WO2013037339A1 - Verfahren zum betrieb eines photobioreaktors sowie photobioreaktor - Google Patents

Verfahren zum betrieb eines photobioreaktors sowie photobioreaktor Download PDF

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WO2013037339A1
WO2013037339A1 PCT/DE2012/000788 DE2012000788W WO2013037339A1 WO 2013037339 A1 WO2013037339 A1 WO 2013037339A1 DE 2012000788 W DE2012000788 W DE 2012000788W WO 2013037339 A1 WO2013037339 A1 WO 2013037339A1
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WO
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photobioreactor
wall
gas
microorganisms
fumigating
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PCT/DE2012/000788
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English (en)
French (fr)
Inventor
Egmen AYHAN
Thorsten Brehm
Hans Jung
Original Assignee
Forschungszentrum Jülich GmbH
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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
    • 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
    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C12M29/06—Nozzles; Sprayers; Spargers; Diffusers
    • 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
    • C12M39/00—Means for cleaning the apparatus or avoiding unwanted deposits of microorganisms

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a photobioreactor, and a photobioreactor.
  • phototrophic microorganisms are used in photobioreactors for the photochemical production of products.
  • translucent photobioreactors are exposed to a mostly aqueous phase, such as fresh or salt water, which contains microorganisms which produce desired products, such as, for example, proteins, lipids, biofuels or intermediates.
  • the liquid phase may contain nutrients.
  • oxygen or C0 2 is still required, or generally a gas that maintains the respiration of the microorganisms.
  • a photobioreactor with an aqueous solution of algae in a nutrient solution in which the algae for the production of biomass, such as proteins or lipids, are supplied with C0 2 , which leads to a Example in the center of the photobioreactor opens, is introduced into the bioreactor.
  • Reactors with translucent solid or rigid walls for example made of glass or Plexiglas or of translucent films, which obtain their shape after being filled with the culture medium, are known as photobiorctors.
  • a disadvantage of these methods and devices is that the productivity of these methods and the efficiency of the photobioreactors in the course of operation increasingly decreases.
  • the production of microorganisms and their production of desired products decreases in the course of operation.
  • the production of microorganisms and their production of desired products should be te operating time, or decrease less than after the method and the device according to the prior art.
  • the method and the device according to the invention it is possible to extend the operating time of the photobioreactor while maintaining or maintaining substantially constant productivity compared with the methods and the devices according to the prior art.
  • An inhibition of the growth of phototrophic microorganisms can be prevented or greatly reduced and optimal cultivation can be achieved.
  • the production of desired products, such as proteins and lipids, can be kept constant over the entire operating life of the photobioreactor or decreases only insignificantly compared to the prior art methods and apparatus.
  • the yield of microorganisms as well as product yield is increased.
  • a photobioreactor By a photobioreactor is meant a bioreactor that can be used to cultivate and / or produce phototrophic single or few-celled organisms.
  • the device according to the invention is shown in the figures. It shows:
  • Figure 1 A vertical cross-section through the photobioreactor.
  • Figure 2 A horizontal cross section through the photobioreactor.
  • FIG. 3 A vertical cross section through the photobioreactor.
  • Figure 4 A horizontal cross section through the photobioreactor.
  • FIG. 5 a vertical cross section through the photobioreactor.
  • Figure 6 A horizontal cross section through the photobioreactor.
  • FIG. 1 shows a side view of a photobioreactor 1. It comprises a flange 2, which can receive a translucent wall 3.
  • the bottom of the photobioreactor has the reference numeral 4.
  • a gas line 5 enters the photobioreactor 1, which splits into a plurality of lines 6, 6a, 6b, 6c, 6d, which are guided to the wall 3. They open into a means for fumigating the inside 7 of the wall 3.
  • the same device features have the same reference numerals.
  • the gas line 5 opens into a cavity 9, from which the lines 6, 6a, 6b, .... go out.
  • Figure 4 shows the top view of the device of Figure 3 with the same reference numerals for the same device features.
  • FIG. 6 shows the top view of the device according to FIG. 5 with the same reference symbols for the same device features.
  • the gas supplied to the photobioriorector 1 is supplied to the wall 3 in such a way that microorganisms deposited on the wall 3 of the photobioreactor 3 are detached by the gas flowing up, or if there is no or at least a very reduced deposit compared with the prior art comes from microorganisms.
  • the introduced gas is selectively directed to the inner wall of the photobioreactor, so that contacts of the gas bubbles take place with the wall 3 or indeed no or only a slight contact of the gas with the wall 3 takes place, but caused by the rising gas bubbles turbulence, which is a deposit prevented by microorganisms or reduced or causes a detachment of deposited microorganisms.
  • This has the consequence that the light transmission of the wall is maintained and there is no or at least a reduction in the absorption of the incident in the photobioreactor light on the wall 3, which leads to an inhibition of the metabolism or the growth of microorganisms that in turn results in a reduction of the production yield.
  • the gas is passed along at least part of the wall 3 of the photobioreactor 1.
  • the gas is passed along the entire wall 3 of the photobioreactor along.
  • the introduction of the gas should preferably flow upwards from the bottom 4 of the photobioreactor 1. However, it is also conceivable in a less preferred embodiment to introduce the gas in an area above the bottom 4.
  • the pressure with which the gas is introduced into the photobioreactor is above the pressure of the liquid column of the filling.
  • the pressure can be 5%, 4%, 3%, 2% or 1% above the pressure of the liquid column, since in this area a particularly energy-saving entry of gas into the photobioreactor takes place.
  • the gas is introduced in the form of gas bubbles which have a diameter of 0.2-50 mm, preferably 1-10 mm, particularly preferably 5-10 mm.
  • the gas is introduced at a distance of 0.5 to 20 mm from the wall 3.
  • the gas stream is directed directly radially against the wall 3.
  • the gas it is also possible to allow the gas to emerge directly directed upwards or at an angle to the ground level against the wall 3 of the photobioreactor 1, for example 45 °. It is also a combination of these flow directions in question. Through this angle, the circulation of the water or the liquid in the photobioreactor can be favorably influenced.
  • the introduction of the gas to the wall 3 of the photobioreactor 1 can be done there by aeration tubes with holes or pores, gas-permeable sintered bodies or lines having holes as means for gassing the inside 7 of the wall 3, which are connected to means for gas supply.
  • gas depends on the needs of the microorganisms.
  • air, oxygen or CO 2 can be introduced into the photobioreactor.
  • C0 2 can be used as a nutrient for photosynthesis and to adjust the pH.
  • the inventive cleaning the inside of the wall 3 of the photobioreactor 1 may also be effected with another gas other than the operating gas.
  • the photobioreactor may have different supply lines for the operating gas and the cleaning gas.
  • the fumigation of the inner wall of the photobioreactor can also be done by a gas that maintains the supply of microorganisms, in combination with another gas.
  • the other gas should not be toxic then. For example, air, oxygen, nitrogen or C0 2 come into consideration.
  • the photobioreactor 1 implements the method according to the invention. It comprises a wall 3 and means for gassing the inside 7 of the wall 3 of the photobioreactor 1.
  • the wall 3 may be made of translucent solid body, such as glass or Plexiglas or other solid or rigid translucent material or a translucent film, which takes its form as a reactor wall when filled.
  • a suitable sheet material is polyethylene or polytetrafluoroethylene (PTFE), which is translucent. Suitable materials are known to the person skilled in the art.
  • the wall 3 is connected to the bottom 4 liquid-tight.
  • the film may be connected to the bottom 4 by a flange connection.
  • the photobioreactor 1 may comprise a lamp for generating suitable light. However, this lamp does not necessarily have to be part of the photobioreactor 1, but it can be present independently of the photobioreactor 1. When natural light for the Operation of the photobioreactor is sufficient, a lamp is not necessary and does not have to be present.
  • the photobioriorector 1 can consist of a translucent film bag which has means for gassing the inside 7 of the wall 3.
  • the photobioreactor 1 is designed in such a way that it consists of parallel walls 3, which are arranged at a small distance from each other, wherein the distance between two parallel plates is between 5 and 10 cm.
  • films are to be understood, which are optionally stabilized by supporting elements, such as rods.
  • the plates form the longitudinal side of the wall 3, which are preferably aligned towards the light.
  • the means for gassing the inside 7 of the wall can be designed as well as in the cylindrical Ausfifftform, however, extend the means for gassing the inside 7 of the wall parallel to the wall, wherein the means for gassing the inside 7 of the wall. 3 have the same preferred distance to the wall 3, as in the other embodiments with circular or cylindrical cross-section.
  • the photobioreactor 1 of the invention may consist of a foil bag of transparent plastic, which has at the lower end a gas line 5, with which the gas is introduced, and possibly through lines 6, 6a, 6b, .... the Means for gassing the inside 7 of the wall is supplied, which are connected via the lines 6, 6a, 6b, .... with the gas line 5.
  • the gas line 5 can also be laid from above into the photobioreactor 1, where it supplies the means for fumigating the Inside the wall either directly or via the lines 6, 6a, 6b supplied.
  • the photobioreactor 1 has means for fumigating the inside 7 of the wall 3, which is positioned at least at partial areas on the inside of the wall 3 and allows detachment of deposited on the inner surface of the wall microorganisms or prevents deposition.
  • the means for introducing a gas on the inside 3 of the wall 7 of the photobioreactor 1 has a gas outlet, which at a distance of preferably 0.5mm- 20mm, z. B. 2mm from the wall.
  • the gas outlet can also be positioned directly, without clearance, on the inwardly directed wall 3 of the photobioreactor.
  • the means for gassing the inside 7 of the wall 3 may be located in the bottom 4 of the photobioreactor or above the bottom 4, but preferably in the bottom area, so for example 5 cm above the bottom 4 of the photobioreactor. While it is also possible to position the means for introducing a gas further up, this is less preferred.
  • the means for introducing a gas may be gassing hoses or gassing mats having holes or pores, gas-permeable sintered bodies or conduits having bores which are positioned on the wall 3 or in the wall area of the photobioreactor 1. If the means for aeration of the inside 7 of the wall 3 "in the bottom 4", this means that they are so embedded in the ground that they allow a flow of gas into the liquid phase, since the gas outlet with the liquid phase in contact.
  • these means for fumigating the inside 7 of the wall 3 span the entire length of the wall 3.
  • the means for fumigating the inside 7 of the wall 3 are positioned only at some locations on the wall 3, preferably equidistant.
  • the means for gassing the inside 7 of the wall 3 may be formed so that the
  • openings may be present, which allow a gas outlet exclusively upwards.
  • the means for introducing a gas stream may have openings which allow a gas outlet in the horizontal direction or at an angle of for example 45 ° to the wall 3, allow. Any combination of variants is possible as well.
  • the photobioreactor has a gas line 5 for supplying the means for fumigating the inside 7 of the wall 3. This can be located in the center of the photobioreactor, which is preferably radially symmetrical, preferably cylindrical.
  • the means for gassing the inside 7 of the wall 3 can be connected starting from the gas line 5 with one or more lines 6, 6a, 6b, 6c, .... In the case of multiple lines 6, 6a, 6b,
  • a hollow plate can also be used which is perforated along its outer radius, slotted or formed as a sintered body.
  • the hollow plate should be included within the meaning of the invention of the term line 6, and can also be fed via the gas line 5 with gas.
  • the line 6 may be located below the bottom 4, in the bottom 4 or above the bottom 4.
  • the bottom 4 to the wall 3 forms a step 8, wherein the gas outlet through the means for gassing the inside 7 of the wall 3 open into the step, as can be seen for example in Figure 1.
  • a parallel orientation of the gas flow takes place upward, so that an inward drifting of gas bubbles is reduced at least in the lower region.
  • means for introducing a gas 7 are also located in the interior of the photobioreactor 1.
  • a gas distribution through sintered plates, perforated plates, tubes or mats can be effected, which are at least at partial areas of the bottom 4.
  • the floor can be equipped with nozzles at least over a partial area, which effect gas entry into the photo-biorector 1.
  • the hollow plate may fill the entire bottom area and be formed over its entire or at least part of its surface as a sintered body.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Photobioreaktors (1) sowie einen Photobioreaktor (1) bei dem ein Gas in den Photobioreaktor (1) eingeleitet wird, das zur Versorgung phototropher Mikroorganismen dient, beidem das Gas wenigstens an einem Teilbereich der Wand (3) des Photobioreaktors so zugeführt wird, dass es auf der Wand (3) abgelagerte Mikroorganismen ablöst oder die Anlagerung den Mikroorganismen an der Wand des Photobioreaktors verringert. Mit dem Verfahren und dem Photobioreaktor (1) kann die Produktivität des Photobioreaktors (1) über längere Betriebsdauern unvermindert aufrecht erhalten werden und Kosten können reduziert werde.

Description

B e s c h r e i b u n g Verfahren zum Betrieb eines Photobioreaktors sowie Photobioreaktor
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Photobioreaktors, sowie einen Photobioreaktor.
Nach dem Stand der Technik werden phototrophe Mikroorganismen in Photobioreaktoren zur photochemischen Produktion von Produkten eingesetzt. Hierzu werden lichtdurchlässige Photobioreaktoren mit einer meist wässrigen Phase, wie Süß- oder Salzwasser beaufschlagt, die Mikroorganismen enthält, die gewünschte Produkte, wie beispielsweise Proteine, Lipide, Biokraftstoffe oder Zwischenprodukte produzieren. Daneben kann die flüssige Phase Nährstoffe enthalten.
Für die Mikroorganismen wird weiterhin Luft, Sauerstoff oder C02 benötigt, oder allgemein ein Gas, welches die Atmung der Mikroorganismen unterhält.
Beispielhaft aber nicht beschränkend kann der Betrieb eines Photobioreaktors mit einer wäss- rigen Lösung von Algen in einer Nährlösung angeführt werden, bei dem die Algen zur Produktion von Biomasse, beispielsweise Proteine oder Lipide, mit C02 versorgt werden, welches über eine Leitung, die zum Beispiel in das Zentrum des Photobioreaktors einmündet, in den Bioreaktor eingeleitet wird.
Als Photobiorektoren sind Reaktoren mit lichtdurchlässigen festen bzw. starren Wänden, beispielsweise aus Glas oder Plexiglas oder aus lichtdurchlässigen Folien, die ihre Form nach Befüllung mit dem Kulturmedium erhalten, bekannt.
Nachteilhaft an diesen Verfahren und Vorrichtungen ist, dass die Produktivität dieser Verfahren und die Effizienz der Photobioreaktoren im Laufe des Betriebes zunehmend abnimmt. Die Produktion von Mikroorganismen und deren Produktion von gewünschten Produkten nimmt im Laufe des Betriebes ab.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen die Produktivität des Photobioreaktors über längere Betriebszeiten aufrecht erhalten werden kann und während des Betriebs nicht oder nur unwesentlich abnimmt. Die Produktion von Mikroorganismen und deren Produktion von gewünschten Produkten soll über die gesam- te Betriebsdauer aufrecht erhalten werden, oder weniger stark abnehmen als nach dem Verfahren und der Vorrichtung nach dem Stand der Technik.
Ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 und dem nebengeordneten Anspruch wird die Aufgabe gelöst mit den im kennzeichnenden Teil angegebenen Merkmalen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung ist es möglich, die Betriebsdauer des Photobioreaktors bei gleichbleibender oder im Wesentlichen gleichbleibender Produktivität gegenüber den Verfahren und den Vorrichtungen nach dem Stand der Technik zu verlän- gern. Eine Hemmung des Wachstums von phototrophen Mikroorganismen kann verhindert oder sehr stark verringert und eine optimale Kultivierung erreicht werden. Die Produktion von gewünschten Produkten, wie Proteinen und Lipiden, kann über die gesamte Betriebsdauer des Photobioreaktors konstant gehalten werden oder nimmt im Vergleich zu den Verfahren und der Vorrichtung nach dem Stand der Technik nur unwesentlich ab. Die Ausbeute an Mikroor- ganismen sowie wie Produktausbeute wird erhöht.
In den Randbereichen der Photobioreaktoren wird die Durchmischung der die Mikroorganismen enthaltenden Kulturmedien und die Gasversorgung verbessert. Ablagerungen auf der Innenwand des Photobioreaktors werden stark vermindert oder unterbunden. Der Lichteinfall in den Innenraum des Photobioreaktors wird verbessert. Bei der Verwendung von Photobiore- aktoren, die mit Folien als Bewandung arbeiten, muss der Austausch der Folie seltener oder bei einer Produktion gar nicht erfolgen, weswegen Material und Arbeitsaufwand eingespart wird. Reinigungsarbeiten können eingespart werden. Die mit dem Betrieb des Photobioreaktors verbundenen Kosten können reduziert werden. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Unter einem Photobioreaktor ist ein Bioreaktor zu verstehen, der zur Kultivierung und/oder Produktion von phototrophen ein- oder wenig-zelligen Organismen verwendet werden kann. Beispielhaft aber nicht beschränkend wird die erfindungsgemäße Vorrichtung in den Figuren dargestellt. Es zeigt:
Figur 1 : Einen senkrechten Querschnitt durch den Photobioreaktor.
Figur 2: Einen horizontalen Querschnitt durch den Photobioreaktor.
Figur 3 : Einen senkrechten Querschnitt durch den Photobioreaktor.
Figur 4: Einen horizontalen Querschnitt durch den Photobioreaktor.
Figur 5: Einen senkrechten Querschnitt durch den Photobioreaktor.
Figur 6: Einen horizontalen Querschnitt durch den Photobioreaktor.
In Figur 1 ist eine Seitenansicht eines Photobioreaktors 1 dargestellt. Er umfasst einen Flansch 2, der eine lichtdurchlässige Wand 3 aufnehmen kann. Der Boden des Photobioreaktors hat das Bezugszeichen 4. Unterhalb des Bodens 4 tritt eine Gasleitung 5 in den Photobioreaktor 1 ein, die sich in eine Mehrzahl von Leitungen 6, 6a, 6b, 6c, 6d, aufspaltet, die an die Wand 3 geführt werden. Sie münden in ein Mittel zur Begasung der Innenseite 7 der Wand 3. Der Boden 4 des Photobioreaktors bildet gegenüber der Wand 3 eine Stufe 8 aus, in die die Leitungen 6, 6a, 6b, einmünden.
In Figur 2 haben die gleichen Vornchtungsmerkmale dieselben Bezugszeichen. Zusätzlich sind Bohrungen des Flansches 2 dargestellt, die die Bezugszeichen 2a tragen.
In Figur 3 haben die gleichen Vorrichtungsmerkmale dieselben Bezugszeichen. In ihr mündet die Gasleitung 5 in einen Hohlraum 9 ein, von dem die Leitungen 6, 6a, 6b, .... ausgehen.
Figur 4 zeigt die Aufsicht der Vorrichtung nach Figur 3 mit denselben Bezugszeichen für die gleichen Vorrichtungsmerkmale.
In Figur 5, die im Wesentlichen der Figur 3 entspricht, sind die Mittel zur Begasung der Innenseite 7 der Wand 3 in einem Winkel nach oben gerichtet.
Figur 6 zeigt die Aufsicht der Vorrichtung nach Figur 5 mit denselben Bezugszeichen für die gleichen Vorrichtungsmerkmale.
Im Folgenden soll das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung in einer allgemeinen Form beschrieben werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das dem Photobiorektor 1 zugeführte Gas an der Wand 3 so zugeführt, dass an der Wand 3 des Photobioreaktors 3 abgelagerte Mikroorganismen durch das aufströmende Gas abgelöst werden oder dass es zu keiner oder zumindest einer gegenüber dem Stand der Technik sehr verringerten Ablagerung von Mikroorganismen kommt. Dazu wird das eingeleitete Gas gezielt an die Innenwand des Photobioreaktors geleitet, so dass Berührungen der Gasblasen mit der Wand 3 stattfinden oder zwar keine oder nur eine geringfügige Berührung des Gases mit der Wand 3 stattfindet, aber durch die aufsteigenden Gasblasen Turbulenzen entstehen, die eine Ablagerung von Mikroorganismen verhindert oder verringert oder ein Ablösen von abgelagerten Mikroorganismen bewirkt. Das hat zur Folge, dass die Lichtdurchlässigkeit der Wand aufrecht erhalten bleibt und es zu keiner oder zumindest zu einer Verringerung der Absorption des in den Photobioreaktor einfallenden Lichts an der Wand 3 kommt, welches zu einer Hemmung des Stoffwechsels oder des Wachstums der Mikroorganismen führt, die wiederum einer Verringerung der Produktionsausbeute zur Folge hat.
Zu diesem Zweck wird das Gas wenigstens an einem Teil der Wand 3 des Photobioreaktors 1 entlang geleitet.
Vorzugsweise wird das Gas entlang der gesamten Wand 3 des Photobioreaktors entlang geleitet.
Die Einleitung des Gases soll vorzugsweise vom Boden 4 des Photobioreaktors 1 aus nach oben strömen. Es ist jedoch in einer weniger bevorzugten Ausführungsform auch denkbar, das Gas in einem Bereich oberhalb des Bodens 4 einzuleiten.
Der Druck, mit dem das Gas in den Photobioreaktor eingeleitet wird liegt über dem Druck der Flüssigkeitssäule der Befüllung. In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Druck 5%, 4%, 3%, 2% oder 1% über dem Druck der Flüssigkeitssäule liegen, da in diesem Bereich ein besonders energiesparender Eintrag von Gas in den Photobioreaktor erfolgt.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das Gas in Form von Gasblasen eingeleitet, die einen Durchmesser von 0,2 - 50 mm, bevorzugt 1 - 10 mm, besonders bevor- zugt 5 -10 mm haben.
Dabei führen größere Werte für den Durchmesser der Gasblasen zu einer sehr guten Abrasion von sich auf der Innenseite der Wand 3 des Photobioreaktors 1 befindlichen Mikroorganismen und kleinere Werte haben den Vorteil, dass der Gaseintrag energiesparender ist, die Verteilung des Gases begünstigt wird und das in den Photobioreaktor 1 einfallende Licht besser gestreut wird, so dass die Innenbeleuchtung diffuser ist und die Zellen aus mehr Richtungen bestrahlt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das Gas in einem Abstand von 0,5 - 20 mm von der Wand 3 eingeleitet.
In einer Ausführungsform wird der Gasstrom direkt radial gegen die Wand 3 gerichtet. Es ist aber auch möglich, das Gas direkt nach oben gerichtet austreten zu lassen oder in einem Winkel zur Bodeneberie gegen die Wand 3 des Photobioreaktors 1, beispielsweise 45 °. Es kommt auch eine Kombination dieser Strömungsrichtungen in Frage. Durch diesen Winkel kann die Zirkulation des Wassers bzw. der Flüssigkeit im Photobioreaktor günstig beeinflusst werden. Die Einleitung des Gases an der Wand 3 des Photobioreaktors 1 kann durch dort verlegte Begasungsschläuche mit Löchern oder Poren, gasdurchlässige Sinterkörper oder Leitungen, die Bohrungen aufweisen als Mittel zur Begasung der Innenseite 7 der Wand 3 erfolgen, die mit Mitteln zur Gaszufuhr verbunden sind.
Durch die Begasung an der Wand 3 des Photobioreaktors werden sich absetzende Mikroorganismen abgelöst, beziehungsweise deren Absetzung verhindert, so dass die Transmission des Lichtes vergrößert wird, weil die Ablagerungen auf ein Minimum reduziert werden. Dies hat zur Folge, dass eine vollständigere Ernte von Mikroorganismen aus dem Photobioreaktor 1 vorgenommen werden kann, da keine oder nur wenige Mikroorganismen auf der Wand haften. Die Ausbeute an Mikroorganismen wird vergrößert. Die Wand wird sauber gehalten, so dass Reinigungsarbeiten entfallen können. Bei Verwendung von Folien als Bewandung kann ein Austausch der Folien stark reduziert werden. Dadurch werden Kosten gesenkt. Mikroor- ganismen in den Randbereichen des Photobioreaktors 1 werden besser mit Gas versorgt und die Ausbeute der Produktproduktion wird erhöht. Eine Hemmung des Stoffwechsels der Mikroorganismen wird stark unterbunden, und die Photosynthese, und damit der Stoffwechsel der Mikroorganismen sowie deren Vermehrung, wird erhöht. Es findet eine gleichmäßige Durchmischung insbesondere auch an den Wandbereichen des Photobioreaktors statt, so dass Nährstoffe gleichmäßiger verteilt werden und Mikroorganismen innerhalb des Photobioreaktors besser zirkulieren. Dies führt zu einer gleichmäßigeren Belichtung der Mikroorganismen. Damit kann auch der Einsatz von die Mikroorganismen beeinträchtigenden Rührwerken reduziert werden oder sogar entfallen. Neben der Begasung an der Wand 3 des Photobioreaktors 1 kann zusätzlich Gas in den Innenraum des Photobioreaktors 1, beispielsweise im Zentrum oder über die gesamt Fläche oder in Teilbereichen des Reaktorbodens 4 verteilt eingeführt werden. Das hat den Vorteil, dass der gesamte Innenraum mit Gas versorgt wird.
Die Wahl des Gases hängt von den Bedürfhissen der Mikroorganismen ab. So kann beispielsweise Luft, Sauerstoff oder C02 in den Photobioreaktor eingeführt werden.
Luft und Sauerstoff können die Atmung der Mikroorganismen unterhalten. C02 kann als Nährstoff für die Photosynthese sowie zur Einstellung des pH-Wertes dienen. Es ist zwar bevorzugt, für die erfindungsgemäße Reinigung der Innenseite der Wand 3 des Photobioreaktors 1 das gleiche Gas einzusetzen, welches auch für den Betrieb des Photobioreaktors 1 bzw. die Versorgung der Miko Organismen benötigt wird. Jedoch kann die Reinigung der Innenseite der Wand 3 des Photobioreaktors 1 auch mit einem anderen Gas bewirkt werden, welches von dem Betriebsgas verschieden ist. In diesem Fall kann der Photobioreaktor verschiedene Zuleitungen für das Betriebsgas und das Reinigungsgas haben. Die Begasung der Innenwand des Photobioreaktors kann auch durch ein Gas, das die Versorgung der Mikroorganismen unterhält, in Kombination mit einem anderen Gas erfolgen. Das andere Gas sollte dann nicht toxisch sein. Beispielsweise kommen Luft, Sauerstoff, Stickstoff oder C02 in Betracht.
Der erfindungsgemäße Photobioreaktor 1 verwirklicht das erfindungsgemäße Verfahren. Er umfasst eine Wand 3 sowie Mittel zur Begasung der Innenseite 7 der Wand 3 des Photobioreaktors 1.
Die Wand 3 kann aus lichtdurchlässigem festem Körper, beispielsweise aus Glas oder Plexiglas oder anderem festen bzw. starrem lichtdurchlässigem Material oder einer lichtdurchlässigen Folie bestehen, die ihre Form als Reaktorwand bei Befüllung annimmt. Ein geeignetes Folienmaterial ist Polyethylen oder Polytetraflourethylen (PTFE), das lichtdurchlässig ist. Geeignete Materialien sind dem Fachmann bekannt. Die Wand 3 ist mit dem Boden 4 flüssigkeitsdicht verbunden. Beispielsweise kann die Folie durch eine Flanschverbindung mit dem Boden 4 verbunden sein. Gleiches gilt für feste Wände 3, die aber auch mit dem Boden 4 verschraubt sein können.
Der Photobioreaktor 1 kann eine Lampe zur Erzeugung von geeignetem Licht umfassen. Diese Lampe muss jedoch nicht zwingend Bestandteil des Photobioreaktors 1 sein, sondern sie kann unabhängig vom Photobioreaktor 1 vorhanden sein. Wenn natürliches Licht für den Betrieb des Photobioreaktors ausreicht, ist eine Lampe nicht nötig und muss nicht vorhanden sein. Der Photobiorektor 1 kann in einer einfachen Ausführungsform aus einem lichtdurchlässigen Foliensack bestehen, der Mittel zur Begasung der Innenseite 7 der Wand 3 aufweist. In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Photobioreaktor 1 in einer Weise ausgestaltet, dass er aus parallel angeordneten Wänden 3 besteht, die mit geringem Abstand zueinander angeordnet sind, wobei der Abstand zwischen zwei parallelen Platten zwischen 5 und 10 cm beträgt. Als Platte im Sinne der Erfindung sind auch Folien zu verstehen, die gegebenenfalls durch Stützelemente, beispielsweise Stangen, stabilisiert werden. Die Platten bilden die Längsseite der Wand 3, die vorzugsweise zum Licht hin ausgerichtet sind.
In dieser Ausfuhrungsform können die Mittel zur Begasung der Innenseite 7 der Wand genauso ausgestaltet sein, wie in der zylindrischen Ausfährungsform, jedoch verlaufen die Mittel zur Begasung der Innenseite 7. der Wand parallel zur Wand, wobei die Mittel zur Begasung der Innenseite 7 der Wand 3 den gleichen bevorzugten Abstand zur Wand 3 haben, wie in den anderen Ausführungsformen mit kreisförmigen oder zylindrischem Querschnitt.
In einer besonders einfachen Ausführungsform kann der erfindungsgemäße Photobioreaktor 1 aus einem Foliensack aus transparentem Kunststoff bestehen, der am unteren Ende eine Gasleitung 5 besitzt, mit der das Gas eingeführt wird, und ggf. durch Leitungen 6, 6a, 6b, .... den Mittel zur Begasung der Innenseite 7 der Wand zugeführt wird, die über die Leitungen 6, 6a, 6b, ....mit der Gasleitung 5 verbunden sind.
Alternativ oder ergänzend zu der Ausgestaltung, bei der die Gasleitung 5 von unten oder vom unteren Bereich des Photobioreaktors 1 in den Photobioreaktor 1 einmündet, kann die Gaslei- tung 5 auch von oben in den Photobioreaktor 1 verlegt sein, wo sie die Mittel zur Begasung der Innenseite der Wand entweder direkt oder über die Leitungen 6, 6a, 6b, versorgt. Die
Führung der Gasleitung 5 ist für alle Bauarten des Photobioreaktors möglich.
Erfindungsgemäß besitzt der Photobioreaktor 1 Mittel zur Begasung der Innenseite 7 der Wand 3, welches wenigstens an Teilbereichen an der Innenseite der Wand 3 positioniert ist und eine Ablösung von auf der Innenoberfläche der Wand abgelagerten Mikroorganismen ermöglicht oder eine Ablagerung verhindert.
Das Mittel zum Einleiten eines Gases an der Innenseite 3 der Wand 7 des Photobioreaktors 1 hat einen Gasaustritt, der sich in einem Abstand von vorzugsweise 0,5mm- 20mm, z. B. 2mm von der Wand befindet. Der Gasaustritt kann auch direkt, ohne Abstand an der nach innen gerichteten Wand 3 des Photobioreaktors positioniert sein. So werden besonders gute erfindungsgemäße Vorteile erreicht. Die Mittel zur Begasung der Innenseite 7 der Wand 3 können sich im Boden 4 des Photobioreaktors oder oberhalb des Bodens 4 befinden, aber vorzugsweise im Bodenbereich, also beispielsweise 5 cm über dem Boden 4 des Photobioreaktors. Es ist zwar auch möglich, die Mittel zum Einleiten eines Gases weiter oben zu positionieren, jedoch ist dies weniger bevorzugt.
Bei den Mitteln zum Einleiten eines Gases kann es sich um Begasungsschläuche oder Begasungsmatten mit Löchern oder Poren, gasdurchlässige Sinterkörper oder Leitungen mit Bohrungen handeln, die an der Wand 3 oder im Wandbereich des Photobioreaktors 1 positioniert sind. Befinden sich die Mittel zur Begasung der Innenseite 7 der Wand 3„im Boden 4", so bedeutet dies, dass sie so in den Boden eingelassen sind, dass sie ein Ausströmen des Gases in die flüssige Phase ermöglichen, da der Gasaustritt mit der flüssigen Phase in Kontakt steht.
Vorzugsweise umspannen diese Mittel zur Begasung der Innenseite 7 der Wand 3 die gesamte Länge der Wand 3. Alternativ, aber weniger bevorzugt, sind die Mittel zur Begasung der Innenseite 7 der Wand 3 nur an einigen Stellen der Wand 3, vorzugsweise äquidistant, positioniert.
Die Mittel zur Begasung der Innenseite 7 der Wand 3 können so ausgebildet sein, dass die
Gasströmung nur von unten nach oben erfolgt. Hierzu können Öffnungen vorhanden sein, die einen Gasaustritt ausschließlich nach oben ermöglichen. Alternativ können die Mittel zum Einleiten eines Gasstromes Öffnungen aufweisen, welche einen Gasaustritt in horizontaler Richtung oder in einem Winkel von beispielsweise 45° zur Wand 3 gerichtet, ermöglichen. Es ist auch eine beliebige Kombination der Varianten möglich.
Der Photobioreaktor weist eine Gasleitung 5 zur Versorgung des Mittels zur Begasung der Innenseite 7 der Wand 3 auf. Diese kann sich im Zentrum des Photobioreaktors befinden, der vorzugsweise radialsymmetrisch, vorzugsweise zylindrisch ausgebildet ist. Das Mittel zur Begasung der Innenseite 7 der Wand 3 kann ausgehend von Gasleitung 5 mit einer oder mehreren Leitungen 6, 6a, 6b, 6c,.... verbunden sein. Im Falle von mehreren Leitungen 6, 6a, 6b,
6c, sind diese vorzugsweise in gleichen Winkelabständen voneinander angeordnet. Das führt dazu, dass die Leitungen 6, 6a, 6b,.... in äquidistanten Abständen in die Mittel zur Begasung der Innenseite 7 der Wand 3 einmünden. Die Leitung können in Düsen, Sinterkörper, perforierte Schläuche oder Rohre mit Bohrungen als Mittel zur Begasung der Innenseite 7 der
Wand 3 einmünden. Es ist auch möglich, die Leitungen 6, 6a, 6b, 6c in eine Rohrleitung münden zu lassen, welche den gesamten Innenumfang der Wand 3 entlang verläuft und entlang ihrer Länge vorzugsweise über den gesamten Bereich einen Schlitz besitzt, der durchge- hend ist oder aus Stabilitätsgründen an einigen Stellen durch kleine Stege unterbrochen ist.
An Stelle von einzelnen Leitungen 6, 6a, 6b, 6c, kann auch eine hohle Platte treten, die entlang ihres Außenradius perforiert, geschlitzt oder als Sinterkörper ausgebildet ist. Die hohle Platte soll im Sinne der Erfindung von dem Begriff Leitung 6 umfasst sein, und kann auch über die Gasleitung 5 mit Gas beschickt werden.
Die Leitung 6 kann sich unterhalb des Bodens 4, im Boden 4 oder über dem Boden 4 befinden.
In einer Ausführungsform bildet der Boden 4 zur Wand 3 eine Stufe 8, wobei der Gasaustritt durch die Mittel zur Begasung der Innenseite 7 der Wand 3 in die Stufe einmünden, wie es beispielhaft in Figur 1 zu sehen ist. Durch die Ausbildung einer Stufe findet eine parallele Ausrichtung des Gasstroms nach oben statt, so dass ein nach innen gerichtetes Abdriften von Gasblasen zumindest im unteren Bereich verringert wird. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung befinden sich Mittel zum Einleiten eines Gases 7 auch im Innenbereich des Photobioreaktors 1. So kann eine Gasverteilung durch Sinterplatten, perforierte Platten, Schläuche oder Matten bewirkt werden, die sich wenigstens an Teilbereichen des Bodens 4 befinden. Weiterhin kann der Boden wenigstens über einen Teilbereich mit Düsen bestückt sein, welche einen Gaseintritt in den Photobiorektor 1 bewir- ken. Die hohle Platte kann den gesamten Bodenbereich ausfüllen und über ihre ganze oder wenigstens einen Teil ihrer Oberfläche als Sinterkörper ausgebildet sein. In jeder Ausgestaltung sind diese Mittel zum Einleiten eines Gases mit einer Gasleitung und falls notwendig, mit Leitungen 6, 6a, 6b, 6c, .... verbunden.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zum Betrieb eines Photobioreaktors (1), bei dem ein Gas in den Photobioreaktor (1) eingeleitet wird, das zur Versorgung phototropher Mikroorganismen dient, dadurch gekennzeichnet,
dass das Gas zur Versorgung phototropher Mikroorganismen und/oder ein anderes Gas wenigstens an einem Teilbereich der Wand (3) des Photobioreaktors so zugeführt wird, dass es auf der Wand (3) abgelagerte Mikroorganismen ablöst oder die Anlagerung der Mikroorganismen an der Wand des Photobioreaktors verringert.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Gas im unteren Bereich des Photobioreaktors (1) eingeleitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Gas mit einem Druck von 1% bis 5% des über dem Druck der darüberliegen- den Flüssigkeitssäule eingeleitet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Gas von unten nach oben gerichtet, parallel zur Wand eingeleitet wird.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Gas radial gegen die Wand (3) des Photobioreaktors (1) oder in einem Winkel dazu eingeleitet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Gas Luft, Sauerstoff, Stickstoff und/oder C02 eingeleitet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroorganismen in dem Photobioreaktor (1) gezüchtet werden und/oder Produkte produzieren.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Gas zusätzlich wenigstens in einem Teilbereich des Innenraums des Photobioreaktors eingeleitet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Einleitung des Gases durch Gasblasen erfolgt, die einen Durchmesser in einem Bereich von 0,2 - 50 mm haben.
1 0 . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Begasung durch Begasungsschläuche, gasdurchlässige Sinterkörper oder Leitungen, die Bohrungen aufweisen, erfolgt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Gas in einem Abstand von 0,5 - 20 mm von der Wand (3) eingeführt wird.
12. Photobioreaktor (1), umfassend eine Gaszuleitung (5) und Mittel zur Begasung des Innenraums des Photobioreaktors (1),
dadurch gekennzeichnet,
dass die Mittel zur Begasung des Innenraumes des Photobioreaktors als Mittel zur Begasung der Innenseite (7) der Wand (3) ausgestaltet sind, die bewirken, dass sich an der Wand (3) abgelagerte Mikroorganismen durch die aufsteigenden Gasblasen ablösen und/oder dass sich in dem Photobioreaktor befindliche Mikroorganismen nicht oder nur unwesentlich auf der Innenseite (7) der Wand (3) des Photobioreaktors (1) absetzen.
13. Photobioreaktor (1 ) nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Mittel zur Begasung der Innenseite (7) der Wand (3) Begasungsschläuche mit Löchern oder Poren, gasdurchlässige Sinterkörper und/oder Leitungen mit Bohrungen sind.
14. Photobioreaktor (1) nach Anspruch 12 oder 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Mittel zur Begasung der Innenseite (7) der Wand (3) einen Gasaustritt haben, der sich in einem Abstand von 0,5 mm bis 20 mm befindet.
15. Photobioreaktor (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Mittel zur Begasung der Innenseite (7) der Wand (3) einen Gasaustritt besitzen, der eine Gasströmung
a) in horizontaler Richtung zur Wand (3),
b) parallel zur Wand (3) nach oben gerichtet und/oder
c) in einem Winkel zur Wand (3) gerichtet
ermöglicht.
16. Photobioreaktor (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 15,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Mittel zur Begasung der Innenseite (7) der Wand (3) durch mindestens eine Leitung (6, 6a, 6b) mit der Gasleitung (5) verbunden sind.
17. Photobioreaktor (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Mittel zur Begasung der Innenseite (7) der Wand (3) im unteren Bereich des Photobioreaktors (1) positioniert sind.
18. Photobioreaktor (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 17,
dadurch gekennzeichnet,
dass sich die Mittel zur Begasung der Innenseite (7) der Wand (3) im Boden (4) oder im Bodenbereich des Photobioreaktors (1) befinden.
19. Photobioreaktor (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 18,
dadurch gekennzeichnet,
dass die mit der Gaszuleitung (5) in Verbindung stehenden Leitungen (6, 6a, 6b,.. .) in äquidistanten Abständen in die die Mittel zur Begasung der Innenseite (7) der Wand (3) einmünden.
20. Photobioreaktor (1) nach einem der Ansprüche .12 bis 19,
dadurch gekennzeichnet,
dass er zusätzlich Mittel zur Begasung des Innenraums aufweist, die mindestens in einem Teilbereich des Innenraums des Photobioreaktors (1) positioniert sind.
21. Photobioreaktor ( 1 ) nach einem der Ansprüche 12 bis 20,
dadurch gekennzeichnet,
dass er einen Boden (4) aufweist, in den eine Gasleitung (5) mündet, die in Leitungen (6, 6a, 6b,...) einmündet, welche zur Wand (3) des Photobioreaktors (1) verlaufen, wobei der Boden an der Wandseite eine Stufe ausbildet, in welche die Leitungen (6, 6a, 6b...) münden.
22. Photobioreaktor ( 1 ) nach einem der Ansprüche 12 bis 21 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass seine Wand (3) aus starrem, lichtdurchlässigem Material oder einer lichtdurchlässigen Folie besteht.
23. Photobioreaktor nach einem der Ansprüche 12 bis 22,
dadurch gekennzeichnet,
dass er zwei Gasleitungen (5) besitzt, die die Zufuhr von verschiedenen Gasen ermöglichen.
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