Bekannte Vorrichtungen zur Kultivation von phototrophen Organismen und Zellkulturen, wie z. B. Mikroalgen, sind entweder als offene, unter freiem Himmel angeordnete Becken ausgebildet oder werden ausschließlich mit Kunstlicht betrieben, wobei das Kulturmedium in transparenten Rohren geführt wird. Vorrichtungen mit behälterförmigen Reaktoren sind meistens noch mit Mitteln zur Umwälzung des Kulturmediums zur Erreichung einer intensiven Belichtung ausgerüstet, wodurch der konstruktive Aufwand die damit verbundenen Kosten erhöht.

Bei den offenen Becken besteht ständig die Gefahr der Kontamination, so daß eine Reinzucht nicht möglich ist. Auch die Temperaturführung solcher Anlagen gestaltet sich unter den hier herrschenden klimatischen Bedingungen als sehr schwierig.

Aus der US-PS 4,473,970 ist eine mit Kunstiicht betreibbare Vorrichtung bekannt, in der das Kulturmedium in transparenten Rohren geführt wird.

Nachteilig bei dieser Vorrichtung sind vor allem energetische Aspekte bezüglich der Pumpen-und Lichtleistung.

Weiterhin sind Vorrichtungen bekannt, die aus behälterförmigen Reaktoren bestehen, in die das Licht über Lichtleiter eingeleitet wird. Das Licht wird über eine der Sonne nachführbare Fresnel-Linse und/oder über eine Kunstlichtquelle

über die gleichen Lichtleiter in das Kulturmedium geleitet. Solche Anlagen sind sowohl von der Herstellung als auch im Betrieb sehr kostenintensiv.

In der US-PS 4,555,864 wird eine Einrichtung zur Kultivation von Chlorella- Algen beschrieben, bei der Lichtleiter in einem Kultivationsgefäß direkt in das Kulturmedium eintauchen, wobei diese von oben her über schräg gestellte Spiegel mit Lichtenergie versorgt werden. Diese Einrichtung ist ebenfalls sehr kostenintensiv und konstruktiv aufwendig.

Die DE 41 34 813 A1 beschreibt ebenfalls eine Einrichtung zur Kultivation von phototrophen Mikroorganismen, die unter Einsatz von Sonnen-und/oder Kunstlicht betreibbar ist und von einem Kulturmedium durchströmt wird. Diese Einrichtung ist gekennzeichnet durch eine beliebige Anzahl von Stegen, die jeweils im gleichen Abstand voneinander zwischen zwei planparallelen, transparenten Platten flussigkeitsdicht angeordnet sind und Kammern bilden.

Jeweils am Ende eines Steges sind Verbindungsöffnungen zur benachbarten Kammer vorgesehen, wobei die Verbindungsöffnungen jeweils benachbarter Stege sich an den entgegengesetzten Enden befinden, wodurch ein mäanderlinienförmig durchströmbarer Kanal gebildet wird, der an seinen Stirnseiten dicht verschlossen ist und an seinem Anfang und Ende je einen Anschlußstutzen für den Gasaustausch aufweist. Diese Einrichtung ist für einen großtechnischen Einsatz schon aus energetischen Gründen wegen der zu erwartendenen hohen Pumpenleistung zur Überwindung des Strömungswiderstandes der mäanderiinienförmig durchströmbaren Kanake und des hohen Herstellungsaufwandes einer mit derartigen Stegen versehenen Platte ungeeignet.

Spektorova (1997) faßt den Stand der röhrenförmigen Bioreaktoren, welche vorwiegend biologisch aktive Substanzen für die Medizinische und Kosmetikindustrie produzieren, zusammen. Ein horizontal angeordneter Glasrohrbioreaktor mit 14 m3 Kulturvolumen wurde dabei in Usbekistan installiert. Der Glasrohrbioreaktor produziert dabei eine Biomasse (Chlorella vulgaris) von ca. 2 t/Jahr mit einer maximalen Produktivität von 43 g/m2xd.

Sehr problematisch ist dabei zum einen die Suspensionsverteilung in den einzelnen Glasrohren, die Temperierung des Systems und die sehr hohe Sauerstoffkonzentration in der Suspension. Zudem erfolgt die Montage der einzelnen horizontalen Glasrohre mit Flanschverbindungen, welche relativ hohe Kosten verursachen und Spalträume für abgestorbene Biomasse bzw.

Bakterien bilden.

Nach Pulz (1992 a, b) werden fast geschlossene tubuiäre Glasrohrfermenter (Rohr d = 2,5 cm) betrieben, wobei eine Kreiselpumpe 50 1 Algensuspension schlaufenförmig um die Lichtquelle pumpt. Nimmt man die Glasröhrenmantelfläche ais Berechnungsgrundlage, so übertrifft die flächenbezogene Zuwachsrate mit 14 g m-2 d~1 nicht die bereits erwähnten Produktivitäten offener Systeme.

Miyamoto et a/. (1988) nutzen die sehr kostengünstige Variante, Mikroalgen in vertikal stehenden Glasrohren mit d = 5 cm (Oberflächen-Nolumenverhältnis von 80 m-') und 2 m Höhe zu kultivieren, die für die Fluoreszenzlampenproduktion in Massen hergestellt werden. Durch eine Vietzahl paralleler Kolben faßt sich ein Scale up mühelos erreichen, jedoch erwies sich die Ernte als schwierig und bei Naturbeleuchtung ergaben sich erhebliche Hitzeprobleme. Die maximaien Produktivitäten beiiefen sich je nach kultivierter Art von 0.3 g l~1 d~1 mit dem Cyanobakterium Nostoc bis 0.6 g l~1 d-' bei der Grünalge Monoraphidium.

Jüffner (1977) liste das Hitzeproblem, indem er einen weiteren inneren Tubus installierte, der zum einen Kühlflüssigkeit enthielt und zum anderen das Dunkelvolumen der Suspension verminderte. Dadurch gelang ihm eine weitere Wachstumsbeschleunigung um den Faktor 1.5. Seine technisch aufwendige und bedingt Scale up-fähige Idee war jedoch Vorbild für die Konstruktion einiger Freilandröhrenanlagen mit Gegenstromkühlung (z. B. FR-PS 2 564 854).

Kennzeichnend für alle zylindrischen Reaktoren ist eine hohe Leuchtdichte in bezug auf ein kleines Oberflächen-Nolumenverhältnis, so daß, um ausreichender Belichtung der Algenzelle Genüge zu leisten bzw.

Photoinhibition zu vermeiden, hohe Strömungsgeschwindigkeiten notwendig sind. Starke Turbulenzen jedoch erzeugen dementsprechende Schwerkraftbelastungen, welche sich bei den meisten Mikroalgenarten kontraproduktiv auswirken. Zudem wäre eine effektive Ausleuchtung größerer Anlagen nur sehr schwer zu realisieren bzw. nur unter einem erheblichen technischen Aufwand möglich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bekannte Einrichtungen nach dem"Dünnschichtprinzip"zur effizienten Produktion von Mikroorganismen, insbesondere von phototrophen Mikroorganismen hinsichtlich des Kultivations-und Ernteprozesses dahingehend zu verbessern, daß im gesamten Jahresverlauf unter optimaler Ausnutzung des natürlichen Sonnenlichts und optimaler Konditionierung der Kuitursuspension, insbesondere der energetischen und stofflichen Austauschprozesse sowie der hydrodynamischen Strömungsverhältnisse, eine maximale Produktion von Mikroorganismen realisiert und gleichzeitig im Zusammenwirken der peripheren Ausrüstung ein optimales Betriebsergebnis gewährleistet wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 1 gelost. Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 14 enthalten.

Die gemäß der Erfindung vorgestellte Einrichtung zur effizienten Produktion von Mikroorganismen enthält einen Bioreaktor, eine Erntevorrichtung, eine Nährlösungs-bzw. Stammlösungsversorgungsvorrichtung und eine Nahrlösungsaufbereitungsanlage.

Der Bioreaktor besteht aus photosynthetisch und hydrodynamisch (turbulär) aktiven Dünnschichtsystemen, einem Vor-und Rücklaufsystem, einem

Konditionierbehälter, einem Wärmetauscher, einer Systempumpe, einer Meßstrecke, einem Mittel zur quantitativen und qualitativen Veränderung der Gefäßbelichtung und einem Mittel zur Gaszu-bzw.-ableitung. Ein photosynthetisch und hydrodynamisch aktives Dünnschichtsystem besteht aus einer Vielzahl von übereinanderliegenden und parallel zueinander verlaufenden durchgehenden Röhren oder Schläuchen, deren Eintritts-und Austrittsseiten über Anschlußstücke und einen querschnittsreduzierten Verbinder mit einem Modulvor-bzw.-rücklauf verbunden sind, wobei die einzelnen, übereinanderliegenden Dünnschichtgefäße die querschnittsreduzierten Verbinder eine Querschnittsfläche aufweisen, die ein gleichmäßiges Strömungsprofilüberalle Dünnschichtgefäße ermöglicht.

Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung weist der querschnittsreduzierte Verbinder in Fließrichtung des Modulvorlaufs eine Querschnittserweiterung und/oder in Fließrichtung des Moduirücklaufs eine Querschnittsreduzierung auf.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung besteht der Modulvorlauf bzw. der Moduirücklauf aus einem Rohr.

Es ist dabei vorteilhaft, wenn der Modulvorlauf in Fließrichtung einen geringeren Durchmesser und der Moduirücklauf in Fließrichtung einen größeren Durchmesser besitzt.

Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung besitzt das transparente Dünnschichtgefäß Konditionierungsturbulatoren, welche auch bei geringer Fließgeschwindigkeit turbulente Strömungsverhältnisse gewährleisten, das Oberfiächen-/Grundflächenverhältnis erhöhen, das einfallende Licht optimal im transparenten Dünnschichtgefäß verteilen und eventuell auftretende Immobilisierungen an den Gefäßoberflächen durch eine effizientere Reinigungswirkung von Reinigungskörpern in der Suspension ermöglichen, wobei die Konditionierungsturbulatoren derart gestaltet sind, daß keine hydraulischen Totäume im transparenten Dünnschichtgefäß entstehen.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung besteht das transparente Dünnschichtgefäß aus mindestens einem Glasrohrmodul mit übereinanderliegenden Glasrohren, welche die Konditionierungsturbuiatoren bereits bei der Herstellung der Glasrohre erhalten.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung setzt sich die Gesamtlänge der Glasrohre aus einzelnen Rohren zusammen, welche hydraulisch ohne Unterbrechungen zusammenverklebt oder-verschweißt sind.

Es ist eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung, daß die Mittel zur quantitativen und qualitativen Veränderung der Gefäßbelichtung aus UV- fluoreszierendem und/oder reflektierendem und/oder antireflektierendem und/oder transparentem Material bestehen, welches die zur Verfügung stehende Strahlungsmenge im photosynthetisch aktiven Bereich für die Belichtung der Mikroorganismen in den Dünnschichtgefäßen erhöht.

Es ist dabei vorteilhaft, daß die Oberfläche und/oder das Wandmaterial des transparenten Dünnschichtgefäßes aus UV-fluoreszierendem und/oder antireflektierendem Material besteht, welches die zur Verfügung stehende Strahlungsmenge im photosynthetisch aktiven Bereich für die Belichtung der Mikroorganismen in den Dünnschichtgefäßen erhöht und/oder zwischen den Dünnschichtgefäßen UV-fluoreszierendes und transparentes Material und/oder unter den Dünnschichtgefäßen UV-fluoreszierendes Material vorhanden ist.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung bestehen die Mittel zur quantitativen und qualitativen Veränderung der Gefäßbelichtung aus IR- reflektierendem und/oder transparentem Material und werden an der Oberfläche bzw. im Wandmaterial des transparenten Dünnschichtgefäßes eingebunden, wobei eine Erhöhung der Suspensionstemperatur vermindert wird und eine Strahlungskühlung der Kultursuspension durch das Wandmaterial des transparenten Dünnschichtgefäßes gewährleistet wird.

Es ist im Sinne der Erfindung, daß die Mittel zur Gaszu-bzw.-ableitung aus einem Rücklaufsammler, welcher im oder auf dem Boden angeordnet ist und

temperiert wird, einer CO2-Einbindung in die Kultursuspension, einen 02- Austrag aus der Kultursuspension und einem Gasverteiler im Rücklaufsammler bestehen.

Es ist dabei vorteilhaft, den Mittein zur Gaszu-bzw.-ableitung Latentwärmespeichermaterial zuzuordnen.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beinhaltet, daß der Konditionierbehälter, der Wärmetauscher und die Mittel zur Gaszu-bzw.- ableitung miteinander verbunden sind und gleichzeitig im Komplex wirken.

Es ist dabei vorteilhaft, daß die Mittel zur Gaszu-bzw.-ableitung, insbesondere der Rücklaufsammler, gleichzeitig einen Teil des Wärmetauschers und/oder des Konditionierbehälters bilden und somit Synergieeffekte hinsichtlich einer optimalen Konditionierung der Kultursuspension erzielt werden.

Die Erfindung ist weiterhin ausgestaltet mit einer Erntevorrichtung, welche aus einem Erntebehäiter, einer Erntepumpe, einem Separator und einem Biomassebehälter besteht.

Die Erfindung ist zudem ausgestaltet mit einer Nährlösungs-bzw.

Stammlösungsversorgungsvorrichtung, welche aus einer Nähriösungspumpe, einem Stammlösungsbehälter mit einem Rührwerk und einem Nährlösungsbehälter besteht.

Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung weist die Erntevorrichtung und/oder Nährlösungs-bzw. Stammlösungsversorgungsvorrichtung eine Nährlösungsaufbereitungsvorrichtung auf, wodurch die abseparierte Kultursuspension aus der Erntevorrichtung als Nährlösung und/oder die Nähr- bzw. Stammlösung aus der Nähriösungs-bzw.

Stammlösungsversorgungsvorrichtung in den Bioreaktor kontaminationsfrei gelangen kann.

Es ist im Sinne der Erfindung, daß die Nähriösungsaufbereitungsvorrichtung aus einem mechanischen Vorfilter und einem Aktivkohlefilter besteht, welcher kontaminierte Stoffe filtert und Nährstoffe für die Mikroalgen ungehindert durchströmen täßt.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beinhaltet, daß die Erntevorrichtung, die Nährlösungs-bzw. Stammlösungsversorgungsvorrichtung und die Nährlösungsaufbereitungsvorrichtung miteinander verbunden sind und gleichzeitig im Komplex wirken.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher ertäutert werden.

In den Zeichnungen zeigen die Fig. 1 die schematische Darstellung einer Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Anlage, Fig. 2 ein Glasrohrmodul mit Vor-und Rücklauf sowie Konditionsierungsturbulatoren, Fig. 3 ein Glasrohrmodul (Seitenansicht) mit Rücklaufsammler und Mittel zur quantitativen und qualitativen Veränderung der Gefafßbelichtung.

Die Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Anlage zur effizienten Produktion von phototrophen Organismen und Zellkulturen, insbesondere von Mikroalgen, unter Lichteinwirkung.

Die Anlage setzt sich zusammen aus einem Bioreaktor 1, der Erntevorrichtung 2, einer Nährlösungs-bzw. Stammlösungsversorgungseinrichtung 3 und einer Nährlösungsaufbereitungsvorrichtung 4.

In Figur 1 wird zunächst durch Beimpfen einer Nährlösung mit Mikroorganismen eine Kultursuspension bzw. Stammiösung hergestellt. Die

Vorrichtung 3 besteht im wesentlichen aus einem Nährlösungsbehäiter 3a, einer Nähriösungspumpe 3b und einem Stammlösungsbehälter 3c mit Rührwerk.

Von hier aus wird die Nährlösung 1 a zum Bioreaktor 1 geleitet. Der Bioreaktor 1 besteht im vorliegenden Beispiel im wesentlichen aus vier Modulen eines photosynthetisch und hydrodynamisch aktiven Dünnschichtsystems 1a, die das Reaktorgefäß bilden, einem Vor-und Rücklaufsystem 1 b bzw. 1c, einem Konditionierbehälter 1d, einem Wärmetauscher 1e, einer Systempumpe 1f, einer Meßstrecke 1g, Mitteln zur quantitativen und qualitativen Veränderung der Reaktorgefäßbefichtung 1h und 1i (siehe Figuren 2 und 3) und Mitteln zur Gaszu-bzw.-ableitung. Die Mittel zur Gaszu-bzw.-ableitung bestehen im beschriebenen Beispiel aus einem Rückfaufsammter 1j, welcher hier im Boden der Anlage angeordnet ist, einer Vorrichtung zur C02-Einbindung (nicht dargestellt) in die Kultursuspension im Rücklaufsammler 1j, einem 02-Austrag 1 k und einem Gasverteiler 11 (Figur 3).

In dem Rücklaufsammier 1j befindet sich ein Gasverteiler 11, wobei der Gasverteiler 1t über die gesamte Lange des Rücklaufsammlers 1 j ein Abgas mit einer CO2-Konzentration von 25 % in die Kultursuspension dosiert. Im Heizfall besitzt das Abgas eine maximale Temperatur von 38 °C und erwärmt die Kultursuspension 1e.

Ein Wärmetauscher 1e gewährleistet dabei eine optimale Abgas-bzw.

Suspensionstemperatur.

Zur Erhöhung der Wärmeübertragung wird der Wärmetauscher 1e in der Ansaugleitung der Systempumpe 1f installiert. Die Konditionierung des CO2- enthaltenden Abgases erfolgt in Abhängigkeit von pH-, Temperatur-und optischen Dichtwerten der Kultursuspension, welche in der Meßstrecke 1 g vor der Systempumpe 1f erfaßt werden. Die Messung, Steuerung, Regelung und Speicherung von Zustandsgrößen der Kultursuspension und des CO2- enthaltenden Abgases erfolgt dabei über eine zentrale Meß-, Steuer-, Regel- und Speichereinheit (nicht dargestellt). Die konditionierte Kultursuspension wird mit Hilfe der Systempumpe 1f über einen Pumpenvoriauf 1n zum photosynthetisch und hydrodynamisch aktiven Dünnschichtsystem 1a des Bioreaktors 1 geführt. Das Dünnschichtsystem 1a besteht nach diesem Beispiel aus vier Modulen, wobei jedes Modul aus einer Vietzahl von zueinander beabstandeten, übereinanderliegenden und parallel zueinander verlaufenden Dünnschichtgefäßen (Glasrohren) 10 besteht, deren Eintritts-und Austrittsseiten über Anschlußstücke 1p und Verbinder 1q mit einem Modulvorlauf 1r bzw.-rücklauf 1s verbunden sind. Die einzelnen Verbinder 1q

weisen dabei jeweils eine Querschnittsfläche auf, die ein gleichmäßiges Strömungsprofil über alle Glasrohre 10 ermöglicht. Dabei nimmt die Querschnittsfläche der Verbinder 1 q in Fließrichtung des Moduivorlaufs 1 r zu, während die Querschnittsfläche der Verbinder 1q des Moduirücklaufs 1s in Fließrichtung abnimmt. Modulvor-und-rücklauf 1r und 1s bestehen jeweils aus einem Rohr mit Anschlußstücken 1t für die Verbinder 1q, wobei die Querschnittsfläche des Modulvorlaufs 1 r in Fiießrichtung abnimmt und die Querschnittsfläche des Moduirücklaufs 1s in Fließrichtung zunimmt.

Durch die querschnittsreduzierten bzw.-erweiterten Verbinder 1q und die querschnittsreduzierten bzw.-erweiterten Modulvor-und-rückiäufe wird ein gteichmäßiges Strömungsprofii über aite Dünnschichtgefäße 1o ermögiicht. Die Dünnschichtgefäße 1o sind außerdem mit einer Vielzahl von Konditionierungsturbulatoren 1 u ausgestattet, welche auch bei geringer Fließgeschwindigkeit turbulente Strömungsverhältnisse gewährleisten und das Oberflächen-/Grundflachenverhältnis erhöhen sowie das einfallende Licht im Dünnschichtgefäß optimal verteilen und auftretende Immobilisierungen an den Gefäßoberflächen von Reinigungskörpern in der Suspension verhindern bzw. abbauen.

Das Dünnschichtsystem 1a wird im vorliegenden Fall aus 4 Glasrohrmodulen gebildet, welche jeweils aus einem Gestell 1v mit beidseitig versetzt zueinander angebrachten Rohrhalterungen bestehen, in welchen die Rohre 10 übereinander und jeweils versetzt zueinander angeordnet sind.

Die Oberfläche und/oder das Wandmateriai der Glasrohre 1 o und/oder das Gestell 1v bzw. die Rohrhalterungen (nicht dargestellt) und/oder die Grundfläche, auf der das Dünnschichtsystem 1 a angeordnet ist, sind mit Mitteln, insbesondere aus UV-fluoreszierendem und/oder transparentem und/oder reflektierendem Material zur quantitativen und qualitativen Veränderung der Reaktorgefäßbelichtung 1h und 1i versehen. Dadurch wird die zur Verfügung stehende Strahlungsmenge im photosynthetisch aktiven Bereich für die Belichtung der Mikroorganismen in den Dünnschichtgefäßen erhöht. Die Mittel können aber auch aus IR-reflektierendem und/oder transparentem Material bestehen, wodurch eine Erhöhung der Suspensionstemperatur verhindert und eine Strahlungskühlung der Kultursuspension durch das Wandmaterial des transparenten Dünnschichtgefäßes gewährleistet wird. Im Verlaufe des Wachstums der Biomasse im Dünnschichtsystem 1 a werden energiereiche Kohlenstoffverbindungen aufgebaut. Die Biomasseernte erfolgt bei einer Trockenmassekonzentration in der Kultursuspension von > 2 g/l.

Mit Hilfe der Systempumpe 1f wird die Kultursuspension dazu der Erntevorrichtung 2 zugeführt. Diese besteht aus einem Erntebehälter 2a, einer Erntepumpe 2b, einem Separator 2c und einem Biomassebehäfter 2d.

Der Separator 2c trennt die Biomasse von der Nährlösung, welche zur Nähr ! ösungsaufbereitungsvorrichtung 4 und/oder direkt zur Nährlösungs-bzw.

Stammlösungsversorgungseinrichtung 3 zurückgeführt wird.

Die Vorrichtung 4 besteht aus einem mechanischen Vorfilter (nicht dargestetlt) und einem Aktivkohlefilter 4a, welcher kontaminierte Stoffe filtert und Nährstoffe für die Mikroalgen ungehindert durchströmen I ; aflt.

Die somit erhaitene Biomasse wird einer Verarbeitungsvorrichtung (nicht dargestellt) zugeführt, wobei energiereiche Kohlenstoffverbindungen als Energieträger zur Produktion von chemischen und/oder pharmazeutischen Grund-und Wirkstoffen und/oder zur Produktion von hochwertigen Futtermitteln bzw. Futtermitteizusätzen gewonnen werden.