WO2023242148A1 - Modular skalierbarer photobioreaktor - Google Patents

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WO2023242148A1
WO2023242148A1 PCT/EP2023/065707 EP2023065707W WO2023242148A1 WO 2023242148 A1 WO2023242148 A1 WO 2023242148A1 EP 2023065707 W EP2023065707 W EP 2023065707W WO 2023242148 A1 WO2023242148 A1 WO 2023242148A1
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WO
WIPO (PCT)
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photobioreactor
reactor
cultivation
reactor compartment
end piece
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/065707
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English (en)
French (fr)
Inventor
Gordon Brinitzer
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Publication of WO2023242148A1 publication Critical patent/WO2023242148A1/de

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/02—Photobioreactors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/22—Transparent or translucent parts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M31/00—Means for providing, directing, scattering or concentrating light
    • C12M31/10—Means for providing, directing, scattering or concentrating light by light emitting elements located inside the reactor, e.g. LED or OLED

Definitions

  • the present invention relates to a modular photobioreactor, in particular an artificially illuminated modular and scalable photobioreactor, which is suitable for the cultivation of phototrophic microorganisms in an industrial production environment with a high degree of automation.
  • the photobioreactors according to the invention enable the highest biomass and product productivity over a long period of time with optimal biomass quality and low investment, maintenance and operating costs.
  • a major disadvantage of industrial flat plate systems is still that the reactor chambers of flat plate reactors cannot physically be designed to be as wide and high as desired, otherwise the manufacturing costs will rise sharply.
  • an arrangement of many individual flat plates in a system network is therefore required from an economic point of view.
  • Several reactors can be connected one behind the other to form a module network in order, for example, to be able to scale from a preculture to the desired production volume as quickly as possible or to optimally coordinate multi-stage processes.
  • the individual chambers of such reactors are usually connected to one another via external lines to form a total volume.
  • the chambers are often not optimally mixed in order to compensate for the concentration gradients that develop during cultivation.
  • a particular danger in scaling flat plate systems is that choosing a production volume that is too large can result in total loss in the event of contamination the entire batch can come. Accurate monitoring means a lot of effort for the system operator and a high investment requirement for online and offline measurement technology.
  • supplying the organisms with sufficient light of appropriate quality is particularly important for the performance of a photobioreactor system.
  • Light is introduced into a cultivation volume via the reactor surface.
  • a characteristic absorption profile of the irradiated photons is formed across the layer depth of the volume.
  • the profile is divided into three zones.
  • the cells are exposed to high photon flux densities and are inhibited by light.
  • the intensity corresponds to moderate conditions and the organisms show the highest photosynthesis rate, while light limitation occurs with increasing mutual shading of the cells in the depth of the reactor.
  • the biomass concentration, or the geometry of the reactor volume shift accordingly.
  • the light is completely absorbed in the first few millimeters; at low cell concentrations, transmission can also occur through the cultivation volume.
  • This relationship characterizes the achievable photosynthesis rate and consequently the performance of the entire reactor. Since the reactor is not a static system, the cells move between the zones described. Depending on the mixing strategy used, the cells move statistically along certain trajectories through the reactor volume and are supplied with a light pulse at a certain frequency on the surface in order to then return to the shaded areas of the reactor. The faster this process occurs, the more cells are statistically supplied with light.
  • a change of fluid mechanics statistically leads to characteristic light/dark cycles in the volume, which represent a measure of the performance of a reactor. This results in two borderline cases which, depending on the organism used, can lead to good growth in one or the other configuration of the reactor system.
  • a reactor with a greater layer thickness and strong structuring of its geometry can be mixed either by pumping or gassing in order to guide the cells through the reactor on certain light/dark trajectories through the turbulence. In this way, a high biomass concentration can be achieved.
  • the layer thickness of the reactor can be greatly reduced with an extreme surface area to volume (O/V) ratio.
  • O/V extreme surface area to volume
  • the present invention is based on the technical problem of overcoming the disadvantages of the photobioreactors described in the prior art and of meeting the high demands on photobioreactors for the efficient cultivation of phototrophic microorganisms on an industrial scale.
  • the present invention solves the underlying technical problem through the subject matter of the independent claims.
  • the invention relates in particular to a modular photobioreactor, comprising a first end piece, a second end piece and at least one reactor compartment arranged between the first end piece and the second end piece, which is characterized in that the photobioreactor comprises at least two cultivation chambers, wherein the at least two cultivation chambers positive joining of the two end pieces and the at least one reactor compartment are formed, the individual cultivation chambers of the photobioreactor being in fluid communication with one another and the two end pieces and the at least one reactor compartment each comprising at least one light source.
  • the invention relates in particular to a modular photobioreactor, comprising a first end piece, a second end piece and at least one reactor compartment arranged between the first end piece and the second end piece, wherein the photobioreactor at least comprises two cultivation chambers, wherein the at least two cultivation chambers are formed by positively joining the two end pieces and the at least one reactor compartment, the individual cultivation chambers of the photobioreactor being in fluid communication with one another and the two end pieces and the at least one reactor compartment each comprising at least one light source, thereby characterized in that the at least one reactor compartment has two shell elements which are connected to one another in a back-to-back arrangement.
  • the modular and expandable structure of the photobioreactor according to the invention allows the number of reactor compartments arranged between the end pieces and the associated cultivation chambers of the photobioreactor to be increased or reduced according to requirements.
  • the presence of at least one light source, in particular at least one artificial light source, on the two end pieces and the at least one reactor compartment allows a daylight-independent, uniform supply of light energy to phototrophic microorganisms located in the cultivation chambers, a compact and space-saving structure of the reactor and the modular scalability of the photobioreactor without Loss of performance of the reactor due to shading of the cultured cells and the associated reduction in their photosynthesis performance as the number of reactor compartments arranged next to one another increases.
  • a first cultivation chamber is formed by positively joining the first end piece to the at least one reactor compartment and a second cultivation chamber is formed by positively joining the second end piece to the at least one reactor compartment.
  • the modular photobioreactor comprises a first end piece, a second end piece and at least two reactor compartments arranged between the first end piece and the second end piece, the photobioreactor comprising at least three cultivation chambers, the at least three cultivation chambers being positively joined together the two end pieces and the at least two reactor compartments are formed, the individual cultivation chambers of the photobioreactor being in fluid communication with one another and the two end pieces and the at least two reactor compartments each comprising at least one light source.
  • a first cultivation chamber is formed by positively joining the first end piece to a first reactor compartment
  • a second cultivation chamber is formed by positively joining the first reactor compartment to the second reactor compartment
  • a third cultivation chamber is formed by positively joining the second reactor compartment to the second end piece .
  • the photobioreactor according to the invention preferably has at least 2, preferably at least 3, preferably at least 4, preferably at least 5, preferably at least 6, preferably at least 7, preferably at least 8, preferably at least 9, preferably at least 10, preferably at least 15, preferably at least 20, preferably at least 25, reactor compartments arranged between the first end piece and the second end piece.
  • the photobioreactor has at most 50, preferably at most 45, preferably at most 40, preferably at most 35, preferably at most 30, preferably at most 25, preferably at most 20, preferably at most 15, preferably at most 10, preferably at most 9, preferably at most 8, preferably at most 7, preferably at most 6, preferably at most 5, preferably at most 4, preferably at most 3, preferably at most 2, reactor compartments arranged between the first end piece and the second end piece.
  • the photobioreactor has at least 3, preferably at least 4, preferably at least 5, preferably at least 6, preferably at least 7, preferably at least 8, preferably at least 9, preferably at least 10, preferably at least 15, preferably at least 20 at least 25 cultivation chambers.
  • the photobioreactor has at most 50, preferably at most 45, preferably at most 40, preferably at most 35, preferably at most 30, preferably at most 25, preferably at most 20, preferably at most 15, preferably at most 10, preferably at most 9, preferably at most 8, preferably at most 7, preferably at most 6, preferably at most 5, preferably at most 4, preferably at most 3, cultivation chambers.
  • the photobioreactor according to the invention preferably has a first end piece, a second end piece, and n reactor compartments arranged between the first end piece and the second end piece and n+1 cultivation combs, where n > 1, preferably n > 2, preferably n > 3, preferably n > 4, preferably n > 5, preferably n > 6, preferably n > 7, preferably n > 8, preferably n > 9, preferably n > 10, preferably n > 15, preferably n > 20, preferably n > 25.
  • the photobioreactor according to the invention has a first end piece, a second end piece, n reactor compartments arranged between the first end piece and the second end piece, and n+1 cultivation chambers, where n ⁇ 50, preferably n ⁇ 45, preferably n ⁇ 40, preferably n ⁇ 35, preferably n ⁇ 30, preferably n ⁇ 25, preferably n ⁇ 20, preferably n ⁇ 15, preferably n ⁇ 14, preferably n ⁇ 13, preferably n ⁇ 12, preferably n ⁇ 11, preferred n ⁇ 10, preferably n ⁇ 9, preferably n ⁇ 8, preferably n ⁇ 7, preferably n ⁇ 6, preferably n ⁇ 5.
  • the modular photobioreactor comprises a first end piece, a second end piece and n reactor compartments arranged between the first end piece and the second end piece, the photobioreactor comprising n+1 cultivation chambers, the n+1 cultivation chambers having a positive fit Combining the two end pieces and the n reactor compartments are formed, the individual cultivation chambers of the photobioreactor being in fluid communication with one another, the two end pieces and the n reactor compartments each comprising at least one light source, and where n > 1, preferably n > 2, preferably > 3, preferably > 4, preferably n > 5, preferably > 6, preferably > 7, preferably n > 8, preferably > 9, preferably > 10, preferably n > 15, preferably n > 20, preferably n > 25.
  • the present invention relates in particular to a modular photobioreactor, comprising a first end piece, a second end piece and at least n reactor compartments arranged between the first end piece and the second end piece, wherein the photobioreactor comprises at least n + 1 cultivation chambers, wherein the at least n + 1 cultivation chambers are formed by positively joining the two end pieces and the n reactor compartments, the individual cultivation chambers of the photobioreactor being in fluid communication with one another, the two end pieces and the n reactor compartments each comprising at least one light source, and where the following applies: n > 1, preferably > 2, preferably >3, preferably >4, preferably n >5, preferably >6, preferably >7, preferably n >8, preferably >9, preferably >10, preferably n >15, preferably n >20, preferably n According to a preferred embodiment, each of the cultivation chambers of the photobioreactor has at least one upflow area, preferably at least two upflow areas, preferably at least three upflow areas,
  • each of the cultivation chambers has at least one Ab stream region, preferably at least two Ab stream regions, preferably at least three Ab stream regions, preferably at least four Ab stream regions.
  • Each of the cultivation chambers preferably has at least two upflow areas and at least two downflow areas.
  • the at least one flow area of the cultivation chambers is gassed.
  • the gassing of the at least one upstream region of the cultivation chambers takes place via a slotted or perforated membrane, in particular via a slotted or perforated silicone membrane.
  • the gassing of the at least one upstream region of the cultivation chambers takes place via a porous plastic or ceramic element.
  • the gassing of the upstream areas of the cultivation chambers takes place via a common gassing channel which runs in the footwell of the individual reactor compartments.
  • the at least one upstream region of the cultivation chambers is gassed with a gas mixture, in particular a CO2/air mixture.
  • the CCh content in the gas mixture is preferably at least 0.5%, preferably at least 1%, preferably at least 2%, preferably at least 3%, preferably at least 4%, preferably at least 5%, preferably at least 6%, preferably at least 7%, preferably at least 8%, preferably at least 9%.
  • the CCh content in the gas mixture, in particular in the CO2/air mixture is at most 10%, preferably at most 9%, preferably at most 8%, preferably at most 7%, preferably at most 6%, preferably at most 5%, preferably at most 4%, preferably at most 5%, preferably at most 4%, preferably at most 3%, preferably at most 2%, preferably at most 1%.
  • the CCh content in the gas mixture, in particular in the CCb/air mixture is particularly preferably 0.5 to 10%, preferably 1 to 9%, preferably 2 to 8%, preferably 3 to 7%, preferably 4 to 6%.
  • the gassing rate is at least 0.01 vvm (vol. gas per volume of culture medium per min), preferably at least 0.025 vvm, preferably at least 0.05 vvm, preferably at least 0.1 vvm, preferably at least 0.2 vvm, preferably at least 0.3 wm, preferably at least 0.4 vvm, preferably at least 0.5 vvm, preferably at least 0.6 wm, preferably at least 0.7 vvm, preferably at least 0.8 vvm, preferably at least 0.9 wm, preferred at least 1 vvm.
  • the gassing rate is preferably at most 1 vvm (vol. gas per volume of culture medium per min), 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, preferably at most 0.4 vvm, preferably at most 0.3 vvm, preferably at most 0.2 vvm, preferably at most 0.1 vvm, preferably at most 0.05 vvm.
  • the gassing rate is 0.01 to 1 vvm (vol. gas per volume of culture medium per min), preferably 0.025 to 0.8 vvm, preferably 0.05 to 0.6 vvm, preferably 0 .1 to 0.5 vvm, preferably 0.15 to 0.3 vvm.
  • the gas mixture in particular the CO2/air mixture
  • the recirculated gas mixture in particular the CO2/air mixture
  • the recirculated gas mixture is enriched again with CO2 before the renewed gassing.
  • the at least one downstream region of a cultivation chamber opens into at least one downstream region of at least one adjacent cultivation chamber.
  • the downstream region of a cultivation chamber opens into at least one upstream region of at least one adjacent cultivation chamber via at least one channel.
  • the at least one channel connecting the downstream region of a cultivation chamber with the at least one downstream region of at least one adjacent cultivation chamber runs below the at least one light source of the reactor compartments.
  • the cultivation volume is exchanged between the individual cultivation chambers of the photobioreactor.
  • the modular photobioreactor has no pump, in particular no pump for mixing the cultivation volume.
  • the cultivation volume is preferably mixed without active pumping.
  • the mixing of the cultivation volume is particularly preferably carried out pneumatically, in particular by moving the cultivation volume through the upflow areas and the downflow areas of the photobioreactor, in particular according to the principle of mammoth pump delivery (airlift principle).
  • the photobioreactor according to the invention advantageously also allows the cultivation of shear-sensitive organisms, in particular shear-sensitive phototrophic microorganisms.
  • the pneumatic mixing reduces the operating, maintenance and installation costs of the photobioreactor and thus increases the economic efficiency of the photobioreactor.
  • the fluid connection between the individual cultivation chambers advantageously enables the cultivation volume to be mixed across all cultivation chambers of the photobioreactor.
  • the mixing of the cultivation volume in the cultivation chambers of the photobioreactor, which are in fluid communication with one another is driven pneumatically, in particular according to the principle of mammoth pump delivery (airlift principle), that is, driven by the introduction of gas into the lower region of the at least one upflow region of a cultivation chamber , which then rises in the form of gas bubbles and leads to a hydrostatic pressure difference, which in turn results in an upward flow of the cultivation volume.
  • the cultivation volume flows from at least one downstream region of the cultivation chamber into the upstream region of the at least one adjacent cultivation chamber and thus the cultivation volume is mixed between the individual cultivation chambers of the photobioreactor. In this way, an even supply of light and nutrients to cultivated phototrophic microorganisms is advantageously ensured and the formation of local concentration gradients in certain areas of the photobioreactor is prevented.
  • the at least one light source is an LED light, preferably a high-performance LED lamp.
  • the at least one light source comprises warm white LEDs and/or cold white LEDs, in particular equal proportions of warm white LEDs and cold white LEDs.
  • the warm white LEDs preferably have a color temperature of 1500 to 4500 K, preferably 1750 to 3500 K, preferably 2000 to 3000 K.
  • the cold white LEDs preferably have a color temperature of 4750 to 8000 K, preferably 5000 to 7000 K, preferably 5250 to 6000 K.
  • the at least one light source comprises warm white LEDs and/or cool white LEDs and additionally blue LEDs and/or red LEDs.
  • the at least one light source comprises warm white LEDs, cold white LEDs and red LEDs.
  • the at least one light source comprises warm white LEDs, cold white LEDs and blue LEDs.
  • the at least one light source includes warm white LEDs, cool white LEDs, red LEDs and blue LEDs.
  • the warm white LEDs, cold white LEDs, red LEDs and/or blue LEDs are particularly preferably installed on a common carrier, in particular on a common circuit board.
  • the at least one light source comprises warm white LEDs, cold white LEDs, blue LEDs and red LEDs arranged on a common carrier, in particular on a common circuit board, which can preferably be switched separately and together.
  • the at least one light source comprises at least 50%, preferably at least 55%, preferably at least 60%, preferably at least 65%, preferably at least 70%, preferably at least 75%, white LEDs, in particular warm white and cool white LEDs.
  • the ratio of warm white LEDs to cold white LEDs of the at least one light source is 50:50, preferably 55:45, preferably 60:40, preferably 65:35, preferably 70:30, preferably 75:25.
  • the at least one light source comprises white LEDs, of which 50 to 80%, preferably 55 to 75%, preferably 60 to 70%, are warm white LEDs and 20 to 50%, preferably 25 to 45%, preferably 30 to 40%, are cool white LEDs are.
  • the at least one light source comprises 0 to 25% blue LEDs and 75 to 100% red LEDs.
  • the ratio of red LEDs to blue LEDs of the at least one light source is at least 1:3, preferably at least 1:4, preferably at least 1:5, preferably at least 1:6.
  • the luminous efficacy of the at least one light source is at least 150 Im/W (lumens per watt), preferably at least 175 Im/W, preferably at least 200 Im/W, preferably at least 210 Im/W, preferably at least 220 Im/W, preferably at least 230 Im/W, preferably at least 240 Im/W, preferably at least 250 Im/W.
  • the irradiance of the at least one light source is at least 50 W/m 2 (watts per square meter), preferably at least 75 W/m 2 , preferably at least 100 W/m 2 , preferably at least 125 W/m 2 , preferably at least 150 W/m 2 , preferably at least 175 W/m 2 , preferably at least 200 W/m 2 , preferably at least 225 W/m 2 , preferably at least 250 W/m 2 , preferably at least 275 W/m 2 , preferably at least 300 W/m 2 m 2 , preferably at least 325 W/m 2 , preferably at least 350 W/m 2 .
  • the irradiance of the at least one light source is at most 400 W/m 2 (watts per square meter), preferably at most 375 W/m 2 , preferably at most 350 W/m 2 , preferably at most 325 W/m 2 , preferably at most 300 W/m 2 , preferably at most 275 W/m 2 , preferably at most 250 W/m 2 , preferably at most 225 W/m 2 , preferably at most 200 W/m 2 .
  • the irradiance of the at least one light source is particularly preferably 50 to 400 W/m 2 , preferably 100 to 350 W/m 2 , preferably 150 to 300 W/m 2 , preferably 175 to 275 W/m 2 , preferably 200 to 250 W/ m2 .
  • the at least one light source is part of an illumination plane arranged between two shell elements of a reactor compartment.
  • the illumination plane comprising at least one light source and arranged between two shell elements of a reactor compartment radiates in two opposite directions.
  • the illumination plane arranged between two shell elements of a reactor compartment comprises at least two light sources which are arranged back to back to one another and radiate in opposite directions.
  • a cooling device is arranged between the at least two light sources of an illumination level.
  • the illumination plane has an area of at least 0.5 m 2 , preferably at least 0.6 m 2 , preferably at least 0.7 m 2 , preferably at least 0.8 m 2 , preferably at least 0.9 m 2 , preferably at least 1 m 2 .
  • the at least one light source in particular the at least one light source of the illumination plane arranged between two shell elements of a reactor compartment, has a distance of at most 5 cm, preferably at most 4.5 cm, preferably at most 4 cm, preferably at most 3, 5 cm, preferably at most 3 cm, preferably at most 2.5 cm, preferably at most 2 cm, preferably at most 1.5 cm, preferably at most 1 cm, preferably at most 0.5 cm, from the surface of the cultivation chambers of the photobioreactor.
  • the at least one light source in particular the at least one light source of the illumination plane arranged between two shell elements of a reactor compartment, has a distance of at least 0.5 cm, preferably at least 0.75 cm, preferably at least 1 cm, preferably at least 1.25 cm at least 1.5 cm, preferably at least 1.75 cm, preferably at least 2 cm, preferably at least 2.25 cm, preferably at least 2.5 cm, preferably at least 2.75 cm, preferably at least 3 cm, from the surface of the cultivation chambers of photobioreactor.
  • the at least one light source in particular the at least one light source of the illumination plane arranged between two shell elements of a reactor compartment, has a distance of 0.5 to 5 cm, 0.75 to 4 cm, preferably 1 to 3.5 cm, preferably 1, 25 to 3 cm, preferably 1.5 to 2.5 cm, from the surface of the cultivation chambers of the photobioreactor.
  • the at least one reactor compartment has two shell elements.
  • the at least one reactor compartment consists of two shell elements.
  • the two shell elements of the at least one reactor compartment are preferably connected to one another in a back-to-back arrangement.
  • an illumination plane comprising the at least one light source of the reactor compartment is arranged between the two shell elements.
  • a reactor compartment of the photobioreactor according to the invention has two shell elements which are connected to one another in a back-to-back arrangement, with an illumination plane comprising the at least one light source of the reactor compartment being located between the two shell elements.
  • the two shell elements of the at least one reactor compartment are half-shells.
  • the two shell elements, in particular the two half-shells, of a reactor compartment are designed to be mirror-symmetrical to one another. According to this preferred embodiment of the present invention, it can be provided that the mirror plane of the reactor compartment lies in the illumination plane arranged between the two shell elements.
  • the two shell elements, in particular the two half-shells, of a reactor compartment are not designed to be mirror-symmetrical to one another.
  • the first end piece comprises a shell element, in particular a half shell.
  • the first end piece comprises a shell element, in particular a half-shell, and at least one light source.
  • the second end piece comprises a shell element, in particular a half shell.
  • the second end piece comprises a shell element, in particular a half-shell, and at least one light source.
  • the first and second end pieces each comprise a shell element, in particular a half-shell.
  • the first and second end pieces each comprise a shell element, in particular a half-shell, and at least one light source.
  • each of the two shell elements, preferably each of the two half-shells, of a reactor compartment has a shell element, preferably a half-shell, a further reactor compartment or a shell element, preferably a half-shell, an end piece Cultivation chamber forms.
  • the cultivation chambers formed by the shell elements are sealed by means of a circumferential seal.
  • the two end pieces and the at least one reactor compartment arranged between the two end pieces are arranged horizontally next to one another.
  • the at least two cultivation chambers, in particular the n+1 cultivation chambers are arranged horizontally next to one another.
  • the photobioreactor according to the invention comprises, in addition to the two end pieces and the at least one reactor compartment, in particular in addition to the two end pieces and the at least n reactor compartments, two cover plates arranged at the ends.
  • the two end pieces and the at least one reactor compartment, in particular the two end pieces and the at least n reactor compartments are arranged horizontally next to one another and are pressed together via the end cover plates.
  • the end pieces and the reactor compartments arranged next to one another between the first and second end pieces are pressed together hydraulically or by screwing, preferably via end-mounted cover plates.
  • the formation of a closed reactor space that is delimited from the environment is achieved.
  • the force exerted on the end pieces preferably the force exerted on the end pieces by means of the cover plates, corresponds to at least the spring restoring force of all reactor compartments and the two end pieces.
  • the at least one reactor compartment of the photobioreactor according to the invention preferably has a height of at least 0.25 m, preferably at least 0.5 m, preferably at least 0.75 m, preferably at least 1 m, preferably at least 1.25 m, preferably at least 1.5 m , preferably at least 1.75 m, preferably at least 2 m.
  • the at least one reactor compartment of the photobioreactor according to the invention has a height of at most 5 m, preferably at most 4.5 m, preferably at most 4 m, preferably at most 3.5 m, preferably at most 3 m, preferably at most 2.5 m, preferably at most 2 m, preferably at most 1.5 m.
  • the at least one reactor compartment has a height of 0.25 to 5 m, preferably 0.5 to 4.5 m, preferably 0.75 to 4 m, preferably 1 to 3.5 m, preferably 1.25 to 3 m, preferably 1.5 to 2.5 m.
  • the first and second end pieces of the photobioreactor according to the invention preferably have a height of at least 0.25 m, preferably at least 0.5 m, preferably at least 0.75 m, preferably at least 1 m, preferably at least 1.25 m, preferably at least 1.5 m, preferably at least 1.75 m, preferably at least 2 m.
  • the first and second end pieces of the photobioreactor according to the invention have a height of at most 5 m, preferably at most 4.5 m, preferably at most 4 m, preferably at most 3.5 m, preferably at most 3 m, preferably at most 2.5 m , preferably at most 2 m, preferably at most 1.5 m.
  • the first and second end pieces of the photobioreactor according to the invention have a height of 0.25 to 5 m, preferably 0.5 to 4.5 m, preferably 0.75 to 4 m, preferably 1 to 3, 5 m, preferably 1.25 to 3 m, preferably 1.5 to 2.5 m.
  • the at least one reactor compartment of the photobioreactor according to the invention preferably has a width of at least 0.25 m, preferably at least 0.5 m, preferably at least 0.75 m, preferably at least 1 m, preferably at least 1.25 m, preferably at least 1.5 m , preferably at least 1.75 m, preferably at least 2 m.
  • the at least one reactor compartment of the photobioreactor according to the invention has a width of at most 5 m, preferably at most 4.5 m, preferably at most 4 m, preferably at most 3.5 m, preferably at most 3 m, preferably at most 2.5 m, preferably at most 2 m, preferably at most 1.5 m.
  • the at least one reactor compartment has a width of 0.25 to 5 m, preferably 0.5 to 4.5 m, preferably 0.75 to 4 m, preferably 1 to 3.5 m, preferably 1.25 to 3 m, preferably 1.5 to 2.5 m.
  • the first and second end pieces of the photobioreactor according to the invention preferably have a width of at least 0.25 m, preferably at least 0.5 m, preferably at least 0.75 m, preferably at least 1 m, preferably at least 1.25 m, preferably at least 1.5 m, preferably at least 1.75 m, preferably at least 2 m.
  • the first and second end pieces of the photobioreactor according to the invention have a width of at most 5 m, preferably at most 4.5 m, preferably at most 4 m, preferably at most 3.5 m, preferably at most 3 m, preferably at most 2.5 m , preferably at most 2 m, preferably at most 1.5 m.
  • the first and second end pieces of the photobioreactor according to the invention have a width of 0.25 to 5 m, preferably 0.5 to 4.5 m, preferably 0.75 to 4 m, preferably 1 to 3, 5 m, preferably 1.25 to 3 m, preferably 1.5 to 2.5 m.
  • the cultivation chambers in particular the cultivation chambers formed by the two end pieces and the reactor compartments arranged between the first and second end pieces, have a maximum chamber depth, in particular maximum layer thickness, of at least 0.5 cm, preferably at least 1 cm, preferably at least 1.5 cm, preferably at least 2 cm, preferably at least 2.5 cm, preferably at least 3 cm, preferably at least 3.5 cm, preferably at least 4 cm, preferably at least 4.5 cm, preferably at least 5 cm.
  • the cultivation chambers in particular the cultivation chambers formed by the two end pieces and the reactor compartments arranged between the first and second end pieces, have a maximum chamber depth, in particular maximum layer thickness, of at most 10 cm, preferably at most 9 cm, preferably at most 8 cm, preferably at most 7 cm, preferably at most 6 cm, preferably at most 5 cm, preferably at most 4.5 cm, preferably at most 4 cm, preferably at most 3.5 cm, preferably at most 3 cm, preferably at most 2.5 cm, preferred at most 2 cm, preferably at most 1.5 cm.
  • the cultivation chambers in particular the cultivation chambers formed by the two end pieces and the reactor compartments arranged between the first and second end pieces, have a non-uniform chamber depth, in particular non-uniform layer thickness.
  • the cultivation chambers in particular the cultivation chambers formed by the two end pieces and the reactor compartments arranged between the first and second end pieces, have a non-uniform chamber depth, in particular non-uniform layer thickness, in the range of 0.5 to 10 cm, preferably 0.5 to 7.5 cm, preferably 0.5 to 5 cm, preferably 1 to 4.5 cm, preferably 1 to 4 cm, preferably 1.5 to 3.5 cm, preferably 1.5 to 3 cm.
  • the cultivation chambers each have a volume of at least 5 liters, preferably at least 10 liters, preferably at least 20 liters, preferably at least 30 liters, preferably at least 40 liters, preferably at least 50 liters, preferably at least 75 liters, preferably at least 100 liters, preferably at least 150 liters, preferably at least 200 liters, preferably at least 250 Liters, preferably at least 500 liters, preferably at least 750 liters, preferably at least 1000 liters, preferably at least 1500 liters, preferably at least 2000 liters, preferably at least 2500 liters, preferably at least 3000 liters, preferably at least 3500 liters, preferably at least 4000 liters, preferably at least 5000 liters, on.
  • the cultivation chambers each have a volume of at most 20,000 liters, preferably at most 15,000 liters, preferably at most 10,000 liters, preferably at most 7,500 Liters, preferably at most 5000 liters, preferably at most 4000 liters, preferably at most 3000 liters, preferably at most 2500 liters, preferably at most 2000 liters, preferably at most 1500 liters, preferably at most 1000 liters, preferably at most 750 liters, preferably at most 500 liters, preferably at most 400 Liters, preferably at most 300 liters, preferably at most 200 liters, preferably at most 150 liters, preferably at most 100 liters, preferably at most 75 liters, preferably at most 50 liters.
  • the cultivation chambers in particular the cultivation chambers formed by the two end pieces and the at least one reactor compartment arranged between the first and second end pieces, each have a volume of 5 to 20,000 liters, preferably 5 to 10,000 liters, preferably 10 to 7,500 liters, preferably 10 to 5000 liters, preferably 20 to 2500 liters, preferably 20 to 1000 liters, preferably 30 to 500 liters, preferably 30 to 250 liters.
  • the photobioreactor according to the invention has a total volume of at least 100 liters, preferably at least 150 liters, preferably at least 200 liters, preferably at least 250 liters, preferably at least 300 liters, preferably at least 350 liters, preferably at least 400 liters, preferably at least 450 liters , preferably at least 500 liters, preferably at least 750 liters, preferably at least 1000 liters, preferably at least 2500 liters, preferably at least 5000 liters, preferably at least 7500 liters, preferably at least 10,000 liters.
  • the cultivation chambers formed by shell elements, in particular by the half-shells, of the reactor compartments are segmented.
  • at least one Upstream area of the cultivation chambers formed by the shell elements, in particular by the half-shells, of the reactor compartments is segmented.
  • the reactor compartments, in particular the shell elements, preferably the half-shells, of the reactor compartments have a horizontal segmentation in the at least one upflow region, in particular a horizontal segmentation in the form of reactor half-shells arranged horizontally one above the other.
  • the horizontal segmentation of the shell elements, preferably the half-shells, of the reactor compartments in particular the horizontal segmentation in the form of reactor half-shells arranged horizontally one above the other, in the assembled state of the photobioreactor, static mixers are formed in the at least one upstream region of the cultivation chambers.
  • the cultivation chambers of the photobioreactor in particular the at least one upstream region of the cultivation chambers, preferably have at least 2, preferably at least 3, preferably at least 4, preferably at least 5, preferably at least 6, preferably at least
  • the cultivation chambers of the photobioreactor in particular the at least one upflow region of the cultivation chambers, have at most 100, preferably at most 90, preferably at most 80, preferably at most 70, preferably at most 60, preferably at most 50, preferably at most 40, preferably at most 35, preferably at most 30, preferably at most 25, preferably at most 20, preferably at most 15, preferably at most 10, preferably at most 9, preferably at most
  • the present invention also relates to a method for cultivating phototrophic microorganisms, comprising the steps: a) provision of a culture medium comprising at least one phototrophic microorganism, b) provision of a modular photobioreactor according to the invention, c) cultivation of the at least one phototrophic microorganism in the modular photobioreactor according to the invention.
  • a further aspect of the present invention relates to the use of a modular photobioreactor according to the invention for cultivating phototrophic microorganisms.
  • the term “modular photobioreactor” is understood to mean a bioreactor suitable for the cultivation of phototrophic microorganisms, which is characterized in that the bioreactor is made up of several components, in particular two end pieces and at least one reactor compartment arranged between the two end pieces, and is constructed accordingly can be scaled to the requirements placed on it by removing or adding individual components, in particular individual reactor compartments.
  • the “modular structure” of the photobioreactor according to the invention also allows the photobioreactor to be easily assembled and disassembled for maintenance and maintenance purposes.
  • the “modular photobioreactor” is characterized in that it comprises a first and a second end piece, between which individual reactor compartments can be arranged, with cultivation chambers being formed by positive joining of the two end pieces with the individual reactor compartments arranged between them, which are connected to one another are in fluid communication, so that the total volume of the photobioreactor can be scaled by the number of reactor compartments arranged between the two end pieces.
  • the term “cultivation chamber” is used for a delimited space defined by walls within the modular photobioreactor according to the invention, which has a volume that is suitable for holding culture medium and for cultivating phototrophic microorganisms located in the culture medium.
  • the individual “cultivation chambers” of the photobioreactor according to the invention are preferably characterized in that they are formed by positively joining the two end pieces and the at least one reactor compartment.
  • the “cultivation chambers” particularly preferably have at least one upflow area and at least one downflow area.
  • a “reactor compartment” refers to a component of the modular photobioreactor according to the invention, which, together with a further “reactor compartment” and/or an end piece of the photobioreactor, forms at least one cultivation chamber by positive assembly.
  • a reactor compartment has two shell elements, in particular two half-shells, which are arranged back to back to one another and are connected to one another.
  • the term “riser” refers to a definable area of a cultivation chamber, within which introduced gas and culture medium located in the cultivation chamber are transported vertically upwards.
  • the term “outflow area” (English: “Downcomer”/“Downer”) is understood to mean a definable area of a cultivation chamber, within which culture medium located in the cultivation chamber is transported vertically downwards.
  • the term “warm white LED” is understood to mean a light-emitting diode that emits visible light with a color temperature in the range from 1500 to 4500 K, preferably 1750 to 3500 K, preferably 2000 to 3000 K, if electric current flows in the forward direction.
  • the term “cold white LED” is used for a light-emitting diode that emits visible light with a color temperature in the range from 4750 to 8000 K, preferably 5000 to 7000 K, preferably 5250 to 6000 K, when electric current flows in the forward direction.
  • blue LED is understood to mean a light-emitting diode that emits visible light with a wavelength in the range from 400 to 500 nm, preferably 410 to 490 nm, preferably 420 to 480 nm, preferably 430 to 470 nm, emitted when electric current flows in the forward direction.
  • a “red LED” is understood to mean a light-emitting diode that emits visible light with a wavelength in the range from 600 to 700 nm, preferably 610 to 690 nm, preferably 620 to 680 nm, preferably 630 to 670 nm, emitted when electric current flows in the forward direction.
  • the terms “comprising” and “having” mean that, in addition to the elements explicitly covered by these terms, there may be additional elements not explicitly mentioned. In the context of the present invention, these terms also mean that only the explicitly mentioned elements are recorded and no further elements are present. In this particular embodiment, the meaning of the terms “comprising” and “comprising” is synonymous with the term “consisting of”.
  • compositions that, in addition to the explicitly named elements, also contain other elements not mentioned, but which are of a functionally and qualitatively subordinate nature.
  • the terms “comprising” and “comprising” 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 alternatively to one another and 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).
  • first and second decimal places or the second decimal place are not specified in connection with the present invention, they must be set as 0. Further preferred embodiments result from the subclaims.
  • FIG. 1A shows the top view of a modular photobioreactor (1) according to the invention comprising two end pieces (2), (5) and two reactor compartments (3), (4) in the unassembled state.
  • Each of the reactor compartments (3), (4) has two shell elements (3a, 3b), (4a, 4b) which are connected to one another in a back-to-back arrangement and together with the shell elements (2a), (5a ) of the end pieces (2), (5) can be connected in a form-fitting manner.
  • FIG. 1B shows the top view of a modular photobioreactor according to the invention in the assembled state.
  • Each of the reactor compartments (3), (4) has two shell elements (3a, 3b, 4a, 4b) which are arranged back to back to one another.
  • the cultivation chamber (10) By positively connecting the shell element (2a) of the first end piece (2) to the one shell element (3a) of the reactor compartment (3), the cultivation chamber (10), the two upflow areas (7a, 7b) and three downflow areas (6a, 6b, 6c).
  • the cultivation chamber (20) which has three upflow areas (7c, 7d, 7e), is formed between the second shell element (3b) of the reactor compartment (3) and a shell element (4a) of the reactor compartment (4).
  • a further cultivation chamber (30) with two upflow areas (7f, 7g) and three downflow areas (6f, 6g, 6h) is created by positively connecting the second shell element (4b) of the reactor compartment (4) to the shell element (5a) of the second end piece ( 5) trained.
  • the arrows show the flow direction of the culture volume from the down stream areas (6a, 6b, 6c, 6d, 6e, 6f, 6g, 6h) of the cultivation chambers (10, 20, 30) of the photobioreactor (1) to the up stream areas (7a, 7b , 7c, 7d, 7e, 7f, 7g) of the adjacent cultivation chamber(s).
  • the reactor compartments (3, 4) each have an illumination plane (8) comprising at least one light source arranged between the shell elements (3a, 3b, 4a, 4b).
  • Figure 2 shows the front view of a modular photobioreactor (1) according to the invention.
  • a first cultivation chamber with three Downstream areas (6a, 6b, 6c) and two upstream areas (7a, 7b) are shown.
  • two Ab current areas (6d, 6e) of the next cultivation chamber are illustrated in dashed lines.
  • the arrows show the flow direction of the culture volume. From the downstream areas (6d, 6e), the culture volume reaches the upstream areas (7a, 7b) of the cultivation chamber shown in the foreground.
  • FIG 3 sections of a reactor compartment along the section planes AA and BB of Figure 2. It can be seen from the section along the section plane AA (left) that the upflow area (7) of the reactor compartment shown has static mixers (12) arranged one above the other in the form of horizontal extending reactor half shells.
  • An illumination plane (8) comprising at least one light source is arranged between the two shell elements of the reactor compartment.
  • each of the shell elements of a reactor compartment can comprise a circumferential seal (11).
  • the section along the section plane BB shows the Ab flow area (6) of a reactor compartment.
  • the culture volume is transported vertically through the downstream area (6) of the cultivation chamber, is passed under the illumination level (8), which is arranged between the two shell elements of the reactor compartment shown, and finally flows into the upstream area of the adjacent cultivation chamber.
  • Figure 4 shows a section through the upflow areas (7) of three cultivation chambers (10, 20, 30) arranged next to one another, which are formed by positively joining together a first end piece (2), two reactor compartments (3, 4) and a second end piece (5). become.
  • the two end pieces (2, 5) and the two reactor compartments (3, 4) each have one between the shell elements (3a, 3b, 4a, 4b) of the reactor compartments (3, 4) or on the shell elements (2a, 5a) of the two End pieces (2, 5) arranged at least one light source comprising illumination levels (8).

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen modular aufgebauten Photobioreaktor, insbesondere einen künstlich beleuchteten Photobioreaktor, der sich für die Verwendung in einer industriellen Produktionsumgebung mit hohem Automatisierungsgrad eignet sowie ein Verfahren zur Kultivierung von phototrophen Mikroorganismen.

Description

BESCHREIBUNG
Modular skalierbarer Photobioreaktor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen modular aufgebauten Photobioreaktor, insbesondere einen künstlich beleuchteten modular aufgebauten und skalierbaren Photobioreaktor, der sich für die Kultivierung von phototrophen Mikroorganismen in einer industriellen Produktionsumgebung mit hohem Automatisierungsgrad eignet. Dabei ermöglichen die erfindungsgemäßen Photobioreaktoren höchste Biomasse- und Produktproduktivitäten über einen langen Zeitraum bei einer optimalen Biomassequalität und geringem Investitions-, Wartungs- und Betriebskostenaufwand.
Ein großer Nachteil von industriellen Flachplattensystemen ist nach wie vor, dass die Reaktorkammern von Flachplattenreaktoren physikalisch nicht beliebig breit und hoch konstruiert werden können, da sonst die Fertigungskosten stark ansteigen. Für die Skalierung des Reaktorvolumens auf industriellen Maßstab ist daher aus ökonomischen Gesichtspunkten eine Anordnung von vielen einzelnen Flachplatten in einem Anlagenverbund erforderlich. Dabei können mehrere Reaktoren hintereinander zu einem Modulverbund zusammengeschaltet werden um beispielsweise schnellstmöglich von einer Vorkultur auf das gewünschte Produktionsvolumen skalieren zu können oder um mehrstufige Prozesse optimal aufeinander abzustimmen. Die einzelnen Kammern solcher Reaktoren sind meist über externe Leitungen miteinander zu einem Gesamtvolumen zusammengeschaltet. Die Kammern sind konstruktionsbedingt jedoch oftmals nicht optimal durchmischt, um die sich während der Kultivierung ausbildenden Konzentrationsgradienten auszugleichen. Daher kann es erforderlich sein, alle Einzelvolumen unabhängig voneinander zu überwachen, um dem Organismus bestmögliche Wachstumsbedingungen bereitzustellen. Der Grund für das Ausbilden von Konzentrationsgradienten und inhomogene Verteilungen der kultivierten Mikroorganismen innerhalb des Reaktors liegt neben einer unzureichenden Durchmischung auch in der Dynamik und natürlichen Varianz von biologischen Systemen, in denen bereits kleinste Schwankungen in der Licht- oder Nährstoffversorgung zu Unterschieden in Bezug auf das Wachstum und/oder die Produktbildung führen können.
Eine besondere Gefahr in der Skalierung von Flachplattensystemen liegt zudem darin, dass es bei der Wahl eines zu großen Produktionsvolumens im Falle einer Kontamination zum Totalverlust der gesamten Charge kommen kann. Die genaue Überwachung bedeutet einen großen Aufwand für den Anlagenbetreiber und einen hohen Investitionsbedarf für einzusetzende on- und offline Messtechnik.
Ein weiteres Problem liegt in dem enormen Platzbedarf von Photobioreaktoren, die das natürliche Sonnenlicht zur Kultivierung von phototrophen Mikroorganismen nutzen. Zur Verringerung der erforderlichen Stellfläche kann auf die Verwendung von Lichtenergie aus künstlichen Quellen zurückgegriffen werden. Geringe Rüstzeiten während der Wartungszyklen solcher Systeme sind auch hier ein entscheidender Faktor für eine gute Skalierbarkeit großer Anlagensysteme. Auch die Auslegung des Reaktor systems nach GMP Regularien, wie beispielsweise Totraumvermeidung, Restentleerung, Sterilisierbarkeit sind konstruktiv zu lösen, um beispielsweise das System zu zertifizieren und den Anforderungen einer industriellen Produktionsumgebung gerecht zu werden.
Bei der Kultivierung von phototrophen Mikroorganismen ist insbesondere die Versorgung der Organismen mit ausreichend Licht entsprechender Qualität von wesentlicher Bedeutung für die Leistungsfähigkeit eines Photobioreaktorsystems. Der Lichteintrag in ein Kultivierungsvolumen erfolgt über die Reaktoroberfläche. Je nach Biomassekonzentration und Intensität auf der Oberfläche bildet sich über die Schichttiefe des Volumens ein charakteristisches Absorptionsprofil der eingestrahlten Photonen aus. Im Falle von sehr hohen Intensitäten teilt sich das Profil in drei Zonen auf. An der Oberfläche sind die Zellen zu hohen Photonenflussdichten ausgesetzt und sind lichtinhibiert. In der mittleren Zone entspricht die Intensität moderaten Bedingungen und die Organismen zeigen die höchste Photosyntheserate, während mit zunehmender gegenseitiger Abschattung der Zellen in der Tiefe des Reaktors Lichtlimitierung auftritt. Variiert man das Licht, die Biomassekonzentration, oder die Geometrie des Reaktorvolumens verschieben sich diese Zonen entsprechend. Bei sehr hohen Zellkonzentrationen wird das Licht schon in den ersten Millimetern vollständig absorbiert, bei geringen Zellkonzentrationen kann auch eine Transmission durch das Kultivierungsvolumen erfolgen. Dieser Zusammenhang charakterisiert die erreichbare Photosyntheserate und demzufolge die Leistung des gesamten Reaktors. Da der Reaktor kein statisches System ist, bewegen sich die Zellen zwischen den beschriebenen Zonen. Je nach eingesetzter Durchmischungsstrategie bewegen sich die Zellen statistisch auf bestimmten Trajektorien durch das Reaktorvolumen und werden mit einer bestimmten Frequenz an der Oberfläche mit einem Lichtimpuls versorgt, um dann wieder in die abgeschatteten Bereiche des Reaktors zu gelangen. Je schneller dieser Prozess abläuft, desto mehr Zellen werden statistisch mit Licht versorgt. Eine Zelle erfährt dabei eine für das System charakteristische frequenzbasierte Lichthistorie und es erfolgt eine kinetische Lichtintegration über alle Zellen. Eine Veränderung der Strömungsmechanik führt statistisch zu charakteristischen Hell-/Dunkelzyklen in dem Volumen, wobei diese ein Maß für die Leistung eines Reaktors darstellen. Daraus ergeben sich zwei Grenzfälle, die je nach eingesetztem Organismus sowohl in der einen als auch der anderen Konfiguration des Reaktorsystems zu gutem Wachstum führen können. Einerseits kann ein Reaktor mit größerer Schichtdicke und starker Strukturierung seiner Geometrie entweder durch Umpumpen oder Begasung durchmischt werden, um die Zellen durch die Turbulenz auf bestimmt Hell-/Dunkel-Trajektorien durch den Reaktor zu leiten. Auf diese Weise kann eine hohe Biomassekonzentration erreicht werden. Andererseits kann die Schichtdicke des Reaktors mit einem extremen Oberfläche/Volumen (O/V)- Verhältnis stark verkleinert werden. Ein solches System zielt darauf ab, den Prozess bei Schwachlichtbedingungen durchzuführen mit einer möglichst geringen Zellabschattung bei der Lichtversorgung. Hier muss die Lichtenergie entsprechend über die gesamte Oberfläche verdünnt werden.
Somit stellen sich hohe Anforderung an Photobioreaktoren, die zur effizienten Kultivierung von phototrophen Mikroorganismen in industriellem Maßstab genutzt werden können.
Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, die Nachteile der im Stand der Technik beschriebenen Photobioreaktoren zu überwinden und den hohen Anforderungen an Photobioreaktoren zur effizienten Kultivierung von phototrophen Mikroorganismen in industriellem Maßstab gerecht zu werden. Die vorliegende Erfindung löst das ihr zugrundeliegende technische Problem durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche.
Die Erfindung betrifft insbesondere einen modular aufgebauten Photobioreaktor, umfassend ein erstes Endstück, ein zweites Endstück und mindestens ein zwischen dem ersten Endstück und dem zweiten Endstück angeordnetes Reaktorkompartiment, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Photobioreaktor mindestens zwei Kultivierungskammern umfasst, wobei die mindestens zwei Kultivierungskammern durch formschlüssiges Zusammenfügen der zwei Endstücke und des mindestens einen Reaktorkompartiments ausgebildet sind, wobei die einzelnen Kultivierungskammern des Photobioreaktors miteinander in Fluidverbindung stehen und wobei die beiden Endstücke und das mindestens eine Reaktorkompartiment jeweils mindestens eine Lichtquelle umfassen.
Die Erfindung betrifft insbesondere einen modular aufgebauten Photobioreaktor, umfassend ein erstes Endstück, ein zweites Endstück und mindestens ein zwischen dem ersten Endstück und dem zweiten Endstück angeordnetes Reaktorkompartiment, wobei der Photobioreaktor mindestens zwei Kultivierungskammem umfasst, wobei die mindestens zwei Kultivierungskammem durch formschlüssiges Zusammenfügen der zwei Endstücke und des mindestens einen Reaktorkompartiments ausgebildet sind, wobei die einzelnen Kultivierungskammem des Photobioreaktors miteinander in Fluidverbindung stehen und wobei die beiden Endstücke und das mindestens eine Reaktorkompartiment jeweils mindestens eine Lichtquelle umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Reaktorkompartiment zwei Schalenelemente aufweist, die in einer Rücken-an-Rücken- Anordnung miteinander verbunden sind.
Der modulare und erweiterbare Aufbau des erfindungsgemäßen Photobioreaktors erlaubt es die Anzahl der zwischen den Endstücken angeordneten Reaktorkompartimenten und damit verbunden der Kultivierungskammem des Photobioreaktors entsprechend den Erfordernissen zu erhöhen oder zu verringern. Das Vorliegen mindestens einer Lichtquelle, insbesondere mindestens einer künstlichen Lichtquelle, an den beiden Endstücken und dem mindestens einen Reaktorkompartiment erlaubt eine tageslichtunabhängige gleichmäßige Versorgung von in den Kultivierungskammern befindlichen phototrophen Mikroorganismen mit Lichtenergie, einen kompakten und platzsparenden Aufbau des Reaktors und die modulare Skalierbarkeit des Photobioreaktors ohne Leistungsverlust des Reaktors durch Abschattung der kultivierten Zellen und damit verbunden einer Verringerung deren Photosyntheseleistung bei zunehmender Anzahl an nebeneinander angeordneten Reaktorkompartimenten.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine erste Kultivierungskammer durch formschlüssiges Zusammenfügen des ersten Endstücks mit dem mindestens einen Reaktorkompartiment und eine zweite Kultivierungskammer durch formschlüssiges Zusammenfügen des zweiten Endstücks mit dem mindestens einen Reaktorkompartiment ausgebildet.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der modular aufgebaute Photobioreaktor ein erstes Endstück, ein zweites Endstück und mindestens zwei zwischen dem ersten Endstück und dem zweiten Endstück angeordnete Reaktorkompartimente, wobei der Photobioreaktor mindestens drei Kultivierungskammern umfasst, wobei die mindestens drei Kultivierungskammern durch formschlüssiges Zusammenfügen der zwei Endstücke und der mindestens zwei Reaktorkompartimente ausgebildet sind, wobei die einzelnen Kultivierungskammern des Photobioreaktors miteinander in Fluidverbindung stehen und wobei die beiden Endstücke und die mindestens zwei Reaktorkompartimente jeweils mindestens eine Lichtquelle umfassen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine erste Kultivierungskammer durch formschlüssiges Zusammenfügen des ersten Endstücks mit einem ersten Reaktorkompartiment, eine zweite Kultivierungskammer durch formschlüssiges Zusammenfügen des ersten Reaktorkompartiments mit dem zweiten Reaktorkompartiment und eine dritte Kultivierungskammer durch formschlüssiges Zusammenfügen des zweiten Reaktorkompartiments mit dem zweiten Endstück ausgebildet.
Bevorzugt weist der erfindungsgemäße Photobioreaktor mindestens 2, bevorzugt mindestens 3, bevorzugt mindestens 4, bevorzugt mindestens 5, bevorzugt mindestens 6, bevorzugt mindestens 7, bevorzugt mindestens 8, bevorzugt mindestens 9, bevorzugt mindestens 10, bevorzugt mindestens 15, bevorzugt mindestens 20, bevorzugt mindestens 25, zwischen dem ersten Endstück und dem zweiten Endstück angeordnete Reaktorkompartimente auf.
Erfindungsgemäß kann auch vorgesehen sein, dass der Photobioreaktor höchstens 50, bevorzugt höchstens 45, bevorzugt höchstens 40, bevorzugt höchstens 35, bevorzugt höchstens 30, bevorzugt höchstens 25, bevorzugt höchstens 20, bevorzugt höchstens 15, bevorzugt höchstens 10, bevorzugt höchstens 9, bevorzugt höchstens 8, bevorzugt höchstens 7, bevorzugt höchstens 6, bevorzugt höchstens 5, bevorzugt höchstens 4, bevorzugt höchstens 3, bevorzugt höchstens 2, zwischen dem ersten Endstück und dem zweiten Endstück angeordnete Reaktorkompartimente aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Photobioreaktor mindestens 3, bevorzugt mindestens 4, bevorzugt mindestens 5, bevorzugt mindestens 6, bevorzugt mindestens 7, bevorzugt mindestens 8, bevorzugt mindestens 9, bevorzugt mindestens 10, bevorzugt mindestens 15, bevorzugt mindestens 20, bevorzugt mindestens 25, Kultivierungskammern auf.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Photobioreaktor höchstens 50, bevorzugt höchstens 45, bevorzugt höchstens 40, bevorzugt höchstens 35, bevorzugt höchstens 30, bevorzugt höchstens 25, bevorzugt höchstens 20, bevorzugt höchstens 15, bevorzugt höchstens 10, bevorzugt höchstens 9, bevorzugt höchstens 8, bevorzugt höchstens 7, bevorzugt höchstens 6, bevorzugt höchstens 5, bevorzugt höchstens 4, bevorzugt höchstens 3, Kultivierungskammem auf.
Bevorzugt weist der erfindungsgemäße Photobioreaktor ein erstes Endstück, ein zweites Endstück, n zwischen dem ersten Endstück und dem zweiten Endstück angeordnete Reaktorkompartimente und n+1 Kultivierungskammem auf, wobei gilt n > 1, bevorzugt n > 2, bevorzugt n > 3, bevorzugt n > 4, bevorzugt n > 5, bevorzugt n > 6, bevorzugt n > 7, bevorzugt n > 8, bevorzugt n > 9, bevorzugt n > 10, bevorzugt n > 15, bevorzugt n > 20, bevorzugt n > 25.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der erfindungsgemäß Photobioreaktor ein erstes Endstück, ein zweites Endstück, n zwischen dem ersten Endstück und dem zweiten Endstück angeordnete Reaktorkompartimente und n+1 Kultivierungskammern auf, wobei gilt n < 50, bevorzugt n < 45, bevorzugt n < 40, bevorzugt n < 35, bevorzugt n < 30, bevorzugt n < 25, bevorzugt n < 20, bevorzugt n < 15, bevorzugt n < 14, bevorzugt n < 13, bevorzugt n < 12, bevorzugt n < 11, bevorzugt n < 10, bevorzugt n < 9, bevorzugt n < 8, bevorzugt n < 7, bevorzugt n < 6, bevorzugt n < 5.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der modular aufgebaute Photobioreaktor ein erstes Endstück, ein zweites Endstück und n zwischen dem ersten Endstück und dem zweiten Endstück angeordnete Reaktorkompartimente, wobei der Photobioreaktor n+1 Kultivierungskammem umfasst, wobei die n+1 Kultivierungskammern durch formschlüssiges Zusammenfügen der zwei Endstücke und der n Reaktorkompartimente ausgebildet sind, wobei die einzelnen Kultivierungskammem des Photobioreaktors miteinander in Fluidverbindung stehen, wobei die beiden Endstücke und die n Reaktorkompartimente jeweils mindestens eine Lichtquelle umfassen, und wobei gilt n > 1, bevorzugt n > 2, bevorzugt > 3, bevorzugt > 4, bevorzugt n > 5, bevorzugt > 6, bevorzugt > 7, bevorzugt n > 8, bevorzugt > 9, bevorzugt > 10, bevorzugt n > 15, bevorzugt n > 20, bevorzugt n > 25.
Demnach betrifft die vorliegende Erfindung insbesondere einen modular aufgebauten Photobioreaktor, umfassend ein erstes Endstück, ein zweites Endstück und mindestens n zwischen dem ersten Endstück und dem zweiten Endstück angeordnete Reaktorkompartimente, wobei der Photobioreaktor mindestens n+1 Kultivierungskammern umfasst, wobei die mindestens n+1 Kultivierungskammern durch formschlüssiges Zusammenfügen der zwei Endstücke und der n Reaktorkompartimente ausgebildet sind, wobei die einzelnen Kultivierungskammem des Photobioreaktors miteinander in Fluidverbindung stehen, wobei die beiden Endstücke und die n Reaktorkompartimente jeweils mindestens eine Lichtquelle umfassen, und wobei gilt: n > 1, bevorzugt > 2, bevorzugt > 3, bevorzugt > 4, bevorzugt n > 5, bevorzugt > 6, bevorzugt > 7, bevorzugt n > 8, bevorzugt > 9, bevorzugt > 10, bevorzugt n > 15, bevorzugt n > 20, bevorzugt n Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist jede der Kultivierungskammem des Photobioreaktors mindestens einen Auf Strombereich, bevorzugt mindestens zwei Aufstrombereiche, bevorzugt mindestens drei Aufstrombereiche, bevorzugt mindestens vier Aufstrombereiche, auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist jede der Kultivierungskammem mindestens einen Ab Strombereich, bevorzugt mindestens zwei Ab strombereiche, bevorzugt mindestens drei Ab Strombereiche, bevorzugt mindestens vier Ab strombereiche, auf.
Bevorzugt weist jede der Kultivierungskammem mindestens zwei Aufstrombereiche und mindestens zwei Ab Strombereiche auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der mindestens eine Auf Strombereich der Kultivierungskammern begast.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Begasung des mindestens einen Aufstrombereichs der Kultivierungskammern über eine geschlitzte oder perforierte Membran, insbesondere über eine geschlitzte oder perforierte Silkonmembran. Erfindungsgemäß kann auch vorgesehen sein, dass die Begasung des mindestens einen Aufstrombereichs der Kultivierungskammern über ein poröses Kunststoff- oder Keramikelement erfolgt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Begasung der Aufstrombereiche der Kultivierungskammem über einen gemeinsamen Begasungskanal, der im Fussraum der einzelnen Reaktorkompartimente verläuft.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der mindestens eine Aufstrombereich der Kultivierungskammern mit einem Gasgemisch, insbesondere einem CO2/Luft-Gemisch, begast.
Bevorzugt beträgt der CCh-Anteil am Gasgemisch, insbesondere am CCh/Luft-Gemisch, mindestens 0,5%, bevorzugt mindestens 1%, bevorzugt mindestens 2%, bevorzugt mindestens 3%, bevorzugt mindestens 4%, bevorzugt mindestens 5%, bevorzugt mindestens 6%, bevorzugt mindestens 7%, bevorzugt mindestens 8%, bevorzugt mindestens 9%.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt der CCh-Anteil am Gasgemisch, insbesondere am CO2/Luft-Gemisch, höchstens 10%, bevorzugt höchstens 9%, bevorzugt höchstens 8%, bevorzugt höchstens 7%, bevorzugt höchstens 6%, bevorzugt höchstens 5%, bevorzugt höchstens 4%, bevorzugt höchstens 5%, bevorzugt höchstens 4%, bevorzugt höchstens 3%, bevorzugt höchstens 2%, bevorzugt höchstens 1%.
Besonders bevorzugt beträgt der CCh-Anteil am Gasgemisch, insbesondere am CCb/Luft- Gemisch, 0,5 bis 10%, bevorzugt 1 bis 9%, bevorzugt 2 bis 8%, bevorzugt 3 bis 7%, bevorzugt 4 bis 6%.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Begasungsrate mindestens 0,01 vvm (Vol. Gas pro Vol. Kulturmedium pro min), bevorzugt mindestens 0,025 vvm, bevorzugt mindestens 0,05 vvm, bevorzugt mindestens 0, 1 vvm, bevorzugt mindestens 0,2 vvm, bevorzugt mindestens 0,3 wm, bevorzugt mindestens 0,4 vvm, bevorzugt mindestens 0,5 vvm, bevorzugt mindestens 0,6 wm, bevorzugt mindestens 0,7 vvm, bevorzugt mindestens 0,8 vvm, bevorzugt mindestens 0,9 wm, bevorzugt mindestens 1 vvm.
Bevorzugt beträgt die Begasungsrate höchstens 1 vvm (Vol. Gas pro Vol. Kulturmedium pro min), 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, bevorzugt höchstens 0,4 vvm bevorzugt höchstens 0,3 vvm, bevorzugt höchstens 0,2 vvm, bevorzugt höchstens 0,1 vvm bevorzugt höchstens 0,05 vvm.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt die Begasungsrate bei 0,01 bis 1 vvm (Vol. Gas pro Vol. Kulturmedium pro min), bevorzugt 0,025 bis 0,8 vvm, bevorzugt 0,05 bis 0,6 vvm, bevorzugt 0,1 bis 0,5 vvm, bevorzugt 0,15 bis 0,3 vvm.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Gasgemisch, insbesondere das CO2/Luft-Gemisch, vom Kopfbereich des Photobioreaktors zur erneuten Begasung des mindestens einen Aufstrombereichs der Kultivierungskammem zurückgeführt. Besonders bevorzugt wird das zurückgeführte Gasgemisch, insbesondere das CO2/Luft-Gemisch, vor der erneuten Begasung wieder mit CO2 angereichert.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mündet der mindestens eine Ab Strombereich einer Kultivierungskammer in mindestens einen Auf Strombereich mindestens einer angrenzenden Kultivierungskammer. Besonders bevorzugt mündet der Ab Strombereich einer Kultivierungskammer über mindestens einen Kanal in mindestens einen Aufstrombereich mindestens einer angrenzenden Kultivierungskammer. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verläuft der mindestens eine den Ab Strombereich einer Kultivierungskammer mit dem mindestens einen Auf Strombereich mindestens einer angrenzenden Kultivierungskammer verbindende Kanal unterhalb der mindestens einen Lichtquelle der Reaktorkompartimente.
Durch die Verknüpfung des mindestens einen Ab Strombereichs einer Kultivierungskammer mit dem mindestens einen Aufstrombereich mindestens einer angrenzenden Kultivierungskammer kommt es zum Austausch des Kultivierungsvolumens zwischen den einzelnen Kultivierungskammern des Photobioreaktors.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der modular aufgebaute Photobioreaktor keine Pumpe auf, insbesondere keine Pumpe zur Durchmischung des Kultivierungsvolumens. Bevorzugt erfolgt die Durchmischung des Kultivierungsvolumens ohne aktives Umpumpen.
Besonders bevorzugt erfolgt die Durchmischung des Kultivierungsvolumens pneumatisch, insbesondere durch Bewegung des Kultivierungsvolumens durch die Aufstrombereiche und die Ab Strombereiche des Photobioreaktors, insbesondere nach dem Prinzip der Mammutpumpenförderung (Airlift-Prinzip). Durch den Wegfall des Erfordernisses eines aktiven Umpumpens des Kultivierungsvolumens erlaubt der erfindungsgemäße Photobioreaktor vorteilhafterweise auch die Kultivierung von schersensitiven Organismen, insbesondere schersensitiven phototrophen Mikroorganismen. Ferner werden durch die pneumatische Durchmischung die Betriebs-, Wartungs- und Instantsetzungskosten des Photobioreaktors verringert und somit die Wirtschaftlichkeit des Photobioreaktors gesteigert.
Die Fluidverbindung zwischen den einzelnen Kultivierungskammern ermöglicht vorteilhafterweise eine Durchmischung des Kultivierungsvolumens über alle Kultivierungskammern des Photobioreaktors. Besonders bevorzugt wird die Durchmischung des Kultivierungsvolumens in den miteinander in Fluidverbindung stehenden Kultivierungskammern der Photobioreaktors pneumatisch angetrieben, insbesondere nach dem Prinzip der Mammutpumpenförderung (Airlift-Prinzip), das heißt, angetrieben durch die Einleitung von Gas in den unteren Bereich des mindestens einen Aufstrombereichs einer Kultivierungskammer, welches dann in Form von Gasblasen aufsteigt und zu einer hydrostatischen Druckdifferenz führt, die wiederum in einer aufwärtsgerichtete Strömung des Kultivierungsvolumens resultiert. Da nun der mindestens eine Ab Strombereich einer Kultivierungskammer mit dem mindestens einen Aufstrombereich mindestens einer angrenzenden Kultivierungskammer in Fluidverbindung steht, kommt es zu einer Strömung des Kultivierungsvolumens vom mindestens einen Ab Strombereich der Kultivierungskammer in den Aufstrombereich der mindestens einen angrenzenden Kultivierungskammer und somit zu einer Durchmischung des Kultivierungsvolumens zwischen den einzelnen Kultivierungskammem des Photobioreaktors. Auf diese Weise wird vorteilhafterweise eine gleichmäßige Versorgung von kultivierten phototrophen Mikroorganismen mit Licht und Nährstoffen gewährleistet und die Ausbildung von lokalen Konzentrationsgradienten in bestimmten Bereichen des Photobioreaktors verhindert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei der mindestens einen Lichtquelle um ein LED-Licht, bevorzugt um eine Hochleistungs-LED-Lampe.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die mindestens eine Lichtquelle warmweiße LEDs und/oder kaltweiße LEDs, insbesondere gleiche Anteile an warmweißen LEDs und kaltweißen LEDs. Bevorzugt besitzen die warmweißen LEDs eine Farbtemperatur von 1500 bis 4500 K, bevorzugt 1750 bis 3500 K, bevorzugt 2000 bis 3000 K. Bevorzugt besitzen die kaltweißen LEDs eine Farbtemperatur von 4750 bis 8000 K, bevorzugt 5000 bis 7000 K, bevorzugt 5250 bis 6000 K.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die mindestens eine Lichtquelle warmweiße LEDs und/oder kaltweiße LEDs und zusätzlich blaue LEDs und/oder rote LEDs. So kann erfindungsgemäß beispielsweise vorgesehen sein, dass die mindestens eine Lichtquelle warmweiße LEDs, kaltweiße LEDs und rote LEDs umfasst. Alternativ kann erfindungsgemäß auch vorgesehen sein, dass die mindestens eine Lichtquelle warmweiße LEDs, kaltweiße LEDs und blaue LEDs umfasst. Besonders bevorzugt umfasst die mindestens eine Lichtquelle warmweiße LEDs, kaltweiße LEDs, rote LEDs und blaue LEDs.
Besonders bevorzugt sind die warmweißen LEDs, kaltweißen LEDs, roten LEDs und/oder blauen LEDs auf einem gemeinsamen Träger, insbesondere auf einer gemeinsamen Platine, verbaut.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die mindestens eine Lichtquelle auf einem gemeinsamen Träger, insbesondere auf einer gemeinsamen Platine, angeordnete warmweiße LEDs, kaltweiße LEDs, blaue LEDs und rote LEDs, die sich bevorzugt separat und gemeinsam schalten lassen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die mindestens eine Lichtquelle mindestens 50%, bevorzugt mindestens 55%, bevorzugt mindestens 60%, bevorzugt mindestens 65%, bevorzugt mindestens 70%, bevorzugt mindestens 75%, weiße LEDs, insbesondere warmweiße und kaltweiße LEDs. Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das Verhältnis von warmweißen LEDs zu kaltweißen LEDs der mindestens einen Lichtquelle 50:50, bevorzugt 55:45, bevorzugt 60:40, bevorzugt 65:35, bevorzugt 70:30, bevorzugt 75:25, beträgt. Besonders bevorzugt umfasst die mindestens eine Lichtquelle weiße LEDs, wovon 50 bis 80%, bevorzugt 55 bis 75%, bevorzugt 60 bis 70%, warmweiße LEDs sind und 20 bis 50%, bevorzugt 25 bis 45%, bevorzugt 30 bis 40%, kaltweiße LEDs sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die mindestens eine Lichtquelle 0 bis 25 % blaue LEDs und 75 bis 100 % rote LEDs. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt das Verhältnis von roten LEDs zu blauen LEDs der mindestens einen Lichtquelle mindestens 1 :3, bevorzugt mindestens 1 :4, bevorzugt mindestens 1 :5, bevorzugt mindestens 1 :6.
Besonders bevorzugt beträgt die Lichtausbeute der mindestens einen Lichtquelle mindestens 150 Im/W (Lumen pro Watt), bevorzugt mindestens 175 Im/W, bevorzugt mindestens 200 Im/W, bevorzugt mindestens 210 Im/W, bevorzugt mindestens 220 Im/W, bevorzugt mindestens 230 Im/W, bevorzugt mindestens 240 Im/W, bevorzugt mindestens 250 Im/W.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Bestrahlungsstärke der mindestens einen Lichtquelle mindestens 50 W/m2 (Watt pro Quadratmeter), bevorzugt mindestens 75 W/m2, bevorzugt mindestens 100 W/m2, bevorzugt mindestens 125 W/m2, bevorzugt mindestens 150 W/m2, bevorzugt mindestens 175 W/m2, bevorzugt mindestens 200 W/m2, bevorzugt mindestens 225 W/m2, bevorzugt mindestens 250 W/m2, bevorzugt mindestens 275 W/m2, bevorzugt mindestens 300 W/m2, bevorzugt mindestens 325 W/m2, bevorzugt mindestens 350 W/m2.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt die Bestrahlungsstärke der mindestens einen Lichtquelle höchstens 400 W/m2 (Watt pro Quadratmeter), bevorzugt höchstens 375 W/m2, bevorzugt höchstens 350 W/m2, bevorzugt höchstens 325 W/m2, bevorzugt höchstens 300 W/m2, bevorzugt höchstens 275 W/m2, bevorzugt höchstens 250 W/m2, bevorzugt höchstens 225 W/m2, bevorzugt höchstens 200 W/m2. Besonders bevorzugt beträgt die Bestrahlungsstärke der mindestens einen Lichtquelle 50 bis 400 W/m2, bevorzugt 100 bis 350 W/m2, bevorzugt 150 bis 300 W/m2, bevorzugt 175 bis 275 W/m2, bevorzugt 200 bis 250 W/m2.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die mindestens eine Lichtquelle Bestandteil einer zwischen zwei Schalenelementen eines Reaktorkompartiments angeordneten Beleuchtungsebene.
Bevorzugt strahlt die mindestens eine Lichtquelle umfassende und zwischen zwei Schalenelementen eines Reaktorkompartiments angeordnete Beleuchtungsebene in zwei entgegengesetzte Richtungen ab. Besonders bevorzugt umfasst die zwischen zwei Schalenelementen eines Reaktorkompartiments angeordnete Beleuchtungsebene mindestens zwei Lichtquellen, die Rücken-an-Rücken zueinander angeordnet sind und in entgegengesetzte Richtungen abstrahlen. Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass zwischen den mindestens zwei Lichtquellen einer Beleuchtungsebene eine Kühlvorrichtung angeordnet ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Beleuchtungsebene eine Fläche von mindestens 0,5 m2, bevorzugt mindestens 0,6 m2, bevorzugt mindestens 0,7 m2, bevorzugt mindestens 0,8 m2, bevorzugt mindestens 0,9 m2, bevorzugt mindestens 1 m2, auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die mindestens eine Lichtquelle, insbesondere die mindestens eine Lichtquelle der zwischen zwei Schalenelementen eines Reaktorkompartiments angeordnete Beleuchtungsebene, einen Abstand von höchstens 5 cm, bevorzugt höchstens 4,5 cm, bevorzugt höchstens 4 cm, bevorzugt höchstens 3,5 cm, bevorzugt höchstens 3 cm, bevorzugt höchstens 2,5 cm, bevorzugt höchstens 2 cm, bevorzugt höchstens 1,5 cm, bevorzugt höchstens 1 cm, bevorzugt höchstens 0,5 cm, von der Oberfläche der Kultivierungskammern des Photobioreaktors auf.
Bevorzugt weist die mindestens eine Lichtquelle, insbesondere die mindestens eine Lichtquelle der zwischen zwei Schalenelementen eines Reaktorkompartiments angeordneten Beleuchtungsebene, einen Abstand von mindestens 0,5 cm, bevorzugt mindestens 0,75 cm, bevorzugt mindestens 1 cm, bevorzugt mindestens 1,25 cm, bevorzugt mindestens 1,5 cm, bevorzugt mindestens 1,75 cm, bevorzugt mindestens 2 cm, bevorzugt mindestens 2,25 cm, bevorzugt mindestens 2,5 cm, bevorzugt mindestens 2,75 cm, bevorzugt mindestens 3 cm, von der Oberfläche der Kultivierungskammern des Photobioreaktors auf. Besonders bevorzugt weist die mindestens eine Lichtquelle, insbesondere die mindestens eine Lichtquelle der zwischen zwei Schalenelementen eines Reaktorkompartiments angeordnete Beleuchtungsebene, einen Abstand von 0,5 bis 5 cm, 0,75 bis 4 cm, bevorzugt 1 bis 3,5 cm, bevorzugt 1,25 bis 3 cm, bevorzugt 1,5 bis 2,5 cm, von der Oberfläche der Kultivierungskammern des Photobioreaktors auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das mindestens eine Reaktorkompartiment zwei Schalenelemente auf. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht das mindestens eine Reaktorkompartiment aus zwei Schalenelementen. Bevorzugt sind die zwei Schalenelemente des mindestens einen Reaktorkompartiments in einer Rücken-an-Rücken-Anordnung miteinander verbunden. Besonders bevorzugt ist zwischen den zwei Schalenelementen eine die mindestens eine Lichtquelle des Reaktorkompartiments umfassende Beleuchtungsebene angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist ein Reaktorkompartiment des erfindungsgemäßen Photobioreaktors zwei Schalenelementen auf, die in einer Rücken-an-Rücken-Anordnung miteinander verbunden sind, wobei sich zwischen den zwei Schalenelementen eine die mindestens eine Lichtquelle des Reaktorkompartiments umfassende Beleuchtungsebene befindet.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei den zwei Schalenelementen des mindestens einen Reaktorkompartiments um Halbschalen.
Besonders bevorzugt sind die beiden Schalenelemente, insbesondere die beiden Halbschalen, eines Reaktorkompartiments spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildet. Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Spiegelebene des Reaktorkompartiments in der zwischen den beiden Schalenelementen angeordneten Beleuchtungsebene liegt.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die beiden Schalenelemente, insbesondere die beiden Halbschalen, eines Reaktorkompartiments nicht spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das erste Endstück ein Schal en el em ent, insbesondere eine Halb schale. Besonders bevorzugt umfasst das erste Endstück ein Schalenelement, insbesondere eine Halbschale, und mindestens eine Lichtquelle. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das zweite Endstück ein Schal en el em ent, insbesondere eine Halb schale. Besonders bevorzugt umfasst das zweite Endstück ein Schalenelement, insbesondere eine Halbschale, und mindestens eine Lichtquelle.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfassen das erste und zweite Endstück jeweils ein Schalenelement, insbesondere eine Halbschale. Besonders bevorzugt umfassen das erste und zweite Endstück jeweils ein Schalenelement, insbesondere eine Halb schale, und mindestens eine Lichtquelle.
Erfindungsgemäß bevorzugt kann vorgesehen sein, dass im zusammengebauten Zustand des modular aufgebauten Photobioreaktors jedes der zwei Schalenelemente, bevorzugt jede der zwei Halbschalen, eines Reaktorkompartiments mit einem Schalenelement, bevorzugt einer Halbschale, eines weiteren Reaktorkompartiments oder einem Schalenelement, bevorzugt einer Halbschale, eines Endstücks, eine Kultivierungskammer ausbildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die von den Schalenelementen, bevorzugt Halbschalen, ausgebildeten Kultivierungskammern mittels einer umlaufenden Dichtung abgedichtet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die beiden Endstücke und das mindestens eine zwischen den beiden Endstücken angeordnete Reaktorkompartiment, bevorzugt die beiden Endstücke und die n zwischen den beiden Endstücken angeordneten Reaktorkompartimente, horizontal nebeneinander angeordnet. Besonders bevorzugt sind die mindestens zwei Kultivierungskammern, insbesondere die n+1 Kultivierungskammem, horizontal nebeneinander angeordnet.
Bevorzugt umfasst der erfindungsgemäße Photobioreaktor zusätzlich zu den beiden Endstücken und dem mindestens einen Reaktorkompartiment, insbesondere zusätzlich zu den beiden Endstücken und den mindestens n Reaktorkompartimenten, zwei endständig angeordnete Deckplatten. Besonders bevorzugt sind die beiden Endstücke und das mindestens eine Reaktorkompartiment, insbesondere die beiden Endstücke und die mindestens n Reaktorkompartimente, horizontal nebeneinander angeordnet und werden über die endständigen Deckplatten zusammengepresst. In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Zusammenpressen der Endstücke und der zwischen dem ersten und zweiten Endstück nebeneinander angeordneten Reaktorkompartimente hydraulisch oder durch Verschraubung, bevorzugt über endständig angeordnete Deckplatten.
Durch das Zusammenpressen der Endstücke und des zwischen dem ersten und zweiten Endstück angeordneten mindestens einen Reaktorkompartiments wird die Ausbildung eines gegenüber der Umgebung abgrenzten, abgeschlossenen Reaktorraums erreicht. Dabei entspricht die auf die Endstücke ausgeübte Kraft, bevorzugt die mittels der Deckplatten auf die Endstücke ausgeübte Kraft, mindestens der Federrückstellkraft aller Reaktorkompartimente und der beiden Endstücke.
Bevorzugt weist das mindestens eine Reaktorkompartiment des erfindungsgemäßen Photobioreaktors eine Höhe von mindestens 0,25 m, bevorzugt mindestens 0,5 m, bevorzugt mindestens 0,75 m, bevorzugt mindestens 1 m, bevorzugt mindestens 1,25 m, bevorzugt mindestens 1,5 m, bevorzugt mindestens 1,75 m, bevorzugt mindestens 2 m, auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das mindestens eine Reaktorkompartiment des erfindungsgemäßen Photobioreaktors eine Höhe von höchstens 5 m, bevorzugt höchstens 4,5 m, bevorzugt höchstens 4 m, bevorzugt höchstens 3,5 m, bevorzugt höchstens 3 m, bevorzugt höchstens 2,5 m, bevorzugt höchstens 2 m, bevorzugt höchstens 1,5 m, auf.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das mindestens eine Reaktorkompartiment eine Höhe von 0,25 bis 5 m, bevorzugt 0,5 bis 4,5 m, bevorzugt 0,75 bis 4 m, bevorzugt 1 bis 3,5 m, bevorzugt 1,25 bis 3 m, bevorzugt 1,5 bis 2,5 m, auf.
Bevorzugt weisen das erste und zweite Endstück des erfindungsgemäßen Photobioreaktors eine Höhe von mindestens 0,25 m, bevorzugt mindestens 0,5 m, bevorzugt mindestens 0,75 m, bevorzugt mindestens 1 m, bevorzugt mindestens 1,25 m, bevorzugt mindestens 1,5 m, bevorzugt mindestens 1,75 m, bevorzugt mindestens 2 m, auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen das erste und zweite Endstück des erfindungsgemäßen Photobioreaktors eine Höhe von höchstens 5 m, bevorzugt höchstens 4,5 m, bevorzugt höchstens 4 m, bevorzugt höchstens 3,5 m, bevorzugt höchstens 3 m, bevorzugt höchstens 2,5 m, bevorzugt höchstens 2 m, bevorzugt höchstens 1,5 m, auf. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen das erste und zweite Endstück des erfindungsgemäßen Photobioreaktors eine Höhe von 0,25 bis 5 m, bevorzugt 0,5 bis 4,5 m, bevorzugt 0,75 bis 4 m, bevorzugt 1 bis 3,5 m, bevorzugt 1,25 bis 3 m, bevorzugt 1,5 bis 2,5 m, auf.
Bevorzugt weist das mindestens eine Reaktorkompartiment des erfindungsgemäßen Photobioreaktors eine Breite von mindestens 0,25 m, bevorzugt mindestens 0,5 m, bevorzugt mindestens 0,75 m, bevorzugt mindestens 1 m, bevorzugt mindestens 1,25 m, bevorzugt mindestens 1,5 m, bevorzugt mindestens 1,75 m, bevorzugt mindestens 2 m, auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das mindestens eine Reaktorkompartiment des erfindungsgemäßen Photobioreaktors eine Breite von höchstens 5 m, bevorzugt höchstens 4,5 m, bevorzugt höchstens 4 m, bevorzugt höchstens 3,5 m, bevorzugt höchstens 3 m, bevorzugt höchstens 2,5 m, bevorzugt höchstens 2 m, bevorzugt höchstens 1,5 m, auf.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das mindestens eine Reaktorkompartiment eine Breite von 0,25 bis 5 m, bevorzugt 0,5 bis 4,5 m, bevorzugt 0,75 bis 4 m, bevorzugt 1 bis 3,5 m, bevorzugt 1,25 bis 3 m, bevorzugt 1,5 bis 2,5 m, auf.
Bevorzugt weisen das erste und zweite Endstück des erfindungsgemäßen Photobioreaktors eine Breite von mindestens 0,25 m, bevorzugt mindestens 0,5 m, bevorzugt mindestens 0,75 m, bevorzugt mindestens 1 m, bevorzugt mindestens 1,25 m, bevorzugt mindestens 1,5 m, bevorzugt mindestens 1,75 m, bevorzugt mindestens 2 m, auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen das erste und zweite Endstück des erfindungsgemäßen Photobioreaktors eine Breite von höchstens 5 m, bevorzugt höchstens 4,5 m, bevorzugt höchstens 4 m, bevorzugt höchstens 3,5 m, bevorzugt höchstens 3 m, bevorzugt höchstens 2,5 m, bevorzugt höchstens 2 m, bevorzugt höchstens 1,5 m, auf.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen das erste und zweite Endstück des erfindungsgemäßen Photobioreaktors eine Breite von 0,25 bis 5 m, bevorzugt 0,5 bis 4,5 m, bevorzugt 0,75 bis 4 m, bevorzugt 1 bis 3,5 m, bevorzugt 1,25 bis 3 m, bevorzugt 1,5 bis 2,5 m, auf. Besonders bevorzugt weisen die Kultivierungskammem, insbesondere die von den beiden Endstücken und den zwischen dem ersten und zweiten Endstück angeordneten Reaktorkompartimenten ausgebildeten Kultivierungskammern, eine maximale Kammertiefe, insbesondere maximale Schichtdicke, von mindestens 0,5 cm, bevorzugt mindestens 1 cm, bevorzugt mindestens 1,5 cm, bevorzugt mindestens 2 cm, bevorzugt mindestens 2,5 cm, bevorzugt mindestens 3 cm, bevorzugt mindestens 3,5 cm, bevorzugt mindestens 4 cm, bevorzugt mindestens 4,5 cm, bevorzugt mindestens 5 cm, auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die Kultivierungskammern, insbesondere die von den beiden Endstücken und den zwischen dem ersten und zweiten Endstück angeordneten Reaktorkompartimenten ausgebildeten Kultivierungskammern, eine maximale Kammertiefe, insbesondere maximale Schichtdicke, von höchstens 10 cm, bevorzugt höchstens 9 cm, bevorzugt höchstens 8 cm, bevorzugt höchstens 7 cm, bevorzugt höchstens 6 cm, bevorzugt höchstens 5 cm, bevorzugt höchstens 4,5 cm, bevorzugt höchstens 4 cm, bevorzugt höchstens 3,5 cm, bevorzugt höchstens 3 cm, bevorzugt höchstens 2,5 cm, bevorzugt höchstens 2 cm, bevorzugt höchstens 1,5 cm, auf.
Besonders bevorzugt weisen die Kultivierungskammem, insbesondere die von den beiden Endstücken und den zwischen dem ersten und zweiten Endstück angeordneten Reaktorkompartimenten ausgebildeten Kultivierungskammem, eine uneinheitliche Kammertiefe, insbesondere uneinheitliche Schichtdicke, auf. Besonders bevorzugt weisen die Kultivierungskammern, insbesondere die von den beiden Endstücken und den zwischen dem ersten und zweiten Endstück angeordneten Reaktorkompartimenten ausgebildeten Kultivierungskammern eine uneinheitliche Kammertiefe, insbesondere uneinheitliche Schichtdicke, im Bereich von 0,5 bis 10 cm, bevorzugt 0,5 bis 7,5 cm, bevorzugt 0,5 bis 5 cm, bevorzugt 1 bis 4,5 cm, bevorzugt 1 bis 4 cm, bevorzugt 1,5 bis 3,5 cm, bevorzugt 1,5 bis 3 cm, auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die Kultivierungskammern, insbesondere die von den beiden Endstücken und dem mindestens einen zwischen dem ersten und zweiten Endstück angeordneten Reaktorkompartiment ausgebildeten Kultivierungskammern, jeweils ein Volumen von mindestens 5 Liter, bevorzugt mindestens 10 Liter, bevorzugt mindestens 20 Liter, bevorzugt mindestens 30 Liter, bevorzugt mindestens 40 Liter, bevorzugt mindestens 50 Liter, bevorzugt mindestens 75 Liter, bevorzugt mindestens 100 Liter, bevorzugt mindestens 150 Liter, bevorzugt mindestens 200 Liter, bevorzugt mindestens 250 Liter, bevorzugt mindestens 500 Liter, bevorzugt mindestens 750 Liter, bevorzugt mindestens 1000 Liter, bevorzugt mindestens 1500 Liter, bevorzugt mindestens 2000 Liter, bevorzugt mindestens 2500 Liter, bevorzugt mindestens 3000 Liter, bevorzugt mindestens 3500 Liter, bevorzugt mindestens 4000 Liter, bevorzugt mindestens 5000 Liter, auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Kultivierungskammem, insbesondere die von den beiden Endstücken und dem mindestens einen zwischen dem ersten und zweiten Endstück angeordneten Reaktorkompartiment ausgebildeten Kultivierungskammem, jeweils ein Volumen von höchstens 20000 Liter, bevorzugt höchstens 15000 Liter, bevorzugt höchsten 10000 Liter, bevorzugt höchstens 7500 Liter, bevorzugt höchstens 5000 Liter, bevorzugt höchsten 4000 Liter, bevorzugt höchstens 3000 Liter, bevorzugt höchsten 2500 Liter, bevorzugt höchstens 2000 Liter, bevorzugt höchstens 1500 Liter, bevorzugt höchsten 1000 Liter, bevorzugt höchstens 750 Liter, bevorzugt höchsten 500 Liter, bevorzugt höchstens 400 Liter, bevorzugt höchstens 300 Liter, bevorzugt höchsten 200 Liter, bevorzugt höchstens 150 Liter, bevorzugt höchstens 100 Liter, bevorzugt höchstens 75 Liter, bevorzugt höchstens 50 Liter, auf.
Besonders bevorzugt weisen die Kultivierungskammem, insbesondere die von den beiden Endstücken und dem mindestens einen zwischen dem ersten und zweiten Endstück angeordneten Reaktorkompartiment ausgebildeten Kultivierungskammem, jeweils ein Volumen von 5 bis 20000 Liter, bevorzugt 5 bis 10000 Liter, bevorzugt 10 bis 7500 Liter, bevorzugt 10 bis 5000 Liter, bevorzugt 20 bis 2500 Liter, bevorzugt 20 bis 1000 Liter, bevorzugt 30 bis 500 Liter, bevorzugt 30 bis 250 Liter, auf.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der erfindungsgemäße Photobioreaktor ein Gesamtvolumen von mindestens 100 Liter, bevorzugt mindestens 150 Liter, bevorzugt mindestens 200 Liter, bevorzugt mindestens 250 Liter, bevorzugt mindestens 300 Liter, bevorzugt mindestens 350 Liter, bevorzugt mindestens 400 Liter, bevorzugt mindestens 450 Liter, bevorzugt mindestens 500 Liter, bevorzugt mindestens 750 Liter, bevorzugt mindestens 1000 Liter, bevorzugt mindestens 2500 Liter, bevorzugt mindestens 5000 Liter, bevorzugt mindestens 7500 Liter, bevorzugt mindestens 10000 Liter, auf.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die von Schalenelementen, insbesondere von den Halbschalen, der Reaktorkompartimenten gebildeten Kultivierungskammern segmentiert. Besonders bevorzugt ist der mindestens eine Aufstrombereich der von den Schalenelementen, insbesondere von den Halbschalen, der Reaktorkompartimenten gebildeten Kultivierungskammem segmentiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die Reaktorkompartimente, insbesondere die Schalenelemente, bevorzugt die Halbschalen, der Reaktorkompartimente, in dem mindestens einen Aufstrombereich eine horizontale Segmentierung auf, insbesondere eine horizontale Segmentierung in Form von horizontal übereinander angeordneten Reaktorhalbschalen.
Besonders bevorzugt werden durch die horizontale Segmentierung der Schalenelemente, bevorzugt der Halbschalen, der Reaktorkompartimente, insbesondere die horizontale Segmentierung in Form von horizontal übereinander angeordneten Reaktorhalbschalen, im zusammengebauten Zustand des Photobioreaktors statische Mischer in dem mindestens einen Aufstrombereich der Kultivierungskammem ausgebildet.
Bevorzugt weisen die Kultivierungskammern des Photobioreaktors, insbesondere der mindestens eine Aufstrombereich der Kultivierungskammern, mindestens 2, bevorzugt mindestens 3, bevorzugt mindestens 4, bevorzugt mindestens 5, bevorzugt mindestens 6, bevorzugt mindestens
7, bevorzugt mindestens 8, bevorzugt mindestens 9, bevorzugt mindestens 10, bevorzugt mindestens 15, bevorzugt mindestens 20, bevorzugt mindestens 25, bevorzugt mindestens 30, bevorzugt mindestens 35, bevorzugt mindestens 40, bevorzugt mindestens 45, bevorzugt mindestens 50, bevorzugt mindestens 55, bevorzugt mindestens 60, statische Mischer, insbesondere übereinander angeordnete statische Mischer, auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die Kultivierungskammern des Photobioreaktors, insbesondere der mindestens eine Aufstrombereich der Kultivierungskammern, höchstens 100, bevorzugt höchstens 90, bevorzugt höchstens 80, bevorzugt höchstens 70, bevorzugt höchstens 60, bevorzugt höchstens 50, bevorzugt höchstens 40, bevorzugt höchstens 35, bevorzugt höchstens 30, bevorzugt höchstens 25, bevorzugt höchstens 20, bevorzugt höchstens 15, bevorzugt höchstens 10, bevorzugt höchstens 9, bevorzugt höchstens
8, bevorzugt höchstens 7, bevorzugt höchstens 6, bevorzugt höchstens 5, statische Mischer, insbesondere übereinander angeordnete statische Mischer, auf.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Kultivierung phototropher Mikroorganismen, umfassend die Schritte: a) Bereitstellung eines Kulturmedium, umfassend mindestens einen phototrophen Mikroorganismus, b) Bereitstellung eines erfindungsgemäßen modular aufgebauten Photobioreaktors, c) Kultivierung des mindestens einen phototrophen Mikroorganismus in dem erfindungsgemäßen modular aufgebauten Photobioreaktor.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung eines erfindungsgemäßen modular aufgebauten Photobioreaktors zur Kultivierung phototropher Mikroorganismen.
Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen modular aufgebauten Photobioreaktor beschriebenen Ausführungsform gelten mutatis mutandis auch für das erfindungsgemäße Verfahren zur Kultivierung phototropher Mikroorganismen und die erfindungsgemäße Verwendung des modular aufgebauten Photobioreaktors zur Kultivierung phototropher Mikroorganismen.
Erfindungsgemäß wird unter dem Begriff „modular aufgebauter Photobioreaktor“ ein zur Kultivierung von phototrophen Mikroorganismen geeigneten Bioreaktor verstanden, der sich dadurch auszeichnet, dass der Bioreaktor aus mehreren Bauelementen, insbesondere zwei Endstücken und mindestens einem zwischen den zwei Endstücken angeordneten Reaktorkompartiment, aufbaut ist und sich entsprechend den an ihn gestellten Anforderungen durch Entfernen oder Hinzufügen einzelner Bauelemente, insbesondere einzelner Reaktorkompartimente, skalieren lässt. Der „modulare Aufbau“ des erfindungsgemäßen Photobioreaktors erlaubt neben der Skalierbarkeit des Reaktorvolumens zudem ein einfaches Zusammenfügen und Auseinanderbauen des Photobioreaktors zu Instanthaltungs- und Wartungszwecken. Insbesondere zeichnet sich der erfindungsgemäße „modular aufgebaute Photobioreaktor“ dadurch aus, dass dieser ein erstes und ein zweites Endstück umfasst, zwischen denen einzelne Reaktorkompartimente angeordnet werden können, wobei sich durch formschlüssiges Zusammenfügen der beiden Endstücke mit den dazwischen angeordneten einzelnen Reaktorkompartimenten Kultivierungskammern ausbilden, die miteinander in Fluidverbindung stehen, sodass sich das Gesamtvolumen des Photobioreaktors durch die Anzahl der zwischen den beiden Endstücken angeordneten Reaktorkompartimenten skalieren lässt. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird die Bezeichnung „Kultivierungskammer“ für einen durch Wandungen definierten abgegrenzten Raum innerhalb des erfindungsgemäßen modular aufgebauten Photobioreaktors verwendet, der ein Volumen besitzt, das sich zur Aufnahme von Kulturmedium und zur Kultivierung von in dem Kulturmedium befindlichen phototrophen Mikroorganismen eignet. Bevorzugt zeichnen sich die einzelnen „Kultivierungskammern“ des erfindungsgemäßen Photobioreaktors dadurch aus, dass sie durch formschlüssiges Zusammenfügen der beiden Endstücke und des mindestens einen Reaktorkompartiments ausgebildet werden. Besonders bevorzugt weisen die „Kultivierungskammern“ mindestens einen Aufstrombereich und mindestens einen Ab Strombereich auf.
Unter einem „Reaktorkompartiment“ wird ein Bestandteil des erfindungsgemäßen modular aufgebauten Photobioreaktors bezeichnet, der zusammen mit einem weiteren „Reaktorkompartiment“ und/oder einem Endstück des Photobioreaktors durch formschlüssiges Zusammenfügen mindestens eine Kultivierungskammer ausbildet. Besonders bevorzugt weist ein Reaktorkompartiment zwei Schalenelemente, insbesondere zwei Halbschalen, auf, die Rücken an Rücken zueinander angeordnet und miteinander verbunden sind.
Der Begriff „Aufstrombereich“ (englisch: „Riser“) bezeichnet erfindungsgemäß einen abgrenzbaren Bereich einer Kultivierungskammer, innerhalb dessen eingeleitetes Gas und in der Kultivierungskammer befindliches Kulturmedium vertikal aufwärts transportiert wird.
Unter dem Begriff „Abstrombereich“ (englisch: „Downcomer“/“Downer“) wird erfindungsgemäß ein abgrenzbarer Bereich einer Kultivierungskammer verstanden, innerhalb dessen in der Kultivierungskammer befindliches Kulturmedium vertikal abwärts transportiert wird.
Unter der Bezeichnung „warmweiße LED“ wird erfindungsgemäß eine Licht-emittierende Diode (Light-Emitting Diode) verstanden, die sichtbares Licht mit einer Farbtemperatur im Bereich von 1500 bis 4500 K, bevorzugt 1750 bis 3500 K, bevorzugt 2000 bis 3000 K emittiert, wenn elektrischer Strom in Durchlassrichtung fließt.
Der Begriff „kaltweiße LED“ wird erfindungsgemäß für eine Licht-emittierende Diode (Light- Emitting Diode) verwendet, die sichtbares Licht mit einer Farbtemperatur im Bereich von 4750 bis 8000 K, bevorzugt 5000 bis 7000 K, bevorzugt 5250 bis 6000 K, emittiert, wenn elektrischer Strom in Durchlassrichtung fließt. TI
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter der Bezeichnung „blaue LED“ eine Licht-emittierende Diode (Light-Emitting Diode) verstanden, die sichtbares Licht mit einer Wellenlänge im Bereich von 400 bis 500 nm, bevorzugt 410 bis 490 nm, bevorzugt 420 bis 480 nm, bevorzugt 430 bis 470 nm, emittiert, wenn elektrischer Strom in Durchlassrichtung fließt.
Unter einer „roten LED“ wird erfindungsgemäß eine Licht-emittierende Diode (Light-Emitting Diode) verstanden, die sichtbares Licht mit einer Wellenlänge im Bereich von 600 bis 700 nm, bevorzugt 610 bis 690 nm, bevorzugt 620 bis 680 nm, bevorzugt 630 bis 670 nm, emittiert, wenn elektrischer Strom in Durchlassrichtung fließt.
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).
Sofern im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung die erste und zweite Nachkommastelle oder die zweite Nachkommastelle nicht angegeben sind/ist, sind/ist diese als 0 zu setzen. Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Figuren illustriert.
Dabei zeigt
Figur 1A die Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen modular aufgebauter Photobioreaktor (1) umfassend zwei Endstücke (2), (5) und zwei Reaktorkompartimente (3), (4) im nicht assemblierten Zustand. Jedes der Reaktorkompartimenten (3), (4) weist zwei Schalenelemente (3a, 3b), (4a, 4b) auf, die in einer Rücken-an-Rücken-Anordnung miteinander verbunden sind und zusammen mit den Schalenelementen (2a), (5a) der Endstücke (2), (5) formschlüssig verbunden werden können.
Figur 1B die Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen modular aufgebauter Photobioreaktor im assemblierten Zustand. Jedes der Reaktorkompartimenten (3), (4) weist zwei Schalenelemente (3a, 3b, 4a, 4b) auf, die Rücken-an-Rücken zueinander angeordnet sind. Durch das formschlüssige Verbinden des Schalenelements (2a) des ersten Endstücks (2) mit dem einem Schalenelement (3 a) des Reaktorkompartiments (3) entsteht die Kultivierungskammer (10), die zwei Aufstrombereiche (7a, 7b) und drei Ab Strombereiche (6a, 6b, 6c) aufweist. Im assemblierten Zustand des Photobioreaktors (1) bildet sich zwischen dem zweite Schalenelement (3b) des Reaktorkompartiments (3) und einem Schalenelement (4a) des Reaktorkompartiments (4) die Kultivierungskammer (20) aus, die drei Aufstrombereiche (7c, 7d, 7e) und zwei Ab Strombereiche (6d, 6e) umfasst. Eine weitere Kultivierungskammer (30) mit zwei Aufstrombereichen (7f, 7g) und drei Ab Strombereichen (6f, 6g, 6h) wird durch formschlüssiges Verbinden des zweiten Schalenelements (4b) des Reaktorkompartiments (4) mit dem Schalenelement (5a) des zweiten Endstücks (5) ausgebildet. Die Pfeile zeigen die Flussrichtung des Kulturvolumens von den Ab Strombereichen (6a, 6b, 6c, 6d, 6e, 6f, 6g, 6h) der Kultivierungskammern (10, 20, 30) des Photobioreaktors (1) zu den Auf Strombereichen (7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f, 7g) der jeweils angrenzenden Kultivierungskammer(n). Die Reaktorkompartimente (3, 4) weisen jeweils eine zwischen den Schalenelementen (3a, 3b, 4a, 4b) angeordnete mindestens eine Lichtquelle umfassende Beleuchtungsebene (8) auf.
Figur 2 die Frontansicht auf einen erfindungsgemäßen modular aufgebauten Photobioreaktor (1). Im Vordergrund ist eine erste Kultivierungskammer mit drei Ab Strombereichen (6a, 6b, 6c) und zwei Aufstrombereichen (7a, 7b) dargestellt. Im Hintergrund sind gestrichelt zwei Ab Strombereiche (6d, 6e) der nächsten Kultivierungskammer illustriert. Die Pfeile zeigen die Flussrichtung des Kulturvolumens. Von den Ab Strombereichen (6d, 6e) gelangt das Kulturvolumen zu den Aufstrombereichen (7a, 7b) der im Vordergrund dargestellten Kultivierungskammer.
Figur 3 Ausschnitte eines Reaktorkompartiments entlang der Schnittebenen A-A und B-B der Figur 2. Dabei ist aus dem Schnitt entlang der Schnittebene A-A (links) ersichtlich, dass der Aufstrombereich (7) des dargestellten Reaktorkompartiments übereinander angeordnete statische Mischer (12) in Form von sich horizontal erstreckenden Reaktorhalbschalen aufweist. Zwischen den beiden Schalenelementen des Reaktorkompartiments ist eine mindestens eine Lichtquelle umfassende Beleuchtungsebene (8) angeordnet. Zu Abdichtung der Kultivierungskammem des Photobioreaktors kann jedes der Schalenelemente eines Reaktorkompartiments eine umlaufende Dichtung (11) umfassen.
In dem Schnitt entlang der Schnittebene B-B (rechts) ist der Ab Strombereich (6) eines Reaktorkompartiments gezeigt. Das Kulturvolumen wird in vertikaler Richtung durch den Ab Strombereich (6) der Kultivierungskammer hinuntertransportiert, wird unter der Beleuchtungsebene (8), die zwischen den beiden Schalenelementen des dargestellten Reaktorkompartiments angeordnet ist, hindurchgeführt und mündet schließlich in den Aufstrombereich der angrenzenden Kultivierungskammer.
Figur 4 einen Schnitt durch die Aufstrombereiche (7) von drei nebeneinander angeordneten Kultivierungskammern (10, 20, 30), die durch formschlüssiges Zusammenfügen von einem ersten Endstück (2), zwei Reaktorkompartimenten (3, 4) und einem zweiten Endstück (5) ausgebildet werden. Die beiden Endstücke (2, 5) und die beiden Reaktorkompartimente (3, 4) weisen jeweils eine zwischen den Schalenelementen (3a, 3b, 4a, 4b) der Reaktorkompartimente (3, 4) beziehungsweise an den Schalenelementen (2a, 5a) der beiden Endstücke (2, 5) angeordnete mindestens eine Lichtquelle umfassende Beleuchtungsebenen (8) auf. Die beiden Endstücke (2, 5) und die dazwischen angeordneten beiden Reaktorkompartimente (3, 4) des dargestellten Photobioreaktors (1) werden durch die auf die beiden Endstücke (2, 5) ausgeübte Kraft F zusammengepresst. Ein Auseinanderbauen des modular aufgebauten Photobioreaktors beziehungsweise der Einbau oder Ausbau einzelner Reaktorkompartimente ist dabei in einfacher Weise durch ein Lösen der auf die beiden Endstücke (2, 5) ausgeübten Kraft F möglich. Bezugszeichenliste
1 Photobioreaktor
2 erstes Endstück
2a Halbschale des ersten Endstücks
3 erstes Reaktorkompartiment
3a erste Halbschale des ersten Reaktorkompartiments
3b zweite Halbschale des ersten Reaktorkompartiments
4 zweites Reaktorkompartiment
4a erste Halbschale des zweiten Reaktorkompartiments
4b zweite Halbschale des zweiten Reaktorkompartiments
5 zweites Endstück
5a Halbschale des zweiten Endstücks
6 Ab Strombereich
6a-6h Ab Strombereiche
7 Aufstrombereich
7a-7g Aufstrombereiche
8 Beleuchtungsebene
10 erste Kultivierungskammer
11 Dichtung
12 stati scher Mi scher
20 zweite Kultivierungskammer
30 dritte Kultivierungskammer
A-A Schnittebene durch den Aufstrombereich eines Reaktorkompartiments
B-B Schnittebene durch den Ab Strombereich eines Reaktorkompartiments

Claims

ANSPRÜCHE
1. Modular aufgebauter Photobioreaktor (1), umfassend ein erstes Endstück (2), ein zweites Endstück (5) und mindestens ein zwischen dem ersten Endstück (2) und dem zweiten Endstück (5) angeordnetes Reaktorkompartiment, wobei der Photobioreaktor mindestens zwei Kultivierungskammern umfasst, wobei die mindestens zwei Kultivierungskammern durch formschlüssiges Zusammenfügen der zwei Endstücke (2, 5) und des mindestens einen Reaktorkompartiments ausgebildet sind, wobei die einzelnen Kultivierungskammem des Photobioreaktors (1) miteinander in Fluidverbindung stehen und wobei die beiden Endstücke (2, 5) und das mindestens eine Reaktorkompartiment jeweils mindestens eine Lichtquelle umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Reaktorkompartiment zwei Schalenelemente aufweist, die in einer Rücken-an-Rücken-Anordnung miteinander verbunden sind.
2. Modular aufgebauter Photobioreaktor (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Kultivierungskammer durch formschlüssiges Zusammenfügen des ersten Endstücks (2) mit dem mindestens einen Reaktorkompartiment und eine zweite Kultivierungskammer durch formschlüssiges Zusammenfügen des zweiten Endstücks (5) mit dem mindestens einen Reaktorkompartiment ausgebildet wird.
3. Modular aufgebauter Photobioreaktor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Kultivierungskammern mindestens einen Ab Strombereich (6) und mindestens einen Auf Strombereich (7) aufweist.
4. Modular aufgebauter Photobioreaktor (1) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Ab Strombereich (6) einer Kultivierungskammer in mindestens einen Aufstrombereich (7) mindestens einer angrenzenden Kultivierungskammer mündet.
5. Modular aufgebauter Photobioreaktor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der mindestens einen Lichtquelle um ein LED-Licht handelt.
6. Modular aufgebauter Photobioreaktor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen den zwei Schalenelementen eine die mindestens eine Lichtquelle des Reaktorkompartiments umfassende Beleuchtungsebene (8) befindet.
7. Modular aufgebauter Photobioreaktor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Endstücke (2, 5) und das mindestens eine Reaktorkompartiment horizontal nebeneinander angeordnet sind und über endständige Deckplatten zusammengepresst werden.
8. Modular aufgebauter Photobioreaktor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Reaktorkompartiment eine Höhe von 0,5 bis 4 m, bevorzugt 1 bis 3 m, aufweist.
9. Modular aufgebauter Photobioreaktor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Reaktorkompartiment eine Breite von 0,5 bis 4 m, bevorzugt 1 bis 3 m, aufweist.
10. Verfahren zur Kultivierung phototropher Mikroorganismen, umfassend die Schritte: a) Bereitstellung eines Kulturmedium umfassend mindestens einen phototrophen Mikroorganismus, b) Bereitstellung eines modular aufgebauten Photobioreaktors (1) gemäß einem der Ansprüche I bis 9, c) Kultivierung des mindestens einen phototrophen Mikroorganismus in dem modular aufgebauten Photobioreaktor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.
11. Verwendung eines modular aufgebauten Photobioreaktors (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Kultivierung phototropher Mikroorganismen.
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