WO2023057611A1 - Bioreactor - Google Patents

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WO2023057611A1
WO2023057611A1 PCT/EP2022/077902 EP2022077902W WO2023057611A1 WO 2023057611 A1 WO2023057611 A1 WO 2023057611A1 EP 2022077902 W EP2022077902 W EP 2022077902W WO 2023057611 A1 WO2023057611 A1 WO 2023057611A1
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WO
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light
container
bioreactor
medium
plate
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Application number
PCT/EP2022/077902
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German (de)
French (fr)
Inventor
Thomas Emde
Christoph Petersen
Original Assignee
Lightpat Gmbh
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Publication date
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    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12MAPPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/02Photobioreactors
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A01AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01HNEW PLANTS OR NON-TRANSGENIC PROCESSES FOR OBTAINING THEM; PLANT REPRODUCTION BY TISSUE CULTURE TECHNIQUES
    • A01H4/00Plant reproduction by tissue culture techniques ; Tissue culture techniques therefor
    • A01H4/005Methods for micropropagation; Vegetative plant propagation using cell or tissue culture techniques
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C12MAPPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/02Form or structure of the vessel
    • C12M23/12Well or multiwell plates
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12MAPPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/34Internal compartments or partitions
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C12MAPPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M31/00Means for providing, directing, scattering or concentrating light
    • C12M31/08Means for providing, directing, scattering or concentrating light by conducting or reflecting elements located inside the reactor or in its structure
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C12M31/00Means for providing, directing, scattering or concentrating light
    • C12M31/10Means for providing, directing, scattering or concentrating light by light emitting elements located inside the reactor, e.g. LED or OLED

Definitions

  • the present invention relates to a bioreactor which comprises a container which accommodates phototrophic organisms, microorganisms or plants, wherein at least one light source which emits light in frequencies suitable for the organisms, microorganisms or plants is assigned to the bioreactor.
  • a bioreactor is known from EP 3 167 042 B1, which is used, for example, for the phototrophic cultivation of algae or cyanobacteria.
  • species of algae are known to produce astaxanthin. Astaxanthin is a xanthophyll colourant, a powerful antioxidant and is considered a valuable food colourant, approved by the European Commission under the designation E161j. Astaxanthin is also added to fish feed in salmon farming and is required in relatively large quantities.
  • Lighting systems are also used in plant breeding, for example in the cultivation of tomato plants in greenhouses, with LED lights or alternatively also high-pressure sodium lights being used here as a rule.
  • the procedure to date has been to arrange one or, as a rule, several lighting devices or lamps at a distance from the bioreactor or from the plants, so that the Light from the lighting device is emitted onto the bioreactor or the plant. If microorganisms that are in a suitable nutrient medium inside a bioreactor are irradiated with light from such a light source from outside the bioreactor, the lighting device must be at a certain distance from the bioreactor and the light must also penetrate the wall of the bioreactor , so that light losses occur through light scattering, reflection and absorption.
  • light sources such as LEDs generate a high proportion of thermal energy, which requires a corresponding distance from the bioreactor or heat has to be dissipated become. Due to the loss of light and the conversion into heat energy, such a system is not optimized in terms of energy, since only a proportion of the energy used is used for the light that ultimately irradiates the microorganisms.
  • the necessary distance between the lighting device and the bioreactor that is irradiated with light leads to the fact that, in the case of larger systems, a considerable amount of space is required, which significantly exceeds the space required by the bioreactors themselves.
  • a light that is as uniform as possible, ie homogeneous is advantageous for the illumination of microorganisms and plants.
  • the object of the invention is to provide a bioreactor of the type mentioned at the outset, which brings the light source closer to the irradiated microorganisms or plants, so that the light is used more effectively and energy is thus also saved.
  • At least partial areas of the container itself or of built-in components within the container are designed to be self-luminous and consist either of a light-conducting, transparent or translucent material or at least comprise a flat or punctiform light source integrated into the partial area of the container.
  • the solution according to the invention is advantageous because the light is not radiated from outside the reactor over a distance into the interior of the reactor, whereby light components are lost through light scattering, reflection and absorption, but the light sources are in the reactor itself in the immediate vicinity of the microorganisms or plants are located and can irradiate the microorganisms or plants via flat structures, which means that there is hardly any loss of light and a high level of efficiency is achieved.
  • At least one plate-shaped outer wall surface, floor surface, ceiling surface or inner surface of the container and/or at least one tubular channel or a hollow profile, which is/are arranged in the container is at least partially made of a light-conducting glass or consists of plastic, with light being fed into this plate-shaped surface and/or in this tubular channel via at least one illuminant, which light is guided in the plate-shaped surface and/or in the tubular channel, the light being emitted via scattering means from the plate-shaped surface and/or is decoupled from the tubular channel or hollow profile.
  • parts of the container of the bioreactor such as wall surfaces, floor surfaces, etc. are used as plate-shaped light guides, into which light is radiated, for example from the front, via lamps, which is then guided in these surfaces and is coupled out via the surface.
  • the scattering means used for this purpose can be located in the plates, for example as light-scattering microparticles, or the surfaces are printed with light-scattering grids, for example.
  • the surfaces can also be engraved or milled, for example with light-scattering grids or structures.
  • structures built into the container can also be designed in the form of light-conducting surfaces or also channels.
  • tubular channels through which a medium flows in the container can be used as light guides and the light can thus be brought into the immediate vicinity of the microorganisms that are in the medium flowing in the container.
  • the heating of the structures serving as light guides is lower anyway, since the heat is distributed in the structure, compared to the immediate vicinity of a point light source.
  • At least one plate-shaped outer wall surface, floor surface, ceiling surface or inner surface of the container and/or at least one tubular channel, which is arranged in the container consists at least partially of an OLED panel or an OLED film or an OLED -Panel is attached to one of these plate-shaped surfaces.
  • Such OLED panels can be attached to any surface of the container and the microorganisms can be irradiated with light from close proximity, or if it is OLED foils and therefore flexible OLEDs, they can also be attached to cylindrical structures such as tubular channels and on these For example, channels through which the medium containing the microorganisms flows can be used directly as light sources and made self-luminous.
  • micro- or nanoparticles can be provided as the scattering agent, which are embedded in the plastic material or in the glass of the plate-shaped surface and/or the tubular channel and result in a uniform light emission over the entire outer and in the case of tubular channels, optionally also via the inner surface of the light guides, past which the medium containing the microorganisms flows.
  • plastics or also glass can be considered as materials for the light guides, with some types of glass being less suitable if they absorb light in certain wavelength ranges that are needed for the microorganisms to be exposed to them.
  • the person skilled in the art will therefore select a type of glass that is suitable for the respective application.
  • So-called acrylic glass is particularly suitable as the plastic material, ie polymethyl methacrylate or, for example, polycarbonate.
  • channels can be created in which the medium flowing through the channels is irradiated with light in the desired frequency or a defined frequency spectrum both from the inside and from the outside.
  • the lighting means light can be fed into the light-guiding structures that has a wavelength distribution similar to that of natural daylight or others Applications largely monochromatic light in a wavelength that is specifically tailored to the respective microorganisms or plants.
  • the container has planar built-in components that protrude inward from a wall surface at an angle and form flow obstacles for a medium flowing through the reactor and are surrounded by this medium, with these flat built-in components consisting of a light-conducting glass or plastic, comprise an OLED panel or an OLED film or an OLED panel or an OLED film is attached to them.
  • These inwardly protruding, flat installations represent flow obstacles for the flowing medium, through which the total distance covered by the medium when flowing through the container is lengthened, the flow is slowed down and the dwell time of the medium is increased. This also intensifies the irradiation of the microorganisms.
  • OLED panels or OLED foils has the advantage that, due to their structure, OLED lamps are already flat light sources with a uniform light output over the surface, so that light deflection or the use of scattering agents is always associated with a loss of light is not required.
  • the luminance and light intensity of OLEDs are generally lower than those of point light sources such as LEDs, which is not a disadvantage in the present application, but rather an advantage, since high luminance levels are usually not required for the irradiation of the microorganisms.
  • OLEDs there is no need to convert the light that is emitted primarily in a point form by the lighting means into planar light, as a result of which light losses are avoided.
  • the aforementioned flat built-in components which project inward at an angle, are often used in bioreactors of this type in order to slow down the flow of the medium through the container.
  • the invention therefore uses these internals for irradiating the microorganisms with light by making the internals self-luminous and light-emitting.
  • the internals can each start alternately from a first wall surface and a second wall surface opposite this first wall surface and each end at a distance in front of the wall surface opposite the wall surface from which they start, with the internals being essentially transverse to the main flow of the medium flowing through the container extend so that the medium flowing through the container is forced into a meandering flow along the internals.
  • the particular advantage of the solution according to the invention is that the light source is located in the reactor vessel itself, so that the light emitted by the self-luminous surfaces or tubular channels is used entirely for the irradiation of the microorganisms and no light is lost through emission into the environment of the reactor .
  • light-scattering or reflecting particles can also be located in the medium itself. In this way, the medium itself can become an additional and complementary element of the light guide.
  • a preferred alternative variant of the solution to the problem according to the invention provides that the bioreactor accommodates plants that are conveyed in the axial direction through self-luminous tubular, approximately horizontal channels or hollow profiles of the bioreactor, the tubular channels or hollow profiles being fed by a gaseous medium and/or by a liquid medium are flowed through, the liquid medium in particular washes around the root area of the plants.
  • a gaseous medium can be located above a liquid medium, for example a nutrient solution, so that the plants are in an artificial atmosphere in the area of their green shoots and absorb CO2 for photosynthesis, for example.
  • a specially tuned gas mixture can be used for the artificial atmosphere.
  • the plants can be irradiated with light via the walls of the self-luminous tubular channels.
  • the plants can be irradiated with light not only from above but also from below.
  • the tubular channels or hollow profiles can have any desired cross-section, ie, for example, a round cross-section or else an angular or polygonal cross-section or a cross-section of geometrically irregular shape.
  • this variant can be used for the cultivation of any plants, for example lettuce, vegetable plants or herbs.
  • the bioreactor according to the invention can have different geometric shapes and cross sections.
  • it can be a cuboid container with a rectangular cross section or a prismatic or cylindrical container with a polygonal, round, oval or elliptical cross section.
  • the bioreactor has tubular channels or cavities or only consists of such a channel or cavity, these channels or cavities through which a medium (nutrient medium) flows can also have any desired cross section exhibit and also a very variable geometric shape.
  • a channel or cavity forming a flow path may be arranged in a helicoidal or spiral configuration.
  • the flat internals mentioned above which emit light (they are luminous or can be illuminated themselves) and form flow obstacles for a medium flowing through the bioreactor, can consist of flat plates which, for example, protrude into the reactor at an angle, as described above, they However, they can also be designed as curved surfaces and have a wave shape, for example, especially when viewed in the direction of flow of the medium and/or the longitudinal direction of the reactor, so that in this variant too the medium flowing through the reactor meanders along the wave shape through the reactor.
  • FIG. 1 shows a schematically simplified vertical longitudinal section through the container of a bioreactor according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows an enlarged detail section II from FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a simplified longitudinal section through a tubular channel with self-illuminating walls according to an alternative exemplary variant of the present invention
  • FIG. 4 shows a schematic perspective view of an alternative reactor with corrugated internals
  • FIG. 5 shows an alternative embodiment variant in which the bioreactor has the external shape of a snail
  • FIG. 6 shows an alternative embodiment of a bioreactor which has the external shape of a spiral.
  • the container 10 has, for example, an approximately rectangular longitudinal section and has two parallel opposite vertical side walls 11, 12, an approximately horizontal bottom 13 connected to the two side walls 11, 12 in each case at the lower end and an approximately horizontal bottom 13 connected to the two side walls 11, 12 in each case at the upper end horizontal ceiling 14.
  • In the area of the floor 13 there is an inlet opening 15 for a liquid medium which flows into the container 10 and flows through the container from the bottom to the top.
  • the medium can leave the container 10 through an outlet opening 16 at the upper end in the cover 14 .
  • This liquid medium contains, for example, microalgae that produce a dye and for which the liquid medium serves as a nutrient. These microalgae are irradiated with light inside the container 10 according to the present invention.
  • the container 10 also has built-in components in the form of a plurality of horizontal plates 17, 18, 19 spaced apart from one another, each of which protrudes approximately horizontally from one of the two side walls 11, 12 into the interior of the container 10.
  • These horizontal plates 17, 18, 19 are arranged in the interior of the container 10 such that they are each firmly connected to one of the side walls 11, 12, protrude from this into the interior of the container and at a distance in front of the opposite side wall 11, 12 ends.
  • the arrangement of the adjacent side walls is preferably alternating, so that one plate 18 starts, for example, from the left side wall 11 and ends at a distance in front of the right side wall 12, while the next plate 19 arranged above it starts from the right side wall 12 and at a distance before the left side wall 11 ends.
  • flat OLED panels can also be used, for example, which are attached to the walls 11, 12 and fixtures 17, 18, 19 or on the floor 13 and ceiling 14 or are embedded in these elements and also emit light evenly over the surrender area. This ensures that the microorganisms in the medium are constantly and evenly irradiated with light from all sides as they slowly flow through the container.
  • tubular channels 30 extend in the bioreactor, which can extend vertically but also horizontally, depending on the application. With a vertical arrangement, the tubular channels 30 can be flowed through by a liquid medium, with a horizontal arrangement, the tubular channels can only partially be flowed through by a liquid medium, for example only in the lower third or in the lower half and a gaseous atmosphere can develop above this condition. Only a single tubular channel 30 is shown in the drawing in FIG.
  • these connectors are advantageously arranged so that the connectors 33 of the inner tube 31 are arranged offset to the connectors 34 of the outer tubes 32 viewed in the axial direction It is thus achieved that the shadows that result in the area of the connectors if they are not light-conducting are located in the inner tube 31 at a point where there is no connector 34 in the outer tube 32 and thus the Plants or microorganisms are then irradiated with light from the outside at a connector 33 on the inner tube 31 and correspondingly at a connector 34 on outer tube 32 from the inside. It can be seen in FIG.
  • the tubes 31, 32 are arranged vertically as in FIG partially block the cross section of the cavity 35 and thus force the flowing medium into a slow meandering flow.
  • the arrangement of the internals 36 can be such that they partially adjoin the wall of the outer tube 32 and are open towards the inner tube 31 and partially conversely adjoin the inner tube 31 and are open towards the outer tube 32, preferably at internals 36 that follow one another in the flow direction alternately.
  • FIG 4 shows an exemplary alternative embodiment of a bioreactor 10 according to the invention, in which this plate-shaped self-luminous fixtures 38 have a wave shape, so that the medium flowing through the bioreactor 10 is forced into a meandering flow with a correspondingly longer flow path, in which the microorganisms are in each case directly acted upon by the light which the built-in components 38 emit.
  • FIG. 5 shows a further exemplary alternative embodiment of a bioreactor 37 according to the invention, in which it has the external shape of a snail. Inside there are in turn plate-shaped fixtures 17, 18, which alternately protrude inwards from one or the other side wall of the reactor, so that the medium flows past these fixtures 17, 18 and has to cover a longer flow path.
  • FIG. 6 shows a further exemplary alternative embodiment in which the bioreactor 39 forms a tubular channel through which the medium flows and has the shape of a spiral, which also results in a longer flow path that the medium has to cover.

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Abstract

The present invention relates to a bioreactor comprising a vessel (10), which receives phototrophic organisms, microorganisms or plants, wherein the bioreactor is assigned at least one light source which emits light at frequencies suitable for the microorganisms or plants, wherein according to the invention at least partial regions of the vessel (10) itself or of fittings (17, 18, 19) within the vessel (10) are designed to be self-luminous and, for this purpose, either consist of a light-guiding transparent or translucent material or comprise at least one planar or punctiform illuminant integrated into the partial region of the vessel or into the fittings.

Description

lightpat GmbH lightpat GmbH
Friedberger Landstraße 645 Friedberger Landstrasse 645
60389 Frankfurt 60389 Frankfurt
Bioreaktor bioreactor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Bioreaktor, welcher ein Behältnis umfasst, das phototrophe Lebewesen, Mikroorganismen oder Pflanzen aufnimmt, wobei dem Bioreaktor wenigstens eine Lichtquelle zugeordnet ist, welche Licht in für die Lebewesen, Mikroorganismen oder Pflanzen geeigneten Frequenzen abstrahlt. The present invention relates to a bioreactor which comprises a container which accommodates phototrophic organisms, microorganisms or plants, wherein at least one light source which emits light in frequencies suitable for the organisms, microorganisms or plants is assigned to the bioreactor.
Aus der EP 3 167 042 B1 ist beispielsweise ein Bioreaktor bekannt, welcher beispielsweise für die phototrophe Züchtung von Algen oder Cyanobakterien eingesetzt wird. Es sind beispielsweise Algenarten bekannt, die Astaxanthin produzieren. Bei Astaxanthin handelt es sich um einen Xanthophyll-Farbstoff, ein starkes Antioxidans und wird als wertvoller Lebensmittelfarbstoff angesehen, der von der Europäischen Kommission unter der Bezeichnung E161 j zugelassen ist. Astaxanthin wird auch dem Fischfutter in der Lachszucht zugesetzt und in verhältnismäßig großen Mengen benötigt. For example, a bioreactor is known from EP 3 167 042 B1, which is used, for example, for the phototrophic cultivation of algae or cyanobacteria. For example, species of algae are known to produce astaxanthin. Astaxanthin is a xanthophyll colourant, a powerful antioxidant and is considered a valuable food colourant, approved by the European Commission under the designation E161j. Astaxanthin is also added to fish feed in salmon farming and is required in relatively large quantities.
Auch in der Pflanzenzucht, beispielsweise in der Aufzucht von Tomatenpflanzen in Gewächshäusern, werden Beleuchtungssysteme eingesetzt, wobei hier in aller Regel LED- Leuchten oder alternativ auch Natriumhochdruckleuchten verwendet werden. Lighting systems are also used in plant breeding, for example in the cultivation of tomato plants in greenhouses, with LED lights or alternatively also high-pressure sodium lights being used here as a rule.
Bei allen vorgenannten Anwendungen, bei denen eine Lichtquelle für die Bestrahlung der Mikroorganismen oder Pflanzen benötigt wird, geht man bislang so vor, dass man eine oder in der Regel mehrere Beleuchtungsvorrichtungen oder Leuchtmittel mit Abstand von dem Bioreaktor oder von den Pflanzen anordnet, so dass das Licht der Beleuchtungsvorrichtung auf den Bioreaktor oder die Pflanze hin abgestrahlt wird. Wenn man Mikroorganismen, die sich in einem geeigneten Nährmedium im Inneren eines Bioreaktors befinden, von außerhalb des Bioreaktors hier mit Licht aus einer solchen Lichtquelle bestrahlt, muss die Beleuchtungsvorrichtung einen gewissen Abstand zu dem Bioreaktor aufweisen und außerdem muss das Licht noch die Wandung des Bioreaktors durchdringen, so dass es zu Lichtverlusten durch Lichtstreuung, Reflexion und Absorption kommt. Zudem erzeugen Leuchtmittel wie beispielsweise LEDs einen hohen Anteil an Wärmeenergie, die einen entsprechenden Abstand zu dem Bioreaktor erfordert oder es muss Wärme abgeführt werden. Durch die Lichtverluste und die Umwandlung in Wärmeenergie ist somit ein solches System energetisch nicht optimiert, da nur ein Anteil der aufgewandten Energie für dasjenige Licht eingesetzt wird, welches letztlich die Mikroorganismen bestrahlt. Zudem führt der notwendige Abstand zwischen der Beleuchtungsvorrichtung und dem mit Licht bestrahlten Bioreaktor dazu, dass bei größeren Anlagen ein erheblicher Platzbedarf entsteht, der wesentlich über denjenigen Platz hinausgeht, den die Bioreaktoren selbst benötigen. Außerdem ist für die Beleuchtung von Mikroorganismen und Pflanzen ein möglichst gleichmäßiges, das heißt homogenes Licht von Vorteil. In all of the aforementioned applications in which a light source is required for the irradiation of the microorganisms or plants, the procedure to date has been to arrange one or, as a rule, several lighting devices or lamps at a distance from the bioreactor or from the plants, so that the Light from the lighting device is emitted onto the bioreactor or the plant. If microorganisms that are in a suitable nutrient medium inside a bioreactor are irradiated with light from such a light source from outside the bioreactor, the lighting device must be at a certain distance from the bioreactor and the light must also penetrate the wall of the bioreactor , so that light losses occur through light scattering, reflection and absorption. In addition, light sources such as LEDs generate a high proportion of thermal energy, which requires a corresponding distance from the bioreactor or heat has to be dissipated become. Due to the loss of light and the conversion into heat energy, such a system is not optimized in terms of energy, since only a proportion of the energy used is used for the light that ultimately irradiates the microorganisms. In addition, the necessary distance between the lighting device and the bioreactor that is irradiated with light leads to the fact that, in the case of larger systems, a considerable amount of space is required, which significantly exceeds the space required by the bioreactors themselves. In addition, for the illumination of microorganisms and plants, a light that is as uniform as possible, ie homogeneous, is advantageous.
Hier setzt die vorliegende Erfindung ein. Aufgabe der Erfindung ist es, einen Bioreaktor der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, welcher die Lichtquelle näher an die bestrahlten Mikroorganismen oder Pflanzen heranbringt, so dass eine effektivere Nutzung des Lichts gegeben ist und somit auch Energie eingespart wird. This is where the present invention comes in. The object of the invention is to provide a bioreactor of the type mentioned at the outset, which brings the light source closer to the irradiated microorganisms or plants, so that the light is used more effectively and energy is thus also saved.
Die Lösung der vorgenannten Aufgabe liefert ein Bioreaktor der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1. The solution to the above problem is provided by a bioreactor of the type mentioned at the beginning with the features of claim 1.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass wenigstens Teilbereiche des Behältnisses selbst oder von Einbauten innerhalb des Behältnisses selbstleuchtend ausgebildet sind und dazu entweder aus einem Licht leitenden transparenten oder transluzenten Material bestehen oder wenigstens ein in den Teilbereich des Behältnisses integriertes flächiges oder punktförmiges Leuchtmittel umfassen. According to the invention, at least partial areas of the container itself or of built-in components within the container are designed to be self-luminous and consist either of a light-conducting, transparent or translucent material or at least comprise a flat or punctiform light source integrated into the partial area of the container.
Die erfindungsgemäße Lösung ist vorteilhaft, weil somit das Licht nicht von außerhalb des Reaktors über eine Distanz in das Innere des Reaktors eingestrahlt wird, wodurch Lichtanteile durch Lichtstreuung, Reflexion und Absorption verloren gehen, sondern die Lichtquellen sich im Reaktor selbst in unmittelbarer Nähe zu den Mikroorganismen oder Pflanzen befinden und über flächige Strukturen die Mikroorganismen oder Pflanzen bestrahlen können, wodurch kaum Lichtverluste auftreten und einer hoher Wirkungsgrad erzielt wird. The solution according to the invention is advantageous because the light is not radiated from outside the reactor over a distance into the interior of the reactor, whereby light components are lost through light scattering, reflection and absorption, but the light sources are in the reactor itself in the immediate vicinity of the microorganisms or plants are located and can irradiate the microorganisms or plants via flat structures, which means that there is hardly any loss of light and a high level of efficiency is achieved.
Ein weiterer Vorteil ist, dass bei transparenten bzw. transluzenten Materialien auch das Tageslicht zusätzlich genutzt werden kann. Es gibt keine Verschattung durch Beleuchtungsvorrichtungen. Durch ein geeignetes Steuerungssystem kann beispielsweise eine Mischung aus Tages- und Kunstlicht zum Einsatz kommen. Dadurch lässt sich ein großer Anteil an Energie einsparen. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens eine plattenförmige äußere Wandfläche, Bodenfläche, Deckenfläche oder Innenfläche des Behältnisses und/oder wenigstens ein rohrförmiger Kanal oder ein Hohlprofil, der/das in dem Behältnis angeordnet ist, wenigstens teilweise aus einem lichtleitenden Glas oder Kunststoff besteht, wobei in diese plattenförmige Fläche und/oder in diesen rohrförmigen Kanal über mindestens ein Leuchtmittel Licht eingespeist wird, welches in der plattenförmigen Fläche und/oder in dem rohrförmigen Kanal geleitet wird, wobei das Licht über Streumittel aus der plattenförmigen Fläche und/oder dem rohrförmigen Kanal oder Hohlprofil ausgekoppelt wird. Gemäß dieser bevorzugten Weiterbildung der Erfindung verwendet man Teile des Behälters des Bioreaktors wie beispielsweise Wandflächen, Bodenflächen etc. als plattenförmige Lichtleiter, in die man über Leuchtmittel Licht beispielsweise stirnseitig einstrahlt, welches dann in diesen Flächen geleitet wird und über die Fläche ausgekoppelt wird. Die dazu verwendeten Streumittel können sich in den Platten befinden, beispielsweise als Licht streuende Mikropartikel oder die Flächen sind beispielsweise mit Licht streuenden Rastern an den Oberflächen bedruckt. Die Oberflächen können auch beispielsweise mit Licht streuenden Rastern oder Strukturen graviert oder gefräst sein. Diese Methoden zur Lichtauskopplung sind aus dem Stand der Technik an sich bekannt. Bei dieser Ausführungsvariante kann man beispielsweise tragende Teile des Reaktorbehälters gleichzeitig als Licht leitende Flächen nutzen. Another advantage is that daylight can also be used with transparent or translucent materials. There is no shading from lighting fixtures. With a suitable control system, a mixture of daylight and artificial light can be used, for example. This saves a large proportion of energy. According to a preferred development of the invention, it is provided that at least one plate-shaped outer wall surface, floor surface, ceiling surface or inner surface of the container and/or at least one tubular channel or a hollow profile, which is/are arranged in the container, is at least partially made of a light-conducting glass or consists of plastic, with light being fed into this plate-shaped surface and/or in this tubular channel via at least one illuminant, which light is guided in the plate-shaped surface and/or in the tubular channel, the light being emitted via scattering means from the plate-shaped surface and/or is decoupled from the tubular channel or hollow profile. According to this preferred development of the invention, parts of the container of the bioreactor such as wall surfaces, floor surfaces, etc. are used as plate-shaped light guides, into which light is radiated, for example from the front, via lamps, which is then guided in these surfaces and is coupled out via the surface. The scattering means used for this purpose can be located in the plates, for example as light-scattering microparticles, or the surfaces are printed with light-scattering grids, for example. The surfaces can also be engraved or milled, for example with light-scattering grids or structures. These methods for light extraction are known per se from the prior art. In this embodiment variant, for example, load-bearing parts of the reactor vessel can be used at the same time as light-conducting surfaces.
Alternativ können auch in das Behältnis eingebaute Strukturen in Form von Licht leitenden Flächen oder auch Kanälen ausgebildet sein. Auf diese Weise kann man beispielsweise rohrförmige Kanäle, die von einem Medium in dem Behältnis durchströmt werden, als Lichtleiter nutzen und so das Licht in unmittelbare Nähe der Mikroorganismen bringen, die sich in dem im Behältnis strömenden Medium befinden. Zusätzlich hat man den Effekt, dass das strömende Medium Wärme, die die Leuchtmittel abgeben, aufnehmen kann. Dabei ist zu bedenken, dass bei stirnseitiger Einstrahlung des Lichts über die Leuchtmittel in flächige plattenförmige oder rohrförmige Strukturen die Erwärmung der als Lichtleiter dienenden Strukturen ohnehin geringer ist, da sich die Wärme in der Struktur verteilt, im Vergleich zu der unmittelbaren Umgebung einer punktförmigen Lichtquelle. Alternatively, structures built into the container can also be designed in the form of light-conducting surfaces or also channels. In this way, for example, tubular channels through which a medium flows in the container can be used as light guides and the light can thus be brought into the immediate vicinity of the microorganisms that are in the medium flowing in the container. In addition, you have the effect that the flowing medium can absorb the heat emitted by the lamps. It should be noted that when the light is irradiated from the front via the lamps into flat, plate-shaped or tubular structures, the heating of the structures serving as light guides is lower anyway, since the heat is distributed in the structure, compared to the immediate vicinity of a point light source.
Gemäß einer alternativen Variante der Erfindung besteht wenigstens eine plattenförmige äußere Wandfläche, Bodenfläche, Deckenfläche oder Innenfläche des Behältnisses und/oder wenigstens ein rohrförmiger Kanal, der in dem Behältnis angeordnet ist, wenigstens teilweise aus einem OLED-Panel oder einer OLED-Folie oder ein OLED-Panel ist an einer dieser plattenförmigen Flächen angebracht. Bei dieser Variante verwendet man somit nicht flächige Lichtleiter als Lichtquelle, sondern OLED-Panels oder OLED-Folien, bei denen es sich aufgrund ihrer Struktur bereits um flächige Leuchtmittel handelt. Solche OLED-Panels kann man an beliebigen Flächen des Behältnisses anbringen und so die Mikroorganismen aus unmittelbarer Nähe mit Licht bestrahlen oder wenn es sich um OLED- Folien und somit biegsame OLEDs handelt, kann man diese auch an zylindrischen Strukturen wie rohrförmigen Kanälen anbringen und auf diese Weise zum Beispiel Kanäle, die von dem die Mikroorganismen enthaltenden Medium durchströmt werden, unmittelbar als Lichtquellen benutzen und selbstleuchtend ausbilden. According to an alternative variant of the invention, at least one plate-shaped outer wall surface, floor surface, ceiling surface or inner surface of the container and/or at least one tubular channel, which is arranged in the container, consists at least partially of an OLED panel or an OLED film or an OLED -Panel is attached to one of these plate-shaped surfaces. In this variant you use therefore not flat light guides as the light source, but OLED panels or OLED foils, which are already flat light sources due to their structure. Such OLED panels can be attached to any surface of the container and the microorganisms can be irradiated with light from close proximity, or if it is OLED foils and therefore flexible OLEDs, they can also be attached to cylindrical structures such as tubular channels and on these For example, channels through which the medium containing the microorganisms flows can be used directly as light sources and made self-luminous.
Beim Einsatz von selbstleuchtenden plattenförmigen oder rohrförmigen Lichtquellen kann man gemäß einer Weiterbildung der Erfindung als Streumittel Mikro- oder Nanopartikel vorsehen, welche in das Kunststoffmaterial oder in das Glas der plattenförmigen Fläche und/oder des rohrförmigen Kanals eingebettet und zu einer gleichmäßigen Lichtabgabe über die gesamte äußere und bei rohrförmigen Kanälen gegebenenfalls auch über die innere Oberfläche der Lichtleiter, an denen das Medium, welches die Mikroorganismen enthält vorbeiströmt. When using self-luminous plate-shaped or tubular light sources, according to a development of the invention, micro- or nanoparticles can be provided as the scattering agent, which are embedded in the plastic material or in the glass of the plate-shaped surface and/or the tubular channel and result in a uniform light emission over the entire outer and in the case of tubular channels, optionally also via the inner surface of the light guides, past which the medium containing the microorganisms flows.
Als Materialien für die Lichtleiter kommen grundsätzlich weitgehend transparente oder transluzente Kunststoffe oder auch Glas in Betracht, wobei manche Glassorten weniger geeignet sind, wenn diese in bestimmten Wellenlängenbereichen Licht absorbieren, die man gerade für die Beaufschlagung der Mikroorganismen benötigt. Hier wird der Fachmann daher eine für den jeweiligen Anwendungszweck geeignete Glassorte auswählen. Als Kunststoffmaterial ist insbesondere so genanntes Acrylglas geeignet, das heißt Polymethylmethacrylat oder auch beispielsweise Polycarbonat. In principle, largely transparent or translucent plastics or also glass can be considered as materials for the light guides, with some types of glass being less suitable if they absorb light in certain wavelength ranges that are needed for the microorganisms to be exposed to them. The person skilled in the art will therefore select a type of glass that is suitable for the respective application. So-called acrylic glass is particularly suitable as the plastic material, ie polymethyl methacrylate or, for example, polycarbonate.
Um die Licht abgebende Fläche insgesamt zu erhöhen, kann man beispielsweise gemäß einer Weiterbildung der Erfindung als Einbauten innerhalb des Behältnisses Strukturen von mehreren konzentrisch ineinander liegenden selbstleuchtenden rohrförmigen Kanälen verwenden, die von einem Medium durchströmt werden, insbesondere von einem Nährmedium, in dem sich Mikroorganismen befinden. Auf diese Weise lassen sich Kanäle schaffen, bei denen das die Kanäle durchströmende Medium sowohl von der Innenseite als auch von der Außenseite her mit Licht in der gewünschten Frequenz oder einem definierten Frequenzspektrum bestrahlt wird. Beispielsweise kann man durch geeignete Auswahl der Leuchtmittel Licht in die Licht-leitenden Strukturen einspeisen, welches eine Wellenlängenverteilung ähnlich wie das natürliche Tageslicht hat oder in anderen Anwendungsfällen weitgehend monochromatisches Licht in einer Wellenlänge, die spezifisch auf die jeweiligen Mikroorganismen oder Pflanzen abgestimmt ist. In order to increase the light-emitting surface overall, one can, for example, according to a further development of the invention, use structures of several concentrically nested self-luminous tubular channels as installations within the container, through which a medium flows, in particular a nutrient medium in which microorganisms are located . In this way, channels can be created in which the medium flowing through the channels is irradiated with light in the desired frequency or a defined frequency spectrum both from the inside and from the outside. For example, by suitably selecting the lighting means, light can be fed into the light-guiding structures that has a wavelength distribution similar to that of natural daylight or others Applications largely monochromatic light in a wavelength that is specifically tailored to the respective microorganisms or plants.
Gemäß einer alternativen Variante der vorliegenden Erfindung weist das Behältnis von einer Wandfläche in einem Winkel einwärts ragende flächige Einbauten auf, die Strömungshindernisse für ein den Reaktor durchströmendes Medium bilden und von diesem Medium umströmt werden, wobei diese flächigen Einbauten aus einem lichtleitenden Glas oder Kunststoff bestehen, ein OLED-Panel oder eine OLED-Folie umfassen oder ein OLED- Panel oder eine OLED-Folie an diesen angebracht ist. Diese einwärts ragenden flächigen Einbauten stellen Strömungshindernisse für das strömende Medium dar, durch die der Gesamtweg, den das Medium beim durchströmen des Behälter zurücklegt, verlängert, die Strömung verlangsamt und die Verweildauer des Mediums erhöht wird. Damit wird auch die Bestrahlung der Mikroorganismen intensiviert. Die Verwendung von OLED-Panels oder OLED-Folien hat den Vorteil, dass OLED-Leuchtmittel aufgrund Ihrer Struktur bereits flächige Lichtquellen mit einer gleichmäßigen Lichtabgabe über die Fläche darstellen, so dass eine Lichtumlenkung oder die Verwendung von Streumitteln, die immer auch mit einem Lichtverlust verbunden ist, nicht erforderlich ist. Zudem sind die Leuchtdichte und die Lichtstärke bei OLEDs in der Regel geringer als bei punktförmigen Lichtquellen wie beispielsweise LEDs, was jedoch bei der vorliegenden Anwendung nicht nachteilig, sondern eher von Vorteil ist, da für die Bestrahlung der Mikroorganismen zumeist keine hohen Leuchtdichten erforderlich sind. Es erübrigt sich bei der Verwendung von OLEDs die Umwandlung des von dem Leuchtmittel primär punktförmig abgestrahlten Lichts in flächiges Licht, wodurch Lichtverluste vermieden werden. According to an alternative variant of the present invention, the container has planar built-in components that protrude inward from a wall surface at an angle and form flow obstacles for a medium flowing through the reactor and are surrounded by this medium, with these flat built-in components consisting of a light-conducting glass or plastic, comprise an OLED panel or an OLED film or an OLED panel or an OLED film is attached to them. These inwardly protruding, flat installations represent flow obstacles for the flowing medium, through which the total distance covered by the medium when flowing through the container is lengthened, the flow is slowed down and the dwell time of the medium is increased. This also intensifies the irradiation of the microorganisms. The use of OLED panels or OLED foils has the advantage that, due to their structure, OLED lamps are already flat light sources with a uniform light output over the surface, so that light deflection or the use of scattering agents is always associated with a loss of light is not required. In addition, the luminance and light intensity of OLEDs are generally lower than those of point light sources such as LEDs, which is not a disadvantage in the present application, but rather an advantage, since high luminance levels are usually not required for the irradiation of the microorganisms. When using OLEDs, there is no need to convert the light that is emitted primarily in a point form by the lighting means into planar light, as a result of which light losses are avoided.
Die vorgenannten, in einem Winkel einwärts ragenden flächigen Einbauten, werden bei Bioreaktoren dieser Art häufig verwendet, um die Strömung des Mediums durch den Behälter zu verlangsamen. Die Erfindung nutzt daher diese Einbauten für die Bestrahlung der Mikroorganismen mit Licht, indem sie die Einbauten selbstleuchtend und Licht abstrahlend ausbildet. Die Einbauten können jeweils abwechselnd von einer ersten Wandfläche und einer dieser ersten Wandfläche gegenüberliegenden zweiten Wandfläche ausgehen und jeweils mit Abstand vor der der Wandfläche, von der sie ausgehen, gegenüberliegenden Wandfläche enden, wobei die Einbauten sich im Wesentlichen quer zur Hauptströmung des den Behälter durchströmenden Mediums erstrecken, so dass das den Behälter durchströmende Medium in eine mäandernde Strömung entlang der Einbauten gezwungen wird. Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass sich die Lichtquelle im Reaktorbehälter selbst befindet, so dass das von den selbstleuchtenden Flächen oder rohrförmigen Kanälen abgegebene Licht vollständig für die Bestrahlung der Mikroorganismen eingesetzt wird und kein Licht durch Abgabe in die Umgebung des Reaktors verloren geht. The aforementioned flat built-in components, which project inward at an angle, are often used in bioreactors of this type in order to slow down the flow of the medium through the container. The invention therefore uses these internals for irradiating the microorganisms with light by making the internals self-luminous and light-emitting. The internals can each start alternately from a first wall surface and a second wall surface opposite this first wall surface and each end at a distance in front of the wall surface opposite the wall surface from which they start, with the internals being essentially transverse to the main flow of the medium flowing through the container extend so that the medium flowing through the container is forced into a meandering flow along the internals. The particular advantage of the solution according to the invention is that the light source is located in the reactor vessel itself, so that the light emitted by the self-luminous surfaces or tubular channels is used entirely for the irradiation of the microorganisms and no light is lost through emission into the environment of the reactor .
Alternativ können sich auch Licht streuende oder reflektierende Partikel in dem Medium selbst befinden. Auf diese Weise kann das Medium selbst zusätzlich und ergänzend zum Lichtleiter werden. Alternatively, light-scattering or reflecting particles can also be located in the medium itself. In this way, the medium itself can become an additional and complementary element of the light guide.
Eine bevorzugte alternative Variante der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung sieht vor, dass der Bioreaktor Pflanzen aufnimmt, die in axialer Richtung durch selbstleuchtende rohrförmige etwa horizontale Kanäle oder Hohlprofile des Bioreaktors gefördert werden, wobei die rohrförmigen Kanäle oder Hohlprofile von einem gasförmigen Medium und/oder von einem flüssigen Medium durchströmt werden, wobei das flüssige Medium insbesondere den Wurzelbereich der Pflanzen umspült. Oberhalb eines flüssigen Mediums, beispielsweise einer Nährlösung kann sich bei dieser Variante ein gasförmiges Medium befinden, so dass die Pflanzen sich im Bereich ihrer grünen Triebe in einer künstlichen Atmosphäre befinden und über diese beispielsweise CO2 für die Photosynthese aufnehmen. Für die künstliche Atmosphäre kann man ein spezifisch abgestimmtes Gasgemisch verwenden. Über die Wände der selbstleuchtenden rohrförmigen Kanäle können die Pflanzen mit Licht bestrahlt werden. Vorteilhaft ist bei dieser Variante weiterhin, dass die Pflanzen nicht nur von oben, sondern auch von unten her mit Licht bestrahlt werden können. Die rohrförmigen Kanäle oder Hohlprofile können einen im Prinzip beliebigen Querschnitt aufweisen, also beispielsweise einen runden oder auch einen eckigen oder polygonalen oder geometrisch unregelmäßig geformten Querschnitt. Diese Variante kommt grundsätzlich für die Aufzucht beliebiger Pflanzen in Betracht, beispielhaft seien Salat, Gemüsepflanzen oder Kräuter genannt. A preferred alternative variant of the solution to the problem according to the invention provides that the bioreactor accommodates plants that are conveyed in the axial direction through self-luminous tubular, approximately horizontal channels or hollow profiles of the bioreactor, the tubular channels or hollow profiles being fed by a gaseous medium and/or by a liquid medium are flowed through, the liquid medium in particular washes around the root area of the plants. In this variant, a gaseous medium can be located above a liquid medium, for example a nutrient solution, so that the plants are in an artificial atmosphere in the area of their green shoots and absorb CO2 for photosynthesis, for example. A specially tuned gas mixture can be used for the artificial atmosphere. The plants can be irradiated with light via the walls of the self-luminous tubular channels. Another advantage of this variant is that the plants can be irradiated with light not only from above but also from below. In principle, the tubular channels or hollow profiles can have any desired cross-section, ie, for example, a round cross-section or else an angular or polygonal cross-section or a cross-section of geometrically irregular shape. In principle, this variant can be used for the cultivation of any plants, for example lettuce, vegetable plants or herbs.
Der erfindungsgemäße Bioreaktor kann unterschiedliche geometrische Formen und Querschnitte aufweisen. Beispielsweise kann es sich um ein quaderförmiges Behältnis mit rechteckigem Querschnitt handeln oder um ein prismatisches oder zylindrisches Behältnis mit polygonalem, rundem, ovalem oder elliptischem Querschnitt. Wenn der Bioreaktor rohrförmige Kanäle oder Hohlräume aufweist oder nur aus einem solchen Kanal oder Hohlraum besteht, können diese Kanäle oder Hohlräume, die von einem Medium (Nährmedium) durchströmt werden, ebenfalls einen im Prinzip beliebigen Querschnitt aufweisen und auch eine sehr variable geometrische Form. Beispielsweise kann ein Kanal oder Hohlraum, der einen Strömungsweg bildet, schneckenförmig oder spiralförmig angeordnet sein. The bioreactor according to the invention can have different geometric shapes and cross sections. For example, it can be a cuboid container with a rectangular cross section or a prismatic or cylindrical container with a polygonal, round, oval or elliptical cross section. If the bioreactor has tubular channels or cavities or only consists of such a channel or cavity, these channels or cavities through which a medium (nutrient medium) flows can also have any desired cross section exhibit and also a very variable geometric shape. For example, a channel or cavity forming a flow path may be arranged in a helicoidal or spiral configuration.
Die oben genannten flächigen Einbauten, die Licht abgeben (selbst leuchtend oder beleuchtbar sind) und die Strömungshindernisse für ein den Bioreaktor durchströmendes Medium bilden, können aus ebenen Platten bestehen, die beispielsweise in einem Winkel in den Reaktor hineinragen, wie dies oben beschrieben wurde, sie können aber ebenso gut auch als gekrümmte Flächen ausgebildet sein und beispielsweise eine Wellenform aufweisen, insbesondere in Strömungsrichtung des Mediums und/oder Längsrichtung des Reaktors gesehen, so dass auch bei dieser Variante das den Reaktor durchströmende Medium entlang der Wellenform durch den Reaktor mäandert. The flat internals mentioned above, which emit light (they are luminous or can be illuminated themselves) and form flow obstacles for a medium flowing through the bioreactor, can consist of flat plates which, for example, protrude into the reactor at an angle, as described above, they However, they can also be designed as curved surfaces and have a wave shape, for example, especially when viewed in the direction of flow of the medium and/or the longitudinal direction of the reactor, so that in this variant too the medium flowing through the reactor meanders along the wave shape through the reactor.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigen: The present invention is described in more detail below using exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. show:
Figur 1 einen schematisch vereinfachten vertikalen Längsschnitt durch den Behälter eines Bioreaktors gemäß einer beispielhaften Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung; FIG. 1 shows a schematically simplified vertical longitudinal section through the container of a bioreactor according to an exemplary embodiment of the present invention;
Figur 2 einen vergrößerten Detailausschnitt II aus Figur 1; FIG. 2 shows an enlarged detail section II from FIG. 1;
Figur 3 einen vereinfachten Längsschnitt durch einen rohrförmigen Kanal mit selbstleuchtenden Wänden gemäß einer alternativen beispielhaften Variante der vorliegenden Erfindung; FIG. 3 shows a simplified longitudinal section through a tubular channel with self-illuminating walls according to an alternative exemplary variant of the present invention;
Figur 4 eine schematische Perspektive Darstellung eines alternativen Reaktors mit wellenförmigen Einbauten; FIG. 4 shows a schematic perspective view of an alternative reactor with corrugated internals;
Figur 5 eine alternative Ausführungsvariante, bei der der Bioreaktor die äußere Form einer Schnecke aufweist; FIG. 5 shows an alternative embodiment variant in which the bioreactor has the external shape of a snail;
Figur 6 eine alternative Ausführungsform eines Bioreaktors, welcher die äußere Form einer Spirale aufweist. FIG. 6 shows an alternative embodiment of a bioreactor which has the external shape of a spiral.
Zunächst wird auf die Figur 1 Bezug genommen und anhand dieser Darstellung wird der Behälter 10 eines Bioreaktors gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert. Der Behälter 10 hat beispielsweise einen etwa rechteckigen Längsschnitt und weist zwei parallele gegenüberliegende vertikale Seitenwände 11, 12 auf, eine am unteren Ende mit den beiden Seitenwänden 11 , 12 jeweils verbundenen etwa horizontalen Boden 13 sowie eine am oberen Ende mit den beiden Seitenwänden 11 , 12 jeweils verbundenen etwa horizontale Decke 14. Im Bereich des Bodens 13 befindet sich eine Eintrittsöffnung 15 für ein flüssiges Medium, welches in den Behälter 10 einströmt und den Behälter von unten nach oben hin durchströmt. Das Medium kann den Behälter 10 durch eine Austrittsöffnung 16 am oberen Ende in der Decke 14 verlassen. In diesem flüssigen Medium befinden sich beispielsweise Mikroalgen, die einen Farbstoff produzieren und denen das flüssige Medium als Nährflüssigkeit dient. Diese Mikroalgen werden gemäß der vorliegenden Erfindung im Inneren des Behälters 10 mit Licht bestrahlt. First, reference is made to FIG. 1 and the container 10 of a bioreactor according to the present invention is explained on the basis of this illustration. The container 10 has, for example, an approximately rectangular longitudinal section and has two parallel opposite vertical side walls 11, 12, an approximately horizontal bottom 13 connected to the two side walls 11, 12 in each case at the lower end and an approximately horizontal bottom 13 connected to the two side walls 11, 12 in each case at the upper end horizontal ceiling 14. In the area of the floor 13 there is an inlet opening 15 for a liquid medium which flows into the container 10 and flows through the container from the bottom to the top. The medium can leave the container 10 through an outlet opening 16 at the upper end in the cover 14 . This liquid medium contains, for example, microalgae that produce a dye and for which the liquid medium serves as a nutrient. These microalgae are irradiated with light inside the container 10 according to the present invention.
Der Behälter 10 hat weiterhin Einbauten in Form von mehreren zueinander beabstandeten horizontalen Platten 17, 18, 19, die jeweils von einer der beiden Seitenwände 11, 12 ausgehend etwa horizontal in den Innenraum des Behälters 10 hineinragen. Diese horizontalen Platten 17, 18, 19 sind dabei in dem Innenraum des Behälters 10 so angeordnet, dass sie mit einer der Seitenwände 11, 12 jeweils fest verbunden sind, von dieser ausgehend in den Innenraum des Behälters hineinragen und mit etwas Abstand vor der gegenüberliegenden Seitenwand 11, 12 enden. Dabei ist vorzugsweise die Anordnung der benachbarten Seitenwände jeweils alternierend, so dass die eine Platte 18 beispielsweise von der linken Seitenwand 11 ausgeht und mit Abstand vor der rechten Seitenwand 12 endet, während die nächste darüber angeordnete Platte 19 von der rechten Seitenwand 12 ausgeht und mit Abstand vor der linken Seitenwand 11 endet. Dadurch ergibt sich ein Strömungsweg für das Medium von unten nach oben durch den Behälter 10, bei dem das Medium einen mäanderförmigen Weg durch den Behälter zurücklegt, wie dies durch die Pfeile in Figur 1 angedeutet ist. Somit ergibt sich eine langsamere Durchströmung des Behälters 10 und eine entsprechend längere Verweilzeit in dem Behälter. The container 10 also has built-in components in the form of a plurality of horizontal plates 17, 18, 19 spaced apart from one another, each of which protrudes approximately horizontally from one of the two side walls 11, 12 into the interior of the container 10. These horizontal plates 17, 18, 19 are arranged in the interior of the container 10 such that they are each firmly connected to one of the side walls 11, 12, protrude from this into the interior of the container and at a distance in front of the opposite side wall 11, 12 ends. The arrangement of the adjacent side walls is preferably alternating, so that one plate 18 starts, for example, from the left side wall 11 and ends at a distance in front of the right side wall 12, while the next plate 19 arranged above it starts from the right side wall 12 and at a distance before the left side wall 11 ends. This results in a flow path for the medium from bottom to top through the container 10, in which the medium covers a meandering path through the container, as indicated by the arrows in FIG. This results in a slower flow through the container 10 and a correspondingly longer dwell time in the container.
Wie sich aus der Detailansicht gemäß Figur 2 ergibt sind in dem Ausführungsbeispiel sowohl die horizontalen Platten 17, 18, 19 der Einbauten als auch die Seitenwände 11, 12 und gegebenenfalls auch der Boden 13 und die Decke 14 des Behälters 10 aus Licht leitenden Platten aus mindestens teilweise transparentem oder transluzentem Kunststoffmaterial ausgebildet, in welches stirnseitig über Leuchtmittel 21 Licht eingespeist wird, welcher aufgrund von Streumitteln 22 über die Fläche der plattenförmigen Wände und Einbauten ausgekoppelt und somit gleichmäßig über die Fläche abgegeben wird, so dass das Licht 20 unmittelbar in das an den Wänden und Einbauten vorbeiströmende Medium eingestrahlt wird. Als Streumittel 22 kommen beispielsweise Mikropartikel in Betracht, die in den Kunststoff des Plattenmaterials der Wände 12 und Einbauten 17 eingebettet sind. Die Wände 11, 12 und Einbauten 17, 18, 19 sind somit als Lichtleitplatten ausgebildet, die Licht gleichmäßig flächig abstrahlen. As can be seen from the detailed view according to FIG partially transparent or translucent plastic material, into which light is fed at the front via illuminants 21, which is coupled out via scattering means 22 via the surface of the plate-shaped walls and built-in components and is thus emitted evenly over the surface, so that the light 20 is emitted directly into the The medium flowing past walls and fixtures is irradiated becomes. Microparticles, for example, which are embedded in the plastic of the plate material of the walls 12 and fixtures 17, come into consideration as the scattering means 22. The walls 11, 12 and fixtures 17, 18, 19 are thus designed as light guide plates that emit light evenly over a large area.
Alternativ zur Verwendung von Lichtleitplatten können auch beispielsweise flächige OLED- Panels verwendet werden, die auf die Wände 11, 12 und Einbauten 17, 18, 19 oder auf Boden 13 und Decke 14 angebracht oder in diese Elemente jeweils eingebettet werden und ebenfalls Licht gleichmäßig über die Fläche abgeben. So erreicht man, dass die in dem Medium befindlichen Mikroorganismen beim langsamen Durchströmen des Behälters quasi von allen Seiten her ständig und gleichmäßig mit Licht bestrahlt werden. As an alternative to the use of light guide plates, flat OLED panels can also be used, for example, which are attached to the walls 11, 12 and fixtures 17, 18, 19 or on the floor 13 and ceiling 14 or are embedded in these elements and also emit light evenly over the surrender area. This ensures that the microorganisms in the medium are constantly and evenly irradiated with light from all sides as they slowly flow through the container.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figur 3 eine weitere beispielhafte Variante der vorliegenden Erfindung erläutert. In diesem Ausführungsbeispiel erstrecken sich rohrförmige Kanäle 30 in dem Bioreaktor, die sich vertikal aber ebenso gut auch horizontal erstrecken können, ja nach Anwendung. Bei vertikaler Anordnung kann man die rohrförmigen Kanäle 30 von einem flüssigen Medium durchströmen lassen, bei horizontaler Anordnung kann man die rohrförmigen Kanäle nur teilweise von einem flüssigen Medium durchströmen lassen, beispielsweise nur im unteren Drittel oder in der unteren Hälfte und darüber kann sich eine gasförmige Atmosphäre befinden. In der Zeichnung Figur 3 ist nur ein einzelner rohrförmiger Kanal 30 gezeigt, aber in der Regel befinden sich in einem Bioreaktor dieser Art zahlreiche solcher Kanäle 30, die beispielsweise jeweils parallel untereinander, übereinander und nebeneinander angeordnet sein können. A further exemplary variant of the present invention is explained below with reference to FIG. In this exemplary embodiment, tubular channels 30 extend in the bioreactor, which can extend vertically but also horizontally, depending on the application. With a vertical arrangement, the tubular channels 30 can be flowed through by a liquid medium, with a horizontal arrangement, the tubular channels can only partially be flowed through by a liquid medium, for example only in the lower third or in the lower half and a gaseous atmosphere can develop above this condition. Only a single tubular channel 30 is shown in the drawing in FIG.
In dem Beispiel gemäß Figur 3 umfasst der rohrförmige Kanal 30 zwei konzentrisch ineinander liegende Rohre, nämlich ein inneres Rohr 31 und ein konzentrisch das innere Rohr 31 mit Abstand umgebendes äußeres Rohr 32. Sowohl das innere Rohr 31 als auch das äußere Rohr 32 bestehen in axialer Richtung gesehen jeweils aus mehreren Teilstücken, die man über Verbinder 33, 34 untereinander verbinden kann, wobei diese Verbinder vorteilhaft so angeordnet sind, dass die Verbinder 33 des inneren Rohrs 31 in axialer Richtung gesehen jeweils versetzt angeordnet sind zu den Verbindern 34 der äußeren Rohre 32. So wird erreicht, dass die Schattenstellen, die sich im Bereich der Verbinder ergeben, wenn diese nicht Licht leitend sind, sich bei dem inneren Rohr 31 an einer Stelle befinden, an der sich bei dem äußeren Rohr 32 kein Verbinder 34 befindet und somit die Pflanzen oder Mikroorganismen dann bei einem Verbinder 33 am inneren Rohr 31 noch von außen mit Licht bestrahlt werden und entsprechend bei einem Verbinder 34 am äußeren Rohr 32 noch von innen her. Man sieht in Figur 3, dass sich zwischen dem inneren Rohr 31 und dem äußeren Rohr 32 ein ringförmiger Hohlraum 35 ergibt, der bei Mikroorganismen und der von einem Medium durchströmt werden kann oder in dem sich Pflanzen befinden und der dann teilweise von einem flüssigen Medium durchströmt wird, wobei im letztgenannten Fall die Anordnung der Rohre 31, 32 bevorzugt horizontal ist. In the example according to FIG Direction seen from several sections, which can be connected to each other via connectors 33, 34, these connectors are advantageously arranged so that the connectors 33 of the inner tube 31 are arranged offset to the connectors 34 of the outer tubes 32 viewed in the axial direction It is thus achieved that the shadows that result in the area of the connectors if they are not light-conducting are located in the inner tube 31 at a point where there is no connector 34 in the outer tube 32 and thus the Plants or microorganisms are then irradiated with light from the outside at a connector 33 on the inner tube 31 and correspondingly at a connector 34 on outer tube 32 from the inside. It can be seen in FIG. 3 that between the inner tube 31 and the outer tube 32 there is an annular cavity 35 through which a medium can flow in the case of microorganisms or in which plants are located and through which a liquid medium then partially flows is, in which case the arrangement of the tubes 31, 32 is preferably horizontal in the latter case.
Bei vertikaler Anordnung der Rohre 31 , 32 wie in Figur 3 kann ein flüssiges Medium durch den ringförmigen Hohlraum 35 beispielsweise von unten nach oben strömen, wobei ähnlich wie bei dem Ausführungsbeispiel von Figur 1 sich in dem Hohlraum 35 flache ringförmige plattenartige Einbauten 36 befinden, die den Querschnitt des Hohlraums 35 teilweise versperren und so das strömende Medium in eine langsame mäanderförmige Strömung zwingen. Auch hier kann die Anordnung der Einbauten 36 so sein, dass diese teilweise an die Wandung des äußeren Rohrs 32 angrenzen und zum inneren Rohr 31 hin offen sind und teilweise umgekehrt an das innere Rohr 31 angrenzen und zum äußeren Rohr 32 hin offen sind, vorzugsweise bei in Strömungsrichtung aufeinanderfolgenden Einbauten 36 jeweils abwechselnd. If the tubes 31, 32 are arranged vertically as in FIG partially block the cross section of the cavity 35 and thus force the flowing medium into a slow meandering flow. Here, too, the arrangement of the internals 36 can be such that they partially adjoin the wall of the outer tube 32 and are open towards the inner tube 31 and partially conversely adjoin the inner tube 31 and are open towards the outer tube 32, preferably at internals 36 that follow one another in the flow direction alternately.
Figur 4 zeigt eine beispielhafte alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bioreaktors 10, bei der dieser plattenförmige selbstleuchtende Einbauten 38 umfasst, die eine Wellenform haben, so dass das den Bioreaktor 10 durchströmende Medium in eine mäandernde Strömung mit einem entsprechend längeren Strömungsweg gezwungen wird, bei dem die Mikroorganismen jeweils unmittelbar von dem Licht, welches die Einbauten 38 abgeben, beaufschlagt werden. Figure 4 shows an exemplary alternative embodiment of a bioreactor 10 according to the invention, in which this plate-shaped self-luminous fixtures 38 have a wave shape, so that the medium flowing through the bioreactor 10 is forced into a meandering flow with a correspondingly longer flow path, in which the microorganisms are in each case directly acted upon by the light which the built-in components 38 emit.
Figur 5 zeigt eine weitere beispielhafte alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bioreaktors 37, bei dem dieser etwa die äußere Form einer Schnecke aufweist. Im Inneren befinden sich wiederum plattenförmige Einbauten 17, 18, die jeweils abwechselnd von der einen bzw. der anderen Seitenwand des Reaktors nach innen ragen, so dass das Medium an diesen Einbauten 17, 18 vorbeiströmt und einen längeren Strömungsweg zurücklegen muss. FIG. 5 shows a further exemplary alternative embodiment of a bioreactor 37 according to the invention, in which it has the external shape of a snail. Inside there are in turn plate-shaped fixtures 17, 18, which alternately protrude inwards from one or the other side wall of the reactor, so that the medium flows past these fixtures 17, 18 and has to cover a longer flow path.
Figur 6 zeigt eine weitere beispielhafte alternative Ausführungsform, bei der der Bioreaktor 39 einen rohrförmigen Kanal bildet, welcher von dem Medium durchströmt wird und die Form einer Spirale aufweist, wodurch sich ebenfalls ein längerer Strömungsweg ergibt, den das Medium zurücklegen muss.
Figure imgf000013_0001
FIG. 6 shows a further exemplary alternative embodiment in which the bioreactor 39 forms a tubular channel through which the medium flows and has the shape of a spiral, which also results in a longer flow path that the medium has to cover.
Figure imgf000013_0001
10 Behälter des Bioreaktors/ Behältnis10 Bioreactor Vessels/Container
11 linke Seitenwand 11 left side panel
12 rechte Seitenwand 12 right side panel
13 Boden des Behälters 13 bottom of the container
14 Decke des Behälters 14 top of the container
15 Eintrittsöffnung 15 entrance opening
16 Austrittsöffnung 16 exit port
17 horizontale Platte, Einbauten 17 horizontal plate, internals
18 horizontale Platte, Einbauten 18 horizontal plate, internals
19 horizontale Platte, Einbauten 19 horizontal plate, internals
20 abgestrahltes Licht 20 emitted light
21 Leuchtmittel, Lichtquelle 21 illuminant, light source
22 Streumittel 22 grit
30 rohrförmiger Kanal 30 tubular channel
31 inneres Rohr 31 inner tube
32 äußeres Rohr 32 outer tube
33 Verbinder 33 connectors
34 Verbinder 34 connectors
35 ringförmiger Hohlraum 35 annular cavity
36 Einbauten 36 fixtures
37 schneckenförmiger Bioreaktor37 snail-shaped bioreactor
38 wellenförmige Einbauten 38 wavy internals
39 spiralförmiger Bioreaktor 39 spiral bioreactor

Claims

Figure imgf000014_0001
Bioreaktor, welcher ein Behältnis (10) umfasst, das phototrophe Lebewesen, Mikroorganismen oder Pflanzen aufnimmt, wobei dem Bioreaktor wenigstens eine Lichtquelle (21) zugeordnet ist, welche Licht in für die Lebewesen, Mikroorganismen oder Pflanzen geeigneten Frequenzen abstrahlt, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens Teilbereiche des Behältnisses (10) selbst und/oder von Einbauten (17, 18, 19) innerhalb des Behältnisses (10) selbstleuchtend ausgebildet sind und dazu aus einem Licht leitenden transparenten oder transluzenten Material bestehen und/oder wenigstens ein in den Teilbereich des Behältnisses oder in die Einbauten integriertes flächiges oder punktförmiges Leuchtmittel (21) umfassen. Bioreaktor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine plattenförmige äußere Wandfläche (11 , 12), Bodenfläche (13), Deckenfläche (14) oder Innenfläche (17, 18, 19) des Behältnisses und/oder wenigstens ein rohrförmiger Kanal oder ein Hohlprofil, der/das in dem Behältnis angeordnet ist, wenigstens teilweise aus einem lichtleitenden Glas oder Kunststoff besteht, wobei in diese plattenförmige Fläche und/oder in diesen rohrförmigen Kanal über mindestens ein Leuchtmittel (21) Licht eingespeist wird, welches in der plattenförmigen Fläche und/oder in dem rohrförmigen Kanal geleitet wird und Licht über Streumittel (22) aus der plattenförmigen Fläche und/oder dem rohrförmigen Kanal ausgekoppelt wird. Bioreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine plattenförmige äußere Wandfläche (11, 12), Bodenfläche (13), Deckenfläche (14) oder Innenfläche (17, 18, 19) des Behältnisses (10) und/oder wenigstens ein rohrförmiger Kanal oder ein Hohlprofil, der/das in dem Behältnis angeordnet ist, wenigstens teilweise aus einem OLED-Panel oder einer OLED-Folie besteht oder ein OLED-Panel an einer dieser plattenförmigen Flächen angebracht ist. Bioreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Streumittel (22) Mikro- oder Nanopartikel vorgesehen sind, welche in das Kunststoffmaterial oder in das Glas der plattenförmigen Fläche und/oder des rohrförmigen Kanals eingebettet sind.
Figure imgf000014_0001
Bioreactor, which comprises a container (10) that accommodates phototrophic living beings, microorganisms or plants, wherein the bioreactor is assigned at least one light source (21) which emits light in frequencies suitable for the living beings, microorganisms or plants, characterized in that at least Partial areas of the container (10) itself and/or installations (17, 18, 19) within the container (10) are designed to be self-luminous and consist of a light-conducting, transparent or translucent material and/or at least one part of the container or flat or punctiform lighting means (21) integrated into the built-in components. Bioreactor according to Claim 1, characterized in that at least one plate-shaped outer wall surface (11, 12), bottom surface (13), top surface (14) or inner surface (17, 18, 19) of the container and/or at least one tubular channel or a hollow profile , which is arranged in the container, consists at least partially of a light-conducting glass or plastic, light being fed into this plate-shaped surface and/or into this tubular channel via at least one illuminant (21), which light is in the plate-shaped surface and/or or is conducted in the tubular channel and light is coupled out of the plate-shaped surface and/or the tubular channel via scattering means (22). Bioreactor according to Claim 1 or 2, characterized in that at least one plate-shaped outer wall surface (11, 12), bottom surface (13), top surface (14) or inner surface (17, 18, 19) of the container (10) and/or at least one tubular channel or a hollow profile, which is arranged in the container, consists at least partially of an OLED panel or an OLED film, or an OLED panel is attached to one of these plate-shaped surfaces. Bioreactor according to Claim 2, characterized in that microparticles or nanoparticles are provided as scattering means (22), which are embedded in the plastic material or in the glass of the plate-shaped surface and/or the tubular channel.
5. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine plattenförmige Fläche und/oder der wenigstens eine rohrförmige Kanal aus Acrylglas besteht. 5. Bioreactor according to one of claims 2 to 4, characterized in that the at least one plate-shaped surface and/or the at least one tubular channel consists of acrylic glass.
6. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbauten (17, 18, 19) innerhalb des Behältnisses (10) Strukturen von mehreren konzentrisch ineinander liegenden selbstleuchtenden rohrförmigen Kanälen umfassen, die von einem Medium durchströmt werden, insbesondere von einem Nährmedium, in dem sich Mikroorganismen befinden. 6. Bioreactor according to one of Claims 2 to 5, characterized in that the internals (17, 18, 19) within the container (10) comprise structures of a plurality of concentrically nested, self-luminous tubular channels through which a medium flows, in particular a nutrient medium containing microorganisms.
7. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Behältnis (10) von einer Wandfläche (11, 12) in einem Winkel einwärts ragende flächige Einbauten (17, 18, 19) aufweist, die Strömungshindernisse für ein den Reaktor durchströmendes Medium bilden und von diesem Medium umströmt werden, wobei diese flächigen Einbauten (17, 18, 19) aus einem lichtleitenden Glas oder Kunststoff bestehen, ein OLED-Panel oder eine OLED-Folie umfassen oder ein OLED-Panel oder eine OLED-Folie an diesen angebracht ist. 7. Bioreactor according to one of claims 1 to 6, characterized in that the container (10) from a wall surface (11, 12) at an angle inwardly projecting flat fittings (17, 18, 19), the flow obstacles for the reactor form the medium flowing through and are flowed around by this medium, these flat installations (17, 18, 19) consisting of a light-conducting glass or plastic, comprising an OLED panel or an OLED film or an OLED panel or an OLED film this is attached.
8. Bioreaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die in einem Winkel einwärts ragenden flächigen Einbauten (17, 18, 19) jeweils abwechselnd von einer ersten Wandfläche (11) und einer dieser ersten Wandfläche gegenüberliegenden zweiten Wandfläche (12) ausgehen und jeweils mit Abstand vor der der Wandfläche (11, 12), von der sie ausgehen, gegenüberliegenden Wandfläche (12, 11) enden, wobei die Einbauten (17, 18, 19) sich im Wesentlichen quer zur Hauptströmung des das Behältnis (10) durchströmenden Mediums erstrecken, so dass das das Behältnis (10) durchströmende Medium in eine mäandernde Strömung entlang der Einbauten (17, 18, 19) gezwungen wird. 8. Bioreactor according to claim 7, characterized in that the planar built-in components (17, 18, 19) projecting inwards at an angle alternately emanate from a first wall surface (11) and a second wall surface (12) opposite this first wall surface and each with distance in front of the wall surface (12, 11) opposite the wall surface (11, 12) from which they originate, the internals (17, 18, 19) extending essentially transversely to the main flow of the medium flowing through the container (10). , so that the medium flowing through the container (10) is forced into a meandering flow along the internals (17, 18, 19).
9. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieser wenigstens einen Kanal oder Hohlraum umfasst, der einen Strömungsweg für ein den Reaktor durchströmendes Medium bildet, wobei der Kanal oder Hohlraum schneckenförmig oder spiralförmig angeordnet ist. 9. Bioreactor according to one of claims 2 to 8, characterized in that it comprises at least one channel or cavity which forms a flow path for a medium flowing through the reactor, the channel or cavity being arranged in a helical or spiral shape.
10. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass flächige Einbauten (38), die Licht abgeben und die Strömungshindernisse für ein den Bioreaktor durchströmendes Medium bilden, als gekrümmte Flächen ausgebildet sind, insbesondere eine Wellenform aufweisen, insbesondere in Strömungsrichtung des Mediums und/oder Längsrichtung des Reaktors gesehen, so dass das den 14 10. Bioreactor according to one of Claims 1 to 9, characterized in that planar built-in components (38), which emit light and form flow obstacles for a medium flowing through the bioreactor, are designed as curved surfaces, in particular have a wave shape, in particular in the direction of flow of the Seen medium and / or longitudinal direction of the reactor, so that the 14
Reaktor durchströmende Medium entlang der Wellenform durch den Reaktor mäandert. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Pflanzen aufnimmt, die in axialer Richtung durch selbstleuchtende rohrförmige etwa horizontale Kanäle oder Hohlprofile des Bioreaktors gefördert werden, wobei die rohrförmigen Kanäle oder Hohlprofile von einem gasförmigen Medium und/oder von einem flüssigen Medium durchströmt werden, wobei das flüssige Medium insbesondere den Wurzelbereich der Pflanzen umspült. Medium flowing through the reactor meanders along the waveform through the reactor. Bioreactor according to one of Claims 1 to 10, characterized in that it receives plants that are conveyed in the axial direction through self-luminous tubular, approximately horizontal channels or hollow profiles of the bioreactor, the tubular channels or hollow profiles being fed by a gaseous medium and/or by a liquid Medium flows through, wherein the liquid medium washes around the root area of the plants in particular.
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