DE102017103626B4

DE102017103626B4 - Gel particles

Info

Publication number: DE102017103626B4
Application number: DE102017103626.1A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Cordes
Original assignee: S2b Algae GmbH
Current assignee: S2b Algae GmbH
Priority date: 2017-02-22
Filing date: 2017-02-22
Publication date: 2023-11-16
Anticipated expiration: 2037-02-23
Also published as: DE102017103626A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kultivierungssystem zur Kultivierung von Mikroalgen mit einer Vielzahl an Gelpartikeln umfassend oder bestehend aus einer gelartigen Matrix und lebenden, von der gelartigen Matrix umschlossenen Mikroalgen, die als autarke Photobioreaktoren ausgebildet sind, sowie einem Kulturmedium zur Kultivierung von Mikroalgen, wobei das Kultivierungssystem eine Art Wachstumsfaktoren-bereitstellendes Mittel ist, das die autarken Photobioreaktoren beinhaltet oder trägt, sowie ein Verfahren zur Bereitstellung eines Kultivierungssystems.The present invention relates to a cultivation system for cultivating microalgae with a large number of gel particles comprising or consisting of a gel-like matrix and living microalgae enclosed by the gel-like matrix, which are designed as self-sufficient photobioreactors, and a culture medium for cultivating microalgae, wherein the cultivation system is a kind of growth factor providing agent that includes or carries the self-sufficient photobioreactors, and a method for providing a cultivation system.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft primär neuartige Gelpartikel, die sich zur Kultivierung von lebenden Mikroalgen eignen. Zudem betrifft die Erfindung ein Kultivierungssystem umfassend ein oder mehrere erfindungsgemäße Gelpartikel, sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher Gelpartikel.The present invention primarily relates to novel gel particles that are suitable for cultivating living microalgae. The invention also relates to a cultivation system comprising one or more gel particles according to the invention, as well as a method for producing such gel particles.

Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, den Beispielen sowie insbesondere den beigefügten Patentansprüchen.Further aspects of the present invention emerge from the following description, the examples and in particular the attached patent claims.

Mikroalgen werden seit langem für unterschiedliche Zwecke genutzt. Die Nutzung von Mikroalgen als Nahrungsmittel wurde bereits vor mehreren hundert Jahren dokumentiert und hat im Laufe der Jahre zunehmend an Bedeutung gewonnen.Microalgae have long been used for various purposes. The use of microalgae as food was documented several hundred years ago and has become increasingly important over the years.

Derzeit wird in verschiedenen Industriezweigen intensiv an der kommerziellen Nutzung von Mikroalgen geforscht. Mikroalgen sind aufgrund ihrer wertvollen Inhaltsstoffe ein vielversprechender Vertreter der nachwachsenden Rohstoffe. Sie enthalten große Mengen an Proteinen, mehrfach ungesättigten Fettsäuren, Ölen, natürlichen Carotinoiden und Vitaminen. Mikroalgen sind daher interessante Rohstoffen für die Nahrungsmittelindustrie, für Kosmetik, Pharmazie, Chemie und die Bioenergiebranche. There is currently intensive research into the commercial use of microalgae in various industries. Due to their valuable ingredients, microalgae are a promising representative of renewable raw materials. They contain large amounts of proteins, polyunsaturated fatty acids, oils, natural carotenoids and vitamins. Microalgae are therefore interesting raw materials for the food industry, cosmetics, pharmaceuticals, chemistry and the bioenergy sector.

Im Gegensatz zu höheren Pflanzen ist jede einzelne Algenzelle zur Photosynthese fähig. Ihr hohes Oberflächen-Volumen-Verhältnis erlaubt einen schnellen konvektiven Stofftransport und führt damit zu einem deutlich schnelleren Wachstum.In contrast to higher plants, every single algae cell is capable of photosynthesis. Their high surface-to-volume ratio allows rapid convective mass transport and thus leads to significantly faster growth.

Die Produktionskosten von Mikroalgen sind häufig zu hoch, und die Produktionsmengen zu gering, um mit etablierten Herstellungsverfahren für hochwertige Wertstoffe oder auch als Energiequelle mithalten zu können. Daher besteht ein besonderer Bedarf, Mikroalgen kostengünstig und in großen Mengen produzieren zu können.The production costs of microalgae are often too high and the production quantities too low to be able to compete with established manufacturing processes for high-quality materials or as an energy source. There is therefore a particular need to be able to produce microalgae cost-effectively and in large quantities.

Die Technologien zur industriellen Kultivierung von Mikroalgen lassen sich grundsätzlich in offene und geschlossene Kultivierungssysteme einteilen. Zu den offenen Kultivierungssystemen gehören großflächige Open Ponds sowie kleinere Raceway Ponds; Photobioreaktoren (z.B. aus Glas- oder Plastikrohren) stellen demgegenüber geschlossene Kultivierungssysteme dar.The technologies for the industrial cultivation of microalgae can basically be divided into open and closed cultivation systems. The open cultivation systems include large open ponds and smaller raceway ponds; Photobioreactors (e.g. made of glass or plastic tubes), in contrast, represent closed cultivation systems.

Die Investitionskosten bei einfach konstruierten, offenen Kultivierungssystemen sind relativ gering. Hierbei sind jedoch diverse Nachteile in Kauf zu nehmen: Es treten nicht nur ein kontinuierlicher Verlust der Wachstumsfaktoren Wasser (durch Verdunstung) und Kohlendioxid (durch Diffusion in die Atmosphäre) auf, sondern auch jahreszeitbedingte Schwankungen der Wärme- und Lichtverhältnisse. Zudem wird eine große Standfläche benötigt. Weiterhin können die unteren Schichten der Mikroalgen bei offenen Kultivierungssystemen häufig nur unzureichend mit Licht versorgt werden. Darüber hinaus besteht die Gefahr der Kontamination mit Pestiziden, Schwermetallen, schnellwachsenden Bakterien oder anderen Algenarten. Aus diesem Grund sind Mikroalgenarten, die in offenen Kultivierungssystemen produziert werden können, in der Regel auf wenige durchsetzungsfähige Mikroalgen, die im Produktionsgebiet beheimatet sind, limitiert.The investment costs for simply constructed, open cultivation systems are relatively low. However, there are various disadvantages to be taken into account: Not only is there a continuous loss of the growth factors water (through evaporation) and carbon dioxide (through diffusion into the atmosphere), but also seasonal fluctuations in heat and light conditions. A large footprint is also required. Furthermore, the lower layers of the microalgae in open cultivation systems can often only receive insufficient light. There is also a risk of contamination with pesticides, heavy metals, fast-growing bacteria or other types of algae. For this reason, microalgae species that can be produced in open cultivation systems are usually limited to a few viable microalgae native to the production area.

Geschlossene Kultivierungssysteme in Form von verschieden ausgeführten Photobioreaktoren ermöglichen eine deutlich höhere Ausbeute und werden daher üblicherweise für die kommerzielle Produktion von Mikroalgen verwendet. Ein solches Kultivierungssystem bietet den Vorteil, dass Mikroalgen von der äußeren Umgebung isoliert und damit unter kontrollierten Bedingungen kultiviert werden können. Auch der relativ geringe Platzbedarf geschlossener Kultivierungssysteme und die geringen Verluste von Wasser und Kohlendioxid sind vorteilhaft. Geschlossene Kultivierungssysteme können Standort-unabhängig genutzt werden und eignen sich für die Kultivierung praktisch jeder Mikroalge. Die Kultivierung von Mikroalgen in einem Photobioreaktor erlaubt das Einstellen und das Kontrollieren der Wachstumsbedingungen. Die eingestellten Wachstumsbedingungen sind dabei aber nicht nur dem Wachstum der zu kultivierenden Mikroalgenart zuträglich, sondern können auch das Wachstum unerwünschter Fremdorganismen fördern. Demzufolge ist auch bei einem geschlossenen Kultivierungssystem darauf zu achten, dass mikrobielle Verunreinigungen, etwa durch den Gasaustausch über eine Öffnung im Kultivierungsbehälter, durch die Zuführung von Wasser und Kulturmedium oder durch Arbeiten während des Betriebs des geschlossenen Kultivierungssystems, vermieden werden.Closed cultivation systems in the form of differently designed photobioreactors enable significantly higher yields and are therefore usually used for the commercial production of microalgae. Such a cultivation system offers the advantage that microalgae can be isolated from the external environment and therefore cultivated under controlled conditions. The relatively small space requirement of closed cultivation systems and the low losses of water and carbon dioxide are also advantageous. Closed cultivation systems can be used regardless of location and are suitable for cultivating practically any microalgae. The cultivation of microalgae in a photobioreactor allows the growth conditions to be adjusted and controlled. The growth conditions set are not only beneficial to the growth of the type of microalgae to be cultivated, but can also promote the growth of undesirable foreign organisms. As a result, even with a closed cultivation system, care must be taken to avoid microbial contamination, for example through gas exchange through an opening in the cultivation container, through the supply of water and culture medium or through work during operation of the closed cultivation system.

Für eine großtechnische Kultivierung von Mikroalgen sind fest installierte geschlossene Kultivierungssysteme jedoch nur begrenzt geeignet, da durch die Anschaffung, die Errichtung und den Betrieb relativ hohe Kosten anfallen. Aufgrund der mikroskopisch kleinen Größe von Mikroalgen ist zudem das Ernteverfahren recht aufwendig - und ebenfalls kostenintensiv.However, permanently installed closed cultivation systems are only suitable to a limited extent for the large-scale cultivation of microalgae, as the purchase, construction and operation incur relatively high costs. Due to the microscopic size of microalgae, the harvesting process is quite complex - and also cost-intensive.

Die Industrie ist daher darum bemüht, die kommerzielle Produktion von Mikroalgen wirtschaftlich effizient(er) zu gestalten, vorzugsweise ohne dabei bei der Reinheit Kompromisse eingehen zu müssen.The industry is therefore striving to make the commercial production of microalgae more economically efficient, preferably without having to compromise on purity.

Aus den Veröffentlichungen Moreno-Garrido, I. et al. (2002): Cu and Zn accumulation by calcium alginate immobilized marine microalgal cells of Nannochloropsis gaditana (Eustigmatophyceae) und Moreno-Garrido, I. (2008): Microalgae immobilization: Current techniques and uses ist eine Immobilisierung von Mikroalgen bekannt.From the publications Moreno-Garrido, I. et al. (2002): Cu and Zn accumulation by calcium alginate immobilized marine microalgal cells of Nannochloropsis gaditana (Eustigmatophyceae) and Moreno-Garrido, I. (2008): Microalgae immobilization: Current techniques and uses, immobilization of microalgae is known.

Primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, eine kostengünstige(re) und effiziente(re) Alternative zu herkömmlichen Kultivierungssystemen, v.a. zu einem herkömmlichen Photobioreaktor, bereitzustellen. Insbesondere war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vielerorts einsetzbares und einfach handhabbares Kultivierungssystem für die Kultivierung einer Vielzahl von Mikroalgen bereitzustellen, um eine ökologische(re) und ökonomische(re) Produktion von Mikroalgen zu gewährleisten.The primary object of the present invention was therefore to provide a cost-effective and efficient alternative to conventional cultivation systems, especially to a conventional photobioreactor. In particular, it was the object of the present invention to provide a cultivation system that can be used in many locations and is easy to handle for the cultivation of a large number of microalgae in order to ensure an ecological (more) and economical (more) production of microalgae.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die primäre Aufgabe gelöst durch Anspruch 1.According to the present invention, the primary object is solved by claim 1.

Ein Gelpartikel einer Vielzahl an Gelpartikeln gemäß der Erfindung umfasst oder besteht aus einer gelartigen Matrix und lebenden, von der gelartigen Matrix umschlossenen Mikroalgen.A gel particle of a plurality of gel particles according to the invention comprises or consists of a gel-like matrix and living microalgae enclosed by the gel-like matrix.

Die gelartige Matrix umfasst oder besteht vorzugsweise aus einem dreidimensionalen Netzwerk, bevorzugt basierend auf vernetzten Polymerketten. Das dreidimensionale Netzwerk der gelartigen Matrix kann (z.B. bei solchen auf Polysaccharid-Basis) durch physikalische Anlagerungen von Polymerketten durch Wasserstoffbrückenbindungen / hydrophobe Wechselwirkungen gebildet werden oder durch Kationen vermittelt entstehen. Das dreidimensionale Netzwerk umfasst die lebenden Mikroalgen und schließt diese damit ein. Bevorzugte Bestandteile der gelartigen Matrix ergeben sich aus den Ausführungen weiter unten.The gel-like matrix preferably comprises or consists of a three-dimensional network, preferably based on cross-linked polymer chains. The three-dimensional network of the gel-like matrix can (e.g. in those based on polysaccharides) be formed by physical attachment of polymer chains through hydrogen bonds / hydrophobic interactions or arise mediated by cations. The three-dimensional network includes the living microalgae and thus includes them. Preferred components of the gel-like matrix result from the statements below.

Erfindungsgemäß sind unter Mikroalgen vorzugsweise alle (Mikro-)Algenarten zu verstehen, die eine maximale Längsausdehnung von wenigen Millimetern, vorzugsweise maximal fünf Millimeter, weiter bevorzugt maximal einen Millimeter, aufweisen.According to the invention, microalgae are preferably understood to mean all (micro)algae species that have a maximum longitudinal extent of a few millimeters, preferably a maximum of five millimeters, more preferably a maximum of one millimeter.

Unter „lebenden“ Mikroalgen sind im Rahmen des vorliegenden Textes solche Mikroalgen zu verstehen, die dazu in der Lage sind, Energie- und Stoffwechsel zu betreiben.For the purposes of this text, “living” microalgae are microalgae that are capable of producing energy and metabolism.

Erfindungsgemäße Gelpartikel eignen sich vorteilhafterweise als (autarker) Photobioreaktor. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist erkannt worden, dass ein Photobioreaktor in Form eines Gelpartikels (wie hierin beschrieben) eine größtmögliche Flexibilität in Bezug auf den Einsatzort und die Umgebungsbedingungen ermöglicht. Das erfindungsgemäße Gelpartikel ist unmittelbar nach dessen Herstellung, ohne aufwendige Installationen oder technische Vorrichtungen als Photobioreaktor einsetzbar. Zudem ist das Gelpartikel transportabel und demnach ist der Einsatzort, unabhängig vom Herstellungsort frei wählbar und auch während des Betriebs, also der Kultivierung der in dem Gelpartikel umschlossenen lebenden Mikroalgen, veränderbar. Die Flexibilität bezüglich des Einsatzortes steigert den wirtschaftlichen Wert, da keine feste Installation an einem Standort notwendig ist und zudem unterschiedliche Kultivierungsstandorte bezüglich der Umgebungsbedingungen zu Forschungszwecken miteinander verglichen werden können. Die Anschaffungs- und Betriebskosten werden durch den Einsatz eines Gelpartikels als Photobioreaktor an Stelle eines herkömmlichen Photobioreaktors deutlich verringert.Gel particles according to the invention are advantageously suitable as a (self-sufficient) photobioreactor. In the context of the present invention, it has been recognized that a photobioreactor in the form of a gel particle (as described herein) allows the greatest possible flexibility in terms of the location of use and the environmental conditions. The gel particle according to the invention can be used as a photobioreactor immediately after its production, without complex installations or technical devices. In addition, the gel particle is transportable and therefore the place of use can be freely chosen, regardless of the place of production, and can also be changed during operation, i.e. the cultivation of the living microalgae enclosed in the gel particle. The flexibility in terms of location increases the economic value, as no fixed installation at one location is necessary and different cultivation locations can also be compared with each other in terms of environmental conditions for research purposes. The acquisition and operating costs are significantly reduced by using a gel particle as a photobioreactor instead of a conventional photobioreactor.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung können alle Vorteile eines herkömmlichen geschlossenen Kultivierungssystems - wie oben beschrieben - erzielt werden. Im Gegensatz zu den bisher bekannten, fest installierten Photobioreaktoren wird aber durch das erfindungsgemäße Gelpartikel ein unabhängiger(er) autarker Photobioreaktor zur Kultivierung von Mikroalgen bereitgestellt.In connection with the present invention, all the advantages of a conventional closed cultivation system - as described above - can be achieved. In contrast to the previously known, permanently installed photobioreactors, the gel particle according to the invention provides an independent, self-sufficient photobioreactor for the cultivation of microalgae.

Das erfindungsgemäße Gelpartikel weist vorzugsweise eine relativ kleine Schichtdicke in Form der gelartigen Matrix auf. Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung wird eine optimale Lichtnutzung ermöglicht.The gel particle according to the invention preferably has a relatively small layer thickness in the form of the gel-like matrix. This advantageous design enables optimal use of light.

Zudem bietet das Gelpartikel vorteilhafterweise Schutz vor Fressfeinden und ermöglicht mikrobielle Reinheit. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Gelpartikels können vorteilhafterweise auch seltene und weniger robuste, aber wertvolle Mikroalgenarten gezüchtet werden.In addition, the gel particle advantageously offers protection against predators and enables microbial purity. Due to the inventive design of the gel particle, rare and less robust, but valuable microalgae species can also advantageously be grown.

Auch die Möglichkeit einer ausreichenden Nährstoff- sowie CO₂-Versorgung ist gegeben, insbesondere bei Verwendung in einem erfindungsgemäßen Kultivierungssystem (s. hierzu weiter unten).There is also the possibility of a sufficient nutrient and CO ₂ supply, particularly when used in a cultivation system according to the invention (see further below).

Im Rahmen eigener Untersuchungen wurde herausgefunden, dass die Produktivität durch den Einsatz erfindungsgemäßer Gelpartikel als Photobioreaktor im Vergleich zu herkömmlichen geschlossenen Kultivierungssystemen deutlich gesteigert werden kann.As part of our own investigations, it was found that productivity can be significantly increased by using gel particles according to the invention as a photobioreactor compared to conventional closed cultivation systems.

Vorteilhafterweise ist bei dem erfindungsgemäßen Gelpartikel ein kostenintensives Ernteverfahren nicht notwendig, da die lebenden Mikroalgen beispielsweise durch mechanische Scherkräfte, wie etwa einen Zermahlvorgang, aus dem Gelpartikel freigesetzt werden und weiter verarbeitet oder verwendet werden können. Die freigesetzten lebenden Mikroalgen weisen dabei vorzugsweise eine extrazelluläre Restfeuchte von maximal 12 Gew.-%, besonders bevorzugt von maximal 10 Gew.-% auf.Advantageously, with the gel particles according to the invention, a cost-intensive harvesting process is not necessary, since the living microalgae are released from the gel particles, for example by mechanical shear forces, such as a grinding process, and can be further processed or used. The released living microalgae preferably have an extra cellular residual moisture of a maximum of 12% by weight, particularly preferably of a maximum of 10% by weight.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Gelpartikel kugelförmig ausgestaltet. Die kugelförmige Ausbildung des Gelpartikels weist ein besonders zweckmäßiges Oberflächen-Volumen-Verhältnis auf. Durch die Kultivierung von Mikroalgen in einem kugelförmigen Gelpartikel kann eine ausreichende Lichtversorgung für alle in dem Gelpartikel eingeschlossenen lebenden Mikroalgen erreicht werden.According to a preferred embodiment of the present invention, the gel particle is spherical. The spherical shape of the gel particle has a particularly useful surface-to-volume ratio. By cultivating microalgae in a spherical gel particle, a sufficient light supply can be achieved for all living microalgae enclosed in the gel particle.

Weiterhin ist die gelartige Matrix des erfindungsgemäßen Gelpartikels vorzugsweise transparent und/oder lichtdurchlässig. Die erfindungsgemäß bevorzugt transparente gelartige Matrix ist demnach vorzugsweise ein durchsichtiges (transparentes) Material und gewährleistet vorteilhafterweise ein Maximum an Lichtintensität. Durch diese Ausgestaltung kann die gesamte Lichtintensität der Umgebung zur Photosynthese der Mikroalgen genutzt werden. Eine transparente gelartige Matrix ist demnach auch eine lichtdurchlässige Matrix. Allerdings ist eine lichtdurchlässige Matrix nicht notwendigerweise auch eine transparente Matrix. Eine lichtdurchlässige, aber nicht transparente Matrix ist dann vorteilhaft, wenn große Lichtintensitäten und dadurch auftretende Photoinhibitionen zu erwarten sind. Solcherart ausgestaltete gelartige Matrizes haben den Vorteil, dass die Lichtintensität der direkten Umgebung abgeschwächt wird, aber dennoch genügend Licht für die Photosynthese der Mikroalgen zur Verfügung steht.Furthermore, the gel-like matrix of the gel particle according to the invention is preferably transparent and/or translucent. The gel-like matrix, which is preferably transparent according to the invention, is therefore preferably a transparent material and advantageously ensures a maximum of light intensity. This design allows the entire light intensity of the environment to be used for photosynthesis of the microalgae. A transparent gel-like matrix is therefore also a translucent matrix. However, a translucent matrix is not necessarily a transparent matrix. A translucent but not transparent matrix is advantageous if high light intensities and resulting photoinhibitions are to be expected. Gel-like matrices designed in this way have the advantage that the light intensity of the immediate environment is attenuated, but there is still enough light available for photosynthesis of the microalgae.

Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße Gelpartikel einen mittleren Durchmesser im Bereich von 0,3 bis 30 mm, vorzugsweise im Bereich von 1 bis 5 mm, besonders bevorzugt im Bereich von 2 bis 3 mm, auf. Das Oberflächen-Volumen-Verhältnis wird durch einen kleinen Durchmesser erfindungsgemäß begünstigt. Durch einen Durchmesser in dem genannten Bereich kann eine Lichtlimitierung durch Selbstabschattung vermieden oder wenigstens reduziert werden, da vorzugsweise alle in dem Gelpartikel befindlichen lebenden Mikroalgen gleichmäßig mit ausreichend Licht versorgt werden können. Zudem ist vorteilhafterweise bei einem derart kleinen Volumen kein Umwälzen oder Pumpen im Inneren des Photobioreaktors / Gelpartikels notwendig. Dadurch können Scherkräfte vermieden werden. Aufgrund dieser Ausgestaltung muss die Lichtintensität nicht unnötig groß sein, und photooxidativer Stress der Mikroalgen kann vermieden werden.The gel particle according to the invention preferably has an average diameter in the range from 0.3 to 30 mm, preferably in the range from 1 to 5 mm, particularly preferably in the range from 2 to 3 mm. According to the invention, the surface-volume ratio is favored by a small diameter. With a diameter in the mentioned range, light limitation due to self-shading can be avoided or at least reduced, since preferably all living microalgae located in the gel particle can be uniformly supplied with sufficient light. In addition, advantageously, with such a small volume, no circulation or pumping is necessary inside the photobioreactor/gel particle. This allows shear forces to be avoided. Due to this design, the light intensity does not have to be unnecessarily high, and photo-oxidative stress on the microalgae can be avoided.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist das erfindungsgemäße Gelpartikel eine gelartige Matrix auf, die für die davon umschlossenen lebenden Mikroalgen impermeabel ist, d.h., die die lebenden Mikroalgen umschließt und im Gelpartikel festhält.According to a preferred embodiment of the present invention, the gel particle according to the invention has a gel-like matrix which is impermeable to the living microalgae enclosed therein, i.e. which encloses the living microalgae and holds them in the gel particle.

Das Gelpartikel ist bevorzugt ebenso für andere Algen, Pilze oder Bakterien impermeabel. Erfindungsgemäß kann gemäß dieser Ausgestaltung das Wachstum kontrolliert, Fressfeinde vermieden und die Reinheit gewährleistet werden. Diese erfindungsgemäße Ausgestaltung begünstigt die Kultivierung und Produktion seltener, wenig robuster, aber wertvoller Mikroalgenarten.The gel particle is preferably also impermeable to other algae, fungi or bacteria. According to the invention, according to this configuration, growth can be controlled, predators avoided and purity ensured. This embodiment according to the invention promotes the cultivation and production of rare, less robust, but valuable microalgae species.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gelpartikels liegt

- der Anteil an lebenden Mikroalgen, bezogen auf das Gesamtgewicht des Gelpartikels, im Bereich von 0,1 bis 99 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 90 Gew.-%, liegt, und/oder
- der Anteil an gelartiger Matrix, bezogen auf das Gesamtgewicht des Gelpartikels, im Bereich von 1 bis 99,9 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich von 1 bis 50 Gew.-%.

In a further preferred embodiment of the gel particle according to the invention

- the proportion of living microalgae, based on the total weight of the gel particle, is in the range from 0.1 to 99% by weight, preferably in the range from 0.1 to 90% by weight, and/or
- the proportion of gel-like matrix, based on the total weight of the gel particle, in the range from 1 to 99.9% by weight, preferably in the range from 1 to 50% by weight.

Der Anteil an lebenden Mikroalgen, bezogen auf das Gesamtgewicht des Gelpartikels kann je nach Mikroalgenart und Wachstumsphase während der Animpfung, also direkt nach der Herstellung des Gelpartikels im Bereich von 0,1 bis 15 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich von 1 bis 5 Gew.-%, liegen. Der erfindungsgemäße Anteil der gelartigen Matrix kann zu diesem Zeitpunkt dementsprechend bis zu 99 Gew.-% bzw. bis zu 99,9 Gew.-% liegen.The proportion of living microalgae, based on the total weight of the gel particle, can be in the range from 0.1 to 15% by weight, preferably in the range from 1 to 5% by weight, depending on the type of microalgae and growth phase during inoculation, i.e. directly after the production of the gel particle .-%, lay. The proportion of the gel-like matrix according to the invention at this point can accordingly be up to 99% by weight or up to 99.9% by weight.

Die Angaben in Gew.-% beziehen sich hierbei vorzugsweise auf die Algentrockenmasse.The information in% by weight preferably refers to the dry algae mass.

In einer bevorzugten Ausgestaltung befindet sich, bezogen auf das Gewicht, wenigstens 1 (Gewichts-)Teil Mikroalgen-Trockenmasse in etwa 50 bis 200, bevorzugt in etwa 75 bis 125, besonders bevorzugt in etwa 100, (Gew.-)Teilen Gel (gelartige Matrix).In a preferred embodiment, based on the weight, at least 1 part (by weight) of microalgae dry matter is in about 50 to 200, preferably in about 75 to 125, particularly preferably in about 100, parts (by weight) of gel (gel-like Matrix).

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gelpartikels kann der Anteil an lebenden Mikroalgen auch außerhalb der oben angegebenen Bereiche liegen.According to an alternative embodiment of the gel particle according to the invention, the proportion of living microalgae can also lie outside the ranges specified above.

Die Produktivität bei der Kultivierung der Mikroalgen in erfindungsgemäßen Gelpartikeln ist abhängig von der Wachstumsphase der Mikroalgen zum Zeitpunkt der Herstellung des Gelpartikels. Unter günstigen Bedingungen kann eine Verdopplung der Mikroalgenbiomasse (vorzugsweise bezogen auf die Algentrockenmasse) in 2,4 Stunden oder weniger erreicht werden. Die Mikroalgen können bei Bedarf je nach Umgebungsbedingungen (s. hierzu auch unten) und Art alle 5 bis 30 Tage geerntet werden. Erfindungsgemäß liegt der Anteil an Mikroalgen, bezogen auf das Gesamtgewicht des Gelpartikels, zum Zeitpunkt der Ernte vorzugsweise im Bereich von 40 bis 99 Gew.-%, weiter bevorzugt im Bereich von 60 bis 99 Gew.-%.The productivity when cultivating microalgae in gel particles according to the invention depends on the growth phase of the microalgae at the time the gel particle is produced. Under favorable conditions, a doubling of microalgae biomass (preferably based on algae dry mass) can be achieved in 2.4 hours or less. If necessary, the microalgae can be harvested every 5 to 30 days depending on the environmental conditions (see below) and species become. According to the invention, the proportion of microalgae, based on the total weight of the gel particle, at the time of harvest is preferably in the range of 40 to 99% by weight, more preferably in the range of 60 to 99% by weight.

Vorzugsweise umfasst oder besteht die gelartige Matrix eines erfindungsgemäßen Gelpartikels aus einem oder mehreren synthetischen Polymeren und/oder einem oder mehreren Biopolymeren und/oder einem oder mehreren chemisch modifizierten Biopolymeren, bevorzugt einer oder mehreren der Substanzen ausgewählt aus der folgenden Gruppe, oder ist daraus gebildet oder umfasst eine oder mehrere dieser Substanzen: Alginat, Natriumalginat, Kaliumalginat, Ammoniumalginat, Calciumalginat, Propylenglycolalginat, Agar-Agar Carrageen, Furcellaran, Johannisbrotkernmehl, Guarkernmehl, Traganth, Gummi arabicum, Xanthan, Karaya, Tarakernmehl, Gellan, Pektin, Amidiertes Pektin, mikrokristalline Cellulose, Cellulosepulver, Methylcellulose, Ethylcellulose, Hydroxypropylcellulose, Hydropropylcellulose, Methylethylcellulose, Carboxymethylcellulose und Natriumcarboxymethylcellulose.The gel-like matrix of a gel particle according to the invention preferably comprises or consists of one or more synthetic polymers and/or one or more biopolymers and/or one or more chemically modified biopolymers, preferably one or more of the substances selected from the following group, or is formed therefrom or includes one or more of these substances: alginate, sodium alginate, potassium alginate, ammonium alginate, calcium alginate, propylene glycol alginate, agar-agar carrageenan, furcellaran, locust bean gum, guar gum, tragacanth, gum arabic, xanthan gum, karaya, tara gum, gellan, pectin, amidated pectin, microcrystalline cellulose , cellulose powder, methyl cellulose, ethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, hydropropyl cellulose, methyl ethyl cellulose, carboxymethyl cellulose and sodium carboxymethyl cellulose.

Bei den vorstehend aufgelisteten Polymeren handelt es sich um Lebensmittelzusatzstoffe, die im Wasser quellen oder Wasser binden und demnach zu einer Gelierung führen. Geliermittel werden aus Vielfachzuckern oder pflanzlichen oder tierischen Eiweißen hergestellt. Dabei können abhängig von der zu kultivierenden Mikroalgenart und deren Anforderungen an die Umgebungsbedingungen einzelne sowie geeignete Kombinationen von Polymeren zur Ausbildung einer erfindungsgemäßen gelartigen Matrix verwendet werden.The polymers listed above are food additives that swell in water or bind water and therefore lead to gelling. Gelling agents are made from polysaccharides or vegetable or animal proteins. Depending on the type of microalgae to be cultivated and its requirements for the environmental conditions, individual and suitable combinations of polymers can be used to form a gel-like matrix according to the invention.

Die gelartige Matrix kann auch aus anderen Polymeren hergestellt werden. Besonders bevorzugt sind aber Polymere, die als Lebensmittelzusatzstoffe zugelassen sind, da nach dem Ernteverfahren Rückstände in der Mikroalgenbiomasse möglich sind. Bei Auswahl eines Polymers aus der oben aufgeführten Auflistung gibt es keine Beschränkung für die Verwendung oder Weiterverarbeitung der Mikroalgen, beispielsweise für die Pharmaindustrie oder Lebensmittelindustrie.The gel-like matrix can also be made from other polymers. However, polymers that are approved as food additives are particularly preferred, since residues in the microalgae biomass are possible after the harvesting process. If you select a polymer from the list above, there are no restrictions on the use or further processing of the microalgae, for example for the pharmaceutical or food industries.

Die gelartige Matrix umfasst gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung mehr als 60 Gew.%, bevorzugt mehr als 80 Gew.-%, Wasser.According to a preferred embodiment, the gel-like matrix comprises more than 60% by weight, preferably more than 80% by weight, of water.

Optional können alternativ oder ergänzend hierzu noch weitere Bestandteile im erfindungsgemäßen Gelpartikel bzw. in der gelartigen Matrix enthalten sein, z.B. solche wie sie als Bestandteile eines hierin im Zusammenhang mit einem erfindungsgemäßen Kultivierungssystem beschriebenen Kulturmediums genannt sind (s. unten). Ein in einem Gelpartikel ggf. enthaltenes Kulturmedium bzw. Bestandteile davon kann / können als eine Art Düngerdepot ausgestaltet sein, dessen Mischung die, für die Kultivierung der Mikroalgen notwendigen, Nährstoffe über einen gewissen Zeitraum bereitstellen bzw. verzögert freisetzen kann.Optionally, as an alternative or in addition to this, further components can be contained in the gel particle according to the invention or in the gel-like matrix, for example those mentioned as components of a culture medium described herein in connection with a cultivation system according to the invention (see below). A culture medium or components thereof that may be contained in a gel particle can be designed as a type of fertilizer depot, the mixture of which can provide the nutrients necessary for the cultivation of the microalgae over a certain period of time or can release them in a delayed manner.

Im Rahmen eigener Untersuchungen wurde herausgefunden, dass sich Alginat und bevorzugt Natriumalginat zur Ausbildung der erfindungsgemäßen gelartigen Matrix besonders gut eignen. Durch die Zugabe von Ca²⁺-Ionen oder anderen mehrwertigen Kationen zu einer Alginatlösung fällt das Alginat aus. Dabei bilden zwei sich gegenüberliegende, in Zickzack-Form vorliegende Ketten des Guluronats, das neben Mannuronat zu den monomeren Bausteinen des Alginats gehört, einen Hohlraum, in welchem die Ionen eingeschlossen werden. Die Guluronateinheiten ermöglichen durch ihre Lage eine elektrostatische Anziehung der Ionen und gehen mit diesen einen Chelatkomplex ein. So gebildete Gelpartikel sind vorteilhafterweise hitzebeständig und wasserunlöslich.As part of our own investigations, it was found that alginate and preferably sodium alginate are particularly suitable for forming the gel-like matrix according to the invention. When Ca ²⁺ ions or other polyvalent cations are added to an alginate solution, the alginate precipitates. Two opposing, zigzag chains of guluronate, which along with mannuronate are one of the monomeric building blocks of alginate, form a cavity in which the ions are trapped. Due to their position, the guluronate units enable electrostatic attraction of the ions and form a chelate complex with them. Gel particles formed in this way are advantageously heat-resistant and water-insoluble.

Die in einem erfindungsgemäßen Gelpartikel enthaltenen bzw. darin zu kultivierenden Mikroalgen sind vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus autotrophen, heterotrophen und/oder mixotrophen Mikroalgen, bevorzugt Mikroalgen der Klassen
Bacillariophyceae, bevorzugt der Gattungen Cyclotella, Navicula, Phaeotactylum, Skeletonema, Thalassiosira;
Chlorophyceae, bevorzugt der Gattungen Aphanochaete, Basichlamys, Bolbocoleon, Brachiomonas, Chaetophora, Chaetophora, Chlamydomas, Chlorogonium, Cloniophora, Coelastrum, Ctenocladus, Desmococcus, Dilabifilum, Diplosphaera, Draparnaldia, Dunaliella, Eudorina, Gonium, Haematococcus, Helicodictyon, Kirchneriella, Leptosira, Lobochlamys, Microglena, Microspora, Neochloris, Pandorina, Platydorina, Pleodorina, Pleurococcus, Radiococcus, Scenedesmus, Volvox, Volvulina und/oder Yamagishiella;
Eustigmatophyceae, bevorzugt der Gattungen Chlorobotrys, Ellipsoidion, Eustigmatos, Monodopsis, Nannochloropsis, Pseudostaurastrum und/oder Vischeria;
Klebsormidiophyceae, bevorzugt der Gattung Klebsormidium;
Trebouxiophyceae, bevorzugt der Gattungen Auxenochlorella, Botryococcus, Chlorella, Chloroidium, Chlorocystis, Elliptochloris, Heterochlorella, Lobosphaera, Microthamnion, Mucidosphaerium, Neocystis, Oocystella, Oocystis, Parachlorella, Pseudochlorella und/oder Tetrachlorella;
Ulvophyceae, bevorzugt der Gattungen Chamaetrichon, Dangemannia, Dilabifilum, Gloeotilopsis und/oder Scotinosphaera;
Zygnematophyceae, bevorzugt der Gattungen Gonatozygon, Heimansia, Hyalotheca, Mesotaenium, Micrasterias, Mougeotia, Netrium, Onychonema, Pleurotaenium, Sphaerozosma, Spirogyra, Xanthidium und/oder Zygnema;
besonders bevorzugt aus der Gruppe bestehend aus Mikroalgen der Gattung Chlorella, ganz besonders bevorzugt Chlorella vulgaris, und den Mikroalgenarten Haematococcus pluvialis und Phaeodactylum tricornutum.The microalgae contained in a gel particle according to the invention or to be cultivated therein are preferably selected from the group consisting of autotrophic, heterotrophic and/or mixotrophic microalgae, preferably microalgae of the classes
Bacillariophyceae, preferably the genera Cyclotella, Navicula, Phaeotactylum, Skeletonema, Thalassiosira;
Chlorophyceae, preferably of the genera Aphanochaete, Basichlamys, Bolbocoleon, Brachiomonas, Chaetophora, Chaetophora, Chlamydomas, Chlorogonium, Cloniophora, Coelastrum, Ctenocladus, Desmococcus, Dilabifilum, Diplosphaera, Draparnaldia, Dunaliella, Eudorina, Gonium, Haematococcus, Helicodictyon, Kirchneriella, Lept osira, Lobochlamys , Microglena, Microspora, Neochloris, Pandorina, Platydorina, Pleodorina, Pleurococcus, Radiococcus, Scenedesmus, Volvox, Volvulina and/or Yamagishiella;
Eustigmatophyceae, preferably of the genera Chlorobotrys, Ellipsoidion, Eustigmatos, Monodopsis, Nannochloropsis, Pseudostaurastrum and/or Vischeria;
Klebsormidiophyceae, preferably of the genus Klebsormidium;
Trebouxiophyceae, preferably of the genera Auxenochlorella, Botryococcus, Chlorella, Chloroidium, Chlorocystis, Elliptochloris, Heterochlorella, Lobosphaera, Microthamnion, Mucidosphaerium, Neocystis, Oocystella, Oocystis, Parachlorella, Pseudochlorella and/or Tetrachlorella;
Ulvophyceae, preferably of the genera Chamaetrichon, Dangemannia, Dilabifilum, Gloeotilopsis and/or Scotinosphaera;
Zygnematophyceae, preferred of the genera Gonatozygon, Heimansia, Hyalotheca, Mesotaenium, Micrasterias, Mougeotia, Netrium, Onychonema, Pleurotaenium, Sphaerozosma, Spirogyra, Xanthidium and/or Zygnema;
particularly preferably from the group consisting of microalgae of the genus Chlorella, most preferably Chlorella vulgaris, and the microalgae species Haematococcus pluvialis and Phaeodactylum tricornutum.

Das erfindungsgemäße Gelpartikel lässt sich für die Kultivierung verschiedener kommerziell relevanter Mikroalgenarten von autotropher, heterotropher und mixotropher Art verwenden. Autotrophe, insbesondere photoautotrophe Mikroalgen stellen aus anorganischen Kohlenstoffverbindungen selbst organische Verbindungen her, während heterotrophe Mikroalgen in der Lage sind, CO₂ aus alternativen Kohlenstoffquellen zu beziehen und mixotrophe Mikroalgen sowohl in der Lage sind, Kohlendioxid zu assimilieren, als auch sich von organischen Stoffen zu ernähren.The gel particle according to the invention can be used for the cultivation of various commercially relevant microalgae species of autotrophic, heterotrophic and mixotrophic types. Autotrophic, especially photoautotrophic, microalgae produce organic compounds themselves from inorganic carbon compounds, while heterotrophic microalgae are able to obtain CO ₂ from alternative carbon sources and mixotrophic microalgae are able to both assimilate carbon dioxide and feed on organic substances .

Erfindungsgemäß können einzelne Mikroalgenarten oder aber auch geeignete Kombinationen von Mikroalgenarten ausgewählt werden und unter für die jeweilige Mikroalgenart günstigen Bedingungen kultiviert werden.According to the invention, individual microalgae species or suitable combinations of microalgae species can be selected and cultivated under conditions that are favorable for the respective microalgae species.

Erfindungsgemäß umfasst ein Kultivierungssystem eine Vielzahl an erfindungsgemäßen Gelpartikeln sowie ein Kulturmedium zur Kultivierung von Mikroalgen.According to the invention, a cultivation system comprises a large number of gel particles according to the invention and a culture medium for cultivating microalgae.

Erfindungsgemäß ist ein Gelpartikel einer Vielzahl an Gelpartikeln als ein autarker Photobioreaktor ausgestaltet. Dabei kann das Gelpartikel auch als Teil eines Kultivierungssystems verwendet werden, wobei ein derartiges Kultivierungssystem viele einzelne Gelpartikel, welche jeweils als autarke Photobioreaktoren ausgebildet sind, umfasst. Das Kultivierungssystem ist erfindungsgemäß als eine Art Wachstumsfaktoren-bereitstellendes Mittel anzusehen, das die autarken Photobioreaktoren beinhaltet oder trägt.According to the invention, a gel particle of a large number of gel particles is designed as a self-sufficient photobioreactor. The gel particle can also be used as part of a cultivation system, such a cultivation system comprising many individual gel particles, each of which is designed as self-sufficient photobioreactors. According to the invention, the cultivation system is to be viewed as a type of growth factor-providing agent that contains or carries the self-sufficient photobioreactors.

Erfindungsgemäß bietet ein derartiges Kultivierungssystem die Möglichkeit, Mikroalgen einer Art oder unterschiedlicher Arten innerhalb eines Gelpartikels oder einer Vielzahl von Gelpartikeln zu kultivieren. Durch das Bereitstellen eines für die jeweilige Mikroalgenart geeigneten Kulturmediums und geeigneter Umgebungsbedingungen kann die Produktivität optimiert werden.According to the invention, such a cultivation system offers the possibility of cultivating microalgae of one type or of different types within a gel particle or a plurality of gel particles. By providing a culture medium and environmental conditions suitable for each microalgae species, productivity can be optimized.

Ein erfindungsgemäß bevorzugt einzusetzendes Kulturmedium besteht aus oder umfasst wenigstens eine, mehrere oder sämtliche Bestandteile aus der Gruppe bestehend aus Wasser, Nährstoffe, vorzugsweise Mikronährstoffe, zum Beispiel Nährsalze, vorzugsweise NaCl und/oder andere Nährsalze wie zum Beispiel NPK, wobei die exakte Zusammensetzung des Mediums je nach Mikroalgenart variieren kann.A culture medium to be preferably used according to the invention consists of or comprises at least one, several or all components from the group consisting of water, nutrients, preferably micronutrients, for example nutrient salts, preferably NaCl and / or other nutrient salts such as NPK, the exact composition of the medium can vary depending on the type of microalgae.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Kultivierungssystems gilt, dass die gelartige Matrix der erfindungsgemäßen Gelpartikel für einen, mehrere oder sämtliche Bestandteile des Kulturmediums permeabel ist.In a preferred embodiment of the cultivation system, the gel-like matrix of the gel particles according to the invention is permeable to one, several or all components of the culture medium.

Für die Kultivierung der Mikroalgen im Inneren der Gelpartikel wird eine ausreichende Nährstoffversorgung benötigt, um die Produktivität zu maximieren und in einem möglichst kurzen Zeitraum einen möglichst großen Anteil an Mikroalgen, bezogen auf das Gesamtgewicht des Gelpartikels, zu erreichen.To cultivate the microalgae inside the gel particles, a sufficient supply of nutrients is required in order to maximize productivity and achieve the largest possible proportion of microalgae, based on the total weight of the gel particle, in the shortest possible period of time.

Vorzugsweise werden die Mikroalgen innerhalb der gelartigen, für Bestandteile des Kulturmediums vorzugsweise permeablen Matrix stets ausreichend mit den benötigten Nährstoffen versorgt, so dass Stress vermieden oder aber auch bewusst hergerufen und damit die Produktivität optimiert werden kann.Preferably, the microalgae within the gel-like matrix, which is preferably permeable to components of the culture medium, are always sufficiently supplied with the required nutrients, so that stress can be avoided or consciously caused and thus productivity can be optimized.

Die gelartige Matrix der erfindungsgemäßen Gelpartikel kann weiter vorteilhafterweise semipermeabel ausgebildet sein, so dass sie für einen, mehrere oder sämtliche Bestandteile des Kulturmediums lediglich aus der Umgebung in das Innere des Gelpartikels durchlässig ist.The gel-like matrix of the gel particles according to the invention can further advantageously be designed to be semi-permeable, so that it is permeable to one, several or all components of the culture medium only from the environment into the interior of the gel particle.

Vorzugsweise gewährleistet die gelartige Matrix den für die Kultivierung von Mikroalgen in dem erfindungsgemäßen Gelpartikel notwendigen Gasaustausch von Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid.The gel-like matrix preferably ensures the gas exchange of oxygen and carbon dioxide necessary for the cultivation of microalgae in the gel particle according to the invention.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gelpartikels ist die gelartige Matrix nicht nur für die Mikroalge(n) impermeabel, sondern auch für das in dem Gelpartikel enthaltene Wasser und/oder einen oder mehrere im Gelpartikel befindliche andere Komponenten bzw. Stoffe.In a further preferred embodiment of the gel particle according to the invention, the gel-like matrix is impermeable not only to the microalgae(s), but also to the water contained in the gel particle and/or one or more other components or substances located in the gel particle.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kultivierungssystems enthält das Kultivierungssystem einen oder mehrere Kultivierungsbehälter.In a preferred embodiment of the cultivation system according to the invention, the cultivation system contains one or more cultivation containers.

Der Kultivierungsbehälter kann ein oder mehrere Gelpartikel beinhalten, welche eine oder mehrere Mikroalgenarten umfassen. Dabei können geeignete Kombinationen von Mikroalgenarten innerhalb eines Gelpartikels oder mehrerer Gelpartikel innerhalb eines Kultivierungsbehälters gelagert werden. Beispielsweise kann jedoch auch jeweils ein Kultivierungsbehälter zur Kultivierung genau einer Algenart verwendet werden.The cultivation container may contain one or more gel particles comprising one or more species of microalgae. Suitable combinations of microalgae species can be stored within one gel particle or several gel particles within a cultivation container. For example, however, one cultivation container can also be used to cultivate exactly one type of algae.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung besteht aus einem erfindungsgemäßen Kultivierungssystem, wobei der bzw. die Kultivierungsbehälter transparent und/oder lichtdurchlässig ist bzw. sind. Ein transparenter Kultivierungsbehälter gewährleistet ein Maximum an Lichtintensität. Durch diese Ausgestaltung kann die gesamte Lichtintensität der Umgebung zur Photosynthese von Mikroalgen genutzt werden. Ein transparenter Kultivierungsbehälter ist auch ein lichtdurchlässiger Behälter. Allerdings muss ein lichtdurchlässiger Behälter nicht notwendigerweise ein transparenter Behälter sein. Ein lichtdurchlässiger, aber nicht transparenter Kultivierungsbehälter ist dann vorteilhaft, wenn große Lichtintensitäten und dadurch auftretende Photoinhibitionen zu erwarten sind. Derart ausgestaltete Kultivierungsbehälter haben den Vorteil, dass die Lichtintensität der direkten Umgebung abgeschwächt wird, aber dennoch genügend Licht für die Photosynthese der Mikroalgen zur Verfügung steht.A preferred embodiment of the present invention consists of a cultivation system according to the invention, wherein the cultivation container or containers is or are transparent and/or translucent. A transparent cultivation container ensures maximum light intensity. This design allows the entire light intensity of the environment to be used for photosynthesis by microalgae. A transparent cultivation container is also a translucent container. However, a translucent container does not necessarily have to be a transparent container. A translucent but not transparent cultivation container is advantageous if high light intensities and resulting photoinhibitions are to be expected. Cultivation containers designed in this way have the advantage that the light intensity of the immediate environment is attenuated, but there is still enough light available for photosynthesis of the microalgae.

Erfindungsgemäß sind die Kultivierungsbehälter in einer bevorzugten Ausgestaltung offen gestaltet. Alternativ sind die Kultivierungsbehälter geschlossen gestaltet.According to the invention, the cultivation containers are designed to be open in a preferred embodiment. Alternatively, the cultivation containers are designed to be closed.

Das erfindungsgemäße Gelpartikel, welches vorzugsweise als ein geschlossener autarker Photobioreaktor anzusehen ist, erlaubt eine offene Gestaltung des Kultivierungssystems, ohne dabei bei der Reinheit Kompromisse eingehen zu müssen, da die gelartige Matrix für Kontaminationsquellen vorzugsweise impermeabel ist.The gel particle according to the invention, which is preferably to be viewed as a closed, self-sufficient photobioreactor, allows an open design of the cultivation system without having to compromise on purity, since the gel-like matrix is preferably impermeable to sources of contamination.

Vorzugsweise enthält ein erfindungsgemäßes Kultivierungssystem zudem eine oder mehrere Lichtquellen, und/oder eine oder mehrere Heizeinrichtungen, und/oder eine oder mehrere Kühleinrichtungen, und/oder eine oder mehrere CO²-Quellen, und/oder ein oder mehrere Vorratsbehälter, zum Beispiel für die Nährmittel, und/oder eine oder mehrere Zu- und/oder Ableitungen, und/oder ein oder mehrere Mittel zur Probenahme.A cultivation system according to the invention preferably also contains one or more light sources, and/or one or more heating devices, and/or one or more cooling devices, and/or one or more CO ² sources, and/or one or more storage containers, for example for the Nutrients, and/or one or more inlets and/or outlets, and/or one or more sampling means.

In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kultivierungssystems kann es zudem erforderliche Nebenaggregate und/oder Vorratsbehälter für zu- oder abführende Medien enthalten. Damit kann das erfindungsgemäße Kultivierungssystem als vollständig unabhängig betreibbares Gesamtsystem ausgestaltet sein, welches unabhängig vom Einsatzort betrieben werden kann. Als Nebenaggregate für das genannte Kultivierungssystem können unter anderem CO₂ Flaschen, Wasser- und Abwassertanks, Tanks für Nährstoffe und andere Komponenten integriert sein.In a preferred development of the cultivation system according to the invention, it can also contain necessary auxiliary units and/or storage containers for supplying or discharging media. The cultivation system according to the invention can thus be designed as a completely independently operable overall system which can be operated independently of the location of use. CO ₂ bottles, water and waste water tanks, tanks for nutrients and other components can be integrated as ancillary units for the cultivation system mentioned.

Um Photosynthese betreiben zu können, benötigen die Mikroalgen eine bestimmte Menge an Licht, wofür Tageslicht oder eine oder mehrere Lichtquellen eingesetzt werden können. Durch eine geeignete Lichtquelle kann das Kultivierungssystem auch in einer abgeschlossenen Umgebung unter künstlichem Licht ganzjährig betrieben werden. Zudem kann die Lichtquelle jedoch auch als zusätzliche Beleuchtung zum natürlichen Tageslicht eingesetzt werden. Die Lichtquelle kann dabei unterhalb, oberhalb oder seitlich des Kultivierungsbehälters angeordnet sein. Als besonders vorteilhaft hat sich jedoch erwiesen, die Lampen der Lichtquelle nicht über das System, sondern unterhalb, beispielsweise in Form einer beleuchteten Bodenplatte, anzuordnen.In order to carry out photosynthesis, the microalgae need a certain amount of light, for which daylight or one or more light sources can be used. With a suitable light source, the cultivation system can also be operated all year round in a closed environment under artificial light. The light source can also be used as additional lighting to natural daylight. The light source can be arranged below, above or to the side of the cultivation container. However, it has proven to be particularly advantageous to arrange the lamps of the light source not above the system, but below, for example in the form of an illuminated base plate.

Alternativ kann auch das Tageslicht als Lichtquelle ausreichen, sodass keine zusätzliche, künstliche Lichtquelle benötigt wird.Alternatively, daylight can also be sufficient as a light source, so that no additional artificial light source is required.

Mikroalgen haben in der Regel je nach Art unterschiedliche Anforderungen an den Temperaturbereich, wobei die Umgebungstemperatur innerhalb des Kultivierungssystems zur Vermeidung von Stress konstant gehalten werden sollte. Um eine optimale und insbesondere eine konstante Kultivierungstemperatur gewährleisten zu können, können innerhalb des Kultivierungssystems eine oder mehrere Heizeinrichtungen verwendet werden. Desweiteren können zusätzlich oder anstelle der Heizeinrichtung eine oder mehrere Kühleinrichtungen vorhanden sein.Microalgae generally have different temperature range requirements depending on the species, although the ambient temperature within the cultivation system should be kept constant to avoid stress. In order to ensure an optimal and in particular a constant cultivation temperature, one or more heating devices can be used within the cultivation system. Furthermore, one or more cooling devices can be present in addition to or instead of the heating device.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Kultivierungssystems mit mehreren Kultivierungsbehältern können auch unterschiedliche Temperaturen für die jeweiligen Kultivierungsbehälter eingestellt und erreicht werden. Diese bevorzugte Ausgestaltung hat den Vorteil, dass Mikroalgen unterschiedlicher Arten mit unterschiedlichen Anforderungen bezüglich des Temperaturbereichs zeitgleich innerhalb des Kultivierungssystems kultiviert werden können.According to a preferred embodiment of a cultivation system according to the invention with several cultivation containers, different temperatures can also be set and achieved for the respective cultivation containers. This preferred embodiment has the advantage that microalgae of different species with different requirements regarding the temperature range can be cultivated at the same time within the cultivation system.

Im Rahmen eigener Untersuchungen wurde herausgefunden, dass auch einer Kühleinrichtung eine große Bedeutung zukommen kann. Mikroalgen sind im Allgemeinen im Hinblick auf ihr Temperaturoptimum relativ variabel, wobei verringerte Temperaturen während Dunkelphasen die Produktivität aber positiv beeinflussen können.As part of our own research, it was found that a cooling device can also be of great importance. Microalgae are generally relatively variable in terms of their optimum temperature, although reduced temperatures during dark periods can have a positive impact on productivity.

Die Heizeinrichtung kann im Wesentlichen bereits durch die erfindungsgemäße Lichtquelle ausgestaltet sein. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, eine (zusätzliche/separate) Heizeinrichtung, z.B. in Form von Heizstäben in der Außenwand des Kultivierungsbehälters, zu verwenden.The heating device can essentially already be designed by the light source according to the invention. In principle, however, it is also possible to use an (additional/separate) heating device, e.g. in the form of heating rods in the outer wall of the cultivation container.

Als Kühleinrichtung kann vorzugsweise eine Schale verwendet werden, die auf der Lichtquelle angeordnet ist und die Kultivierungsbehälter beinhaltet. Die Schale kann mit Zuleitungen ausgestattet sein, welche kontinuierlich, periodisch oder bei Bedarf entsprechend temperiertes, vorzugsweise gekühltes Kühlmedium, vorzugsweise Wasser, in die Schale tropft und auf diese Art die Umgebungstemperatur an die optimalen Wachstumsbedingungen der Mikroalgen anpasst. Durch eine Ableitung aus der Schale kann bereits erwärmtes Kühlmedium abgelassen oder abgepumpt werden, erneut gekühlt und wiederverwendet werden.A bowl that sits on the light source can preferably be used as the cooling device is arranged and contains the cultivation container. The shell can be equipped with feed lines which drip a temperature-controlled, preferably cooled cooling medium, preferably water, into the shell continuously, periodically or, if necessary, and in this way adapt the ambient temperature to the optimal growth conditions of the microalgae. By draining it from the shell, already heated cooling medium can be drained or pumped out, cooled again and reused.

Ein weiterer wichtiger Wachstumsfaktor bei der Kultivierung von Mikroalgen ist CO₂. Um den benötigten CO₂-Gehalt zu gewährleisten, werden eine oder mehrere CO₂-Quellen benötigt. CO₂ kann gelöst in flüssiger Form oder in gasförmiger Form vorliegen und kontinuierlich, regelmäßig in bestimmten Zeitabständen oder bei Bedarf dem jeweiligen Kultivierungsbehälter zugeführt werden.Another important growth factor in the cultivation of microalgae is CO ₂ . To ensure the required CO ₂ content, one or more CO ₂ sources are required. CO ₂ can be dissolved in liquid form or in gaseous form and can be supplied to the respective cultivation container continuously, regularly at certain time intervals or as required.

Die für die Kultivierung von Mikroalgen benötigten Nährstoffe liegen vorzugsweise in gelöster Form im Kulturmedium vor. Ein Nährstoffmangel wirkt sich wachstumsinhibierend aus, und ist daher zu vermeiden. Aus diesem Grund enthält ein erfindungsgemäß zu verwendendes Kultivierungssystem vorzugsweise einen Vorratsbehälter für das Kulturmedium, welches die benötigten Nährstoffe bereitstellt.The nutrients required for the cultivation of microalgae are preferably present in dissolved form in the culture medium. A nutrient deficiency has a growth-inhibiting effect and should therefore be avoided. For this reason, a cultivation system to be used according to the invention preferably contains a storage container for the culture medium, which provides the required nutrients.

Die Anforderungen an die Nährstoffzusammensetzung können je nach Mikroalgenart variieren. Aus diesem Grund sind gemäß einer weiter bevorzugten Ausgestaltung mehrere Vorratsbehälter vorgesehen, die Kulturmedien unterschiedlicher Nährstoffzusammensetzungen enthalten und unterschiedliche Mikroalgen, die in den erfindungsgemäßen Gelpartikeln eingeschlossen sind, welche sich in unterschiedlichen Kultivierungsbehältern befinden, mit den jeweiligen Nährstoffen versorgen.Nutrient composition requirements may vary depending on the microalgae species. For this reason, according to a further preferred embodiment, several storage containers are provided which contain culture media of different nutrient compositions and supply different microalgae, which are enclosed in the gel particles according to the invention and which are located in different cultivation containers, with the respective nutrients.

Um die Zufuhr genannter Nährstoffe zu gewährleisten, beinhaltet vorzugsweise jeder Kultivierungsbehälter Zuleitungen. Weiter bevorzugt beinhalten Kultivierungsbehälter Ableitungen, um das Ableiten verbrauchter Komponenten zu ermöglichen. Vorteilhafterweise kann eine Regeleinrichtung mit den fördernden Mitteln der Zu- und Ableitungen signaltechnisch verknüpft sein. Dadurch kann der aktuelle Wert gemessen, mit dem angestrebten Wert verglichen und die Umgebungsbedingung so angepasst werden, dass die Differenz der beiden Werte möglichst gering ist.In order to ensure the supply of the nutrients mentioned, each cultivation container preferably contains supply lines. Further preferably, cultivation containers include drains to enable spent components to be drained away. Advantageously, a control device can be linked to the conveying means of the supply and discharge lines in terms of signaling. This allows the current value to be measured, compared with the desired value and the environmental condition adjusted so that the difference between the two values is as small as possible.

Um beispielsweise die Nährstoffzusammensetzung in dem Kulturmedium zu überprüfen, können zusätzliche Mittel, wie zum Beispiel verschließbare Öffnungen, die zur Probenahme verwendet werden können, vorgesehen sein.For example, to check the nutrient composition in the culture medium, additional means, such as closable openings that can be used for sampling, may be provided.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Bereitstellung eines Kultivierungssystems ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Gelpartikels, umfassend oder bestehend aus den folgenden Schritten:

(i) Bereitstellen einer oder mehrerer Substanzen zur Bildung einer gelartigen Matrix, vorzugsweise einer oder mehrerer Substanzen wie oben beschrieben (s. insbesondere die oben beschriebene Gruppe von Polymeren),
(ii) Bereitstellen einer oder mehrerer lebender Mikroalgen, vorzugsweise einer oder mehrerer lebender Mikroalgen wie oben beschrieben, optional Aufreinigen der Mikroalgen,
(iii) Bilden einer gelartigen Matrix, sodass ein (erfindungsgemäßes) Gelpartikel entsteht, indem die lebenden Mikroalgen von der gelartigen Matrix umschlossen sind.

According to a further aspect of the present invention, a method for providing a cultivation system comprises a method for producing a gel particle according to the invention, comprising or consisting of the following steps:

(i) providing one or more substances for forming a gel-like matrix, preferably one or more substances as described above (see in particular the group of polymers described above),
(ii) providing one or more living microalgae, preferably one or more living microalgae as described above, optionally purifying the microalgae,
(iii) Forming a gel-like matrix, so that a gel particle (according to the invention) is created in that the living microalgae are surrounded by the gel-like matrix.

Erfindungsgemäß werden lebende Mikroalgen unter Erhalt ihrer (Energie- und Stoffwechsel-) Aktivität mit chemischen und/oder physikalischen Methoden in einem definierten Raumbereich festgehalten. Der Matrixeinschluss in z.B. ein Calciumalginatgel ist vorteilhafterweise engmaschig genug, um eine Auswaschung der Mikroalgen zu verhindern, wobei aber vorteilhafterweise die Diffusion von Kulturmedium gewährleistet werden kann.According to the invention, living microalgae are retained in a defined spatial area using chemical and/or physical methods while maintaining their (energy and metabolic) activity. The matrix inclusion in, for example, a calcium alginate gel is advantageously close-meshed enough to prevent the microalgae from being washed out, but the diffusion of culture medium can advantageously be ensured.

Das Verfahren soll sich erfindungsgemäß dafür eignen, lebende Mikroalgen unter sterilen Bedingungen zu Partikeln annähernd gleicher Größe in einem Gel zu immobilisieren, bzw. vorzugsweise durch eine Umhüllung mit einer Matrix zu verkapseln.According to the invention, the method is intended to be suitable for immobilizing living microalgae under sterile conditions into particles of approximately the same size in a gel, or preferably for encapsulating them through a coating with a matrix.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens können die später in erfindungsgemäßen Gelpartikeln zu immobilisierenden lebenden Mikroalgen (einer Art oder gewünschter verschiedener Arten) in einem herkömmlichen geschlossenen Kultivierungssystem, vorzugsweise unter sterilen Bedingungen, gezüchtet werden. Besonders bevorzugt können Einweg-Schlauchreaktoren eingesetzt werden, welche in einem Gewächshaus hängend angeordnet werden können. Weiter können die Mikroalgen in einem offenen Kultivierungssystem gezüchtet werden. Vor der Herstellung des erfindungsgemäßen Gelpartikels bietet es sich ggf. an, die Mikroalgen aufzureinigen, um gewährleisten zu können, dass nur die erwünschte Mikroalgenart oder die erwünschten Mikroalgenarten weiter verarbeitet bzw. verwendet werden.In a preferred embodiment of the method according to the invention, the living microalgae (of one species or desired different species) which are later to be immobilized in gel particles according to the invention can be grown in a conventional closed cultivation system, preferably under sterile conditions. Disposable tube reactors can particularly preferably be used, which can be arranged hanging in a greenhouse. The microalgae can also be grown in an open cultivation system. Before producing the gel particle according to the invention, it may be advisable to purify the microalgae in order to ensure that only the desired type or types of microalgae are further processed or used.

Ein aufwendiges Ernteverfahren oder eine Aufkonzentrierung der Mikroalgenbiomasse ist nicht unbedingt erforderlich.A complex harvesting process or concentration of the microalgae biomass is not absolutely necessary.

Für die Gelbildung bzw. das Ausbilden der gelartigen Matrix können beispielsweise grundsätzlich folgende Mechanismen zur Anwendung kommen:

- lonische Gelbildung: Hierbei findet die Verknüpfung von Polymerketten durch Ionen statt, wobei in der Regel negativ geladene Polymerketten durch Kationen vernetzt werden (z.B. Alginat, Carageen, Pektin).
- Eine alternative Gelbildung basiert auf dem cold-set Verfahren, in dem Gelpulver in heißem oder kochendem Wasser zu einer Dispersion gelöst wird und sich beim Abkühlen ein festes Gel bildet (z.B. Agar, Gelatine).
- Ein weiterer Mechanismus basiert auf dem sogenannten heat-set Verfahren, wobei sich native Stärke oder Proteine entfalten bzw. expandieren und in ein dreidimensionales Netzwerk umgeordnet werden (z.B. Stärke, Methyl-Cellulose).

For gel formation or the formation of the gel-like matrix, for example, the following mechanisms can basically be used:

- Ionic gel formation: Here, polymer chains are linked by ions, with negatively charged polymer chains usually being cross-linked by cations (e.g. alginate, carageenan, pectin).
- An alternative gel formation is based on the cold-set process, in which gel powder is dissolved in hot or boiling water to form a dispersion and a solid gel forms when cooled (e.g. agar, gelatin).
- Another mechanism is based on the so-called heat-set process, whereby native starch or proteins unfold or expand and are rearranged into a three-dimensional network (e.g. starch, methyl cellulose).

Besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung von Natriumalginat erwiesen, welches in Pulverform bezogen und die Natriumalginatlösung, aufgrund der wasserlöslichen Eigenschaft des Natriumalginats, in einem Rührkessel hergestellt werden kann. Durch Abtropfen der Lösung über eine Abtropfvorrichtung in eine Calciumchloridlösung werden Na-Ionen gegen Ca-Ionen ausgetauscht und das Alginat geliert, wobei der Guluronsäureanteil eines Alginats die Stärke der Härtung bei der ionotropen Gelbildung bestimmt.The use of sodium alginate, which is obtained in powder form and the sodium alginate solution can be prepared in a stirred tank due to the water-soluble properties of sodium alginate, has proven to be particularly advantageous. By dripping the solution over a dripping device into a calcium chloride solution, Na ions are exchanged for Ca ions and the alginate gels, with the guluronic acid content of an alginate determining the strength of hardening during ionotropic gel formation.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Polymer-Mikroalgen-Suspension oder eine Polymer-Mikroalgen-Kulturmedium-Suspension bereitgestellt (wobei für die bevorzugten Ausgestaltungen von Polymer, Mikroalgen und ggf. Kulturmedium das oben Gesagte gilt) und von einer Kapillare in eine Härtungslösung über einen Druckbehälter mit konstantem Druck abgetropft. Durch Variieren des Drucks kann die Größe der entstehenden Gelpartikel beeinflusst werden. Unter Abtropfen wird erfindungsgemäß das Entstehen von Tropfen durch Abreißen an einer Düse als einmaliger Vorgang ohne Sekundärtropfen verstanden - das kann durch einen geringen Flüssigkeitsdurchsatz, bestimmt durch ein Gleichgewicht zwischen Oberflächenkraft und Druck sowie Schwerkraft, erreicht werden. Das Eintreten bzw. vielmehr der Aufprall eines solcherart entstandenen Tropfens in das Härtebad ist entscheidend für eine enge Verteilung der entstehenden Gelpartikel. Erfindungsgemäß ist durch die Abtropfvorrichtung vorzugsweise sichergestellt, dass ein Tropfen senkrecht auf die Oberfläche der Härtungsflüssigkeit auftrifft, damit ein Abprallen oder teilweises Abprallen verhindert wird.According to a preferred embodiment of a method according to the invention, a polymer-microalgae suspension or a polymer-microalgae culture medium suspension is provided (the above applies to the preferred embodiments of polymer, microalgae and, if applicable, culture medium) and from a capillary into a hardening solution dripped via a pressure vessel with constant pressure. By varying the pressure, the size of the resulting gel particles can be influenced. According to the invention, dripping is understood to mean the formation of drops by tearing off a nozzle as a one-time process without secondary drops - this can be achieved by a low liquid throughput, determined by a balance between surface force and pressure as well as gravity. The entry or rather the impact of a drop created in this way into the hardening bath is crucial for a narrow distribution of the resulting gel particles. According to the invention, the dripping device preferably ensures that a drop hits the surface of the hardening liquid perpendicularly, so that a bounce or partial bounce is prevented.

Die Methode der Matrixeinhüllung ist sehr schonend, so dass sie sich besonders gut für den Einschluss / die Immobilisierung von lebenden Mikroalgen eignet.The matrix coating method is very gentle, making it particularly suitable for the inclusion/immobilization of living microalgae.

Dem vorliegenden Text sind - zur beispielhaften Veranschaulichung - Abbildungen erfindungsgemäßer Gelpartikel beigefügt (s. 1 bis 3).

1 zeigt beispielhaft ein erfindungsgemäßes Gelpartikel, das lebende Mikroalgen umschließt und gemäß dem in Beispiel 1 beschriebenen Herstellungsverfahren hergestellt ist.
2 zeigt ein Sieb mit beispielhaften erfindungsgemäßen Gelpartikeln und veranschaulicht exemplarisch das hierin beschriebene Verfahren, die im Härtungsbad hergestellten Gelpartikel gemäß Beispiel 1 in dem Sieb aus dem Härtungsbad zu heben.
3 zeigt eine mikroskopische Aufnahme beispielhafter erfindungsgemäßer Gelpartikel in einem Kultivierungsbehälter.

Illustrations of gel particles according to the invention are attached to this text - for exemplary illustration (see Fig. 1 until 3 ).

1 shows an example of a gel particle according to the invention which encloses living microalgae and is produced according to the manufacturing process described in Example 1.
2 shows a sieve with exemplary gel particles according to the invention and exemplifies the method described here of lifting the gel particles produced in the hardening bath according to Example 1 in the sieve out of the hardening bath.
3 shows a microscopic image of exemplary gel particles according to the invention in a cultivation container.

Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von ausgewählten Beispielen näher erläutert.The present invention is explained in more detail below using selected examples.

Beispiele:Examples:

Beispiel 1: Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Gelpartikels umfassend oder bestehend aus einer Alginatmatrix, einem Düngerdepot und lebenden, von der gelartigen Matrix umschlossenen Mikroalgen (hier: Chlorella vulgaris).Example 1: Process for producing a gel particle according to the invention comprising or consisting of an alginate matrix, a fertilizer depot and living microalgae enclosed by the gel-like matrix (here: Chlorella vulgaris).

Die Abtropfvorrichtung und der Rührkessel werden vor der Herstellung erfindungsgemäßer Gelpartikel autoklaviert.The dripping device and the stirring tank are autoclaved before the gel particles according to the invention are produced.

Eine Dispersion aus Alginat wird aus, bezogen auf das Gesamtgewicht der Dispersion, 0,5 bis 1,5 Gew.-% eines trockenen Alginatpulvers und Kulturmedium (Wasser und für die Kultivierung von Chlorella vulgaris übliche Nährsalze) im 10 L-Maßstab hergestellt. Das Gemisch wird nach Herstellung 0,5 Stunden bei konstanter Rührgeschwindigkeit von 100 rpm in einem Rührkessel bei Raumtemperatur angerührt, um eine homogene Lösung zu erreichen.A dispersion of alginate is prepared from 0.5 to 1.5% by weight, based on the total weight of the dispersion, of a dry alginate powder and culture medium (water and nutrient salts common for the cultivation of Chlorella vulgaris) on a 10 liter scale. After preparation, the mixture is stirred for 0.5 hours at a constant stirring speed of 100 rpm in a stirred tank at room temperature in order to achieve a homogeneous solution.

In einem Reinraum wird das Immobilisationsgemisch mit 1 L sortenrein, steril gezogenen lebenden Mikroalgen Chlorella vulgaris angeimpft. Die Mikroalgen wurden zuvor auf Agar-Agar steril vorkultiviert und in 1 L sterilem Medium bis auf eine Dichte von 10 % Trockenmasse kultiviert.In a clean room, the immobilization mixture is inoculated with 1 L of pure, sterilely grown living microalgae Chlorella vulgaris. The microalgae were previously sterilely pre-cultivated on agar-agar and cultivated in 1 L of sterile medium to a density of 10% dry matter.

Die Suspension aus den Mikroalgen und dem Immobilisationsgemisch wird mittels einem Druckbehälter über eine Kapillare durch die Düse in ein Härtungsbad mit 1,5 Gew.-% Calciumchlorid abgetropft, wobei der Druckbehälter während des Vorgangs einen konstanten Druck von etwa 0,2 bar aufweist. Die Tropfen werden augenblicklich geliert und haben einen mittleren Durchmesser von etwa 3 mm. Die Gelpartikel sinken auf den konisch zulaufenden Boden des Härtungsbades und werden schonend über eine Air-Lift-Pumpe aus dem Wasser in ein Sieb gehoben (vgl. 2). Die Härte der Gelpartikel wird durch die Verweilzeit im Härtungsbad bestimmt, welche in etwa 15 bis 25 Sekunden beträgt. Die auf diese Art hergestellten Gelpartikel beinhalten neben den lebenden Mikroalgen Chlorella vulgaris auch die für deren Kultivierung notwendigen Nährstoffe des Kulturmediums (s. oben, Herstellung der Alginatdispersion), welches als Düngerdepot in den Gelpartikeln fungiert. 1 zeigt ein auf diese Art hergestelltes erfindungsgemäßes Gelpartikel.The suspension of the microalgae and the immobilization mixture is introduced into a hardening bath with 1.5% by weight of calcium chloride using a pressure vessel via a capillary through the nozzle dripped, with the pressure vessel having a constant pressure of approximately 0.2 bar during the process. The drops gel instantly and have an average diameter of approximately 3 mm. The gel particles sink to the conical bottom of the hardening bath and are gently lifted out of the water into a sieve using an air-lift pump (cf. 2 ). The hardness of the gel particles is determined by the residence time in the hardening bath, which is approximately 15 to 25 seconds. In addition to the living microalgae Chlorella vulgaris, the gel particles produced in this way also contain the nutrients of the culture medium necessary for their cultivation (see above, production of the alginate dispersion), which acts as a fertilizer depot in the gel particles. 1 shows a gel particle according to the invention produced in this way.

Beispiel 2: Kultivierung der Mikroalge Chlorella vulgaris und der MikroalgeHeamatococcus pluvialis in einem erfindungsgemäßen Kultivierungssystem, umfassend zwei offene Kultivierungsbehälter.Example 2: Cultivation of the microalgae Chlorella vulgaris and the microalgae Heamatococcus pluvialis in a cultivation system according to the invention, comprising two open cultivation containers.

Das Kultivierungssystem besteht im Wesentlichen aus zwei transparenten Kultivierungsbehältern, einer Lichtquelle, die gleichzeitig als Heizeinrichtung fungiert, und einer CO₂-Quelle. Als Kultivierungsbehälter werden Einweg-Kunststoffschalen eingesetzt, welche transparent und lichtdurchlässig sind. Die Einweg-Kunststoffschalen sind auf der Lichtquelle, welche in Form einer LED-Bodenplatte ausgestaltet ist, angeordnet. Die Einweg-Kunststoffschalen weisen je eine Grundfläche mit einem Außendurchmesser von 400 x 600 mm bei einer Höhe von 100 mm auf. Die Deckel der Einweg-Kunststoffschalen weisen durch punktuelle Noppen einen Spalt auf und gewährleisten auf diese Art einen optimalen Gasaustausch und verhindern eine Kondensation. Aufgrund der Form und der Ausgestaltung der Einweg-Kunststoffschalen kann von allen Seiten und allen Richtungen einfallendes Licht der LED-Bodenplatte einerseits und des Tageslichts andererseits ausgenutzt werden.The cultivation system essentially consists of two transparent cultivation containers, a light source that also functions as a heating device, and a CO ₂ source. Disposable plastic trays, which are transparent and translucent, are used as cultivation containers. The disposable plastic bowls are arranged on the light source, which is designed in the form of an LED base plate. The disposable plastic trays each have a base area with an outer diameter of 400 x 600 mm and a height of 100 mm. The lids of the disposable plastic bowls have a gap due to punctual nubs and in this way ensure optimal gas exchange and prevent condensation. Due to the shape and design of the disposable plastic shells, light from the LED base plate on the one hand and daylight on the other hand can be used from all sides and all directions.

Die zwei Einweg-Kunststoffschalen umfassen je eine Vielzahl von Gelpartikeln (vgl. 3) und jeweils ein für Chlorella vulgaris bzw. Chlorella vulgaris geeignetes bzw. übliches Kulturmedium, wobei die erste Einweg-Kunststoffschale die die lebenden Mikroalgen Chlorella vulgaris umfassenden Gelpartikel und die zweite Einweg-Kunststoffschale die die lebenden Mikroalgen Heamatococcus pluvialis umfassenden Gelpartikel beinhaltet. Das jeweilige Kulturmedium stellt die für die Kultivierung der jeweiligen Mikroalgen notwendigen Nährstoffe über einen gewissen Zeitraum hinweg zur Verfügung und dient zudem als Schutz vor Austrocknung der Gelpartikel. Die Gelpartikel sind nebeneinander und nicht überlagernd in der jeweiligen Einweg-Kunststoffschale angeordnet, um eine Abschattung zu verhindern.The two disposable plastic bowls each contain a large number of gel particles (cf. 3 ) and in each case a culture medium suitable or usual for Chlorella vulgaris or Chlorella vulgaris, the first disposable plastic bowl containing the gel particles comprising the living microalgae Chlorella vulgaris and the second disposable plastic bowl containing the gel particles comprising the living microalgae Heamatococcus pluvialis. The respective culture medium provides the nutrients necessary for the cultivation of the respective microalgae over a certain period of time and also serves as protection against the gel particles drying out. The gel particles are arranged next to each other and not overlapping each other in the respective disposable plastic bowl in order to prevent shadowing.

Um günstige Wachstumsbedingungen bereitzustellen und damit eine maximale Produktivität zu erreichen wird eine Lichtintensität von 10-1000 µmol m-^2s-1, vorzugsweise 20-200 µEm^-2s^-1 und eine Temperatur im Bereich von 15 bis 25 °C über eine Regeleinrichtung, welche mit der jeweiligen Einrichtung signaltechnisch verknüpft ist, eingestellt. Während der Dunkelphase, welche periodisch nach 15 bis 20 Stunden einsetzt, wird die Temperatur um 3 bis 5 °C verringert. Das Verringern der Temperatur wird durch das Abschalten der Lichtquelle, welche im vorliegenden Fall der Wärmequelle entspricht, erreicht.In order to provide favorable growth conditions and thus achieve maximum productivity, a light intensity of 10-1000 µmol m- ^2s-1 , preferably 20-200 µEm ^-2 s ^-1 and a temperature in the range of 15 to 25 ° C via a control device, which is linked to the respective device in terms of signaling technology. During the dark phase, which begins periodically after 15 to 20 hours, the temperature is reduced by 3 to 5 °C. Reducing the temperature is achieved by switching off the light source, which in this case corresponds to the heat source.

Beispiel 3: Ablauf - Herstellung eines erfindungsgemäßen Gelpartikels und Kultivierung der Mikroalge Phaodactylum tricornutumExample 3: Process - Production of a gel particle according to the invention and cultivation of the microalgae Phaodactylum tricornutum

Vorbereitend wird ein die lebende Mikroalge Phaodactylum tricornutum enthaltendes Gelpartikel mit Alginaten, den genannten lebenden Mikroalgen und einem Kulturmedium (hier: ein für die Kultivierung von Phaodactylum tricornutum übliches bzw. geeignetes Kulturmedium) gemäß Beispiel 1 hergestellt. Nach der Bildung der Gelpartikel, werden dieselben mit einem Sieb aus dem Härtungsbad genommen (vgl. 2), abgetropft und in einer Ethanollösung äußerlich gereinigt.In preparation, a gel particle containing the living microalgae Phaodactylum tricornutum is prepared with alginates, the living microalgae mentioned and a culture medium (here: a culture medium that is customary or suitable for the cultivation of Phaodactylum tricornutum) according to Example 1. After the gel particles have formed, they are removed from the hardening bath using a sieve (cf. 2 ), drained and cleaned externally in an ethanol solution.

Die Gelpartikel werden in einen geschlossenen Kultivierungsbehälter, der eine CO₂ Zuleitung und eine Ableitung für Sauerstoff und Kondenswasser bereitstellt, gegeben. Der geschlossene Kultivierungsbehälter wird auf einer Lichtquelle angeordnet. Die Kultivierung der Mikroalgen in dem Gelpartikel ist analog zu Beispiel 2.The gel particles are placed in a closed cultivation container that provides a CO ₂ supply line and a discharge line for oxygen and condensation. The closed cultivation container is placed on a light source. The cultivation of the microalgae in the gel particle is analogous to example 2.

Im Anschluss an die Kultivierung, nach Erreichen der gewünschten Algendichte in dem Gelpartikel, werden die Gelpartikel bis zu einer extrazellulären Restfeuchte von 10 bis 12 Gew.-% getrocknet und mittels einer Kugelmühle zermahlen. Die auf diese Art freigesetzten Mikroalgen können dann - ggf. gemeinsam mit den Alginat-Bestandteilen - weiterverarbeitet werden.Following cultivation, after reaching the desired algae density in the gel particles, the gel particles are dried to an extracellular residual moisture of 10 to 12% by weight and ground using a ball mill. The microalgae released in this way can then be further processed - if necessary together with the alginate components.

Claims

Kultivierungssystem zur Kultivierung von Mikroalgen, mit - einer Vielzahl an Gelpartikeln umfassend oder bestehend aus einer gelartigen Matrix und lebenden von der gelartigen Matrix umschlossenen Mikroalgen, die als autarke Photobioreaktoren ausgebildet sind, sowie - einem Kulturmedium zur Kultivierung von Mikroalgen, wobei das Kultivierungssystem eine Art Wachstumsfaktoren-bereitstellendes Mittel ist, das die autarken Photobioreaktoren beinhaltet oder trägt.Cultivation system for cultivating microalgae, with - a large number of gel particles comprising or consisting of a gel-like matrix and living microalgae enclosed in the gel-like matrix, which are designed as self-sufficient photobioreactors, and - a culture medium for cultivating microalgae, the cultivation system being a type of growth factor-providing agent that contains or carries the self-sufficient photobioreactors.

Kultivierungssystem nach Anspruch 1, wobei das Gelpartikel kugelförmig ist.cultivation system Claim 1 , where the gel particle is spherical.

Kultivierungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die gelartige Matrix transparent und/oder lichtdurchlässig ist.cultivation system Claim 1 or 2 , wherein the gel-like matrix is transparent and / or translucent.

Kultivierungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Gelpartikel einen mittleren Durchmesser im Bereich von 0,3 bis 30 mm, vorzugsweise im Bereich von 1 bis 5 mm, hat.Cultivation system according to one of the preceding claims, wherein the gel particle has an average diameter in the range of 0.3 to 30 mm, preferably in the range of 1 to 5 mm.

Kultivierungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die gelartige Matrix für die davon umschlossenen lebenden Mikroalgen impermeabel ist.Cultivation system according to one of the preceding claims, wherein the gel-like matrix is impermeable to the living microalgae enclosed therein.

Kultivierungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei - der Anteil an lebenden Mikroalgen, bezogen auf das Gesamtgewicht des Gelpartikels, im Bereich von 0,1 bis 99 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 90 Gew.-%, liegt, und/oder - der Anteil an gelartiger Matrix, bezogen auf das Gesamtgewicht des Gelpartikels, im Bereich von 1 bis 99,9 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich von 1 bis 50 Gew.-%, liegt.Cultivation system according to one of the preceding claims, wherein - the proportion of living microalgae, based on the total weight of the gel particle, is in the range from 0.1 to 99% by weight, preferably in the range from 0.1 to 90% by weight, and/or - The proportion of gel-like matrix, based on the total weight of the gel particle, is in the range from 1 to 99.9% by weight, preferably in the range from 1 to 50% by weight.

Kultivierungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die gelartige Matrix aus einem oder mehreren synthetischen Polymeren und/oder einem oder mehreren Biopolymeren und/oder einem oder mehreren chemisch modifizierten Biopolymeren besteht.Cultivation system according to one of the preceding claims, wherein the gel-like matrix consists of one or more synthetic polymers and/or one or more biopolymers and/or one or more chemically modified biopolymers.

Kultivierungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Mikroalgen ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus autotrophen, heterotrophen und/oder mixotrophen Mikroalgen.Cultivation system according to one of the preceding claims, wherein the microalgae are selected from the group consisting of autotrophic, heterotrophic and/or mixotrophic microalgae.

Kultivierungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die gelartige Matrix der Gelpartikel für einen, mehrere oder sämtliche Bestandteile des Kulturmediums permeabel ist.Cultivation system according to one of the preceding claims, wherein the gel-like matrix of the gel particles is permeable to one, several or all components of the culture medium.

Kultivierungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, zudem enthaltend einen oder mehrere Kultivierungsbehälter.Cultivation system according to one of the preceding claims, also containing one or more cultivation containers.

Kultivierungssystem nach Anspruch 10, wobei der bzw. die Kultivierungsbehälter transparent und/oder lichtdurchlässig ist, bzw. sind.cultivation system Claim 10 , wherein the cultivation container(s) is or are transparent and/or translucent.

Kultivierungssystem nach Anspruch 10 oder 11, wobei der bzw. die Kultivierungsbehälter offen oder geschlossen ausgestaltet ist bzw. sind.cultivation system Claim 10 or 11 , wherein the cultivation container(s) is or are designed to be open or closed.

Kultivierungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, zudem enthaltend eine oder mehrere Lichtquellen, und/oder eine oder mehrere Heizeinrichtungen, und/oder eine oder mehrere Kühleinrichtungen, und/oder eine oder mehrere CO₂-Quellen, und/oder ein oder mehrere Vorratsbehälter und/oder eine oder mehrere Zu- und/oder Ableitungen, und/oder ein oder mehrere Mittel zur Probennahme.Cultivation system according to one of the preceding claims, further comprising one or more light sources, and/or one or more heating devices, and/or one or more cooling devices, and/or one or more CO ₂ sources, and/or one or more storage containers and/or or one or more inlets and/or outlets, and/or one or more sampling means.

Verfahren zur Bereitstellung eines Kultivierungssystems nach einem der vorangehenden Ansprüche mit folgenden Schritten: - Herstellen eines Gelpartikels mit oder bestehend aus folgenden Schritten: (i) Bereitstellen einer oder mehrerer Substanzen zur Bildung einer gelartigen Matrix, (ii) Bereitstellen einer oder mehrerer lebender Mikroalgen, (iii) Bilden einer gelartigen Matrix, so dass ein Gelpartikel entsteht, in dem die lebenden Mikroalgen von der gelartigen Matrix umschlossen sind, - Bereitstellen eines Kulturmediums, und - Zusammenführen der Gelpartikel und des Kulturmediums, so dass das Kultivierungssystem eine Art Wachstumsfaktoren-bereitstellendes Mittel ist, das die autarken Photobioreaktoren beinhaltet oder trägt.Method for providing a cultivation system according to one of the preceding claims with the following steps: - Producing a gel particle with or consisting of the following steps: (i) providing one or more substances to form a gel-like matrix, (ii) providing one or more live microalgae, (iii) forming a gel-like matrix, so that a gel particle is created in which the living microalgae are surrounded by the gel-like matrix, - Providing a culture medium, and - Combining the gel particles and the culture medium so that the cultivation system is a kind of growth factor-providing agent that includes or carries the self-sufficient photobioreactors.