlösung vor dem Impfen dienen.  which are used to treat the nutrient solution before vaccination.
Figur 7 einen Teil eines Bioreaktors, nämlich einen Blasenreaktor zur Mischung der Nährlösung und Einbringen von Kohlendioxid, Figur 8 einen Bioreaktor zur Züchtung von Mikroorganismen in Form eines Schlauchreaktors, FIG. 7 shows part of a bioreactor, namely a bubble reactor for mixing the nutrient solution and introducing carbon dioxide, FIG. 8 shows a bioreactor for cultivating microorganisms in the form of a hose reactor,
Figur 9 einen Bioreaktor zur Züchtung von Mikroorganismen in Form eines Plattenreaktors, FIG. 9 shows a bioreactor for cultivating microorganisms in the form of a plate reactor,
Figur 10 einen Bioreaktor zur Züchtung von Mikroorganismen in Form eines Rohrreaktors, FIG. 10 shows a bioreactor for cultivating microorganisms in the form of a tubular reactor,
Figur 11 die Anordnung von Elektroden auf einer Gehäusewand eines Bioreaktors in Form von Leiterbahnen, FIG. 11 shows the arrangement of electrodes on a housing wall of a bioreactor in the form of conductor tracks,
Figur 12 die Anordnung von Elektroden an einer Gehäusewand eines Bioreaktor in Form von Drähten, die and der Oberfläche der Gehäusewand befestigt sind oder in die Gehäusewand eingelassen sind, FIG. 12 shows the arrangement of electrodes on a housing wall of a bioreactor in the form of wires which are fastened to the surface of the housing wall or are embedded in the housing wall,
Figur 13 die Anordnung von Elektroden an einer Gehäusewand in Form von Leiterbahnen, innen und außen angeordnet, FIG. 13 shows the arrangement of electrodes on a housing wall in the form of conductor tracks, arranged inside and outside,
Figur 14 einen Blick in Richtung des Pfeils XIII aus Figur  Figure 14 is a view in the direction of the arrow XIII of FIG
13 auf die Leiterbahnen, die innen und außen angeordnet sind, wobei die Leiterbahnen parallel ver¬ setzt zueinander angeordnet sind und 13 on the conductor tracks, which are arranged inside and outside, wherein the conductor tracks are arranged parallel ver ¬ sets to each other and
Figur 15 denselben Blick auf eine Gehäusewand gemäß Figur 13 entlang des Pfeils XIII, wobei die Elektroden innen und außen jedoch überkreuzt angeordnet sind. FIG. 15 shows the same view of a housing wall according to FIG. 13 along the arrow XIII, wherein the electrodes are arranged inside and outside but crossed over.
Figur 16 eine Separationsanlage mit Absetzbecken und Hoch¬ spannungselektroden, FIG. 16 shows a separation plant with sedimentation tanks and high-voltage electrodes ,
Figur 17 eine Querschnittsdarstellung der Separationsanlagen nach Figur 1. FIG. 17 is a cross-sectional view of the separation plants according to FIG. 1.
Figur 18 eine Detaildarstellung des Prozesses aus Figur 1 mit einer Dehydrierungsanlage für Mikroorganismen.  FIG. 18 shows a detailed representation of the process from FIG. 1 with a dehydrating plant for microorganisms.
Anhand der Figur 1 sei im Folgenden zunächst schematisch das Grundprinzip der Züchtung von Mikroorganismen, insbesondere unter Anwendung gepulster elektrischer Felder, hier in Form von Algen, erläutert. Hierbei wird zunächst in einer Impfan¬ läge 2 eine Nährlösung aufbereitet, die in noch näher zu be¬ schreibenden, unterschiedlichen Formen mit einem elektrischen Feld behandelt wird, wobei unerwünschte Mikroorganismen vor dem Impfen aus der Impflösung entfernt werden bzw. in ihrer Fortpflanzung behindert werden. Die Nährlösung 3 wird nach dem Impfen mit Impfzellen 4 (vgl. Figur 3) in einen Bioreaktor 25 gebracht. Der Bioreaktor 25 ist hier schematisch als eine Kuppel dargestellt (Blasenreaktor 42), in dem die ge¬ impfte Nährlösung 3 aufbereitet wird, mit Kohlendioxid ver- setzt wird und gemischt wird. Die eigentliche Vermehrung der Mikroorganismen erfolgt beispielsweise in einem Schlauchreaktor 44, der insbesondere der Sonnenstrahlung ausgesetzt ist und in dem die eigentliche Vermehrung der Mikroorganismen stattfindet. Zur Vermeidung von Biofouling können die Wände des Reaktors 25 mit Elektroden 28 versehen sein, die ein ge¬ pulstes elektrisches Feld erzeugen. The basic principle of the cultivation of microorganisms, in particular using pulsed electric fields, here in the form of algae, will first of all be explained schematically below with reference to FIG. Here, a nutrient solution is first prepared in a Impfan ¬ läge 2, which is treated in even closer to ¬ writing, different forms with an electric field, whereby unwanted microorganisms are removed before vaccination from the Impflösung or obstructed in their reproduction. The nutrient solution 3 is after The vaccination with vaccine cells 4 (see Figure 3) placed in a bioreactor 25. The bioreactor 25 is schematically shown as a dome shown here (bubble reactor 42) in which the ge ¬ inoculated nutrient solution is prepared 3, comparable with carbon dioxide is set and is mixed. The actual multiplication of the microorganisms takes place, for example, in a hose reactor 44, which is exposed in particular to solar radiation and in which the actual propagation of the microorganisms takes place. To prevent biofouling, the walls of the reactor 25 may be provided with electrodes 28, which generate a ge ¬ pulstes electric field.
Nach Abschluss der Vermehrung der Mikroorganismen, insbesondere dann, wenn die Nährlösung soweit mit Mikroorganismen ge- sättigt ist, dass das einfallende Sonnenlicht durch die be¬ reits vorhandenen Mikroorganismen zu stark absorbiert wird, so dass ein weiteres Wachstum der Mikroorganismen gehemmt wird, wird die Nährlösung 3 mit den Mikroorganismen in eine Separationsanlage 50 gegeben. In der Separationsanlage 50 kann wiederum ein elektrisches Feld auf die Mikroorganismen wirken, so dass diese zu Boden sinken und sich als konzent¬ rierter Brei dort absetzen. After completion of the multiplication of the microorganisms, in particular when the nutrient solution is so far saturated with microorganisms that the incident sunlight is too strongly absorbed by the be ¬ already existing microorganisms, so that further growth of the microorganisms is inhibited, the nutrient solution 3 with the microorganisms in a separation plant 50 given. In the separation unit 50, an electric field can in turn act on the microorganisms so that they sink to the bottom and settle as concen ¬ tured porridge there.
Die so abgesetzten Mikroorganismen, in der Regel Algen, wer- den über eine Rohrleitung 76 in eine weitere Entwässerungsanlage 75 gepumpt. Bereits im Pumpkanal werden diese Algen be¬ vorzugt einem starken elektrischen Feld ausgesetzt, so dass ihre Zellwand irreversibel zerstört wird. Dieser Vorgang wird als Elektroporation bezeichnet. Die so vorgeschädigten Algen werden in ein Abpressbecken 78 gebracht, wobei das Zellwasser aus den Zellen durch hohen Pressdruck herausgepresst wird. Auf diese Art und Weise verlieren die Algen einen hohen Anteil ihres Wassers und sind als vergleichsweise trockene Bio¬ masse für weitere Zwecke weiter verarbeitbar. Sie können in dieser abgepressten Form als Zulieferprodukt für pharmazeuti¬ sche Produkte bzw. für chemische Produkte dienen. Sie können jedoch auch in einer thermischen Anlage verbrannt werden. Bei einer thermischen Verbrennung der Algenmasse entsteht zwar Kohlendioxid, das jedoch vorher bereits zum Algenwachstum der Nährlösung zugefügt wurde. Ein Verbrennungsprozess wäre in diesem Fall nahezu kohlendioxid-neutral . In den Figuren 2 und 3 ist schematisch eine Impfanlage 2 dargestellt, in Figur 2 vor einem Impfprozess, in Figur 3 während eines Impfprozesses . Die Impfanläge 2 umfasst ein Impf¬ becken 5, in dem Elektroden 6, hier in Form von Parallelplat- tenelektroden 7, angeordnet sind. Ferner ist in dem Impfbe- cken 5 eine Nährlösung 3 enthalten. Die Nährlösung 3 enthält neben gewünschten Nährstoffen auch weitere unerwünschte fremde biologische Zellen, wie ungewünschte Algen, Bakterien oder Hefezellen. Durch Anlegen eines gepulsten elektrischen Feldes 8 werden in der Nährlösung 3 derartige Zellen nachhaltig ge- schädigt, so dass ihr Wachstum während des Reifeprozesses der gewünschten Mikroorganismen, in diesem Fall der Algen, unterbunden wird. The microorganisms thus deposited, as a rule algae, are pumped via a pipeline 76 into a further dewatering plant 75. Already in pumping channel, these algae are be ¬ vorzugt exposed to a strong electric field so that their cell wall is irreversibly destroyed. This process is called electroporation. The so-damaged algae are placed in a Abpressbecken 78, wherein the cell water is forced out of the cells by high pressure. In this way, the algae lose a high proportion of their water and can be further processed as comparatively dry biomass for further purposes. You can serve in this pressed-shape as supplier products for pharmazeuti ¬ specific products or for chemical products. However, they can also be burned in a thermal plant. In a thermal combustion of the algae mass is formed while Carbon dioxide, which, however, was previously added to the algae growth of the nutrient solution. A combustion process in this case would be almost carbon dioxide neutral. FIGS. 2 and 3 schematically show a seedling 2, in FIG. 2 before a seedling process, in FIG. 3 during a seedling process. The Impfanläge 2 comprises a Impf ¬ basin 5, in the electrodes 6, here in the form of Parallelplat- tenelektroden 7, are arranged. Furthermore, a nutrient solution 3 is contained in the Impfbe 5. The nutrient solution 3 contains desired nutrients and other unwanted foreign biological cells, such as unwanted algae, bacteria or yeast cells. By applying a pulsed electric field 8, such cells are sustainably damaged in the nutrient solution 3, so that their growth during the ripening process of the desired microorganisms, in this case the algae, is prevented.
Das angelegte elektrische Feld 8 ist ein gepulstes elektri- sches Feld, das eine Feldstärke aufweist, die größer alsThe applied electric field 8 is a pulsed electric field having a field strength greater than
1 Kiloelektronenvolt ist. Abhängig von der Art der zu besei¬ tigenden unerwünschten Zellen kann das elektrische Feld jedoch deutlich stärker werden und bis zu 100 kV/cm betragen. Bei einer relativ niedrigen Feldstärke wird ein vergleichs- weise langer Impuls des gepulsten elektrischen Feldes gewählt. Die Impulsdauer beträgt etwa 1 ms bei einem Feld von 1 kV/cm und kann bis zu 10 ns verkürzt werden, wenn das elektrische Feld größer als 10 kV/cm ist. Die elektrische Feldstärke ist abhängig von einer Durchfluss¬ rate der Nährlösung 3 durch das Absetzbecken 5 bzw. durch einen Kanal 12, sie ist ferner abhängig von der Querschnittsfläche und dem Volumen des Elektrodensystems und, wie bereits erwähnt, von der Art der zu beseitigenden unerwünschten Zel- len. Die Impulswiederholraten des gepulsten elektrischen Feldes 8 betragen dabei zwischen zwei Impulse/s bis zu fünfzig Impulse/s. Geeignete Hochspannungsamplituden sind dabei im Bereich von 10 kV bis über 100 kV, bei Strömen von mehreren 100 A bis zu 10 kA. 1 kilo-electron volts. However, depending on the type of besei ¬ righting unwanted cells, the electric field can be significantly stronger, and be up to 100 kV / cm. At a relatively low field strength, a comparatively long pulse of the pulsed electric field is selected. The pulse duration is about 1 ms for a field of 1 kV / cm and can be shortened up to 10 ns if the electric field is greater than 10 kV / cm. The electric field strength is dependent on a flow ¬ rate of the nutrient solution 3 through the sedimentation tank 5, and through a channel 12, it is also dependent on the cross-sectional area and the volume of the electrode system and, as already mentioned, of the type of eliminating unwanted cell h - len. The pulse repetition rates of the pulsed electric field 8 are between two pulses / s up to fifty pulses / s. Suitable high-voltage amplitudes are in the Range from 10 kV to over 100 kV, at currents of several 100 A up to 10 kA.
In den Figuren 2 und 3 ist ferner eine Impfdüse 9 eingezeich- net, die schematisch dargestellt ist, um das Zufügen von Impfzellen 4 (vgl. Figur 3) zu veranschaulichen. FIGS. 2 and 3 also show a seed nozzle 9, which is shown schematically in order to illustrate the addition of seed cells 4 (see FIG.
In einer alternativen Ausgestaltungsform gemäß Figur 4 kann die Nährlösung 3 durch einen Kanal 12 gepumpt werden, in dem Elektroden 6 in Form von Rohrelektroden 10 angeordnet sind. Diese Rohrelektroden 10 sind unterbrochen, so dass sie paarweise angeordnet sind und ein elektrisches Feld 8 erzeugen. Beim Durchfluss der Nährlösung werden durch die Rohrelektroden 10 unerwünschte Zellen in der Nährlösung 3 unschädlich gemacht. Nach dem Durchlaufen der Rohrelektroden 10 werden die Impfzellen 4 des gewünschten Mikroorganismusses , also Al¬ genzellen, durch die Impfdüse 9 eingefügt. Anschließend wird die Nährlösung 3 in den Bioreaktor 25 gepumpt, wo die weitere Aufbereitung und die Vermehrung der Algen erfolgt. In an alternative embodiment according to FIG. 4, the nutrient solution 3 can be pumped through a channel 12, in which electrodes 6 in the form of tubular electrodes 10 are arranged. These tube electrodes 10 are interrupted so that they are arranged in pairs and generate an electric field 8. As the nutrient solution flows through the tube electrodes 10 unwanted cells in the nutrient solution 3 are rendered harmless. After passing through the tubular electrode 10, the seed cells 4 of the desired microorganism can be so genzellen Al ¬ inserted through the injection nozzle. 9 Subsequently, the nutrient solution 3 is pumped into the bioreactor 25, where the further processing and the multiplication of the algae takes place.
Analog der Darstellung in Figur 4 ist in Figur 5 ebenfalls ein Impfverfahren dargestellt, wobei alternativ zu den Rohrelektroden 10 in Figur 4 Koaxialelektroden 11 verwendet werden, die als konzentrische Röhren ineinander verlaufen, wobei die Nährlösung 3 durch beide Röhren gleichzeitig verläuft und das elektrisches Feld 8 zwischen den Rohren erzeugt wird. Ebenfalls nach Durchlaufen des Elektrodensystems 11 erfolgt die Impfung durch die Impfdüse 9 und eine Weiterleitung der Nährlösung 3 in den Bioreaktor 25. Analogous to the representation in FIG. 4, a vaccination process is likewise shown in FIG. 5, wherein coaxial electrodes 11 are used as an alternative to the tubular electrodes 10 in FIG. 4, which run as concentric tubes, whereby the nutrient solution 3 passes through both tubes simultaneously and the electric field 8 is generated between the tubes. Also after passing through the electrode system 11, the vaccination is carried out by the Impfdüse 9 and a forwarding of the nutrient solution 3 in the bioreactor 25th
In Figur 6 ist eine weitere Alternative beschrieben, wobei die Impfung der Nährlösung 3 in dem Bioreaktor 25 erfolgen kann, wobei der Bioreaktor 25 in Form eines Blasenreaktors 42 ausgestaltet ist, der Teil des Bioreaktors 25 ist. In diesem wird die Nährlösung gemischt, aufbereitet und mit CO2 verse¬ hen. In diesem Blasenreaktor 24 sind hier beispielhaft Elektroden 6 in Form von Parallelplattenelektroden 7 angeordnet, die vor dem Impfprozess mit der Impfdüse 9 die Nährlösung durch das elektrische Feld 8 von ungewünschten Zellen befreit . Another alternative is described in FIG. 6, wherein the nutrient solution 3 can be inoculated in the bioreactor 25, wherein the bioreactor 25 is designed in the form of a bubble reactor 42, which is part of the bioreactor 25. In this nutrient solution is mixed, processed and shipping ¬ hen with CO 2. In this bubble reactor 24, electrodes 6 in the form of parallel plate electrodes 7 are arranged here by way of example, and before the vaccination process with the seed nozzle 9, the nutrient solution freed by the electric field 8 of unwanted cells.
Im Folgenden wird ein Teilschritt der Zucht von Mikroorganis- men beschrieben, bei dem das Biofouling während des Wachstumsprozesses der Mikroorganismen unterbunden wird. In the following, a sub-step of the cultivation of microorganisms is described in which the biofouling is suppressed during the growth process of microorganisms.
In Figur 7 ist ein Teil eines Bioreaktors 25 dargestellt, nämlich ein Blasenreaktor 42. In diesem Blasenreaktor 42 wird die gegebenenfalls bereits mit der Zelle eines Mikroorganis- musses, insbesondere Algenzellen, geimpfte Nährlösung 3 ge¬ mischt und aufbereitet. Hierzu ist eine Umwälzanlage 38 vor¬ gesehen sowie ein Einlass 46 für Kohlendioxid (C02) und ein Auslass 47 für das Ausscheiden von Stickstoff (N2) . Der Bla- senreaktor 42 weist eine Gehäusewand 27 auf, an der optional, wenn dies erforderlich ist, Elektroden 28 vorgesehen sein können. Diese Elektroden 28 dienen zur Erzeugung eines elektrischen Feldes, durch die unerwünschte Mikroorganismen, wie beispielsweise Hefezellen, Bakterien oder unerwünschte Algen, abgetötet werden können oder in ihrer Fortpflanzung derart gehemmt werden können, dass sie eine Oberfläche 31 der Reak¬ torwand nicht in der Form bedecken können, dass das einstrahlende Sonnenlicht nachhaltig verdeckt werden könnte. Das so genannte Biofouling wird durch diese Maßnahme unterbunden. 7 shows a part of a bioreactor 25 is shown, namely, a bubble reactor 42. In this reactor 42, the bubble possibly already with the cell of a Musses microorganisms, in particular algae cells inoculated nutrient solution is 3 ge ¬ mixed and processed. For this purpose, a circulating system 38 is seen before ¬ and an inlet 46 for carbon dioxide (C0 2 ) and an outlet 47 for the elimination of nitrogen (N 2 ). The bladder reactor 42 has a housing wall 27, to which optionally electrodes 28 may be provided, if necessary. These electrodes 28 are used to generate an electric field, can be killed by the unwanted microorganisms such as yeast cells, bacteria or unwanted algae, or can be inhibited in their propagation such that they do not cover a surface 31 of the Reak ¬ torwand in the form that the incoming sunlight could be permanently obscured. The so-called biofouling is prevented by this measure.
In Figur 8 ist ein weiterer Bestandteil des Bioreaktors 25 exemplarisch dargestellt, es handelt sich hierbei um einen Schlauchreaktor 44, der in Form von flexiblen Kunststofffo- lien ausgestaltet ist. Die Nährlösung 3 mit den hierin sich vermehrenden Mikroorganismen 37, also in diesem Ausführungsbeispiel in Form der zu züchtenden Algen 37, wird von dem Blasenreaktor 42 in den Schlauchreaktor 44 gepumpt, dort verweilt die Nährlösung 3 mit den Algen 37, bis die Algen 37 sich soweit vermehrt haben, dass sie die Nährlösung 3, in der sie sich befinden, derart vom Sonnenlicht abschirmen, dass ein weiteres Wachstum gehemmt wird. Diese Situation liegt in der Regel bei einer Algenkonzentration von 5 % vor. Bei dem in Figur 8 beschriebenen Teil des Bioreaktors 25, nämlich dem Schlauchreaktor 44, handelt es sich lediglich um eine beispielhafte Ausgestaltung eines Bioreaktors 25, in dem die Algen 37 wachsen können. Alternative Ausgestaltungsformen werden wiederum rein exemplarisch und schematisch in den Figuren 9 und 10 dargestellt. In der Figur 9 ist ein Plattenre¬ aktor 43 dargestellt, wobei die Nährlösung 3 mit den Mikroor¬ ganismen 37 zwischen zwei parallelen, transparenten Platten, beispielsweise Glasplatten oder Plexiglasplatten, angeordnet ist. Durch die Platten des Plattenreaktors 43 kann Sonnen¬ licht einfallen, was zur Vermehrung der Algen 37 unter Ausführung von Photosynthese dient. Ein weiteres Beispiel nach Figur 10 liegt in Form eines Röhrenreaktors 45 vor, wobei transparente Röhren zur Aufbewahrung der Nährlösung 3 mit den sich vermehrenden Algen 37 dienen. FIG. 8 shows by way of example a further component of the bioreactor 25, this being a hose reactor 44, which is designed in the form of flexible plastic films. The nutrient solution 3 with the microorganisms 37 multiplying therein, ie in this embodiment in the form of the algae 37 to be cultivated, is pumped by the bubble reactor 42 into the tubing reactor 44, where the nutrient solution 3 dwells with the algae 37 until the algae 37 have reached that point that they have shielded the nutrient solution 3 in which they are located from the sunlight in such a way that further growth is inhibited. This situation is usually present with an algae concentration of 5%. The part of the bioreactor 25 described in FIG. 8, namely the hose reactor 44, is merely an exemplary embodiment of a bioreactor 25 in which the algae 37 can grow. Alternative embodiments are again shown purely by way of example and schematically in FIGS. 9 and 10. In the figure, 9 is a Plattenre ¬ actuator 43 is shown, where the nutrient solution 3 with the Mikroor ¬ organisms 37 between two parallel, transparent plates such as glass plates or acrylic plates, is arranged. Through the plates of the plate reactor 43 Suns ¬ light can be incident, which is used for multiplication of algae 37 under execution of photosynthesis. Another example according to FIG. 10 is in the form of a tubular reactor 45, wherein transparent tubes serve to store the nutrient solution 3 with the multiplying algae 37.
Allen beschriebenen Reaktoren nach den Figuren 8, 9 und 10 ist es eigen, dass sie einen möglichst geringen Abstand zwi¬ schen den Gehäusewänden 27 aufweisen. Der Abstand soll je nach Energie der Sonnenstrahlung und der zu züchtenden Algenart möglichst nicht größer als 30 cm sein. Ansonsten würden die Algen 37 das einfallende Sonnenlicht zu stark absorbie¬ ren, so dass die bereits erwähnte Konzentration θΠ 5 "6 Algen in der Nährlösung gar nicht erst erreicht werden könnte. All of the described reactors according to Figures 8, 9 and 10, it is inherent to have the smallest possible distance Zvi ¬ rule the housing walls 27th The distance should not be greater than 30 cm, depending on the energy of the sun's rays and the species of algae to be grown. Otherwise, the algae would 37 the incident sunlight too strong absorbie ¬ reindeer, so that the aforementioned concentration θΠ 5 "6 algae in the nutrient solution could not even be reached.
Alle beschriebenen Reaktoren der Figuren 7 bis 10 weisen hier im Einzelnen nicht dargestellte Elektroden auf, die dazu die¬ nen, das bereits erwähnte Phänomen des Biofoulings zu unter¬ binden. Die dabei angewandten Parameter des gepulsten elekt- rischen Feldes sind selbstverständlich von der Geometrie des Bioreaktors 25 und den darin gewählten Prozessparametern abhängig. Beispielsweise ist es von Bedeutung, welchen Wandabstand die Wände 27 des Bioreaktors 25 haben, oder ob die Nährlösung 3 mit den Algen 37 im Bioreaktor zirkuliert bzw. ob sie stationär vorliegt und wie hoch die Sonneneinstrahlung an dem Standort des Bioreaktors ist. Es hat sich als zweckmä¬ ßig herausgestellt, dass das gepulste elektrische Feld eine Feldstärke zwischen 0,5 kV/cm und 5 kV/cm aufweist. Die Im- pulsdauer beträgt dabei zwischen 10 ns und 50 ys, wobei eben¬ falls abhängig von der Geometrie des Bioreaktors 25 und der Geometrie bzw. der Dicke der Gehäusewand 27 und der zu zer¬ störenden unerwünschten Mikroorganismen die Gesamtenergie, die durch das elektrische Feld eingebracht wird, variiert werden soll. Daher ist es weiterhin zweckmäßig, bei einer ho¬ hen Feldstärke eher eine niedrige Impulsdauer zu wählen und umgekehrt. Die dabei angewandte Impulsdauer liegt zwischen 5 Impulsen/s und 50 Impulsen/s. Hierbei ist ebenfalls zu be- rücksichtigen, ob die Nährlösung 3 im Reaktor zirkuliert oder ob sie stationär bleibt. All of the described reactors of Figures 7 to 10 have here in detail not shown electrodes on which, the ¬ NEN bind the phenomenon of biofouling already mentioned to be ¬. The applied parameters of the pulsed electric field are, of course, dependent on the geometry of the bioreactor 25 and the process parameters selected therein. For example, it is important which wall distance the walls 27 of the bioreactor 25 have or whether the nutrient solution 3 with the algae 37 circulates in the bioreactor or whether it is stationary and how high the solar radiation is at the location of the bioreactor. It has been found to be expedient ¬ SSIG that the pulsed electric field having a field strength of 0.5 kV / cm and 5 kV / cm. The im- Pulse duration is between 10 ns and 50 ys, wherein just ¬ if, depending on the geometry of the bioreactor 25 and the geometry or the thickness of the housing wall 27 and zer to ¬ disturbing unwanted microorganisms, the total energy that is introduced by the electric field, should be varied. Therefore, it is also expedient, with a high field strength, to choose a low pulse duration and vice versa. The applied pulse duration is between 5 pulses / s and 50 pulses / s. It should also be considered here whether the nutrient solution 3 circulates in the reactor or whether it remains stationary.
Im Folgenden sei anhand der Figuren 11 bis 15 die Anordnung und die Ausgestaltung der Elektroden 28 näher erläutert. In Figur 11 ist ein Ausschnitt einer Gehäusewand 27 gegeben, wo¬ bei die Elektroden 28 in Form von Leiterbahnen 30 ausgestaltet sind. Die Leiterbahnen 30 können beispielsweise durch ein Beschichtungsverfahren auf die Oberfläche 31 der Gehäusewand 27 aufgedampft werden. Bei der schematischen Darstellung nach Figur 11 sind die Leiterbahnen 30 parallel zueinander angeordnet. Zweckmäßig ist es, dass die von den Elektroden 28 verdeckte Oberfläche 31 der Gehäusewand 27 möglichst gering gehalten wird. Die in Figur 11 dargestellten Elektroden sind somit verhältnismäßig dick dargestellt und daher rein exem- plarisch, nicht maßstabsgetreu, zu sehen. Üblicherweise soll¬ ten die Dicke der Elektroden 28 weniger als 5 mm betragen, bevorzugt weniger als 1 mm, wobei der Abstand zwischen den Elektroden 28 zueinander weniger als 30 mm betragen sollte. In Figur 12 ist eine weitere exemplarische Darstellung einer Gehäusewand 27 eines Bioreaktors 25 gegeben. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Ausschnitt eines Röhrenreaktors 45 handeln. Die Elektroden 28 sind hier in Form von Drähten 32 dargestellt, die einerseits an der Innenseite 34 der Ge- häusewand 27 angebracht sein können. Die Drähte 32 an der In¬ nenwand 34 der Gehäusewand 27 sind in Oberflächennähe auf der Oberfläche aufgespannt. In einem anderen Beispiel sind Drähte 32 an einer Außenseite 33 der Gehäusewand 27 in das Material der Gehäusewand 27 eingebracht. Sie können beispielsweise, wenn es sich bei der Gehäusewand 27 um ein Gussmaterial han¬ delt, in das Material eingegossen werden. In Figur 13 ist wiederum eine ähnliche Gehäusewand 27 wie in Figur 7 dargestellt. Die Elektroden 28 sind hier wiederum in Form von Leiterbahnen 30 ausgestaltet. Hierbei ist wiederum eine Elektrode 28 an der Außenseite 33 der Gehäusewand 27 an¬ geordnet und eine andere, hierzu korrespondierende Elektrode 28 an der Innenseite 34 der Gehäusewand 27 angeordnet. The arrangement and the configuration of the electrodes 28 will be explained in more detail below with reference to FIGS. 11 to 15. 11 shows a section of a housing wall 27 is provided, where ¬ are configured with the electrodes 28 in the form of conductor tracks 30th The conductor tracks 30 can be vapor-deposited on the surface 31 of the housing wall 27, for example, by a coating method. In the schematic illustration according to FIG. 11, the conductor tracks 30 are arranged parallel to one another. It is expedient that the surface 31 of the housing wall 27 concealed by the electrodes 28 is kept as small as possible. The electrodes shown in FIG. 11 are thus shown relatively thick and can therefore be seen purely as an example, not to scale. Usually, to the thickness of the electrodes 28 th ¬ less than 5 mm be preferably less than 1 mm, the distance between the electrodes should be 28 to each other is less than 30 mm. FIG. 12 shows a further exemplary illustration of a housing wall 27 of a bioreactor 25. This may be, for example, a section of a tubular reactor 45. The electrodes 28 are here shown in the form of wires 32, which can be attached on the one hand to the inside 34 of the housing wall 27. The wires 32 at the In ¬ nenwand 34 of the housing wall 27 are clamped near the surface on the surface. In another example, wires 32 on an outer side 33 of the housing wall 27 are in the material the housing wall 27 introduced. You can, for example, if it is han ¬ punched in the housing wall 27 by a mold material are cast into the material. FIG. 13 again shows a similar housing wall 27 as shown in FIG. The electrodes 28 are again configured in the form of printed conductors 30 here. Here again, an electrode 28 on the outer side 33 of the housing wall 27 is arranged on ¬ and another, corresponding thereto electrode 28 on the inner side 34 of the housing wall 27 is arranged.
In Figur 14 ist eine Darstellung auf einen Ausschnitt aus ei¬ ner Gehäusewand 27 entlang des Pfeils XIII in Figur 13 gege¬ ben. Die Elektroden 28, die hier in Form von Leiterbahnen 30 dargestellt sind, sind an der Innenseite 34 angeordnet In Figure 14 is an illustration of a detail of egg ¬ ner housing wall 27 along the arrow XIII in Figure 13 gege ¬ ben. The electrodes 28, which are shown here in the form of conductor tracks 30, are arranged on the inner side 34
(durchgezogene Linie der Leiterbahnen 30) bzw. an der Außenseite 33 der Gehäusewand 27 angeordnet (gestrichelte Linie der Leiterbahnen 30) . Die Elektroden 28 sind in Blickrichtung des Pfeils XIII versetzt zueinander angeordnet. Zwischen die- sen Elektroden 28 wirkt ein elektrisches Feld 8, das durch (Solid line of the interconnects 30) and arranged on the outer side 33 of the housing wall 27 (dashed line of the interconnects 30). The electrodes 28 are offset from each other in the direction of arrow XIII. Between these electrodes 28, an electric field 8, which acts through
Schlangenlinien angedeutet ist. Dabei hat es sich als zweck¬ mäßig herausgestellt, dass insbesondere eine geerdete Elek¬ trode an der Außenseite 33 der Gehäusewand 27 angebracht ist. Durch diese Maßnahme wird zwar der Bereich einer hohen Feld- stärke in der Nährlösung 3 verkleinert, allerdings wird auch der durch Wärme erzeugte Energieverlust minimiert, so dass diese Anordnung der Elektroden innen und außen bzw. versetzt zueinander einen besonders wirtschaftlichen Betrieb gewährleistet . Serpentine is indicated. It has been found to be moderately ¬ purpose, that in particular a grounded elec trode ¬ on the outer side 33 of the housing wall is mounted 27th Although the area of a high field strength in the nutrient solution 3 is reduced by this measure, the energy loss generated by heat is also minimized, so that this arrangement of the electrodes inside and outside or offset from one another ensures particularly economical operation.
In Figur 15 ist derselbe Blick des Pfeils XIII in Figur 13 dargestellt, wie in Figur 14. Lediglich sind die Elektroden 28, bzw. hier wiederum ausgestaltet in Form von Leiterbahnen 30, ebenfalls an der Innenseite 34 bzw. der Außenseite 33 (wiederum gestrichelt dargestellt), gezeigt. Die Leiterbahnen 30 nach Figur 15 sind in einem Winkel zueinander gekreuzt angeordnet, was zu vielen Kreuzungsstellen der Elektroden zueinander führt. Eine besondere Ausrichtung der Elektroden zu- einander ist damit nicht notwendig, was die Fertigungsanfor¬ derungen an die Elektroden und somit die Herstellungskosten der Gehäusewände reduziert. Im Folgenden wird die Algenseparation aus der Nährlösung 3 beschrieben. In Figur 16 ist eine Separationsanlage 50 darge¬ stellt, die ein Absetzbecken 52 umfasst, in das die mit Algen gesättigte Nährlösung 3 nach der Algenzucht im Bioreaktor 25 gepumpt wird. Bei den Algen bzw. auch bei anderen Mikroorga- nismen handelt es sich um sehr kleine, schwebende Partikel, die sich nicht ohne weiteres absetzen. Deshalb ist es schwie¬ rig, die Algen mechanisch aus der Nährlösung 3 zu trennen. Durch die Anwendung von kurzzeitig gepulsten hohen elektrischen Feldern in der Nährlösung mit den Algen wird deren Me- tabolismus vorübergehend eingestellt. Die derartig betäubten Algen bzw. Mikroorganismen sinken auf den Boden des Absetzbeckens 52 ab (In der Separationsanlage 50 behandelte Algen werden ab der Figur 16 mit dem Bezugszeichen 51 versehen.) . Zur Erzeugung des erwähnten elektrischen Feldes wird eineIn FIG. 15, the same view of the arrow XIII is shown in FIG. 13 as in FIG. 14. Only the electrodes 28, or again in the form of printed conductors 30, are likewise shown on the inner side 34 or the outer side 33 (again dashed) ). The printed conductors 30 according to FIG. 15 are arranged crossed at an angle to one another, which leads to many intersections of the electrodes relative to one another. A special orientation of the electrodes each other is not necessary so, thus reducing the Fertigungsanfor ¬ changes to the electrodes and the manufacturing cost of the housing walls. The algae separation from the nutrient solution 3 will be described below. In Figure 16, a separation unit 50 provides Darge ¬ comprising a sedimentation tank 52, in which the saturated algae nutrient solution is pumped 3 after the algae cultivation in the bioreactor 25th The algae or other microorganisms are very small, floating particles that do not readily settle. Therefore, it is Schwiering ¬ rig to separate the algae mechanically from the nutrient solution. 3 The application of short-pulsed high electric fields in the nutrient solution with the algae temporarily stops their metabolism. The thus anesthetized algae or microorganisms sink to the bottom of the settling tank 52 (in the separation plant 50 treated algae are provided from the figure 16 with the reference numeral 51). To generate the mentioned electric field is a
Hochspannungselektrode 53 in die Nährlösung 3 eingebracht und über eine Halbleiterschalttechnik werden Hochspannungsimpulse an die Elektroden 53 angelegt. Da die Zellwände der Algen 51 bei diesen Verfahrensschritten nicht notwendigerweise nach- haltig zerstört werden müssen, reicht in der Regel ein rela¬ tiv schwaches elektrisches Feld, das bezogen auf die Größe des Absetzbeckens 52 bzw. dessen Höhe und bezogen auf die Konzentration der Algen 51 und abhängig von der Algenart in der Regel zwischen 100 V/cm und 10 kV/cm liegt. Die dabei an- gewandte Impulsdauer liegt zwischen 100 ns und etwa 10 ys .High voltage electrode 53 is introduced into the nutrient solution 3 and via a semiconductor switching technique high voltage pulses are applied to the electrodes 53. Since the cell walls of the algae 51 do not necessarily have to be destroyed sustainably in these process steps, a rela ¬ tively weak electric field is generally sufficient, based on the size of the settling tank 52 or its height and based on the concentration of the algae 51 and depending on the species of algae is usually between 100 V / cm and 10 kV / cm. The applied pulse duration is between 100 ns and about 10 ys.
Bei hohen elektrischen Feldern wird eine in dem genannten Intervall eher kürzere Impulsdauer angewandt, bei niedrigeren elektrischen Feldern eine längere Impulsdauer. Bei diesen verhältnismäßig geringen elektrischen Feldern und den geringen Energien, die durch die Kombination aus dem elektrischen Feld und der Impulsdauer resultieren, ist es möglich, verhältnismäßig kostengünstige Halbleiterschalttech- niken als Hochspannungsgeneratoren anzuwenden. Dies macht dieses Verfahren besonders wirtschaftlich. Einerseits wird eine relativ geringe Energiemenge benötigt (im Vergleich zum Stand der Technik) , andererseits handelt es sich bei der an- gewandten Technik in der Bereitstellung der Hochspannungselektroden und der Hochspannungsgeneratoren um relativ kostengünstige Investitionen. In the case of high electric fields, a pulse duration that is rather shorter in the mentioned interval is used, with longer electric fields a longer pulse duration is used. With these relatively small electric fields and the low energies that result from the combination of the electric field and the pulse duration, it is possible to obtain relatively inexpensive semiconductor switching technologies. to be used as high-voltage generators. This makes this process particularly economical. On the one hand, a relatively small amount of energy is required (in comparison to the prior art), on the other hand, the applied technique in the provision of the high-voltage electrodes and the high-voltage generators is a relatively inexpensive investment.
Figur 16 zeigt eine dreidimensionale Darstellung eines runden Absetzbeckens 52, das einen rotierend gelagerten Tragbalken 54 umfasst, an dem wiederum die Hochspannungselektroden 53 angeordnet sind. Der Tragbalken 54 bewegt sich rotierend durch das runde Absetzbecken 52 und zieht damit die Hochspannungselektroden durch die Nährlösung, so dass die darin schwimmenden Algen 51 nach und nach dem elektrischen Feld ausgesetzt werden. Die Algen 51 werden betäubt und stellen ihren Metabolismus ein und sinken als Algenbrei 51 auf den Boden des Absetzbeckens 52 ab (vgl. Figur 3) . Die Höhe des Wasserstandes im Absetzbecken 52 beträgt bevorzugt etwa 50 cm bis 1 m. FIG. 16 shows a three-dimensional representation of a round settling basin 52, which comprises a rotatably mounted supporting beam 54, on which in turn the high-voltage electrodes 53 are arranged. The support beam 54 rotates through the round sedimentation tank 52, pulling the high voltage electrodes through the nutrient solution so that the algae 51 floating therein are gradually exposed to the electric field. The algae 51 are anesthetized and cease their metabolism and sink as Algenbrei 51 on the bottom of the settling tank 52 (see Figure 3). The height of the water level in settling tank 52 is preferably about 50 cm to 1 m.
Die Hochspannungselektroden 53 weisen Abschirmelemente 55 auf. Diese Abschirmelemente 55 sind in Form von Drähten 56 ausgestaltet. Die elektrisch leitfähigen Abschirmelemente 55 sind gegenüber den Hochspannungselektroden elektrisch isoliert und geerdet. Sie bewirken, dass sich in der Umgebung der Hochspannungselektroden 53 eine definierte elektrische Feldstärke ausbildet, ohne dass das Wasservolumen des Eindi¬ ckers (Absetzbecken 52) an anderen Stellen einem für Men- sehen, Tiere oder Anlagenteilen gefährlichen Hochspannungspotential ausgesetzt wird. The high voltage electrodes 53 have shielding elements 55. These shielding elements 55 are configured in the form of wires 56. The electrically conductive shielding elements 55 are electrically insulated from the high voltage electrodes and grounded. They cause that forms a defined electric field strength around the high voltage electrodes 53, without the water volume of the Eindi ¬ ckers (settling tank 52) at other places one can see for MEN, animals or plant parts dangerous high voltage potential is exposed.
In der Figur 17 sind links und rechts zwei unterschiedliche alternative Ausgestaltungsformen der Abschirmelemente 55 schematisch dargestellt. Auf der linken Seite der Figur 17 sind, wie bereits beschrieben, die Abschirmelemente 55 in Form von Drähten 56 ausgestaltet, die im Abstand von etwa 15 cm bis 45 cm um die Hochspannungselektrode 53 angeordnet sind. Diese Drähte 56, die auch als Drahtgeflecht ausgestal¬ tet sind, bewegen sich mit der Hochspannungselektrode 53 und dem Haltebalken 54 kontinuierlich durch die Nährlösung 3. Auf der rechten Seite der Figur 17 ist eine alternative Aus¬ gestaltung dargestellt, wobei die Abschirmelemente 55' in Form eines Drahtkorbes 57 ausgestaltet sind, der den von dem Hal¬ tebalken 54 und dem Hochspannungselektroden 53 beschriebenen Radius innerhalb des Absetzbeckens 52 umschließt. Dieser Drahtkorb 57 hat dieselbe Wirkung wie die AbschirmelementeIn the figure 17, two different alternative embodiments of the shielding elements 55 are shown schematically on the left and right. On the left side of FIG. 17, as already described, the shielding elements 55 are configured in the form of wires 56, which are arranged at a distance of approximately 15 cm to 45 cm around the high-voltage electrode 53 are. These wires 56, which are also ausgestal ¬ tet as wire mesh, move with the high voltage electrode 53 and the support bar 54 continuously through the nutrient solution 3. On the right side of Figure 17, an alternative Aus ¬ design is shown, wherein the shielding 55 'in Shape of a wire basket 57 are designed, which encloses the radius bar described by the Hal ¬ 54 and the high voltage electrode 53 within the settling tank 52. This wire basket 57 has the same effect as the shielding elements
56, er ist ebenfalls geerdet und bezüglich der Hochspannungs¬ elektroden 53 isoliert. Eine typische Maschenweite des Draht¬ korbes 57 liegt bei 0,5 cm. Bei den Abschirmelementen an sich wird bevorzugt auf ein gegenüber der Nährlösung inertes Mate- rial, beispielsweise Edelstahl, zurückgegriffen. Eine Kombi¬ nation von Drähten 56 und einem oder mehrere Drahtkörbe 57 als Abschirmelemente 55 in einem Separationsbecken ist ebenfalls zweckmäßig. Die Impulswiederholrate wird in Abhängigkeit von der Geome¬ trie des Absetzbeckens, der Rotationsgeschwindigkeit bzw. Be¬ wegungsgeschwindigkeit des Haltebalkens 54 und der Konzentra¬ tion an Algen 51 in der Nährlösung 3 so gewählt, dass in dem Volumen eingeschlossene Algenzellen jeweils mindestens ein- mal, bevorzugt drei- bis fünf mal, gegebenenfalls sogar bis zu 20 mal, mit dem Hochspannungsimpuls beaufschlagt werden, bevor sie auf den Boden des Absetzbeckens 52 absinken. 56, it is also grounded and insulated with respect to the high voltage ¬ electrodes 53. A typical mesh size of the wire ¬ basket 57 is 0.5 cm. The shielding elements per se preferably use a material which is inert to the nutrient solution, for example stainless steel. A combi nation ¬ of wires 56 and one or a plurality of wire baskets 57 as the shield 55 in a separation tank is also useful. The pulse repetition rate is chosen in dependence on the Geome ¬ ration of the settling tank, the rotation speed or Be ¬ motion speed of the stop bar 54 and the Konzentra ¬ tion of algae 51 in the nutrient solution 3 such that air entrapped in the volume of algal cells at least once each time, Preferably, three to five times, possibly even up to 20 times, are subjected to the high voltage pulse before they sink to the bottom of the settling tank 52.
In der Figur 18 ist die Algenernte mit der Separationsanlage 50 und mit der Entwässerungsanlage 75 (auch Dehydrierungsan¬ lage genannt) näher beschrieben. In the figure 18, the harvesting algae with the separation plant 50 and the drainage system 75 (also called Dehydrierungsan ¬ position) described in more detail.
Dabei werden die in dem Absetzbecken 52 am Boden befindlichen, abgesetzten Algenzellen 51 (vgl. Fig. 17) über einen Pumpkanal 76 aus dem Absetzbecken 52 abgesaugt. Hierbei han¬ delt es sich um einen kontinuierlichen Prozess. In dem Pumpkanal 76 sind Elektroden 77, 77' enthalten. Hierbei werden exemplarisch zwei Beispiele für mögliche Elektrodengeometrien gegeben. Die Elektroden 77 sind Rohrelektroden, die unterbrochen sind und hintereinandergeschaltet sind, die Elektroden 77' sollen Parallelplattenelektroden darstellen. Zweckmäßig wären auch Koaxialrohrelektroden. Der Pumpkanal 76 ist in be- vorzugter Weise mit einem nahezu rechteckigen Querschnitt ausgestaltet, der eine Breite von 10 cm bis etwa 1 m aufwei¬ sen kann. Dabei ist der Pumpkanal 76 eher rechteckig mit ei¬ ner höheren Breite und einer flacheren Höhe ausgestaltet. In dem Pumpkanal 76 wird durch die Elektroden 77 das elektrische Feld angelegt. Das elektrische Feld ist so gewählt, dass es je nach biologischer Beschaffenheit der zu behandelnden Mikroorganismen eine Feldstärke von 1 kV/cm bis zu 10 kV/cm aufweist. Typische Stromamplituden sind hierbei 10 kA bis zu 100 kA, die Impulsdauern liegen zwischen 10 ns und 50 ys . The settled algal cells 51 (see Fig. 17) located in the settling tank 52 at the bottom are sucked out of the settling tank 52 via a pumping channel 76. Here han ¬ delt it is a continuous process. In the pumping channel 76 electrodes 77, 77 'are included. Here are two examples of possible electrode geometries given. The electrodes 77 are tube electrodes which are interrupted and connected in series, the electrodes 77 'are intended to represent parallel plate electrodes. Coaxial tube electrodes would also be expedient. The pumping channel 76 is designed in the manner of preferred with an almost rectangular cross section may have a width of 10 cm to about 1 m aufwei ¬ sen. Here, the pumping channel 76 is designed rather rectangular with egg ¬ ner higher width and a shallower height. In the pumping channel 76, the electric field is applied by the electrodes 77. The electric field is chosen so that it has a field strength of 1 kV / cm up to 10 kV / cm depending on the biological nature of the microorganisms to be treated. Typical current amplitudes are 10 kA up to 100 kA, the pulse durations are between 10 ns and 50 ys.
Die Kombination aus den genannten Feldstärken und den Stromamplituden sowie der Impulsdauer führt zu effektiven angewandten Energiemengen, die so gering sind, dass Hochleistungshalbleiterschalter, wie z. B. Thyristoren, als Hochspan- nungsgeneratoren verwendet werden können. Dies führt zu einer deutlichen Herabsenkung der Investitionskosten für Hochspannungsgeneratoren, was die gesamten Betriebskosten der Anlage zur Algenzüchtung herabsetzt. Sollten höhere Stromamplituden beispielsweise bei größeren Kanalbreiten benötigt werden, so kann dies durch die Parallelschaltung mehrerer Halbleiterschalter realisiert werden. The combination of the mentioned field strengths and the current amplitudes and the pulse duration leads to effective applied amounts of energy which are so low that high-power semiconductor switches, such. For example, thyristors can be used as high-voltage generators. This leads to a significant reduction in the investment costs for high-voltage generators, which reduces the total operating costs of the plant for algae cultivation. If higher current amplitudes are required, for example, for larger channel widths, this can be achieved by connecting several semiconductor switches in parallel.
Durch diese Behandlung mit elektrischen Feldern erfolgt eine Elektroporation der Aigenzellwände, was Mikroporen in den Zellwänden mit sich führt. Diese so behandelte konzentrierte Algenmasse 79 wird in ein Abpressbecken 78 gepumpt, in dem durch einen schematisch dargestellten Pressstempel 80 das eigentliche Herauspressen des Zellwassers bzw. die Dehydrierung erfolgt. Bedingt durch die bereits vorhandenen Mikroporen in den Algenzellen lässt sich das Zellwasser mit einem deutlich niedrigeren Pressdruck entfernen, als das ohne Anwendung der Elektroporation und ohne Anwendung von elektrischen Feldern der Fall wäre. Nach dem Pressen erhält man je nach Art des Mikroorganismus- ses eine stark entwässerte Biomasse, die grundsätzlich be¬ reits direkt thermisch verwertet werden kann oder in dieser Form als Rohstoff der chemischen Industrie bzw. der Pharmaindustrie zugeführt werden kann. Gegebenenfalls kann noch eine weitere thermische Trocknungsstufe notwendig sein, die jedoch vom energetischen Aufwand deutlich geringer ist als ein üblicher Trocknungsprozess in einem herkömmlichen Algenzüchtungs¬ verfahren nach dem Stand der Technik. Zudem kann die so getrocknete Algenmasse mit geringerem Aufwand transportiert werden, beispielsweise als pumpbares Medium in Tanklastzügen. Somit kann diese zur weiteren Trocknung - falls dies notwendig ist - zu den Energiequellen transportiert werden bzw. in Kraftwerke zur weiteren thermischen Verwertung transportiert werden . This treatment with electric fields results in electroporation of the aigen cell walls, resulting in micropores in the cell walls. This so treated concentrated algae mass 79 is pumped into a Abpressbecken 78, in which the actual pressing out of the cell water or dehydration is carried out by a press die 80 shown schematically. Due to the already existing micropores in the algae cells, the cell water can be removed with a significantly lower pressure than would be the case without the use of electroporation and without the application of electric fields. After pressing, one obtains a highly dehydrated biomass, which can in principle be ¬ already thermally utilized directly or may be supplied as a raw material in the chemical industry or the pharmaceutical industry, in this form, depending on the type of microorganism ses. Optionally, a further thermal drying step may be necessary, but the energy expenditure is significantly lower than a conventional drying process in a conventional Algenzüchtungs ¬ method according to the prior art. In addition, the thus dried algae mass can be transported with less effort, for example as a pumpable medium in tanker trucks. Thus, this can be transported to the energy sources for further drying - if necessary - or be transported in power plants for further thermal utilization.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Dehydrierung von Mikroorganismen, wobei Mikroorganismen in einer Nährlösung (3) gezüchtet werden, die Nährlösung (3) zumindest teilweise entfernt wird und eine derart konzentrierte Mischung aus Mikroorganismen und Nährlö¬ sung (3) einem gepulsten elektrischen Feld ausgesetzt wird, und anschließend Zellwasser der Zellen der Mikroorganismen durch einen Pressvorgang entfernt wird. 1. A method for dehydrating microorganisms, wherein microorganisms are grown in a nutrient solution (3), the nutrient solution (3) is at least partially removed and such a concentrated mixture of microorganisms and Nährlö ¬ solution (3) is exposed to a pulsed electric field, and then cell water of the cells of the microorganisms is removed by a pressing operation.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das gepulste elektrische Feld zwischen 1 kV/cm und 10 kV/cm beträgt . 2. The method according to claim 1, characterized in that the pulsed electric field is between 1 kV / cm and 10 kV / cm.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das gepulste elektrische Feld durch Halbleiterschalter erzeugt wird. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the pulsed electric field is generated by semiconductor switches.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Feld durch in Reihe geschalteten Thyristoren erzeugt wird. 4. The method according to claim 3, characterized in that the electric field is generated by series-connected thyristors.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Erzeugung des elektrischen Feldes erforderlichen Stromamplituden zwischen 10 kA und 100 kA liegen. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the current amplitudes required for the generation of the electric field between 10 kA and 100 kA.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das elektrische Feld eine Schädi- gung der Zellwand der Mikroorganismen erfolgt. 6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that takes place by the electric field damage to the cell wall of the microorganisms.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die konzentrierte Lösung von Mikroorga¬ nismen durch einen Kanal (76) gepumpt wird, in dem das ge- pulste elektrische Feld angelegt wird. 7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the concentrated solution of micro orga ¬ mechanisms through a channel (76) is pumped, in which the overall pulsed electric field is applied.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpgeschwindigkeit und die Pulsrate des elektrischen Feldes so auf einander abgestimmt sind, dass jede Zelle des Mikroorganismus mit einer Impulszahl zwischen 3 und 10 Impul¬ sen beaufschlagt wird. 8. The method according to claim 7, characterized in that the pumping speed and the pulse rate of the electric Field are coordinated so that each cell of the microorganism is applied with a pulse number between 3 and 10 pulses ¬ sen.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroorganismen Algen sind 9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the microorganisms are algae
10. Vorrichtung zur Dehydrierung von Zellen eines Mikroorganismus umfassend Elektroden (77) zur Erzeugung eines gepuls- ten elektrischen Feldes und eine Pressvorrichtung (80) zum Auspressen von Zellwasser. 10. Device for dehydrating cells of a microorganism comprising electrodes (77) for generating a pulsed electric field and a pressing device (80) for expressing cell water.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kanal (76) vorgesehen ist, in dem die Elektroden (77) angeordnet sind und das elektrische Feld auf eine kon¬ zentrierte Lösung (79) der Mikroorganismen wirkt. 11. The device according to claim 10, characterized in that a channel (76) is provided, in which the electrodes (77) are arranged and the electric field acts on a kon ¬ centered solution (79) of the microorganisms.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 und 11 zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9. 12. Device according to one of claims 10 and 11 for carrying out a method according to one of claims 1 to 9.
13. Anlage zur Züchtung von Mikroorganismen umfassend eine Vorrichtung nach Anspruch 12. 13. plant for growing microorganisms comprising a device according to claim 12.
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