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Dokumentenidentifikation DE4440081A1 15.05.1996
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Erhöhung der Produktivität in einem Biokollektor
Anmelder Tramm-Werner, Sabine, Dipl.-Biol. Dr., 52074 Aachen, DE
Erfinder Tramm-Werner, Sabine, Dr., 52074 Aachen, DE;
Werner, Ernst August, Dr., 52074 Aachen, DE
DE-Anmeldedatum 10.11.1994
DE-Aktenzeichen 4440081
Offenlegungstag 15.05.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.05.1996
IPC-Hauptklasse C12M 1/16
IPC-Nebenklasse C12P 1/00   
Zusammenfassung Verfahren und Vorrichtung zur Erhöhung der Produktivität in Biokollektoren für phototrophe Mikroorganismen, wobei durch Einziehen einer porösen Schicht die Oberfläche für die Besiedelung durch Biokatalysatoren vergrößert wird. Weiterhin wird die Anströmung der besiedelten Flächen dadurch gewährleistet, daß das aufwärtsströmende Kultursubstrat durch die poröse Schicht hindurchgeführt wird. Durch die Ausrichtung der Porenkanäle im Sonnenlicht kann eine optimale Ausnutzung von schräg auf den Reaktor fallendem Licht gewährleistet werden. Das Verfahren bietet sich vor allen Dingen für die Herstellung von Ausscheidungsprodukten phototropher Mikroorganismen und Mikroalgen an.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Biokollektor und ein Verfahren nach dem Oberbegriff des 1. und 2. Anspruchs.

Biokollektoren sind Bioreaktoren, in denen Licht für biologische Umsetzungen durch Mikroorganismen oder Teile von Mikroorganismen benutzt wird. In den meisten Fällen wird es sich um phototrophe Organismen handeln. Hierzu zählen Grünalgen, Blaualgen und phototrophe Bakterien, zum Beispiel Purpurbakterien.

Wesentliches Merkmal aller Biokollektoren ist, daß das einfallende direkte oder diffuse Sonnenlicht bzw. auch Kunstlicht für die im Biokollektor befindlichen Biokatalysatoren (z. B. Enzyme oder Zellen) für photosynthetische Prozesse zur Verfügung gestellt werden muß.

Für Prozesse mit phototrophen Mikroorganismen (z. B. Herstellung von Algenbiomasse) sind bisher folgende Einrichtungen bekannt:

Für Massenkulturen von Algen werden offene Becken unter freiem Himmel beschrieben, in denen eine kontrollierte Prozeßführung wegen der vollkommen unsterilen Verhältnisse nicht möglich ist.

Bisher verwendete geschlossene Bauformen für Einrichtungen zur Kultivation von phototrophen Mikroorganismen sind röhrenförmige Reaktoren, die zu einer Fläche nebeneinander angeordnet sind (US-PS 4473970) oder Plattenreaktoren, in denen durch Stege Kanäle gebildet werden (DE 41 34 813).

Die Nachteile dieser bekannten Bauformen ergeben sich in erster Linie durch die Notwendigkeit einer zusätzlichen Einrichtung zum Bewegen der Kulturflüssigkeit, um die notwendigen Transportprozesse zu unterstützen. Dies bedeutet zusätzliche Investitions- und Betriebskosten. Als weiterer Nachteil kann genannt werden, daß eine Reinigung der engen Kanäle relativ aufwendig ist.

Eine weitere Erfindung betrifft einen Biokollektor in plattenförmiger Bauweise, der zur gleichzeitigen Erzeugung von Wasserstoff und Wärme dient (DE 41 26 703). In diesem Reaktor wird eine schlaufenförmige Bewegung um eine senkrecht zum Hauptlichteinfall eingebaute Zwischenplatte durch den Thermosiphoneffekt und durch den Blasensäuleneffekt der aufsteigenden Wasserstoffbläschen erreicht. Eine zusätzliche Einrichtung zum Umpumpen des Nährsubstrates erübrigt sich. Dieser Reaktor hat den Nachteil, daß bei Schrägstellung die sich auf der Zwischenplatte absetzenden Biokatalysatoren nur sehr langsam angeströmt werden, da der Hauptströmungsvektor des Blasensäuleneffekts lotrecht nach oben gerichtet ist und sich deshalb die Gasblasen an der Frontscheibe entlang nach oben bewegen.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Vermeidung der oben genannten Nachteile, indem für den Plattenreaktor nach DE 41 26 703 oder nach einer anderen Bauart Einbauten vorgenommen werden, die eine zusätzliche Fläche zur Besiedelung durch Mikroorganismen bieten und die zwangsweise durchströmt werden. So wird ständig neues Nährsubstrat an die bewachsenen Oberflächen herangeführt. Dieses Verfahren ist besonders geeignet für Prozesse, in denen nicht die Biomasse selbst das gewünschte Produkt ist, sondern ein von den Zellen ausgeschiedener Stoff (zum Beispiel ein Enzym, ein Aromastoff, ein Protein, eine Carbonsäure oder ein Kohlenhydrat, Wasserstoff oder Sauerstoff). Die produzierende Biomasse bleibt an die Oberflächen absorbiert. Sie wird auch bei hohen Durchflußraten im Reaktor zurückgehalten (immobilisiert). Das Verfahren kann auch für nicht wachsende Zellen (resting cells) sinnvoll eingesetzt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 enthaltenen Merkmale allein oder im Zusammenwirken mit den Merkmalen der Unteransprüche gelöst.

Die Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Biokollektor 1 bestehend aus dem Gehäuse 2, der zur Sonneneinstrahlung 3 weisenden transparenten Abdeckung 4, der rückwärtigen Gegenkühlung 5 sowie der isolierenden lichtundurchlässigen Zwischenplatte 6. Die Zwischenplatte kann zur Vergrößerung der Oberfläche und zur Vermeidung zu starker Sonneneinstrahlung mit einer Rippenstruktur 7 versehen sein, deren Anstellwinkel je nach Breitengrad so berechnet ist, daß eine Sonneneinstrahlung unter 90°, die besonders schädigend wirkt, vermieden werden kann. In den belichteten Teil des Reaktors ist nach Anspruch 1 eine weitere poröse Platte eingebaut, in der die Mikroorganismen siedeln können. Die Dicke der Platte sowie die Struktur der Poren kann den Gegebenheiten (Sonneneinstrahlwinkel, Art und Größe der Organismen) angepaßt werden. Vorgeschlagen wird eine Wabenstruktur mit einer Dicke zwischen 2 und 10 mm. Bevorzugte Materialien sind transparente Kunststoffe (Polycarbonate, PVC) oder auch Metalle (Aluminium). Die Oberflächen der Platten müssen nicht parallel sein. Der Einbau erfolgt derart, daß die im Reaktor aufsteigende Flüssigkeit zwangsweise durch die Platte hindurchströmen muß.

In Fig. 2 ist die poröse Zwischenplatte in Aufsicht dargestellt. Als Beispiel ist hier eine längliche Wabenstruktur dargestellt. Diese Form hat den besonderen Vorteil, daß seitlich einfallendes Licht auf eine besonders große Oberfläche fällt und die Struktur dennoch in sich stabil ist. Der Porenquerschnitt kann eine runde, viereckige oder andere geometrische Form haben. Er kann von der belichteten Seite zur unbelichteten Seite hin enger werden. Die Porengröße kann auch in der Hauptströmungsrichtung variieren, um den Filterwiderstand so anzupassen, daß eine möglichst gleichmäßige Durchströmung der porösen Platte gewährleistet ist.

Zum Säubern des Reaktors können die gesamten Einbauten zu einer Seite aus dem Plattenreaktor herausgezogen werden. Die bewachsenen Platten können gegen neue ausgetauscht und zentral gereinigt und neu mit Mikroorganismen beimpft werden.

Die Ausrichtung der porösen Platte kann so erfolgen, daß die Seitenwände der Poren optimal auf die Morgen- bzw. Abendsonne ausgerichtet sind. In Experimenten hat sich gezeigt, daß die starke Mittagsonne sich eher schädlich auf die Photosynthesepigmente auswirkt. Bei der Reaktorzwischenplatte, auf die bei nach Süden ausgerichteten Reaktoren die Mittagsonne im Winkel von 90° auftreffen würde, könnte durch geeignete Wahl einer Rippenstruktur vermieden werden, daß besiedelbare Oberflächen unter 90° von der Sonne beschienen würden.


Anspruch[de]
  1. 1) Biokollektor dadurch gekennzeichnet, daß die von Organismen besiedelbare Oberfläche im Reaktorvolumen durch zusätzlich angeordnete durchströmte Poren, Lamellen oder Hohlprofile vergrößert wird, deren Abmessungen so gestaltet sind, daß keine Kapillarwirkung auftritt.
  2. 2) Verfahren mit einem Biokollektor nach Anspruch 1 für die Herstellung von Ausscheidungsprodukten phototropher Mikroorganismen, Mikroalgen und Teilen davon.
  3. 3) Biokollektor nach Anspruch 1 und Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß die im Reaktorvolumen angeordneten Oberflächen so ausgerichtet sind, daß die durch den Sonnengang im Tagesverlauf unterschiedlich belichteten Oberflächen eine Erhöhung der Produktivität in den Morgen- und Abendstunden ermöglichen, da die Sonne zu diesen Zeiten in einem günstigen Winkel auf die inneren Oberflächen scheint.
  4. 4) Biokollektor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellen oder Hohlprofile dünnwandig aufgebaut sind und das aktive Reaktorvolumen nur unwesentlich verringern.
  5. 5) Biokollektor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die die Poren aufbauenden Lamellen oder Hohlprofile aus elastischem folienähnlichem Material aufgebaut sind.
  6. 6) Biokollektor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Zwischenplatte nach Anspruch 1 aus transparenten oder nicht transparenten Kunststoffen, aus keramischen Materialien, Glas oder aus Metallen besteht.
  7. 7) Biokollektor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Einrichtung zum Bewegen der Kulturflüssigkeit eingebaut wird.
  8. 8) Biokollektor und Verfahren nach einem oder mehreren vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Zwischenplatte mit einer zusätzlichen Polymerschicht zum Immobilisieren von Mikroorganismen überzogen wird.
  9. 9) Biokollektor und Verfahren nach einem oder mehreren vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Zwischenplatte extern gereinigt und mit Biokatalysatoren beschichtet wird.






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