WO2015106733A1 - Photobioreaktor und verfahren zur dünnschichtkultivierung - Google Patents

Photobioreaktor und verfahren zur dünnschichtkultivierung Download PDF

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WO2015106733A1
WO2015106733A1 PCT/DE2014/000643 DE2014000643W WO2015106733A1 WO 2015106733 A1 WO2015106733 A1 WO 2015106733A1 DE 2014000643 W DE2014000643 W DE 2014000643W WO 2015106733 A1 WO2015106733 A1 WO 2015106733A1
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Ladislav NEDBAL
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Forschungszentrum Jülich GmbH
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    • C12M41/34—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of concentration of gas

Definitions

  • the invention relates to a photobioreactor and a method for thin-layer cultivation of microorganisms operating photosynthesis.
  • photosynthetic microorganisms such as algae, which derive their energy from photosynthesis and are able to produce certain valuable substances.
  • These valuable substances may be, for example, oil, vitamins or amino acids.
  • the algae are cultivated.
  • the algae are supplied with CO2 and with light.
  • the algae are supplied with air, CO2-enriched air, CO2, or another gas containing CO2.
  • the light source is sunlight or artificial lighting.
  • the algae are in a medium that contains the substances that are necessary or beneficial for the growth of algae.
  • the cultivation is carried out with an algae-containing suspension of high cell density. Energy is needed for this process. This energy is composed of the energy needed to provide the light, medium and gas phase in the bioreactor and to maintain the process, for example by means of a pump.
  • a device is used according to the prior art, as described in the document US Pat. No. 5,981,271 B1.
  • This is an open device in which the suspension containing the algae is fed by means of a distributor to the upper end of a plane which is inclined at an angle, so that a gradient arises.
  • This level represents a cultivation surface.
  • the suspension containing algae runs down the entire surface of this level in a thin layer and is collected in a tank.
  • the tank is supplied via a gas supply with C0 2 , which rises in the tank and enriches the algae-containing suspension with C0 2 .
  • the with C0 2 enriched, suspension of photosynthetic microorganisms is pumped in a cycle to the top of the plane where the process begins anew.
  • the photosynthetic algae While the suspension of photosynthetic microorganisms runs over the inclined plane, the photosynthetic algae receive the necessary light to carry out photosynthesis and thus obtain the necessary energy for the cell metabolism and the production of valuable substances.
  • the photosynthetic algae can secrete the product produced, which can then be removed from the process. If the algae or photosynthetic microorganisms can not secrete the product, the cells are disrupted and the desired product isolated.
  • the suspension of photosynthetic algae and the medium contains the photosynthetic microorganisms, possibly necessary for the growth nutrients, dissolved C0 2 and secretions of the photosynthetic microorganisms which metabolic products of the photosynthetic algae are, for example oil or extracellular polysaccharides.
  • the gas phase of the photobioreactor contains volatile products of the metabolism of the algae.
  • the operation of the photobioreactors consumes energy. There is a need to reduce the energy consumption of photobioreactors. This is not only cheaper but also environmentally friendly. An energy saving is particularly desirable if it is intended to produce substances which are themselves energy carriers, such as oil or hydrocarbons, which can be used as fuel.
  • the photobioreactor according to the invention can be operated with microorganisms which carry out photosynthesis. Photosynthetic microorganisms in the
  • Purpose of the invention are unicellular or multicellular microorganisms that operate photosynthesis.
  • algae such as blue-green algae, green algae or brown algae, or cyanobacteria may be mentioned.
  • photosynthetic microorganisms are capable of producing valuable substances.
  • Recyclables within the meaning of the invention are, for example, oil,
  • Vitamins Coloring Pigments, Amino Acids, Proteins, Sugars, Polysaccharides, Fats, Secondary Metabolites, Food Additives, Animal Feed, Antioxidants, Biofuels Agrochemicals, Organic Products, High Quality Products for the Cosmetic, Pharmaceutical and Chemical Industries and Other Organic Molecules. What remains of biomass can be used as animal feed or burned in power plants.
  • microorganisms operating photosynthesis are referred to as microorganisms for the sake of simplicity. But this always means the photosynthetic microorganisms that can produce valuable substances.
  • the device according to the invention has at least one cultivation surface, which is designed as a plane. This culture surface is inclined to one end at an angle ⁇ , so that there is a gradient between an upper and lower end.
  • a distributor which acts on the cultivation surface with a suspension of photosynthetic microorganisms.
  • the distributor can be a conduit, a trough or a gutter, which can have bores or slots from which the suspension containing the microorganisms can emerge.
  • the distributor should be designed such that the entire cultivation surface is covered with the suspension containing microorganisms. Then, the entire culture surface is optimally covered with the suspension of microorganisms, and the microorganism-containing suspension may proceed on the cultivation surface following the gradient.
  • the device is in a housing, for example, a gassing or a sheath that allows fumigation.
  • the enclosure in the description is referred to as a fumigation room.
  • this is also intended to encompass any other housing, such as, for example, an envelope or film, which allows fumigation of the cultivation surfaces.
  • the enclosure can be, for example, a greenhouse, a building or a shell or film, which can be charged with gas, here C0 2 -containing gas or C0 2 , so that a supply of the cultivation surfaces with CO2 is possible.
  • the fumigation chamber preferably has means for supplying C0 2 or C0 2 -containing gas.
  • means for controlling the CO2 content or the gas composition are present.
  • oxygen formed during photosynthesis can be withdrawn.
  • an absorbent can also be present, which absorbs oxygen.
  • the CO2 supply of the suspension containing microorganisms is effected by the contact of the cultivation containing the suspension containing the microorganisms and the CO2 or gas present in the fumigation space and containing CO2:
  • the light source may be the sun or an artificial light source.
  • the device according to the invention has the advantage that the tank, which is needed in the device according to the prior art for collecting and for fumigation with CO2, can be omitted.
  • energy can be saved because the C0 2 or the CO2-containing gas does not have to be introduced against the pressure of a liquid column containing photosensitizing microorganisms containing suspension.
  • the CO2-containing gas rises in the tank, it must be below the susceptor for the microorganism-containing suspension.
  • the suspension containing microorganisms must be conveyed over a greater height to the upper end of the cultivation surface, consuming much energy. This height difference, which must be pumped against, can be saved, so that energy is saved, which does not have to be supplied externally to the process.
  • the photobioreactor according to the invention may also have a tank.
  • Another advantage of the device according to the invention is that the productivity of the microorganisms can be increased. Since the CO2 supply in the device according to the prior art takes place locally in the tank or container, the CO2 required for the photosynthesis and thus for the production of energy in the suspension of microorganisms consumed during the descent of the suspension. sion of microorganisms on the cultivation surface. Since natural air, which is present in open plants, contains little CO2, there is no sufficient additional supply of the suspension of microorganisms with C0 2 . Therefore, the suspension of microorganisms at the lower part of the cultivating surface contains little C0 2 , since it has already been consumed for photosynthesis, so that the supply of this important educt for photosynthesis is no longer sufficiently guaranteed.
  • the device according to the invention overcomes this disadvantage since the suspension containing microorganisms is constantly supplied with CO2 via the large surface area on the cultivation surface by the application of gas containing CO2. Since in this thin-layer cultivation technique only small layer thicknesses of suspension containing microorganisms are supplied over a very large surface, a constant supply of all areas of the suspension of microorganisms on the cultivation surface is ensured with CO2. This increases the production of recyclables. This also makes it possible to serially arrange a larger number of cultivation surfaces, since the CO2 content in the suspension of microorganisms does not decrease over the entire flow path, so that the device can be extended. It is thus possible a larger cultivation surface necessary for the production of valuable materials.
  • Microorganisms is prevented in the environment. This is particularly advantageous when using genetically modified microorganisms.
  • the cultivation surface may be formed as a surface having the shape of a long trajectory.
  • the larger the cultivation surface the more suspension containing microorganisms can be cultured and used for the production of recyclables.
  • the cultivation surfaces may be in an advantageous embodiment of a transparent material, such as glass or a translucent plastic.
  • at least two or more cultivation surfaces or webs can be arranged serially.
  • serial in the sense of the invention, it is to be understood that the cultivation surfaces are arranged relative to one another such that the lower end of a cultivation surface is arranged relative to the upper end of a subsequent cultivation surface such that a transfer of the flowing suspension of microorganisms from the first cultivation surface to the second cultivation surface is possible.
  • the suspension containing microorganisms flows directly from an upper cultivation surface to an underlying cultivation surface, without the upper cultivation surface having means for collecting this suspension and / or the lower cultivation surface means for distributing the Have suspension. Then also the means for forwarding the suspension could be omitted.
  • This can be repeated for a number of n cultivation surfaces. In this case, for example, 2, 5, 8, 10 of the more cultivation surfaces can be arranged serially one after the other.
  • the upper limit arises only for practical reasons.
  • the cultivation surfaces or webs can be arranged one above the other so that a zigzag arrangement results from the side view. This results in a particularly space-saving arrangement that manages with a small gassing.
  • the cultivation surfaces or webs can also be arranged so that in each case two successive cultivation surfaces or webs are arranged laterally offset. Then, each of the cultivation surfaces or webs inclined in the same direction are stacked.
  • the fumigation can be kept shallower and there are two upper cultivation surfaces that can be freely irradiated, for example, from sunlight.
  • the projection of the cultivation surfaces from above assumes a trigonal, tetragonal or polygonal geometry, so that a helical structure of the device arises.
  • the inclination angle ⁇ of the cultivation surface from the horizontal should be small.
  • the flow rate at which the suspension of photosynthetic microorganisms flows on the cultivation surface is inversely proportional to the slope of the cultivation surface. The smaller the tilt angle a, the greater the residence time of the suspension containing microorganisms on the cultivation surface and the longer the suspension of microorganisms can be used for the production of valuable substances.
  • the slope of the cultivation surface may be between 0.1 ° and 5 °. Typical is a range of 1 ° to 2 °, especially 1, 2 ° to 1, 9 °. Optimal is an inclination that allows just a flow of microorganisms containing suspension, so that a cycle can be maintained.
  • angle of inclination ⁇ also depends on the viscosity of the suspension containing microorganisms. At higher viscosities, larger angles of inclination may be advantageous.
  • the choice of the angle of inclination ⁇ is also influenced by the cell size and / or the weight of the photosynthetic microorganisms. Larger and / or heavier microorganisms sediment more easily in the aqueous phase and therefore require higher angles of inclination. It is therefore also possible for angle of inclination to be, for example, 10 °, 15 °, 20 °, 25 ° or 30 ° or more, for example 50 °, 60 °, 70 ° or 80 °. An upper limit arises only for practical considerations and is at the discretion of the skilled person.
  • the angle of inclination of the cultivation surfaces can also be freely selectable and adjustable.
  • the ends of the cultivation surfaces may, for example, be connected to a vertical rail with which they can be adjusted in height.
  • a slow flow and a small inclination of the surface lead to low energy consumption of the device according to the invention and of the method according to the invention, since less energy is consumed during back-pumping over a smaller height difference.
  • the smaller the angle of inclination ⁇ of the cultivation surfaces relative to the horizontal the lower the energy required for the return of the suspension emerging at the lower end of the device to the starting point of the process.
  • the surface of the cultivation surface is roughened, so that the flow rate of the microorganism-containing suspension can be reduced.
  • each cultivation surface is preferably a distributor, which acts on the cultivation surface with a suspension of microorganisms.
  • the distributor may be a conduit or a hose having openings from which the suspensions of microorganisms can exit.
  • Troughs or channels can also serve as distributors, which have outlet openings from which the suspension of microorganisms can emerge or over whose edge the suspension can flow.
  • the gutters or troughs may also serve as means for receiving the suspension of microorganisms of an overlying or subsequent cultivation surface.
  • the distributor should be designed so that the entire cultivation surface is covered with the outflowing suspension of photosynthetic microorganisms. Then, the entire cultivation area is optimally covered with the suspension of microorganisms, and the microorganism-containing suspension may proceed on the cultivation surface following the slope.
  • the means for collecting the suspension of microorganisms and the means for routing to the next distributor can be designed in different ways.
  • any device part can be considered that is functionally suitable to receive the suspension of microorganisms, regardless of the structural design.
  • the means for capturing and passing the suspension of microorganisms to the subsequent cultivation surface or to the subsequent distributor may also be realized in one part. If two successive cultivation surfaces are arranged side by side, the means for collecting the suspension of microorganisms may be a gutter or trough into which the suspension enters.
  • This gutter or tub can continue in another gutter or in a conduit located at the top Located at the end of the next cultivation surface and has the holes, holes or slots for distributing the suspension of microorganisms on the next cultivation surface.
  • the means for collecting and passing the suspension of microorganisms may be united in one part.
  • the means for collecting the suspension of microorganisms is a channel having holes, bores or slits either on the lower side which allow distribution of the suspension on the cultivation surface so that the means for collecting and distributing the suspension of microorganisms are combined in one part.
  • the means for collecting the suspension of microorganisms are connected via a line to the distributor of the next cultivation surface or that the suspension of microorganisms flows directly into a tube which is provided with holes, holes or slots and which Distributor serves.
  • the means for collecting and distributing the suspension of microorganisms are united in one part.
  • the suspension of microorganisms can run into a gutter from which it runs over its edge into a distribution channel.
  • the means for capturing the microorganism-containing suspension may also exist in the upper portion of the cultivation surface following a cultivation surface, so that special, specially designed means for capturing the microorganism-containing suspension can be dispensed with ,
  • the fumigation room can be a room that is locked or locked. It contains the CO2-containing gas or C0 2 required for the photosynthesis of microorganisms in the suspension of microorganisms.
  • the enclosure or the fumigation room can be a room with translucent walls or a shell, for example a foil that is transparent. Then sunlight can be used as a light source. However, there may also be an artificial light source.
  • the enclosure or fumigation space or enclosure may be made of opaque material or portions thereof may be opaque. If the enclosure is completely opaque, there must be an artificial light source. If it is opaque in parts, an artificial light source may be present.
  • the artificial light source can basically be at any place within the fumigation room or the enclosure. In a translucent or partially translucent gassing room, it can also be mounted outside the gassing room. In an advantageous embodiment, the artificial light source is in lateral position to the cultivation surfaces or the cultivation surface.
  • a lateral arrangement of the lamp or lamps has the advantage that in devices having at least two superimposed cultivation surfaces, all levels are supplied with light. The light irradiated laterally on the cultivating surfaces is sufficient to maintain photosynthesis, since an even larger amount of light does not result in increased photosynthesis.
  • two or more artificial light sources may be present.
  • the artificial light source may be a lamp that emits white light. Particular preference is given to lamps with a high radiation in particular in the red but also in the blue region of the visible spectrum. It can also be used lamps that emit red or blue light.
  • the fumigation room or enclosure is connected to a gas supply or has a gas source, such as a gas cylinder or a gas storage tank, which are examples of means for supplying gas.
  • a gas source such as a gas cylinder or a gas storage tank, which are examples of means for supplying gas.
  • the gas outlet allows the withdrawal of spent C0 2 -containing gas, in particular O2, which has arisen during photosynthesis.
  • a thin layer of a suspension of microorganisms flows down on at least one cultivation surface inclined at an angle ⁇ to the horizontal and is acted upon in a fumigation space with a gas which has a CO2 concentration which is higher than that of the natural air or the atmosphere.
  • the suspension containing microorganisms is supplied with light.
  • the suspension of microorganisms arriving at the bottom of the cultivation surface is collected and returned to the process.
  • a suspension of microorganisms is passed over a cultivation surface with a gradient.
  • the suspension of microorganisms forms a thin layer on the cultivation surface.
  • the suspension containing microorganisms may be added to the cultivation surface via a distributor at the upper end.
  • a distributor at the upper end.
  • gutters, tubs, tubes or hoses can be used, which have openings, such as holes, holes or slots.
  • the suspension can also flow over the edge of gutters or tubs.
  • the suspension containing microorganisms present on the cultivation surface is exposed to a gas which has a higher CO 2 concentration than the natural air or the atmosphere.
  • a gas which has a higher CO 2 concentration than the natural air or the atmosphere for this purpose, the admission of the cultivation surfaces with the C0 2 -containing gas in a housing or a gassing space can be performed.
  • the gas containing C0 2 may be a gas or air enriched with C0 2 . But it can also be technical or pure C0 2 are used. Furthermore, exhaust gas from industrial processes containing C0 2 and C0 2 derived from CO 2 removal processes may also be used.
  • a gas containing C0 2 for example, a C0 2 concentration of 0.1% to 5%, 1% to 3%, or 1, 8% to 2.2% can be used.
  • C0 2 is used in the form of waste gas from industrial processes or C0 2 , which is obtained from C0 2 disposal processes, then the C0 2 concentration can also assume higher values.
  • the C0 2 concentration can be 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90 or more.
  • the concentration range for the C0 2 can be between 380 ppm, which corresponds to the natural atmospheric concentration, and 100%, as it is, for example, derived from coal combustion.
  • a higher C0 2 concentration in the gas phase favors the supply of C0 2 to the microorganisms which are active in photosynthesis.
  • the cultivation surface is surrounded by a housing or a fumigation room, in which the desired CO2 concentration can be maintained.
  • the fumigation room can be locked or locked and is supplied with the CO2-containing gas or CO2.
  • an envelope or film as a housing, which can be charged with CO2 - containing gas or CO2.
  • a fumigation room for example, a greenhouse or a building can be used.
  • a room with transparent walls such as glass or Plexiglas or a non-translucent material can be used.
  • a fumigation space can be used which is opaque or partially opaque. If a fumigation space is used which is opaque, the cultivation surface must be irradiated with a lamp. In the case of a partially opaque gassing room, a lamp can additionally be used.
  • envelopes or foils as enclosures, which allow fumigation of the cultivation surfaces, as described in the description section for the device.
  • the microorganism-containing suspension is preferably passed over the cultivation surface at a low flow rate.
  • the cultivation surface is inclined ⁇ at a small angle, so that the microorganism-containing suspension in a gradient of, for example, an angle of 0.5 ° to 5 °, typically from 1 ° to 2 °, or 1, 2 ° to 1, 9 ° flows.
  • the lower the inclination of the cultivation surface the greater the residence time of the microorganism-containing suspension on the cultivation surface.
  • the choice of the angle of inclination ⁇ also depends on the viscosity of the suspension containing microorganisms.
  • angle of inclination is also influenced by the cell size and / or the weight of the photosynthetic microorganisms. Larger and / or heavier microorganisms sediment more easily in the aqueous phase and therefore require higher angles of inclination. It is therefore also possible for angle of inclination to be, for example, 10 °, 15 °, 20 °, 25 ° or 30 ° or more, for example 50 °, 60 °, 70 ° or 80 °. An upper limit arises only for practical considerations and is at the discretion of the skilled person.
  • the inclination angles ⁇ can also be adjusted depending on the prevailing conditions.
  • a slope can be given in which the drop is 2 cm over the horizontal over a length of 200 cm. This results in a flow rate of 2.4 umin at a cultivation surface width of 100 cm.
  • microorganism-containing suspensions which have a high cell density.
  • the cultivation surface can be roughened or a roughened cultivation surface can be used, so that the flow rate is further reduced.
  • Cultivation surfaces of transparent material such as glass or transparent plastic may be used.
  • at least two cultivation surfaces are arranged serially.
  • the suspension containing the photosynthesis leaving the upper cultivation surface is collected and fed to the upper part of a further cultivation surface.
  • the suspension containing microorganisms is distributed as uniformly as possible in a preferably thin film of a suspension over the cultivation surface.
  • the means described in the description part for the device for distributing the suspension of microorganisms can be used. This process can be repeated several times, for example 2 times, 5 times, 8 times, 10 times or more. The number of repetitions is limited only by practical considerations.
  • the cultivation surfaces can be superimposed so that a stacking of cultivation surfaces is created or arranged in a trigonal, tetragonal or polygonal structure, so that a helical structure results.
  • the cultivation surfaces may be juxtaposed so that two cultivation surfaces or two stacks of cultivation surfaces coexist with each other in which the inclination of the cultivation surface is respectively aligned.
  • the implementation of the method in the stack has the advantage that the surrounding gassing can be made small and thus also for the process necessary gas is saved.
  • the thin-layer cultivation method according to the invention can be carried out with sunlight and / or with artificial irradiation of the cultivation surface with lamps.
  • light sources lamps can be used, which emit white, red or blue light.
  • FIG. 1 A device according to the invention with two cultivation surfaces
  • FIG. 2 A device according to the invention with a stacking of several cultivation surfaces.
  • FIG. 3 shows a representation of the cultivation surfaces of the device according to the invention in various views according to the subfigures 3a), 3b). 3c), 3d) and 3e)
  • Figure 1 shows a photobioreactor according to the invention with a cultivation surface 1, which has at its upper end a distributor 2 for the suspension of microorganisms. At the lower end of the cultivation surface 1 is a collecting device 3, which receives the microorganism-containing suspension. The means for capturing the suspension of microorganisms is associated with another manifold 2a located at the top of another culture surface 1a.
  • a further means for collecting the suspension of microorganisms 2a is attached, which is in communication with a pump 4, the suspension containing microorganisms via a line 5 again to the upper end of the cultivation surface 1 to the manifold 2 promoted.
  • the photobioreactor is located in a gassing space 6, which is equipped with a gas supply 7 and a gas outlet 8.
  • FIG 2 shows an embodiment in which a plurality of cultivation surfaces 1, 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f are provided with distributors and collecting containers, which in each case are structurally part 9, 9a, 9b, 9c, 9d, 9e , 9f are united.
  • the gassing 8 is shown in this figure for reasons of better visibility of details only schematically with 3 walls.
  • FIGS. 1 and 2 show the cultivation surfaces of the device according to the invention in a schematic form.
  • the same device parts have the same reference numerals as in FIGS. 1 and 2.
  • FIG. A) shows a side view.
  • the figures ren b) and c) show views from the two front pages.
  • In figure d) is a view from above shown. In them, the velocity of the flowing suspension of photosynthetic microorganisms is schematically represented by an arrow labeled v.
  • Partial figure e) shows a schematic representation of the side view, in which the inclination is shown.
  • the reference numeral 10 the height difference between the upper and lower end of the cultivation surface 1, 1a and the reference numeral 11, the height difference between the upper and the lower end of the cultivation surface 1a.
  • Line 12 denotes the horizontal that passes through the upper end of the cultivation surface 1.
  • Line 13 is the horizontal that traverses the lower end of the cultivation surface 1a.
  • Line 14 denotes the horizontal which divides the course of the cultivation surfaces 1 and 1a symmetrically.
  • the angle ⁇ denotes the angle of inclination that the culturing surfaces have with respect to the horizontal.
  • microalgae and cyanobacteria in a broad sense algae are microorganisms that, like plants, are capable of photosynthesis. They are powered by light using water and CO2 and can synthesize proteins, fats, carbohydrates, pigments, secondary metabolites and other organic molecules. While plants have been cultivated in agriculture for millennia, algae have only recently become important in the production of food and supplements for food or other supplements that is economically important. Typical supplements include animal feed, antioxidants, biofuels, agrochemicals and other organic products. Algae are also increasingly used in carbon capture in coal combustion and other CO2-producing industrial processes and for tertiary wastewater treatment. The natural genetic potential of algae continues to be technical measures and innovations in engineering are increased, so that increasingly new products can be produced by algae.
  • the economics of algae-based technologies are highly dependent on the effectiveness and cost-effectiveness of the cultivation systems.
  • the cultivating systems deliver to the algae sunlight or light an artificial source of radiation, C0 2 and other molecules needed for metabolism.
  • oxygen (O 2 ) formed by the cells is secreted by the cells and has to be removed.
  • the light supply and mass transfer in open cultivation systems is similar to natural waters such as lakes or ponds.
  • the CO 2 - and O 2 - mass transfer, such as the light penetration occur directly over the air-water interface.
  • the simplicity of the open culture systems typically manifests itself at a low cost of construction and handling.
  • the suspensions produced with the open systems often have a low cell density, resulting in high harvest costs.
  • closed systems In contrast to open systems, closed systems typically have a liquid and a gas phase in a closed container that is sealed off from the ambient air. These systems are referred to as a photobioreactor or reactor.
  • the algae In the photobioreactors, the algae are typically in vessels of different shapes, glass tubes, transparent flat panels, translucent plastic bags or similar forms. Pumps move and blow through the suspension, so that light, CO 2 and fresh medium are fed continuously and 0 2 is discharged.
  • Closed systems are financially and energetically more complex than open systems. However, the closed systems have the advantage that the cultures are not contaminated from the outside and vice versa no algae enter the environment, which may be genetically modified.
  • Photobioreactors allow a better mass transfer of CO 2 into the suspension and of O 2 from the suspension as well as a better temperature control. In open systems, the light penetrates better into the biomass, so that a high cell density is achieved. This results in economic benefits at harvest and lower energy consumption per unit of biomass. If vertical columns are used as reactors, then consumed by the fumigation with CO2 energy that must be used against the hydrostatic pressure. The removal of O2 also consumes energy.
  • the invention relates to a photobioreactor with vertically layered, inclined surfaces, over which the algae or cyanobacteria, driven by the
  • the flow of the algal suspension forming on the inclined surfaces is accommodated in a transparent or translucent building in which the CO2 and O2 concentration or their partial pressure can be controlled.
  • the thin layers of algae can be irradiated directly with sunlight when two inclined surfaces are mounted side by side, so that no mutual shading of the surfaces takes place by the other.
  • the surfaces can also be arranged at an angle one above the other so that sunlight can radiate from the side.
  • the effectiveness of the sunlight can be done with light providers or an additional amplification of the light. This can be done for example by mirrors that collect the light and focus on the surfaces.
  • additional artificial lighting means can be used, which allow a lighting from above and / or from the side in the flat inclined surfaces.
  • the slope of the flat surfaces can be very small, so that the surfaces can be stacked to a high unit.
  • a slow current and a Small inclinations of the surface lead to low energy consumption of the device according to the invention and the method according to the invention, since less energy is consumed during pumping back over a smaller height difference.
  • a thin-film reactor of the type disclosed in US Pat. No. 5,981,271 B1 is transferred to a closed system in which the gas composition surrounds the layers of the algal suspension, the dissolved CO2 concentration is increased and the O2 concentration is increased by a more effective one Mass transfer over the large surface can be lowered.
  • This type of gas transfer eliminates the need for energy-consuming fumigation and avoids the darkness in the collection tank of the device US 5,981,271 B1.
  • the closed system according to the invention has the advantage that contaminations can be kept away from the organisms and an escape of organisms into the surrounding areas is prevented.
  • the enclosing building can be translucent, so that sunlight can penetrate from above and from the side.
  • artificial light sources such as light-emitting diodes can be present, which illuminate the cultivation surface from above and / or the side.
  • the artificial light source can also be used exclusively if the surrounding building is not translucent.
  • translucent enclosing buildings both sunlight and artificially generated light can be used.
  • the device according to the invention can also be operated at night. In addition, this effect is improved by the short path of light through the thin layer of algae, since the photosynthetic activity in the thin layer of the algal suspension is improved with a high cell density.
  • the high cell density of the culture reduces the energy needed to pump water volume per unit of moving biomass.
  • the transparent envelope allows control of the gas atmosphere surrounding the layered thin film surfaces.
  • the CO2 partial pressure can be high and the O2 partial pressure kept low, so that the photo-synthesis is not limited by the availability of CO2, while a deterioration and photooxidative damage is reduced by the low O 2 content.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Photobioreaktor und ein Verfahren zur Dünnschichtkultivierung. Erfindungsgemäß wird eine Suspension von Photosynthese betreibenden Mikroorganismen in einem Photobioreaktor über mindestens eine Kultivierungsoberfläche (1) geleitet, die sich in einem Begasungsraum (6) befindet, der mit CO2 oder CO2-haltigem Gas gefüllt ist.

Description

B e s c h r e i b u n g Photobioreaktor und Verfahren zur Dünnschichtkultivierung
Die Erfindung betrifft einen Photobioreaktor und ein Verfahren zur Dünnschichtkultivierung von Photosynthese betreibenden Mikroorganismen.
Bei der Produktion von Wertstoffen werden Photosynthese betreibende Mikroorga- nismen, beispielsweise Algen, eingesetzt, die ihre Energie aus der Photosynthese beziehen und dazu in der Lage sind bestimmte Wertstoffe zu produzieren. Diese Wertstoffe können beispielsweise Öl, Vitamine oder Aminosäuren sein.
Zu diesem Zweck werden die Algen kultiviert. Bei der Kultivierung werden die Algen mit CO2 und mit Licht versorgt. Dazu werden die Algen typischerweise in einem Pho- tobioreaktor mit Luft, mit CO2 angereicherter Luft, CO2, oder einem anderen Gas, das CO2 enthält versorgt. Als Lichtquelle dient Sonnenlicht oder eine künstliche Beleuchtung. Die Algen befinden sich dabei in einem Medium, welches die Stoffe beinhaltet, die für das die Algenwachstum notwendig oder förderlich sind. Die Kultivierung wird dabei mit einer Algen enthaltenden Suspension hoher Zelldichte vorgenommen. Für diesen Prozess wird Energie benötigt. Diese Energie setzt sich aus der Energie zusammen, die benötigt wird um das Licht, das Medium sowie die Gasphase im Bioreaktor zur Verfügung zu stellen und den Prozess, zum Beispiel mittels einer Pumpe, aufrecht zu erhalten.
Bei der Umsetzung dieses Prozesses wird nach dem Stand der Technik eine Vorrich- tung eingesetzt, wie sie in der Schrift US 5,981 ,271 B1 beschrieben ist. Dabei handelt es sich um eine offene Vorrichtung, bei der die die Algen enthaltende Suspension mittels eines Verteilers auf das obere Ende einer Ebene aufgegeben wird, die in einem Winkel geneigt ist, so dass ein Gefälle entsteht. Diese Ebene stellt eine Kultivierungsoberfläche dar. Die Algen enthaltende Suspension läuft über die gesamte Fläche dieser Ebene in einer dünnen Schicht hinunter und wird in einem Tank aufgefangen. Der Tank wird über eine Gaszufuhr mit C02 versorgt, welches im Tank aufsteigt und die die Algen enthaltende Suspension mit C02 anreichert. Die mit C02 angereicherte, Suspension von Photosynthese betreibenden Mikroorganismen wird in einem Kreislauf über eine Pumpe auf das obere Ende der Ebene gefördert, wo der Prozess von neuem beginnt. Während die Suspension von Photosynthese betreibenden Mikroorganismen über die schiefe Ebene läuft, erhalten die Photosynthese betreibenden Algen das nötige Licht um Photosynthese zu betreiben und damit die nötige Energie für den Zellstoffwechsel und die Produktion der Wertstoffe zu erhalten. Die die Photosynthese betreibenden Algen können das produzierte Produkt sekretieren, welches dem Prozess anschließend entzogen werden kann. Wenn die Algen oder die Photosynthese betreibenden Mikroorganismen das Produkt nicht sekretieren können, so werden die Zellen aufgeschlossen und das gewünschte Produkt isoliert.
Die Suspension von Photosynthese betreibenden Algen bzw. das Medium enthält die Photosynthese betreibende Mikroorganismen, ggf. für das Wachstum notwendige Nährstoffe, gelöstes C02 und Sekrete der Photosynthese betreibenden Mikroorga- nismen, die Stoffwechselprodukte der Photosynthese betreibenden Algen sind, beispielsweise Öl oder extrazelluläre Polysaccharide.
Die Gasphase des Photobioreaktors enthält volatile Produkte des Metabolismus der Algen.
Der Betrieb der Photobioreaktoren verbraucht Energie. Es besteht der Bedarf, den Energieverbrauch der Photobioreaktoren zu senken. Das ist nicht nur kostengünstiger sondern auch umweltfreundlich. Eine Energieersparnis ist insbesondere gewünscht, wenn mit den Photosynthese betreibenden Mikroorganismen Stoffe produziert werden sollen, die ihrerseits Energieträger sind, wie beispielsweise Öl, oder Kohlenwasserstoffe, die als Brennstoff eingesetzt werden kön- nen.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung ein Dünnschichtkultivierungsverfahren und einen Photobioreaktor zur Verfügung zu stellen, mit denen bei der Produktion von Wertstoffen Energie eingespart werden kann und mit denen die Produktion von Wertstoffen gesteigert werden kann. Insbesondere ist es die Aufgabe der Erfindung die Produktion von Wertstoffen zu steigern und dabei zusätzlich Energie einzusparen. Ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 und des nebengeordneten Anspruchs wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit den im kennzeichnenden Teil dieser Ansprüche angegebenen Merkmalen.
Mit dem erfindungsgemäßen Photobioreaktor und dem Dünnschichtkultivierungver- fahren ist es nunmehr möglich, den Energieverbrauch zu senken, die Energiebilanz des Verfahrens zu verbessern und dabei die Produktivität der Photosynthese betreibenden Mikroorganismen zu steigern.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der erfindungsgemäße Photobioreaktor kann mit Photosynthese betreibenden Mik- roorganismen betrieben werden. Photosynthese betreibende Mikroorganismen im
Sinne der Erfindung sind einzellige oder mehrzellige Mikroorganismen, die Photosynthese betreiben. Beispielhaft können Algen, wie beispielsweise Blaualgen, Grünalgen oder Braunalgen, oder Cyanobakterien genannt werden.
Diese Photosynthese betreibenden Mikroorganismen sind dazu in der Lage, Wert- Stoffe zu produzieren. Wertstoffe im Sinne der Erfindung sind beispielsweise Öl,
Vitamine, Farbpigmente, Aminosäuren, Proteine, Zuckerstoffe, Polysaccharide, Fette, sekundäre Metabolite, Lebensmittelzusatzstoffe, Tierfutter, Antioxidantien, Biotreibstoffe Agrochemikalien, Bioprodukte, hochwertige Produkte für die Kosmetik-, Pharma- und Chemieindustrie und andere organische Moleküle. Was an Biomasse übrig bliebt, kann als Viehfutter Verwendung finden oder in Kraftwerken verbrannt werden.
In der folgenden Beschreibung werden die Photosynthese betreibenden Mikroorganismen der Einfachheit halber als Mikroorganismen bezeichnet. Damit sind aber immer die Photosynthese betreibenden Mikroorganismen gemeint, die Wertstoffe produzieren können.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt mindestens eine Kultivierungsoberfläche, die als Ebene ausgebildet ist. Diese Kulturfläche ist zu einem Ende in einem Winkel α geneigt, so dass zwischen einem oberen und diesem unteren Ende ein Gefälle besteht. Am oberen Ende der Kultivierungsoberfläche befindet sich ein Verteiler, der die Kultivierungsoberfläche mit einer Suspension von Photosynthese betreibenden Mikroorganismen beaufschlagt. Bei dem Verteiler kann es sich um eine Leitung, eine Wanne oder eine Rinne handeln, die Bohrungen oder Schlitze aufweisen können, aus denen die Mikroorganismen enthaltende Suspension austreten kann. Der Verteiler soll so ausgestaltet sein, dass die gesamte Kultivierungsoberfläche mit der ausströmenden Mikroorganismen enthaltenden Suspension bedeckt wird. Dann ist die gesamte Kultivierungsoberfläche optimal mit der Suspension von Mikroorganismen bedeckt und die Mikroorganismen enthaltende Suspension kann auf der Kultivierungsoberfläche dem Gefälle folgend ablaufen.
Am unteren Ende der Kultivierungsoberfläche sind Mittel zum Auffangen und Mittel zum Zuführen der enthaltende Suspension von Mikroorganismen zu einer Pumpe angebracht, die die Mikroorganismen enthaltende Suspension durch eine Leitung wieder zum oberen Ende der Kultivierungsoberfläche fördert. Erfindungsgemäß befindet sich die Vorrichtung in einer Umhausung beispielsweise einem Begasungsraum oder einer Hülle, die eine Begasung ermöglicht.
Im Folgenden wird die Umhausung in der Beschreibung als Begasungsraum bezeichnet. Jedoch soll damit auch jede andere Umhausung, wie beispielsweise eine Hülle oder Folie umfasst sein, die eine Begasung der Kultivierungsoberflächen er- möglicht. Die Umhausung kann beispielsweise ein Gewächshaus, ein Gebäude oder eine Hülle oder Folie sein, die mit Gas, hier C02 -haltigem Gas oder C02 beaufschlagt werden können, so dass eine Versorgung der Kultivierungsoberflächen mit CO2 möglich ist.
Der Begasungsraum verfügt vorzugsweise über Mittel zur Versorgung mit C02 oder C02 -haltigem Gas.
Vorteilhaft sind Mittel zur Steuerung des CO2 Gehaltes oder der Gaszusammensetzung vorhanden.
Weiterhin können Mittel zum Abführen des in dem Begasungsraumes enthaltenen Gases vorhanden sein, so dass beispielsweise bei der Photosynthese gebildeter Sauerstoff entzogen werden kann. Um den Sauerstoffgehalt in dem Begasungsraum zu reduzieren kann auch ein Absorbens vorhanden sein, welches Sauerstoff absorbiert.
Die CO2 -Versorgung der Mikroorganismen enthaltenden Suspension erfolgt dabei erfindungsgemäß durch den Kontakt der mit der Mikroorganismen enthaltenden Suspension beaufschlagen Kultivierungsoberfläche und dem sich in dem Begasungsraum befindlichen CO2 oder Gas, das CO2 enthält:
Weiterhin muss eine Lichtquelle vorhanden sein.
Die Lichtquelle kann die Sonne oder eine künstliche Lichtquelle sein.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, dass der Tank, der bei der Vor- richtung nach dem Stand der Technik zum Auffangen und zur Begasung mit CO2 benötigt wird, entfallen kann. Dadurch kann Energie eingespart werden, da das C02 oder das CO2 -haltige Gas nicht gegen den Druck einer Flüssigkeitssäule aus Photosynthese betreibende Mikroorganismen enthaltender Suspension eingeführt werden muss. Da das CO2 enthaltende Gas in dem Tank aufsteigt, muss sich dieser unter- halb der Auffangvorrichtung für die Mikroorganismen enthaltende Suspension befinden. Das hat zur Folge, dass die Mikroorganismen enthaltende Suspension über eine größere Höhe zum oberen Ende der Kultivierungsoberfläche gefördert werden muss, wobei viel Energie verbraucht wird. Diese Höhendifferenz, gegen die gepumpt werden muss, kann eingespart werden, so dass Energie gespart wird, die dem Pro- zess nicht mehr extern zugeführt werden muss.
Mit dem Wegfall des Tanks entfällt auch ein Totvolumen, in dem die Suspension von Mikroorganismen dem Produktionsprozess entzogen wird, weil die Mikroorganismen dort nicht mit Licht versorgt werden. Der Produktionsprozess wird daher für dieses Volumen nicht unterbrochen. Dadurch wird das Verfahren effizienter. Der erfindungsgemäße Photobioreaktor kann jedoch auch einen Tank besitzen.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass die Produktivität der Mikroorganismen gesteigert werden kann. Da die CO2 -Zufuhr bei der Vorrichtung nach dem Stand der Technik lokal in dem Tank oder Behälter erfolgt, verbraucht sich das zur Photosynthese und damit zur Energiegewinnung nötige CO2 in der Suspension von Mikroorganismen während des Herunterlaufens der Suspen- sion von Mikroorganismen auf der Kultivierungsoberfläche. Da natürliche Luft, wie sie in offenen Anlagen vorhanden ist, wenig CO2 enthält, findet keine ausreichende zusätzliche Versorgung der Suspension von Mikroorganismen mit C02 statt. Daher beinhaltet die Suspension von Mikroorganismen am unteren Teil der Kultivierungsflä- che wenig C02, da es bereits zur Photosynthese verbraucht wurde, so dass die Versorgung mit diesem wichtigen Edukt für die Photosynthese nicht mehr ausreichend gewährleistet ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung überwindet diesen Nachteil, da die Mikroorganismen enthaltende Suspension über die große Oberfläche auf der Kultivierungsfläche durch die Beaufschlagung mit CO2 haltigem Gas ständig mit CO2 versorgt wird. Da bei dieser Dünnschichtkultivierungstechnik nur geringe Schichtdicken an Mikroorganismen enthaltende Suspension über eine sehr große Oberfläche versorgt werden, ist eine ständige Versorgung aller Bereiche der Suspension von Mikroorganismen auf der Kultivierungsoberfläche mit CO2 gewährleistet. Dadurch wird die Produktion von Wertstoffen gesteigert. Dadurch wird auch ermöglicht eine größere Anzahl von Kultivierungsoberflächen seriell anzuordnen, da sich der CO2 Gehalt in der Suspension von Mikroorganismen nicht über die gesamte Fließstrecke verringert, so dass die Vorrichtung erweitert werden kann. Es wird so eine größere für die Produktion von Wertstoffen notwendige Kultivierungsoberfläche ermöglicht.
Das geschlossene erfindungsgemäße System hat den Vorteil, dass Kontaminationen von den Mikroorganismen ferngehalten werden können und ein Entweichen von
Mikroorganismen in die Umgebung unterbunden wird. Das ist insbesondere bei der Verwendung genetisch modifizierter Mikroorganismen vorteilhaft.
Im Folgenden werden weitere Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung beschrieben, die nicht einschränkend auszulegen sind. Die Kultivierungsoberfläche kann als Fläche ausgebildet sein, die die Form einer langen Bahn hat. Je größer die Kultivierungsoberfläche ist, desto mehr Mikroorganismen enthaltende Suspension kann kultiviert und zur Produktion von Wertstoffen genutzt werden.
Die Kultivierungsoberflächen können in einer vorteilhaften Ausgestaltung aus einem transparenten Material, wie Glas oder einem lichtdurchlässigem Kunststoff sein. In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung können mindestens zwei bzw. mehrere Kultivierungsoberflächen oder Bahnen seriell angeordnet sein. Unter seriell im Sinne der Erfindung ist zu verstehen, dass die Kultivierungsoberflächen so zueinander angeordnet sind, dass das untere Ende einer Kultivierungsoberfläche im Verhältnis zum oberen Ende einer darauffolgenden Kultivierungsoberfläche so angeordnet ist, dass eine Überleitung der fließenden Suspension von Mikroorganismen von der ersten Kultivierungsoberfläche auf die zweite Kultivierungsoberfläche möglich ist. Dabei befinden sich am unteren Ende oder unterhalb einer Kultivierungsoberfläche vorzugsweise Mittel zum Auffangen der Mikroorganismen enthaltende Sus- pension und Mittel zum Weiterleiten der Suspension von Mikroorganismen zum oberen Teil der nächsten Kultivierungsoberfläche. Es ist in einer einfachen Ausführungsform der Erfindung auch möglich, dass die Mikroorganismen enthaltende Suspension direkt von einer oberen Kultivierungsoberfläche auf eine darunter liegende Kultivierungsoberfläche fließt, ohne dass die obere Kultivierungsoberfläche Mittel zum Auf- fangen dieser Suspension und/oder die untere Kultivierungsoberfläche Mittel zum Verteilen der Suspension haben. Dann könnten auch die Mittel zum Weiterleiten der Suspension entfallen. Dies kann für eine Anzahl n Kultivierungsoberflächen weiter wiederholt werden. Dabei können beispielsweise 2, 5, 8, 10 der mehr Kultivierungsoberflächen seriell nacheinander angeordnet sein. Die Obergrenze ergibt sich dabei lediglich aus praktischen Erwägungen. Die Kultivierungsoberflächen bzw. Bahnen können übereinander angeordnet sein, so dass sich von der Seitensicht eine Zickzackanordnung ergibt. Dabei ergibt sich eine besonders platzsparende Anordnung, die mit einem kleinen Begasungsraum auskommt.
Die Kultivierungsoberflächen bzw. Bahnen können jedoch auch so angeordnet sein, dass jeweils zwei aufeinander folgende Kultivierungsoberflächen oder Bahnen seitlich versetzt angeordnet sind. Dann sind jeweils die in die gleiche Richtung geneigten Kultivierungsoberflächen oder Bahnen übereinander angeordnet. So kann der Begasungsraum flacher gehalten werden und es gibt zwei obere Kultivierungsoberflächen, die ungehindert beispielsweise von Sonnenlicht bestrahlt werden können.
Weiterhin sind andere Anordnungen denkbar in denen die Projektion der Kultivierungsoberflächen von oben eine trigonale, tetragonale oder polygonale Geometrie annimmt, so dass eine helicale Struktur der Vorrichtung entsteht. Der Neigungswinkel α der Kultivierungsoberfläche gegenüber der Horizontalen sollte klein sein. Die Fließgeschwindigkeit, mit der die Suspension von Photosynthese betreibenden Mikroorganismen auf der Kultivierungsoberfläche fließt, ist umgekehrt proportional zu der Neigung der Kultivierungsoberfläche. Je kleiner der Neigungswin- kel a, desto größer ist die Verweildauer der Mikroorganismen enthaltende Suspension auf der Kultivierungsoberfläche und desto länger kann die Suspension von Mikroorganismen zur Produktion von Wertstoffen genutzt werden.
Die Neigung der Kultivierungsoberfläche kann zwischen 0,1 ° und 5° betragen. Typisch ist ein Bereich von 1°bis 2°, besonders 1 ,2° bis 1 ,9°. Optimal ist eine Neigung, die gerade noch ein Fließen der Mikroorganismen enthaltenden Suspension ermöglicht, so dass ein Kreisprozess aufrechterhalten werden kann.
Die Wahl des Neigungswinkels α hängt jedoch auch von der Viskosität der Mikroorganismen enthaltenden Suspension ab. Bei höheren Viskositäten können größere Neigungswinkel vorteilhaft sein. Die Wahl des Neigungswinkels α wird auch durch die Zellgröße und/oder das Gewicht der Photosynthese betreibenden Mikroorganismen beeinflusst. Größere und/oder schwerere Mikroorganismen sedimentieren leichter in der wässrigen Phase und benötigen daher höhere Neigungswinkel. Es können daher auch Neigungswinkel von beispielsweise 10°, 15°, 20°, 25° oder 30° oder mehr, beispielsweise 50°, 60°, 70° oder 80° vorliegen. Eine Obergrenze ergibt sich lediglich aus praktischen Erwägungen und liegt im Ermessen des Fachmanns.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Neigungswinkel der Kultivierungsoberflächen auch frei wählbar und einstellbar sein. Dazu können die Enden der Kultivierungsoberflächen beispielsweise mit einer vertikalen Schiene in Verbindung stehen mit der sie in ihrer Höhe verstellbar sind. Eine langsame Strömung und eine kleine Neigung der Oberfläche führen zu geringem Energieverbrauch der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens, da beim Rückpumpen über eine kleinere Höhendifferenz weniger Energie verbraucht wird. Je kleiner der Neigungswinkel α der Kultivierungsoberflächen gegenüber der Horizontalen ist, desto geringer ist die Energie, die für die Rück- führung der am unteren Ende der Vorrichtung austretenden Suspension an den Ausgangspunkt des Prozesses benötigt wird. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Oberfläche der Kultivierungsoberfläche aufgeraut, so dass die Fließgeschwindigkeit der Mikroorganismen enthaltende Suspension reduziert werden kann.
Am oberen Ende jeder Kultivierungsoberfläche befindet sich vorzugsweise ein Vertei- ler, der die Kultivierungsoberfläche mit einer Suspension von Mikroorganismen beaufschlagt. Bei dem Verteiler kann es sich um eine Leitung oder einen Schlauch handeln, die Öffnungen aufweist, aus denen die Suspensionen von Mikroorganismen austreten können. Als Verteiler können auch Wannen oder Rinnen dienen, die Austrittsöffnungen haben, aus denen die Suspension von Mikroorganismen austreten kann oder über deren Rand die Suspension fließen kann. Die Rinnen oder Wannen können auch als Mittel zum Aufnehmen der Suspension von Mikroorganismen einer darüber liegenden oder nachfolgenden Kultivierungsoberfläche dienen.
Der Verteiler soll so ausgestaltet sein, dass die gesamte Kultivierungsfläche mit der ausströmenden Suspension von Photosynthese betreibenden Mikroorganismen bedeckt wird. Dann ist die gesamte Kultivierungsfläche optimal mit der Suspension von Mikroorganismen bedeckt und die Mikroorganismen enthaltende Suspension kann auf der Kultivierungsoberfläche dem Gefälle folgend ablaufen.
Sind mindestens zwei Kultivierungsoberflächen seriell angeordnet, so können die Mittel zum Auffangen der Suspension von Mikroorganismen und die Mittel zum Wei- teleiten zum nächsten Verteiler auf unterschiedliche Weise ausgestaltet sein.
Als Mittel zum Auffangen der Suspension von Mikroorganismen kann jeder Vorrichtungsteil angesehen werden, dass funktionell geeignet ist, die Suspension von Mikroorganismen aufzunehmen, unabhängig von der baulichen Ausgestaltung. Beispielsweise kommen Rinnen oder Wannen zum Auffangen und/oder zum Weiterleiten und Leitungen zum Weiterleiten in Betracht. Gleiches gilt auch für das Mittel zum Weiterleiten der Suspension von Mikroorganismen. Die Mittel zum Auffangen und Weiterleiten der Suspension von Mikroorganismen zur nachfolgenden Kultivierungsoberfläche oder zum darauffolgenden Verteiler können auch in einem Teil verwirklicht sein. Sind zwei aufeinanderfolgende Kultivierungsoberflächen nebeneinander angeordnet, so kann das Mittel zum Auffangen der Suspension von Mikroorganismen eine Rinne oder Wanne sein, in die die Suspension hineinläuft. Diese Rinne oder Wanne kann sich in einer weiteren Rinne oder in einer Leitung fortsetzen, die sich am oberen Ende der nächsten Kultivierungsoberfläche befindet und die Löcher, Bohrungen oder Schlitze zum Verteilen der Suspension von Mikroorganismen auf der nächsten Kultivierungsoberfläche besitzt. Bei dieser Ausführungsform können die Mittel zum Auffangen und Weiterleiten der Suspension von Mikroorganismen in einem Teil vereint sein.
Sind die seriell aufeinanderfolgenden Kultivierungsoberflächen übereinander gestapelt, so dass eine Zickzackanordnung von übereinander liegenden Kultivierungsoberflächen vorliegt, so ist es möglich, dass die Mittel zum Auffangen der Suspension von Mikroorganismen eine Rinne ist, die entweder an der unteren Seite Löcher, Bohrun- gen oder Schlitze besitzt, die eine Verteilung der Suspension auf der Kultivierungsoberfläche ermöglichen, so dass die Mittel zum Auffangen und Verteilen der Suspension von Mikroorganismen in einem Teil vereinigt sind. Es ist aber auch möglich, dass die Mittel zum Auffangen der Suspension von Mikroorganismen über eine Leitung mit dem Verteiler der nächsten Kultivierungsoberfläche verbunden sind oder dass die Suspension von Mikroorganismen direkt in eine Röhre fließt, die mit Löchern, Bohrungen oder Schlitzen versehen ist und die als Verteiler dient. Bei dieser Ausführungsform sind die Mittel zum Auffangen und zur Verteilung der Suspension von Mikroorganismen in einem Teil vereint. Letztlich kann die Suspension von Mikroorganismen in eine Auffangrinne laufen, von der sie über deren Rand in eine Vertei- lerrinne läuft. Bei einer Anordnung, bei der aufeinanderfolgende Kultivierungsoberflächen gestapelt übereinander angeordnet sind, können die Mittel zum Auffangen der Mikroorganismen enthaltenden Suspension auch in dem oberen Bereich der auf eine Kultivierungsoberfläche folgenden Kultivierungsoberfläche bestehen, so dass besondere, extra ausgestaltete Mittel zu Auffangen der Mikroorganismen enthaltenden Suspension entfallen können.
Für die Ausgestaltung von Auffangmittel, Mitteln zum Verteilen der Suspension von Mikroorganismen auf der Kultivierungsoberfläche und Mittel zum Verbinden zwischen diesen Mitteln sind der Ausgestaltung durch den Fachmann keine Grenzen gesetzt. Am unteren Ende der letzten oder untersten Kultivierungsoberfläche befinden sich Mittel zum Auffangen der Suspension von Mikroorganismen, die mit einer Pumpe in Verbindung stehen, die die Mikroorganismen enthaltende Suspension zum oberen Ende der am höchsten liegenden Kultivierungsoberfläche führt.
Bei dem Begasungsraum kann es sich um einen Raum handeln, der abgeschlossen oder abschließbar ist. In ihm befindet sich das CO2 -haltige Gas oder C02 das für die Photosynthese der Mikroorganismen in der Suspension von Mikroorganismen benötigt wird.
Bei der Umhausung oder dem Begasungsraum kann es sich um einen Raum mit lichtdurchlässigen Wänden oder um eine Hülle, beispielsweise aus einer Folie handeln, die transpatent ist. Dann kann Sonnenlicht als Lichtquelle genutzt werden. Es kann jedoch auch eine künstliche Lichtquelle vorhanden sein.
Alternativ kann die Umhausung bzw. der Begasungsraum oder die Umhüllung aus lichtundurchlässigem Material bestehen oder Teile davon können lichtundurchlässig sein. Wenn die Umhausung vollkommen lichtundurchlässig ist, muss eine künstliche Lichtquelle vorhanden sein. Wenn sie in Teilen lichtundurchlässig ist, kann eine künstliche Lichtquelle vorhanden sein.
Die künstliche Lichtquelle kann grundsätzlich an jedem Ort innerhalb des Begasungsraumes oder der Umhausung sein. Bei einem Lichtdurchlässigen oder teilweise lichtdurchlässigen Begasungsraum kann sie auch außerhalb des Begasungsraumes angebracht sein. In einer vorteilhaften Ausgestaltung befindet sich die künstliche Lichtquelle in seitlicher Position zu den Kultivierungsoberflächen oder der Kultivierungsoberfläche. Eine seitliche Anordnung der Lampe oder der Lampen hat den Vorteil, dass bei Vorrichtungen, die mindestens zwei übereinander angeordnete Kultivierungsoberflächen besitzen, alle Ebenen mit Licht versorgt werden. Das Licht, das seitlich auf die Kulti- vierungsoberflächen eingestrahlt ist, ist ausreichend um die Photosynthese aufrecht zu erhalten, da eine noch größere Lichtmenge nicht zu einer gesteigerten Photosynthese führt.
Natürlich können auch zwei oder mehrere künstliche Lichtquellen vorhanden sein.
Bei der künstlichen Lichtquelle kann es sich um eine Lampe handeln, die weißes Licht aussendet. Besonders bevorzugt sind Lampen mit einem hohen Strahlungsan- teil insbesondere im roten aber auch im blauen Bereich des sichtbaren Spektrums. Es können auch Lampen eingesetzt werden, die rotes oder blaues Licht aussenden.
Der Begasungsraum bzw. die Umhausung ist an eine Gaszufuhr angeschlossen oder besitzt eine Gasquelle, wie eine Gasflasche oder einen Gasvorratsbehälter, die Bei- spiele für Mittel zur Versorgung mit Gas sind.
Es kann auch ein Gasauslass vorhanden sein. Der Gasauslass ermöglicht den Abzug von verbrauchtem C02 -haltigem Gas, insbesondere von O2, das bei der Photosynthese entstanden ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren fließt eine dünne Schicht einer Suspension von Mikroorganismen auf mindestens einer in einem Winkel α zur Horizontale geneigten Kultivierungsoberfläche herunter und wird dabei in einem Begasungsraum mit einem Gas beaufschlagt, welches eine CO2 -Konzentration aufweist, die höher ist als die der natürlichen Luft oder der Atmosphäre. Dabei wird die Mikroorganismen enthaltende Suspension mit Licht versorgt. Die am unteren Ende der Kultivierungs- Oberfläche ankommende Suspension von Mikroorganismen wird aufgefangen und dem Prozess wieder zugeführt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann Energie eingespart werden, da die Beaufschlagung der Kultivierungsoberfläche, mit C02 über den Kontakt der Kultivierungsoberfläche, auf der sich eine dünne Schicht der konzentrierten Suspension von Mikroorganismen befindet, mit dem CO2 erfolgt und kein C02 oder CO2 -haltiges
Gas gegen den Druck einer Flüssigkeitssäule gepumpt werden muss. Die Höhendifferenzen, gegen die die Mikroorganismen enthaltende Suspension bei der Vorrichtung nach dem Stand der Technik gepumpt werden muss, werden verkürzt, wodurch Energie eingespart wird.
Durch die kontinuierliche Versorgung der Kultivierungsoberfläche mit CO2 werden auch Bereiche der Kultivierungsoberfläche, die sonst weit von einem Begasungsbehälter entfernt wären weiterhin mit CO2 versorgt, so dass die gesamte Suspension von Mikroorganismen in vollem Maße zur Produktion von Wertstoffen herangezogen wird. Die Produktivität der Mikroorganismen kann so gesteigert werden. Während bei der Begasung nach dem Stand der Technik etwa 80% des CO2 aus dem Tank ent- weicht und damit verloren geht, kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren das gesamte C02 dem Prozess zugeführt und verbraucht werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Suspension von Mikroorganismen über eine Kultivierungsoberfläche mit einem Gefälle geleitet. Dabei bildet die Sus- pension von Mikroorganismen eine dünne Schicht auf der Kultivierungsoberfläche aus.
Um einen möglichst gleichmäßigen ununterbrochenen Flüssigkeitsfilm der Mikroorganismen enthaltende Suspension zu erzeugen kann die Mikroorganismen enthaltende Suspension über einen Verteiler am oberen Ende auf die Kultivierungsoberflä- che gegeben werden. Dazu können Rinnen, Wannen, Röhren oder Schläuche eingesetzt werden, die Öffnungen, wie Bohrungen, Löcher oder Schlitze aufweisen. Die Suspension kann auch über den Rand von Rinnen oder Wannen fließen.
Erfindungsgemäß wird die sich auf der Kultivierungsoberfläche befindliche Mikroorganismen enthaltende Suspension mit einem Gas beaufschlagt, dass eine höhere C02 -Konzentration besitzt als die natürliche Luft bzw. die Atmosphäre. Dazu kann die Beaufschlagung der Kultivierungsoberflächen mit dem C02 -haltigem Gas in einer Umhausung bzw. einem Begasungsraum durchgeführt werden.
Bei dem C02 enthaltenden Gas kann es sich um ein Gas oder Luft handeln, welche mit C02 angereichert ist. Es kann aber auch technisches oder reines C02 eingesetzt werden. Weiterhin kann auch Abgas aus industriellen Prozessen verwendet werden, die C02 enthalten, sowie C02, das aus C02-Entsorgungsverfahren gewonnen wird.
Wird ein Gas eingesetzt, das C02 enthält, so kann beispielsweise eine C02 Konzentration von 0,1 % bis 5 %, 1 % bis 3 %, oder 1 ,8 % bis 2,2 % verwendet werden. Wird C02 in Form von Abgas aus industriellen Prozessen oder C02, das aus C02- Entsorgungsverfahren gewonnen wird, verwendet, so kann die C02 Konzentration auch höhere Werte annehmen. Hier kann die C02 Konzentration 10 %, 20 %, 30 %, 40 %, 50 %, 60 %, 70 %, 80 %, 90 oder mehr betragen. Der Konzentrationsbereich für das C02 kann zwischen 380 ppm, was der natürlichen Atmosp hären konzentration entspricht, und 100 % liegen, wie es beispielsweise aus der Kohleverbrennung be- zogen wird. Eine höhere C02 Konzentration in der Gasphase begünstigt die Versorgung der Photosynthese betreibenden Mikroorganismen mit C02. Die Kultivierungsoberfläche ist von einer Umhausung oder einem Begasungsraum umgeben, in dem die gewünschte CO2 Konzentration aufrechterhalten werden kann.
Der Begasungsraum kann abgeschlossen werden oder abschließbar sein und wird mit dem CO2 -haltigen Gas oder dem CO2 versorgt.
Als Umhausung kann auch eine Hülle oder Folie eingesetzt werden, die mit CO2 - haltigem Gas oder CO2 beaufschlagt werden kann.
Als Begasungsraum kann beispielsweise ein Gewächshaus oder ein Gebäude eingesetzt werden.
Als Begasungsraum kann ein Raum mit transparenten Wänden, beispielsweise aus Glas oder Plexiglas oder aus einem nicht Licht durchlässigem Material eingesetzt werden.
Alternativ kann ein Begasungsraum eingesetzt werden, der lichtundurchlässig oder teilweise lichtundurchlässig. Wird ein Begasungsraum verwendet, der lichtundurchlässig ist, so muss die Kultivierungsoberfläche mit einer Lampe bestrahlt werden. Bei einem teilweise lichtundurchlässigen Begasungsraum kann zusätzlich eine Lampe eingesetzt werden.
Als Umhausungen können auch Hüllen oder Folien eingesetzt werden, die eine Begasung der Kultivierungsoberflächen ermöglichen, wie sie im Beschreibungsteil für die Vorrichtung beschrieben sind.
Die Mikroorganismen enthaltende Suspension wird vorzugsweise mit einer geringen Fließgeschwindigkeit über die Kultivierungsoberfläche geleitet. Dazu ist die Kultivierungsoberfläche in einem kleinen Winkel α geneigt, so dass die Mikroorganismen enthaltende Suspension in einem Gefälle von beispielsweise einen Winkeln von 0,5° bis 5°, typischerweise von 1 ° bis 2°, oder 1 ,2° bis 1 ,9° fließt. Je geringer die Neigung der Kultivierungsfläche, desto größer ist die Verweildauer der Mikroorganismen enthaltende Suspension auf der Kultivierungsoberfläche. Damit ist die Suspension von Mikroorganismen länger dem C02 -haltigen Gas und dem Licht ausgesetzt, so dass Photosynthese betrieben werden kann. Die Wahl des Neigungswinkels α hängt jedoch auch von der Viskosität der Mikroorganismen enthaltenden Suspension ab. Bei höheren Viskositäten können größere Neigungswinkel vorteilhaft sein. Die Wahl des Neigungswinkels α wird auch durch die Zellgröße und/oder das Gewicht der Photosynthese betreibenden Mikroorganis- men beeinflusst. Größere und/oder schwerere Mikroorganismen sedimentieren leichter in der wässrigen Phase und benötigen daher höhere Neigungswinkel. Es können daher auch Neigungswinkel von beispielsweise 10°, 15°, 20°, 25° oder 30° oder mehr, beispielsweise 50°, 60°, 70° oder 80° vorliegen. Eine Obergrenze ergibt sich lediglich aus praktischen Erwägungen und liegt im Ermessen des Fachmanns. Vor- teilhaft können die Neigungswinkel α auch je nach den vorliegenden Verhältnissen eingestellt werden.
Beispiel:
Beispielhaft kann für eine Suspension, die Chlorella als Photosynthese betreibenden Mikroorganismus enthält, ein Gefälle angegeben werden, bei dem der Abfall gegen- über der Horizontalen 2 cm über eine Länge von 200 cm beträgt. Das führt zu einer Flussrate von 2,4 Umin bei einer Breite der Kultivierungsoberfläche von 100 cm.
Typischerweise werden Mikroorganismen enthaltenden Suspensionen eingesetzt, die eine hohe Zelldichte haben. Je höher die Zellsichte ist, desto höher ist die Viskosität der Suspension und so geringer ist die Fließgeschwindigkeit. Die Kultivierungsoberfläche kann aufgeraut werden, bzw. es kann eine aufgeraute Kultivierungsoberfläche eingesetzt werden, so dass die Fließgeschwindigkeit weiter reduziert wird.
Es können Kultivierungsoberflächen aus transparentem Material, wie Glas oder transparentem Kunststoff verwendet werden. In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mindestens zwei Kultivierungsoberflächen seriell angeordnet.
Dazu wird die die obere Kultivierungsoberfläche verlassende Photosynthese betreibende Mikroorganismen enthaltende Suspension aufgefangen und dem oberen Teil einer weiteren Kultivierungsoberfläche zugeführt. Wiederum wird die Mikroorganismen enthaltende Suspension möglichst gleichmäßig in einem vorzugsweise dünnen Film einer Suspension über die Kultivierungsoberfläche verteilt. Dazu können die im Beschreibungsteil für die Vorrichtung beschriebenen Mittel zum Verteilen der Suspension von Mikroorganismen eingesetzt werden. Dieser Prozess kann mehrfach wiederholt werden, beispielsweise 2 mal, 5 mal, 8 mal, 10 mal oder öfter. Die Anzahl der Wiederholungen ist lediglich durch praktische Erwägungen begrenzt.
Wie bereits bei der Beschreibung der Vorrichtung beschrieben, können die Kultivierungsoberflächen übereinander angebracht werden, so dass eine Stapelung von Kultivierungsoberflächen entsteht oder in einer trigonalen, tetragonalen oder polygonalen Struktur angeordnet werden, so dass eine helicale Struktur entsteht. Die Kultivierungsoberflächen können aber nebeneinander angeordnet werden, so dass zwei Kultivierungsoberflächen oder zwei Stapelungen von Kultivierungsoberflächen nebeneinander existieren, bei denen die Neigung der Kultivierungsoberfläche jeweils gleich ausgerichtet ist.
Die Durchführung des Verfahrens in der Stapelung hat den Vorteil, dass der umgebende Begasungsraum klein dimensioniert werden kann und damit auch für den Prozess notwendiges Gas eingespart wird.
Das erfindungsgemäße Dünnschichtkultivierungsverfahren kann mit Sonnenlicht und/oder mit künstlicher Bestrahlung der Kultivierungsoberfläche mit Lampen durchgeführt werden.
Als Lichtquellen können Lampen eingesetzt werden, die weißes, rotes oder blaues Licht abstrahlen.
Insbesondere in einer Ausführungsform bei der mindestens zwei Kultivierungsober- flächen seriell eingesetzt werden, ist es vorteilhaft die Lichtquellen bzw. Lampen seitlich zu den Kultivierungsoberflächen anzuordnen. So werden alle Kultivierungsoberflächen mit Licht versorgt und die Lichtmenge ist für den Betrieb des Photobioreaktors ausreichend. Die Figuren zeigen beispielhaft zwei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die nicht einschränkend auszulegen sind.
Es zeigt
Fig.1 : Eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit zwei Kultivierungsoberflächen Fig.2: Eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Stapelung von mehreren Kultivierungsoberflächen.
Fig.3: Eine Darstellung der Kultivierungsoberflächen der erfindungsgemäßen Vorrichtung in verschiedenen Ansichten gemäß den Unterfiguren 3a), 3b). 3c), 3d) und 3e) Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Photobioreaktor mit einer Kultivierungsoberfläche 1 , die an ihrem oberen Ende einen Verteiler 2 für die Suspension von Mikroorganismen besitzt. Am unteren Ende der Kultivierungsoberfläche 1 befindet sich eine Auffangvorrichtung 3, die die Mikroorganismen enthaltende Suspension aufnimmt. Die Mittel zum Auffangen der Suspension von Mikroorganismen steht mit einem weiteren Verteiler 2a in Verbindung, der sich am oberen Ende einer weiteren Kultivierungsoberfläche 1a befindet. Am unteren Ende der Kultivierungsoberfläche 1a ist eine weiteres Mittel zum Auffangen der Suspension von Mikroorganismen 2a angebracht, die mit einer Pumpe 4 in Verbindung steht die Mikroorganismen enthaltende Suspension über eine Leitung 5 wieder an das obere Ende der Kultivierungsoberflä- che 1 zum Verteiler 2 befördert. Der Photobioreaktor steht in einem Begasungsraum 6, der mit einer Gaszufuhr 7 und einem Gasauslass 8 ausgestattet ist.
In Figur 2 haben gleiche Vorrichtungsmerkmale dieselben Bezugszeichen. In ihr ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der mehrere Kultivierungsoberflächen 1 , 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, mit Verteilern und Auffangbehältern ausgestattet sind, die hier baulich in jeweils einem Teil 9, 9a, 9b, 9c, 9d, 9e, 9f vereinigt sind. Der Begasungsraum 8 ist in dieser Figur aus Gründen der besseren Erkennbarkeit von Details nur schematisch mit 3 Wänden dargestellt.
Die Figuren 3 a) bis e) zeigen die Kultivierungsoberflächen der erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematischer Form. Gleiche Vorrichtungsteile haben dieselben Be- zugszeichen wie in den Figuren 1 und 2. Figur a) zeigt eine Seitenansicht. Die Figu- ren b) und c) zeigen Ansichten von den beiden Frontseiten. In Figur d) ist eine Sicht von oben dargestellt. In ihnen wird die Geschwindigkeit der fließenden Suspension mit Photosynthese betreibenden Mikroorganismen schematisch durch einen Pfeil mit der Bezeichnung v dargestellt. Teilfigur e) zeigt eine schematische Darstellung der Seitenansicht, in der die Neigung dargestellt ist. In ihr bezeichnet das Bezugszeichen 10 die Höhendifferenz zwischen dem oberen und unteren Ende der Kultivierungsoberfläche 1 , 1a und das Bezugszeichen 11 die Höhendifferenz zwischen dem oberen und dem unteren Ende der Kultivierungsoberfläche 1a. Linie 12 bezeichnet die Horizontale, die das obere Ende der Kultivierungsoberfläche 1 durchläuft. Linie 13 ist die Horizontale, die das untere Ende der Kultivierungsoberfläche 1a durchläuft. Linie 14 bezeichnet die Horizontale, die den Verlauf der Kultivierungsoberflächen 1 und 1a symmetrisch teilt. Der Winkel α bezeichnet den Neigungswinkel, die die Kultivierungsoberflächen gegenüber den Horizontalen haben.
Beispiel:
Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft erläutert, ohne dass die Beschreibung einschränkend auszulegen ist. Vielmehr ist die beispielhafte Darstellung ergänzend und kann auch auf die im allgemeinen Beschreibungsteil offenbarten Inhalte übertragen werden. Mikroalgen und Cyanobakterien, im weiteren Sinne Algen sind Mikroorganismen, die ähnlich wie Pflanzen, befähigt sind, Photosynthese zu betreiben. Sie werden unter Gebrauch von Wasser und CO2 durch Licht mit Energie versorgt und können Proteine, Fette, Kohlenhydrate, Pigmente, sekundäre Metabolite und andere organische Moleküle synthetisieren. Während Pflanzen seit Jahrtausenden im Ackerbau kultiviert werden, haben Algen erst seit Kurzem eine Bedeutung in der Produktion von Nahrungsmitteln und Ergänzungsstoffen für Nahrungsmittel oder andere Ergänzungsstoffe, die ökonomisch von Bedeutung ist. Typische Ergänzungsstoffe sind Tierfutter, Antioxidantien, Biotreibstoffe, Agrochemikalien und andere Bioprodukte. Algen werden auch zunehmend in der Kohlenstoffbindung bei der Kohleverbrennung und an- deren CO2 produzierenden Industrieprozessen und für tertiäre Abwasserbehandlung eingesetzt. Das natürliche genetische Potential von Algen ist weiterhin durch gen- technische Maßnahmen und Neuerungen im Ingenieurwesen vergrößert, so dass zunehmend neue Produkte durch Algen produziert werden können.
Die Wirtschaftlichkeit von Algen-basierten Technologien hängt in hohem Maße von der Effektivität und Kosteneffektivität der Kultivierungssysteme ab. Die Kulivierungs- Systeme führen den Algen Sonnenlicht oder Licht eine künstlichen Strahlungsquelle, C02 und andere Moleküle zu, die für den Metabolismus benötigt werden. Umgekehrt wird durch die Zellen gebildeter Sauerstoff (O2) von den Zellen ausgeschieden und muss abgeführt werden. Die Lichtversorgung und der Massentransfer in offenen Kultivierungssystemen ist natürlichen Gewässern, wie Seen oder Teichen, ähnlich. Der CO2 - und O2- Massentransfer, wie die Lichtdurchdringung erfolgen direkt über die Luft-Wasser Grenzfläche. Die Einfachheit der offenen Kultivierungssysteme zeigt sich typischerweise in niedrigen Kosten der Konstruktion und in der Handhabung. Die mit den offenen Systemen produzierten Suspensionen haben oft eine geringe Zelldichte, was zu hohen Erntekosten führt. Im Gegensatz zu offenen Systemen haben geschlossene Systeme typischerweise eine flüssige und eine Gasphase in einem geschlossenen Container, der gegenüber der Umgebungsluft abgeschlossen ist. Diese Systeme werden als Photobioreaktor oder Reaktor bezeichnet. In den Photobioreaktoren befinden sich die Algen typischerweise in Kesseln unterschiedlicher Form, Glasröhren, transparenten flachen Panelen, lichtdurchlässigen Beuteln aus Plastik oder ähnlichen Formen. Pumpen bewegen und durchblasen die Suspension, so dass Licht, CO2 und frisches Medium kontinuierlich zugeführt werden und 02 abgeführt wird.
Geschlossene Systeme sind finanziell und energetisch aufwendiger als offene Systeme. Allerding haben die geschlossenen Systeme den Vorteil, dass die Kulturen von außen nicht kontaminiert werden und umgekehrt keine Algen in die Umgebung gelangen, die ggf. genetisch modifiziert sind. Photobioreaktoren erlauben einen besseren Massentransfer von CO2 in die Suspension und von 02 aus der Suspension sowie eine bessere Temperaturkontrolle. In offenen Systemen dringt das Licht besser in die Biomasse ein, so dass eine hohe Zelldichte erreicht wird. Dadurch ergeben sich ökonomische Vorteile bei der Ernte und ein geringerer Energieverbrauch pro Einheit an Biomasse. Werden vertikale Säulen als Reaktoren eingesetzt, so wird durch die Begasung mit CO2 Energie verbraucht, die gegen den hydrostatischen Druck aufgewendet werden muss. Die Abfuhr von O2 verbraucht ebenfalls Energie.
Die Erfindung betrifft einen Photobioreaktor mit vertikal geschichteten, geneigten Oberflächen, über die die Algen oder Cyanobakterien, angetrieben durch die
Schwerkraft, über jede dieser geneigten Oberflächen über den Rand einer höheren Oberfläche auch den Rand der darunterliegenden Oberfläche fließt. Die Suspension wird an der unteren Oberfläche gesammelt und von dort aus auf das obere Ende der oberen Oberfläche gefördert. Auf diese Weise fließt die Suspension in einer dünnen Schicht von der obersten zur untersten Oberfläche über zwei oder mehrere leicht geneigte Oberflächen. Es wird ein geschlossener Kreislauf ausgebildet bei dem die Suspension von der untersten zur höchsten geneigten Oberfläche gefördert wird.
Der sich auf den geneigten Oberflächen ausbildende Fluss der Algensuspension ist in einer Ausführungsform ein einem transparenten bzw. lichtdurchlässigen Gebäude untergebracht, in dem die CO2 und O2 Konzentration bzw. deren Partialdruck kontrol- liert werden können.
Wie beispielhaft in Figur 1 dargestellt, können die dünnen Schichten von Algen direkt mit Sonnenlicht bestrahlt werden, wenn zwei geneigte Oberflächen nebeneinander angebracht sind, so dass keine gegenseitige Beschattung der Oberflächen durch die jeweils andere erfolgt. Wie in Figur 2 beispielhaft dargestellt können die die Oberflächen auch gewinkelt übereinander angeordnet sein, so dass das Sonnenlicht von der Seite einstrahlen kann.
Die Effektivität des Sonnenlichts kann mit Lichtversorgern oder einer zusätzlichen Verstärkung des Lichts erfolgen. Das kann beispielsweise durch Spiegel geschehen, die das Licht sammeln und auf die Oberflächen bündeln. In einer weiteren Ausführungsform können auch zusätzliche künstliche Beleuchtungsmittel eingesetzt werden, die eine Beleuchtung von oben und/oder von der Seite in die flach geneigten Oberflächen ermöglichen.
Die Neigung der flachen Oberflächen kann sehr klein sein, so dass die Oberflächen zu einer hohen Einheit gestapelt werden können. Eine langsame Strömung und eine kleine Neigung der Oberfläche führen zu geringem Energieverbrauch der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens, da beim Rück- pumpen über eine kleinere Höhendifferenz weniger Energie verbraucht wird.
Gemäß der Erfindung wird ein Dünnschichtreaktor des Typs, wie er in der US Schrift US 5,981 ,271 B1 offenbart ist, in ein geschlossenes System überführt bei dem die Gaszusammensetzung die Schichten der Algensuspension umgibt die gelöste CO2 Konzentration gesteigert werden und die O2 Konzentration durch einen effektiveren Massentransfer über die große Oberfläche gesenkt werden kann. Diese Art des Gastransfers eliminiert das Erfordernis der energieverbrauchenden Begasung und meidet die Dunkelheit im Sammeltank der Vorrichtung US 5,981 ,271 B1. Das geschlossene erfindungsgemäße System hat den Vorteil, dass Kontaminationen von den Organismen ferngehalten werden können und ein Entweichen von Organismen in die Umgeben unterbunden wird.
Das umschließende Gebäude kann lichtdurchlässig ausgebildet sein, so dass Son- nenlicht von oben und von der Seite eindringen kann. Ergänzend können auch künstliche Lichtquellen, wie lichtemittierende Dioden vorhanden sein, die die Kultivierungsoberfläche von oben und/oder der Seite beleuchten. Die künstliche Lichtquelle kann auch ausschließlich verwendet werden, wenn das umschließende Gebäude nicht lichtdurchlässig ist. Bei lichtdurchlässigen umschließenden Gebäuden können sowohl Sonnenlicht als auch künstlich erzeugtes Licht verwendet werden. Mit künstlich erzeugtem Licht kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch bei Nacht betrieben werden. Dieser Effekt wird zusätzlich durch den kurzen Weg des Lichts durch die dünne Schicht von Algen verbessert, da die photosynthetische Aktivität in der dünnen Schicht der Algensuspension mit einer hohen Zelldichte verbessert wird. Die hohe Zelldichte der Kultur reduziert die Energie, die für das Pumpen von Wasservolumen pro Einheit von bewegter Biomasse benötigt wird.
Die transparente bzw. lichtdurchlässige Umhüllung erlaubt eine Kontrolle der Gasatmosphäre, die die geschichteten Dünnschichtoberflächen umgibt. Der CO2 Partial- druck kann hoch und der O2 Partialdruck gering gehalten werden, so dass die Photo- Synthese nicht durch die Verfügbarkeit des CO2 limitiert wird, während eine Beeinträchtigung und photooxidative Beschädigung durch den geringen O2 Gehalt reduziert wird.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Photobioreaktor zur Dünnschichtkultivierung von Photosynthese betreibenden Mikroorganismen mit einer in einem Winkel zur Horizontale geneigten Kultivierungsoberfläche (1), die am oberen Ende einen Verteiler (2) zur Beaufschlagung der Kultivierungsoberfläche (1) mit einer Suspension von Photosynthese betreibenden Mikroorganismen besitzt, oder mindestens zwei in einem Winkel zur Horizontalen geneigten Kultivierungsoberflächen, die seriell angeordnet sind, wobei die erste Kultivierungsoberfläche (1) am oberen Ende einen Verteiler besitzt und bei der die Kultivierungsoberfläche (1) oder im Falle des Vorliegens von mindestens zwei Kultivierungsoberflächen, sie seriell angeordnet sind die letzte Kultivierungsoberfläche am unteren Ende Mittel zum Auffangen (3) der Suspension von Photosynthese betreibenden Mikroorganismen aufweist, die mit einer Pumpe (4) in Verbindung stehen, die die Suspension von Photosynthese betreibenden Mikroorganismen in den Verteiler (2) fördert,
dadurch gekennzeichnet,
dass sich der Photobioreaktor in einer Umhausung (6) befindet.
2. Photobioreaktor nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass sich zwischen aufeinander folgende Kultivierungsoberflächen (1) eine Auffangvorrichtung (3) für die Suspension Photosynthese betreibender Mikroorganismen befindet, die mit einem Verteiler (2a) der nachfolgenden Kultivierungsoberfläche (1) in Verbindung steht.
3. Photobioreaktor nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens zwei Kultivierungsoberflächen (1) übereinander seriell angeordnet sind, so dass sich in der Seitenansicht eine Zickzackstruktur ausbildet.
4. Photobioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens zwei Kultivierungsoberflächen (1) nebeneinander angeordnet sind.
5. Photobioreaktor nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens drei Kultivierungsoberflächen (1) seriell angeordnet sind, so dass mindestens unter einer der beiden oberen Kultivierungsoberflächen (1) mindestens eine weitere Kultivierungsoberfläche (1) angeordnet ist.
6. Photobioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kultivierungsoberflächen (1) in einem Winkel von 0,5° bis 5° zur Horizontale geneigt sind.
7. Photobioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass er mindestens eine Lampe besitzt.
8. Photobioreaktor nacheinem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Lampe seitlich von der Kultivierungsoberfläche (1) positioniert ist.
9. Photobioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Lampe weißes, rotes oder blaues Licht aussendet.
10. Photobioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass er über Mittel zur Versorgung mit Gas (7) verfügt.
11. Photobioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Umhausung (6) ein Begasungsraum, ein Gewächshaus, ein Gebäude, eine Hülle oder eine Folie ist.
12. Verfahren zur Dünnschichtkultivierung, bei dem mindestens eine Kultivierungsoberfläche (1) mit einer Suspension von Photosynthese betreibenden Mikroorganismen überströmt wird, die mit Licht und/oder Sonnenlicht bestrahlt und mit CO2 oder CO2 -haltigem Gas versorgt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgung der Suspension von Photosynthese betreibenden Mikroorganismen in einem Begasungsraum (8) erfolgt, der mit CO2 oder CO2 - haltigem Gas versorgt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass das zugeführte Gas eine höhere C02-Konzentration hat als die natürliche Atmosphäre.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass als CO2 haltiges Gas Abgas aus industriellen Prozessen oder CO2, das aus CO2 Entsorgungsverfahren stammt, verwendet wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Suspension von Photosynthese betreibenden Mikroorganismen über mindestens zwei Kultivierungsoberflächen (1) geleitet wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Suspension von Mikroorganismen in einem Kreisprozess geführt wird, in dem sie dem Ausgangspunkt für das Verfahren zugeführt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Suspension von Photosynthese betreibenden Mikroorganismen mit weißem, roten oder blauem Licht bestrahlt wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bestrahlung von einer Position seitlich der Kultivierungsoberfläche (1) erfolgt.
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