WO2021058695A1 - Verfahren und vorrichtung zur aufreinigung von raum- oder stadtluft unter bereitstellung mindestens einer wertstofffraktion - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur aufreinigung von raum- oder stadtluft unter bereitstellung mindestens einer wertstofffraktion Download PDF

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WO2021058695A1
WO2021058695A1 PCT/EP2020/076804 EP2020076804W WO2021058695A1 WO 2021058695 A1 WO2021058695 A1 WO 2021058695A1 EP 2020076804 W EP2020076804 W EP 2020076804W WO 2021058695 A1 WO2021058695 A1 WO 2021058695A1
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air
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microalgae culture
room
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Walter Trösch
Peter Bergmann
Lars Beyer
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Subitec Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a method for purifying room or city air while providing at least one valuable fraction, a valuable fraction obtainable by the method according to the invention, a device for carrying out the method according to the invention and a system for the purification of room or city air comprising at least two devices for carrying out the method according to the invention.
  • the gases CO2 and NO x which originate primarily from industrial / traffic emissions and human / animal emissions, are central growth factors (C and N sources) for photoautotrophic microorganisms and are used by them for the biosynthesis of organic compounds using light energy.
  • C and N sources central growth factors
  • the ability of photoautotrophic microorganisms to be able to form high-energy organic compounds by assimilating environmental and health-damaging emission gases holds great potential for their use for cleaning particularly polluted air, such as industrial exhaust gases, indoor or city air.
  • the biomass formed as a product of the assimilation of CO2 and NO x can then advantageously be used as a regenerative energy carrier, for example in biogas plants or for the production of biodiesel.
  • the photoautotrophic microorganisms enrich the supplied room or city air with molecular oxygen, which is released by the microorganisms as a by-product of photosynthesis.
  • the present invention is based on the technical problem of cleaning the air in particularly emission-exposed locations, such as in closed rooms and in urban centers, by binding the gases contained in the air, in particular CO2 and NO x , as well as fine dust and at the same time providing a particularly valuable fraction of valuable substances .
  • the present invention solves the problem on which it is based by means of the subject matter of the independent claims.
  • the present invention relates in particular to a method for cleaning room or city air while providing at least one valuable fraction in a device for cleaning room or city air containing at least one photobioreactor, comprising the steps: a) Pre-cleaning of room or city air by separating Particles with a particle size of at least 10 ⁇ m to obtain a pre-cleaned supply air, b) cultivation of at least one microalgae culture in the at least one photobioreactor in the presence of the pre-cleaned supply air and at least one phosphorus-containing component until a threshold biomass concentration of the microalgae culture of 2 to is reached 10 g / L, c) Cultivation of the at least one microalgae culture with a threshold biomass concentration of 2 to 10 g / L with phosphorus limitation and in the presence of the pre-cleaned supply air up to a final biomass concentration of 9 to 20 g / L and d) Obtaining a purified room or city air and at least one fraction of recyclable materials.
  • the method according to the invention is based on the fact that, according to method step a), the room or city air is first pre-cleaned by separating out particles contained in the air, in particular fine dust particles, with a particle size of at least 10 ⁇ m.
  • the fine dust particles with a particle size of at least 10 ⁇ m can be separated from the room or city air using any means known to those skilled in the art for cleaning gases, for example using special filters.
  • the pre-cleaned supply air is then brought into contact with at least one microalgae culture in at least one photobioreactor, in particular introduced into the at least one microalgae culture, the gases that dissolve in the at least one microalgae culture, in particular CO2 and NO x , from the microalgae as C and N -Sources are used for the biosynthesis of high-energy organic compounds.
  • the at least one microalgae culture is cultivated in the at least one photobioreactor in the presence of the pre-cleaned air, additionally in the presence of at least one phosphorus-containing component that serves as a phosphorus source for the growth of the at least one microalgae culture.
  • the algae contained in the at least one microalgae culture form in the presence of light, in particular natural sunlight or artificial light, and with absorption of carbon and nitrogen from the CO2 and NO x contained in the pre-cleaned supply air and with absorption of phosphorus from the at least one phosphorus containing component photoautotrophic biomass.
  • the at least one microalgae culture is cultivated under these conditions until a biomass concentration, the so-called threshold biomass concentration, of 2 to 10 g / L is reached.
  • the threshold biomass concentration is reached, the phosphorus in the at least one microalgae culture is limited in the method according to the invention.
  • the microalgae use at least one Microalgae culture uses light energy primarily for the accumulation of storage substances, in particular of carbohydrates and lipids, and / or for the formation of secondary metabolites.
  • step c) of the method according to the invention the at least one microalgae culture having a threshold biomass concentration of 2 to 10 g / L is cultivated with phosphorus limitation and in the presence of the pre-cleaned supply air up to a final biomass concentration of 9 to 20 g / L, so that when the final biomass concentration according to step d) is reached, in addition to the purified room or city air formed in the course of the method according to the invention, in particular during steps b) and c), and released again into the environment, at least one fraction of valuable substances is also obtained.
  • the at least one photobioreactor is an airlift photobioreactor.
  • the at least one airlift photobioreactor is particularly preferably a plate reactor.
  • the preferably used airlift photobioreactors are distinguished in particular by the fact that no mechanical agitators and no pumps are used to circulate the liquid contained in the reactor, in particular the at least one microalgae culture contained in the reactor. Circulation within the reactor takes place by introducing gas into the lower area of the reactor, the gas introduced into the reactor, which is preferably distributed in fine bubbles, through the liquid in the reactor, in particular the at least one microalgae culture in the reactor, in the direction of the head side of the reactor rises.
  • the rising, preferably finely divided gas bubbles lead on the one hand to a phase transition of the gases introduced, in particular CO2 and NO x , from the gas phase to the liquid phase, in particular to the culture medium of the at least one microalgae culture, and on the other hand to the circulation of the reactor contents guarantee.
  • the at least one photobioreactor in particular the at least one airlift photobioreactor, is particularly preferably a photobioreactor described in EP 1 326 959 B1, particularly preferably a photobioreactor according to claim 1 of EP 1 326 959 B1, in particular a bioreactor for the cultivation of microorganisms, with a light-permeable housing through which gas bubbles formed by gas entry flow in one direction of flow and in which a flow-guiding device is arranged, which is characterized in that the flow-guiding device comprises at least two septa, which are arranged transversely to the flow direction.
  • the The gas residence time in the reactor is increased compared to a reactor without a flow guide device, thus improving the gas transfer.
  • air to be cleaned is supplied by means of at least one fan.
  • the air to be cleaned is supplied by means of at least one compressor.
  • the use of at least one fan for the supply of air to be cleaned has the advantage that it has a significantly lower energy consumption than compressors and the method according to the invention can thus be carried out much more economically when using at least one fan for the supply of air to be cleaned than with Use of at least one compressor would be the case.
  • the resistance of the water column in the at least one is decisive for the choice of a suitable compression unit, in particular for the choice between at least one fan or at least one compressor for the supply of air to be cleaned an airlift photobioreactor has to be overcome.
  • the height of the water column to be overcome is particularly preferably selected such that the air to be cleaned can be supplied by means of at least one fan.
  • pre-cleaned air is continuously introduced into the at least one photobioreactor containing at least one microalgae culture.
  • pre-cleaned air is introduced discontinuously, in particular batchwise, into the at least one photobioreactor containing at least one microalgae culture.
  • the at least one microalgae culture is cultivated in the at least one photobioreactor in the presence of the pre-cleaned supply air according to steps b) and c) with fine-bubble introduction, in particular continuous fine-bubble introduction, of the pre-cleaned air into the at least one microalgae culture having the at least one Photobioreactor.
  • fine-bubble introduction of the pre-cleaned air porous gas distributors in particular porous gas distributors made of plastic or porous ceramic or metallic gas distributors, are used.
  • the fine-bubble introduction, in particular continuous fine-bubble introduction, of the pre-cleaned air into the at least one photobioreactor containing the at least one microalgae culture advantageously leads to an efficient mass transfer of the pre-cleaned air through the large surface area of the fine gas bubbles and the associated large contact area between gas and liquid phase Gases contained in supply air, in particular CO2 and NO x , from the gas phase to the liquid phase.
  • the at least one microalgae culture is cultivated in the at least one photobioreactor in the presence of the pre-cleaned supply air according to steps b) and c), preferably according to step b), preferably according to step c), with a gas throughput, in particular at a constant gas throughput of 0.05 to 4.0 vvm (vol. air / vol.
  • culture medium / min preferably 0.05 to 3.5 vvm, preferably 0.05 to 3.0 vvm, preferably 0.05 up to 2.5 vvm, preferably 0.05 to 1.0 vvm, preferably 0.1 to 0.9 vvm, preferably 0.1 to 0.85 vvm, preferably 0.1 to 0.8 vvm, preferably 0.15 up to 0.75 vvm, preferably 0.15 to 0.7 vvm, preferably 0.2 to 0.65 vvm, preferably 0.2 to 0.6 vvm, preferably 0.25 to 0.55 vvm, preferably 0.25 up to 0.5 vvm, preferably 0.3 to 0.45 vvm, preferably 0.3 to 0.4 vvm.
  • the at least one microalgae culture is particularly preferably cultivated in the at least one photobioreactor in the presence of the pre-cleaned supply air according to steps b) and c), preferably according to step b), preferably according to step c), at a gas throughput, in particular at a constant gas throughput, of at least 0.05 vvm (vol. air / vol.
  • culture medium / min preferably at least 0.1 vvm, preferably at least 0.15 vvm, preferably at least 0.2 vvm, preferably at least 0.25 vvm, preferably at least 0, 3 vvm, preferably at least 0.4 vvm, preferably at least 0.5 vvm, preferably at least 0.6 vvm, preferably at least 0.7 vvm, preferably at least 0.8 vvm, preferably at least 0.9 vvm, preferably at least 1.0 vvm, preferably at least 1.5 vvm, preferably at least 2 vvm, preferably at least 2.5 vvm.
  • the at least one microalgae culture is cultivated in the at least one photobioreactor in the presence of the pre-cleaned supply air according to steps b) and c), preferably according to step b), preferably according to step c), at a gas throughput, in particular at a constant gas throughput, of a maximum of 4 vvm (vol. air / vol.
  • Culture medium / min preferably at most 3.5 vvm, preferably at most 3.0 vvm, preferably at most 2.5 vvm, preferably at most 2.0 vvm, preferably at most 1.5 vvm, preferably at most 1 vvm, preferably at most 0.9 vvm, preferably at most 0.8 vvm, preferably at most 0.7 vvm, preferably at most 0.6 vvm, preferably at most 0.5 vvm.
  • the at least one microalgae culture is cultivated in the at least one photobioreactor in the presence of the pre-cleaned supply air according to steps b) and c), preferably according to step b), preferably according to step c), at a constant or variable gas throughput.
  • the at least one microalgae culture is cultivated in the at least one photobioreactor in steps b) and c) with the same gas throughput.
  • the at least one microalgae culture is preferably cultivated in the at least one photobioreactor in steps b) and c) with different gas throughputs.
  • the at least one microalgae culture is particularly preferably cultivated in the at least one photobioreactor in step b) with a lower gas throughput than in step c).
  • the gas throughput is particularly preferably varied stepwise or continuously in the course of the process. More preferably, the gas flow rate is varied as a function of the biomass concentration contained in the at least one photobioreactor. According to this embodiment, if the biomass concentration is initially low in the at least one photobioreactor, a low, non-limiting gas throughput is also selected and this is increased gradually or continuously with increasing biomass concentration in the at least one photobioreactor.
  • the pre-cleaned air is passed through the at least one photobioreactor containing at least one microalgae culture at least twice, preferably at least three times, preferably at least four times, for the particularly efficient reduction of the gases contained therein, in particular CO2 and NO x.
  • the pre-cleaned air is particularly preferably passed through the photobioreactor containing at least one microalgae culture until a specified final cleaning concentration for CO2 and / or NO x for the room or city air is reached .
  • the at least one microalgae culture is cultivated in the at least one photobioreactor in steps b) and c), preferably in step b), preferably in step c), at a temperature of 5 to 35 ° C, preferably 10 to 35 ° C, preferably 15 to 35 ° C, particularly preferably 20 to 30 ° C.
  • the at least one microalgae culture is cultivated in the at least one photobioreactor in the presence of the pre-cleaned supply air and at least one phosphorus-containing component according to step b) until a threshold biomass concentration of the microalgae culture of 2 to 9 g / L, preferably 2 to 8 g / L, preferably 2 to 7 g / L, preferably 2 to 6 g / L, preferably 3 to 9 g / L, preferably 3 to 8 g / L, preferably 3 to 7 g / L, preferably 3 to 6 g / L, preferably 4 to 9 g / L, preferably 4 to 8 g / L, preferably 4 to 7 g / L, preferably 4 to 6 g / L, preferably 5 to 9 g / L, preferably 5 up to 8 g / L, preferably 5 to 7 g / L, preferably 5 to 6 g / L, preferably 6 to 9 g / L, preferably 6 to
  • the at least one microalgae culture is particularly preferably cultivated in the at least one photobioreactor in the presence of the pre-cleaned supply air and at least one phosphorus-containing component according to step b) until a threshold biomass concentration of the microalgae culture of at most 10 g / L, preferably at most 9, is reached.
  • the at least one threshold biomass concentration in particular a threshold biomass concentration of 2 to 10 g / L, preferably 2 to 9 g / L, preferably 2 to 8 g / L, is preferably cultivated 2 to 7 g / L, preferably 2 to 6 g / L, preferably 3 to 9 g / L, preferably 3 to 8 g / L, preferably 3 to 7 g / L, preferably 3 to 6 g / L, preferably 4 to 9 g / L, preferably 4 to 8 g / L, preferably 4 to 7 g / L, preferably 4 to 6 g / L, preferably 5 to 9 g / L, preferably 5 to 8 g / L, preferably 5 to 7 g / L, preferably 5 to 6 g / L, preferably 6 to 10 g / L, preferably 6 to 9 g / L, preferably 6 to 8 g / L, preferably 6 to 7 g / L, preferably 6 to 7 g
  • the at least one threshold biomass concentration is preferably cultivated, in particular the one threshold biomass concentration of 2 to 10 g / L, preferably 2 to 9 g / L, preferably 2 to 8 g / L, preferably 2 to 7 g / L, preferably 2 to 6 g / L, preferably 3 to 9 g / L, preferably 3 to 8 g / L, preferably 3 to 7 g / L, preferably 3 to 6 g / L, preferably 4 to 9 g / L, preferably 4 up to 8 g / L, preferably 4 to 7 g / L, preferably 4 to 6 g / L, preferably 5 to 9 g / L, preferably 5 to 8 g / L, preferably 5 to 7 g / L, preferably 5 to 6 g / L, preferably 6 to 10 g / L, preferably 6 to 9 g / L, preferably 6 to 8 g / L, preferably 6 to 7 g / L, preferably 7
  • 9.5 g / L preferably at most 9 g / L, preferably at most 8.5 g / L, preferably at most 8 g / L, preferably at most 7.5 g / L, preferably at most 7 g / L, preferably at most 6.5 g / L, preferably at most 6 g / L, preferably at most 5.5 g / L, preferably at most 5 g / L, preferably at most
  • step c) up to a final biomass concentration of at least 9 g / L, preferably at least 9.5 g / L, preferably at least 10 g / L, preferably at least 10.5 g / L, preferably at least 11 g / L, preferably at least 11.5 g / L, preferably at least 12 g / L, preferably at least 12.5 g / L, preferably at least 13 g / L, preferably at least 13.5 g / L, preferably at least 14 g / L, preferably at least 14.5 g / L, preferably at least 15 g / L.
  • the cultivation of the at least one threshold biomass concentration, in particular the threshold biomass concentration of 2 to 10 g / L, preferably 2 to 9 g / L, preferably 2 to 8 g / L, preferably 2 to 7 g / L, is particularly preferred , preferably 2 to 6 g / L, preferably 3 to 9 g / L, preferably 3 to 8 g / L, preferably 3 to 7 g / L, preferably 3 to 6 g / L, preferably 4 to 9 g / L, preferred 4 to 8 g / L, preferably 4 to 7 g / L, preferably 4 to 6 g / L, preferably 5 to 9 g / L, preferably 5 to 8 g / L, preferably 5 to 7 g / L, preferably 5 to 6 g / L, preferably 6 to 10 g / L, preferably 6 to 9 g / L, preferably 6 to 8 g / L, preferably 6 to 7 g / L, preferably 7
  • the phosphorus limitation takes place in step c) by consuming a phosphorus depot added to the culture medium of at least one phosphorus-containing component, preferably a readily soluble phosphorus-containing component that is sufficiently concentrated to achieve a Allow threshold biomass concentration and no growth inhibition caused or a poorly soluble phosphorus-containing component, for example magnesium ammonium phosphate (MAP).
  • a phosphorus depot added to the culture medium of at least one phosphorus-containing component, preferably a readily soluble phosphorus-containing component that is sufficiently concentrated to achieve a Allow threshold biomass concentration and no growth inhibition caused or a poorly soluble phosphorus-containing component, for example magnesium ammonium phosphate (MAP).
  • MAP magnesium ammonium phosphate
  • a previously calculated amount of a phosphorus depot comprising at least one phosphorus-containing component, preferably at least one readily soluble phosphorus-containing component or at least one sparingly soluble phosphorus-containing component, can be added to the culture medium at the beginning of the method Achieving a desired biomass concentration is consumed, so that from this point in time growth is inhibited by phosphorus limitation.
  • the phosphorus limitation is achieved when a desired biomass concentration is reached by terminating a continuous or stepwise addition of at least one phosphorus-containing component.
  • the at least one microalgae culture is cultivated in step c) in the presence of a growth-inhibiting amount of a substance.
  • the presence of a growth-inhibiting amount of a substance increases the light energy from the microalgae culture to biosynthesis and accumulation used by storage substances and / or secondary metabolites.
  • the growth-inhibiting amount of a substance can be a growth-inhibiting amount formed during the growth of the microalgae culture, in particular during the cultivation of the at least one microalgae culture in the at least one photobioreactor in the presence of the pre-cleaned supply air and a phosphorus-containing component according to step b) act of a substance.
  • the growth-inhibiting amount of a substance can also be an amount of a certain substance added when the threshold biomass concentration of the microalgae culture of 6 to 10 g / L is reached, which inhibits the growth of the microalgae culture.
  • the substance present in a growth-inhibiting amount is a substance that accumulates in the at least one microalgae culture by introducing the pre-cleaned air, in particular by continuously introducing the pre-cleaned air.
  • the at least one microalgae culture is cultivated in the at least one photobioreactor in steps b) and c), preferably in step b), preferably in step c), with compensation for water loss.
  • the water evaporated in steps b) and c), preferably in step b), preferably in step c), is particularly preferably compensated for by adding water, in particular demineralized water, by means of at least one device for compensating for water loss, in particular by means of at least an infusion set.
  • the water evaporated in steps b) and c), preferably in step b), preferably in step c), is preferably compensated for in steps or continuously.
  • the at least one microalgae culture is cultivated in the at least one photobioreactor in steps b) and c), preferably in step b), preferably in step c), with switching on artificial light, in particular LED light .
  • the at least one microalgae culture is cultivated in the at least one photobioreactor in steps b) and c), preferably in step b), preferably in step c), exclusively in the presence of artificial light, in particular LED light.
  • Artificial light in particular by switching on artificial light, it is advantageously possible to compensate for an insufficient supply of the at least one microalgae culture with light, in particular an insufficient supply of the at least one microalgae culture with natural sunlight.
  • the artificial light can ensure that the at least one microalgae culture is supplied with the light energy required for photosynthesis, which is independent of the time of day and season, in particular all day, in particular all year round.
  • the intensity and the wavelength of the light acting on the at least one microalgae culture can be selected and / or regulated in a simple manner.
  • a possible inhibition of the microalgae growth can be prevented, for example, by a suitable choice of the microalgae culture used, the biomass concentration and the gas throughput or by the use of filters.
  • the water recovered when the atmospheric humidity is adjusted is particularly preferably returned to the at least one photobioreactor.
  • the room or city air purified in steps a) to d) preferably passes through at least one hygiene filter before or after, preferably after, leaving the at least one photobioreactor.
  • the at least one microalgae culture to be cultivated in step b) in the at least one photobioreactor has an initial biomass concentration of 0.2 g / L to 4 g / L, preferably 0.2 g / L to 3, 5 g / L, preferably 0.2 g / L to 3 g / L, preferably 0.2 g / L to 2.5 g / L, preferably 0.2 g / L to 2 g / L, preferably 0.2 g / L to 1.5 g / L, preferably 0.2 g / L to 1 g / L, preferably 0.5 g / L to 4 g / L, preferably 0.5 g / L to 3.5 g / L, preferably 0.5 g / L to 3 g / /
  • the at least one microalgae culture to be cultivated in step b) in the at least one photobioreactor preferably has an initial biomass concentration of at least 0.2 g / L, preferably at least 0.5 g / L, preferably at least 1 g / L, preferably at least 1, 5 g / L, preferably at least 2 g / L.
  • the at least one microalgae culture to be cultivated in step b) in the at least one photobioreactor has an initial biomass concentration of at most 4 g / L, preferably at most 3.5 g / L, preferably at most 3 g / L, preferably at most 2.5 g / L, preferably at most 2 g / L, preferably at most 1.5 g / L, preferably at most 1 g / L, preferably at most 0.5 g / L.
  • the at least one microalgae culture is preferably a unialgal culture, preferably an axenic culture.
  • the unialgal culture, preferably axenic culture preferably selected from the group consisting of: Chlorella, Chlamydomonas, Phaeodactylum, Nannochloropsis, Haematococcus, Diacronema, Synechococcus, Thermosynechococcus, Synechocystis, Porphyridium, Microchloropsis, Scenedesmus and Dunechococcus.
  • the at least one microalgae culture is a mixed culture.
  • the mixed culture particularly preferably comprises at least two, preferably at least three, preferably at least four, algae genera selected from the group consisting of: Chlorella, Chlamydomonas, Phaeodactylum, Nannochloropsis, Haematococcus, Diacronema, Synechococcus,
  • the mixed culture comprises two, preferably at most three, preferably at most four, preferably at most five, algae genera selected from the group consisting of: Chlorella, Chlamydomonas, Phaeodactylum, Nannochloropsis, Haemtoacoccus, Diacronema, Synechococcus, Thermosynechococcus, Synechocystis, Porchlorphyridium, , Scenedesmus and Dunaliella.
  • the temperature-dependent differentiation, in particular the temperature-dependent and / or room air quality-dependent differentiation, of the microalgae culture, in particular the mixed culture is particularly preferably carried out in steps b) and c), preferably in step b), preferably in step c), within a temperature range of 20 to 30 ° C.
  • the room air quality-dependent differentiation, in particular the temperature-dependent and / or room air quality-dependent differentiation, of the microalgae culture, in particular the mixed culture is carried out independently of the preferred algae genera by species that are present in the room and city air to be cleaned the microalgae culture, in particular the mixed culture, can be entered.
  • At least one photobioreactor of the device is exchangeable.
  • the at least one microalgae culture is particularly preferably harvested after step d) by exchanging at least one photobioreactor of the device.
  • the method according to the invention can be operated continuously, preferably quasi-continuously, when at least two photobioreactors are present.
  • one or more photobioreactors of the device including the at least one microalgae culture contained therein, can be replaced and the one or more photobioreactors by one or more several new culture medium containing photobioreactors are replaced, so that on the one hand the harvest of the final biomass concentration having microalgae cultures takes place and on the other hand through the use of one or more new culture medium containing photobioreactors a dilution of the biomass concentration takes place in the overall system.
  • the exchange of at least one photobioreactor can preferably take place during operation of the device for cleaning room or city air, the method continuing during the exchange of at least one photobioreactor in at least one remaining photobioreactor of the device.
  • the present invention also relates to a fraction of valuable substances obtainable, preferably obtained, from the process according to the invention.
  • the valuable material fraction obtainable, preferably obtained, from the process according to the invention is characterized in particular by its high content of storage substances, in particular of carbohydrates and lipids, and / or secondary metabolites.
  • a valuable fraction is obtained by separating at least one product formed by the at least one microalgae culture, in particular the mixed culture, preferably in the form of a foam formed by the at least one microalgae culture, in particular the mixed culture.
  • the fraction of valuable substances obtained by separating off the product formed by the at least one microalgae culture, in particular the mixed culture is preferably dried.
  • the product formed by the at least one microalgae culture, in particular the mixed culture, in particular the product formed in the form of a foam is particularly preferably dried in a drying chamber.
  • the service life of the at least one photobioreactor in the method according to the invention for the purification of room or city air while providing at least one fraction of valuable substances can be significantly extended will.
  • a valuable fraction is obtained by harvesting at least part of the microalgae of the at least one microalgae culture, in particular mixed culture, when the final biomass concentration is reached.
  • the high content of the valuable fraction of storage materials and / or Secondary metabolites can be attributed in particular to the fact that in the method according to the invention, when a threshold biomass concentration of the microalgae culture is reached, a phosphorus limitation occurs, which means that the microalgae prefer the light energy for biosynthesis and accumulation of storage materials, in particular of carbohydrates and lipids, and / or use secondary metabolites.
  • a special feature of the valuable fraction obtained by limiting phosphorus in step c) in step d) is, in addition to the higher content of energy-rich storage substances and / or secondary metabolites compared to conventional methods, the fact that the accumulated storage substances, in particular carbohydrates and lipids, have a have a low content of nitrogen, sulfur and phosphorus, are particularly preferably free of nitrogen, sulfur and phosphorus.
  • the present invention also relates to a device for carrying out the method according to the invention, comprising i) at least one inlet for room or city air, ii) at least one device for separating particles with a particle size of at least 10 ⁇ m, iii) at least one photobioreactor and iv ) at least one outlet for purified room or city air, the at least one photobioreactor of the device being exchangeable.
  • the at least one device for separating particles with a particle size of at least 10 ⁇ m is a filter.
  • the device comprises at least two photobioreactors, preferably at least three photobioreactors, preferably at least four photobioreactors, preferably at least five photobioreactors.
  • the device according to the invention particularly preferably comprises at least two photobioreactors, preferably at least three photobioreactors, preferably at least four Photobioreactors, preferably at least five photobioreactors, of which at least one photobioreactor is exchangeable.
  • the device according to the invention comprises at least two photobioreactors, preferably at least three photobioreactors, preferably at least four photobioreactors, preferably at least five photobioreactors, which are arranged parallel to one another.
  • the at least two photobioreactors preferably at least three photobioreactors, preferably at least four photobioreactors, preferably at least five photobioreactors, which are preferably arranged parallel to one another, are preferably connected to one another.
  • the at least two photobioreactors, preferably at least three photobioreactors, preferably at least four photobioreactors, preferably at least five photobioreactors, are particularly preferably in liquid contact with one another.
  • the microalgae cultures contained in the at least two photobioreactors preferably at least three photobioreactors, preferably at least four photobioreactors, preferably at least five photobioreactors, circulate between the at least two photobioreactors, preferably at least three photobioreactors, preferably at least four photobioreactors, preferably at least five photobioreactors .
  • At least two photobioreactors preferably at least three photobioreactors, preferably at least four photobioreactors, preferably at least five photobioreactors, of a device according to the invention, of a device according to the invention, are also referred to as a “stack”.
  • the device according to the invention comprises at least two, preferably at least three, preferably at least four, preferably at least five, preferably arranged parallel to one another, preferably connected to one another, photobioreactors, the individual reactors having pre-cleaned supply air, in particular pre-cleaned room or city air, via at least one Fan or at least one compressor, preferably via at least one fan, preferably via at least one compressor, is supplied.
  • Liquid in particular of the at least one microalgae culture
  • a common return line into which lines emanate from the upper region of the individual reactors.
  • lines opening into the lower liquid region of the respective individual reactors arise from the common return line.
  • the device comprises at least one artificial light source.
  • the at least one artificial light source is particularly preferably an LED lamp.
  • the device according to the invention comprises at least two, preferably at least three, preferably at least four, preferably at least five, preferably arranged parallel to one another, preferably connected to one another, photobioreactors, an artificial light source being arranged between each two photobioreactors.
  • the device according to the invention has at least one device for feeding nutrients into the at least one photobioreactor, in particular for feeding phosphorus and / or nitrogen into the at least one photobioreactor.
  • the device according to the invention comprises at least one device for compensating for water loss.
  • the at least one device for compensating for water loss water released during operation of the device according to the invention, in particular via at least one outlet for purified room or city air, can be compensated.
  • the compensation is preferably carried out by supplying a volume of fresh water, in particular demineralized water, corresponding to the volume of water given off via the exhaust air, from the device for compensating for water loss into the at least one photobioreactor.
  • the device has at least one anti-freeze device.
  • the presence of at least one anti-freeze protection can be advantageous especially when using the device according to the invention for cleaning city air and thus possibly with exposure to temperatures below 0 ° C depending on the year and / or time of day, so that a preferably year-round and / or all-day operation of the device can be guaranteed.
  • the at least one anti-freeze protection is a roll film surrounding the at least one photobioreactor, in particular a motor-driven roll film.
  • the at least one photobioreactor of the device according to the invention in particular the entire device according to the invention, with roll films in combination with the heat generated by at least one artificial light source, in particular LED light source, freezing of the liquid in the at least one photobioreactor is prevented.
  • the device according to the invention has at least one overheating protection.
  • the presence of at least one overheating protection can be of advantage in particular when using the device according to the invention for cleaning city air and thus in the event of the possible occurrence of high temperatures, in particular temperatures of> 35 ° C, which impair the growth of the at least one microalgae culture, so that a preferably year-round and / or all-day operation of the device can be guaranteed.
  • the at least one overheating protection is a roll film surrounding the at least one photobioreactor, in particular a motor-driven roll film.
  • the device according to the invention comprises at least one drying chamber for drying a material fraction formed by the at least one microalgae culture, in particular the mixed culture, during operation.
  • the present invention also relates to a system for purifying room or city air with the provision of at least one valuable fraction, comprising at least two devices according to the invention, the at least two devices according to the invention being arranged one above the other in the system and each twisted to one another.
  • the at least two devices according to the invention, arranged one above the other and twisted relative to one another each comprise parallel, in particular interconnected, photobioreactors, preferably at least two photobioreactors, preferably at least three photobioreactors, preferably at least four photobioreactors, preferably at least five photobioreactors.
  • the at least two devices according to the invention which are arranged one above the other and each rotated relative to one another, thus preferably comprise “stacks” of photobioreactors arranged parallel to one another, in particular connected to one another.
  • the at least two devices arranged one above the other and each rotated relative to one another are in liquid contact with one another.
  • the at least two devices according to the invention are arranged one above the other in the system and each rotated by 60 to 120 °, preferably 70 to 110 °, preferably 80 to 100 °, preferably 85 to 95 °, preferably 90 ° .
  • the at least two devices according to the invention are particularly preferred in the system one above the other and each by at least 10 °, preferably at least 20 °, preferably by at least 30 °, preferably by at least 45 °, preferably by at least 60 °, preferably by at least 75 °, preferably by at least 80 °, preferably arranged rotated by at least 90 ° to each other.
  • the system according to the invention for the purification of room or city air preferably has a common fan or compressor which supplies the individual devices of the system with supply air to be purified while providing at least one fraction of valuable material.
  • the system according to the invention for the purification of room or city air while providing at least one valuable material fraction has a common device for separating particles with a particle size of at least 10 mih, which separates the air to be cleaned from larger particles the supply air freed. According to these preferred embodiments, therefore, not every device according to the invention of the system according to the invention has its own fan or compressor and / or its own device for separating particles with a particle size of at least 10 mih.
  • photobioreactor denotes a bioreactor or fermenter which is suitable for the cultivation of photoautotrophic organisms, in particular photoautotrophic microalgae.
  • a special feature of a photobioreactor according to the invention is the permeability of the reactor, in particular the reactor walls, to light which can be used for photosynthesis by the photoautotrophic organisms contained in the photobioreactor.
  • the term “valuable material fraction” is understood to mean a group of substances which is characterized by being of particular value for a specific use.
  • the term denotes the biomass of microalgae formed in the process according to the invention, as well as the energy-rich organic compounds formed by them, in particular storage materials that are available as regenerable energy sources, for example for biogas plants or for the production of biodiesel, after the photoautotrophic microalgae have been harvested.
  • the special value of the valuable fraction formed with the method according to the invention results in particular from the presence of accumulated storage materials, in particular carbohydrates and lipids, which have a high energy density and preferably have a low content of nitrogen, sulfur and phosphorus, particularly preferably free of nitrogen , Sulfur and phosphorus are.
  • the high proportion of these storage materials in the biomass also makes it easier to use them economically.
  • Secondary metabolites, which can also be formed while growth is limited by phosphorus, are often pharmacologically interesting compounds which, for example, can prevent competing organisms from growing. The value of such substances can significantly exceed the value of the storage substances in the valuable fraction.
  • the term “initial biomass concentration” denotes the concentration of microalgae present in the at least one microalgae culture in the at least one photobioreactor at the beginning of the method.
  • the choice of a suitable “initial biomass concentration” depends on various factors, such as the type of microalgae used, temperature, light intensity, CO 2 and NO x concentration.
  • the term “threshold biomass concentration” denotes a concentration of microalgae in the at least one photobioreactor achieved during cultivation in the at least one photobioreactor according to step b), from which growth inhibition by phosphorus limitation and / or by the presence of a growth-inhibiting concentration of a substance takes place.
  • a “final biomass concentration” denotes the concentration of microalgae in the at least one photobioreactor up to which the at least one microalgae culture is cultivated with phosphorus limitation and in the presence of the pre-cleaned supply air according to step c).
  • the “final biomass concentration” is reached, at least some of the microalgae of the at least one microalgae culture are preferably harvested.
  • the term “unialgal culture” denotes a microalgae culture in which only one type of algae occurs. The term does not therefore exclude the fact that the microalgae culture contains other organisms, such as bacteria, in addition to the type of algae in question.
  • axenic culture is understood to mean a pure culture.
  • the terms “comprising” and “having” are understood to mean that, in addition to the elements explicitly covered by these terms, further elements that are not explicitly mentioned can be added. In connection with the present invention, these terms are also understood to mean that only the explicitly named elements are included and no further elements are present. In this particular embodiment, the meaning of the terms “comprising” and “having” is synonymous with the term “consisting of”. In addition, the terms “comprising” and “having” also include compositions which, in addition to the explicitly named elements, also contain other non-named elements, but which are functionally and qualitatively subordinate in nature. In this embodiment, the terms “comprising” and “having” are synonymous with the term “consisting essentially of”.
  • the term “and / or” is understood to mean that all members of a group which are connected by the term “and / or” are disclosed both as alternatives to one another and also cumulatively with one another in any combination.
  • A, B and / or C this means that the following disclosure content is to be understood: a) A or B or C or b) (A and B) or c) (A and C) or d) ( B and C) or e) (A and B and C).
  • FIG. 1 shows two schematic representations of a device according to the invention for the purification of room or city air (1) with housing (11) (FIG. 1A) and with housing (11) (FIG. 1B), which is shown transparently for the purpose of illustration.
  • air to be cleaned enters the device via an air inlet (2) and first passes a coarse filter (3) and a sterile filter (4) to pre-clean the supply air.
  • Various machine components and the machine control (5) are housed in the lower area of the device.
  • the pre-cleaned supply air is fed via an air distributor (6) to the parallel photobioreactors with LED lighting (7).
  • the purified air (exhaust air) is fed to a device for air conditioning and condensation (9) via air recirculations (8) and the processed, cleaned and oxygen-enriched exhaust air is released again via an air outlet (10).
  • Figure 2 shows two perspective schematic representations of an inventive
  • System for cleaning room or city air comprising three devices according to the invention for cleaning room or city air (104, 105, 106) arranged one above the other and each rotated by 90 ° to one another.
  • air to be cleaned is supplied to the three devices (104, 105, 106) according to the invention via an air inlet (101) and a vertically arranged suction pipe with a coarse filter (102).
  • the purified and oxygen-enriched air is released again via an air return (107) and an air outlet (108).
  • the air return (107) there is preferably a condensation of the water contained in the exhaust air, which is then returned to the photobioreactors.
  • the machine components and the machine control (103) of the system (100) are accommodated in the lower area of the system (100) shown.
  • the decrease in the CCL concentration was determined at two different inlet concentrations of CO2 in the supply air.
  • a photobioreactor with a working volume of 24.5 L was used for this purpose.
  • An axenic culture of the green alga Chlorella vulgaris was used as the photoautotrophic microorganism.
  • the gas volume flow introduced into the microalgae culture was 550 l / h, which corresponds to a gas throughput of 0.37 vvm (vol. Air / vol. Culture medium / min).
  • the microalgae were cultivated at a temperature of 24.2 ⁇ 0.7 ° C.
  • the photon flux density (light intensity) used was 380 pmol m 2 s 1 and was provided continuously by means of a high-pressure sodium vapor lamp.
  • the culture medium was composed as follows: 0.56 g / L CaCh, 3.5 g / L Ocean Instant, 2.46 g / L MgS0 4 x 7 H2O, 5 mg / L C0SO4 x 7 H 2 0, 0, 5 mg / L CuS0 4 x 5 H 2 0, 20 mg / L MnCh x 4 H 2 0, 5 mg / L Na 2 Mo0 4 x 2 H 2 0.5 mg / L ZnS0 4 x 7 H2O, 11.75 mg / L Ck.H FeO ? x H2O.
  • the pH fluctuated in a range from 7.4 to 8.5 during the cultivation.
  • the nitrogen required for the growth of the microalgae was provided in the present example in the form of MHHCCh, the target concentration of ammonium in the medium was 300 mg / L.
  • a buffer of KH2PO4 and K2HPO4 with a target phosphate concentration in the medium of 200 mg / L served as the source of phosphorus.
  • the initial biomass concentration was adjusted to 2 g / L.
  • the microalgae were cultivated in the photobioreactor up to a biomass concentration of 4.6 g / L. The results of the experiment are shown in Table 1.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufreinigung von Raum- oder Stadtluft unter Bereitstellung mindestens einer Wertstofffraktion, eine durch das erfindungsgemäße Verfahren erhältliche Wertstofffraktion, eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie eine Anlage zur Aufreinigung von Raum- oder Stadtluft umfassend mindestens zwei Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Description

BESCHREIBUNG
Verfahren und Vorrichtung zur Aufreinigung von Raum- oder Stadtluft unter Bereitstellung mindestens einer Wertstofffraktion Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufreinigung von Raum- oder Stadtluft unter Bereitstellung mindestens einer Wertstofffraktion, eine durch das erfindungsgemäße Verfahren erhältliche Wertstofffraktion, eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie eine Anlage zur Aufreinigung von Raum- oder Stadtluft umfassend mindestens zwei Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Als Folge der weltweit fortschreitenden Industrialisierung, der stetig wachsenden Bevölkerungszahl, der zunehmenden Urbanisierung sowie einer steigenden Motorisierung der Bevölkerung haben die weltweiten Emissionswerte und damit verbunden die Konzentration an Kohlenstoffdioxid (CO2), Stickoxiden (NOx) und Feinstaub besorgniserregende und gesundheitsgefährdende Werte erreicht. Dabei werden insbesondere in der Luft geschlossener Räume, in verkehrsbelasteten Städten und in Tierställen besonders hohe Konzentrationen an CO2 und NOx erreicht. Trotz der bekannten Gesundheitsrisiken durch erhöhte Konzentrationen von NOx werden die von der WHO (50 mg/m3) und der EU (40 mg/m3) festgelegten Grenzwerte häufig überschritten. Feinstaubpartikel gelangen über die Atmung in den Körper und werden unter anderem mit einem erhöhten Krebsrisiko, Herzkreislauferkrankungen und vielen weiteren Erkrankungen in Verbindung gebracht. Erhöhte C02-Konzentrationen in der Luft führen zu einer Reduktion des Gasaustausches in der Lunge sowie zu einer Versäuerung und verringerten Sauerstoffsättigung des Blutes. Als primäre Folgen sind insbesondere Müdigkeit und eine verringerte Leistungsfähigkeit zu beobachten. Neben einer Verringerung der Freisetzung von umweit- und gesundheitsschädlichen Gasen, wie CO2, NOx, und Feinstaub besteht daher zusätzlich die Notwendigkeit einer aktiven Reduzierung deren Konzentration in der Atmosphäre, insbesondere in Raum- und Stadtluft.
Die vornehmlich aus Industrie-/Verkehrsemissionen und Human-/Tieremissionen stammenden Gase CO2 und NOx bilden zentrale Wachstumsfaktoren (C- und N-Quellen) für photoautotrophen Mikroorganismen und werden von diesen unter Nutzung von Lichtenergie zur Biosynthese organischer Verbindungen verwendet. Die Fähigkeit photoautotropher Mikroorgansimen unter Assimilierung von umweit- und gesundheitsschädlichen Emissionsgasen energiereiche organische Verbindungen bilden zu können birgt ein großes Potential für deren Einsatz zur Reinigung von besonders belasteter Luft, wie Industrieabgase, Raum- oder Stadtluft. Die als Produkt der Assimilierung von CO2 und NOx gebildete Biomasse kann vorteilhafterweise anschließend als regenerativer Energieträger, beispielsweise in Biogasanlagen oder für die Herstellung von Biodiesel, genutzt werden. Neben der Assimilierung von CO2 und NOx und damit einer Reduktion der Konzentration dieser Gase in der Luft erfolgt durch die photoautotrophen Mikroorganismen eine Anreicherung der zugeführten Raum- oder Stadtluft mit molekularem Sauerstoff, der als Nebenprodukt der Photosynthese von den Mikroorganismen freigesetzt wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, die Luft an besonders emissionsexponierten Orten, wie in geschlossenen Räumen und in Ballungszentren, durch Bindung der in der Luft enthaltenen Gase, insbesondere CO2 und NOx, sowie Feinstaub zu reinigen und gleichzeitig eine besonders werthaltige Wertstofffraktion bereitzustellen.
Die vorliegende Erfindung löst das ihr zugrundeliegende Problem durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche.
Dabei betrifft die vorliegende Erfindung insbesondere ein Verfahren zur Aufreinigung von Raum- oder Stadtluft unter Bereitstellung mindestens einer Wertstofffraktion in einer Vorrichtung zur Aufreinigung von Raum- oder Stadtluft enthaltend mindestens einen Photobioreaktor, umfassend die Schritte: a) Vorreinigung von Raum- oder Stadtluft mittels Abscheidung von Partikeln mit einer Partikel große von mindestens 10 pm zum Erhalt einer vorgereinigten Zuluft, b) Kultivierung mindestens einer Mikroalgenkultur in dem mindestens einen Photobioreaktor in Anwesenheit der vorgereinigten Zuluft und mindestens einer Phosphor-haltigen Komponente bis zum Erreichen einer Schwellen-Biomassekonzentration der Mikroalgenkultur von 2 bis 10 g/L, c) Kultivierung der mindestens einen eine Schwellen-Biomassenkonzentration von 2 bis 10 g/L aufweisenden Mikroalgenkultur unter Phosphor-Limitierung und in Anwesenheit der vorgereinigten Zuluft bis zu einer End-Biomassekonzentration von 9 bis 20 g/L und d) Erhalt einer aufgereinigten Raum- oder Stadtluft und mindestens einer Wertstofffraktion.
Dabei beruht das erfindungsgemäße Verfahren darauf, dass gemäß Verfahrensschritt a) zunächst eine Vorreinigung der Raum- oder Stadtluft durch Abscheidung von in der Luft enthaltenen Partikel, insbesondere Feinstaubpartikeln, mit einer Partikel große von mindestens 10 pm erfolgt. Die Abscheidung der Feinstaubpartikel mit einer Partikelgröße von mindestens 10 pm aus der Raum- oder Stadtluft kann mit jeglichen dem Fachmann zur Reinigung von Gasen bekannten Mitteln, beispielsweise über spezielle Filter, erfolgen. Die vorgereinigte Zuluft wird anschließend in mindestens einem Photobioreaktor mit mindestens einer Mikroalgenkultur in Kontakt gebracht, insbesondere in die mindestens eine Mikroalgenkultur eingeleitet, wobei die sich in der mindestens einen Mikroalgenkultur lösenden Gase, insbesondere CO2 und NOx, von den Mikroalgen als C- und N-Quellen für die Biosynthese energiereicher organischer Verbindungen genutzt werden. Gemäß Schritt b) des Verfahrens erfolgt eine Kultivierung der mindestens einen Mikroalgenkultur in dem mindestens einen Photobioreaktor in Anwesenheit der vorgereinigten Luft zusätzlich in Anwesenheit mindestens einer Phosphor-haltigen Komponente, die als Phosphor-Quelle für das Wachstum der mindestens einen Mikroalgenkultur dient. Die in der mindestens einen Mikroalgenkultur enthaltenen Algen bilden in Anwesenheit von Licht, insbesondere natürlichem Sonnenlicht oder künstlichem Licht, und unter Aufnahme von Kohlenstoff und Stickstoff aus dem in der vorgereinigten Zuluft enthaltenen CO2 und NOx sowie unter Aufnahme von Phosphor aus der mindestens einen Phosphor-haltigen Komponente photoautotroph Biomasse. Die Kultivierung der mindestens einen Mikroalgenkultur erfolgt unter diesen Bedingungen bis eine Biomassekonzentration, die sogenannte Schwellen- Biomassekonzentrationen, von 2 bis 10 g/L erreicht ist. Beim Erreichen der Schwellen- Biomassekonzentration kommt es im erfindungsgemäßen Verfahren zu einer Limitierung des Phosphors in der mindestens einen Mikroalgenkultur. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass bei Erreichen der Schwellen-Biomassekonzentration keine weitere Zugabe der mindestens einen Phosphor-haltigen Komponente mehr erfolgt oder eine ursprünglich vorgelegte Menge an Phosphor-haltiger Komponente beim Erreichen der Schwellen-Biomassekonzentration verbraucht ist. In Abwesenheit von Phosphor beziehungsweise unter Limitierung des in der Mikroalgenkultur enthaltenen Phosphors nutzen die Mikroalgen in der mindestens einen Mikroalgenkultur die Lichtenergie vornehmlich zur Akkumulation von Speicherstoffen, insbesondere von Kohlenhydraten und Lipiden, und/oder zur Bildung von Sekundärmetaboliten. Gemäß Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt eine Kultivierung der mindestens einen eine Schwellen-Biomassenkonzentration von 2 bis 10 g/L aufweisenden Mikroalgenkultur unter Phosphor-Limitierung und in Anwesenheit der vorgereinigten Zuluft bis zu einer End- Biomassekonzentration von 9 bis 20 g/L, sodass beim Erreichen der End-Biomassekonzentration gemäß Schritt d) neben der im Verlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere während der Schritte b) und c), gebildeten und wieder in die Umgebung freigesetzten aufgereinigten Raum- oder Stadtluft auch mindestens eine Wertstofffraktion erhalten wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem mindestens einen Photobioreaktor um einen Airlift-Photobioreaktor. Besonders bevorzugt ist der mindestens eine Airlift-Photobioreaktor ein Plattenreaktor.
Dabei zeichnen sich die bevorzugt verwendeten Airlift-Photobioreaktoren insbesondere dadurch aus, dass zur Umwälzung der in dem Reaktor enthaltenen Flüssigkeit, insbesondere der in dem Reaktor enthaltenen mindestens einen Mikroalgenkultur, keine mechanischen Rührwerke und keine Pumpen zum Einsatz kommen. Eine Umwälzung innerhalb des Reaktors erfolgt durch das Einleiten von Gas in den unteren Bereich des Reaktors, wobei das bevorzugt feinblasig verteilte in den Reaktor eingeleitete Gas durch die in dem Reaktor befindliche Flüssigkeit, insbesondere die mindestens eine in dem Reaktor befindliche Mikroalgenkultur, in Richtung der Kopfseite des Reaktors aufsteigt. Die aufsteigenden, bevorzugt fein verteilten Gasblasen führen einerseits dazu, dass ein Phasenübergang der eingeleiteten Gase, insbesondere CO2 und NOx, von der Gasphase in die Flüssigphase, insbesondere in das Kulturmedium der mindestens einen Mikroalgenkultur, erfolgt und die aufsteigenden Gasblasen andererseits eine Umwälzung des Reaktorinhalts gewährleisten.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem mindestens einen Photobioreaktor, insbesondere dem mindestens einen Airlift-Photobioreaktor, um einen in der EP 1 326 959 Bl beschriebenen Photobioreaktor, besonders bevorzugt um einen Photobioreaktor gemäß Anspruch 1 der EP 1 326 959 Bl, insbesondere um einen Bioreaktor für die Kultivierung von Mikroorganismen, mit einem lichtdurchlässigen Gehäuse, das von durch Gaseintrag gebildeten Gasblasen in einer Strömungsrichtung durchströmt wird und in dem eine Strömungsleiteinrichtung angeordnet ist, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Strömungsleiteinrichtung mindestens zwei Septen umfasst, die quer zur Strömungsrichtung angeordnet sind. Auf diese Weise wird die Gasverweilzeit im Reaktor gegenüber einem Reaktor ohne Strömungsleiteinrichtung erhöht und so der Gastransfer verbessert.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt eine Zufuhr von zu reinigender Luft mittels mindestens eines Lüfters.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Zufuhr von zu reinigender Luft mittels mindestens eines Kompressors.
Die Verwendung mindestens eines Lüfters für die Zufuhr von zu reinigender Luft hat den Vorteil, dass dieser einen wesentlich geringeren Energieverbrauch aufweist als Kompressoren und das erfindungsgemäße Verfahren somit bei Verwendung mindestens eines Lüfter für die Zufuhr von zu reinigender Luft wesentlich ökonomischer durchgeführt werden kann als es bei Verwendung mindestens eines Kompressors der Fall wäre. Für den Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Nutzung mindestens eines Airlift-Photobioreaktor ist für die Wahl eines geeigneten Komprimierungsaggregats, insbesondere für die Wahl zwischen mindestens einem Lüfter oder mindestens einem Kompressor für die Zufuhr von zu reinigender Luft, entscheidend, welcher Widerstand der Wassersäule in dem mindestens einen Airlift- Photobioreaktor überwunden werden muss. Besonders bevorzugt wird die Höhe der zu überwindenden Wassersäule im erfindungsgemäßen Verfahren so gewählt, dass die Zufuhr von zu reinigender Luft mittels mindestens eines Lüfters erfolgen kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in den mindestens einen mindestens eine Mikroalgenkultur enthaltenden Photobioreaktor kontinuierlich vorgereinigte Luft eingeleitet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in den mindestens einen mindestens eine Mikroalgenkultur enthaltenden Photobioreaktor diskontinuierlich, insbesondere batchweise, vorgereinigte Luft eingeleitet.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Kultivierung der mindestens einen Mikroalgenkultur in dem mindestens einen Photobioreaktor in Anwesenheit der vorgereinigten Zuluft gemäß den Schritten b) und c) unter feinblasiger Einleitung, insbesondere kontinuierlicher feinblasiger Einleitung, der vorgereinigten Luft in den mindestens einen die mindestens eine Mikroalgenkultur aufweisenden Photobioreaktor. Besonders bevorzugt werden zur feinblasigen Einleitung der vorgereinigten Luft poröse Gasverteiler, insbesondere poröse Gasverteiler aus Kunststoff oder poröse keramische oder metallische Gasverteiler, verwendet. Die feinblasige Einleitung, insbesondere kontinuierliche feinblasige Einleitung, der vorgereinigten Luft in den mindestens einen die mindestens eine Mikroalgenkultur aufweisenden Photobioreaktor führt durch die große Oberfläche der feinen Gasblasen und damit verbunden der großen Kontaktfläche zwischen Gas- und Flüssigphase vorteilhafterweise zu einem effizienten Stoffübergang der in der vorgereinigten Zuluft enthaltenen Gase, insbesondere CO2 und NOx, von der Gasphase in die flüssige Phase.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Kultivierung der mindestens einen Mikroalgenkultur in dem mindestens einen Photobioreaktor in Anwesenheit der vorgereinigten Zuluft gemäß den Schritten b) und c), bevorzugt gemäß Schritt b), bevorzugt gemäß Schritt c), bei einem Gasdurchsatz, insbesondere bei einem konstanten Gasdurchsatz, von 0,05 bis 4,0 vvm (Vol. Luft / Vol. Kulturmedium / min), bevorzugt 0,05 bis 3,5 vvm, bevorzugt 0,05 bis 3,0 vvm, bevorzugt 0,05 bis 2,5 vvm, bevorzugt 0,05 bis 1,0 vvm, bevorzugt 0,1 bis 0,9 vvm, bevorzugt 0,1 bis 0,85 vvm, bevorzugt 0,1 bis 0,8 vvm, bevorzugt 0,15 bis 0,75 vvm, bevorzugt 0,15 bis 0,7 vvm, bevorzugt 0,2 bis 0,65 vvm, bevorzugt 0,2 bis 0,6 vvm, bevorzugt 0,25 bis 0,55 vvm, bevorzugt 0,25 bis 0,5 vvm, bevorzugt 0,3 bis 0,45 vvm, bevorzugt 0,3 bis 0,4 vvm.
Besonders bevorzugt erfolgt die Kultivierung der mindestens einen Mikroalgenkultur in dem mindestens einen Photobioreaktor in Anwesenheit der vorgereinigten Zuluft gemäß den Schritten b) und c), bevorzugt gemäß Schritt b), bevorzugt gemäß Schritt c), bei einem Gasdurchsatz, insbesondere bei einem konstanten Gasdurchsatz, von mindestens 0,05 vvm (Vol. Luft / Vol. Kulturmedium / min), bevorzugt mindestens 0,1 vvm, bevorzugt mindestens 0,15 vvm, bevorzugt mindestens 0,2 vvm, bevorzugt mindestens 0,25 vvm, bevorzugt mindestens 0,3 vvm, bevorzugt mindestens 0,4 vvm, bevorzugt mindestens 0,5 vvm, bevorzugt mindestens 0,6 vvm, bevorzugt mindestens 0,7 vvm, bevorzugt mindestens 0,8 vvm, bevorzugt mindestens 0,9 vvm, bevorzugt mindestens 1,0 vvm, bevorzugt mindestens 1,5 vvm, bevorzugt mindestens 2 vvm, bevorzugt mindestens 2,5 vvm.
Weiter bevorzugt erfolgt die Kultivierung der mindestens einen Mikroalgenkultur in dem mindestens einen Photobioreaktor in Anwesenheit der vorgereinigten Zuluft gemäß den Schritten b) und c), bevorzugt gemäß Schritt b), bevorzugt gemäß Schritt c), bei einem Gasdurchsatz, insbesondere bei einem konstanten Gasdurchsatz, von höchstens 4 vvm (Vol. Luft / Vol. Kulturmedium / min), bevorzugt höchstens 3,5 vvm, bevorzugt höchstens 3,0 wm, bevorzugt höchstens 2,5 vvm, bevorzugt höchstens 2,0 vvm, bevorzugt höchstens 1,5 vvm, bevorzugt höchstens 1 vvm, bevorzugt höchstens 0,9 vvm, bevorzugt höchstens 0,8 vvm, bevorzugt höchstens 0,7 vvm, bevorzugt höchstens 0,6 vvm, bevorzugt höchstens 0,5 vvm.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Kultivierung der mindestens einen Mikroalgenkultur in dem mindestens einen Photobioreaktor in Anwesenheit der vorgereinigten Zuluft gemäß den Schritten b) und c), bevorzugt gemäß Schritt b), bevorzugt gemäß Schritt c), bei einem konstanten oder variablen Gasdurchsatz.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Kultivierung der mindestens einen Mikroalgenkultur in dem mindestens einen Photobioreaktor in den Schritten b) und c) bei dem gleichen Gasdurchsatz. Bevorzugt erfolgt die Kultivierung der mindestens einen Mikroalgenkultur in dem mindestens einen Photobioreaktor in den Schritten b) und c) bei unterschiedlichem Gasdurchsatz. Besonders bevorzugt erfolgt die Kultivierung der mindestens einen Mikroalgenkultur in dem mindestens einen Photobioreaktor in Schritt b) bei einem geringerem Gasdurchsatz als in Schritt c).
Besonders bevorzugt wird der Gasdurchsatz im Laufe des Verfahrens schrittweise oder kontinuierlich variiert. Weiter bevorzugt erfolgt die Variation des Gasdurchflusses in Abhängigkeit der in dem mindestens einen Photobioreaktor enthaltenen Biomassekonzentration. Gemäß dieser Ausführungsform wird bei zunächst geringer Biomassekonzentration in dem mindestens einen Photobioreaktor auch ein geringer nicht limitierender Gasdurchsatz gewählt und dieser schrittweise oder kontinuierlich mit steigender Biomassekonzentration in dem mindestens einen Photobioreaktor erhöht.
Weiter bevorzugt wird die vorgereinigte Luft zur besonders effizienten Reduktion der darin enthaltenen Gase, insbesondere CO2 und NOx, mindestens zwei Mal, bevorzugt mindestens drei Mal, bevorzugt mindestens vier Mal, durch den mindestens einen mindestens eine Mikroalgenkultur enthaltenden Photobioreaktor geleitet. Besonders bevorzugt wird die vorgereinigte Luft zur besonders effizienten Reduktion der darin enthaltenen Gase, insbesondere CO2 und NOx, so häufig durch den mindestens eine Mikroalgenkultur enthaltenden Photobioreaktor geleitet bis eine vorgegebene Endreinigungskonzentration für CO2 und/oder NOx für die Raum- oder Stadtluft erreicht ist. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Kultivierung der mindestens einen Mikroalgenkultur in dem mindestens einen Photobioreaktor in den Schritten b) und c), bevorzugt in Schritt b), bevorzugt in Schritt c), bei einer Temperatur von 5 bis 35 °C, bevorzugt 10 bis 35 °C, bevorzugt 15 bis 35 °C, besonders bevorzugt 20 bis 30°C.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Kultivierung der mindestens einen Mikroalgenkultur in dem mindestens einen Photobioreaktor in Anwesenheit der vorgereinigten Zuluft und mindestens einer Phosphor-haltigen Komponente gemäß Schritt b) bis zum Erreichen einer Schwellen-Biomassekonzentration der Mikroalgenkultur von 2 bis 9 g/L, bevorzugt 2 bis 8 g/L, bevorzugt 2 bis 7 g/L, bevorzugt 2 bis 6 g/L, bevorzugt 3 bis 9 g/L, bevorzugt 3 bis 8 g/L, bevorzugt 3 bis 7 g/L, bevorzugt 3 bis 6 g/L, bevorzugt 4 bis 9 g/L, bevorzugt 4 bis 8 g/L, bevorzugt 4 bis 7 g/L, bevorzugt 4 bis 6 g/L, bevorzugt 5 bis 9 g/L, bevorzugt 5 bis 8 g/L, bevorzugt 5 bis 7 g/L, bevorzugt 5 bis 6 g/L, bevorzugt 6 bis 9 g/L, bevorzugt 6 bis 8 g/L, bevorzugt 6 bis 7 g/L, bevorzugt 7 bis 10 g/L, bevorzugt 7 bis 9 g/L, bevorzugt 7 bis 8 g/L.
Besonders bevorzugt erfolgt die Kultivierung der mindestens einen Mikroalgenkultur in dem mindestens einen Photobioreaktor in Anwesenheit der vorgereinigten Zuluft und mindestens einer Phosphor-haltigen Komponente gemäß Schritt b) bis zum Erreichen einer Schwellen- Biomassekonzentration der Mikroalgenkultur von höchstens 10 g/L, bevorzugt höchstens 9,5 g/L, bevorzugt höchstens 9 g/L, bevorzugt höchstens 8,5 g/L, bevorzugt höchstens 8 g/L, bevorzugt höchstens 7,5 g/L, bevorzugt höchstens 7 g/L, bevorzugt höchstens 6,5 g/L, bevorzugt höchstens 6 g/L, bevorzugt höchstens 5,5 g/L, bevorzugt höchstens 5 g/L, bevorzugt höchstens 4,5 g/L, bevorzugt höchstens 4 g/L, bevorzugt höchstens 3,5 g/L, bevorzugt höchstens 3 g/L.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Kultivierung der mindestens einen die Schwellen-Biomassenkonzentration, insbesondere der eine Schwellen-Biomassenkonzentration von 2 bis 10 g/L, bevorzugt 2 bis 9 g/L, bevorzugt 2 bis 8 g/L, bevorzugt 2 bis 7 g/L, bevorzugt 2 bis 6 g/L, bevorzugt 3 bis 9 g/L, bevorzugt 3 bis 8 g/L, bevorzugt 3 bis 7 g/L, bevorzugt 3 bis 6 g/L, bevorzugt 4 bis 9 g/L, bevorzugt 4 bis 8 g/L, bevorzugt 4 bis 7 g/L, bevorzugt 4 bis 6 g/L, bevorzugt 5 bis 9 g/L, bevorzugt 5 bis 8 g/L, bevorzugt 5 bis 7 g/L, bevorzugt 5 bis 6 g/L, bevorzugt 6 bis 10 g/L, bevorzugt 6 bis 9 g/L, bevorzugt 6 bis 8 g/L, bevorzugt 6 bis 7 g/L, bevorzugt 7 bis 10 g/L, bevorzugt 7 bis 9 g/L, bevorzugt 7 bis 8 g/L, bevorzugt höchstens 10 g/L, bevorzugt höchstens 9,5 g/L, bevorzugt höchstens 9 g/L, bevorzugt höchstens 8,5 g/L, bevorzugt höchstens 8 g/L, bevorzugt höchstens 7.5 g/L, bevorzugt höchstens 7 g/L, bevorzugt höchstens 6,5 g/L, bevorzugt höchstens 6 g/L, bevorzugt höchstens 5,5 g/L, bevorzugt höchstens 5 g/L, bevorzugt höchstens 4,5 g/L, bevorzugt höchstens 4 g/L, bevorzugt höchstens 3,5 g/L, bevorzugt höchstens 3 g/L, aufweisenden Mikroalgenkultur unter Phosphor-Limitierung und in Anwesenheit der vorgereinigten Zuluft gemäß Schritt c) bis zu einer End-Biomassekonzentration von 9,5 bis 20 g/L, bevorzugt 10 bis 20 g/L, bevorzugt 10,5 bis 20 g/L, bevorzugt 11 bis 20 g/L, bevorzugt 11,5 bis 20 g/L, bevorzugt 12 bis 20 g/L, bevorzugt 12,5 bis 20 g/L, bevorzugt 13 bis 20 g/L, bevorzugt 13,5 bis 20 g/L, bevorzugt 14 bis 20 g/L, bevorzugt 14,5 bis 20 g/L, bevorzugt 15 bis 20 g/L.
Bevorzugt erfolgt die Kultivierung der mindestens einen die Schwellen-Biomassenkonzentration, insbesondere der eine Schwellen-Biomassenkonzentration von 2 bis 10 g/L, bevorzugt 2 bis 9 g/L, bevorzugt 2 bis 8 g/L, bevorzugt 2 bis 7 g/L, bevorzugt 2 bis 6 g/L, bevorzugt 3 bis 9 g/L, bevorzugt 3 bis 8 g/L, bevorzugt 3 bis 7 g/L, bevorzugt 3 bis 6 g/L, bevorzugt 4 bis 9 g/L, bevorzugt 4 bis 8 g/L, bevorzugt 4 bis 7 g/L, bevorzugt 4 bis 6 g/L, bevorzugt 5 bis 9 g/L, bevorzugt 5 bis 8 g/L, bevorzugt 5 bis 7 g/L, bevorzugt 5 bis 6 g/L, bevorzugt 6 bis 10 g/L, bevorzugt 6 bis 9 g/L, bevorzugt 6 bis 8 g/L, bevorzugt 6 bis 7 g/L, bevorzugt 7 bis 10 g/L, bevorzugt 7 bis 9 g/L, bevorzugt 7 bis 8 g/L, bevorzugt höchstens 10 g/L, bevorzugt höchstens
9.5 g/L, bevorzugt höchstens 9 g/L, bevorzugt höchstens 8,5 g/L, bevorzugt höchstens 8 g/L, bevorzugt höchstens 7,5 g/L, bevorzugt höchstens 7 g/L, bevorzugt höchstens 6,5 g/L, bevorzugt höchstens 6 g/L, bevorzugt höchstens 5,5 g/L, bevorzugt höchstens 5 g/L, bevorzugt höchstens
4.5 g/L, bevorzugt höchstens 4 g/L, bevorzugt höchstens 3,5 g/L, bevorzugt höchstens 3 g/L, aufweisenden Mikroalgenkultur unter Phosphor-Limitierung und in Anwesenheit der vorgereinigten Zuluft gemäß Schritt c) bis zu einer End-Biomassekonzentration von mindestens 9 g/L, bevorzugt mindestens 9,5 g/L, bevorzugt mindestens 10 g/L, bevorzugt mindestens 10,5 g/L, bevorzugt mindestens 11 g/L, bevorzugt mindestens 11,5 g/L, bevorzugt mindestens 12 g/L, bevorzugt mindestens 12,5 g/L, bevorzugt mindestens 13 g/L, bevorzugt mindestens 13,5 g/L, bevorzugt mindestens 14 g/L, bevorzugt mindestens 14,5 g/L, bevorzugt mindestens 15 g/L.
Besonders bevorzugt erfolgt die Kultivierung der mindestens einen die Schwellen- Biomassenkonzentration, insbesondere der eine Schwellen-Biomassenkonzentration von 2 bis 10 g/L, bevorzugt 2 bis 9 g/L, bevorzugt 2 bis 8 g/L, bevorzugt 2 bis 7 g/L, bevorzugt 2 bis 6 g/L, bevorzugt 3 bis 9 g/L, bevorzugt 3 bis 8 g/L, bevorzugt 3 bis 7 g/L, bevorzugt 3 bis 6 g/L, bevorzugt 4 bis 9 g/L, bevorzugt 4 bis 8 g/L, bevorzugt 4 bis 7 g/L, bevorzugt 4 bis 6 g/L, bevorzugt 5 bis 9 g/L, bevorzugt 5 bis 8 g/L, bevorzugt 5 bis 7 g/L, bevorzugt 5 bis 6 g/L, bevorzugt 6 bis 10 g/L, bevorzugt 6 bis 9 g/L, bevorzugt 6 bis 8 g/L, bevorzugt 6 bis 7 g/L, bevorzugt 7 bis 10 g/L, bevorzugt 7 bis 9 g/L, bevorzugt 7 bis 8 g/L, bevorzugt höchstens 10 g/L, bevorzugt höchstens 9,5 g/L, bevorzugt höchstens 9 g/L, bevorzugt höchstens 8,5 g/L, bevorzugt höchstens 8 g/L, bevorzugt höchstens 7,5 g/L, bevorzugt höchstens 7 g/L, bevorzugt höchstens 6,5 g/L, bevorzugt höchstens 6 g/L, bevorzugt höchstens 5,5 g/L, bevorzugt höchstens 5 g/L, bevorzugt höchstens 4,5 g/L, bevorzugt höchstens 4 g/L, bevorzugt höchstens 3,5 g/L, bevorzugt höchstens 3 g/L, aufweisenden Mikroalgenkultur unter Phosphor-Limitierung und in Anwesenheit der vorgereinigten Zuluft gemäß Schritt c) bis zu einer End-Biomassekonzentration von höchstens 30 g/L, bevorzugt höchstens 28 g/L, bevorzugt höchstens 26 g/L, bevorzugt höchstens 24 g/L, bevorzugt höchstens 22 g/L, bevorzugt höchstens 20 g/L, bevorzugt höchstens 18 g/L, bevorzugt höchstens 16 g/L, bevorzugt höchstens 14 g/L, bevorzugt höchstens 12 g/L.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Phosphor- Limitierung in Schritt c) durch Verbrauch eines dem Kulturmedium zugegebenen Phosphor- Depots mindestens einer Phosphor-haltigen Komponente, bevorzugt einer gut löslichen Phosphor-haltigen Komponente, die ausreichend konzentriert ist, um das Erreichen einer Schwellen-Biomassekonzentration zu ermöglichen und keine Wachstumshemmung verursacht oder einer schwer löslichen Phosphor-haltige Komponente, beispielsweise Magnesiumammoniumphosphat (MAP). Gemäß diesen Ausführungsformen kann dem Kulturmedium zu Beginn des Verfahrens eine zuvor berechnete Menge eines Phosphor-Depots umfassend mindestens eine Phosphor-haltigen Komponente, bevorzugt mindestens eine gut lösliche Phosphor-haltige Komponente oder mindestens eine schwer lösliche Phosphor-haltige Komponente, zugesetzt werden, die bei Erreichen einer gewünschten Biomassekonzentration verbraucht ist, sodass ab diesem Zeitpunkt eine Wachstumshemmung durch Phosphor- Limitierung eintritt.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Phosphor-Limitierung beim Erreichen einer gewünschten Biomassekonzentration durch Beendigung einer kontinuierlichen oder schrittweisen Zugabe mindestens einer Phosphor-haltigen Komponente erreicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Kultivierung der mindestens einen Mikroalgenkultur in Schritt c) in Anwesenheit einer wachstumshemmenden Menge eines Stoffes. Durch die Anwesenheit einer wachstumshemmenden Menge eines Stoffes wird die Lichtenergie von der Mikroalgenkultur vermehrt zur Biosynthese und Akkumulation von Speicherstoffen und/oder Sekundärmetaboliten genutzt. Dabei kann es sich bei der wachstumshemmenden Menge eines Stoffes um eine während des Wachstums der Mikroalgenkultur, insbesondere während der Kultivierung der mindestens einen Mikroalgenkultur in dem mindestens einen Photobioreaktor in Anwesenheit der vorgereinigten Zuluft und einer Phosphor-haltigen Komponente gemäß Schritt b), gebildete wachstumshemmende Menge eines Stoffes handeln. Bei der wachstumshemmenden Menge eines Stoffes kann es sich ebenfalls um eine beim Erreichen der Schwellen- Biomassekonzentration der Mikroalgenkultur von 6 bis 10 g/L zugesetzte Menge eines bestimmten Stoffes handeln, der eine Hemmung des Wachstums der Mikroalgenkultur bewirkt. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem in einer wachstumshemmenden Menge vorliegenden Stoff um einen sich durch Einleitung der vorgereinigten Luft, insbesondere durch kontinuierliche Einleitung der vorgereinigten Luft, in der mindestens einen Mikroalgenkultur akkumulierenden Stoff.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Kultivierung der mindestens einen Mikroalgenkultur in dem mindestens einen Photobioreaktor in den Schritten b) und c), bevorzugt in Schritt b), bevorzugt in Schritt c), unter Wasserverlustausgleich. Besonders bevorzugt erfolgt der Ausgleich des in den Schritten b) und c), bevorzugt in Schritt b), bevorzugt in Schritt c), verdampften Wassers durch Zugabe von Wasser, insbesondere entsalztem Wasser, mittels mindestens einer Vorrichtung zum Ausgleich von Wasserverlust, insbesondere mittels mindestens einem Infusionsbesteck. Bevorzugt erfolgt der Ausgleich des in den Schritten b) und c), bevorzugt in Schritt b), bevorzugt in Schritt c), verdampften Wassers schrittweise oder kontinuierlich.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Kultivierung der mindestens einen Mikroalgenkultur in dem mindestens einen Photobioreaktor in den Schritten b) und c), bevorzugt in Schritt b), bevorzugt in Schritt c), unter Zuschaltung von künstlichem Licht, insbesondere LED-Licht.
In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Kultivierung der mindestens einen Mikroalgenkultur in dem mindestens einen Photobioreaktor in den Schritten b) und c), bevorzugt in Schritt b), bevorzugt in Schritt c), ausschließlich in Anwesenheit von künstlichem Licht, insbesondere LED-Licht. Durch die Verwendung von künstlichem Licht, insbesondere durch die Zuschaltung von künstlichem Licht, kann vorteilhafterweise eine Minderversorgung der mindestens einen Mikroalgenkultur mit Licht, insbesondere eine Minderversorgung der mindestens einen Mikroalgenkultur natürlichem Sonnenlicht, kompensiert werden. Zudem kann durch das künstliche Licht eine von der Tages- und Jahreszeit unabhängige, insbesondere ganztägige, insbesondere ganzjährige, Versorgung der mindestens einen Mikroalgenkultur mit der zur Photosynthese benötigten Lichtenergie gewährleistet werden. Dabei ist es für die Wahl der Lichtintensität entscheidend, dass diese einerseits hoch genug ist, um ein Wachstum und/oder die Biosynthese und Akkumulation von Speicherstoffen und/oder Sekundärmetaboliten zu gewährleisten, andererseits jedoch nicht so hoch gewählt wird, dass diese inhibierend auf das Wachstum der mindestens einen Mikroalgenkultur wirkt. Bei der Wahl der Lichtquelle, insbesondere der Intensität der gewählten Lichtquelle, ist zu beachten, dass eine zu hoch gewählte Lichtintensität zu einer Zerstörung des in den Mikroalgen enthaltenen und für die Photosynthese essentiellen Chlorophylls führen kann. Bei der Wahl einer geeigneten Lichtquelle, insbesondere einer geeigneten Lichtintensität, spielen unterschiedliche Faktoren wie Schichtdicke, Biomassekonzentration, Gasdurchsatz, Art und Zusammensetzung der verwendeten Mikroalgenkultur, etc. eine Rolle. Bei der Verwendung von künstlichem Licht kann die Intensität und die Wellenlänge des auf die mindestens eine Mikroalgenkultur einwirkenden Licht auf einfache Weise gewählt und/oder reguliert werden. Im Falle von intensivem natürlichem Sonnenlicht kann eine mögliche Inhibition des Mikroalgenwachstums beispielsweise durch eine geeignete Wahl der verwendeten Mikroalgenkultur, der Biomassekonzentration und des Gasdurchsatzes oder durch die Verwendung von Filtern verhindert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die in den Schritten a) bis d) aufgereinigte Raum- oder Stadtluft vor oder nach, bevorzugt nach, Verlassen des mindestens einen Photobioreaktors auf eine Luftfeuchtigkeit von 40 bis 60%, bevorzugt 42 bis 58%, bevorzugt 44 bis 56%, bevorzugt 46 bis 54%, bevorzugt 48 bis 52%, eingestellt wird. Besonders bevorzugt wird das bei Einstellung der Luftfeuchtigkeit zurückgewonnene Wasser in den mindestens eine Photobioreaktor zurückgeführt.
Bevorzugt passiert die in den Schritten a) bis d) aufgereinigte Raum- oder Stadtluft vor oder nach, bevorzugt nach, Verlassen des mindestens eine Photobioreaktors mindestens einen Hygienefilter. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die mindestens eine in Schritt b) in dem mindestens einen Photobioreaktor zu kultivierende Mikroalgenkultur eine Anfangs-Biomassekonzentration von 0,2 g/L bis 4 g/L, bevorzugt 0,2 g/L bis 3,5 g/L, bevorzugt 0,2 g/L bis 3 g/L, bevorzugt 0,2 g/L bis 2,5 g/L, bevorzugt 0,2 g/L bis 2 g/L, bevorzugt 0,2 g/L bis 1,5 g/L, bevorzugt 0,2 g/L bis 1 g/L, bevorzugt 0,5 g/L bis 4 g/L, bevorzugt 0,5 g/L bis 3,5 g/L, bevorzugt 0,5 g/L bis 3 g/L, bevorzugt 0,5 g/L bis 2,5 g/L, bevorzugt 0,5 g/L bis 2 g/L, bevorzugt 0,5 g/L bis 1,5 g/L, bevorzugt 0,5 bis 1 g/L, bevorzugt 1 g/L bis 4 g/L, bevorzugt 1 g/L bis 3,5 g/L, bevorzugt 1 g/L bis 3 g/L, bevorzugt 1 g/L bis 2,5 g/L, bevorzugt 1 g/L bis 2 g/L, bevorzugt 1 g/L bis 1,5 g/L, auf.
Bevorzugt weist die mindestens eine in Schritt b) in dem mindestens einen Photobioreaktor zu kultivierende Mikroalgenkultur eine Anfangs-Biomassekonzentration von mindestens 0,2 g/L, bevorzugt mindestens 0,5 g/L, bevorzugt mindestens 1 g/L, bevorzugt mindestens 1,5 g/L, bevorzugt mindestens 2 g/L, auf.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die mindestens eine in Schritt b) in dem mindestens einen Photobioreaktor zu kultivierende Mikroalgenkultur eine Anfangs- Biomassekonzentration von höchstens 4 g/L, bevorzugt höchstens 3,5 g/L, bevorzugt höchstens 3 g/L, bevorzugt höchstens 2,5 g/L, bevorzugt höchstens 2 g/L, bevorzugt höchstens 1,5 g/L, bevorzugt höchstens 1 g/L, bevorzugt höchstens 0,5 g/L, auf.
Bevorzugt handelt es sich bei der mindestens einen Mikroalgenkultur um eine unialgale Kultur, bevorzugt um eine axenische Kultur. Besonders bevorzugt ist die unialgale Kultur, bevorzugt axenische Kultur, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Chlorella, Chlamydomonas, Phaeodactylum, Nannochloropsis, Haematococcus, Diacronema, Synechococcus, Thermosynechococcus, Synechocystis, Porphyridium, Microchloropsis, Scenedesmus und Dunaliella.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei der mindestens einen Mikroalgenkultur um eine Mischkultur. Besonders bevorzugt umfasst die Mischkultur mindestens zwei, bevorzugt mindestens drei, bevorzugt mindestens vier, Algengattungen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Chlorella, Chlamydomonas, Phaeodactylum, Nannochloropsis, Haematococcus, Diacronema, Synechococcus,
Thermosynechococcus, Synechocystis, Porphyridium, Microchloropsis, Scenedesmus und Dunaliella. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Mischkultur zwei, bevorzugt höchstens drei, bevorzugt höchstens vier, bevorzugt höchstens fünf, Algengattungen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Chlorella, Chlamydomonas, Phaeodactylum, Nannochloropsis, Haemtoacoccus, Diacronema, Synechococcus, Thermosynechococcus, Synechocystis, Porphyridium, Microchloropsis, Scenedesmus und Dunaliella.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt in den Schritten b) und c), bevorzugt in Schritt b), bevorzugt in Schritt c), eine temperaturabhängige und/oder Raumluftqualität-abhängige Differenzierung der Mikroalgenkultur, insbesondere der Mischkultur. Bevorzugt erfolgt in den Schritten b) und c), bevorzugt in Schritt b), bevorzugt in Schritt c), eine temperaturabhängige Differenzierung der Mikroalgenkultur, insbesondere der Mischkultur. Bevorzugt erfolgt in den Schritten b) und c), bevorzugt in Schritt b), bevorzugt in Schritt c), eine Raumluftqualität-abhängige Differenzierung der Mikroalgenkultur, insbesondere der Mischkultur. Besonders bevorzugt erfolgt die temperaturabhängige Differenzierung, insbesondere die temperaturabhängige und/oder Raumluftqualität-abhängige Differenzierung, der Mikroalgenkultur, insbesondere der Mischkultur, in den Schritten b) und c), bevorzugt in Schritt b), bevorzugt in Schritt c), innerhalb eines Temperaturbereichs von 20 bis 30 °C. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Raumluftqualität-abhängige Differenzierung, insbesondere die temperaturabhängige und/oder Raumluftqualität-abhängige Differenzierung, der Mikroalgenkultur, insbesondere der Mischkultur, unabhängig der bevorzugten Algengattungen durch Spezies, die über die zu reinigende Raum- und Stadtluft in die Mikroalgenkultur, insbesondere die Mischkultur, eingetragen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist mindestens ein Photobioreaktor der Vorrichtung austauschbar. Besonders bevorzugt wird die mindestens eine Mikroalgenkultur nach Schritt d) durch Austausch mindestens eines Photobioreaktors der Vorrichtung geerntet.
Durch die Austauschbarkeit mindestens eines Photobioreaktors der Vorrichtung kann das erfmdungsgemäße Verfahren bei Vorliegen von mindestens zwei Photobioreaktoren kontinuierlich, bevorzugt quasi-kontinuierlich, betrieben werden. Insbesondere kann beispielsweise bei Erreichen der End-Biomassekonzentration der Austausch eines oder mehrerer Photobioreaktoren der Vorrichtung samt der darin enthaltenen mindestens einen Mikroalgenkultur erfolgen und der eine oder die mehreren Photobioreaktoren durch einen oder mehrere neues Kulturmedium enthaltende Photobioreaktoren ersetzt werden, sodass einerseits die Ernte von die End-Biomassekonzentration aufweisenden Mikroalgenkulturen erfolgt und andererseits durch den Einsatz eines oder mehrerer neues Kulturmedium enthaltender Photobioreaktoren eine Verdünnung der Biomassekonzentration in dem Gesamtsystem stattfindet. Der Austausch mindestens eines Photobioreaktors kann bevorzugt im laufenden Betrieb der Vorrichtung zur Aufreinigung von Raum- oder Stadtluft stattfinden, wobei das Verfahren während des Austausches mindestens eines Photobioreaktors in mindestens einem verbleibenden Photobioreaktor der Vorrichtung weiterläuft.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Wertstofffraktion erhältlich, bevorzugt erhalten, aus dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Die aus dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältliche, bevorzugt erhaltene, Wertstofffraktion zeichnet sich insbesondere durch ihren hohen Gehalt an Speicherstoffen, insbesondere an Kohlenhydraten und Lipiden, und/oder Sekundärmetaboliten aus.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Gewinnung einer Wertst offfraktion mittels Abtrennung mindestens eines von der mindestens einen Mikroalgenkultur, insbesondere der Mischkultur, gebildeten Produktes, bevorzugt in Form eines von der mindestens einen Mikroalgenkultur, insbesondere der Mischkultur, gebildeten Schaums. Bevorzugt wird die mittels Abtrennung des von der mindestens einen Mikroalgenkultur, insbesondere der Mischkultur, gebildeten Produktes gewonnene Wertstofffraktion getrocknet. Besonders bevorzugt erfolgt die Trocknung des von der mindestens einen Mikroalgenkultur, insbesondere der Mischkultur, gebildeten Produktes, insbesondere in Form eines Schaums gebildeten Produktes, in einer Trocknungskammer. Durch die Abtrennung des von der mindestens einen Mikroalgenkultur, insbesondere der Mischkultur, gebildeten Produktes, insbesondere in Form eines Schaums gebildeten Produktes, kann die Einsatzdauer des mindestens einen Photobioreaktors in dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Aufreinigung von Raum- oder Stadtluft unter Bereitstellung mindestens einer Wertstofffraktion deutlich verlängert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Gewinnung einer Wertstofffraktion mittels Ernte zumindest eines Teils der Mikroalgen der mindestens einen Mikroalgenkultur, insbesondere Mischkultur, bei Erreichen der End- Biomassekonzentration. Der hohe Gehalt der Wertstofffraktion an Speicherstoffen und/oder Sekundärmetaboliten ist dabei insbesondere darauf zurückzuführen, dass in dem erfindungsgemäßen Verfahren bei Erreichen einer Schwellen-Biomassekonzentration der Mikroalgenkultur eine Phosphor-Limitierung erfolgt, die dazu führt, dass die Mikroalgen die Lichtenergie bevorzugt zur Biosynthese und Akkumulierung von Speicherstoffen, insbesondere von Kohlenhydraten und Lipiden, und/oder Sekundärmetaboliten nutzen. Ein besonderes Merkmal der durch die Phosphor-Limitierung in Schritt c) in Schritt d) erhaltenen Wertstofffraktion ist neben dem im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren erhöhten Gehalt an energiereichen Speicherstoffen und/oder Sekundärmetaboliten die Tatsache, dass die akkumulierten Speicherstoffe, insbesondere Kohlenhydrate und Lipide, einen geringen Gehalt an Stickstoff, Schwefel und Phosphor aufweisen, besonders bevorzugt frei von Stickstoff, Schwefel und Phosphor sind.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, umfassend i) mindestens einen Einlass für Raum- oder Stadtluft, ii) mindestens eine Vorrichtung zur Abscheidung von Partikeln mit einer Partikelgröße von mindestens 10 pm, iii) mindestens einen Photobioreaktor und iv) mindestens einen Auslass für aufreinigte Raum- oder Stadtluft, wobei der mindestens eine Photobioreaktor der Vorrichtung austauschbar ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei der mindestens einen Vorrichtung zur Abscheidung von Partikeln mit einer Partikelgröße von mindestens 10 pm um einen Filter.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Vorrichtung mindestens zwei Photobioreaktoren, bevorzugt mindestens drei Photobioreaktoren, bevorzugt mindestens vier Photobioreaktoren, bevorzugt mindestens fünf Photobioreaktoren.
Besonders bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens zwei Photobioreaktoren, bevorzugt mindestens drei Photobioreaktoren, bevorzugt mindestens vier Photobioreaktoren, bevorzugt mindestens fünf Photobioreaktoren, von denen mindestens ein Photobioreaktor austauschbar ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens zwei Photobioreaktoren, bevorzugt mindestens drei Photobioreaktoren, bevorzugt mindestens vier Photobioreaktoren, bevorzugt mindestens fünf Photobioreaktoren, die parallel zueinander angeordnet sind.
Bevorzugt sind die, bevorzugt parallel zueinander angeordneten, mindestens zwei Photobioreaktoren, bevorzugt mindestens drei Photobioreaktoren, bevorzugt mindestens vier Photobioreaktoren, bevorzugt mindestens fünf Photobioreaktoren, miteinander verbunden. Besonders bevorzugt stehen die mindestens zwei Photobioreaktoren, bevorzugt mindestens drei Photobioreaktoren, bevorzugt mindestens vier Photobioreaktoren, bevorzugt mindestens fünf Photobioreaktoren, miteinander in Flüssigkeitskontakt. Gemäß dieser Ausführungsform können die in den mindestens zwei Photobioreaktoren, bevorzugt mindestens drei Photobioreaktoren, bevorzugt mindestens vier Photobioreaktoren, bevorzugt mindestens fünf Photobioreaktoren, enthaltenen Mikroalgenkulturen zwischen den mindestens zwei Photobioreaktoren, bevorzugt mindestens drei Photobioreaktoren, bevorzugt mindestens vier Photobioreaktoren, bevorzugt mindestens fünf Photobioreaktoren, zirkulieren.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung werden, bevorzugt parallel zueinander angeordnete, bevorzugt miteinander verbundene, mindestens zwei Photobioreaktoren, bevorzugt mindestens drei Photobioreaktoren, bevorzugt mindestens vier Photobioreaktoren, bevorzugt mindestens fünf Photobioreaktoren, einer erfindungsgemäßen Vorrichtung auch als „Stack“ bezeichnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens zwei, bevorzugt mindestens drei, bevorzugt mindestens vier, bevorzugt mindestens fünf, bevorzugt parallel zueinander angeordnete, bevorzugt miteinander verbundene, Photobioreaktoren, wobei den Einzelreaktoren vorgereinigten Zuluft, insbesondere vorgereinigter Raum- oder Stadtluft, über mindestens einen Lüfter oder mindestens einen Kompressor, bevorzugt über mindestens einen Lüfter, bevorzugt über mindestens einen Kompressor, zugeführt wird. Eine Durchmischung der jeweils in den mindestens zwei, bevorzugt mindestens drei, bevorzugt mindestens vier, bevorzugt mindestens fünf, bevorzugt parallel zueinander angeordneten, miteinander verbundenen Photobioreaktoren befindlichen Flüssigkeit, insbesondere der mindestens einen Mikroalgenkultur, kann beispielsweise über eine gemeinsame Rückführleitung erfolgen, in die jeweils aus dem oberen Bereich der Einzelreaktoren entspringe Leitungen münden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform entspringen aus der gemeinsamen Rückführleitung in den unteren Flüssigkeitsbereich der jeweiligen Einzelreaktoren mündende Leitungen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung mindestens eine künstliche Lichtquelle. Besonders bevorzugt handelt es sich bei der mindestens einen künstlichen Lichtquelle um eine LED-Lampe.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens zwei, bevorzugt mindestens drei, bevorzugt mindestens vier, bevorzugt mindestens fünf, bevorzugt parallel zueinander angeordnete, bevorzugt miteinander verbundene, Photobioreaktoren, wobei jeweils zwischen zwei Photobioreaktoren eine künstliche Lichtquelle angeordnet ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens eine Vorrichtung zur Zuführung von Nährstoffen in den mindestens einen Photobioreaktor, insbesondere zur Zuführung von Phosphor und/oder Stickstoff in den mindestens einen Photobioreaktor, auf.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens eine Vorrichtung zum Ausgleich von Wasserverlust. Mittels der mindestens einen Vorrichtung zum Ausgleich von Wasserverlust kann während des Betriebs der erfmdungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere über mindestens einen Auslass für aufreinigte Raum- oder Stadtluft, abgegebenes Wasser ausgeglichen werden. Bevorzugt erfolgt der Ausgleich durch Zuführung eines dem über die Abluft abgegebenen Volumen an Wasser entsprechenden Volumen an frischem Wasser, insbesondere entsalztem Wasser, aus der Vorrichtung zum Ausgleich von Wasserverlust in den mindestens einen Photobioreaktor.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Vorrichtung mindestens einen Einfrierschutz auf. Das Vorliegen mindestens eines Einfrierschutzes kann dabei insbesondere beim Einsatz der erfmdungsgemäßen Vorrichtung zur Reinigung von Stadtluft und damit möglicherweise bei jahres- und/oder tageszeitabhängiger Exposition von Temperaturen von unter 0° C von Vorteil sein, sodass ein bevorzugt ganzjähriger und/oder ganztägiger Betrieb der Vorrichtung gewährleistet werden kann. In einer besonderen Ausführungsform handelt es sich bei dem mindestens einen Einfrierschutz um den mindestens einen Photobioreaktor umgebende Rollfolien, insbesondere motorisch bewegliche Rollfolien. Besonders bevorzugt wird durch das Umgeben des mindestens einen Photobioreaktors der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere der gesamten erfindungsgemäßen Vorrichtung, mit Rollfolien in Kombination mit der von mindestens einer künstlichen Lichtquelle, insbesondere LED-Lichtquelle, erzeugter Wärme ein Einfrieren der Flüssigkeit in dem mindestens einen Photobioreaktor verhindert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die erfmdungsgemäße Vorrichtung mindestens einen Überhitzungsschutz auf. Das Vorliegen mindestens eines Überhitzungsschutzes kann dabei insbesondere beim Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Reinigung von Stadtluft und damit bei möglichem Entstehen von das Wachstum der mindestens einen Mikroalgenkultur beeinträchtigenden hohen Temperaturen, insbesondere Temperaturen von > 35° C, von Vorteil sein, sodass ein bevorzugt ganzjähriger und/oder ganztägiger Betrieb der Vorrichtung gewährleistet werden kann. In einer besonderen Ausführungsform handelt es sich bei dem mindestens einen Überhitzungsschutz um den mindestens einen Photobioreaktor umgebende Rollfolien, insbesondere motorisch bewegliche Rollfolien. Besonders bevorzugt wird durch das Umgeben des mindestens eine Photobioreaktors der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere der gesamten erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Rollfolien, insbesondere Rollfolien mit IR-Schutz, ein Überhitzen der Flüssigkeit in dem mindestens einen Photobioreaktor, insbesondere eine das Wachstum beeinträchtigenden Temperatur, insbesondere eine Temperatur von > 35° C, durch intensives natürliches Sonnenlicht verhindert.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die erfmdungsgemäße Vorrichtung mindestens eine Trocknungskammer zur Trocknung einer während des Betriebs von der mindestens einen Mikroalgenkultur, insbesondere der Mischkultur, gebildeten W ertstofffrakti on .
Die vorliegende Erfindung betrifft zudem eine Anlage zur Aufreinigung von Raum- oder Stadtluft unter Bereitstellung mindestens einer Wertstofffraktion, umfassend mindestens zwei erfmdungsgemäße Vorrichtungen, wobei die mindestens zwei erfindungsgemäßen Vorrichtungen in der Anlage übereinander und jeweils verdreht zueinander angeordnet sind. Besonders bevorzugt umfassen die mindestens zwei übereinander und jeweils verdreht zueinander angeordneten erfmdungsgemäßen Vorrichtungen jeweils parallel zueinander angeordnete, insbesondere miteinander verbundene Photobioreaktoren, bevorzugt mindestens zwei Photobioreaktoren, bevorzugt mindestens drei Photobioreaktoren, bevorzugt mindestens vier Photobioreaktoren, bevorzugt mindestens fünf Photobioreaktoren. Bevorzugt umfassen die mindestens zwei übereinander und jeweils verdreht zueinander angeordneten erfmdungsgemäßen Vorrichtungen somit „Stacks“ aus parallel zueinander angeordneten, insbesondere miteinander verbundenen, Photobioreaktoren. Besonders bevorzugt stehen die mindestens zwei übereinander und jeweils verdreht zueinander angeordneten Vorrichtungen miteinander in Flüssigkeitskontakt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die mindestens zwei erfmdungsgemäßen Vorrichtungen in der Anlage übereinander und jeweils um 60 bis 120°, bevorzugt 70 bis 110°, bevorzugt 80 bis 100°, bevorzugt 85 bis 95°, bevorzugt 90°, verdreht zueinander angeordnet.
Besonders bevorzugt sind die mindestens zwei erfmdungsgemäßen Vorrichtungen in der Anlage übereinander und jeweils um mindestens 10°, bevorzugt mindestens 20°, bevorzugt um mindestens 30°, bevorzugt um mindestens 45°, bevorzugt um mindestens 60°, bevorzugt um mindestens 75°, bevorzugt um mindestens 80°, bevorzugt um mindestens 90°, verdreht zueinander angeordnet.
Bevorzugt weist die erfmdungsgemäße Anlage zur Aufreinigung von Raum- oder Stadtluft unter Bereitstellung mindestens einer Wertstofffraktion einen gemeinsamen Lüfter oder Kompressor auf, der die einzelnen Vorrichtungen der Anlage mit zu reinigender Zuluft versorgt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die erfmdungsgemäße Anlage zur Aufreinigung von Raum- oder Stadtluft unter Bereitstellung mindestens einer Wertstofffraktion eine gemeinsame Vorrichtung zur Abscheidung von Partikeln mit einer Partikel große von mindestens 10 mih auf, die die zu reinigende Luft von größeren Partikeln in der Zuluft befreit. Gemäß diesen bevorzugten Ausführungsformen weist demnach nicht jede erfmdungsgemäße Vorrichtung der erfmdungsgemäßen Anlage einen eigenen Lüfter oder Kompressor und/oder eine eigene Vorrichtung zur Abscheidung von Partikeln mit einer Partikel große von mindestens 10 mih auf.
Durch die Anordnung der mindestens zwei erfmdungsgemäßen Vorrichtungen übereinander und damit verbunden eine hauptsächlich vertikale Erstreckung der Anlage wird vorteilhafterweise ein insbesondere in Städten aufgrund des oftmals begrenzten Raumangebots bevorzugter oder gar erforderlicher raumsparender Betrieb der Anlage ermöglicht. Ferner kann durch die Anordnung der jeweils mindestens zwei erfindungsgemäßen Vorrichtungen übereinander und jeweils verdreht zueinander eine effiziente Ausnutzung des natürlichen Sonnenlichts über den gesamten Verlauf des Tages erreicht werden.
Die vorstehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren getroffenen Aussagen und beschriebenen Ausführungsformen gelten mutatis mutandis auch für die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und die erfindungsgemäße Anlage zur Aufreinigung von Raum- oder Stadtluft und umgekehrt.
Der Begriff „Photobioreaktor“ bezeichnet im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ein Bioreaktor oder Fermenter der zur Kultivierung von photoautotrophen Organismen, insbesondere photoautotrophen Mikroalgen, geeignet ist. Ein besonderes Merkmal eines erfindungsgemäßen Photobioreaktors ist die Durchlässigkeit des Reaktors, insbesondere der Reaktorwände, für Licht, welches von den in dem Photobioreaktor enthaltenen photoautotrophen Organismen zur Photosynthese genutzt werden kann.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff „Wertstofffraktion“ eine Gruppe an Stoffen verstanden, die sich dadurch auszeichnet, für eine bestimmte Nutzung von besonderem Wert zu sein. Insbesondere bezeichnet der Begriff die im erfindungsgemäßen Verfahren gebildete Biomasse an Mikroalgen, sowie die von diesen gebildeten energiereichen organischen Verbindungen, insbesondere Speicherstoffe, die nach Ernte der photoautotrophen Mikroalgen als regenerierbarer Energieträger beispielsweise für Biogasanlagen oder für die Herstellung von Biodiesel zur Verfügung stehen. Die besondere Wertigkeit der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gebildeten Wertstofffraktion ergibt sich dabei insbesondere aus dem Vorhegen von akkumulierten Speicherstoffen, insbesondere von Kohlenhydraten und Lipiden, die eine hohe Energiedichte aufweisen und bevorzugt einen geringen Gehalt an Stickstoff, Schwefel und Phosphor haben, besonders bevorzugt frei von Stickstoff, Schwefel und Phosphor sind. Der hohe Anteil dieser Speicherstoffe in der Biomasse erleichtert dabei zusätzlich deren ökonomische Verwertung. Sekundärmetabolite, die ebenfalls unter Wachstumslimitierung durch Phosphor gebildet werden können, sind häufig pharmakologisch interessante Verbindungen, die beispielsweise Konkurrenzorganismen am Wachstum hindern können. Der Wert solcher Stoffe kann den Wert der Speicherstoffe in der Wertstofffraktion wesentlich übersteigen. Der Begriff „Anfangs-Biomassenkonzentration“ bezeichnet im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung die zu Beginn des Verfahrens in dem mindestens einen Photobioreaktor vorliegende Konzentration an Mikroalgen in der mindestens einen Mikroalgenkultur. Dabei hängt die Wahl einer geeigneten „Anfangs-Biomassekonzentration“ von unterschiedlichen Faktoren ab, wie Art der verwendeten Mikroalgen, Temperatur, Lichtintensität, CO2- und NOx- Konzentration.
Unter der Bezeichnung „Schwellen-Biomassekonzentration“ wird erfindungsgemäß eine während der Kultivierung in dem mindestens einen Photobioreaktor gemäß Schritt b) erreichte Konzentration an Mikroalgen in dem mindestens einen Photobioreaktor bezeichnet, ab der eine Wachstumshemmung durch Phosphor-Limitierung und/oder durch Anwesenheit einer wachstumshemmenden Konzentration eines Stoffes erfolgt.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einer „End- Biomassekonzentration“ die Konzentration an Mikroalgen in dem mindestens einen Photobioreaktor bezeichnet bis zu der eine Kultivierung der mindestens einen Mikroalgenkultur unter Phosphor-Limitierung und in Anwesenheit der vorgereinigten Zuluft gemäß Schritt c) erfolgt. Bevorzugt erfolgt beim Erreichen der „End-Biomassekonzentration“ die Ernte zumindest eines Teils der Mikroalgen der mindestens einen Mikroalgenkultur.
Der Begriff „unialgale Kultur“ bezeichnet im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung eine Mikroalgenkultur, in der nur eine einzige Algenart vorkommt. Der Begriff schließt demnach nicht aus, dass in der Mikroalgenkultur neben der betreffenden Algenart noch weitere Organismen, beispielsweise Bakterien, vorliegen.
Unter dem Begriff „axenische Kultur“ wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung eine Reinkultur verstanden. Der Begriff bezeichnet demnach eine Mikroalgenkultur, in der nur eine einzige Algenart vorkommt, wobei neben der betreffenden Algenart keine weiteren Organismen, insbesondere keine Bakterien, in der Kultur vorliegen.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter den Begriffen „umfassend“ und „aufweisend“ verstanden, dass zusätzlich zu den von diesen Begriffen explizit erfassten Elementen noch weitere, nicht explizit genannte Elemente hinzutreten können. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter diesen Begriffen auch verstanden, dass allein die explizit genannten Elemente erfasst werden und keine weiteren Elemente vorliegen. In dieser besonderen Ausführungsform ist die Bedeutung der Begriffe „umfassend“ und „aufweisend“ gleichbedeutend mit dem Begriff „bestehend aus“. Darüber hinaus erfassen die Begriffe „umfassend“ und „aufweisend“ auch Zusammensetzungen, die neben den explizit genannten Elementen auch weitere nicht genannte Elemente enthalten, die jedoch von funktionell und qualitativ untergeordneter Natur sind. In dieser Ausführungsform sind die Begriffe „umfassend“ und „aufweisend“ gleichbedeutend mit dem Begriff „im Wesentlichen bestehend aus“.
Unter dem Begriff „und/oder“ wird in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verstanden, dass alle Mitglieder einer Gruppe, welche durch den Begriff „und/oder“ verbunden sind, sowohl alternativ zueinander als auch jeweils untereinander kumulativ in einer beliebigen Kombination offenbart sind. Dies bedeutet für den Ausdruck „A, B und/oder C“, dass folgender Offenbarungsgehalt darunter zu verstehen ist: a) A oder B oder C oder b) (A und B) oder c) (A und C) oder d) (B und C) oder e) (A und B und C).
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand eines Beispiels und der Figuren näher erläutert.
Dabei zeigt
Figur 1 zwei schematische Darstellungen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Aufreinigung von Raum- oder Stadtluft (1) mit zur Veranschaulichung transparent dargestelltem Gehäuse (11) (Figur 1A) und mit Gehäuse (11) (Figur 1B). Bei der dargestellte Ausführungsform der Vorrichtung zur Aufreinigung von Raum- oder Stadtluft (1) tritt zu reinigende Luft über einen Lufteinlass (2) in die Vorrichtung ein und passiert zur Vorreinigung der Zuluft zunächst einen Grobfilter (3) und einen Sterilfilter (4). Im unteren Bereich der Vorrichtung sind diverse Maschinenkomponenten und die Maschinensteuerung (5) untergebracht. Die vorgereinigte Zuluft wird über einen Luftverteiler (6) den parallel zueinander angeordneten Photobioreaktoren mit LED-Beleuchtung (7) zugeführt. Nach Durchströmen der Photobioreaktoren mit LED-Beleuchtung (7) wird die aufgereinigte Luft (Abluft) über Luftrückführungen (8) einer Vorrichtung zur Luftaufbereitung und -kondensation (9) zugeführt und die aufbereitete, gereinigte und mit Sauerstoff angereicherte Abluft über einen Luftauslass (10) wieder freigesetzt.
Figur 2 zwei perspektivische schematische Darstellungen einer erfindungsgemäßen
Anlage zur Aufreinigung von Raum- oder Stadtluft (100) umfassend drei übereinander und jeweils um 90° verdreht zueinander angeordnete erfindungsgemäße Vorrichtungen zur Aufreinigung von Raum- oder Stadtluft (104, 105, 106). In Betrieb der dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage (100) wird den drei erfindungsgemäßen Vorrichtungen (104, 105, 106) über einen Lufteinlass (101) und ein vertikal angeordnetes Saugrohr mit Grobfilter (102) zu reinigende Luft zugeführt. Nach dem Durchströmen der jeweils fünf parallel zueinander angeordneten Photobioreaktoren der drei erfindungsgemäßen Vorrichtungen (104, 105, 106) wird die gereinigte und mit Sauerstoff angereicherte Luft über eine Luftrückführung (107) und einen Luftauslass (108) wieder freigesetzt. In der Luftrückführung (107) erfolgt bevorzugt eine Kondensation des in der Abluft enthaltenen Wassers, das anschließend in die Photobioreaktoren zurückgeführt wird. Im unteren Bereich der dargestellten Anlage (100) sind die Maschinenkomponenten und die Maschinensteuerung (103) der Anlage (100) untergebracht.
Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung zur Aufreinigung von Raum- oder Stadtluft
2 Lufteinlass
3 Grobfilter
4 Sterilfilter
5 Maschinenkomponenten und Maschinensteuerung
6 Luftverteiler
7 Photobioreaktoren mit LED-Beleuchtung
8 Luftrückführung
9 Luftaufbereitung und -kondensation
10 Luftauslass
11 Gehäuse 100 Anlage zur Aufreinigung von Raum- oder Stadtluft
101 Lufteinlass
102 Saugrohr mit Grobfilter
103 Maschinenkomponenten und Maschinensteuerung
104 Vorrichtungen zur Aufreinigung von Raum- oder Stadtluft
105 Vorrichtungen zur Aufreinigung von Raum- oder Stadtluft
106 Vorrichtungen zur Aufreinigung von Raum- oder Stadtluft
107 Luftrückführung
108 Luftauslass
Beispiel:
Assimilierung von CO2 aus Zuluft mittels eines Photobioreaktors
Zur Bestimmung der Reinigungsleistung eines Mikroalgen enthaltenden Photobioreaktors wurde die Abnahme der CCL-Konzentration bei zwei unterschiedlichen Eingangskonzentrationen an CO2 in der Zuluft bestimmt.
Dazu wurde ein Photobioreaktor mit einem Arbeitsvolumen von 24,5 L eingesetzt. Als photoautotropher Mikroorganismen wurde eine axenische Kultur der Grünalge Chlorella vulgaris verwendet. Der in die Mikroalgenkultur eingeleitete Gasvolumenstrom betrug 550 L/h was einem Gasdurchsatz von 0,37 vvm (Vol. Luft / Vol. Kulturmedium / min) entsprach. Die Kultivierung der Mikroalgen erfolgte bei einer Temperatur von 24,2 ± 0,7 °C. Die verwendete Photonenflussdichte (Lichtintensität) betrug 380 pmol m 2 s 1 und wurde kontinuierlich mittels einer Hochdruck-Natriumdampflampe bereitgestellt. Das Kulturmedium setzte sich wie folgt zusammen: 0,56 g/L CaCh, 3,5 g/L Ocean Instant, 2,46 g/L MgS04 x 7 H2O, 5 mg/L C0SO4 x 7 H20, 0,5 mg/L CuS04 x 5 H20, 20 mg/L MnCh x 4 H20, 5 mg/L Na2Mo04 x 2 H20, 5 mg/L ZnS04 x 7 H2O, 11,75 mg/L Ck.H FeO? x H2O. Der pH-Wert schwankte während der Kultivierung in einem Bereich von 7,4 bis 8,5. Der für das Wachstum der Mikroalgen erforderliche Stickstoff wurde im vorliegenden Beispiel in Form von MHHCCh bereitgestellt, wobei die Zielkonzentration an Ammonium im Medium 300 mg/L betrug. Als Phosphorquelle diente ein Puffer aus KH2PO4 und K2HPO4 mit einer Phosphat-Zielkonzentration im Medium von 200 mg/L. Die Anfangs-Biomassekonzentration wurde auf 2 g/L eingestellt. Die Kultivierung der Mikroalgen im Photobioreaktor erfolgte bis zu einer Biomassekonzentration von 4,6 g/L. Die Ergebnisse des Versuchs sind in Tabelle 1 dargestellt.
Tabelle 1: CCE-Assimilierung durch Mikroalgen
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Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Aufreinigung von Raum- oder Stadtluft unter Bereitstellung mindestens einer Wertstofffraktion in einer Vorrichtung zur Aufreinigung von Raum- oder Stadtluft enthaltend mindestens einen Photobioreaktor, umfassend die Schritte: a) Vorreinigung von Raum- oder Stadtluft mittels Abscheidung von Partikeln mit einer Partikel große von mindestens 10 gm zum Erhalt einer vorgereinigten Zuluft, b) Kultivierung mindestens einer Mikroalgenkultur in dem mindestens einen Photobioreaktor in Anwesenheit der vorgereinigten Zuluft und einer Phosphor-haltigen Komponente bis zum Erreichen einer Schwellen-Biomassekonzentration der Mikroalgenkultur von 2 bis 10 g/L, c) Kultivierung der mindestens einen eine Schwellen-Biomassenkonzentration von 2 bis 10 g/L aufweisenden Mikroalgenkultur unter Phosphor-Limitierung und in Anwesenheit der vorgereinigten Zuluft bis zu einer End-Biomassekonzentration von 9 bis 20 g/L und d) Erhalt einer aufgereinigten Raum- oder Stadtluft und mindestens einer Wertstofffraktion.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in den mindestens einen mindestens eine Mikroalgenkultur enthaltenden Photobioreaktor kontinuierlich vorgereinigte Luft eingeleitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kultivierung in Schritt c) in Anwesenheit einer wachstumshemmenden Menge eines Stoffes erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kultivierung der mindestens einen Mikroalgenkultur in Schritt b) und/oder Schritt c) unter Zuschaltung von künstlichem Licht, insbesondere LED-Licht, erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die in den Schritten a) bis d) aufgereinigte Raum- oder Stadtluft nach Verlassen des mindestens einen Photobioreaktors auf eine Luftfeuchtigkeit von 40 bis 60% eingestellt wird und abgeschiedenes Wasser in den mindestens einen Photobioreaktor zurückgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die in den Schritten a) bis d) aufgereinigte Raum- oder Stadtluft nach Verlassen des mindestens einen Photobioreaktors mindestens einen Hygienefilter passiert.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine in Schritt b) in dem mindestens einen Photobioreaktor zu kultivierende Mikroalgenkultur eine Anfangs-Biomassekonzentration von mindestens 0,2 g/L, bevorzugt mindestens 0,5 g/L, bevorzugt mindestens 1,0 g/L, bevorzugt mindestens 1,5 g/L, aufweist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei der mindestens einen Mikroalgenkultur um eine unialgale Kultur, bevorzugt axenische Kultur, handelt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die unialgale Kultur, bevorzugt axenische Kultur, ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Chlorella, Chlamydomonas, Phaeodactylum, Nannochloropsis, Haematococcus, Diacronema, Synechococcus, Thermosynechococcus, Synechocystis, Porphyridium, Microchloropsis, Scenedesmus und Dunaliella.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei der mindestens einen Mikroalgenkultur um eine Mischkultur handelt.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem mindestens einen Photobioreaktor um einen Airlift-Photobioreaktor handelt.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Photobioreaktor der Vorrichtung austauschbar ist.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die mindestens eine Mikroalgenkultur nach Schritt d) durch Austausch mindestens eines Photobioreaktors der Vorrichtung geerntet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei ein Austausch mindestens eines Photobioreaktors im laufenden Betrieb der Vorrichtung erfolgen kann.
15. Wertstofffraktion erhältlich aus einem der Verfahren der Ansprüche 1 bis 14.
16. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14, umfassend i) mindestens einen Einlass für Raum- oder Stadtluft, ii) mindestens eine Vorrichtung zur Abscheidung von Partikeln mit einer Partikelgröße von mindestens 10 gm, iii) mindestens einen Photobioreaktor und iv) mindestens einen Auslass für aufgereinigte Raum- oder Stadtluft, wobei der mindestens eine Photobioreaktor der Vorrichtung austauschbar ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Vorrichtung mindestens zwei Photobioreaktoren umfasst, von denen mindestens ein Photobioreaktor austauschbar ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, wobei die Vorrichtung mindestens eine künstliche Lichtquelle umfasst.
19. Anlage zur Aufreinigung von Raum- oder Stadtluft unter Bereitstellung mindestens einer Wertstofffraktion, umfassend mindestens zwei Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei die mindestens zwei Vorrichtungen in der Anlage übereinander und jeweils verdreht zueinander angeordnet sind.
20. Anlage nach Anspruch 19, wobei die mindestens zwei Vorrichtungen in der Anlage übereinander und jeweils um mindestens 30°, bevorzugt mindestens 45°, bevorzugt mindestens 60°, bevorzugt um mindestens 75°, bevorzugt um mindestens 90°, verdreht zueinander angeordnet sind.
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