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Die Erfindung betrifft einen Photobioreaktor für photosynthetische Organismen. Photosynthetische Mikroorganismen eignen sich zur Produktion verschiedenartiger Produkte aus Sonnenlicht, Kohlenstoffdioxid und Wasser. Um ein arbeits- und energieintensives Ernten der Mikroorganismen und Extrahieren eines Produkts zu vermeiden, können modifizierte und adaptierte Mikroorganismen verwendet werden, die das Produkt in ein Kulturmedium abgeben.
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In einem System zur Kultivierung von Mikroorganismen des Stands der Technik müssen das Kulturmedium und die suspendierten Mikroorganismen ohne Unterbrechung gepumpt werden, um die Kultur zu mischen und um alle Mikroorganismen ausreichend mit Licht zu versorgen, was für die Photosynthese essentiell ist und nur in den äußeren beleuchteten Regionen eines Reaktors vorliegt. Weiterhin ist das Pumpen entscheidend für den Transport des Mediums in zusätzliche Vorrichtungen, die nicht Teil des Photobioreaktors sind und die für die Extraktion der gewünschten Stoffwechselprodukte und Nebenprodukte benötigt werden.
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Bisher wurde die Kultivierung immobilisierter Mikroorganismen für die Produktion von Wasserstoff und Chemikalien (z.B. Glycerol) unter Verwendung eines passiven Lichttransports in flache Bioreaktoren für Kulturen mit limitierter Dichte beschrieben (
Hameed, MSA, Ebrahim, OH, "Biotechnological Potential Uses of Immobilized Algae" Int. J. Agri. Biol. 2007; 9(1):183–92).
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Die Patentanmeldung
US 2011284361 sowie die Studie von Robertson et al. (
Robertson, D.E. et al. "A new dawn for industrial photosynthesis", Photosynth Res. 2011 Mar; 107(3):269–77) beschreiben Technologien zur Produktion von Biokraftstoffen, bei denen Produkt-ausscheidende Mikroorganismen in einer Suspension mit dem Kulturmedium durch den Photobioreaktor gepumpt werden.
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Die Abtrennung des Produkts erfolgt meist in externem Equipment basierend auf den chemischen oder physikalischen Eigenschaften der Produkte.
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Abtrennungsmethoden zur Isolierung der Stoffwechselprodukte schließen Phasentrennung, Evaporation und fraktionierte Kondensation ein (
US2011284361 ), oder die Verwendung selektiver Membranen (
J. Saleh, "A Membrane Separation Process for Biodiesel Purification" Ph.D. thesis, Department of Chemical and Biological Engineering University of Ottawa (2011)).
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Alternative Lösungen umfassen das Kultivieren in Suspensionskulturen, wohingegen Produktabtrennung in situ durch Evaporation und fraktionierte Kondensation (
WO 2008/055190 A2 ) und passiven Gasaustausch zwischen dem Medium und der Gasphase stattfindet. Diese Systeme bieten jedoch nur eine reduzierte Effizienz aufgrund der eingeschränkten Lichtdurchdringung in den Kulturen und eine reduzierte Leistung der passiven Prozesse.
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Das andauernde Pumpen verursacht physikalischen Stress und beschädigt suspendierte Mikroorganismen, was zum Zelltod führt. Ein solches System erlaubt zudem keinen einfachen Austausch des gesamten Mediums, um z.B. toxische Nebenprodukte, überschüssige Additive oder Signalmoleküle zu beseitigen, ohne dass die Zellen in der Suspension mit ausgeklügelten und energieintensiven Prozessen, die sich ebenfalls nachteilig auf die Mikroorganismen auswirken, abgetrennt werden müssen. Weiterhin sind die Methoden zur Abtrennung des Produkts auf solche eingeschränkt, die die Mikroorganismen nicht abtöten (z.B. geringe Temperatur, moderate Kräfte und Druck). Ein energetischer Nachteil ist ebenfalls der gleichzeitige Transport der gesamten Biomasse zusammen mit dem Kulturmedium, was das zu pumpende Volumen (oder die Masse) erhöht und damit einen erhöhten Energieverbrauch für die Kultivierung erfordert.
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Bei konventionellen Photobioreaktoren besteht weiterhin der Nachteil, dass sich die photosynthetischen Mikroorganismen an einer Außenwand des Bioreaktors anlagern und so den Lichteinfall in das Innere des Reaktionsbehälters blockieren, sodass die photosynthetischen Mikroorganismen im Innern nicht ausreichend mit Licht versorgt werden.
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Eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist die Bereitstellung eines effizienteren Systems zum Kultivieren photosynthetischer Mikroorganismen.
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Der Erfindung liegt das Prinzip zugrunde, den zu kultivierenden photosynthetischen Organismen, insbesondere immobilisierten (adherenten) Mikroorganismen, eine Rückhalteeinrichtung innerhalb eines Photobioreaktors bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird von einem Photobioreaktor gemäß Patentanspruch 1 gelöst, der das Kultivieren von photosynthetischen Organismen, insbesondere von immobilisierten photosynthetischen Mikroorganismen, die ein Zielprodukt an das Kulturmedium abgeben, ermöglicht. Die gestellte Aufgabe wird ebenfalls belöst von einem Verfahren zum Betreiben eines Photobioreaktors gemäß Patentanspruch 8 und einem Verfahren zum Bereitstellen eines Biokraftstoffs gemäß Patentanspruch 15. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gegeben.
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Der erfindungsgemäße Photobioreaktor umfasst einen Reaktionsbehälter und eine in dem Reaktionsbehälter angeordnete Rückhalteeinrichtung. Die Rückhalteeinrichtung ist dazu ausgebildet, einen im Innern des Reaktionsbehälters vorhandenen photosynthetischen Organismus, insbesondere einen photosynthetischen Mikroorganismus, relativ zu einem den photosynthetischen Organismus umgebenen Kulturmedium festzuhalten, also zu fixieren oder zu immobilisieren. Die photosynthetischen Organismen liegen in dem erfindungsgemäßen Verfahren also nicht in einer Suspension in dem Kulturmedium vor, sondern haften an der Rückhalteeinrichtung. Bevorzugt weisen sie dabei einen Abstand von der Innenwand des Reaktionsbehälters auf.
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Die Rückhalteeinrichtung kann dazu beispielsweise eine vorbestimmte Oberflächenstruktur aufweisen, an der der photosynthetische Organismus gut haftet. Die Oberfläche der Rückhalteeinrichtung kann den photosynthetischen Organismus beispielsweise mechanisch festhalten, indem sie rau, geschlitzt oder löchrig ist oder eine haarige oder samtige Struktur aufweist. Ein chemisches Festhalten kann durch eine Oberfläche erreicht werden, die mit einer Zellmembran oder Zellwand in Wechselwirkung treten kann. Die Oberfläche der Rückhalteeinrichtung kann auch mit einer haftenden Schicht z.B. aus einem Gel, das z.B. Fibronectin enthält, bedeckt sein oder Rezeptoren aufweisen, an die korrespondierende Proteine oder andere Zellbestandteile des Organismus binden. Alternativ ist die Oberfläche der Rückhalteeinrichtung so ausgebildet, dass z.B. ein Mikroorganismus, die beispielsweise einen Biofilm aus extrazellulären polymeren Substanzen (EPS) oder Adhäsine bilden, die Rückhalteeinrichtung als Substrat nutzen können und daran haften.
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Die Immobilisierung der photosynthetischen Organismen an der Rückhalteeinrichtung ermöglicht einen einfachen und schnellen Austausch des Kulturmediums, das das gewünschte Produkt enthält, ohne das die photosynthetischen Organismen abgetrennt werden müssen. Dadurch ist das Produkt leichter zugänglich, und die photosynthetischen Organismen werden nicht durch Abtrennungsmethoden, wie z.B. Destillation oder Lösungsmittelextraktion, geschädigt oder abgetötet. Bereits abgestorbene Organismen, die sich von der Rückhalteeinrichtung ablösen würden, können zudem leicht und selektiv aus der Kultur entfernt werden, was den Anteil toter Mikroorganismen in der Biomasse verringert.
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Die benötigte Zeit für den Wechsel des Kulturmediums wird verringert, da eine fortwährende Kultivierung der photosynthetischen Organismen ermöglicht und unproduktive Wachstumsperioden vermieden werden. Durch die fortwährende Kultivierung müssen lediglich die abgestorbenen Organismen ersetzt werden. Ein weiterer Vorteil eines leichten und schnellen Medienwechsel ist, dass die Zusammensetzung des Mediums leichter verändert werden kann. Ebenfalls verringert sich die Masse des zu pumpenden Kulturmediums, wodurch Energie gespart werden kann. Weiterhin wird die Extraktion der gewünschten in dem Kulturmedium vorliegenden Stoffwechselprodukte vereinfacht.
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Die Rückhalteeinrichtung kann in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel zumindest einen Lichtleiter, also eine Einrichtung, die Lichtwellen über eine vorbestimmte Strecke führen kann, wie z.B. eine Glasfaser, eine optische Faser oder ein Lichtwellenleiter, umfassen. Dadurch wird das Licht in das Innere des Reaktionsbehälters und damit direkt zu dem photosynthetischen Organismus geleitet. Außerdem vergrößert die Rückhalteeinrichtung die Oberfläche im Photobioreaktor, an der Licht für immobilisierte photosynthetische Organismen verfügbar ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Photobioreaktors umfasst entsprechend das Bereitstellen mindestens eines photosynthetischen Organismus in einem Reaktionsbehälter des Photobioreaktors, das Fixieren des bereitgestellten Organismus an eine in dem Reaktionsbehälter angeordnete Rückhalteeinrichtung, und das Beaufschlagen der Rückhalteeinrichtung mit Licht. Das Beaufschlagen der Rückhalteeinrichtung mit Licht kann das Einkoppeln von Licht in die Rückhalteeinrichtung, z.B. mit einer Leuchte, die mit der Rückhalteeinrichtung verbunden ist, und/oder das Bestrahlen der Rückhalteeinrichtung mit z.B. Sonnenlicht umfassen.
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Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren den Schritt oder die Schritte des Vermehrens des photosynthetischen Organismus und/oder des Erzeugens eines Stoffwechselprodukts, insbesondere eines Biokraftstoffes, einer Feinchemikalie, eines Pharmacons oder eines Nahrungszusatzes des photosynthetischen Organismus umfassen. Ein Biokraftstoff bezeichnet hierbei einen Kraftstoff oder ein Molekül, aus dem ein flüssiger oder gasförmiger Kraftstoff hergestellt werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird das Licht aus der Rückhalteeinrichtung in den photosynthetischen Organismus ausgekoppelt. Damit wird das Kultivieren immobilisierter Organismen im gesamten Innenraum des Reaktionsbehälters des Photobioreaktors durch eine ausreichende Versorgung mit Licht gewährleistet, auch wenn das Kulturmedium eine Trübung aufweist. Ebenfalls wird hierdurch der Wechsel des Kulturmediums weiter erleichtert.
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Der mindestens eine photosynthetische Organismus wird in einer bevorzugten Ausführungsform in einem Kulturmedium bereitgestellt und die Rückhalteeinrichtung, die einen Lichtleiter umfasst, und der mindestens eine photosynthetische Organismus weisen jeweils einen zu dem Kulturmedium unterschiedlichen Brechungsindex auf. Aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindizes von Rückhalteeinrichtung und Kulturmedium wird das Licht bei einem Kulturmedium, das einen Brechungsindex aufweist, bei dem die Totalreflexion des Lichts in dem Lichtleiter nicht gestört wird, nicht in das an die Rückhalteeinrichtung angrenzende Medium ausgekoppelt. Weist der photosynthetische Organismus einen Brechungsindex (und damit eine optische Dichte) auf, der dem des Lichtleiters entspricht, oder zumindest größer ist als der Brechungsindex des Kulturmediums, so findet im Lichtleiter keine Totalreflexion an der Anhaftstelle des Mikroorganismus statt und Licht kann aus dem Lichtleiter in den Mikroorganismus ausgekoppelt werden.
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Eine Ausführungsform des Verfahrens, wonach während des Vermehrens des photosynthetischen Organismus und/oder des Erzeugens eines Stoffwechselprodukts des photosynthetischen Organismus ein Pumpen des Kulturmediums über eine Zulauf- und/oder eine Ablaufeinrichtung erfolgt, hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen. Dadurch kann eine fortwährende Kultivierung der photosynthetischen Organismen stattfinden, bei der z.B. die abgestorbenen Organismen ersetzt werden. Damit werden unproduktive Wachstumsperioden vermieden. Bei z.B. photosynthetischen Mikroorganismen wird so auch verhindert, dass z.B. ein Überschreiten einer bestimmten Zelldichte in der Kultur zu einer Regulation der Kulturdichte durch den Mikroorganismus über Quorum-Sensing führt.
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Die Rückhalteeinrichtung kann in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens oder der Vorrichtung als eine zumindest teilweise netzförmige Struktur ausgebildet sein. Dadurch bildet die Rückhalteeinrichtung eine noch größere Oberfläche, die leicht von dem Kulturmedium umflossen werden kann.
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Die Rückhalteeinrichtung in einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens oder der Vorrichtung kann mit einer Außenwandung des Reaktionsbehälters verbunden sein, sodass Licht von einer Umgebung außerhalb des Reaktionsbehälters entsprechend direkt in die Rückhalteeinrichtung eingestrahlt oder eingekoppelt werden kann. Dazu muss die Rückhalteeinrichtung einen Lichtleiter umfassen.
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Als besonders vorteilhaft erweist sich ein erfindungsgemäßer Photobioreaktor, dessen Reaktionsbehälter ganz oder teilweise aus einem transparenten Material besteht. Auf diese Weise kann, insbesondere bei einem Photobioreaktor, der im Freien steht, das Licht in die Rückhalteeinrichtung und auch durch die transparente Wand einstrahlen. Dadurch wird den photosynthetischen Organismen mehr Licht zugeführt.
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Der Photobioreaktor kann in einer weiteren Ausführungsform eine Zulauf- und/oder eine Ablaufeinrichtung umfassen, durch die z.B. das Kulturmedium eingefüllt bzw. abgezogen werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann ebenfalls als Verfahren zum Herstellen eines Biokraftstoffs genutzt werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen noch einmal durch konkrete Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dazu zeigt:
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1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Photobioreaktors, und
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2 eine Skizze, in welcher das Prinzip der Lichtübertragung innerhalb einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rückhalteeinrichtung dargestellt ist.
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Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
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In dem Ausführungsbeispiel der 1 ist ein Photobioreaktor 10 gezeigt, der einen Reaktionsbehälter 12 umfasst. Der Reaktionsbehälter besteht vorzugsweise zumindest teilweise aus einem transparenten Material.
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Der in der 1 gezeigte Photobioreaktor 10 umfasst weiterhin eine Zulaufeinrichtung 16 und eine Ablaufeinrichtung 18, die im vorliegenden Beispiel als Schläuche ausgebildet sind, und durch die z.B. mittels einer Pumpe 20 Kulturmedium in den Reaktionsbehälter 12 hinein- bzw. hinausgepumpt werden kann. Dies kann dem Wechsel eines Kulturmediums 21 und/oder der Extraktion der Stoffwechselprodukte dienen.
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In dem Reaktionsbehälter 12 befindet sich weiterhin eine Rückhalteeinrichtung 14. Die Rückhalteeinrichtung 14 kann eine Faser, z.B. Glasfaser oder Glaswolle, insbesondere eine transparente Faser, umfassen. Im vorliegenden Beispiel ist die Rückhalteeinrichtung 14 als lichtleitendes Netz ausgestaltet. Ein vergrößerter Ausschnitt des Netzes der Rückhalteeinrichtung 14 ist in dem Ausschnitt A gezeigt.
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Zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird mindestens ein photosynthetischer Organismus 22 (in der 1 sind der Übersichtlichkeit wegen nur einige der Organismen 22 mit dem Bezugszeichen gekennzeichnet) in dem Reaktionsraum 12 bereitgestellt. Im Folgenden ist für die Beispiele der 1 und 2 der photosynthetische Organismus 22 ein photosynthetischer Mikroorganismus 22, z.B. eine einzellige Alge oder ein Cyanobakterium. Der photosynthetische Mikroorganismus 22 kann insbesondere jedoch auch eine Mikroalge sein. Als Mikroalge werden definitionsgemäß ein- bis wenigzellige Algen mit weniger als 50 Zellen, insbesondere mit weniger als 20 Zellen angesehen. Darüber hinaus kann ein photosynthetischer Organismus 22 auch einen anderen mehrzelligen photosynthetischen Organismus umfassen.
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Die Rückhalteeinrichtung
14 immobilisert die Mikroorganismen
22 an seiner Oberfläche z.B. durch eine vorbestimmte Oberflächenstruktur. Werden die Mikroorganismen
22 in einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Biokraftstoffs kultiviert, so können diese Mikroorganismen
22 beispielsweise gentechnisch veränderte Mikroorganismen
22 sein, die einen Biokraftstoff, wie z.B. ein Triacylglycerid, einen Alkohol, wie z.B. Ethanol, oder ein Alkan, synthetisieren und/oder ein Enzym wie z.B. Glycerol-3-phosphat Acyltransferase überexprimieren. Methoden zur Expressionssteuerung wie z.B. das Einfügen eines Gens, Promoterdesign oder Codon-Anpassung sind dem Fachmann bekannt. Einen Überblick über relevante Publikationen zu Mikroorganismen, die Biokraftstoffe synthetisieren und Verfahren zu deren Herstellung stellen zudem Hameed et al. (
Hameed, MSA, Ebrahim, OH, "Biotechnological Potential Uses of Immobilized Algae" Int. J. Agri. Biol. 2007; 9(1):183–92) bereit. Konstrukte zur genetischen Modifikation von Cyanobakterien zur Herstellung von Ethanol sind in dem Patent
US 6,699,696 (Woods et al.) und in der
WO 2007/084477 (Fu et al.) beschrieben. Der Mikroorganismus
22 kann jedoch auch ein natürlich vorkommender oder ein durch klassische Züchtung entstandener Mikroorganismus
22 sein.
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Während des gesamten Verfahrens ist durch das Immobilisieren der Mikroorganismen 22 z.B. das Wechseln (S1) des Kulturmediums 21 über die Zulaufeinrichtung 16 und/oder die Ablaufeinrichtung 18 ermöglicht.
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Die Rückhalteeinrichtung 14 umfasst bevorzugt einen Lichtleiter 24. Im Beispiel der 1 umfasst die Rückhalteeinrichtung 14 einen faserförmigen Lichtleiter 24, also eine optische Faser oder einen Lichtwellenleiter, der z.B. als Netz ausgestaltet ist. Im Ausschnitt A der Rückhalteeinrichtung 14 ist zu sehen, dass dadurch die Oberfläche, an der die Mikroorganismen 22 haften, erheblich vergrößert wird. Das umgebende Kulturmedium 21 strömt dabei durch das Netz 14, sodass die Mikroorganismen 22 in ständigem Kontakt mit dem Kulturmedium 21 sind. Der Lichtleiter 24 kann teilweise oder ganz aus z.B. einer Glasfaser und/oder auf einer Kunststoff basierenden Faser, wie z.B. eine polymere optische Faser, HCS-Faser (hard cladded silica optical fiber) oder PCS-Faser (plastic-cladded silica optical fiber) bestehen. Gängige Kunststoffe sind z.B. PMMA, Polycarbonat oder Ulexit.
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Die Rückhalteeinrichtung 14 und/oder der Lichtleiter 24 kann mit einer Außenwandung des Reaktionsbehälters verbunden sein (in der 1 nicht gezeigt). Das Licht einer Lichtquelle außerhalb des Reaktionsbehälters 12, z.B. Sonnenlicht oder eine Leuchte, wird durch die Rückhalteeinrichtung 14 und/oder den Lichtleiter 24 in das Innere des Reaktionsbehälters 12 geleitet. Eine Lichtquelle wie z.B. eine Leuchte oder LED kann jedoch auch im Innern des Reaktionsbehälters 12 angebracht sein. Eine künstliche Lichtquelle (in der 1 nicht gezeigt) kann jedoch auch mit der Rückhalteeinrichtung 14 verbunden sein, sodass das Licht direkt in die Rückhalteeinrichtung 14 und/oder Lichtführungseinrichtung 24 eingekoppelt wird. Eine künstliche Lichtquelle bietet den Vorteil, dass die Lichtqualität, z.B. die photosynthetisch aktive Strahlung (PAR) mit einer Wellenlänge von 400–700 nm, eingestellt werden kann.
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Im vorliegenden Beispiel ist der Reaktionsbehälter 12 transparent, sodass er, wenn er z.B. im Freien aufgebaut ist, von Sonnenlicht beschienen werden kann.
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In dem der 2 zugrundeliegenden Beispiel soll das Prinzip der Lichtauskopplung in einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulicht werden. Der Aufbau des Photobioreaktors 10 entspricht beispielsweise dem des in der 1 gezeigten Photobioreaktors 10. Das Verfahren zum Betreiben des Photobioreaktors 10 kann das Vermehren der photosynthetischen Mikroorganismen 22 und/oder das Erzeugen eines Stoffwechselprodukts der photosynthetischen Mikroorganismen 22 umfassen.
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Wenn Lichtwellen durch den Lichtleiter 24 einer Rückhalteeinrichtung 14 propagieren, wird das Licht in das Innere des Reaktionsbehälters 12 geführt. Der Lichtleiter 24 hat dabei vorzugsweise einen höheren Brechungsindex, also eine höhere optische Dichte, als das Kulturmedium 21. Der Brechungsindex des Lichtleiters 24 hängt u.a. von der Wellenlänge des Lichts ab und kann mit dem Fachmann bekannten Methoden ermittelt werden oder vom Hersteller des Lichtleiters 24 angegeben sein. Bei Verwendung eines Kulturmediums 21 mit einem entsprechend geringen Brechungsindex wird ein Lichtstrahl 26 in dem Lichtleiter 24 über Totalreflexion (S2) geleitet und tritt nicht in das Kulturmedium 21 aus. Ein optimaler Brechungsindex für das Kulturmedium 21 kann ebenfalls von einem Fachmann z.B. über konventionelle Tabellen ermittelt werden. Darauf basierend kann ein Kulturmedium 21 entwickelt oder ein geeignetes Material für den Lichtleiter gewählt werden.
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Der Brechungsindex des Mikroorganismus 22 wird u.a. durch den Zellinhalt, wie z.B. Proteine und Mineralien, bestimmt, und kann vom Fachmann ebenfalls ermittelt werden. In der 2 ist der Fall gezeigt, in dem ein Mikroorganismus 22 an dem Lichtleiter 24 haftet. Weist der Mikroorganismus 22 einen Brechungsindex (und damit eine optische Dichte) auf, der dem des Lichtleiters 24 entspricht, oder zumindest größer ist als der Brechungsindex des Kulturmediums, so findet im Lichtleiter keine Totalreflexion an der Anhaftstelle des Mikroorganismus statt (S4) und Licht kann aus dem Lichtleiter in den Mikroorganismus ausgekoppelt werden (S3).
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Ein zweiter Effekt, der zur Auskopplung von Licht 26 aus dem Lichtleiter in den Mikroorganismus 22 führt ist eine gestörte Totalreflexion verursacht durch einen optischen Tunneleffekt in einem evaneszenten Feld (in der 2 nicht gezeigt).
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Die Art des Lichtleiters 24, das Kulturmedium 21 und/oder der Mikroorganismus 22 können vom Fachmann aufgrund der jeweiligen Brechungsindizes aufeinander abgestimmt werden, so dass sich die oben beschriebenen Effekte ergeben.
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Die oben angeführten Ausführungsbeispiele zeigen das Prinzip der Erfindung, bei dem eine Rückhalteeinrichtung 14 eine vergrößerte Oberfläche im Innern des Reaktionsbehälters 12 bereitstellt.
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Eine mögliche Lösung der oben beschriebenen Probleme bezüglich eines Medienwechsels ist die Verwendung immobiliserter (adhärenter) Mikroorganismen 22. Diese photosynthetischen Mikroorganismen 22 können in den im Stand der Technik beschriebenen Verfahren nicht verwendet werden, da sie die äußere Wandung des Reaktors 10 und/oder des Reaktionsbehälters 12 blockieren und verhindern, dass das Licht auf die Mikroorganismen 22 im Innern des Reaktionsbehälters fällt.
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Die Erfindung umfasst einen Photobioreaktor, der das Kultivieren z.B. immobilisierter photosynthetischer Mikroorganismen 22, die z.B. ein gewünschtes Stoffwechselprodukt in das Kulturmedium 21 abgeben, ermöglicht. Der Photobioreaktor 10 umfasst z.B. einen äußeren transparenten Reaktionsbehälter 12, der z.B. mit einem Maschenwerk 14 aus Lichtleitern 24 gefüllt ist.
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Der Lichtleiter 24 kann z.B. mit dem äußeren Behälter 12 verbunden sein, sodass eine geeignete Lichtführung in das Maschenwerk 14 erfolgt. Das Maschenwerk 14 ist von einem flüssigen Kulturmedium 21 umgeben und die Mikroorganismen 22 sind z.B. auf dem Lichtleiter-Maschenwerk 14 immobilisiert.
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Wenn Lichtwellen 26 durch den Lichtleiter 24 geleitet werden, wird das Licht in den Reaktor 10 bzw. den Reaktionsbehälter 14 geleitetund aus dem Lichtleiter 24 in dem Mikroorganismus 22 ausgekoppelt. Dies geschieht aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindizes von Kulturmedium 21 und Mikroorganismus 22 und aufgrund des Effekts der gestörten Totaleflexion, der auf evaneszenten Wellen beruht.
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Dieser Ansatz erlaubt das Kultivieren von z.B. immobilisierten Mikroorganismen 22 innerhalb eines Photobioreaktors 10 durch die Sicherstellung einer ausreichenden Lichtexposition der Mikroorganismen 22, die im Innern des Reaktors 10 und/oder des Reaktionsbehälters 12. Außerdem ermöglicht dies einen leichten und schnellen Wechsel des kompletten Mediums.
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Die Erfindung kann die Verwendung eines optischen Fasernetzes 14 innerhalb des Photobioreaktors umfassen, um das Licht 26 tief in eine Kultur zu transportieren. Es kann die Verwendung immobilisierter photosyntetischer Mikroorganismen 22 umfassen, die mit anderen Technologien nicht effizient oder in großem Maßstab in z.B. großtechnischen Anlagen kultiviert werden können.
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Die Verwendung immobiliserter Mikroorganismen 22 anstelle von Mikroorganismen in einer Suspension in dem Kulturmedium 21 bietet die folgenden Vorteile:
- – einen einfachen Austausch des Kulturmediums 21, das das gewünschte Produkt 18 enthält, ohne dass die photosynthetischen Organismen 22 abgetrennt werden müssen;
- – Verringerung des Volumens und der Masse des zu pumpenden Mediums 21, wodurch Energie gespart wird;
- – verbesserte Zugänglichkeit zu dem gewünschten Produkt durch die erleichterte Extraktion aus dem Wachstumsmedium inklusive Abtrennungsmethoden, wie z.B. Destillation oder Lösemittelextraktion, die die Mikroorganismen 22 abtöten würden;
- – ein leichter und schneller Wechsel der Zusammensetzung des Kulturmediums 21 und/oder Entfernung ungewünschter Substanzen, wie z.B. toxische Nebenprodukte oder Signalmoleküle; dies kann vorteilhaft sein, um Zellaktivitäten auszulösen, die Nährstoff-Verarmung zu berechnen oder einem Quorum-Sensing der Mikroorganismen 22 vorzubeugen;
- – die selektive Entfernung bereits abgestorbener Mikroorganismen 22 aus der Kultur ist ermöglicht; Zellen 22, die beim Zelltod in das Medium abgegeben werden, können anschließend gefiltert werden, sodass die Kultur vorwiegend lebende Zellen 22 umfasst;
- – eine fortwährende Kultivierung der photosynthetischen Organismen 22 ist ermöglicht und verringert die Notwendigkeit, die komplette Kultur zu wechseln, was zeit- und kostenintensiv wäre;
- – unproduktive Wachstumsperioden werden bei einer fortwährenden Kultivierung ausgeschlossen, wobei die betriebsbedingten Kosten reduziert werden;
- – die Erfordernisse an die Nährlösung können reduziert werden, da nur tote Zellen ersetzt werden;
- – das Volumen an Biomasse toter Organismen, das entsorgt werden muss, wird verringert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2011284361 [0004, 0006]
- WO 2008/055190 A2 [0007]
- US 6699696 [0036]
- WO 2007/084477 [0036]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Hameed, MSA, Ebrahim, OH, “Biotechnological Potential Uses of Immobilized Algae” Int. J. Agri. Biol. 2007; 9(1):183–92 [0003]
- Robertson, D.E. et al. "A new dawn for industrial photosynthesis", Photosynth Res. 2011 Mar; 107(3):269–77 [0004]
- J. Saleh, "A Membrane Separation Process for Biodiesel Purification" Ph.D. thesis, Department of Chemical and Biological Engineering University of Ottawa (2011) [0006]
- Hameed, MSA, Ebrahim, OH, “Biotechnological Potential Uses of Immobilized Algae” Int. J. Agri. Biol. 2007; 9(1):183–92 [0036]
