DE10222214A1 - Laboratory culture reactor for phototrophic organisms such as algae is fabricated from translucent material and sub-divided into two or more compartments - Google Patents

Laboratory culture reactor for phototrophic organisms such as algae is fabricated from translucent material and sub-divided into two or more compartments

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DE10222214A1
DE10222214A1 DE2002122214 DE10222214A DE10222214A1 DE 10222214 A1 DE10222214 A1 DE 10222214A1 DE 2002122214 DE2002122214 DE 2002122214 DE 10222214 A DE10222214 A DE 10222214A DE 10222214 A1 DE10222214 A1 DE 10222214A1
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Friedrich H Mohn
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Forschungszentrum Juelich GmbH
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Abstract

A laboratory photo-bioreactor (1) acting as a culture chamber for phototrophic organisms requiring continued exposure to light, is new. The reactor (1) is especially sub-divided into two or more compartments containing the phototrophic organisms in conditions of light conducive to the culture growth. A laboratory photo-bioreactor (1) acting as a culture chamber for phototrophic organisms requiring continued exposure to light, is new. The reactor (1) is especially sub-divided into two or more compartments containing the phototrophic organisms in conditions of light conducive to the culture growth. Each compartment has a horizontal depth of 5 - 30 mm and is fabricated of translucent material e.g. artificial glass, glass or foil. The photo-bioreactor has an inlets for gas and fluid media, and means by which the biomass culture can be removed as required. The rear wall (2a) of the compartment (2) is made of a strong material. The compartment is platform shaped or tubular and facilitates continued production of a suitable culture in which the biomass concentration is determined by the dilution rate. Cells from the cells enjoying the highest exposure to incident light are discharged to compartments with lesser exposure.

Description

Die Erfindung betrifft einen Photobioreaktor sowie ein Verfahren zur Produktion von Biomasse. The invention relates to a photobioreactor and a Process for the production of biomass.

Photobioreaktoren sind Bioreaktoren, in denen phototrophe Mikroorganismen, wie Algen, Cyanobacterien und Purpurbakterien kultiviert werden. In diesen Reaktoren wird entweder das Wachstum und die Vermehrung dieser Zellen ermöglicht oder die Produktion unterschiedlicher Substanzen mittels phototropher Zellen. Solche Photobioreaktoren sind in der Literatur ausreichend beschrieben (Hu, Q., N. Kurano, M. Kawachi, I. Iwasaki und S. Miyachi (1998): "Ultrahigh-cell-density culture of a marine green alga Chlorococcum littorale in a flatplate photobioreactor". "Appl. Microbiol. Biotechnol.", 49: 655-662; Zhang, K., N. Kurano and S. Miyachi (1999): "Outdoor culture of a cyanobacterium with a vertical flat plate photobioreactor: effects on productivity of the reactor orientation, distance settings between the plates, and culture temperature". "Appl. Microbiol. Biotechnol.", 52: 781-786; Grobbelaar, J. U., L. Nedbal, L. Tichy and I. Setlik (1995): "Variations in some photosynthetic characteristics of microalgae cultured in outdoor thin-layered sloping reactors". "J. Appl. Phycol.", 7: 243-260; Degen, J. Ueblee, A., Retze. A., Schmid- Staiger, U., Trösch, W. (2001): "A novel airlift photobioreactor with baffles for improved light utilization through the flashing light effect". "J. Biotechnol.", 92: 89-94; Lee, Y. K., Ding, S. Y., Low, C. S., Chang, Y. C., Forday, W. L., Chew P. C. (1995): "Design and performance of an α-tubular photobioreactor for mass cultivation of microalgae". "J. appl. Phycol.", 7: 47-51; Pulz, O., Gerbsch, N., Bacholz, R. (1995): "Light energy supply in plate-type and light diffusing optical fibre bioreactors". "J. appl. Phycol." 7: 145-149; Richmond, A., Cheng- Wu, Z. (2001): "Optimization of a flat plate glass reactor for mass production of Nannochloropsis sp. Outdoors". "J. Biotechnol.", 85: 259-269; Tredici, M. R., Materassi, R. (1992): "From open ponds to vertical alveolar panels: the Italian experience in the development of a reactor for the mass cultivation of photoautotrophic microorganisms". "J. appl. Phycol." 4: 221-231). Photobioreactors are bioreactors in which phototrophic microorganisms such as algae, cyanobacteria and Purple bacteria are cultivated. In these reactors will either grow and multiply this Allows cells or the production of different Substances using phototrophic cells. Such Photobioreactors are sufficient in the literature (Hu, Q., N. Kurano, M. Kawachi, I. Iwasaki and S. Miyachi (1998): "Ultrahigh-cell-density culture of a marine green alga Chlorococcum littorale in a flatplate photobioreactor "." Appl. Microbiol. Biotechnol. " 49: 655-662; Zhang, K., N. Kurano and S. Miyachi (1999): "Outdoor culture of a cyanobacterium with a vertical flat plate photobioreactor: effects on productivity of the reactor orientation, distance settings between the plates, and culture temperature "." Appl. Microbiol. Biotechnol. ", 52: 781-786; Grobbelaar, J.U., L. Nedbal, L. Tichy and I. Setlik (1995): "Variations in some photosynthetic characteristics of microalgae cultured in outdoor thin-layered sloping reactors "." J. Appl. Phycol. " 7: 243-260; Degen, J. Ueblee, A., Retze. A., Schmid- Staiger, U., Trösch, W. (2001): "A novel airlift photobioreactor with baffles for improved light utilization through the flashing light effect "." J. Biotechnol. ", 92: 89-94; Lee, Y.K., Ding, S.Y., Low, C.S., Chang, Y.C., Forday, W.L., Chew P.C. (1995): "Design and performance of an α-tubular photobioreactor for mass cultivation of microalgae "." J. appl. Phycol. ", 7: 47-51; Pulz, O., Gerbsch, N., Bacholz, R. (1995): "Light energy supply in plate-type and light diffusing optical fiber bioreactors "." J. appl. Phycol. "7: 145-149; Richmond, A., Cheng- Wu, Z. (2001): "Optimization of a flat plate glass reactor for mass production of Nannochloropsis sp. Outdoors "." J. Biotechnol. ", 85: 259-269; Tredici, M.R., Materassi, R. (1992): "From open ponds to vertical alveolar panels: the Italian experience in the development of a reactor for the mass cultivation of photoautotrophic microorganisms "." J. appl. Phycol. "4: 221-231).

Ein wichtiges Einsatzgebiet von Photobioreaktoren ist die Erzeugung von Algen, die zur Primärproduktion von Biomasse eine Rolle spielen. Algen sind wichtige CO2-Konsumenten und können deshalb umweltentlastend wirken. Zu den Algen zählen einerseits die prokaryotischen Cyanobakterien als auch die eukaryotischen, mikroskopischen Algenklassen. Diese Organismen liefern eine Vielfalt von Substanzklassen, die sich für Zwecke der Pharmazie, Kosmetik, Nahrung, Tierernährung sowie für technische Zwecke einsetzen lassen. Wichtige Stoffklassen sind hierbei lipophile Verbindungen, wie z. B. Fettsäuren, Lipide, Sterole und Carotinoide, hydrophile Stoffe wie Polysaccharide, Proteine bzw. Aminosäuren und Phycobiliproteine sowie die Gesamtmasse als proteinreicher, nukleinsäurearmer Rohstoff. An important area of application for photobioreactors is the generation of algae, which play a role in the primary production of biomass. Algae are important CO 2 consumers and can therefore be environmentally friendly. The algae include the prokaryotic cyanobacteria as well as the eukaryotic, microscopic algae classes. These organisms provide a variety of classes of substances that can be used for pharmaceutical, cosmetic, food, animal nutrition and technical purposes. Important classes of substances are lipophilic compounds, such as. B. fatty acids, lipids, sterols and carotenoids, hydrophilic substances such as polysaccharides, proteins or amino acids and phycobiliproteins and the total mass as a protein-rich, low-nucleic acid raw material.

Die Wirtschaftlichkeit der durch Mikroalgen produzierten Stoffe wird zunächst durch die Produktivität der ausgesuchten Algenspezies bestimmt. Jedoch nur, wenn gleichzeitig ein hoher Umwandlungswirkungsgrad von solarer Strahlungsenergie in die gewünschte Biomasseform erreicht wird und der energetische Aufwand und die Kosten für Herstellung, Installation und Betrieb der Anlage äußerst gering gehalten werden. Eine hohe Biomasseproduktivität ist von der optimalen Lichtverteilung im Photobioreaktor abhängig. The economy of microalgae produced substances is initially due to the productivity of the selected algae species determined. However, only if at the same time a high conversion efficiency of solar radiation energy in the desired biomass form is achieved and the energy expenditure and the Production, installation and operation costs of the System can be kept extremely low. A high Biomass productivity is dependent on the optimal light distribution in the Depending on the photobioreactor.

Eine wichtige Rolle hinsichtlich der optimalen Lichtverteilung und Lichtnutzung spielt auch die Fähigkeit der Algen, sich an unterschiedliche Lichtintensitäten anzupassen. Bei dieser Photoakklimatisierung kann man zwischen Algen unterscheiden, die an starke Lichtintensitäten angepasst sind, im folgenden unter der Abkürzung "HL" (high light) zusammengefasst, und Algen, die an schwache Lichtintensitäten angepasst sind, im folgenden unter der Bezeichnung "LL" (low light) zusammengefasst. An important role in terms of optimal Light distribution and light use also play the ability of algae, different light intensities adapt. With this photo acclimatization one can distinguish between algae that are strong Light intensities are adjusted below in the Abbreviation "HL" (high light) summarized, and algae that are adapted to weak light intensities, in following under the designation "LL" (low light) summarized.

HL-Algen weisen folgende Eigenschaften auf:

  • - hohe, maximale Photosyntheseraten
  • - geringer Anteil an Chlorophyll pro Biomasse
  • - hoher Anteil an accessorischen Pigmenten, wie z. B. Carotinoiden
  • - geringe Photosynthese-Effizienz
  • - hohe Ik-Werte (Übergang zwischen lichtabhängiger und lichtgesättigter Photosynthese).
HL algae have the following properties:
  • - high, maximum photosynthesis rates
  • - low proportion of chlorophyll per biomass
  • - high proportion of accessory pigments, such as B. Carotenoids
  • - low photosynthesis efficiency
  • - high I k values (transition between light-dependent and light-saturated photosynthesis).

LL-Algen weisen dagegen folgende Eigenschaften auf:

  • - geringe, maximale Photosyntheseraten
  • - hoher Anteil an Chlorophyll pro Biomasse
  • - geringer Anteil an accessorischen Pigmenten, wie z. B. Carotinoiden
  • - hohe Photosynthese-Effizienz
  • - geringe Ik Werte.
LL algae, on the other hand, have the following properties:
  • - low, maximum photosynthesis rates
  • - high proportion of chlorophyll per biomass
  • - low proportion of accessory pigments, such as. B. Carotenoids
  • - high photosynthesis efficiency
  • - low I k values.

Für die Nutzung der bisher bekannten Photobioreaktoren bedeutet diese Anpassung der Algen an die Lichtintensität folgendes: In der Anfangsphase einer Kultivierung im Freiland liegt eine geringe Zelldichte pro Volumen vor. Die Zellen werden mit einer hohen, durchschnittlichen Lichtintensität bestrahlt und adaptieren dadurch zum HL-Zustand. Mit zunehmendem Wachstum steigt die Zelldichte an, und die durchschnittliche Lichtintensität nimmt auf Grund der Selbstabschattung der Zellen ab. Die Zellen adaptieren folglich zum LL-Zustand. Dies bedeutet, dass zu Beginn der Kultivierung hohe Lichtintensitäten genutzt werden können und im Lauf der weiteren Kultivierung nur noch die geringere Lichtintensität, jedoch niemals der gesamte Bereich der Lichtintensität, d. h. hohe, mittlere und niedrige Lichtintensitäten. For the use of the previously known photobioreactors means this adaptation of the algae to the Light intensity the following: In the initial phase of cultivation in the field there is a low cell density per volume in front. The cells are average light intensity and thereby adapt HL status. With increasing growth the Cell density, and the average light intensity decreases due to the self-shadowing of the cells. The cells thus adapt to the LL state. This means that at the beginning of cultivation high Light intensities can be used and in the course of further cultivation only the lesser Light intensity, but never the entire area of Light intensity, d. H. high, medium and low Light intensities.

Allen bisher bekannten Photobioreaktoren ist gemeinsam, dass nur die durchschnittliche Lichtintensität genutzt werden kann. Diese durchschnittliche Lichtintensität ist insbesondere von der Absorption der Biomasse und zum Teil von der Lichtabsorption des Kulturmediums abhängig. In den meisten Fällen begrenzt die Selbstabschattung der Biomasse die verfügbare Lichtintensität, so daß mit zunehmender Biomasse immer auch eine Abnahme der Lichtintensität und damit eine Verringerung der tatsächlich möglichen Lichtausbeute verbunden ist. All photobioreactors known so far have in common that only the average light intensity is used can be. This average light intensity is particularly of the absorption of the biomass and partly from the light absorption of the culture medium dependent. In most cases, the Self-shadowing of the biomass, the available light intensity, so that with increasing biomass there is always a decrease the light intensity and thus a reduction in actually possible light output is connected.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Photobioreaktor sowie ein Verfahren zu schaffen, welcher bzw. welches die oben beschriebenen Nachteile nicht mehr aufweist. It is therefore an object of the invention to To create a photobioreactor and a process which which no longer has the disadvantages described above having.

Ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Weiterhin wird die Aufgabe, ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 10, erfindungsgemäß gelöst, mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 10 angegebenen Merkmalen. Starting from the preamble of claim 1 Task solved according to the invention, with in the characterizing Features specified in claim 1. Farther the task, starting from the generic term of Claim 10, solved according to the invention, with the characterizing part of claim 10 specified Features.

Gegenstand der Erfindung ist ein Photobiorektor, der in mehrere Kompartimente unterteilt ist, in denen sich die den jeweils vorherrschenden Lichtbedingungen (Lichtintensität, Wellenlängenspektrum) angepassten, phototrophen Organismen befinden. In dem Kompartiment, welches der Lichteinstrahlung am nächsten ist, im folgenden als Front-Kompartiment bezeichnet, und daher die höchste Lichtintensität vorherrscht, befinden sich Zellen im HL-Zustand. In den dahinter angeordneten Kompartimenten befinden sich die Zellen, die sich der abnehmenden Lichtintensität angepasst haben und sich damit im Zustand der mittleren Lichtintensität bis geringen Lichtintensität, LL-Zustand befinden. The invention relates to a photobiorector, which in is divided into several compartments, in which the the prevailing lighting conditions (Light intensity, wavelength spectrum) adapted, phototrophic organisms. In the compartment, which is the closest to the light, in hereinafter referred to as the front compartment, and therefore the the highest light intensity prevails HL-state cells. In the arranged behind Compartments are the cells that make up the have adjusted decreasing light intensity and thus in the state of medium light intensity to low Light intensity, LL state.

Mit dem erfindungsgemäßen Photobioreaktor und dem Verfahren ist es nunmehr möglich, einen großen Bereich des Wellenlängenspektrums sowie den gesamten Bereich der eingestrahlten Lichtintensität mit der höchst möglichen Effektivität photosynthetisch zu nutzen. Mit dem erfindungsgemäßen Photobioreaktor und dem Verfahren kann die Fähigkeit der Algen, sich an Licht anzupassen, genutzt werden, so dass höhere Ausbeuten, bezogen auf die belichtete Fläche gegenüber bekannten Photobioreaktoren und Verfahren erzielt werden können. Die Produktivität kann gegenüber bisher bekannten Photobioreaktoren und Verfahren signifikant erhöht werden. Das Front- Kompartiment, mit den Zellen im HL-Zustand, die durch das erfindungsgemäße Verfahren auch konstant in diesem Zustand gehalten werden, kann die hohe Lichtintensität effektiv nutzen. Die dahinter liegenden Kompartimente, in denen die Lichtintensität immer stärker abnimmt, können auf Grund ihrer Anpassung d. h. dadurch, dass sie zunehmend die Eigenschaften von LL-Zellen aufweisen und dieser Zustand durch das erfindungsgemäße Verfahren konstant gehalten wird, auch diese geringere Lichtintensität mit einer hohen Effizienz nutzen. Durch die Verbindung der Nutzung von HL-Zellen in Kombination mit LL-Zellen zusammen in einem Photobioreaktor können sowohl starke, mittlere, als auch niedrige Lichtintensitäten parallel mit der jeweils maximalen Photosyntheserate genutzt werden. Dies ist bei bisher bekannten Reaktoren nicht möglich. Hier kann die hohe Lichtintensität nur zu Beginn der Kultivierung genutzt werden, wobei nur eine geringe Photosynthese-Effizienz auf Grund des geringen Anteils an Chlorophyll pro Biomasse vorliegt. Ein Teil der Lichtintensität bleibt ungenutzt. Mit zunehmendem Wachstum verringert sich die Lichtintensität im Reaktor auf Grund der Selbstabschattung der Zellen. Es werden nur noch geringe Lichtintensitäten genutzt; hohe Intensitäten bleiben ungenutzt. With the photobioreactor according to the invention and the It is now possible to process a large area of the Wavelength spectrum as well as the entire range of radiated light intensity with the highest possible Effectiveness to use photosynthetically. With the photobioreactor according to the invention and the method can Ability of the algae to adapt to light are, so that higher yields, based on the exposed area compared to known photobioreactors and procedures can be achieved. The productivity can compared to previously known photobioreactors and Procedures can be significantly increased. The front Compartment, with the cells in the HL state, passing through the inventive method also constant in this Condition can be maintained, the high light intensity use effectively. The compartments behind it, in which the light intensity decreases more and more, Due to their adjustment d. H. in that they increasingly have the properties of LL cells and this state by the method according to the invention is kept constant, even this lower one Use light intensity with high efficiency. Through the Linking the use of HL cells in combination with LL cells can be put together in a photobioreactor both strong, medium and low Light intensities in parallel with the maximum Photosynthesis rate can be used. This is the case with previously known Reactors not possible. Here the high Light intensity can only be used at the beginning of cultivation, being low in photosynthesis efficiency due to the low proportion of chlorophyll per biomass is present. Part of the light intensity remains unused. With increasing growth the decreases Light intensity in the reactor due to the self-shadowing of the Cells. There are only low light intensities used; high intensities remain unused.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Advantageous further developments are in the Subclaims specified.

Die Zeichnungen zeigen eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Photobioreaktors und des Verfahrens. The drawings show an example Embodiment of the photobioreactor according to the invention and the Process.

Es zeigt: It shows:

Fig. 1 Photobioreaktor mit den unterschiedlichen Kompartimenten, Fig. 1 photobioreactor with the different compartments,

Fig. 3 Photobioreaktor mit für die Kultivierung eingesetzten Einrichtungen, Fig. 3 photobioreactor with used for the cultivation facilities,

Fig. 3 Photosyntheserate in Abhängigkeit von der Lichtintensität, 2 Stunden nach Inkubation, Fig. 3 photosynthetic rate as a function of the light intensity 2 hours after incubation,

Fig. 4 Photosyntheserate in Abhängigkeit von der Lichtintensität, 48 Stunden nach Inkubation. Fig. 4 photosynthesis rate depending on the light intensity, 48 hours after incubation.

Fig. 1 zeigt den Photobioreaktor 1 mit den Kompartimenten 2. Dabei wird das Front-Kompartiment A direkt mit dem Wellenlängenspektrum der Lichtquelle bestrahlt, während die dahinter angeordneten Kompartimente B und C nur mit Licht der Wellenlänge bestrahlt werden, welches durch das jeweils zuvor angeordnete Kompartiment durchgelassen wird. Die Rückwand 2a des letzten Kompartiments C ist aus lichtundurchlässigem Material konstruiert. Fig. 1 shows the photobioreactor 1 with the compartments. 2 The front compartment A is irradiated directly with the wavelength spectrum of the light source, while the compartments B and C arranged behind it are irradiated only with light of the wavelength which is transmitted through the respectively arranged compartment. The rear wall 2 a of the last compartment C is constructed from opaque material.

Fig. 2 zeigt den Photobioreaktor 1 mit zwei Kompartimenten 2. Das Front-Kompartiment A, welches direkt von der Lichtquelle bestrahlt wird, und in dem sich folglich Zellen im HL-Zustand befinden, wird über eine Peristaltikpumpe 4 mit Nährlösung aus dem Vorratsgefäß 3 versorgt. Die Suspension aus Kompartiment A wird mittels einer Dosierpumpe 5 in das Kompartiment B, überführt. Von dort kann das Produkt (Biomasse) in einem Auffangbehälter 6 gesammelt werden. Fig. 2 shows the photobioreactor 1 having two compartments 2. The front compartment A, which is irradiated directly by the light source and in which there are consequently cells in the HL state, is supplied with nutrient solution from the storage vessel 3 via a peristaltic pump 4 . The suspension from compartment A is transferred into compartment B by means of a metering pump 5 . From there, the product (biomass) can be collected in a collecting container 6 .

Fig. 3 zeigt experimentelle Ergebnisse der Photosyntheserate, die mit dem erfindungsgemäßen Photobioreaktor (Reaktor I) und einem Reaktor mit nur einem Kompartiment (Reaktor II) kurze Zeit nach Inkubation (2 h) ermittelt wurden. Die Abszisse X gibt die Lichtintensität in µmol-Quanten m-2s-1 wieder. Die Ordinate Y gibt die Photosyntheserate als Sauerstoffproduktion in µmol O2 pro mg Chl a und h an. Die mit einem schwarzen, ausgefüllten Kreis dargestellten Messwerte wurden aus Reaktor-I-Kompartiment A ermittelt. Die mit einem nicht ausgefüllten Kreis dargestellten Messwerte wurden aus Reaktor-I-Kompartiment B ermittelt. Die mit einem schwarz ausgefüllten Dreieck dargestellten Messwerte wurden aus Reaktor II ermittelt. Fig. 3 shows experimental results of the rate of photosynthesis, which with the inventive photobioreactor (reactor I) and a reactor with only one compartment is (Reactor II) a short time after incubation (2 h) were determined. The abscissa X represents the light intensity in µmol quanta m -2 s -1 . The ordinate Y indicates the photosynthesis rate as oxygen production in µmol O 2 per mg Chl a and h. The measured values shown with a black, filled circle were determined from reactor I compartment A. The measured values shown with a circle not filled in were determined from reactor I compartment B. The measured values shown with a black filled triangle were determined from reactor II.

Fig. 4 zeigt experimentelle Ergebnisse der Photosyntheserate, die mit dem erfindungsgemäßen Photobioreaktor (Reaktor I) und einem Reaktor mit nur einem Kompartiment (Reaktor II) 48 Stunden nach Inkubation erhalten wurden. Die Achsenbeschriftung und Kennzeichnung der Messergebnisse entspricht denen aus Fig. 3. Fig. 4 shows experimental results of the rate of photosynthesis, which with the inventive photobioreactor (reactor I) and a reactor with only one compartment (Reactor II) for 48 hours were obtained after incubation. The axis labeling and marking of the measurement results correspond to those from FIG. 3.

Im folgenden soll die Erfindung beispielhaft beschrieben werden. The invention is intended to serve as an example below to be discribed.

In den erfindungsgemäßen Photobioreaktor 1, der aus mehreren hintereinander geschalteten Kompartimenten 2 besteht, wird das Nährmedium eingeleitet und mit dem gewünschten, phototrophen Organismus, der kultiviert werden soll, beimpft. Der Photobiorektor 1 umfasst dabei mindestens zwei Kompartimente 2. Geeignet sind jedoch auch 3 bis 8 Kompartimente. Als besonders geeignet haben sich drei Kompartimente erwiesen. The nutrient medium is introduced into the photobioreactor 1 according to the invention, which consists of several compartments 2 connected in series, and inoculated with the desired phototrophic organism which is to be cultivated. The photobiorector 1 comprises at least two compartments 2 . However, 3 to 8 compartments are also suitable. Three compartments have proven to be particularly suitable.

Unter der Bezeichnung Kompartiment 2 ist jeweils ein Teil des Photobioreaktors zu verstehen, der die phototrophen Organismen beinhaltet, die sich an die in dem jeweiligen Kompartiment 2 vorherrschenden Lichtbedingungen, wie die Lichtintensität und das Lichtspektrum, angepasst haben. Das bedeutet beispielsweise, dass in dem Front-Kompartiment A, in dem die höchste Lichtintensität und das nahezu gesamte Wellenlängenspektrum der Lichtquelle vorliegt, sich Zellen im HL-Zustand befinden. Mit zunehmender Entfernung der Kompartimente von der Lichtquelle verringert sich die Lichtintensität und auch das Wellenlängenspektrum des eingestrahlten Lichtes in Abhängigkeit der Absorption der phototrophen Organismen und des Materials, aus dem die Kompartimente gefertigt wurden. In diesen Kompartimenten passen sich die Zellen dem LL-Zustand an. The term compartment 2 is to be understood in each case as part of the photobioreactor which contains the phototrophic organisms which have adapted to the prevailing light conditions in the respective compartment 2 , such as the light intensity and the light spectrum. This means, for example, that cells in the front compartment A, in which the highest light intensity and almost the entire wavelength spectrum of the light source are present, are in the HL state. With increasing distance of the compartments from the light source, the light intensity and also the wavelength spectrum of the incident light decrease depending on the absorption of the phototrophic organisms and the material from which the compartments were made. In these compartments, the cells adapt to the LL state.

Unter hohen Lichtintensitäten wird ein Bereich von 1000 bis 2000 µmol-Quanten m-2s-1 verstanden, unter mittleren Lichtintensitäten ein Bereich von 300 bis 1000 µmol- Quanten m-2s-1 und unter geringen Lichtintensitäten ein Bereich von 0 bis 300 µmol-Quanten m-2s-1. High light intensities mean a range from 1000 to 2000 µmol quanta m -2 s -1 , mean light intensities a range from 300 to 1000 µmol quanta m -2 s -1 and low light intensities a range from 0 to 300 µmol -Quants m -2 s -1 .

Für eine optimale Kultivierung und Lichtversorgung der phototrophen Organismen in den Kompartimenten 2 spielt auch die Tiefe (t) der Kompartimente 2 eine Rolle. So hat sich eine Tiefe von 5 bis 30 mm je Kompartiment als geeignet erwiesen. Besonders bevorzugt wird eine Tiefe von 15 bis 20 mm. Die Gesamttiefe des Photobioreaktors 1 sollte in einem Bereich von mindestens 10 mm bis 20 cm liegen. Dabei ist unter der Bezeichnung Gesamttiefe die Tiefe zu verstehen, die sich aus der Tiefe aller Kompartimente 2 zusammensetzt. For an optimal cultivation and light supply of the phototrophic organisms in the compartments 2 , the depth (t) of the compartments 2 also plays a role. A depth of 5 to 30 mm per compartment has proven to be suitable. A depth of 15 to 20 mm is particularly preferred. The total depth of the photobioreactor 1 should be in a range of at least 10 mm to 20 cm. The term total depth is to be understood as the depth which is composed of the depth of all compartments 2 .

Der Photobioreaktor 1 mit seinen Kompartimenten 2 besteht überwiegend aus lichtdurchlässigem bzw. transparentem Material, wie z. B. Glas, Kunstglas oder in einer besonders kostengünstigen Variante aus Folien. Lediglich die Rückwand 2a des hintersten Kompartiments 2 sollte aus stabilisierendem Material bestehen, welches keine für die Organismen toxischen Stoffe abgeben kann und keine korrodierenden Eigenschaften aufweist, wie z. B. Stahl, Beton, Kunststoff. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung kann die Rückwand 2a des jeweiligen Kompartiments 2 mit einer Kühlung ausgestattet sein, oder die einzelnen Kompartimente 2 sind durch einen Zwischenraum voneinander getrennt, der eine Zirkulation von kühlender Luft oder Kühlmittel ermöglicht. In einer vorteilhaften Ausführung des Photobioreaktors 1 weisen die Kompartimente 2 eine plattenförmige Geometrie auf. In einer weiteren, vorteilhaften Ausführung des Photobioreaktors 1 kann dieser auch röhrenförmig ausgestaltet sein. Dabei können die röhrenförmigen Kompartimente ineinander geschoben angeordnet sein. Die Lichtquelle kann außerhalb des Reaktors angeordnet sein, so dass sich die Zellen im HL-Zustand in der äußersten Röhre (Kompartiment) befinden, und die Zellen sich in Richtung der innersten Röhre (Kompartiment) immer mehr dem LL-Zustand anpassen. Die Lichtquelle kann auch innerhalb des Photobioreaktors 1 angeordnet sein, so dass sich die Zellen der innersten Röhre im HL-Zustand befinden und sich die Zellen der äußeren Röhre dem LL-Zustand anpassen. The photobioreactor 1 with its compartments 2 consists predominantly of translucent or transparent material, such as. B. glass, synthetic glass or in a particularly inexpensive variant made of foils. Only the rear wall 2 a of the rearmost compartment 2 should consist of stabilizing material, which can not give off any toxic substances for the organisms and has no corrosive properties, such as, for. B. steel, concrete, plastic. In an advantageous embodiment of the device, the rear wall 2 a of the respective compartment 2 can be equipped with cooling, or the individual compartments 2 are separated from one another by an intermediate space which enables a circulation of cooling air or coolant. In an advantageous embodiment of the photobioreactor 1 , the compartments 2 have a plate-like geometry. In a further advantageous embodiment of the photobioreactor 1 , it can also be tubular. The tubular compartments can be pushed into one another. The light source can be arranged outside the reactor, so that the cells are in the HL state in the outermost tube (compartment), and the cells adapt more and more to the LL state in the direction of the innermost tube (compartment). The light source can also be arranged inside the photobioreactor 1 , so that the cells of the innermost tube are in the HL state and the cells of the outer tube adapt to the LL state.

Als phototrophe Organismen, die kultiviert werden können, sind alle bekannten Organismen, die auch zur Produktion von Biomasse und Produkten aus dem Bereich der Kosmetik, Nahrungsmittelindustrie und Pharmazie eingesetzt werden, geeignet. Hierzu gehören alle Rot-, Grün- und Braunalgen, wie beispielsweise Chlorella, Dunaliella, Spirulina, Haematococcus, Synechocystis, Microcystis, Scenedesmus, sowie auch phototrophe Bakterien, wie die Rhodospirillineae und Chlorobiineae. Unter Freilandbedingungen kann es unter bestimmten, klimatischen Bedingungen vorteilhaft sein, thermophile Stämme phototropher Organismen einzusetzen. Unter phototrophen Organismen sollen im Rahmen der vorliegenden Erfindung weiterhin auch pflanzliche Zellkulturen verstanden werden. As phototrophic organisms that are cultivated can are all known organisms that are also used for Production of biomass and products from the field of Cosmetics, food industry and pharmacy be used, suitable. This includes all red, green and brown algae, such as chlorella, Dunaliella, Spirulina, Haematococcus, Synechocystis, Microcystis, Scenedesmus, as well as phototrophic bacteria, like the Rhodospirillineae and Chlorobiineae. Under Outdoor conditions, under certain conditions, Climatic conditions may be beneficial to thermophilic strains use phototrophic organisms. Under phototrophic Organisms are intended within the scope of the present invention also understood plant cell cultures become.

Die Kultivierung der phototrophen Organismen erfolgt bevorzugt im kontinuierlichen Verfahren. Dabei wird die Biomassekonzentration durch die Verdünnungsrate (Flussrate ml h-1/Volumen L) bzw. die geregelte Zufuhr von Nährlösung bzw. Kultivierungsmedium gesteuert (Turbidostat). Die Biomassekonzentration in den hinteren Kompartimenten, z. B. B und C, ist abhängig von der Biomassekonzentration im Front-Kompartiment A. Ein Teil der Suspension der Organismen aus dem Front- Kompartiment A wird, abgestimmt über die Biomassekonzentration, in das nächste dahinter angeordnete Kompartiment B eingeleitet. Aus diesem kann dann wieder ein Teil der Suspension der Organismen, gesteuert über die Biomassekonzentration, in das nächste Kompartiment C geleitet werden, bis das letzte Kompartiment erreicht ist. So kann innerhalb der jeweiligen Kompartimente 2 der Zustand der phototrophen Organismen hinsichtlich Lichtanpassung entsprechend der jeweiligen Lichtbedingungen immer konstant gehalten werden, ohne dass sich auf Grund von z. B. zunehmender Biomasse die Lichtbedingungen in den Kompartimenten 2 verändern. Durch die Steuerung der Biomassekonzentration über die Verdünnungsrate, können auch Schwankungen der Biomassekonzentration auf Grund unterschiedlicher Lichtbedingungen im Freiland ausgeglichen werden. Ein batch-Verfahren sowie fed-batch-Verfahren ist jedoch auch möglich. Der Photobioreaktor 1 verfügt über Einrichtungen zum Einleiten von Gas, wie z. B. CO2, Luft, N2 sowie auch Einrichtungen zur Entnahme der produzierten Biomasse und zur Steuerung des Kultivierungsprozesses, wie z. B. Umwälzpumpen, Thermostatisierung, Durchflussmesser, Trübungsmesser. The phototrophic organisms are preferably cultivated in a continuous process. The biomass concentration is controlled by the dilution rate (flow rate ml h -1 / volume L) or the regulated supply of nutrient solution or cultivation medium (turbidostat). The biomass concentration in the rear compartments, e.g. B. B and C depends on the biomass concentration in the front compartment A. Part of the suspension of organisms from the front compartment A, coordinated with the biomass concentration, is introduced into the next compartment B arranged behind it. From this part of the suspension of the organisms, controlled by the biomass concentration, can then be passed into the next compartment C until the last compartment is reached. Thus, within the respective compartments 2, the state of the phototrophic organisms can always be kept constant with regard to light adaptation in accordance with the respective lighting conditions, without being due to e.g. B. increasing biomass change the lighting conditions in compartments 2 . By controlling the biomass concentration via the dilution rate, fluctuations in the biomass concentration due to different lighting conditions in the field can also be compensated for. However, a batch process and fed-batch process are also possible. The photobioreactor 1 has devices for introducing gas, such as. B. CO 2 , air, N 2 and facilities for the removal of the biomass produced and for controlling the cultivation process, such as. B. Circulation pumps, thermostats, flow meters, opacimeters.

In einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Photobioreaktors sind die einzelnen Kompartimente 2 als Airlift-Reaktor ausgestaltet, bei dem durch Eintrag von Luft ein Flüssigkeitsumlauf innerhalb einer konstruktiv festgelegten Schlaufe erzeugt wird. In an advantageous embodiment of the photobioreactor according to the invention, the individual compartments 2 are designed as an airlift reactor, in which a liquid circulation within a constructively defined loop is generated by the introduction of air.

In dem Photobioreaktor 1 kann nicht nur eine einzige Sorte phototropher Organismen, sondern auch mehrere unterschiedliche Sorten dieser Organismen gleichzeitig in den jeweiligen Kompartimenten eingesetzt werden. Dabei ist es vorteilhaft, die phototrophen Organismen, die ein spezifisches Absorptionsspektrum besitzen, in dem Kompartiment anzuordnen, welches von Licht der Wellenlänge bestrahlt wird, was dem Absorptionsspektrum dieser Organismen entspricht. So kann beispielsweise eine Alge, welche ihr Absorptionsmaximum im Wellenlängenbereich von 600 bis 700 nm aufweist, wie z. B. Dunaliella, hinter einer Alge kultiviert werden, die ihr Absorptionsmaximum im Wellenlängenbereich von 400 bis 600 nm aufweist, wie z. B. Spirulina. In diesem Fall würde keine Vermischung der Algen aus den Kompartimenten durchgeführt werden. Der erfindungsgemäße Photobioreaktor 1 eignet sich beispielsweise auch zur gezielten Produktion von Carotinoiden. Dazu werden die Organismen zunächst in einem Kompartiment kultiviert, in dem sie sich an den LL-Zustand adaptieren (z. B. Kompartiment B). Dann werden sie in das Front-Kompartiment A überführt, wodurch sie auf Grund der starken Lichtintensität zur verstärkten Carotinoidbildung angeregt werden. So kann z. B. Dunaliella zunächst in einem Kompartiment kultiviert werden, in dem mittlere bis geringe Lichtintensitäten vorherrschen und sich die Zellen an den LL-Zustand adaptieren können. Das für diese Anzucht der Biomasse benötigte Kulturmedium enthält Stickstoff, um eine hohe Biomassekonzentration zu erreichen. Unter diesen Kultivierungsbedingungen nimmt Dunaliella die "Grünform" an, d. h. sie weist einen deutlichen, sichtbaren Chloroplasten auf, der die Zellen grün färbt. Die Zellen werden geerntet und in ein stickstofffreies Medium überführt. Anschließend werden sie in das Front- Kompartiment A überführt, in dem sie hohen Lichtintensitäten ausgesetzt werden. Als Reaktion auf die hohe Lichtintensität bilden die Zellen in erhöhtem Maße Carotinoide aus, so dass die "Rotform" gebildet wird. Bevorzugt werden die Zellen dem Front-Kompartiment A nur in der Zellkonzentration zugeführt, in der es zu keiner Selbstabschattung der Zellen untereinander kommt und dadurch alle Zellen sich im HL-Zustand befinden, um möglichst viel Carotinoide zu produzieren. Durch die Verwendung eine stickstofffreien Mediums kann es innerhalb des Front-Kompartiments nicht zum Wachstum und damit zur Zunahme der Biomasse kommen. Es wird bevorzugt die Biomasse genutzt, die in den hinteren Kompartimenten erzeugt wurde. In the photobioreactor 1 , not only a single type of phototrophic organism, but also several different types of these organisms can be used simultaneously in the respective compartments. It is advantageous to arrange the phototrophic organisms which have a specific absorption spectrum in the compartment which is irradiated by light of the wavelength, which corresponds to the absorption spectrum of these organisms. For example, an algae that has its absorption maximum in the wavelength range from 600 to 700 nm, such as. B. Dunaliella, can be cultivated behind an algae that has its absorption maximum in the wavelength range from 400 to 600 nm, such as. B. Spirulina. In this case, the algae from the compartments would not be mixed. The photobioreactor 1 according to the invention is also suitable, for example, for the targeted production of carotenoids. For this purpose, the organisms are first cultivated in a compartment in which they adapt to the LL state (e.g. compartment B). Then they are transferred to the front compartment A, which, due to the strong light intensity, stimulates them to produce more carotenoids. So z. B. Dunaliella are first cultivated in a compartment in which medium to low light intensities predominate and the cells can adapt to the LL state. The culture medium required for growing the biomass contains nitrogen in order to achieve a high biomass concentration. Under these cultivation conditions, Dunaliella assumes the "green form", ie it has a clear, visible chloroplast that stains the cells green. The cells are harvested and transferred to a nitrogen-free medium. Then they are transferred to the front compartment A, where they are exposed to high light intensities. In response to the high light intensity, the cells form carotenoids to an increased extent, so that the "red shape" is formed. The cells are preferably fed to the front compartment A only in the cell concentration in which there is no self-shadowing of the cells from one another and as a result all cells are in the HL state in order to produce as much carotenoids as possible. By using a nitrogen-free medium, there can be no growth and thus an increase in biomass within the front compartment. The biomass that was generated in the rear compartments is preferably used.

Ausführungsbeispielembodiment Biomasse-Produktion von Synechocystis im erfindungsgemäßen Photobioreaktor im Vergleich zur Produktion in einem Reaktor ohne KompartimenteBiomass production from Synechocystis in photobioreactor according to the invention compared to the production in a reactor without compartments

Zur Produktion von Biomasse wurde ein thermophiler Stamm von Synecocystis eingesetzt. Als Nährmedium wurde das SWOT-Medium eingesetzt (Zhang, K. N. Kurano, Miyachi, S. (1999): "Outdoor culture of a cyanobacterium with a vertical flat late photobioreactor: effects on productivity of the reactor orientation, distance settings beween the plates and culture temperature". "Appl. Microbiol. Biotechnol.", 52: 781-786). Das Nährmedium wurde mit CO2 (0,43 V/V) angereichert und auf 40°C im Wasserbad temperiert. Als Lichtquelle wurde eine Fluoreszenzlampe mit einer hohen Lichtintensität, die Pflanzenlicht emittiert und üblicherweise in Gewächshäusern eingesetzt wird, verwendet, so daß auf der Frontseite der Photobioreaktoren eine Lichtintensität von 280 µmol- Quanten m-2s-1 eingestellt wurde. Die Photobioreaktoren wurde aus 5 mm dicken Kunstglasplatten konstruiert. Der erfindungsgemäße Photobioreaktor I wies folgende Maße auf:
Kompartiment A: 500 (H) × 150 (B) × 10 (T) mm mit H = Höhe; B = Breite und T = Tiefe des Reaktors.
Kompartiment B: 500 (H) × 150 (B) × 20 (T) mm. A thermophilic strain from Synecocystis was used to produce biomass. The SWOT medium was used as the nutrient medium (Zhang, KN Kurano, Miyachi, S. (1999): "Outdoor culture of a cyanobacterium with a vertical flat late photobioreactor: effects on productivity of the reactor orientation, distance settings beween the plates and culture temperature "." Appl. Microbiol. Biotechnol. ", 52: 781-786). The nutrient medium was enriched with CO 2 (0.43 V / V) and heated to 40 ° C in a water bath. A fluorescent lamp with a high light intensity, which emits plant light and is usually used in greenhouses, was used as the light source, so that a light intensity of 280 μmol quanta m -2 s -1 was set on the front of the photobioreactors. The photobioreactor was constructed from 5 mm thick synthetic glass plates. The photobioreactor I according to the invention had the following dimensions:
Compartment A: 500 (H) × 150 (W) × 10 (D) mm with H = height; B = width and T = depth of the reactor.
Compartment W: 500 (H) × 150 (W) × 20 (D) mm.

Der Vergleichsreaktor II bestand nur aus einem Kompartiment und wies folgende Maße auf: 500 (H) × 150 (B) × 30 (T) mm. Eine Seite des Reaktors II wies eine doppelte Schicht des Kunstglases auf, so daß die Lichtbedingungen innerhalb der beiden Reaktoren gleich war. Beide Reaktoren wurden bis zu einer Höhe von 450 mm mit Nährlösung gefüllt, so dass sich ein Kulturvolumen von 2,25 L ergab. In Reaktor I enthielt das Kompartiment A 0,75 L und das Kompartiment B 1,5 L. Die Kultivierung erfolgte in beiden Reaktoren kontinuierlich. Es wurde eine Flussrate von 78 ml h-1 bzw. 1872 ml d-1 eingestellt. In Kompartiment A des Reaktors I entsprach dies einer Retentionszeitvon 0,401 d-1 und in Kompartiment B einer Retentionszeit von 0,801 d-1. Reaktor II wies eine Retentionszeit von 1,202 d-1 auf. Die Suspension der Organismen aus Kompartiment A wurde mittels einer Peristaltikpumpe in Kompartiment B überführt. Durch einen Überlauf wurde das Volumen in den Reaktoren konstant gehalten. Die optische Dichte wurde photometrisch bei einer Wellenlänge von 720 nm bestimmt, wobei eine optische Dichte von 1 einer Biotrockenmasse von 0,279 g L-1 entsprach. Der Gehalt an Chlorophyll a wurde durch Absorptionsmessungen einer in Aceton extrahierten Suspension der Organismen bei 664 und 647 nm bestimmt. The comparative reactor II consisted of only one compartment and had the following dimensions: 500 (H) × 150 (W) × 30 (D) mm. One side of Reactor II had a double layer of the artificial glass so that the light conditions within the two reactors were the same. Both reactors were filled with nutrient solution up to a height of 450 mm, so that a culture volume of 2.25 L resulted. In reactor I, compartment A contained 0.75 L and compartment B 1.5 L. The cultivation was carried out continuously in both reactors. A flow rate of 78 ml h -1 or 1872 ml d -1 was set. In compartment A of reactor I this corresponded to a retention time of 0.401 d -1 and in compartment B a retention time of 0.801 d -1 . Reactor II had a retention time of 1.202 d -1 . The suspension of organisms from compartment A was transferred to compartment B using a peristaltic pump. The volume in the reactors was kept constant by an overflow. The optical density was determined photometrically at a wavelength of 720 nm, an optical density of 1 corresponding to a dry biomass of 0.279 g L -1 . The chlorophyll a content was determined by absorbance measurements of a suspension of the organisms extracted in acetone at 664 and 647 nm.

Zur Bestimmung der Photosyntheserate wurde die Sauerstoffproduktionsrate in einer "Rank Brothers"-Sauerstoffkammer bei verschiedenen Lichtintensitäten untersucht. Die unterschiedlichen Lichtintensitäten (µmol- Quanten m-2s-1) wurden mittels eines Diaprojektors und unterschiedlicher Filter eingestellt. Die Photosyntheserate (µmol O2 mg Chl a-1h-1), bestimmt durch die gebildete Menge an Sauerstoff pro Chl a und Zeit, wurde gegen die Lichtintensität aufgetragen. To determine the photosynthesis rate, the oxygen production rate was examined in a "Rank Brothers" oxygen chamber at different light intensities. The different light intensities (µmol quanta m -2 s -1 ) were set using a slide projector and different filters. The photosynthesis rate (µmol O 2 mg Chl a -1 h -1 ), determined by the amount of oxygen formed per Chl a and time, was plotted against the light intensity.

Die flächenspezifische Produktivität der Reaktoren errechnete sich aus der gebildeten Biomasse und der Durchflussrate des Reaktors, bezogen auf die belichtete Fläche des Photobioreaktors. The area-specific productivity of the reactors was calculated from the biomass formed and the Flow rate of the reactor, based on the exposed Area of the photobioreactor.

Zwei Stunden nach Inkubation weisen die Algen in den Kompartimenten A und B des Reaktors 1 und im Reaktor 2 noch eine ähnliche Photosyntheserate in Abhängigkeit der Lichtintensität auf (Fig. 3). 48 Stunden nach Inkubation zeigte sich ein unterschiedliches, photosynthetisches Verhalten. Die Zellen aus Kompartiment A weisen Charakteristika von HL-angepassten Zellen auf. Die Zellen in Kompartiment B und im Reaktor II weisen Charakteristika von Zellen des LL-Zustands auf. Die Zellen in Kompartiment B sind dabei noch stärker an den LL-Zustand angepasst als die Zellen im Reaktor II, da die Zellen in Reaktor II mit dem gesamten Wellenlängenspektrum der Lichtquelle bestrahlt werden, während in Kompartiment B die Zellen nur noch mit dem Restlicht, welches das Kompartiment A durchtritt, bestrahlt werden. Two hours after incubation, the algae in compartments A and B of reactor 1 and in reactor 2 still show a similar photosynthesis rate depending on the light intensity ( FIG. 3). 48 hours after incubation, the photosynthetic behavior was different. The cells from compartment A have characteristics of HL-adapted cells. The cells in compartment B and in reactor II have characteristics of cells of the LL state. The cells in compartment B are even more adapted to the LL state than the cells in reactor II, since the cells in reactor II are irradiated with the entire wavelength spectrum of the light source, while in compartment B the cells are only exposed to the residual light which compartment A passes through, are irradiated.

Der Tabelle 1 sind die unterschiedlichen, volumetrischen Produktivitäten der beiden Reaktortypen zu entnehmen. Tabelle 1 Biotrockenmasse in den Kompartimenten A und B des Reaktors I und im Reaktor II; a und b geben Versuchsreihen bei gleichen Bedingungen wieder

Table 1 shows the different, volumetric productivities of the two reactor types. Table 1 Bio-dry matter in compartments A and B of reactor I and in reactor II; a and b represent test series under the same conditions

Die flächenspezifische Produktivität des Reaktors I betrug 47,98 g m-2d-1, während sie beim Reaktor II nur 36,66 g m-2d-1 betrug. Gegenüber dem Reaktortyp mit nur einem Kompartiment konnte daher eine signifikante Steigerung der Produktivität von mehr als 30% erreicht werden. The area-specific productivity of the reactor I was 47.98 gm -2 d -1 , while for the reactor II it was only 36.66 gm -2 d -1 . Compared to the reactor type with only one compartment, a significant increase in productivity of more than 30% was therefore achieved.

Für eine großtechnische Anwendung ist es notwendig, ein Scale-up des Photobioreaktors durchzuführen. Hier ist es denkbar, Photobioreaktoren mit Kompartimenten in einem Größenbereich von 2 m Höhe, 5 m Länge und einer Gesamttiefe von ca. 10 cm zu konstruieren. Der Photobioreaktor sollte immer in optimaler Weise zum Licht ausgerichtet sein, so dass z. B. im Freiland der Photobioreaktor dem Sonnenstand nachgeführt werden kann. Der erfindungsgemäße Photobioreaktor und das Verfahren sind besonders für die Produktion hoher Biomassekonzentrationen mit maximaler Ausbeute geeignet. Dies ist beispielsweise bei der Produktion von Biomasse zur Bereitstellung von Bioenergie, der Extraktion von Feinchemikalien aus der Biomasse, Prozessen der CO2 -Absorption und der Abwasserbehandlung von Bedeutung. For an industrial application, it is necessary to scale up the photobioreactor. Here it is conceivable to construct photobioreactors with compartments in a size range of 2 m in height, 5 m in length and a total depth of approx. 10 cm. The photobioreactor should always be optimally aligned with the light, so that e.g. B. in the field the photobioreactor can track the position of the sun. The photobioreactor according to the invention and the method are particularly suitable for the production of high biomass concentrations with maximum yield. This is important, for example, in the production of biomass for the provision of bioenergy, the extraction of fine chemicals from the biomass, processes for CO 2 absorption and wastewater treatment.

Claims (15)

1. Photobioreaktor (1), dadurch gekennzeichnet, dass er mehrere Kompartimente (2) umfasst, in denen sich die, den jeweils vorherrschenden Lichtbedingungen angepassten, phototrophen Organismen befinden. 1. photobioreactor ( 1 ), characterized in that it comprises a plurality of compartments ( 2 ) in which the phototrophic organisms which are adapted to the prevailing light conditions are located. 2. Photobioreaktor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er ≥ 2 Kompartimente (2) umfasst. 2. Photobioreactor ( 1 ) according to claim 1, characterized in that it comprises ≥ 2 compartments ( 2 ). 3. Photobioreaktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompartimente (2) jeweils eine Tiefe von 5 bis 30 mm aufweisen. 3. photobioreactor ( 1 ) according to one of claims 1 to 2, characterized in that the compartments ( 2 ) each have a depth of 5 to 30 mm. 4. Photobioreaktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass er aus lichtdurchlässigem Material besteht. 4. photobioreactor ( 1 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that it consists of translucent material. 5. Photobioreaktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass er aus Kunstglas, Glas oder Folien besteht. 5. photobioreactor ( 1 ) according to any one of claims 1 to 4, characterized in that it consists of synthetic glass, glass or foils. 6. Photobioreaktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass er Einrichtungen zum Einleiten von Gas sowie Einrichtungen zum Zuführen eines Mediums sowie Einrichtungen zur Entnahme der in dem Reaktor produzierten Biomasse aufweist. 6. Photobioreactor ( 1 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that it has devices for introducing gas and devices for supplying a medium and devices for removing the biomass produced in the reactor. 7. Photobioreaktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückwand (2a) des hintersten Kompartiments (2) aus einem stabilisierenden Material gefertigt ist. 7. photobioreactor ( 1 ) according to one of claims 1 to 6, characterized in that the rear wall ( 2 a) of the rearmost compartment ( 2 ) is made of a stabilizing material. 8. Photobioreaktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompartimente (2) eine plattenförmige Geometrie aufweisen. 8. photobioreactor ( 1 ) according to one of claims 1 to 7, characterized in that the compartments ( 2 ) have a plate-shaped geometry. 9. Photobioreaktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompartimente (2) eine röhrenförmige Geometrie aufweisen. 9. photobioreactor ( 1 ) according to one of claims 1 to 8, characterized in that the compartments ( 2 ) have a tubular geometry. 10. Verfahren zur Produktion von Biomasse, dadurch gekennzeichnet, dass ein Photobioreaktor (1) gemäß Anspruch 1 bis 9 eingesetzt wird. 10. A method for the production of biomass, characterized in that a photobioreactor ( 1 ) according to claims 1 to 9 is used. 11. Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine kontinuierliche Kultivierung durchgeführt wird. 11. The method according to claim 10, characterized, that carried out continuous cultivation becomes. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine kontinuierliche Kultivierung durchgeführt wird, bei der die Biomassekonzentration über die Verdünnungsrate gesteuert wird. 12. The method according to any one of claims 10 to 11, characterized, that carried out continuous cultivation where the biomass concentration is above the Dilution rate is controlled. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen aus dem Kompartiment (2) mit der höheren, eingestrahlten Lichtintensität in das Kompartiment (2) mit der geringeren Lichtintensität geleitet werden. 13. The method according to any one of claims 10 to 12, characterized in that the cells from the compartment ( 2 ) with the higher, irradiated light intensity are passed into the compartment ( 2 ) with the lower light intensity. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche, phototrophe Organismen in den Kompartimenten (2) kultiviert werden, die ein dem jeweils in das Kompartiment eingestrahlten Wellenlängenspektrum angepasstes Absorptionsspektrum aufweisen. 14. The method according to any one of claims 10 to 13, characterized in that different, phototrophic organisms are cultivated in the compartments ( 2 ) which have an absorption spectrum adapted to the wavelength spectrum irradiated into the compartment in each case. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Zellen aus einem Kompartiment (2) mit einer geringen in ein Kompartiment (2) mit einer höheren Lichtintensität geleitet werden. 15. The method according to any one of claims 10 to 14, characterized in that cells from a compartment ( 2 ) with a low in a compartment ( 2 ) with a higher light intensity are passed.
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