WO2012098031A1 - Photobioreaktor mit beleuchtung mittels leucht-formteilen - Google Patents

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WO2012098031A1
WO2012098031A1 PCT/EP2012/050241 EP2012050241W WO2012098031A1 WO 2012098031 A1 WO2012098031 A1 WO 2012098031A1 EP 2012050241 W EP2012050241 W EP 2012050241W WO 2012098031 A1 WO2012098031 A1 WO 2012098031A1
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WO
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photobioreactor
luminous
moldings
reactor
molded parts
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/050241
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English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Walter
Christoph MÜLLER-REES
Original Assignee
Wacker Chemie Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Wacker Chemie Ag filed Critical Wacker Chemie Ag
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    • 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
    • C12M31/00—Means for providing, directing, scattering or concentrating light
    • C12M31/10—Means for providing, directing, scattering or concentrating light by light emitting elements located inside the reactor, e.g. LED or OLED
    • 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
    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/02—Photobioreactors
    • 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
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/06—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of illumination

Definitions

  • the invention relates to photobioreactors with illumination by means of luminous moldings in the form of LED moldings or light-conducting moldings.
  • Phototrophic microorganisms for example microalgae such as Spirulina, or Chlorella, are able, with the aid of light energy, convert it into biomass in the presence of appropriate nutrient elements, CO 2 and water. Instead of gaseous CO 2 , it is also possible to use organic or inorganic carbon sources in nutrient media as carbon source.
  • An overview of common closed cultivation technologies is Eriksen NT, Biotechnol. Lett., Vol. 30, No. 9, ⁇ 1525-1536 (2008).
  • Algal biomass can be used, for example, for the production of valuable substances or active substances, for example pharmaceuticals.
  • the illumination of the reactor is carried out by means of LEDs, transparent, light-emitting bodies made of acrylic, glass or other transparent materials.
  • these luminous bodies are arranged at a distance from each other and alternately attached to the lid or bottom of the reactor.
  • the filament moldings are shorter than the reactor length, so that between the free ends of the filament and the bottom or lid of the reactor each room remains for the flow of the reactor medium.
  • the disadvantage here is the uneven illumination and uneven material distribution.
  • a similar arrangement is described in WO 2009/069967. In a cubic reactor, plates populated with LEDs are used as light sources. The plates are alternately attached to the lid or bottom of the reactor at a distance from each other.
  • the flow of the medium is ensured by the fact that the length of the plates is shorter in each case than the distance from bottom to top.
  • Unsatisfactory here is the uneven material distribution in the culture medium, in particular the increasing concentration gradient for the photosynthetically formed oxygen between the inlet and outlet of the reactor.
  • a cylindrical photobioreactor is described, the illumination of which takes place with a cylindrical lighting body with a ring light segment, which is arranged at a distance from the walls of the reactor.
  • materials for the luminaire glass for the lighting fixture, and silicone, casting resin or glass fiber for the ring light segment are specified.
  • DE 10 2005 012 515 B4 describes a lighting device for a photobioreactor, which is composed of a plurality of LEDs on a flat illumination carrier to form a lighting matrix.
  • This illumination matrix can Be attached to the jacket of the bioreactor, the disadvantage here is the uneven illumination of the culture medium.
  • WO 2007/047805 describes a method for CO 2 degradation in a photobioreactor system equipped with LEDs, which is charged with an aqueous algae culture and exhaust gas containing CO 2 for this purpose.
  • the photobioreactor system is equipped with a large number of reactor compartments, with transparent lid and bottom part, in which LED strips are embedded.
  • the disadvantage here is the completely inadequate substance distribution.
  • WO 2008/145719 describes photobioreactors with LED plastic moldings, in particular LED silicone moldings, for illuminating the reactor. These LED plastic moldings are used as tubes, hoses or plates and are spaced inside the reactor. Luminaire silicone molded parts, in particular for the illumination of bioreactors are known from WO 2008/145718 A1. A uniform illumination and uniform distribution of the components in the culture medium is not discussed here.
  • DE 44 16 069 A1 describes a method for illuminating media for culturing phototrophic organisms by means of light guides.
  • the light source is arranged externally, i. the light source with which the light is coupled into the optical waveguide is positioned outside the reactor. This results in problems with regard to the bundling of light onto a relatively small area for coupling into the light guides; and concomitantly a high heat load at the coupling points.
  • the scalability is very difficult or not given, the invention was the object of a closed
  • Photobioreactor for the production of phototrophic microorganisms in constant and reproducible product quality to provide The invention relates to a photobioreactor with illumination by means of luminous molded parts, which are arranged in the interior of the photobioreactor, in the interior of which the culture medium is mixed, wherein the luminous moldings are arranged at a distance from each other and at a distance to at least one of the walls of the photobioreactor, characterized in that the surface / volume ratio 0 / V of the surface of the luminous moldings to the volume of the culture medium O / V> 10 m 2 / m 3 and the operation of the photobioreactor a mixing quality of> 95% after a mixing time of 20 is set to 200 s.
  • Suitable photobioreactors are made with a pressure-bearing, possibly temperature-resistant jacket, for example made of steel, stainless steel, plastic or enamel, or ceramic. Transparent and non-transparent materials can be used; non-transparent materials are preferred in the case of closed reactors.
  • the photo bioreactor is equipped with an antifouling Siliconbeschi- rect as will be recom ⁇ len in DE 10 2009 028338, and their related information are to be part of this publication ⁇ formation and hereby incorporated by reference (incorporated by reference) should be.
  • Particularly preferred are reactors made of electropolished stainless steel, since this material only a small fouling occurs and the cleaning is facilitated by appropriate standard devices.
  • the reactor volumes can be chosen arbitrarily. Due to the pressure-bearing materials, in contrast to reactors, which are made of glass, a high, space-saving design for mass production is possible. Next can be carried out at elevated pressure, preferably in a range of 0.1 to 5 bar overpressure.
  • the photobioreactor is preferably provided for filling and nutrient ⁇ fuel supply to supply lines and product separation and discharge with derivatives.
  • the mode of operation with an external loop in which phase separation apparatus or modules for dialysis, reverse osmosis and micro- or nanofiltration are arranged, is recommended.
  • the photo bioreactor can optionally be equipped with a double jacket, half-pipe coils on the reactor walls or internal heat exchangers.
  • the reactor may still contain agitators and pumps for mixing.
  • the mixing is carried out by gassing with the feed gas analogously in a bubble column according to the airlift principle, without additional mechanical energy.
  • the photobioreactor is equipped with a steam sterilization unit.
  • luminous moldings which are one or more LED filaments, or a light-conducting material
  • Light guide included in one or more transparent matrices included, inserted, or molded parts, which consist of light-conducting materials (optical fiber), set.
  • Suitable materials for the matrix of the luminous molded parts are transparent materials, for example made of glass or of thermoplastic or thermosetting plastics such as acrylic glass, polyethylene, polypropylene, PVC, polyamides, polyesters such as PET.
  • Preferred are silicones.
  • Geajiete silicones are described in WO 2008/145719 Al, to be whose relevant Anga ⁇ ben part of this application and hereby incorporated by reference (incorporated by reference) should be.
  • Transparent materials are those in which the transmission in the range of a wavelength of 400-700 nm
  • Suitable LED filaments are radiation-emitting semiconductor components of organic (OLED) or inorganic semiconductors, so-called LEDs.
  • the LEDs may be encapsulated with plastic or unencapsulated Diodes act, the LEDs can radiate in the infrared range, in the visible range or in the UV range. The choice depends on the intended applications. For photosynthesis in photobioreactors, LEDs are preferred which emit light in the visible range, in particular red light.
  • the embedded in the transparent molded body LEDs can emit at the same wavelength. However, LEDs with different radiation characteristics can also be combined with one another. In general, a plurality of LEDs are conductively connected to one another in the LED molded part, connected in series and / or in parallel.
  • the LED array may be connected to sensors as well as to measurement / control devices.
  • the LED luminaires can be operated continuously or pulsed. The number of LEDs and their arrangement depends on their application.
  • Suitable light-conducting materials are optical fibers of a transparent material, usually glass or plastic.
  • Examples of light guides are optical waveguides, glass fibers, polymeric optical fibers or other light-conducting components made of plastic and fiber optic components.
  • phosphorescent light guides which can store light for many hours, and can absorb the daytime sunlight during the night.
  • the light guides are exclusively equipped that the light is emitted uniformly over the entire Ausdeh ⁇ voltage of the light guide.
  • the light guides may be equipped with a lens, such as a Fresnel lens, to focus and amplify the light prior to being introduced into the light pipe.
  • thermoplastic silicone elastomers In the light guides, those based on thermoplastic silicone elastomers (TPSE) are preferred.
  • Thermoplastic silicone elastomers contain an organopolymer component, for example polyurethane or polyvinyl ester, and a silicone component, usually based on polydialkylsiloxane-based of the abovementioned specification.
  • Suitable thermoplastic silicone elastomers are commercially available, for example the corresponding Geniomer R types from Wacker Chemie.
  • the luminescent moldings are equipped with LEDs or equipped with light guides in such a way that the luminescent moldings have a surface irradiance of 1 to 5 x 10 4 pmol photons / m 2 / s.
  • the surface irradiance is preferably from 1 to ⁇ 1 x 10 3 ⁇ mol photons / m 2 / s.
  • the surface irradiance may also be preferably 10 to 5 ⁇ 10 4 pmol photons / m 2 / s, particularly preferably 1 ⁇ 10 3 to 5 ⁇ 10 4 pmol photons / m 2 / s.
  • the LEDs be distributed as uniformly as possible over the entire surface of the molded part.
  • the said areas for the surface irradiance can be achieved by using luminous moldings having a surface irradiance within said ranges, or else obtained by combining luminous moldings, which partly have surface irradiance outside said ranges, but in the Mean the stated values for the surface irradiance.
  • the arrangement of the luminous molded parts is designed such that a uniform illumination due to a high Oberflä ⁇ Chen volume ratio (O / V) is ensured with respect to the irradiation, ensuring a stirred tank characteristic with complete backmixing and low mixing times.
  • This ensures effective heat exchange, effective gas exchange and homogeneous reaction conditions and prevents gradients with regard to relevant process parameters.
  • this is particularly relevant for ensuring high and special metabolic activities, which are very sensitively dependent on the ambient conditions.
  • relevant process parameters include pH, nutrient concentrations, partial pressure of oxygen, and temperature.
  • the surface / volume ratio O / V that is, the ratio of the surface area 0 of the luminous moldings to the volume V of the culture medium is generally O / V> 10 m 2 / m 3 , preferably, the O / V is from 10 to 100 m 2 / m 3 , in particular from 30 to 80 m 2 / m 3 .
  • Under the surface O is the part of the total surface of an LED molded part to understand, which is covered with LEDs.
  • the surface O is defined such that it the area over which the light guide emits light.
  • Un ⁇ ter the volume V of the culture medium is meant the volume which is occupied in the reactor of the cultivation medium.
  • the luminescent shaped parts are preferably arranged such that a volumetric irradiation intensity of 1 ⁇ 10 2 to 5 ⁇ 10 5 ⁇ mol photons / m 3 / s results via the reactor volume filled with the culture medium, preferably 5 ⁇ 10 3 to 5 ⁇ 10 4 ⁇ mol photons / m 3 / s.
  • Retzkessel characterizing means procedurally a thorough mixing of the culture medium over the entire filled reactor space.
  • Retzkessel characterizing means in the case of the present invention, a mixing quality of> 95%. The mixing quality should be obtained within a mixing time of 20 to 200 s.
  • the statistical parameter mixing quality is used to characterize the mixing state. It allows a quantitative statement of the whole from diffuse and convective
  • ⁇ deviation of 5% of the final value of the concentration is the mixing gtite 95%, that is, when measuring the concentration of the mixture, in any volume fraction of the mixture, the final value of the concentration is reached with a deviation of + 5%.
  • the mixing quality can be determined in a manner known to the person skilled in the art, for example using the marking method used in the example.
  • Mixing time refers to the time required to completely mix a trace substance fed to the reaction mass.
  • the state of ideal homogeneity of a mixture occurs after the addition of the miscible substance only after an infinite time. Therefore, in practice, the mixing time is defined as the time to reach a maximum deviation of + 5% from the end value of the concentration measurement, ie a mixing grade of> 95%, for the miscible substance.
  • the luminous moldings are mounted freely in volume and without extensive contact of the luminous moldings to the bottom or lid of the reaction vessel.
  • the luminous moldings can also be attached by means of ropes or rods to the reactor wall, including the lid and bottom.
  • the luminous moldings can also be located in special brackets that can be connected to said suspension points.
  • a positioning of the luminous moldings can be carried out by merely placing the holders containing the luminous moldings in the reactor.
  • the internals are not connected to the floor or lid in the way that a spatial separation arises. Rather, there is a cross-exchange of the culture medium over the reactor cross section.
  • the luminous moldings can have any desired shape.
  • the photobioreactors are cylindrical.
  • the shape of the luminous moldings is therefore derived from the cylinder.
  • the luminous moldings may accordingly have the shape of a cylinder or the shape of cylinder segments such as cylinder half-shell. Examples of the shape of the lighting moldings are also curved plate, rings or helix and even flat plate.
  • Luminous moldings in the form of flat plates may be circular (disk-shaped) or also polygonal, such as triangle, quadrangle, hexagon, octagon, etc.
  • light-shaped bodies in the form of hollow bodies with polyhedral base.
  • each other can also be plugged into each other several lighting moldings, preferably with gaps.
  • a plurality of cylindrical luminous moldings can be arranged concentrically with one another.
  • the photobioreactors according to the invention with illumination by means of luminous moldings are suitable for the cultivation of phototrophic microorganisms, preferably for the cultivation of pho tophtic microalgae.
  • the photobioreactor unit is composed of a stirred tank fermenter in the form of a reactor housing 1 and cover 2 as well as an LED installation arranged in the reactor housing, which illuminates the reactor interior uniformly.
  • the LED installation comprises the holder 3a in which the individual LED molded parts 3b are arranged.
  • the LED molded parts 3b are designed in a cylindrical shape, wherein the cylinders are arranged concentrically to each other and in height offset from each other and are enclosed in the holder 3a.
  • the holder 3a is at suitable suspension points 4, for example, tabs which are provided for the attachment of flow breakers and on Scope of the inner wall of the reactor vessel 1 are arranged attached.
  • Example 1 Cultivation at demanding O / V ratio and irradiance
  • a reactor analogous to that shown in FIG. 1 was filled with an algae suspension volume of 24 l.
  • Four LED moldings in the form of cylinders were positioned inside the reactor.
  • the 4 cylinders had the following geometric dimensions and the following number of LEDs:
  • the LED molded parts consisted of a stainless steel foil in the core, on which individual LED emitters of a wavelength of 620-625 nm and the power of 83 mW were arranged and interconnected / wired.
  • the resulting LED boards were sealed with an epoxy resin layer and encapsulated by silicon casting. The total installed power was 430 W.
  • the measurement of the irradiation intensity gave maximum ⁇ values from 1 x 10 3 to 2 x 10 3 ⁇ / m 2 / s for the surface irradiance and corresponding to 42 x 10 3 to 84 x 10 3 ⁇ / m 3 / s for volumetric irradiance at full load ,
  • the irradiation intensities could be reduced by dimming the LEDs.
  • Cultivation was carried out with the organism Porphyridium purpureum in artificial seawater medium ( ⁇ SW medium) and a reaction volume of 22 1.
  • the described LED molded parts (1) to (4) were arranged concentrically to each other in the reactor volume. The operation of the LEDs was pulsed at a frequency of 500 Hz with an effective power of 100W.
  • the further reaction conditions were: a cultivation temperature of 25 ° C, a pH of 7, which was controlled by the supply of C0 2 , a stirrer speed of 200 rpm (axial stirrer) and a gassing rate of 1 vvm (volume / volume / minute) ,
  • the cultivation was carried out in batch mode. This resulted in a maximum specific growth rate of 0.75 d -1 .
  • Example 2
  • the reactor was filled with 24 liters of H 2 0.
  • 10 ml of a 3 molar potassium chloride solution was used. This was introduced by means of a syringe between the outermost cylinder and vessel wall about 8 cm below the liquid level in the reactor.
  • the conductivity was measured 10 cm below the liquid level in the central axis of the reactor by means of a conductivity probe.
  • the solution was gassed from below via a ring.
  • reactor contents were mixed below the cylinder by means of a propeller stirrer.
  • the time evolution of the conductivity was recorded until an almost constant value was reached, starting with injection of the KCl solution.
  • the time after injection was given, at which the conductivity was not deviates more than 5% from the constant value (complete remixing).
  • the stirrer speed was varied from 100 to 300 l / min and the gassing rate to 0.5 and 1 vvrn (gas volume / liquid volume / minute).
  • the upper edges of the innermost and second smallest cylinders were each 6.5 cm below the liquid surface and the upper edges of the two other cylinders were each 3 cm below the liquid surface.
  • the irradiation characteristic in the reactor interior with LED installation was carried out by measuring the photon density at a representative number of points distributed in the reactor volume and then averaged over the radiating surface, taking into account the O / V ratio or the reactor volume.
  • the photon flux density was measured in the area or spherically with the Universal Light Meter ULM-500 from Heinz Walz GmbH.
  • both the light and the components of the cultivation medium are uniformly distributed in the reactor.

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Photobioreaktor mit Beleuchtung mittels Leucht-Formteilen, welche im Innern des Photobioreaktors angeordnet sind, in dessen Innern das Kultivierungsmedium durchmischt wird, wobei die Leucht-Formteile im Abstand zueinander und im Abstand zu mindestens einer der Wände des Photobioreaktors angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflächen/Volumen-Verhältnis O/V der Oberfläche der Leucht-Formteile zum Volumen des Kultivierungsmediums O/V > 10 m2/m3 beträgt und beim Betrieb des Photobioreaktors eine Mischgüte von > 95 % nach einer Mischzeit von 20 bis 200 s eingestellt wird.

Description

Photobioreaktor mit Beleuchtung mittels Leucht-Formteilen
Die Erfindung betrifft Photobioreaktoren mit Beleuchtung mittels Leucht-Formteilen in Form von LED-Formteilen oder lichtleitenden Formteilen. Phototrophe Mikroorganismen, beispielsweise Mikroalgen wie Spirulina oder Chlorella, sind in der Lage, mit Hilfe von Lichtenergie, unter Vorhandensein entsprechender Nährelemente, CO2 und Wasser in Biomasse umzuwandeln. Anstelle von gasförmigem CO2 können auch organische oder anorganische Kohlenstoff- quellen in Nährmedien als Kohlenstoffquelle eingesetzt werden. Einen Überblick über gängige geschlossene Kultivierungstechnologien gibt Eriksen N.T., Biotechnol. Lett., Vol. 30, Nr. 9,· 1525-1536 (2008) . Algenbiomasse kann beispielsweise zur Herstellung hochwertiger Wert- oder Wirkstoffe, beispielweise Pharmazeutika, eingesetzt werden.
Die wirtschaftliche Kultivierung phototropher Mikroorganismen im großtechnischen Maßstab ist aufgrund der Problematiken der Lichtversorgung, der monoseptischen Kulturführung sowie der Maßstabsvergrößerung bisher nicht gelöst. Ein universelles
Standardsystem zur Kultivierung phototropher Mikroorganismen im Großmaßstab ist bis dato nicht verfügbar. Von mehreren Zehntausend Vertretern phototropher Mikroorganismen werden heute lediglich einige wenige Dutzend in größeren Mengen kul- tiviert, wobei dies meist in offenen, nicht kontaminationsfreien Systemen erfolgt. Die Kultivierungsbedingungen phototropher Mikroorganismen, die im Pilotmaßstab in geschlossenen Reaktoren prozessiert werden, sind bis dato über einen längeren Zeitraum nicht konstant zu halten. Probleme ergeben sich hier vorallem hinsichtlich der optimalen Lichtversorgung, und der Kontarainationsanfälligkeit herkömmlicher Anlagen. Zudem werden die Strömungsbedingungen im Reaktor durch zusätzliche Einbauten wie Leuchtelemente negativ beeinflußt. Aus der WO 92/00380 A1 ist ein geschlossener Photobioreaktor mit kubischer oder zylindrischer Formgestalt bekannt. Die Beleuchtung des Reaktors erfolgt mittels mit LEDs bestückten, transparenten Leuchtkörpern aus Acryl, Glas oder anderen transparenten Materialien. In den Photobioreaktoren werden diese Leuchtkörper, im Abstand zueinander angeordnet und alternierend am Deckel oder Boden des Reaktors angebracht. Die Leuchtkörperformteile sind kürzer als die Reaktorlänge, sodass zwischen den freien Enden der Leuchtkörper und Boden bzw. Deckel des Reaktors jeweils Raum bleibt für den Fluß des Reaktormediums. Nachteilig ist hier die ungleichmäßige Ausleuch- tung und ungleichmäßige stoffliche Verteilung. Eine ähnliche Anordnung wird in der WO 2009/069967 beschrieben. In einem kubischen Reaktor werden mit LEDs bestückte Platten als Lichtquellen eingesetzt. Die Platten werden alternierend an Deckel bzw. Boden des Reaktors im Abstand zueinander angebracht . Auch hier wird der Fluß des Mediums dadurch sichergestellt, dass die Länge der Platten jeweils kürzer ist als der Abstand von Boden zu Deckel. Unbefriedigend ist hier die ungleichmäßige stoffliche Verteilung im Kultivierungsmedium, insbesondere der steigende Konzentrationsgradient für den photosynthetisch gebildeten Sauerstoff zwischen Einlaß und Auslaß des Reaktors.
In der Gebrauchsmusterschrift DE 298 19 259 U1 ist ein zylinderförmiger Photobioreaktor beschrieben, dessen Ausleuchtung mit einem zylinderförmigen Beleuchtungskörper mit einem Ring- licht-Segment erfolgt, welcher im Abstand zu den Wandungen des Reaktors angeordnet ist. Als Materialien für den Leuchtkörper werden Glas für den Beleuchtungskörper, und Silikon, Gießharz oder Glasfaser für das Ringlicht-Segment angegeben. Die DE 10 2005 012 515 B4 beschreibt eine Beleuchtungseinrichtung für einen Photobioreaktor, welche aus einer Vielzahl von LEDs auf einem flächigen Beleuchtungsträger zu einer Beleuchtungsmatrix zusammengesetzt ist. Diese Beleuchtungsmatrix kann am Mantel des Bioreaktors angebracht sein, Nachteilig ist hier die ungleichmäßige Beleuchtung des Kultivierungsmediums.
In der WO 2007/047805 wird ein Verfahren zum CO2-Abbau in ei- ner mit LEDs bestückten Photobioreaktor-Anlage beschrieben, welche dazu mit einer wässrigen Algenkultur und CO2-haltigem Abgas beschickt wird. Die Photobioreaktor-Anlage ist aus einer Vielzahl von Reaktorkompartimenten bestückt, mit transparentem Deckel- und Bodenteil, in welche LED-Streifen eingebettet sind. Nachteilig ist hier die völlig unzureichende Stoffverteilung .
Die WO 2008/145719 beschreibt Photobioreaktoren mit LED- Kunststoff-Formteilen, insbesondere LED-Siliconformteile, zur Ausleuchtung des Reaktors. Diese LED-Kunststoff-Formteile werden als Rohre, Schläuche oder Platten eingesetzt und sind im Innern des Reaktors im Abstand zueinander angeordnet. Leuchtkörper-Silicon-Formteile, insbesondere auch zur Ausleuchtung von Bioreaktoren sind aus der WO 2008/145718 A1 bekannt. Auf eine gleichmäßige Ausleuchtung und gleichmäßige Verteilung der Komponenten im Kultivierungsmedium wird hier nicht eingegangen.
In der DE 44 16 069 A1 wird ein Verfahren zum Ausleuchten von Medien zur Kultivierung phototropher Organismen mittels Lichtleitern beschrieben. Dabei ist die Lichtquelle externe angeordnet, d.h. die Lichtquelle mit der das Licht in die Lichtwellenleiter eingekoppelt wird, ist außerhalb des Reaktors positioniert. Damit ergeben sich Probleme hinsichtlich der Bün- delung des Lichtes auf eine relativ geringe Fläche zur Ein- kopplung in die Lichtleiter; und damit einhergehend eine hohe Wärmelast an den Einkopplungstellen. Die Skalierbarkeit ist sehr schwierig bzw. nicht gegeben, Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen geschlossenen
Photobioreaktor zur Herstellung von phototrophen Mikroorganismen in konstanter und reproduzierbarer Produktqualität zur Verfügung zu stellen. Gegenstand der Erfindung ist ein Photobioreaktor mit Beleuchtung mittels Leucht-Formteilen, welche im Innern des Photobioreaktors angeordnet sind, in dessen Innern das Kultivierungsmedium durchmischt wird, wobei die Leucht-Formteile im Abstand zueinander und im Abstand zu mindestens einer der Wände des Photobioreaktors angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflächen/Volumen-Verhältnis 0/V der Oberfläche der Leucht-Formteile zum Volumen des Kultivierungsmediums O/V > 10 m2/m3 beträgt und beim Betrieb des Photobioreaktors eine Mischgüte von > 95 % nach einer Mischzeit von 20 bis 200 s eingestellt wird.
Geeignete Photobioreaktoren sind mit einem drucktragenden, gegebenenfalls temperaturbeständigem Mantel, beispielsweise aus Stahl, Edelstahl, Kunststoff oder Emaille, oder Keramik gefertigt. Es können transparente und nicht transparente Materialien eingesetzt werden, bevorzugt werden bei geschlossenen Reaktoren nicht transparente Materialien. Vorzugsweise wird der Photobioreaktor mit einer anwuchshemmenden Siliconbeschi- chtung ausgestattet wie dies in der DE 10 2009 028338 empfoh¬ len wird, und deren diesbezügliche Angaben Teil dieser Anmel¬ dung sein sollen und hiermit unter Bezugnahme eingeschlossen (incorporated by reference) werden sollen. Besonders bevorzugt werden Reaktoren aus elektropoliertem Edelstahl, da bei diesem Material nur ein geringes Fouling auftritt und die Reinigung durch entsprechende Standardvorrichtungen erleichtert ist.
Die Reaktorvolumina können beliebig gewählt werden. Aufgrund der drucktragenden Materialien ist im Gegensatz zu Reaktoren, welche aus Glas bestehen, eine hohe, grundflächensparende Bauweise für die Massenproduktion möglich. Weiter kann bei erhöhtem Druck gearbeitet werden, vorzugsweise in einem Bereich von 0,1 bis 5 bar Überdruck.
Der Photobioreaktor ist vorzugsweise zur Befüllung und Nähr¬ stoffVersorgung mit Zuleitungen und zur Produktabtrennung und Entleerung mit Ableitungen ausgestattet. Für eine kontinuier- liehe Fahrweise empfiehlt sich gegebenenfalls die Ausstattung mit einem externen Loop, in dem Phasentrennapparate oder Module zur Dialyse, Umkehrosmose sowie Mikro- oder Nanofiltration angeordnet sind. Zur Wärmeabfuhr und Beheizung kann der Photo- bioreaktor gegebenenfalls mit einem Doppelmantel, Halbrohrschlangen an den Reaktorwänden oder innenliegenden Wärmeaustauschern ausgestattet werden. Des weiteren kann der Reaktor noch Rühreinrichtungen und Pumpen zur Durchmischung enthalten. Vorzugsweise erfolgt die Durchmischung durch Begasen mit dem Feed-Gas analog in einer Blasensäule nach dem Airlift-Prinzip, ohne zusätzliche mechanische Energie. Vorzugsweise ist der Photobioreaktor mit einer Dampfsterilisationseinheit ausgestattet. Zur Beleuchtung werden Leucht-Formteile, welche ein oder mehrere LED-Leuchtkörper, oder ein lichtleitendes Material
(Lichtleiter) , in einer oder mehreren transparenten Matrices eingeschlossen enthalten, eingesetzt, oder Formteile, welche aus lichtleitendem Materialien (Lichtleiter) bestehen, einge- setzt.
Geeignete Materialien für die Matrix der Leucht-Formteile sind transparente Materialien, beispielsweise aus Glas oder aus thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoffen wie Acryl- glas, Polyethylen, Polypropylen, PVC, Polyamide, Polyester wie PET. Bevorzugt werden Silicone. Geeignetete Silicone sind in der WO 2008/145719 AI beschrieben, deren diesbezügliche Anga¬ ben Teil dieser Anmeldung sein sollen und hiermit unter Bezugnahme eingeschlossen (incorporated by reference) werden sol- len. Transparente Materialien sind dabei solche, bei denen die Transmission im Bereich einer Wellenlänge von 400 - 700 nm
> 50 % beträgt, Besonders bevorzugt wird eine Transmission von
> 80 % in diesem Wellenlängen-Bereich. Geeignete LED-Leuchtkörper sind strahlungsemittierende Halbleiterbauelemente von organischen (OLED) oder anorganischen Halbleitern, sogenannte LEDs. Bei den LEDs kann es sich um bereits mit Kunststoff verkapselte Dioden oder um unverkapselte Dioden handeln, Die LEDs können im Infrarot-Bereich, im sichtbaren Bereich oder im UV-Bereich strahlen. Die Auswahl hängt von der beabsichtigten Anwendungen ab. Für die Photosynthese in Photobioreaktoren werden LEDs bevorzugt, welche im sichtba- ren Bereich strahlen, insbesondere rotes Licht. Die in dem transparenten Formkörper eingebetteten LEDs können bei gleicher Wellenlänge emittieren. Es können aber auch LEDs mit unterschiedlicher Strahlungscharakteristik miteinander kombiniert werden. Im allgemeinen sind in dem LED-Formteil mehrere LEDs miteinander leitend verbunden, in Reihe und/oder parallel geschaltet. Die LED-Anordnung kann mit Sensoren verbunden sein, sowie mit Mess-/Steuerungseinrichtungen . Die LED-Leuchtkörper können kontinuierlich oder gepulst betrieben werden. Die Anzahl der LEDs und deren Anordnung zueinander hängt von deren Anwendung ab.
Geeignete lichtleitende Materialien sind Lichtleiter aus einem transparenten Material, meist Glas oder Kunststoff. Beispiele für Lichtleiter sind Lichtwellenleiter, Glasfasern, polymere optische Fasern oder andere lichtleitende Bauteile aus Kunststoff sowie Faseroptik-Komponenten. Geeignet sind auch phosphoreszierende Lichtleiter, welche Licht über viele Stunden speichern können, und das tagsüber aufgenommene Sonnenlicht, während der Nacht abgeben können. Die Lichtleiter sind so aus- gerüstet, dass das Licht gleichmäßig über die gesamte Ausdeh¬ nung des Lichtleiters abgegeben wird. Gegebenenfalls können die Lichtleiter mit einer Linse, beispielsweise einer Fresnel- Linse, ausgerüstet werden, um das Licht vor Einleitung in den Lichtleiter zu bündeln und zu verstärken.
Bei den Lichtleitern werden solche auf der Basis von Thermoplastischen Silicon-Elastomeren (TPSE) bevorzugt. Thermoplastische Siliconelastomere enthalten einen Organopolymeranteil, beispielsweise Polyurethan oder Polyvinylester, und einen Si- liconanteil, meist auf Basis von Polydialkylsiloxan-Basis der obengenannten Spezifikation. Geeignete Thermoplastische Siliconelastomere sind im Handel erhältlich, beispielsweise die entsprechenden GeniomerR-Typen der Wacker Chemie. Im allgemeinen sind die Leucht-Formteile in der Weise mit LEDs bestückt oder mit Lichtleiter ausgerüstet, dass die Leucht- Formteile eine Oberflächenbestrahlungsstärke von 1 bis 5 x 104 pmol Photonen / m2 / s aufweisen. Bei kontinuierlichem Betrieb liegt die Oberflächenbestrahlungsstärke vorzugsweise bei 1 bis < 1 x 103 μmol Photonen / m2 / s. Bei gepulstem Betrieb kann die Oberflächenbestrahlungsstärke auch bei vorzugsweise 10 bis 5 x 104 pmol Photonen / m2 / s, besonders bevorzugt bei 1 x 103 bis 5 x 104 pmol Photonen / m2 / s liegen. Bei mit LEDs bestückten Leucht-Formteilen wird bevorzugt, dass die LEDs möglichst über die gesamte Fläche des Formteils gleichmäßig verteilt vorliegen. Die genannten Bereiche für die Oberflächenbestrahlungsstärke können dadurch erreicht werden, dass Leuchtformteile mit einer Oberflächenbestrahlungsstärke innerhalb der genannten Bereiche eingesetzt werden, oder auch dadurch erhalten werden, dass Leucht-Formteile kombiniert werden, welche teilweise eine O- berflächenbestrahlungsstärke ausserhalb der genannten Bereiche aufweisen, aber im Mittel die genannten Werte für die Oberflächenbestrahlungsstärke ergeben.
Die Anordnung der Leucht-Formteile ist derart gestaltet, dass eine gleichmäßige Ausleuchtung aufgrund eines hohen Oberflä¬ chen-Volumen-Verhältnis (O/V) bezüglich der Bestrahlung gewährleistet ist, unter Gewährleistung einer Rührkesselcharakteristik mit vollständiger Rückvermischung und geringen Mischzeiten. Dadurch werden ein effektiver Wärmeaustausch, ein ef- fektiver Gasaustausch sowie homogene Reaktionsbedingungen gewährleistet und Gradienten bezüglich relevanter Prozessparame- ter vermieden. Dies ist als Voraussetzung besonders relevant für die Sicherstellung hoher und spezieller Stoffwechselleistungen, die sehr sensitiv von den Umgebungsbedingungen abhän- gig sind. Ein Beispiel stellt die Produktion von Sekundärmeta- boliten dar. Relevante Prozessparameter stellen neben der Lichtversorgung beispielsweise pH-Wert, Nährstoffkonzentratio- nen, Sauerstoffpartialdruck und Temperatur dar. Das Oberflächen/Volumen-Verhältnis O/V, das heißt das Verhältnis von der Oberfläche 0 der Leucht-Formteile zum Volumen V des Kultivierungsmediums beträgt im allgemeinen O/V > 10 m2/m3 , vorzugsweise beträgt das O/V von 10 bis 100 m2/m3, insbesondere von 30 bis 80 m2/m3. Unter der Oberfläche O ist der Teil der Gesamtoberfläche eines LED-Formteils zu verstehen, welcher mit LEDs belegt ist. Beispielsweise bei einem zylindrischen LED- Formteil, welches nur an der Äussenseite des Zylinders mit ei- ner oder vielen LEDs belegt ist, gilt nur die Fläche der Aussenseite als Oberfläche O, Bei dem Einsatz von lichtleitenden Materialien ist die Oberfläche O so definiert, dass diese die Fläche umfasst über die der Lichtleiter Licht abgestrahlt. Un¬ ter dem Volumen V des Kultivierungsmediums ist das Volumen zu verstehen, welches im Reaktor von dem Kultivierungsmedium eingenommen wird.
Die Leucht-Formteile werden dabei vorzugsweise so angeordnet, dass über das mit dem Kulturmedium befüllten Reaktorvolumen eine volumetrische Bestrahlungsstärke von 1 x 102 bis 5 x 105 μmol Photonen / m3 / s resultiert, vorzugsweise 5 x 103 bis 5 x 104 μmol Photonen / m3 / s.
Wesentlich für den Photobioreaktor ist auch, dass beim Betrieb eine Rührkesselcharakteristik erhalten bleibt, welche durch die entsprechende Anordnung der Leucht-Formteile erreicht wird. Rührkesselcharakteristik heißt verfahrenstechnisch eine vollständige Durchmischung des Kultivierungsmediums über den gesamten befüllten Reaktorraum. Rührkesselcharakteristik be- deutet im Fall der vorliegenden Erfindung eine Mischgüte von > 95 %. Die Mischgüte soll dabei innerhalb einer Mischzeit von 20 bis 200 s erhalten werden.
Die statistische Kenngröße Mischgüte verwendet man zur Charak- terisierung des Mischzustandes. Sie gestattet eine quantitative Aussage des kompletten aus diffusivem und konvektivem
Stoffaustausch resultierenden Mischvorgangs. Bei einer Abwei¬ chung von 5 % vom Endwert der Konzentration beträgt die Misch- gtite 95 %, das heißt, bei der Messung der Konzentration der Mischung, in einem beliebigen Volumenanteil der Mischung, ist der Endwert der Konzentration mit einer Abweichung von + 5 % erreicht. Die Mischgüte kann in dem Fachmann bekannter Weise, beispielsweise mit dem in dem Beispiel angewandten Markierungsverfahren, ermittelt werden.
Unter Mischzeit versteht man die Zeit, die benötigt wird, um einen der Reaktionsmasse zugeführten Spurenstoff vollständig mit ihr zu vermischen. Der Zustand der idealen Homogenität einer Mischung tritt nach Zugabe der mischbaren Substanz erst nach unendlicher Zeit ein. Daher wird in der Praxis die Mischzeit als Zeitdauer bis zum Erreichen einer maximalen Abweichung von + 5 % vom Endwert der Konzentrationsmessung, das heißt einer Mischgüte von > 95 %, für die mischbare Substanz definiert .
Die Leucht-Formteile werden frei im Volumen und ohne großflächigen Kontakt der Leucht-Formteile zu Boden oder Deckel des Reaktionsgefäßes angebracht. Beispielsweise über bereits vorhandene Aufhängpunkte an der Reaktorbehälterseitenwand, das sind im Falle der Verwendung von Rührkessel-Fermentern zum Beispiel Laschen für die Befestigung von Strömungsbrechern. Die Leucht-Formteile können auch mittels Seilen oder Stangen an der Reaktorwand, inklusive Deckel und Boden, befestigt werden. Die Leucht-Formteile können sich auch in speziellen Halterungen befinden, die mit den genannten Aufhängpunkten verbunden werden können. Alternativ kann eine Positionierung der Leucht-Formteile über bloßes Hineinstellen von die Leucht- Formteile enthaltenden Halterungen in den Reaktor erfolgen. Die Einbauten sind dabei nicht mit dem Boden oder Deckel in der Art verbunden, dass eine räumliche Abtrennung entsteht. Es findet vielmehr ein Queraustausch des Kultivierungsmedium über den Reaktorquerschnitt statt.
Die Leucht-Formteile können beliebige Formgestalt aufweisen. Im Allgemeinen sind die Photobioreaktoren zylinderförmig. Vor- zugsweise leitet sich die Formgestalt der Leucht-Formteile daher vom Zylinder ab. Die Leucht-Formteile können demgemäß die Gestalt eines Zylinders haben oder die Gestalt von Zylindersegmenten wie Zylinderhalbschale. Beispiele für die Formge- stalt der Leucht-Formteile sind auch gekrümmte Platte, Ringe oder Helix und auch ebene Platte. Leucht-Formteile in Form von ebenen Platten können kreisförmig ausgebildet sein (scheibenförmig) oder auch als Mehreck wie Dreieck, Viereck, Sechseck, Oktagon etc..
Geeignet sind auch Leucht-Formkörper in Gestalt von Hohlkörpern mit polyedrischer Grundfläche.
Es können auch mehrere Leucht-Formteile ineinander gesteckt werden, vorzugsweise mit Zwischenräumen. Mehrere zylindrische Leucht-Formteile können beispielsweise konzentrisch zueinander angeordnet werden.
Die erfindungsgemäßen Photobioreaktoren mit Beleuchtung mit- tels Leucht-Formteilen eignen sich zur Kultivierung von pho- totrophen Mikroorganismen, Bevorzugt zur Kultivierung von pho- totrophen Mikroalgen.
Die Erfindung wird in Figur 1 und den Beispielen 1 und 2 bei- spielhaft erläutert:
Figur 1: LED-Formteile in Rührkesselfermenter
Die Photobioreaktoreinheit ist aus einem Rührkesselfermenter in Form eines Reaktorgehäuses 1 und Deckels 2 sowie im Reak- torgehäuse angeordnetem LED-Einbau, der den Reaktorinnenraum gleichmäßig ausleuchtet, zusammengesetzt.
Der LED-Einbau umfasst die Halterung 3a in der die einzelnen LED-Formteile 3b angeordnet sind. Die LED-Formteile 3b sind in Zylinderform ausgestaltet, wobei die Zylinder konzentrisch zu- einander und in der Höhe versetzt zueinander angeordnet sind und in der Halterung 3a eingefaßt sind. Die Halterung 3a wird an geeigneten Aufhängpunkten 4, beispielsweise Laschen die für die Befestigung von Strömungsbrechern vorgesehen sind und am Umfang der Innenwand des Reaktorbehälters 1 angeordnet sind, angebracht .
Die Umwälzung, Durchmischung und Suspendierung der im Reaktorgehäuse 1 enthaltenen phototrophen Zellen erfolgt über Ein- bringen und Verteilen von Gasblasen durch das Begasungsaggregat 5 sowie optional durch ein Rührelement, das in der Mittelachse 6 angeordnet ist.
Beispiel 1; Kultivierung bei anspruchsgemäßem O/V-Verhältnis und Bestrahlungsstärke
Ein Reaktor analog dem in Figur 1 dargestelltem wurde mit einem Algensuspensionsvolumen von 24 1 befüllt. Es wurden 4 LED- Formteile in der Gestalt von Zylindern innerhalb des Reaktors positioniert. Die 4 Zylinder hatten folgende geometrischen Abmessungen und folgende Anzahl von LEDs:
(1) Höhe 350 mm, mittlerer Durchmesser 40 mm, 420 LED ' s
(2) Höhe 350 mm, mittlerer Durchmesser 86 mm, 1020 LED ' s
(3) Höhe 350 mm, mittlerer Durchmesser 132 mm, 1560 LED ' s (4) Höhe 350 mm, mittlerer Durchmesser 178 mm, 2160 LED's
Damit resultierte eine Gesamtanzahl von 5160 LED's bei einem O/V von 39 m2/m3.
Die LED-Formteile bestanden im Kern aus einer Edelstahlfolie, auf der einzelne LED-Emitter einer Wellenlänge von 620-625 nm und der Leistung von 83 mW angeordnet und miteinander verschaltet/verdrahtet waren. Die resultierenden LED-Platinen wurden mit einer Epoxidharz-Schicht versiegelt und mittels Si- liconverguss umhüllt/verkapselt. Die installierte Gesamtleis- tung betrug 430 W.
Die Messung der Bestrahlungstärke ergab bei Volllast Maximal¬ werte von 1 x 103 bis 2 x 103 μΕ / m2 / s für die Oberflächenbestrahlungsstärke und entsprechend 42 x 103 bis 84 x 103 μΕ / m3 / s für die volumetrische Bestrahlungsstärke. Die Bestrahlungstärken konnten durch Dimmen der LEDs reduziert werden. Die Kultivierung erfolgte mit dem Organismus Porphyridium purpureum in artifiziellem Seewassermedium (ÄSW-Medium) und einem Reaktionsvolumen von 22 1. Die beschriebenen LED-Formteile (1) bis (4) waren konzentrisch zueinander im Reaktorvolumen ange- ordnet. Der Betrieb der LEDs wurde gepulst mit einer Frequenz von 500 Hz bei einer effektiven Leistung von 100 W durchgeführt. Die weiteren Reaktionsbedingungen waren: eine Kultivierungstemperatur von 25°C, ein pH-Wert von 7, der über die Zufuhr von C02 geregelt wurde, eine Rührerdrehzahl von 200 rpm (Axialrührer) und eine Begasungsrate von 1 vvm (Volumen/Volumen/Minute) . Die Kultivierung wurde im Batch-Betrieb durchgeführt. Es resultierte eine maximale spezifische Wachstumsrate von 0,75 d-1. Beispiel 2
Vermessung der Strömungscharakteristik in einem Reaktor gemäß Beispiel 1 (ohne Kultivierungsmedium)
Anhand der Messung der Verweilzeit wurden Erkenntnisse über das Strömungsbild und die Rückvermischung in dem 25 Liter
Rührkesselfermenter gewonnen. Dies geschah durch eine Stoßmarkierung mit Kaliumchlorid und nachfolgender Messung der Leitfähigkeit. Der Reaktor war mit 24 Liter H20 gefüllt. Zur Stoßmarkierung wurden 10 ml einer 3-molaren Kaliumchloridlösung verwendet. Diese wurde mit Hilfe einer Spritze zwischen äußersten Zylinder und Behälterwand etwa 8 cm unter dem Flüssigkeitspegel in den Reaktor eingebracht. Die Messung der Leitfähigkeit geschah 10 cm unter dem Flüssigkeitsspiegel in der Mittelachse des Reaktors mit Hilfe einer Leitfähigkeitssonde. Dabei wurde die Lösung von unten über einen Ring begast.
Daneben wurde der Reaktorinhalt unterhalb des Zylinders mittels eines Propellerrührers durchmischt.
Die zeitliche Entwicklung der Leitfähigkeit wurde bis zum Er- reichen eines nahezu konstanten Wertes aufgezeichnet, wobei als Startpunkt die Injektion der KCl-LÖsung diente. Zur Beurteilung des Zustandes der Rückvermischung im Reaktor wurde die Zeit nach Injektion angegeben, bei der die Leitfähigkeit nicht mehr als 5 % vom konstanten Wert (vollständige Rückvermi- schung) abweicht. Zur Beeinflussung der Strömungszustände im Reaktor wurde die Rührerdrehzahl von 100 - 300 1/min und die Begasungsrate zu 0,5 und 1 vvrn (Gas-Volumen/Flüssigkeits- Volumen/Minute) variiert.
Die Messungen wurden mit 3 unterschiedlichen Stellungen des LED-Einbaus vorgenommen. In einer Stellung wurden die Zylinder in der Form so zueinan¬ der versetzt waren, dass sich die Oberkante des innersten Zy¬ linder 3 cm unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche und die Oberkanten der beiden anderen Zylinder 6, 5 cm unterhalb der Flüs¬ sigkeitsoberflache befanden.
In der zweiten Stellung befanden sich die Oberkanten des innersten und des zweitkleinsten Zylinders jeweils 6,5 cm unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche und die Oberkanten der beiden anderen Zylinder jeweils 3 cm unterhalb der Flüssigkeitsober- fläche.
In der dritten Stellung befanden sich die Oberkanten der vier Zylinder jeweils 3 cm unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche.
Für alle Stellungen wurde die Mischgüte von 95 % in den Ein- Stellungen für die Begasung von 0, 0,5 und 1 vvrn sowie für die Rührerdrehzahl von 0, 100, 200 300 Umdrehungen pro Minute innerhalb einer Mischzeit von 20 - 100 s erhalten.
Vermessung der Beleuchtungscharakteristik in Beispiel 1:
Die Bestrahlungscharakteristik im Reaktorinnenraum mit LED- Einbau wurde über Messung der Photonenfluftdichte an einer repräsentativen Anzahl von Punkten im Reaktorvolumen verteilt vorgenommen und anschließend über die abstrahlende Fläche unter Berücksichtugen des O/V-Verhältnisses oder des Reaktorvo- lumens gemittelt.
Die Messung der Photonenflußdichte erfolgte in der Fläche oder sphärisch mit dem Universal Light Meter ULM-500 der Firma Heinz Walz GmbH. Dabei wurde die Photonenanzahl des photosyn- thetisch aktiven Lichtes im Bereich von 400 - 700 nm Wellenlängen integriert detektiert.
Mit der erfindungsgemäßen Kombination aus definiertem Oberflä- chen/Volumenverhältnis und definierter Mischgüte für die Anordnung der Leucht-Formteile im Reaktor werden sowohl das Licht als auch die Komponenten des Kultivierungsmediums gleichmäßig im Reaktor verteilt.

Claims

Patentansprüche :
1. Photobioreaktor mit Beleuchtung mittels Leucht-Formteilen, welche im Innern des Photobioreaktors angeordnet sind, in dessen Innern das Kultivierungsmedium durchmischt wird, wobei die Leucht-Formteile im Abstand zueinander und im Abstand zu mindestens einer der Wände des Photobioreaktors angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflächen/Volumen-Verhältnis O/V der Oberfläche der Leucht- Formteile zum Volumen des Kultivierungsmediums O/V > 10 m2/m3 beträgt und beim Betrieb des Photobioreaktors eine Mischgüte von > 95 % nach einer Mischzeit von 20 bis 200 s eingestellt wird.
2. Photobioreaktor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leucht-Formteile LED-Formteile sind, in denen mehrere LED-Leuchtkörper in einer transparenten Matrix eingeschlossen sind.
3. Photobioreaktor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leucht-Formteile Lichtleiter-Formteile sind.
4. Photobioreaktor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Leucht-Formteile eine Oberflächenbestrahlungsstärke von 1 bis 5 x 104 μmol Photonen / m2 / s aufweisen .
5. Photobioreaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei kontinuierlichem Betrieb bezüglich der Bestrahlung die Leucht-Formteile eine Oberflächenbestrahlungsstärke von 1 bis < 1 x 103 μmol Photonen / m2 / s aufweisen.
6. Photobioreaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei gepulstem Betrieb bezüglich der Bestrahlung die Leucht-Formteile eine Oberflächenbestrahlungsstärke von 10 bis 5 x 104 μmol Photonen / m2 / s aufweisen.
7. Photobioreaktor nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leucht-Formteile so angeordnet sind, dass über das mit dem Kulturmedium befüllten Reaktorvolumen eine volumetrische Bestrahlungsstärke von 1 x 102 bis 5 x 105 μmol Photonen / m3 / s resultiert.
8. Verwendung von Photobioreaktoren gemäß Anspruch 1 bis 7 zur Kultivierung von phototrophen Mikroorganismen.
9. Verwendung nach Anspruch 8 für die Kultivierung von phototrophen Mikroalgen.
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