THEISEN HORST (DE)
US20110312062A1 | 2011-12-22 | |||
EP2446016B1 | 2012-12-05 | |||
US10023830B2 | 2018-07-17 | |||
DE102017109968A1 | 2017-11-16 | |||
DE102014012217A1 | 2016-02-25 | |||
DE102009028474A1 | 2011-02-17 | |||
EP2446016B1 | 2012-12-05 | |||
US20110312062A1 | 2011-12-22 |
Patentansprüche 1. Verfahren zur Produktion von Mikroalgenbiomasse, bei dem in einer Suspension aus Wasser und Mikroalgen enthaltene Mikroalgen in einem von der Suspension mehrfach passierten, einen Gasteil (2) und einen Flüssigkeitsteil mit einem Flüssigkeitsvorrat (3) aufweisenden Kultivierungsmodul (1) unter Zufuhr von den gesamten Gasteil (2) des Kultivierungsmoduls (1) gleichmäßig durchflu tendem Licht mindestens einer künstlichen Lichtquelle (5) und von Nährstoffen in einem kontinuierlichen Umlauf phototroph oder mixotroph kultiviert werden, wobei wiederholt Volumenanteile der Suspension zur Ernte von Mikroalgen aus dem Kultivierungsmodul (1) ausgeschleust sowie mittels einer Zentrifuge (7) ausge schleudert werden und die nach dem Ausschleudern verbleibende Suspension wieder dem Kultivierungsmodul (1) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausschleusen von Volumenteilen der Suspension zur Ernte von Mikroalgen jeweils erfolgt, sofern die mittels optischer Sensoren (8) festgestellte Trübung der Suspension einen Mindestwert überschreitet, und dass die Kultivierung der Mikroalgen in einer das Kultivierungsmodul (1) ausbildenden Klimakammer er folgt, welche wasserwirtschaftlich betrieben wird, indem neben einer Regulierung der Temperatur der Suspension eine Regulierung ihres pH-Werts durch gesteu erte Zugabe von Pufferionen und eine Regulierung des Redoxpotentials der Sus pension und damit ihrer mikrobiellen Kontamination durch eine Steuerung der Licht- und Nährstoffzufuhr sowie einer Zudosierung von Sauerstoff erfolgen und indem die nach dem Ausschleudern der Mikroalgen verbleibende Suspension vor ihrer Rückführung in das Kultivierungsmodul (1) zur Abtötung unerwünschter mik robieller Kontaminationen bis zum Erreichen eines minimalen, in der Suspension gemessenen Redoxpotentials mit UV-Licht bestrahlt wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch die mehrfach durch laufenen Verfahrensschritte: a.) Versprühen zu kultivierende Mikroalgen enthaltender, aus dem Flüssig keitsvorrat (3) des Flüssigteils entnommener Volumenteile der Suspension im oberen Bereich des Gasteils (2) des Kultivierungsmoduls (1), in welches Nähr stoffe, darunter mindestens CO2 als gasförmiger Nährstoff, eingeleitet werden, b.) Verzögern der schwerkraftbedingten Abwärtsbewegung beim Versprü hen entstehender, die Mikroalgen enthaltender Tröpfchen der Suspension mittels geeigneter, dazu in dem Gasteil (2) des Kultivierungsmoduls (1) angeordneter Strukturelemente (6), c.) Exposition der in den in ihrer Abwärtsbewegung verzögerten Tröpfchen enthaltenen Mikroalgen mit dem hinsichtlich seiner Wellenlänge und seiner Inten sität auf die Art der zu kultivierenden Mikroalgen abgestimmten Licht in dem Gasteil (2) des Kultivierungsmoduls (1) angeordneter LED-Lichtquellen (5) und mit dem eingeleiteten CO2, d.) Zurückführen sich abwärts bewegender, Mikroalgen enthaltender Tröpf chen in den am Boden oder in einem Behälter unterhalb des Gasteils (2) des Kul tivierungsmoduls (1) ausgebildeten Flüssigkeitsvorrat (3) nach dem Passieren des Gasteils (2) des Kultivierungsmoduls (1), e.) Ausschleusen von Volumenteilen von aus dem Flüssigkeitsvorrat (3) zum erneuten Versprühen in dem Gasteil (2) des Kultivierungsmoduls (1) zurück geführter Suspension sowie Ernte in den ausgeschleusten Volumenteilen enthal tener Mikroalgen durch Ausschleudern in einer Zentrifuge (7), sofern die mittels optischer Sensoren (8) festgestellte Trübung der dem Gasteil (2) des Kultivie rungsmoduls (1) zum erneuten Versprühen gemäß Verfahrensschritt a) wieder zugeführter Volumenteile der Suspension einen Mindestwert überschreitet, sowie Rückführung der nach dem Ausschleudern der ausgeschleusten Volumenteile verbleibenden Suspension in das Kultivierungsmodul (1), nach einer Bestrahlung mit UV-Licht, wobei der pH-Wert der Suspension in dem Flüssigkeitsteil gemessen sowie durch eine gesteuerte Zudosierung von Pufferionen reguliert und dabei in einem das Wachstum der Mikroalgen begünstigenden pH-Wertbereich zwischen 7 und 8, vorzugsweise zwischen 7 und 7,5, gehalten wird, die mikrobielle Kontamination der Suspension durch eine Überwachung ihres Redoxpotentials reguliert wird, indem im Falle des Überschreitens eines oberen Grenzwertes für das Redoxpotential die Nährstoffzufuhr und die Lichtin tensität der LED-Lichtquellen erhöht und im Falle des Unterschreitens eines unte ren Grenzwertes für das Redoxpotential die Nährstoffzufuhr und die Lichtintensi tät der LED-Lichtquellen (5) reduziert werden sowie die in dem Flüssigkeitsteil des Kultivierungsmoduls (1) erfolgende Zudosierung von Sauerstoff erhöht wird, wobei die Lichtintensität der LED-Lichtquellen (5) zusätzlich in Abhängigkeit von der gemäß Verfahrensschritt e) bestimmten Trübung der Suspension in der Weise gesteuert wird, dass sie proportional zur Trübung eingestellt wird. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Tempe rierung der Suspension die Flächentemperatur der im Gasteil des Kultivierungs moduls angeordneten LED-Lichtquellen (5) genutzt wird, welche durch eine Ver ringerung oder Erhöhung des Volumenstroms eines zur Kühlung der LED- Lichtquellen (5) verwendeten Kühlmediums reguliert wird. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regulierung des pH-Wertes der Suspension in dem Flüssigkeitsteil des Kultivierungsmoduls (1) Calcium- und/oder Magnesiumionen als Pufferionen für das Kohlensäuregleichgewicht zudosiert werden. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Suspension in dem Flüssigkeitsteil des Kultivierungsmoduls (1) Stick stoff, Phosphor und Kohlenstoff als Nährstoffe zugeführt werden. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in den Mikroalgen Sekundärinhaltstoffe gebildet oder angereichert werden, indem der Suspension in dem Flüssigkeitsteil des Kultivierungsmoduls (1) Stoffe oder Stoffgruppen in gesteuerter Menge zugeführt werden, welche wenigstens ei ner der folgenden Kategorien angehören: Nährstoffe und mikrobiologische Kontaminationen zur Bildung von Vita minen, Nährstoffe zur Bildung von Omega-3-Fettsäuren, Nährstoffe zur Bildung bioaktiver Proteine/Peptide, durch die Mikroalgen zu bindende Mineralien, durch die Mikroalgen zu bindendes Zink oder Eisen. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle des Überschreitens des für die Trübung der Suspension festgeleg ten Mindestwertes aus dem Kultivierungsmodul (1) Volumenanteile der Suspen sion in einer Größenordnung von 15% bis 50% des sich im Flüssigkeitsteil des Kultivierungsmoduls (1) befindenden Volumens der Suspension ausgeschleust werden. 8. Einrichtung zur Produktion von Mikroalgenbiomasse, wobei die Einrich tung mindestens aufweist wenigstens ein Kultivierungsmodul (1 ) zur phototrophen oder mixotro- phen Kultivierung in einer Suspension mit Wasser enthaltener Mikroalgen, beste hend aus einem Gasteil (2) und einem Flüssigkeitsteil mit einem Flüssigkeitsvor rat (3) und mit mindestens einer als Ausbringungsorgan für Suspension in einem oberen Bereich des Gasteils angeordneten Düse (4), mit mindestens einer in dem Gasteil (2) angeordneten Lichtquelle (5) zur Abgabe hinsichtlich seiner Wel lenlänge sowie seiner Intensität auf die Art der zu kultivierenden Mikroalgen ab gestimmten künstlichen Lichts sowie mit in dem Gasteil (2) zur Verzögerung der schwerkraftbedingten Abwärtsbewegung beim Versprühen der Suspension ent stehender Tröpfchen angeordneten Strukturelementen (6), Einleitungen und Ausbringungsorgane zur Einleitung von CO2, sonsti gen Nährstoffen und Sauerstoff in das wenigstens eine Kultivierungsmodul (1), wenigstens eine Zentrifuge (7) zum Ausschleudern von Mikroalgen aus Volumenteilen der Suspension, welche zum Zweck der Ernte der Mikroalgen aus dem wenigstens einen Kultivierungsmodul (1) ausgeschleust und der Zentri fuge (7) zugeführt werden, ein Rohrleitungssystem mit Pumpen (9, 9', 9") zur Bewegung der Sus pension zwischen den vorgenannten Komponenten und zur Zuführung in das Kultivierungsmodul (1) über die jeweiligen Ausbringungsorgane einzuleitender Stoffe, einschließlich von Nährstoffen und von Volumenteilen der Suspension, eine Steuereinrichtung zur Steuerung der wenigstens einen Zentri fuge (7) sowie der vorgenannten Pumpen (9, 9', 9") und Ausbringungsorgane entsprechend den Ergebnissen der Auswertung von unterschiedlichen, in den Komponenten der Einrichtung angeordneten und mit der Steuerung in einer Wirk verbindung stehenden Sensoren (8) empfangenen Sensorsignalen, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Kultivierungsmodul (1 ) als eine Klimakammer ausgebildet ist, welche wasserwirtschaftlich betrieben wird, indem neben einer Regulierung der Temperatur der Suspension mittels der Steuereinrichtung auf der Grundlage von Sensorsignalen der in dem wenigstens einen Kultivierungsmodul (1) ange ordneten Sensoren (8) eine Regulierung des pH-Werts der Suspension durch ge steuerte Zugabe von Pufferionen in den Flüssigkeitsteil des wenigstens einen Kultivierungsmoduls (1) und eine Regulierung des mittels Sensoren (8) wieder holt gemessenen Redoxpotentials der Suspension durch eine von der Steuerein richtung gesteuerte Zufuhr des CO2, der sonstigen Nährstoffe und von Sauerstoff in das wenigstens eine Kultivierungsmodul (1) sowie der Lichtintensität in dem Gasteil (2) des wenigstens einen Kultivierungsmoduls (1) erfolgen und indem beim Ausschleudern der Mikroalgen aus ausgeschleusten Volumenanteilen ver bleibende, dem wenigstens einen Kultivierungsmodul (1) erneut zugeführte Sus pension vor ihrer erneuten Einleitung in das wenigstens eine Kultivierungsmodul (1) zur Abtötung unerwünschter mikrobieller Kontaminationen gesteuert von der Steuereinrichtung bis zum Erreichen eines minimalen in der zurückzuführenden Suspension sensorisch gemessenen Redoxpotentials mit UV-Licht bestrahlt wird. 9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasteil (2) des wenigstens einen Kultivierungsmoduls (1) reflektierende Wände aufweist, die auf ihrer Innenseite verspiegelt oder hochglanz-reflektierend ausge bildet sind. 10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Seiten wände und die Decke des Gasteils (2) des wenigstens einen Kultivierungsmoduls (1) auf ihrer Innenseite vollverspiegelt oder vollflächig hochglanz-reflektierend ausgebildet sind. 11. Einrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine in dem Gasteil (2) des wenigstens einen Kultivierungsmoduls (1) angeordnete Lichtquelle (5) gleichzeitig als Heizung zur Temperierung der Sus pension in diesem wenigstens einen Kultivierungsmodul (1) fungiert, wobei die durch die Oberflächentemperatur dieser mindestens einen Lichtquelle (5) verur sachte Abwärme von der Steuerungseinrichtung durch die Steuerung des Volu menstroms eines der aktiven Kühlung der mindestens einen Lichtquelle (5) die nenden flüssigen Kühlmediums gesteuert wird. 12. Einrichtung nach Anspruch 8 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass in dem wenigstens einen Kultivierungsmodul (1) als Lichtquellen (5) ein oder meh rere Lichtbänder aus LEDs an den Seitenwänden oder an den Seitenwänden und der Decke ihres Gasteils (2) angeordnet sind. 13. Einrichtung nach Anspruch einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch ge kennzeichnet, dass es sich bei den in dem Gasteil (2) des wenigstens einen Kulti vierungsmoduls (1) angeordneten Strukturelementen (6) zur Verzögerung der Ab wärtsbewegung der durch Versprühen der Suspension gebildeten Tröpfchen um horizontal angeordnete, strafgespannte flächige Elemente aus einem textilen Vlies oder aus einem textilen feinmaschigen Netz handelt. 14. Einrichtung nach Anspruch einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch ge kennzeichnet, dass die Einrichtung eine Mehrzahl von jeweils einen Gasteil (2) und einen Flüssigkeitsteil mit einem Flüssigkeitsvorrat (3) aufweisenden Kultivie rungsmodulen (1) aufweist, wobei jeweils mehreren oder allen Kultivierungsmo dulen (1) eine Zentrifuge (7) zum Ausschleudern für die Ernte von Mikroalgen ausgeschleuster Volumenteile der Suspension gemeinsam zugeordnet ist. 15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass diese bis zu 40 Kultivierungsmodule (1) mit jeweils einer Grundfläche von mindestens 250 m2 aufweist. |
Die Erfindung betrifft eine Lösung zur Produktion von Mikroalgenbiomasse, welche in besonders vorteilhafter Weise eine Großproduktion, nämlich die Pro duktion sehr großer Mengen von Mikroalgenbiomasse im industriellen Maßstab ermöglicht. Die vorgestellte Lösung ermöglicht insbesondere eine jahreszeitenun abhängige Großproduktion von Mikroalgenbiomasse bei einem gleichzeitig ver hältnismäßig geringen Flächenbedarf. Gegenstände der Erfindung sind ein ent sprechendes Verfahren und eine zu dessen Durchführung geeignete Einrichtung zur Produktion von Mikroalgenbiomasse.
Seit einigen Jahren ist eine auch gegenwärtig noch steigende Nachfrage nach Mikroalgenbiomasse zu verzeichnen. Mikroalgen, das heißt deren gegebenen falls mit ausgewählten sekundären Inhaltsstoffen, wie beispielsweise Vitaminen oder Omega-3-Fettsäuren oder Mineralien oder bioaktiven Proteinen/Peptiden, angereicherte Biomasse wird unter anderem in Nahrungsmitteln, in Mitteln zur Nahrungsergänzung, zu medizinischen Zwecken und in der Kosmetik in unter schiedlichster Form verwendet.
Um den insoweit bestehenden Bedarf an Mikroalgenbiomasse decken zu kön nen, sind in der jüngeren Vergangenheit immer größere Einrichtungen zur Erzeu gung großer Mengen von Mikroalgenbiomasse errichtet worden. Dabei werden die die Biomasse liefernden Mikroalgen in einer aus Wasser und den jeweiligen Mikroalgen bestehenden Suspension phototroph oder mixotroph kultiviert. Die Kultivierung der Mikroalgen erfolgt unter Zugabe von Nährstoffen und gegebe nenfalls weiteren, in den Mikroalgen anzureichernden Stoffen in die Suspension, indem die Suspension über längere Zeiten hinweg für das Wachstum der Mikroal gen zwingend erforderlichem Licht ausgesetzt und ihr Nährstoffe, wie insbeson dere CO2 als gasförmiger Nährstoff, zugeführt werden. Um eine längere Exposi tion der Suspension mit Licht und Nährstoffen (insbesondere CO2) zu ermöglichen, wird die Suspension bei dafür gebräuchlichen Verfahren üblicherweise in einem Photobioreaktor entlang längerer Wege oder in einem mehrfach durchlaufenen Kreislauf geführt.
Wenn sich die Mikroalgen aufgrund anhaltender Exposition mit Licht und Nähr stoffen im ausreichenden Maße vermehrt haben, wird die Suspension oder wer den jedenfalls Teile davon zur Trennung der in der Suspension enthaltenen Mikroalgen von den flüssigen Bestandteilen in der Regel in einer Zentrifuge aus geschleudert. Die ausgeschleuderten Mikroalgen werden dann im Allgemeinen einem Trocknungsprozess unterzogen und schließlich entsprechend ihrem je weils vorgesehenen Einsatzzweck weiterverarbeitet.
Zur Kultivierung von Mikroalgen, also ihrer über einen Zeitraum andauernden Ex position mit Licht und Nährstoffen, sind unterschiedliche Konzepte entwickelt wor den. Beispielsweise werden hierfür sogenannte Rohr-Bioreaktoren verwendet, bei welchen eine die jeweiligen Mikroalgen enthaltende Suspension in einer An ordnung aus transparenten Rohren, nämlich in der Regel aus Glasröhren, ent lang längerer Wege geführt und währenddessen, bei gleichzeitiger Einbringung von Nährstoffen in die Rohre, dem Licht ausgesetzt wird. Zur Exposition der Mikroalgen beziehungsweise der sie enthaltenen Suspension mit Licht wird häu fig das Tageslicht verwendet, wobei gegebenenfalls auch eine Unterstützung durch künstliche Lichtquellen erfolgt. Ein solcher Rohr-Bioreaktor ist beispiels weise aus der DE 102009028474 A1 bekannt.
Ein anderes Konzept besteht darin, eine die Mikroalgen enthaltende Suspension in einer von Licht durchfluteten und mit CO2 als gasförmigem Nährstoff versorg ten Kammer mittels dazu geeigneter Düsen fein zu versprühen. Die Tröpfchen der im oberen Bereich einer solchen Kammer fein versprühten Suspension schweben in der Kammer allmählich zu Boden, wobei sie, beziehungsweise die in ihnen enthaltenen Mikroalgen, für die Dauer dieser Abwärtsbewegung dem Licht in der Kammer ausgesetzt sind. Am Boden der Kammer wird die Suspen sion in Form der dort zusammenlaufenden Tröpfchen gesammelt und dann mittels eines Rohrleitungs- und Pumpsystems wieder ihrer der Versprühung in der vorgenannten Kammer dienenden Düsen zugeführt.
Nach einiger Zeit und einem vielfachen Durchlaufen des zuvor erläuterten Kreis laufs, verbunden mit einem entsprechenden Wachstum und einer Vermehrung der in der umlaufenden Suspension enthaltenen Mikroalgen, erfolgt wiederum die Ernte der Mikroalgen durch Ausschleudern aus der Suspension.
Ein das zuletzt erläuterte Prinzip nutzendes Verfahren sowie ein danach arbeiten der Photobioreaktor werden zum Beispiel in der EP 2446016 B1 beschrieben. Auch die US 2011/0312062 A1 offenbart einen Photobioreaktor, der gemäß einer möglichen Ausbildungsform dieses Prinzip nutzt.
Aus der sich allgemein mit der phototrophen oder mixotrophen Kultivierung von Organismen oder Zellen befassenden Druckschrift EP 2446016 B1 ist es zudem bekannt, in der Kammer, in deren oberen Bereich die Suspension durch Versprü hen ausgebracht wird, spezielle Strukturen anzuordnen, durch welche die gravita tionsbedingte Abwärtsbewegung der Tröpfchen in der Kammer gezielt verzögert wird, so dass die in den Tröpfchen enthaltenen Mikroalgen während ihres Aufent halts in der Kammer länger dem Licht und den in die Kammer eingebrachten Nährstoffen, wie insbesondere CO2 ausgesetzt sind. In der Druckschrift wird au ßerdem die Möglichkeit angesprochen, das Licht, welchem die Mikroalgen ausge setzt werden, gegebenenfalls künstlich zu erzeugen.
Unabhängig von dem jeweils genutzten Prinzip haben Einrichtungen zur Kultivie rung von Mikroalgen mittels Bioreaktoren der zuvor beschriebenen Formen typi scherweise einen sehr hohen Flächenbedarf - jedenfalls dann, wenn sie der Er zeugung größerer Mengen Biomasse dienen - oder sind, wie im Falle der in der DE 102009028474 A1 beschriebenen Ausbildungsform, nur für die Produktion kleinerer Mengen von Mikroalgenbiomasse ausgelegt. Zudem werden Bioreakto ren üblicherweise zumindest überwiegend unter Nutzung von Tageslicht bezie hungsweise natürlichem Sonnenlicht betrieben. Sehr häufig werden daher entsprechende Einrichtungen zur Erzeugung größerer Mengen von Mikroalgenbi omasse auch in klimatisch günstig gelegenen, dünn besiedelten und daher große Flächen zur Verfügung stellenden Regionen errichtet. Dies ändert aber nichts an der Tatsache, dass entsprechende Einrichtungen wenig flächeneffizient und jah reszeitlich bedingten Schwankungen des jeweils zur Verfügung stehenden natür lichen Lichts unterworfen sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lösung bereitzustellen, welche eine jahreszeit unabhängige und sehr flächeneffiziente Großproduktion von Mikroalgenbiomasse ermöglicht. Hierzu sind ein Verfahren und eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Einrichtung zur Produktion von Mikroalgenbiomasse anzugeben.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Eine die Aufgabe lösende und zur Durchführung des Verfahrens geeig nete Einrichtung für die Produktion von Mikroalgenbiomasse wird durch den ers ten unabhängigen Sachanspruch charakterisiert. Vorteilhafte Aus- beziehungs weise Weiterbildungen der Erfindung sind durch die jeweiligen Unteransprüche gegeben.
Das vorgeschlagene Verfahren zur Produktion von Mikroalgenbiomasse geht von einem Ansatz aus, bei dem in einer Suspension aus Wasser und Mikroalgen ent haltene Mikroalgen in einem von der Suspension mehrfach passierten Kultivie rungsmodul unter Zufuhr von Licht und von Nährstoffen, einschließlich CO2 als gasförmigen Nährstoff, in einem kontinuierlichen Umlauf phototroph oder mixotroph kultiviert werden. Allerdings wird für das nachfolgend näher beschrie bene Verfahren ausschließlich Licht mindestens einer künstlichen Lichtquelle ver wendet.
Wiederholt werden Volumenanteile der im Umlauf geführten Suspension zur Ernte von Mikroalgen aus dem Kultivierungsmodul ausgeschleust sowie mittels einer Zentrifuge ausgeschleudert. Die nicht zur Ernte der Mikroalgen ausge schleusten Volumenteile der Suspension verbleiben in dem durch einen Gasteil und einen Flüssigkeitsteil mit einem Flüssigkeitsvorrat ausgebildeten Kultivie rungsmodul, indem sie aus dem Flüssigkeitsvorrat erneut dem Gasteil des Kulti vierungsmoduls zugeführt und dort durch Zerstäuben ausgebracht werden. Das Ausschleusen von Volumenteilen der im Umlauf geführten Suspension aus dem Kultivierungsmodul zum Zweck der Ernte von Mikroalgen erfolgt jeweils, sofern die mittels optischer Sensoren festgestellte Trübung der Suspension einen Min destwert überschreitet.
Für den insoweit festzulegenden Mindestwert der Trübung lässt sich allerdings keine feste Vorgabe machen. Nicht zuletzt sollte dieser Mindestwert sicherlich auch von der Art der jeweils zu kultivierenden Mikroalgen abhängen. Er sollte jedoch nicht zu gering festgelegt werden, da andernfalls aus den jeweils ausge schleusten Volumenteilen der Suspension nur eine verhältnismäßig geringe Menge von Mikroalgen ausgeschleudert werden kann und der Erntevorgang dann möglicherweise wenig effizient ist. Dies ist aber letztlich im Grunde eine Optimierungsaufgabe im Zusammenhang mit dem Konfigurieren und Einstellen einer entsprechenden Einrichtung im Hinblick auf das Kultivieren einer bestimm ten Mikroalgenart.
Bei dem zur Lösung der Aufgabe vorgeschlagenen Verfahren erfolgt die Kultivie rung der Mikroalgen in einem als Klimakammer ausgebildeten Kultivierungsmo dul. Die vorgenannte Klimakammer wird wasserwirtschaftlich betrieben. Bei die ser wasserwirtschaftlichen Betriebsweise erfolgt neben einer Regulierung der Temperatur der Suspension eine Regulierung ihres pH-Werts durch die gesteu erte Zugabe von Pufferionen sowie eine Regulierung des Redoxpotentials der Suspension und damit ihrer mikrobiellen Kontamination durch eine Steuerung der Licht- und Nährstoffzufuhr sowie der Zudosierung von Sauerstoff.
Erfindungsgemäß wird ferner die nach dem Ausschleudern von Mikroalgen aus den ausgeschleusten Volumenteilen verbleibende Suspension mit einem hohen Wasseranteil und einem nur noch sehr geringen Anteil von Mikroalgen in das Kul tivierungsmodul zurückgeführt, wobei sie vor ihrer Rückführung in das Kultivierungsmodul zur Abtötung unerwünschter mikrobieller Kontaminationen bis zum Erreichen eines minimalen in diesen Volumenteilen der Suspension gemes senen Redoxpotentials mit UV-Licht bestrahlt wird. Die Verweildauer der in das Kultivierungsmodul zurückzuführenden Suspension im Bereich einer zu ihrer Be strahlung dienenden UV-Lichtquelle ist dabei umgekehrt proportional zu dem bei einer wiederholten Messung jeweils festgestellten Redoxpotential der Suspen sion. Je höher also das Redoxpotential ist, desto mehr verkürzt sich die Zeit, für welche die Suspension (nach dem Ausschleudern überwiegend nur noch Was ser) dem UV-Licht noch ausgesetzt werden muss.
In Ausgestaltung des zuvor grundsätzlich dargestellten erfindungsgemäßen Ver fahrens kann sich dabei ein Ablauf vollziehen, entsprechend welchem mehrfach folgende Verfahrensschritte durchlaufen werden:
A. Versprühen zu kultivierende Mikroalgen enthaltender, aus dem Flüssig keitsvorrat entnommener Volumenteile der Suspension im oberen Bereich des Gasteils des Kultivierungsmoduls, in welches Nährstoffe, darunter zu mindest CO 2 als gasförmiger Nährstoff, eingeleitet werden.
B. Verzögern der schwerkraftbedingten Abwärtsbewegung beim Versprühen entstehender, die Mikroalgen enthaltender Tröpfchen der Suspension mit tels geeigneter, dazu in dem Gasteil des Kultivierungsmoduls angeordne ter Strukturelemente. Zur Art der vorgenannten Strukturelemente sollen nähere Ausführungen noch im Zusammenhang mit der Erläuterung der vorgeschlagenen, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Einrichtung erfolgen.
C. Exposition der in den in ihrer Abwärtsbewegung verzögerten Tröpfchen enthaltenen Mikroalgen mit dem hinsichtlich seiner Wellenlänge und seiner Intensität auf die Art der zu kultivierenden Mikroalgen abgestimmten Licht in dem Gasteil des Kultivierungsmoduls angeordneter LED-Lichtquellen und mit dem in das Kultivierungsmodul eingeleiteten CO 2. Dabei wird die Intensität des von den LED-Lichtquellen abgegebenen Lichts mit dem Fortschreiten des Kultivierungsvorganges verändert, nämlich mit zuneh mender Trübung der Suspension erhöht.
D. Zurückführen sich abwärts bewegender, Mikroalgen enthaltender Tröpf chen in den am Boden oder in einem unterhalb des Gasteils des Kultivie rungsmoduls angeordneten Behälter ausgebildeten Flüssigkeitsvorrat nach dem Passieren des Gasteils des Kultivierungsmoduls.
E. Ausschleusen von Volumenteilen von aus dem Flüssigkeitsvorrat zum er neuten Versprühen in dem Gasteil des Kultivierungsmoduls zurückgeführ ter Suspension sowie Ernte in den ausgeschleusten Volumenteilen enthal tener Mikroalgen durch Ausschleudern in einer Zentrifuge. Dabei erfolgt das Ausschleusen entsprechender Volumenteile der Suspension zum Zweck der Ernte von Mikroalgen, sofern die mittels optischer Sensoren festgestellte Trübung der dem Gasteil des Kultivierungsmoduls zum erneu ten Versprühen gemäß dem ersten Verfahrensschritt (Verfahrensschritt A.) wieder zugeführter Volumenteile der Suspension einen Mindestwert über schreitet. Neben den dem Gasteil des Kultivierungsmoduls erneut zuge führten Volumenteilen der Suspension wird außerdem die nach dem Aus schleudern der ausgeschleusten Volumenteile verbleibende Suspension wieder in den Gasteil des Kultivierungsmoduls zurückgeführt, wobei diese Volumenteile der Suspension zuvor mit UV-Licht bestrahlt werden.
Im Zusammenhang mit dem gemäß den zuvor erläuterten Verfahrensschritten ablaufenden Verfahren wird gewissermaßen permanent der pFI-Wert der Suspen sion in dem Flüssigkeitsteil des Kultivierungsmoduls gemessen und durch eine gesteuerte Zudosierung von Pufferionen reguliert. Der pFI-Wert wird dabei in ei nem das Wachstum der Mikroalgen begünstigenden Bereich zwischen 7 und 8, vorzugsweise zwischen 7 und 7,5, gehalten. Zudem wird die mikrobielle Kontami nation der Suspension durch eine in dem Flüssigkeitsteil des Kultivierungsmoduls (Klimakammer) durch periodische Messung erfolgende Überwachung ihres Re doxpotentials reguliert. Die Regulierung erfolgt, indem im Falle des Überschrei tens eines oberen Grenzwerts für das Redoxpotential die Nährstoffzufuhr und die Lichtintensität der mindestens einen LED-Lichtquelle erhöht und im Falle des Unterschreitens eines unteren Grenzwertes für das Redoxpotential die Nährstoff zufuhr und die Lichtintensität der mindestens einen LED-Lichtquelle reduziert werden sowie die in dem Flüssigleitsteil des Kultivierungsmoduls erfolgende Zu dosierung von Sauerstoff erhöht wird.
Die Lichtintensität der LED-Lichtquellen wird währenddessen, wie eingangs be reits ausgeführt, zusätzlich in Abhängigkeit von der gemäß dem 5. Verfahrens schritt (Verfahrensschritt E.) bestimmten Trübung der Suspension in der Weise gesteuert, dass die Lichtintensität proportional zur Trübung eingestellt wird.
Soweit vorstehend und in den Patentansprüchen im Zusammenhang mit dem Ausschleusen von Suspension aus dem Umlauf (Kreislauf) beziehungsweise aus dem Flüssigkeitsteil des Kultivierungsmoduls sowie mit der erneuten Zuführung der Suspension zum Gasteil des Kultivierungsmoduls wiederholt von Volumentei len der Suspension die Rede ist, soll dies zum Ausdruck bringen, dass es sich je weils nicht um die gesamte Suspension, sondern nur um einen Teil davon han delt.
Wie groß der jeweilige Volumenteil, insbesondere der aus dem Flüssigkeitsteil des Kultivierungsmoduls zur Ernte der Mikroalgen jeweils ausgeschleuste Volu menteil der Suspension vorzugsweise ist oder sinnvollerweise sein sollte, wäre im Zusammenhang mit der Implementierung des Verfahrens im Ergebnis ent sprechender Testläufe festzulegen. Bei Berechnungen und Simulationen sowie im Ergebnis im Labormaßstab durchgeführter Tests hat es sich gezeigt, dass es vorteilhaft sein könnte, ein Volumenteil von 15 bis 50% des Volumens der sich in dem Flüssigkeitsteil des Kultivierungsmoduls befindenden Suspension auszu schleusen.
Die vorstehenden Erläuterungen und das Vorhandensein eines Vorratsbehälters lassen zudem erkennen, dass sich nie gleichzeitig die gesamte Menge der Sus pension im Umlauf des von dem Gasteil und dem Flüssigkeitsteil des Kultivie rungsmoduls gebildeten Kreislaufsystems befindet. Vielmehr befinden sich gewisse Volumenteile der Suspension zumindest vorübergehend in dem Flüssig keitsvorrat und somit zumindest kurzzeitig gewissermaßen (nicht aus biologischer Sicht) in Ruhe.
Zur Regulierung des pH-Werts der Suspension, also zur Einstellung eines pH- Werts von vorzugsweise 7 bis 7,5, kann beispielsweise eine Zudosierung von Calcium- und/oder Magnesiumionen als Pufferionen erfolgen, wobei die Zudosie rung dieser Ionen in dem Flüssigkeitsteil des Kultivierungsmoduls erfolgt. Zur Frage der Unterteilung der Klimakammer in einen Gasteil und in einen Flüssig keitsteil sollen im Zusammenhang mit der Darstellung der zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Einrichtungen noch einige Ausführungen erfolgen.
Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens kann zur Tempe rierung der Suspension die Flächentemperatur der in dem Kultivierungsmodul an geordneten LED-Lichtquellen genutzt werden, wobei diese wiederum durch eine Verringerung oder Erhöhung des Volumenstroms eines zur Kühlung der LED- Lichtquellen verwendeten Kühlmediums reguliert werden kann. Neben dem schon mehrfach erwähnten CO2 als gasförmigem Nährstoff werden der Suspen sion in dem Flüssigkeitsteil des Kultivierungsmoduls typischerweise noch Stick stoff (zum Beispiel in Form von Ammoniak) und/oder Phosphor und/oder Kohlen stoff (zum Beispiel aus Kohlenstoffquellen wie Glukose) als Nährstoffe zugeführt.
Ferner kann das Verfahren so geführt werden, dass in den Mikroalgen gezielt be stimmte Sekundärinhaltsstoffe gebildet oder angereichert werden. Dazu können der Suspension in dem Flüssigkeitsteil des Kultivierungsmoduls, unter Einbezie hung geeigneter Stressfaktoren bei der Kultivierung, in gesteuerter Menge Stoffe oder Stoffgruppen einer oder mehrerer der folgenden zugeführt werden:
Nährstoffe und mikrobiologische Kontaminationen zur Bildung von Vita minen,
Nährstoffe zur Bildung von Omega-3-Fettsäuren,
Nährstoffe zur Bildung bioaktiver Proteine/Peptide, durch die Mikroalgen zu bindende Mineralien, durch die Mikroalgen zu bindendes Zink oder Eisen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine sehr flächeneffiziente Produk tion großer Mengen von Algenbiomasse. Durch die Verwendung einer wasser wirtschaftlich betriebenen Klimakammer als Kultivierungsmodul werden ein sehr starkes und robustes Wachstum der Mikroalgen erreicht sowie die Erzeugung großer Mengen von Mikroalgenbiomasse mit einer insbesondere unter dem Ge sichtspunkt möglicher mikrobieller Kontaminationen sehr hohen und gleichblei benden Qualität ermöglicht, wobei es das Verfahrensregime mit seiner punktge nauen Einsteilbarkeit wesentlicher Prozessparameter außerdem in hervorragender Weise ermöglicht, die Biomasse mit ausgewählten Sekundärstof fen, wie Vitaminen und/oder Mineralien in genau festgelegter Konzentration anzu reichern.
Das Verfahren ermöglicht die Herstellung von Mikroalgenbiomasse kontinuierlich Standort- und jahreszeitunabhängig, das heißt ganzjährig, mit gleicher Qualität hinsichtlich der Zusammensetzung von primären und sekundären Inhaltstoffen mit einer höheren Konzentration an Algensuspension im Wasser pro Liter im Ver gleich zu den etablierten Verfahren (Open Pond, Photobioreaktor PBR und ver gleichbaren Technologien) zur Mikroalgenbiomasseproduktion.
Eine zur Lösung der Aufgabe vorgeschlagene und zur Durchführung des Verfah rens geeignete Einrichtung zur Produktion von Mikroalgenbiomasse weist min destens auf:
- wenigstens ein Kultivierungsmodul zur phototrophen oder mixotrophen Kultivierung in einer Suspension mit Wasser enthaltener Mikroalgen, wo bei dieses Kultivierungsmodul aus einem Gasteil und einem Flüssigkeits teil mit einem Flüssigkeitsvorrat besteht,
- Einleitungen und Ausbringungsorgane zur Einleitung von CO 2 , sonstigen Nährstoffen und von Sauerstoff in das Kultivierungsmodul, - wenigstens eine Zentrifuge zum Ausschleudern von Mikroalgen aus zum Zweck der Ernte aus dem wenigstens einen Kultivierungsmodul (Klima kammer) ausgeschleusten Volumenteilen der Suspension,
- ein Rohrleitungssystem mit Pumpen zur Bewegung der Suspension zwi schen den vorgenannten Komponenten und zur Zuführung in das Kultivie rungsmodul über die jeweiligen Ausbringungsorgane einzuleitender Stoffe, einschließlich von Nährstoffen und von Volumenteilen der Suspension,
- eine Steuereinrichtung zur Steuerung der wenigstens einen Zentrifuge so wie der vorgenannten Pumpen und Ausbringungsorgane entsprechend den Ergebnissen der Auswertung von ihr von Sensoren in den vorgenann ten Komponenten empfangener Sensorsignale.
Dabei ist der Gasteil des wenigstens einen Kultivierungsmoduls mit mindestens einer in dessen oberen Bereich zur Ausbringung von Suspension angeordneten Düse, mit mindestens einer künstliches Licht emittierenden Lichtquelle, vorzugs weise mit mehreren LED-Lichtquelle(n), sowie mit Strukturelementen zur Verzö gerung der schwerkraftbedingten Abwärtsbewegung beim Versprühen der Sus pension entstehender Tröpfchen ausgestattet. Das Licht der vorgenannten mindestens einen Lichtquelle ist bezüglich seiner Wellenlänge und Intensität auf die Art der zu kultivierenden Mikroalgen abgestimmt oder abstimmbar.
Die Unterscheidung zwischen einem Gasteil und einem Flüssigkeitsteil des we nigstens einen Kultivierungsmoduls basiert darauf, dass die Suspension aus Mikroalgen und Wasser in dem als Flüssigkeitsteil betrachteten Teil des Kultivie rungsmoduls tatsächlich als eine Flüssigkeit im eigentlichen Sinne vorliegt, wo hingegen in dem Gasteil die Suspension aufgrund ihrer mittels in diesem Gasteil angeordneter Düsen erfolgenden Zerstäubung als ein feinzerstäubtes Aerosol und CO 2 als gasförmiger Nährstoff vorliegen. Insoweit wird der Flüssigkeitsteil des Kultivierungsmoduls durch den bereits genannten Flüssigkeitsvorrat (am Boden des Gasteils oder in einem Behälter unterhalb des Gasteils) sowie durch diesen Flüssigkeitsvorrat mit der Düse oder den Düsen im oberen Bereich des Gasteils verbindende Rohre des vorstehend bereits angesprochenen Rohrleitungssystems mit darin angeordneten Pumpen und Ventilen sowie mit ge gebenenfalls weiteren in das Rohrleitungssystem einbezogenen Komponenten, wie Zwischentanks und dergleichen, ausgebildet. Nach diesem Verständnis ge hören wiederum nicht alle Teile des Rohrleitungssystems zu dem Flüssigkeitsteil beziehungsweise zu dem eigentlichen Kultivierungsmodul, wie etwa das Kultivie rungsmodul mit der Zentrifuge verbindende Rohrabschnitte und die darin angeordneten Komponenten.
Ganz bewusst wird auch im Zusammenhang mit dem Flüssigkeitsteil von einem Flüssigkeitsvorrat und nicht von einem Suspensionsvorrat gesprochen. Grund hierfür ist, dass bei einem Kultivierungsmodul der erfindungsgemäßen Einrich tung im Zusammenhang mit dessen erster Inbetriebnahme oder seiner Inbetrieb nahme nach einer Umrüstung zunächst eine so genannte „Wasserfahrt“ unter nommen wird, bei welcher zunächst reines Wasser in einem ein- oder mehrmaligen Umlauf durch das Kultivierungsmodul mit dessen zu diesem Zeit punkt noch mit Wasser gefüllten Flüssigkeitsvorrat in dem Flüssigkeitsteil geführt und das Wasser erst dann zur Bildung der später durch den Flüssigkeitsvorrat bevorrateten Suspension mit Mikroalgen beimpft wird. Hierbei sei angemerkt, dass gegebenenfalls aber auch unmittelbar eine Suspension mit bereits „vorkulti vierten Mikroalgen in das Kultivierungsmodul eingebracht werden oder zunächst eingebrachtes Wasser durch Zufuhr von Suspension mit „vorkultivierten Mikroal gen beimpft werden kann. Das wenigstens eine Kultivierungsmodul der erfin dungsgemäßen Einrichtung weist vorzugsweise eine Größe mit einer Grundflä che von mindestens 250 m 2 auf.
Erfindungsgemäß ist das wenigstens eine Kultivierungsmodul als eine Klimakam mer ausgebildet, welche entsprechend dem Verfahren wasserwirtschaftlich be trieben wird. Selbstverständlich wird, gesteuert von der Steuereinrichtung, die Temperatur der mehrfach durch das Kultivierungsmodul geleiteten Suspension reguliert. Die für die Suspension jeweils einzustellende Temperatur hängt dabei von der Art der jeweils zu kultivierenden Mikroalgen ab. Dabei liegt es auf der Fland, dass beispielsweise entsprechend ihrem natürlichen Vorkommen im Polarmeer beheimatete Mikroalgen für eine erfolgreiche Kultivierung deutlich niedrigere Temperaturen benötigen als beispielsweise Mikroalgenarten, wie sie natürlicherweise in Gewässern europäischer Regionen mit einem gemäßigten Klima Vorkommen.
Für den wasserwirtschaftlichen Betrieb des wenigstens einen Kultivierungs moduls sind sowohl in dessen Gasteil als auch in dessen Flüssigkeitsteil mehrere mit der Steuereinrichtung in Wirkverbindung stehende Sensoren und Aus bringungsorgane angeordnet. Im Einzelnen handelt es sich hierbei zum einen insbesondere um in dem Flüssigkeitsteil angeordnete Sensoren (Elektroden) zur Bestimmung des pFI-Werts der Suspension und um Ausbringungsorgane, welche durch die Steuereinrichtung entsprechend dem mittels der vorgenannten Senso ren jeweils festgestellten pFI-Wert für eine gesteuerte Zugabe von Pufferionen in dem Vorratsbehälter angesteuert werden. Ferner sind in dem Flüssigkeitsteil des Kultivierungsmoduls (Klimakammer) Sensoren zur wiederholten Messung des Redoxpotentials der Suspension angeordnet, deren Sensorsignale durch die Steuerungseinrichtung zur Regulierung des Redoxpotentials durch eine gesteu erte Zufuhr von Nährstoffen, einschließlich CO 2 , und von Sauerstoff sowie zur Steuerung der Lichtintensität des von den vorzugsweise mehreren Lichtquellen (besonders bevorzugt LED-Lichtquellen) emittierten Lichtes verarbeitet werden.
Komplettiert werden die für den wasserwirtschaftlichen Betrieb der Klimakammer (des in einem wasserwirtschaftlichen Betrieb klimatisierten Kultivierungsmoduls) erforderlichen Komponenten durch Sensoren zur wiederholten Messung des Re doxpotentials der dem Gasteil des Kultivierungsmoduls erneut zugeführten Sus pension mit sehr hohem Wasseranteil, welche beim Ausschleudern der zur Ernte ausgeschleusten Volumenanteile zurückbleibt, sowie durch eine UV-Lichtquelle. Die vorgenannten Sensoren und die UV-Lichtquelle sind dabei vorzugsweise in einer Rohrleitung zur Rückführung dieser Volumenteile der Suspension in das Kultivierungsmodul angeordnet. Mittels dieser Sensoren wird, wie bereits ausge führt, das Redoxpotential der nach dem Ausschleudern in das Kultivierungsmodul zurückzuführenden Suspension mit hohem Wasseranteil und wenigen darin gegebenenfalls noch verbliebenen Mikroalgen wiederholt gemessen und die zu rückzuführende Suspension, gesteuert durch die Steuereinrichtung, bis zum Er reichen eines minimalen Redoxpotentials mit UV-Licht bestrahlt.
Durchgeführten Berechnungen zufolge kann mittels eines Kultivierungsmoduls der erfindungsgemäßen Einrichtung auf einer Fläche von etwa 250 m 2 eine Menge von Mikroalgenbiomasse erzeugt werden, für deren Erzeugung mittels ei nes Rohr-Bioreaktors eine Rohrlänge von etwa 500 km erforderlich wäre. Im Zu sammenhang mit einer praktischen Umsetzung der vorgeschlagenen Lösung könnten beispielsweise Rohrreaktoren kleiner bis mittlerer Größe als Rohstofflie feranten gelten, indem Mikroalgen in ihnen gewissermaßen „vorkultiviert“ und dann, als Bestandteil einer Suspension, zum Zweck einer intensiven Kultivierung unter insbesondere für die wasserwirtschaftliche betriebene Klimakammer exakt einstellbaren Verfahrensbedingungen, einem Kultivierungsmodul einer erfin dungsgemäß ausgebildeten Einrichtung zugeführt werden.
Bei den in dem Gasteil eines jeweiligen Kultivierungsmoduls zur Verzögerung der Abwärtsbewegung der Mikroalgen enthaltenden Tröpfchen angeordneten Struk turelementen kann es sich beispielsweise um horizontal angeordnete Flächenele mente in Form straff gespannter textiler Vliese oder feinmaschiger textiler Netze handeln. Die betreffenden Strukturelemente werden vorzugsweise sehr straff ge spannt, um zu vermeiden, dass sie aufgrund der Benetzung mit der Suspension stark durchhängen und sie dadurch verschattete Bereiche innerhalb des Gasteils des Kultivierungsmoduls erzeugen.
Für eine besonders gute und homogene Durchflutung des Gasteils des Kultivie rungsmoduls mit dem von der mindestens einen, vorzugsweise von den mehre ren LED-Lichtquellen abgegebenen Licht, sind bei einer besonders vorteilhaften Ausbildungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung die Wände des Kultivie rungsmoduls in dem Gasteil (gegebenenfalls voll) verspiegelt oder auf ihrer In nenseite hochglanz-reflektierend ausgebildet. Letzteres heißt, dass die Wände aus einem reflektierenden Hochglanzmaterial ausgebildet oder mit einem solchen Material (gegebenenfalls vollflächig) beschichtet sein können. Hierdurch ist eine besonders effiziente Ausnutzung der in das Kultivierungsmodul eingebrachten Lichtenergie gegeben.
Vorteilhafterweise kann es außerdem vorgesehen sein, dass die Temperierung der Suspension unter Ausnutzung der Abwärme der LED-Lichtquellen (nachfol gend wird vom Vorhandensein mehrerer Lichtquellen ausgegangen) erfolgt.
Hierzu wird ein zur Kühlung der LED-Lichtquellen verwendetes Kühlmedium hin sichtlich seines Volumenstroms entsprechend reguliert, so dass die Flächentem peratur einer jeden LED-Lichtquelle ausgehend von ihrem jeweiligen Beitrag für den Wärmeeintrag in die Klimakammer entsprechend der jeweils für die Suspen sion benötigten Temperatur mit Hilfe der Steuereinrichtung eingestellt werden kann. Anders als bei bisher bekannt gewordenen Gewächshäusern oder Einrich tungen zur Kultivierung von Mikroorganismen kann hierdurch der Einfluss von durch Lichtquellen in ein derartiges System eingebrachter Wärme gezielt kontrol liert werden.
Das ist bei bisher bekannt gewordenen Systemen nicht der Fall, da bei diesen die durch eventuelle künstliche Lichtquellen eingebrachte Wärmemenge regelmäßig weder bekannt noch kontrollierbar ist. Es ist aber andererseits keineswegs so, dass im Falle des Erfordernisses einer höheren Lichtintensität zwingend auch eine höhere Temperatur in dem jeweiligen System (Kultivierungseinrichtung, Ge wächshaus) benötigt wird.
Für die Großproduktion von Mikroalgenbiomasse umfasst eine in erfindungs gemäßer Weise ausgebildete Einrichtung vorzugsweise eine Mehrzahl von Kulti vierungsmodulen und mindestens eine, gegebenenfalls aber auch mehrere, jeweils durch mehrere Kultivierungsmodule gemeinsam genutzte Zentrifugen für das Ausschleudern der Biomasse zum Zweck ihrer Ernte. Ein solcher modularer Aufbau bringt dabei den Vorteil mit sich, dass im Falle dessen, dass beispiels weise in einem Kultivierungsmodul der Kultivierungsprozess der Mikroalgen nicht in gewünschter Weise verläuft oder eventuell unerwünschte mikrobielle Kontaminierungen auftreten, nur die innerhalb dieser einen Kultivierungsmoduls im Umlauf geführte Suspension verworfen werden muss, wohingegen aus der Suspension anderer Kultivierungsmodule der Einrichtung weiterhin Mikroalgen mit der jeweils geforderten Beschaffenheit und Qualität geerntet werden können. Im Gegensatz zu allen vergleichbaren und im Wettbewerb um Produktivität ste henden Systemen handelt es sich bei dem oder einem Kultivierungsmodul der er findungsgemäßen Einrichtung um ein kontrolliertes, geschlossenes System. Die Gefahr von unerwünschten Kontamination, wie sie beispielsweise bei Open Pond Anlagen existiert, kann hierdurch nahezu ausgeschlossen werden.
Anhand der Fig. 1 sollen nachfolgend einige Aspekte der Erfindung nochmals nä her erläutert werden.
Die Fig. 1 zeigt beispielhaft eine mögliche Ausbildungsform eines Kultivierungs moduls der erfindungsgemäßen Einrichtung einschließlich einer mit ihm gekop pelten Zentrifuge. Das Kultivierungsmodul bildet einen zentralen beziehungs weise den zentralen Bestandteil der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Produktion von Mikroalgenbiomasse, auf welchem letztlich auch der Fokus der Erfindung liegt, so dass auf die Darstellung vieler übriger Bestandteile der Ein richtung (zum Beispiel Steuerungen] und dergleichen) verzichtet wurde. Je nach Auslegung einer erfindungsgemäß gestalteten Einrichtung kann diese eine grö ßere Zahl derartiger Kultivierungsmodule aufweisen. In einem solchen Fall arbei ten mehrere dieser Kultivierungsmodule mit einer der Ernte der Mikroalgen durch Ausschleudern aus der Suspension dienenden (hier nicht dargestellten) Zentri fuge zusammen. In sehr großen Anlagen können gegebenenfalls auch mehrere Zentrifugen vorhanden sein, wobei aber typischerweise nicht jedem Kultivie rungsmodul separat eine Zentrifuge zugeordnet werden, sondern jede der Zentri fugen jeweils mit mehreren Kultivierungsmodulen Zusammenarbeiten wird.
Das in der Fig. 1 beispielhaft gezeigte Kultivierungsmodul 1, von dem, wie ge sagt, gegebenenfalls mehrere in einer erfindungsgemäß ausgebildeten Einrich tung vorhanden sein können, besteht aus dem Gasteil 2 und dem Flüssigkeitsteil, welcher einen Flüssigkeitsvorrat 3 zur Aufnahme eines Vorrats einer aus Wasser und den zu kultivierenden Mikroalgen bestehenden Suspension umfasst. Der Flüssigkeitsvorrat 3 ist, wie aus der Fig. 1 ersichtlich, am Boden des Gasteils 2 des Kultivierungsmoduls 1 angeordnet. In einem, abgesehen von eventuellen Umrüstzeiten, kontinuierlichen Vorgang beziehungsweise Kreisprozess werden Volumenteile der Suspension aus dem Flüssigkeitsvorrat 3 dem Gasteil 2 des als wasserwirtschaftlich betriebene Klimakammer ausgebildeten Kultivierungsmo duls 1 zugeleitet. Dies geschieht über zum Flüssigkeitsteil des Kultivierungsmo dul 1 gehöhrende Rohre eines Rohrleitungssystems mit Hilfe der Pumpe(n) 9.
Die der Klimakammer, also dem in einer wasserwirtschaftlichen Betriebsweise klimatisierten Kultivierungsmodul 1 zugeleitete Suspension wird in dem oberen Bereich des Gasteils 2 - also vorzugsweise unmittelbar unterhalb der Raumde cke - mit Hilfe mehrerer Düsen 4 durch Versprühen ausgebracht. In dem Gasteil 2 des Kultivierungsmoduls 1 sind mehrere bezüglich der Wellenlänge und der Intensität des von ihnen ausgesendeten Lichtes steuerbare LED-Lichtquel- len 5 - hier in Form eines oder mehrerer an der Decke und den Wänden des Gasteils 2 des Kultivierungsmoduls 1 installierter Lichtbänder - angeordnet. Außerdem verfügt das Kultivierungsmodul 1 über Einleitungen zur Zuführung von Nährstoffen, einschließlich CO2 als gasförmigen Nährstoff, sowie von Sauerstoff für die in ihm kultivierten Mikroalgen.
Die in dem Gasteil 2 des Kultivierungsmoduls 1 über Düsen 4 versprühten Volu menteile der Suspension bilden infolge des Versprühens einen Nebel (Aerosol) aus jeweils Mikroalgen enthaltenden Tröpfchen aus. Die Tröpfchen bewegen sich schwebend allmählich zum Boden des Gasteils 2 des Kultivierungsmoduls 1, wobei in dem Gasteil 2 außerdem, durch textile Netze oder textile Vliese ausge bildete Strukturen 6 angeordnet sind, welche die schwerkraftbedingte Abwärtsbe wegung der Tröpfchen verzögern. Zweck dieser Maßnahme ist es, die Aufent haltsdauer der in dem Kultivierungsmodul 1 versprühten Volumenteile der Suspension, also der die Mikroalgen enthaltenden Tröpfchen, in dem Gasteil zu verlängern, damit diese zur Förderung des Algenwachstums und der Algenvermehrung möglichst lange der Exposition mit dem künstlichen Licht der LED-Lichtquellen 5 und mit dem in das Kultivierungsmodul 1 eingetragenen CO2 ausgesetzt sind.
Die sich am Boden des Gasteils 2 des Kultivierungsmoduls 1 durch auftreffende Tröpfchen in dem Flüssigkeitsvorrat 3 ansammelnde Suspension wird von hier aus erneut dem Gasteil 2 des Kultivierungsmoduls 1 zugeleitet. Im Zuge des mehrfachen Umlaufens der Suspension in diesem Kreislauf erhöht sich durch das Algenwachstum allmählich die Trübung der Suspension. Mittels in den Rohrlei tungen angeordneter optischer Sensoren 8 wird ständig die Trübung der wieder holt dem Gasteil 2 des Kultivierungsmoduls 1 zugeleiteten Suspension bestimmt. Hierzu weist die erfindungsgemäße Einrichtung eine mit den vorgenannten Sen soren 8 sowie mit weiteren Sensoren in einer Wirkverbindung stehende (nicht ge zeigte) Steuereinrichtung auf.
Bei der Steuereinrichtung kann es sich um eine zentrale Steuereinheit oder um eine durch mehrere dezentral angeordnete, gemeinsam die Steuereinrichtung ausbildende Steuereinheiten handeln. Die Steuereinrichtung steht zudem in einer Wirkverbindung mit mehreren von ihr entsprechend den Ergebnissen der Aus wertung von den Sensoren 8 empfangener Sensorsignale gesteuerten Aktoren, wie Ausbringungsorganen (hierzu zählen unter anderem die Düsen 4 in dem Gasteil 2 des Kultivierungsmoduls 1) und steuerbaren Ventilen. Überschreitet die Trübung der wiederholt dem Gasteil 2 des Kultivierungsmoduls 1 zugeführten Volumenteile der Suspension einen in der Steuereinrichtung durch entspre chende Konfiguration festgelegten Mindestwert, so wird, veranlasst durch die Steuereinrichtung, ein Teil (Volumenteil) der sich in diesem Moment in dem Flüs sigkeitsteil befindenden Suspension aus dem Kultivierungsmodul 1 ausge schleust und der Zentrifuge 7 zugeleitet.
In der Zentrifuge 7 werden die in den ausgeschleusten Volumenteilen der Suspension enthaltenen Mikroalgen ausgeschleudert und nachfolgenden, gege benenfalls nicht mehr in der hier betrachteten Einrichtung durchgeführten Ver- arbeitungsvorgängen zugeführt. Die beim Ausschleudern der aus dem Kultivie rungsmodul 1 ausgeschleusten Volumenteile zurückbleibende, ganz überwie gend aus Wasser bestehende Suspension wird wieder in das Kultivierungsmo dul 1 zurückgeführt, wobei sie aber zuvor durch Bestrahlung mit UV-Licht zur Beseitigung mikrobieller Kontaminationen behandelt wird. Letzteres erfolgt in einem Abschnitt der Rohrverbindung, über welche diese Volumenteile der über wiegend aus Wasser bestehenden Suspension erneut dem Kultivierungsmodul 1 zugeführt werden. Die Verweildauer der nach dem Ausschleudern der aus dem Kultivierungsmodul 1 ausgeschleusten Volumenteile zurückbleibenden Suspen sion in dem mit einer entsprechenden (hier nicht gezeigten) UV-Lichtquelle aus gestatteten Rohrabschnitt hängt von der für die Abtötung eventueller mikrobieller Kontaminationen benötigten Zeit ab, wobei die Suspension bis zum Erreichen ei nes minimalen, mittels (ebenfalls nicht gezeigter) Sensoren (Elektroden) inner halb des Rohrabschnitts zwischen dem Ausgang der Zentrifuge 7 und dem Kulti vierungsmodul 1 festgestellten Redoxpotentials im Bereich des UV-Lichteintrages verbleibt.
Zur Realisierung der wasserwirtschaftlichen Betriebsweise der das Kultivierungs modul 1 ausbildenden Klimakammer sind, zumindest in deren Flüssigkeitsteil, noch weitere Sensoren 8 angeordnet, welche in einer Wirkverbindung mit der (nicht gezeigten) Steuereinrichtung stehen. Es handelt sich hierbei zumindest um Sensoren 8 - beispielsweise in Form von Silberchloridelektroden - zur Bestim mung des pH-Werts der Suspension sowie um Sensoren 8 - ebenfalls spezielle Elektroden - zur Bestimmung des Redoxpotentials der Suspension. Entspre chend dem Ergebnis aus der fortwährenden Messung des pH-Werts der Suspen sion wird durch die Steuereinrichtung eine Zudosierung von Pufferionen, nämlich von Calciumionen und/oder Magnesiumionen, durch Betätigung entsprechender, dafür in dem Flüssigkeitsteil des Kultivierungsmoduls 1 angeordneter (hier eben falls nicht im Detail gezeigter) Ausbringungsorgane gesteuert.
Das Redoxpotential der Suspension wird, gesteuert durch die Steuereinrichtung, dadurch reguliert, dass im Falle des Unterschreitens eines Redoxpotentials von 100 mV ein Stopp der Nährstoffzufuhr (von in den Flüssigkeitsteil eingebrachten Nährstoffen sowie des letztlich im Gasteil 2 des Kultivierungsmoduls 1 ausge brachten gasförmigen Nährstoffs CO2) und eine Verringerung der Intensität des durch die LED-Lichtquellen 5 in dem Gasteil 2 des Kultivierungsmoduls 1 emit tierten Lichts erfolgt, wobei gleichzeitig der Sauerstoffeintrag durch Ansteuerung entsprechender Ausbringungsorgane in dem Flüssigkeitsbereich erhöht wird. Im Falle eines zu hohen Redoxpotentials, nämlich eines Redoxpotentials von mehr als 300 mV, werden die Lichtintensität im Gasteil 2 des Kultivierungsmoduls 1 und der Eintrag von Nährstoffen, nämlich des in das Kultivierungsmodul 1 einge brachten CO2 und anderer eingeleiteter Nährstoffe, erhöht.
Um während des gesamten Kultivierungszyklus einen weitestgehend konstanten Energieeintrag in Form des von den LED-Lichtquellen 5 ausgesendeten Lichts zu bewerkstelligen, wird außerdem mit zunehmender, im Flüssigkeitsteil des Kulti vierungsmoduls 1 sensorisch festgestellter Trübung der Suspension, die Lichtin tensität im Gasteil 2 des Kultivierungsmoduls 1 erhöht. Zur Unterstützung der Temperierung der Suspension kann durch die Steuerung auf der Basis der mit tels mindestens eines Temperatursensors in dem Flüssigkeitsteil des Kultivie rungsmoduls 1 ermittelten Suspensionstemperatur der Volumenstrom eines durch aktive Kühlelemente für die LED-Lichtquellen 5 geleiteten Kühlmediums gesteuert und hierdurch die Flächentemperatur der nicht nur Licht, sondern (ge wissermaßen als Nebenprodukt) auch Wärme in das Kultivierungsmodul 1 abge benden LED-Lichtquellen 5 gesteuert werden, wobei gegebenenfalls die Tempe rierung der Suspension auch ausschließlich auf der Basis einer solchen Steuerung erfolgen kann.
Next Patent: IMPROVED DUAL-CURE COATING MATERIALS AND USE THEREOF