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Die Erfindung betrifft Photobioreaktoren mit Beleuchtung mittels Leucht-Formteilen in Form von LED-Formteilen oder lichtleitenden Formteilen.
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Phototrophe Mikroorganismen, beispielsweise Mikroalgen wie Spirulina oder Chlorella, sind in der Lage, mit Hilfe von Lichtenergie, unter Vorhandensein entsprechender Nährelemente, CO2 und Wasser in Biomasse umzuwandeln. Anstelle von gasförmigem CO2 können auch organische oder anorganische Kohlenstoffquellen in Nährmedien als Kohlenstoffquelle eingesetzt werden. Einen Überblick über gängige geschlossene Kultivierungstechnologien gibt Eriksen N. T., Biotechnol. Lett., Vol. 30, Nr. 9, 1525–1536 (2008). Algenbiomasse kann beispielsweise zur Herstellung hochwertiger Wert- oder Wirkstoffe, beispielweise Pharmazeutika, eingesetzt werden.
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Die wirtschaftliche Kultivierung phototropher Mikroorganismen im großtechnischen Maßstab ist aufgrund der Problematiken der Lichtversorgung, der monoseptischen Kulturführung sowie der Maßstabsvergrößerung bisher nicht gelöst. Ein universelles Standardsystem zur Kultivierung phototropher Mikroorganismen im Großmaßstab ist bis dato nicht verfügbar. Von mehreren Zehntausend Vertretern phototropher Mikroorganismen werden heute lediglich einige wenige Dutzend in größeren Mengen kultiviert, wobei dies meist in offenen, nicht kontaminationsfreien Systemen erfolgt. Die Kultivierungsbedingungen phototropher Mikroorganismen, die im Pilotmaßstab in geschlossenen Reaktoren prozessiert werden, sind bis dato über einen längeren Zeitraum nicht konstant zu halten. Probleme ergeben sich hier vorallem hinsichtlich der optimalen Lichtversorgung, und der Kontaminationsanfälligkeit herkömmlicher Anlagen. Zudem werden die Strömungsbedingungen im Reaktor durch zusätzliche Einbauten wie Leuchtelemente negativ beeinflußt.
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Aus der
WO 92/00380 A1 ist ein geschlossener Photobioreaktor mit kubischer oder zylindrischer Formgestalt bekannt. Die Beleuchtung des Reaktors erfolgt mittels mit LEDs bestückten, transparenten Leuchtkörpern aus Acryl, Glas oder anderen transparenten Materialien. In den Photobioreaktoren werden diese Leuchtkörper, im Abstand zueinander angeordnet und alternierend am Deckel oder Boden des Reaktors angebracht. Die Leuchtkörperformteile sind kürzer als die Reaktorlänge, sodass zwischen den freien Enden der Leuchtkörper und Boden bzw. Deckel des Reaktors jeweils Raum bleibt für den Fluß des Reaktormediums. Nachteilig ist hier die ungleichmäßige Ausleuchtung und ungleichmäßige stoffliche Verteilung.
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Eine ähnliche Anordnung wird in der
WO 2009/069967 beschrieben. In einem kubischen Reaktor werden mit LEDs bestückte Platten als Lichtquellen eingesetzt. Die Platten werden alternierend an Deckel bzw. Boden des Reaktors im Abstand zueinander angebracht. Auch hier wird der Fluß des Mediums dadurch sichergestellt, dass die Länge der Platten jeweils kürzer ist als der Abstand von Boden zu Deckel. Unbefriedigend ist hier die ungleichmäßige stoffliche Verteilung im Kultivierungsmedium, insbesondere der steigende Konzentrationsgradient für den photosynthetisch gebildeten Sauerstoff zwischen Einlaß und Auslaß des Reaktors.
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In der Gebrauchsmusterschrift
DE 298 19 259 U1 ist ein zylinderförmiger Photobioreaktor beschrieben, dessen Ausleuchtung mit einem zylinderförmigen Beleuchtungskörper mit einem Ringlicht-Segment erfolgt, welcher im Abstand zu den Wandungen des Reaktors angeordnet ist. Als Materialien für den Leuchtkörper werden Glas für den Beleuchtungskörper, und Silikon, Gießharz oder Glasfaser für das Ringlicht-Segment angegeben.
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Die
DE 10 2005 012 515 B4 beschreibt eine Beleuchtungseinrichtung für einen Photobioreaktor, welche aus einer Vielzahl von LEDs auf einem flächigen Beleuchtungsträger zu einer Beleuchtungsmatrix zusammengesetzt ist. Diese Beleuchtungsmatrix kann am Mantel des Bioreaktors angebracht sein. Nachteilig ist hier die ungleichmäßige Beleuchtung des Kultivierungsmediums.
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In der
WO 2007/047805 wird ein Verfahren zum CO
2-Abbau in einer mit LEDs bestückten Photobioreaktor-Anlage beschrieben, welche dazu mit einer wässrigen Algenkultur und CO
2-haltigem Abgas beschickt wird. Die Photobioreaktor-Anlage ist aus einer Vielzahl von Reaktorkompartimenten bestückt, mit transparentem Deckel- und Bodenteil, in welche LED-Streifen eingebettet sind. Nachteilig ist hier die völlig unzureichende Stoffverteilung.
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Die
WO 2008/145719 beschreibt Photobioreaktoren mit LED-Kunststoff-Formteilen, insbesondere LED-Siliconformteile, zur Ausleuchtung des Reaktors. Diese LED-Kunststoff-Formteile werden als Rohre, Schläuche oder Platten eingesetzt und sind im Innern des Reaktors im Abstand zueinander angeordnet. Leuchtkörper-Silicon-Formteile, insbesondere auch zur Ausleuchtung von Bioreaktoren sind aus der
WO 2008/145718 A1 bekannt. Auf eine gleichmäßige Ausleuchtung und gleichmäßige Verteilung der Komponenten im Kultivierungsmedium wird hier nicht eingegangen.
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In der
DE 44 16 069 A1 wird ein Verfahren zum Ausleuchten von Medien zur Kultivierung phototropher Organismen mittels Lichtleitern beschrieben. Dabei ist die Lichtquelle externe angeordnet, d. h. die Lichtquelle mit der das Licht in die Lichtwellenleiter eingekoppelt wird, ist außerhalb des Reaktors positioniert. Damit ergeben sich Probleme hinsichtlich der Bündelung des Lichtes auf eine relativ geringe Fläche zur Einkopplung in die Lichtleiter; und damit einhergehend eine hohe Wärmelast an den Einkopplungstellen. Die Skalierbarkeit ist sehr schwierig bzw. nicht gegeben.
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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen geschlossenen Photobioreaktor zur Herstellung von phototrophen Mikroorganismen in konstanter und reproduzierbarer Produktqualität zur Verfügung zu stellen.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Photobioreaktor mit Beleuchtung mittels Leucht-Formteilen, welche im Innern des Photobioreaktors angeordnet sind, in dessen Innern das Kultivierungsmedium durchmischt wird, wobei die Leucht-Formteile im Abstand zueinander und im Abstand zu mindestens einer der Wände des Photobioreaktors angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflächen/Volumen-Verhältnis O/V der Oberfläche der Leucht-Formteile zum Volumen des Kultivierungsmediums O/V > 10 m2/m3 beträgt und beim Betrieb des Photobioreaktors eine Mischgüte von > 95% nach einer Mischzeit von 20 bis 200 s eingestellt wird.
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Geeignete Photobioreaktoren sind mit einem drucktragenden, gegebenenfalls temperaturbeständigem Mantel, beispielsweise aus Stahl, Edelstahl, Kunststoff oder Emaille, oder Keramik gefertigt. Es können transparente und nicht transparente Materialien eingesetzt werden, bevorzugt werden bei geschlossenen Reaktoren nicht transparente Materialien. Vorzugsweise wird der Photobioreaktor mit einer anwuchshemmenden Siliconbeschichtung ausgestattet wie dies in der
DE 10 2009 028338 empfohlen wird, und deren diesbezügliche Angaben Teil dieser Anmeldung sein sollen und hiermit unter Bezugnahme eingeschlossen (incorporated by reference) werden sollen. Besonders bevorzugt werden Reaktoren aus elektropoliertem Edelstahl, da bei diesem Material nur ein geringes Fouling auftritt und die Reinigung durch entsprechende Standardvorrichtungen erleichtert ist.
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Die Reaktorvolumina können beliebig gewählt werden. Aufgrund der drucktragenden Materialien ist im Gegensatz zu Reaktoren, welche aus Glas bestehen, eine hohe, grundflächensparende Bauweise für die Massenproduktion möglich. Weiter kann bei erhöhtem Druck gearbeitet werden, vorzugsweise in einem Bereich von 0,1 bis 5 bar Überdruck.
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Der Photobioreaktor ist vorzugsweise zur Befüllung und Nährstoffversorgung mit Zuleitungen und zur Produktabtrennung und Entleerung mit Ableitungen ausgestattet. Für eine kontinuierliche Fahrweise empfiehlt sich gegebenenfalls die Ausstattung mit einem externen Loop, in dem Phasentrennapparate oder Module zur Dialyse, Umkehrosmose sowie Mikro- oder Nanofiltration angeordnet sind. Zur Wärmeabfuhr und Beheizung kann der Photobioreaktor gegebenenfalls mit einem Doppelmantel, Halbrohrschlangen an den Reaktorwänden oder innenliegenden Wärmeaustauschern ausgestattet werden. Des weiteren kann der Reaktor noch Rühreinrichtungen und Pumpen zur Durchmischung enthalten. Vorzugsweise erfolgt die Durchmischung durch Begasen mit dem Feed-Gas analog in einer Blasensäule nach dem Airlift-Prinzip, ohne zusätzliche mechanische Energie. Vorzugsweise ist der Photobioreaktor mit einer Dampfsterilisationseinheit ausgestattet.
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Zur Beleuchtung werden Leucht-Formteile, welche ein oder mehrere LED-Leuchtkörper, oder ein lichtleitendes Material (Lichtleiter), in einer oder mehreren transparenten Matrices eingeschlossen enthalten, eingesetzt, oder Formteile, welche aus lichtleitendem Materialien (Lichtleiter) bestehen, eingesetzt.
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Geeignete Materialien für die Matrix der Leucht-Formteile sind transparente Materialien, beispielsweise aus Glas oder aus thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoffen wie Acrylglas, Polyethylen, Polypropylen, PVC, Polyamide, Polyester wie PET. Bevorzugt werden Silicone. Geeignetete Silicone sind in der
WO 2008/145719 A1 beschrieben, deren diesbezügliche Angaben Teil dieser Anmeldung sein sollen und hiermit unter Bezugnahme eingeschlossen (incorporated by reference) werden sollen. Transparente Materialien sind dabei solche, bei denen die Transmission im Bereich einer Wellenlänge von 400–700 nm > 50% beträgt. Besonders bevorzugt wird eine Transmission von > 80% in diesem Wellenlängen-Bereich.
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Geeignete LED-Leuchtkörper sind strahlungsemittierende Halbleiterbauelemente von organischen (OLED) oder anorganischen Halbleitern, sogenannte LEDs. Bei den LEDs kann es sich um bereits mit Kunststoff verkapselte Dioden oder um unverkapselte Dioden handeln. Die LEDs können im Infrarot-Bereich, im sichtbaren Bereich oder im UV-Bereich strahlen. Die Auswahl hängt von der beabsichtigten Anwendungen ab. Für die Photosynthese in Photobioreaktoren werden LEDs bevorzugt, welche im sichtbaren Bereich strahlen, insbesondere rotes Licht. Die in dem transparenten Formkörper eingebetteten LEDs können bei gleicher Wellenlänge emittieren. Es können aber auch LEDs mit unterschiedlicher Strahlungscharakteristik miteinander kombiniert werden. Im allgemeinen sind in dem LED-Formteil mehrere LEDs miteinander leitend verbunden, in Reihe und/oder parallel geschaltet. Die LED-Anordnung kann mit Sensoren verbunden sein, sowie mit Mess-/Steuerungseinrichtungen. Die LED-Leuchtkörper können kontinuierlich oder gepulst betrieben werden. Die Anzahl der LEDs und deren Anordnung zueinander hängt von deren Anwendung ab.
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Geeignete lichtleitende Materialien sind Lichtleiter aus einem transparenten Material, meist Glas oder Kunststoff. Beispiele für Lichtleiter sind Lichtwellenleiter, Glasfasern, polymere optische Fasern oder andere lichtleitende Bauteile aus Kunststoff sowie Faseroptik-Komponenten. Geeignet sind auch phosphoreszierende Lichtleiter, welche Licht über viele Stunden speichern können, und das tagsüber aufgenommene Sonnenlicht, während der Nacht abgeben können. Die Lichtleiter sind so ausgerüstet, dass das Licht gleichmäßig über die gesamte Ausdehnung des Lichtleiters abgegeben wird. Gegebenenfalls können die Lichtleiter mit einer Linse, beispielsweise einer Fresnel-Linse, ausgerüstet werden, um das Licht vor Einleitung in den Lichtleiter zu bündeln und zu verstärken.
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Bei den Lichtleitern werden solche auf der Basis von Thermoplastischen Silicon-Elastomeren (TPSE) bevorzugt. Thermoplastische Siliconelastomere enthalten einen Organopolymeranteil, beispielsweise Polyurethan oder Polyvinylester, und einen Siliconanteil, meist auf Basis von Polydialkylsiloxan-Basis der obengenannten Spezifikation. Geeignete Thermoplastische Siliconelastomere sind im Handel erhältlich, beispielsweise die entsprechenden GeniomerR-Typen der Wacker Chemie.
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Im allgemeinen sind die Leucht-Formteile in der Weise mit LEDs bestückt oder mit Lichtleiter ausgerüstet, dass die Leucht-Formteile eine Oberflächenbestrahlungsstärke von 1 bis 5 × 104 μmol Photonen/m2/s aufweisen. Bei kontinuierlichem Betrieb liegt die Oberflächenbestrahlungsstärke vorzugsweise bei 1 bis < 1 × 103 μmol Photonen/m2/s. Bei gepulstem Betrieb kann die Oberflächenbestrahlungsstärke auch bei vorzugsweise 10 bis 5 × 104 μmol Photonen/m2/s, besonders bevorzugt bei 1 × 103 bis 5 × 104 μmol Photonen/m2/s liegen. Bei mit LEDs bestückten Leucht-Formteilen wird bevorzugt, dass die LEDs möglichst über die gesamte Fläche des Formteils gleichmäßig verteilt vorliegen.
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Die genannten Bereiche für die Oberflächenbestrahlungsstärke können dadurch erreicht werden, dass Leuchtformteile mit einer Oberflächenbestrahlungsstärke innerhalb der genannten Bereiche eingesetzt werden, oder auch dadurch erhalten werden, dass Leucht-Formteile kombiniert werden, welche teilweise eine Oberflächenbestrahlungsstärke ausserhalb der genannten Bereiche aufweisen, aber im Mittel die genannten Werte für die Oberflächenbestrahlungsstärke ergeben.
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Die Anordnung der Leucht-Formteile ist derart gestaltet, dass eine gleichmäßige Ausleuchtung aufgrund eines hohen Oberflächen-Volumen-Verhältnis (O/V) bezüglich der Bestrahlung gewährleistet ist, unter Gewährleistung einer Rührkesselcharakteristik mit vollständiger Rückvermischung und geringen Mischzeiten. Dadurch werden ein effektiver Wärmeaustausch, ein effektiver Gasaustausch sowie homogene Reaktionsbedingungen gewährleistet und Gradienten bezüglich relevanter Prozessparameter vermieden. Dies ist als Voraussetzung besonders relevant für die Sicherstellung hoher und spezieller Stoffwechselleistungen, die sehr sensitiv von den Umgebungsbedingungen abhängig sind. Ein Beispiel stellt die Produktion von Sekundärmetaboliten dar. Relevante Prozessparameter stellen neben der Lichtversorgung beispielsweise pH-Wert, Nährstoffkonzentrationen, Sauerstoffpartialdruck und Temperatur dar.
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Das Oberflächen/Volumen-Verhältnis O/V, das heißt das Verhältnis von der Oberfläche O der Leucht-Formteile zum Volumen V des Kultivierungsmediums beträgt im allgemeinen O/V ≥ 10 m2/m3, vorzugsweise beträgt das O/V von 10 bis 100 m2/m3, insbesondere von 30 bis 80 m2/m3. Unter der Oberfläche O ist der Teil der Gesamtoberfläche eines LED-Formteils zu verstehen, welcher mit LEDs belegt ist. Beispielsweise bei einem zylindrischen LED-Formteil, welches nur an der Aussenseite des Zylinders mit einer oder vielen LEDs belegt ist, gilt nur die Fläche der Aussenseite als Oberfläche O. Bei dem Einsatz von lichtleitenden Materialien ist die Oberfläche O so definiert, dass diese die Fläche umfasst über die der Lichtleiter Licht abgestrahlt. Unter dem Volumen V des Kultivierungsmediums ist das Volumen zu verstehen, welches im Reaktor von dem Kultivierungsmedium eingenommen wird.
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Die Leucht-Formteile werden dabei vorzugsweise so angeordnet, dass über das mit dem Kulturmedium befüllten Reaktorvolumen eine volumetrische Bestrahlungsstärke von 1 × 102 bis 5 × 105 μmol Photonen/m3/s resultiert, vorzugsweise 5 × 103 bis 5 × 104 μmol Photonen/m3/s.
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Wesentlich für den Photobioreaktor ist auch, dass beim Betrieb eine Rührkesselcharakteristik erhalten bleibt, welche durch die entsprechende Anordnung der Leucht-Formteile erreicht wird. Rührkesselcharakteristik heißt verfahrenstechnisch eine vollständige Durchmischung des Kultivierungsmediums über den gesamten befüllten Reaktorraum. Rührkesselcharakteristik bedeutet im Fall der vorliegenden Erfindung eine Mischgüte von ≥ 95 Die Mischgüte soll dabei innerhalb einer Mischzeit von 20 bis 200 s erhalten werden.
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Die statistische Kenngröße Mischgüte verwendet man zur Charakterisierung des Mischzustandes. Sie gestattet eine quantitative Aussage des kompletten aus diffusivem und konvektivem Stoffaustausch resultierenden Mischvorgangs. Bei einer Abweichung von 5 vom Endwert der Konzentration beträgt die Mischgüte 95%, das heißt, bei der Messung der Konzentration der Mischung, in einem beliebigen Volumenanteil der Mischung, ist der Endwert der Konzentration mit einer Abweichung von +5% erreicht. Die Mischgüte kann in dem Fachmann bekannter Weise, beispielsweise mit dem in dem Beispiel angewandten Markierungsverfahren, ermittelt werden.
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Unter Mischzeit versteht man die Zeit, die benötigt wird, um einen der Reaktionsmasse zugeführten Spurenstoff vollständig mit ihr zu vermischen. Der Zustand der idealen Homogenität einer Mischung tritt nach Zugabe der mischbaren Substanz erst nach unendlicher Zeit ein. Daher wird in der Praxis die Mischzeit als Zeitdauer bis zum Erreichen einer maximalen Abweichung von +5% vom Endwert der Konzentrationsmessung, das heißt einer Mischgüte von > 95%, für die mischbare Substanz definiert.
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Die Leucht-Formteile werden frei im Volumen und ohne großflächigen Kontakt der Leucht-Formteile zu Boden oder Deckel des Reaktionsgefäßes angebracht. Beispielsweise über bereits vorhandene Aufhängpunkte an der Reaktorbehälterseitenwand, das sind im Falle der Verwendung von Rührkessel-Fermentern zum Beispiel Laschen für die Befestigung von Strömungsbrechern.
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Die Leucht-Formteile können auch mittels Seilen oder Stangen an der Reaktorwand, inklusive Deckel und Boden, befestigt werden. Die Leucht-Formteile können sich auch in speziellen Halterungen befinden, die mit den genannten Aufhängpunkten verbunden werden können. Alternativ kann eine Positionierung der Leucht-Formteile über bloßes Hineinstellen von die Leucht-Formteile enthaltenden Halterungen in den Reaktor erfolgen. Die Einbauten sind dabei nicht mit dem Boden oder Deckel in der Art verbunden, dass eine räumliche Abtrennung entsteht. Es findet vielmehr ein Queraustausch des Kultivierungsmedium über den Reaktorquerschnitt statt.
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Die Leucht-Formteile können beliebige Formgestalt aufweisen. Im Allgemeinen sind die Photobioreaktoren zylinderförmig. Vorzugsweise leitet sich die Formgestalt der Leucht-Formteile daher vom Zylinder ab. Die Leucht-Formteile können demgemäß die Gestalt eines Zylinders haben oder die Gestalt von Zylindersegmenten wie Zylinderhalbschale. Beispiele für die Formgestalt der Leucht-Formteile sind auch gekrümmte Platte, Ringe oder Helix und auch ebene Platte. Leucht-Formteile in Form von ebenen Platten können kreisförmig ausgebildet sein (scheibenförmig) oder auch als Mehreck wie Dreieck, Viereck, Sechseck, Oktagon etc..
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Geeignet sind auch Leucht-Formkörper in Gestalt von Hohlkörpern mit polyedrischer Grundfläche.
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Es können auch mehrere Leucht-Formteile ineinander gesteckt werden, vorzugsweise mit Zwischenräumen. Mehrere zylindrische Leucht-Formteile können beispielsweise konzentrisch zueinander angeordnet werden.
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Die erfindungsgemäßen Photobioreaktoren mit Beleuchtung mittels Leucht-Formteilen eignen sich zur Kultivierung von phototrophen Mikroorganismen. Bevorzugt zur Kultivierung von phototrophen Mikroalgen.
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Die Erfindung wird in 1 und den Beispielen 1 und 2 beispielhaft erläutert:
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Fig. 1: LED-Formteile in Rührkesselfermenter
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Die Photobioreaktoreinheit ist aus einem Rührkesselfermenter in Form eines Reaktorgehäuses 1 und Deckels 2 sowie im Reaktorgehäuse angeordnetem LED-Einbau, der den Reaktorinnenraum gleichmäßig ausleuchtet, zusammengesetzt.
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Der LED-Einbau umfasst die Halterung 3a in der die einzelnen LED-Formteile 3b angeordnet sind. Die LED-Formteile 3b sind in Zylinderform ausgestaltet, wobei die Zylinder konzentrisch zueinander und in der Höhe versetzt zueinander angeordnet sind und in der Halterung 3a eingefaßt sind. Die Halterung 3a wird an geeigneten Aufhängpunkten 4, beispielsweise Laschen die für die Befestigung von Strömungsbrechern vorgesehen sind und am Umfang der Innenwand des Reaktorbehälters 1 angeordnet sind, angebracht.
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Die Umwälzung, Durchmischung und Suspendierung der im Reaktorgehäuse 1 enthaltenen phototrophen Zellen erfolgt über Einbringen und Verteilen von Gasblasen durch das Begasungsaggregat 5 sowie optional durch ein Rührelement, das in der Mittelachse 6 angeordnet ist.
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Beispiel 1: Kultivierung bei anspruchsgemäßem O/V-Verhältnis und Bestrahlungsstärke
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Ein Reaktor analog dem in 1 dargestelltem wurde mit einem Algensuspensionsvolumen von 24 l befüllt. Es wurden 4 LED-Formteile in der Gestalt von Zylindern innerhalb des Reaktors positioniert. Die 4 Zylinder hatten folgende geometrischen Abmessungen und folgende Anzahl von LEDs:
- (1) Höhe 350 mm, mittlerer Durchmesser 40 mm, 420 LED's
- (2) Höhe 350 mm, mittlerer Durchmesser 86 mm, 1020 LED's
- (3) Höhe 350 mm, mittlerer Durchmesser 132 mm, 1560 LED's
- (4) Höhe 350 mm, mittlerer Durchmesser 178 mm, 2160 LED's Damit resultierte eine Gesamtanzahl von 5160 LED's bei einem O/V von 39 m2/m3.
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Die LED-Formteile bestanden im Kern aus einer Edelstahlfolie, auf der einzelne LED-Emitter einer Wellenlänge von 620–625 nm und der Leistung von 83 mW angeordnet und miteinander verschaltet/verdrahtet waren. Die resultierenden LED-Platinen wurden mit einer Epoxidharz-Schicht versiegelt und mittels Siliconverguss umhüllt/verkapselt. Die installierte Gesamtleistung betrug 430 W.
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Die Messung der Bestrahlungstärke ergab bei Volllast Maximalwerte von 1 × 103 bis 2 × 103 μE/m2/s für die Oberflächenbestrahlungsstärke und entsprechend 42 × 103 bis 84 × 103 μE/m3/s für die volumetrische Bestrahlungsstärke. Die Bestrahlungstärken konnten durch Dimmen der LEDs reduziert werden.
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Die Kultivierung erfolgte mit dem Organismus Porphyridium purpureum in artifiziellem Seewassermedium (ASW-Medium) und einem Reaktionsvolumen von 22 l. Die beschriebenen LED-Formteile (1) bis (4) waren konzentrisch zueinander im Reaktorvolumen angeordnet. Der Betrieb der LEDs wurde gepulst mit einer Frequenz von 500 Hz bei einer effektiven Leistung von 100 W durchgeführt. Die weiteren Reaktionsbedingungen waren: eine Kultivierungstemperatur von 25°C, ein pH-Wert von 7, der über die Zufuhr von CO2 geregelt wurde, eine Rührerdrehzahl von 200 rpm (Axialrührer) und eine Begasungsrate von 1 vvm (Volumen/Volumen/Minute). Die Kultivierung wurde im Batch-Betrieb durchgeführt. Es resultierte eine maximale spezifische Wachstumsrate von 0,75 d–1.
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Beispiel 2
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Vermessung der Strömungscharakteristik in einem Reaktor gemäß Beispiel 1 (ohne Kultivierungsmedium)
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Anhand der Messung der Verweilzeit wurden Erkenntnisse über das Strömungsbild und die Rückvermischung in dem 25 Liter Rührkesselfermenter gewonnen. Dies geschah durch eine Stoßmarkierung mit Kaliumchlorid und nachfolgender Messung der Leitfähigkeit. Der Reaktor war mit 24 Liter H2O gefüllt. Zur Stoßmarkierung wurden 10 ml einer 3-molaren Kaliumchloridlösung verwendet. Diese wurde mit Hilfe einer Spritze zwischen äußersten Zylinder und Behälterwand etwa 8 cm unter dem Flüssigkeitspegel in den Reaktor eingebracht. Die Messung der Leitfähigkeit geschah 10 cm unter dem Flüssigkeitsspiegel in der Mittelachse des Reaktors mit Hilfe einer Leitfähigkeitssonde. Dabei wurde die Lösung von unten über einen Ring begast. Daneben wurde der Reaktorinhalt unterhalb des Zylinders mittels eines Propellerrührers durchmischt.
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Die zeitliche Entwicklung der Leitfähigkeit wurde bis zum Erreichen eines nahezu konstanten Wertes aufgezeichnet, wobei als Startpunkt die Injektion der KCl-Lösung diente. Zur Beurteilung des Zustandes der Rückvermischung im Reaktor wurde die Zeit nach Injektion angegeben, bei der die Leitfähigkeit nicht mehr als 5% vom konstanten Wert (vollständige Rückvermischung) abweicht. Zur Beeinflussung der Strömungszustände im Reaktor wurde die Rührerdrehzahl von 100–300 l/min und die Begasungsrate zu 0,5 und 1 vvm (Gas-Volumen/Flüssigkeits-Volumen/Minute) variiert.
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Die Messungen wurden mit 3 unterschiedlichen Stellungen des LED-Einbaus vorgenommen.
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In einer Stellung wurden die Zylinder in der Form so zueinander versetzt waren, dass sich die Oberkante des innersten Zylinder 3 cm unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche und die Oberkanten der beiden anderen Zylinder 6,5 cm unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche befanden.
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In der zweiten Stellung befanden sich die Oberkanten des innersten und des zweitkleinsten Zylinders jeweils 6,5 cm unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche und die Oberkanten der beiden anderen Zylinder jeweils 3 cm unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche.
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In der dritten Stellung befanden sich die Oberkanten der vier Zylinder jeweils 3 cm unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche.
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Für alle Stellungen wurde die Mischgüte von 95% in den Einstellungen für die Begasung von 0, 0,5 und 1 vvm sowie für die Rührerdrehzahl von 0, 100, 200 300 Umdrehungen pro Minute innerhalb einer Mischzeit von 20–100 s erhalten.
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Vermessung der Beleuchtungscharakteristik in Beispiel 1:
Die Bestrahlungscharakteristik im Reaktorinnenraum mit LED-Einbau wurde über Messung der Photonenflußdichte an einer repräsentativen Anzahl von Punkten im Reaktorvolumen verteilt vorgenommen und anschließend über die abstrahlende Fläche unter Berücksichtugen des O/V-Verhältnisses oder des Reaktorvolumens gemittelt.
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Die Messung der Photonenflußdichte erfolgte in der Fläche oder sphärisch mit dem Universal Light Meter ULM-500 der Firma Heinz Walz GmbH. Dabei wurde die Photonenanzahl des photosynthetisch aktiven Lichtes im Bereich von 400–700 nm Wellenlängen integriert detektiert.
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Mit der erfindungsgemäßen Kombination aus definiertem Oberflächen/Volumenverhältnis und definierter Mischgüte für die Anordnung der Leucht-Formteile im Reaktor werden sowohl das Licht als auch die Komponenten des Kultivierungsmediums gleichmäßig im Reaktor verteilt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 92/00380 A1 [0004]
- WO 2009/069967 [0005]
- DE 29819259 U1 [0006]
- DE 102005012515 B4 [0007]
- WO 2007/047805 [0008]
- WO 2008/145719 [0009]
- WO 2008/145718 A1 [0009]
- DE 4416069 A1 [0010]
- DE 102009028338 [0013]
- WO 2008/145719 A1 [0017]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Eriksen N. T., Biotechnol. Lett., Vol. 30, Nr. 9, 1525–1536 (2008) [0002]
