DE102021106241B4

DE102021106241B4 - Vorrichtung zum Kultivieren von Mikroorganismen

Info

Publication number: DE102021106241B4
Application number: DE102021106241.1A
Authority: DE
Inventors: Bernd Ihlow
Original assignee: Individual
Current assignee: Quink Monika De
Priority date: 2021-03-15
Filing date: 2021-03-15
Publication date: 2023-04-06
Anticipated expiration: 2041-03-16
Also published as: DE102021106241A1; WO2022194834A1

Abstract

Vorrichtung zum Kultivieren von Mikroorganismen, bevorzugterweise von phototrophen Mikroorganismen, vorzugsweise Phytoplankton, insbesondere Mikroalgen, wie Spirulina oder Chlorella, umfassend einen Behälter (10, 100) mit Ein- und Auslass (12) für den Behälter durchströmende Nährflüssigkeit sowie zumindest eine Leiteinrichtung (40, 42, 44) für die durchströmende Nährflüssigkeit, dadurch gekennzeichnet , dass die Leiteinrichtung (40, 42, 44) wendelförmig ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Kultivieren von Mikroorganismen, bevorzugterweise von phototrophen Mikroorganismen, vorzugsweise Phytoplankton, insbesondere Mikroalgen, wie Spirulina oder Chlorella, umfassend einen Behälter mit Ein- und Auslass für den Behälter durchströmende Nährflüssigkeit sowie zumindest eine Leiteinrichtung für die durchströmende Nährflüssigkeit.
Mikroorganismen wie Mikroalgen werden für Pharmazeutika, Nahrungsmittel, Chemiestoffe genutzt, um nur beispielhaft einige Produkte zu nennen. Daher besteht ein Bedürfnis, diese in Massen zu produzieren. Aufgrund der bisherigen hohen Produktionskosten sind Schranken bei der Verwendung gesetzt. Nachteilig bekannter Produktionsanlagen ist auch, dass bei großen Produktionsanlagen bei Auftreten einer Kontamination aufwendige Reinigungsarbeiten erforderlich sind und häufig die Gesamtcharge, die sich in der Produktionsanlage befindet, vernichtet werden muss.
Der WO 2015/032389 ist eine Produktionsanlage zu entnehmen, die ein Gehäuse mit vertikal verlaufenden Trennwänden aufweist, um eine mäanderförmige Strömung der zur Algenproduktion benutzten Lösung zu ermöglichen. Die für das Algenwachstum erforderliche Beleuchtung ist an den Stirnflächen der Trennwände angebracht. Tritt eine Kontamination auf, so dass die Vorrichtung zu reinigen ist, muss diese vollständig entleert werden. Dabei müssen die durch die vertikalen Trennwände unterteilten Bereiche einzeln gesäubert werden.
Um bei Kontaminationen große Chargen nicht vernichten zu müssen, ist es bekannt, Mikroorganismen in relativ kleinen Gefäßen wie Flaschen zu produzieren ( EP 2 987 400 B1 , DE 10 2009 028 059 A1 ). Nachteilig ist dabei, dass die zum Wachstum benötigte Strahlung grundsätzlich nur von außen appliziert werden kann, so dass es erforderlich ist, den Inhalt der Behältnisse fortwährend zu durchmischen, wie z.B. durch Drehen, Schütteln oder Rollen. Auch werden Rühreinrichtungen benutzt, die in die Behältnisse eingebaut werden.
Aus der DE 10 2012 214 493 A1 ist ein Photobioreaktor zur Kultivierung von phototropher Organismen bekannt. Der Reaktor besteht aus einem zylinderförmigen Körper, der von einem lichtdurchlässigen Dach abgedeckt ist. Innerhalb des Reaktors verläuft etagenförmig ein transparentes Leitungssystem, das von Nährflüssigkeit durchströmt ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass großtechnisch Mikroorganismen kultiviert werden können, ohne dass ein hoher konstruktiver Aufwand betrieben werden muss.
Nach einem weiteren Aspekt soll die Möglichkeit eines einfachen Entleerens der Vorrichtung, insbesondere im Falle einer Kontamination, gegeben sein.
Auch soll im Falle des Kultivierens phototropher Mikroorganismen gewährleistet sein, dass die Nährlösung, in der die Mikroorganismen wachsen, einer Strahlung in hinreichendem Umfang ausgesetzt werden, ohne dass zusätzliche aufwendige Maßnahmen zum Durchmischen der Nährflüssigkeit erforderlich sind.
Zur Lösung der Aufgabe sieht die Erfindung im Wesentlichen vor, dass die Leiteinrichtung wendelförmig ausgebildet ist.
Abweichend von vorbekannten Konstruktionen, bei denen die Produktion der Mikroorganismen in großen Anlagen produziert werden, also nicht in Flaschen oder kleinen Behältnissen, wie diese dem Stand der Technik zu entnehmen ist, erfolgt kein mäanderförmiges Durchströmen des Behälters, sondern ein Führen der Nährflüssigkeit entlang einer wendelförmig ausgebildeten Leiteinrichtung. Somit ist eine konstruktiv einfache Lösung gegeben, die insbesondere den Vorteil bietet, dass ein problemloses vollständiges Entleeren des Behälters durch eine im Bodenbereich vorhandene Öffnung ermöglicht wird.
Daher sieht die Erfindung insbesondere vor, dass bodenseitig der Auslass und kopfseitig der Einlass vorhanden sind. Der Behälter selbst sollte eine Zylinderform aufweisen.
Hervorzuheben ist des Weiteren, dass die Leiteinrichtung eine eine Spiralbahn bildende Führungseinrichtung aufweist, entlang der die Nährflüssigkeit strömt. Dabei ist die Leiteinrichtung gegenüber der Behälterinnenwandung abgedichtet und geht mittig von einer Spindel oder Säule aus oder weist eine solche auf.
Vorzugsweise ist der Behälter aus zylinderförmigen Segmenten zusammengesetzt, von deren Innenseiten Abschnitte der Führungseinrichtung ausgehen.
Um phototrophe Mikroorganismen mit der zum Wachsen erforderlichen Strahlung in hinreichendem Umfang aussetzen zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass mehrere radial sich in den Behälter erstreckende Lichtquellen vorgesehen sind. Diese können über Durchtrittsöffnungen in der Behälterwandung in den Behälter eingeführt werden. Dabei können die langgestreckten Lichtquellen, bei denen es sich insbesondere um LED-Röhren handelt, eine Bahn aufspannen, die zumindest abschnittsweise parallel zur Führungseinrichtung verläuft.
Ein entsprechender Behälter kann z.B. eine in Bezug auf die Nährflüssigkeit effektive Höhe von drei Metern und einem Durchmesser von zwei Metern aufweisen.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmal - für sich oder / in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:

1 einen Behälter zum Kultivieren von Mikroorganismen,
2 der Behälter gemäß 1 in Draufsicht,
3 einen Schnitt entlang der Linie A-A in 2,
4 der Behälter gemäß 3 in auseinandergezogener Darstellung,
5 ein Segment des Behälters,
6 eine zweite Ausführungsform eines Behälters und
7 Einbauten des Behälters gemäß 6.

Anhand der Figuren werden Vorrichtungen zum Kultivieren von Mikroorganismen, insbesondere phototrophen Mikroorganismen, wie Mikroalgen, beschrieben, mit denen eine großtechnische Produktion ermöglicht wird. Dabei strömt die zum Wachsen der Mikroorganismen benötigte Nährlösung nicht entlang einer mäanderförmigen Strecke, sondern fließt insbesondere schwerkraftbedingt entlang eines wendelförmigen, also schrauben- oder zylinderspiralförmigen Weg. Ein entsprechender Strömungsweg wird in den Ausführungsbeispielen in einem zylinderförmigen Tank 10, 100, 100 gebildet. In diesem befinden sich entsprechende Führungseinrichtungen als Einbauten.
Wie sich aus der 3 ergibt, weist der Behälter 10 bodenseitig einen als Auslass dienenden Anschluss 12 auf, um über diesen aus dem Behälter 10 strömende Nährlösung mittels einer Kreislaufpumpe 14 zu einer Öffnung im Kopfbereich des Behälters 10 zu fördern, so dass die Nährlösung im Kreislauf strömen kann.
Im Ausführungsbeispiel der 1 bis 5 besteht der Behälter aus Segmenten 18, 20, 22, 24, 26, wie dies sich insbesondere auch aus der auseinandergezogenen Darstellung gemäß 4 ergibt. Das unterste Segment 18 ist ein Bodensegment und weist eine Bodenwandung 28 auf. Das oberste Segment 26 wird über einen Deckel 38 verschlossen. Die Segmente 18, 20, 22, 24, 26 selbst können untereinander verschweißt werden und bestehen insbesondere aus Stahl, vorzugsweise V2A Stahl.
Im Ausführungsbeispiel ist der Behälter 10 über Beine 30, 32, 34, 36 abgestützt.
In den Segmenten 20, 22, 24, 26 befinden sich Abschnitte einer eine Spiralbahn bildenden Führungseinrichtung 40. Einige der von den Segmenten 18, 20, 22, 24, 26 ausgehenden Abschnitte sind mit den Bezugszeichen 42, 44 gekennzeichnet.
Das Segment 26 ist in 5 vergrößert dargestellt. Man erkennt den Abschnitt 42, der einen Spiralabschnitt darstellt und somit eine geneigte, also eine schräge Führungsbahn 44 für die entlang dieser strömenden Nährflüssigkeit bildet, wie die entsprechenden Abschnitte in den Segmenten 18, 20, 22, 24. Dabei gehen die Abschnitte stetig ineinander über.
Des Weiteren geht jeder Abschnitt 42, 44 von einem Abschnitt einer Säule oder Spindel 50 aus, die die erforderliche Stabilität und Statik für die Abschnitte 42, 44 sicherstellt. Die Säule 50 verläuft mittig in dem Behälter 10 und in dessen Längsachsenrichtung.
Ferner sind die Wendelabschnitte 42, 44 mit den Innenflächen 52 der Segmente 20, 22, 24, 26 dicht verbunden, insbesondere durch Schweißen, so dass die Nährflüssigkeit ausschließlich entlang der eine Spiralgeometrie aufweisenden Führungseinrichtung strömen muss, und zwar vom obersten Segment 26 zum Bodensegment 18 hin.
Um die Nährlösung der erforderlichen Strahlung zum Wachsen der phototrophen Mikroorganismen aussetzen zu können, weisen die Segmente Öffnungen auf, von denen einige mit den Bezugszeichen 54, 58 gekennzeichnet sind. In die Öffnungen können stabförmige Lichtquellen, wie LED-Röhren 58, 60, eingeschoben und abgedichtet gegenüber der Behälterwandung fixiert werden. Dabei erstrecken sich die Lichtquellen - wie insbesondere die 4 verdeutlicht - insbesondere radial innerhalb des Behälters 10. Kann von jeder der Öffnungen 56, 58 eine entsprechende stabförmige Lichtquelle ausgehen, so ist dies kein zwingendes Merkmal. Nicht benutzte Öffnungen werden dicht verschlossen.
Durch eine diesbezügliche Konstruktion kann zum einen die erforderliche Strahlung appliziert werden. Zum anderen kann ein problemloser Austausch erfolgen bzw. können in Abhängigkeit von der benötigten Lichtleistung eine entsprechende Anzahl von Lichterquelle in gewünschte Öffnungen eingeschoben werden. Die von den Leuchten emittierte Strahlung sollte im Wellenlängenbereich zwischen 430 nm und 680 nm liegen.
Ein entsprechender Behälter kann jedoch auch zur Produktion heterotropher Mikroorganismen genutzt werden. Dabei wird zur Kultivierung Zucker oder Essigsäure (Acetat) anstelle von Licht und CO₂ verwendet. Weitere Zusätze zur Nährlösung erfolgen gemäß dem Stand der Technik.
Der den 6 und 7 zu entnehmende Behälter unterscheidet sich von dem der 1 und 5 dahingehend, dass ersterer nicht in Segmentbauweise hergestellt ist. So ist zur Erzielung der spiralförmig verlaufenden Strömung der Nährlösung ein Einsatz 102 vorgesehen, der in der zeichnerischen Darstellung einstückig ausgebildet ist, wenngleich dies kein zwingendes Merkmal ist. Auch ist keine Spindel oder Säule eingezeichnet, die üblicherweise bei entsprechenden Spiralelementen vorhanden ist.
Im Übrigen ergeben sich die im Zusammenhang mit den 1 bis 5 beschriebenen Vorteile auch bei dem Behälter 10 zum Kultivieren von Mikroorganismen. Insoweit wird auf die entsprechenden Ausführungen verwiesen.
Der eine Zylinderform aufweisende Behälter 10, 100 kann ein Fassungsvermögen von z.B. 10m³ aufweisen. Der Durchmesser kann zwischen 2.200 mm und 2.400 mm betragen. Die Ganghöhe der Wendel sollte im Bereich von 500 mm liegen.
Bevorzugterweise wird der Behälter 10, 100 mit 50 LED-Röhren bestückt, wobei die Leistung einer Halogenröhre bei 36 Watt liegen sollte. Die Farbtemperatur sollte 6.500 K betragen.

Claims

Vorrichtung zum Kultivieren von Mikroorganismen, bevorzugterweise von phototrophen Mikroorganismen, vorzugsweise Phytoplankton, insbesondere Mikroalgen, wie Spirulina oder Chlorella, umfassend einen Behälter (10, 100) mit Ein- und Auslass (12) für den Behälter durchströmende Nährflüssigkeit sowie zumindest eine Leiteinrichtung (40, 42, 44) für die durchströmende Nährflüssigkeit, dadurch gekennzeichnet , dass die Leiteinrichtung (40, 42, 44) wendelförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (10, 100) eine Zylinderform mit kopfseitigem Einlass und bodenseitigem Auslass (12) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiteinrichtung (40, 42, 44, 102) eine eine Spiralbahn bildende Führungseinrichtung aufweist, die sich in Längsachsenrichtung des Behälters (10, 100) erstreckt.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter mehrere, vorzugsweise sich radial in den Behälter hinein erstreckende Lichtquellen (58, 60) aufweist.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (58, 60) oder Halterungen dieser Durchtrittsöffnungen (56, 62) der Behälterwandung durchsetzen.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (10) aus Segmenten (18, 20, 22, 24, 26) zusammengesetzt ist, von deren Innenseiten Abschnitte (42, 44) der Führungseinrichtung (40) ausgehen.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschnitte (42, 44) der Führungseinrichtung (40) mittig mit Abschnitten einer Spindel bzw. einer Säule (50) verbunden sind.