DE3888274T2

DE3888274T2 - Vorrichtung zur intensiven und kontrollierten Herstellung von Mikroorganismen durch Photosynthese.

Info

Publication number: DE3888274T2
Application number: DE3888274T
Authority: DE
Inventors: Xavier Berson; Michel Bouyssou; Yves Castel; Daniel Chaumont; Claude Gudin
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1987-10-02
Filing date: 1988-09-30
Publication date: 1994-09-29
Anticipated expiration: 2008-10-01
Also published as: EP0310522B1; IL87832A; IL87832A0; AU614241B2; EP0310522A1; US4868123A; FR2621323B1; AU2294788A; FR2621323A1; DE3888274D1; JPH01108973A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur intensiven und kontrollierten Herstellung von Mikroorganismen oder Biomasse durch Photosynthese im industriellen Rahmen, die einfache Bestandteile umfaßt und einfach einsetzbar ist.
Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung jeglicher photosynthetischer Materie, das heißt aller Lebensform, die zur Entwicklung und zur Photosynthese in einem geeigneten flüssigen Nährmilieu in Anwesenheit von Sonnenstrahlung und Kohlendioxid geeignet ist, zur Herstellung von Metaboliten und Polysacchariden, die eventuell von den Mikroorganismen ausgeschieden werden. Als photosynthetische Mikroorganismen kann man die pflanzlichen Gewebe und alle monozellulären Organismen anführen, welche Chloroplaste enthalten, die photosynthetischen Bakterien und die Mikroalgen.
Die Photosynthese ist die Umwandlung von Kohlendioxid in primär hydrogenkarbonierte Materie aufgrund von Sonnenenergie, der Sauerstoff ist das hauptsächliche Nebenprodukt dieser biochemischen Umwandlung.
Diese biochemische Reaktion kann durch die folgende Gleichung von Myers symbolisiert werden:
6,14 CO&sub2; + 3,65 H&sub2;O + NH&sub3; C6,14H10,3O2,24N + 6,85 O&sub2;
Der Stickstoff wird in Form von Nitrat, Harnstoff oder eingeführten Ammoniumsalze dem flüssigen Milieu zugeführt, das die Mikroorganismen enthält.
Die Kultur und die Entwicklung der Mikroorganismen durch Photosynthese wird in einem Photobioreaktor durchgeführt. Um ein gutes Funktionieren des Photobioreaktors zu sichern, und eine optimale Entwicklung der Mikroorganismen zu sichern, ist es nötig, daß eine bestimmte Anzahl physischer Phänomene beherrscht wird.
Besonders das flüssige Milieu, das die Mikroorganismen enthält, muß konstant mit gelöstem CO&sub2; und mit Stickstoff beladen werden, die Konzentration an Stickstoff und an gelöstem CO&sub2; muß auf einem optimalen Niveau im Lauf der Kultur und der Entwicklung der Mikroorganismen gehalten werden. Ebenso die Temperatur des flüssigen Milieus, das die Mikroorganismen enthält, ihr Salzgehalt, ihre Konzentration an photosynthetischen Zellen sowie ihr pH-Wert müssen strikt reguliert werden.
Die momentan bekannten Photobioreaktoren werden aus einer Einheit transparenter Röhren gebildet, die in Form eines Floßes auf einer großen Wasserausdehnung (Lagune, Teich, Meer, Schwimmbad) angeordnet sind, das als Quelle zur Abkühlung des mit Mikroorganismen beladenen flüssigen Milieus dient, welches in den Röhren zirkuliert.
Als Photobioreaktor mit röhrenförmiger Struktur kann man zwei Beschreibungen in den Dokumenten FR-A-2 324 224 und FR-A-2 361 060 anführen.
Um eine gute thermische Regulierung des Kulturmilieus zu erhalten, ist es nötig, all Arten von Gas im Inneren der Röhren des Photobioreaktors zu beseitigen, die statische und konstante Anwesenheit irgendeines Gases und im besonderen von Sauerstoff, der von der Photosynthese stammt, hindert die Ausbeute des Photobioreaktors; daher die Notwendigkeit, kontinuierlich die in den Röhren vorliegenden Gase, und besonders Sauerstoff, herauszuziehen.
Tatsächlich wird das Abkühlen des Kulturmilieus gesichert, indem man den ganzen oder Teil des Photobioreaktors mit Röhren in das umgebende Wasser eintaucht, die Anwesenheit von Gasblasen im Inneren dieser Röhren bleibt schwierig oder verhindert ihr Untertauchen, das eine wesentliche Erhöhung der Temperatur dieser Röhren, verursacht durch die Sonnenstrahlung, nach sich zieht.
Dies zieht vor allem das Trocknen der Mikroalgen auf der inneren Wand der nicht gekühlten Röhren nach sich. Der so gebildete feste Film an Mikroorganismen bleibt für jegliche Diffusion des Sonnenlichts undurchdringlich, was eine weniger gute Verwendung der Sonnenenergie und somit einen schlechten Wirkungsgrad des Photobioreaktors nach sich zieht.
Andererseits kann die Anwesenheit von Sauerstoff in den Röhren - sogar selbst toxisch dafür sein für - die kultivierten Mikroalgen in den Röhren beeinträchtigen.
Es ist also nötig, eine Vorrichtung zur Herstellung von Mikroorganismen vorzusehen, die jegliche Anwesenheit von Gas, und besonders von Sauerstoff, im Inneren der Röhren verhindert, die das mit Mikroorganismen beladene Milieu enthalten.
Um unter anderem die Bildung von Gasblasen in den Röhren eines Photobioreaktors zu verhindern, wurde die Einführung von Kügelchen aus Plastik im Inneren der Röhren, welche das Kulturmilieu enthalten, vorgesehen. Diese Kügelchen, die mit dem Kulturmilieu zirkulieren, sichern eine Bewegung und eine Reinigung der Röhren durch Reibung an den Wänden dieser letzteren. Ein solches System zur Reinigung und zur Entgasung der Röhren eines Photobioreaktors ist besonders in dem Dokument FR-A- 2 576 034 beschrieben.
Wenn diese Technik der selbstreinigenden und entgasenden Kügelchen für einen Photobioreaktor angewendet wird, der selbst eine starre ebene Oberfläche stellt, ist ihre Verwendung für einen Photobioreaktor, der auf einer Wasserausdehnung schwimmt, momentan unmöglich.
Andererseits sichert dieses System der selbstreinigenden Kügelchen nicht eine 100% wirksame Entgasung der Röhren der Kultur des Photobioreaktors.
Die Erfindung betrifft genau eine Vorrichtung zur Herstellung von Mikroorganismen durch Photosynthese, welche einen oder mehrere Photobioreaktoren mit Röhren umfaßt, die bestimmt sind, auf einer Wasserausdehnung angeordnet zu werden, wobei sie jegliche Anwesenheit von Gasblasen und besonders von Sauerstoff im Inneren der Röhren verhindern.
Die Erfindung betrifft also eine Vorrichtung zur intensiven und kontrollierten Herstellung durch Photosynthese von Mikroorganismen in Suspension in einem flüssigen Milieu, die mindestens einen Photobioreaktor umfaßt, der bestimmt ist, auf einer Wasserfläche angeordnet zu werden, der eine erste Röhreneinheit umfaßt, die für Licht durchlässig sind, in welchen das flüssige Milieu zirkuliert, dadurch gekennzeichnet, daß der Photobioreaktor außerdem eine zweite Röhreneinheit umfaßt, die unter der ersten Einheit angeordnet ist, die Röhren der ersten und der zweiten Einheit werden mittels herausnehmbarer zwischenstücke mit regelmäßigem Abstand festgehalten, diese zweite Einheit ist fähig, den Photobioreaktor in Wasser versenkbar oder unversenkbar zu machen; und daß die Vorrichtung auch Geräte zur Steuerung der zweiten Röhreneinheit hinsichtlich des Eintauchens oder nicht Eintauchens des Photobioreaktors umfaßt; mindestens ein Karbonator, der am Eingang des Photobioreaktor angeschlossen ist, um das flüssige Milieu mit dem für die Photosynthese nötigen CO&sub2; zu beladen; mindestens ein Entgaser, der am Photobioreaktor angeschlossen ist, um aus dem flüssigen Milieu besonders den durch die Mikroorganismen hergestellten Sauerstoff und eventuelles ungelöstes CO&sub2; zu entfernen; und mindestens einen Ausdehnungsbehälter, der an den Photobioreaktor angeschlossen ist, um die eventuellen Volumenveränderungen in dem Photobioreaktor auszugleichen.
Vorteilhafterweise sind die Röhren der ersten Einheit untereinander so angeschlossen, daß sie eine Schlange bilden. Ebenso sind die Röhren der zweiten Einheit untereinander so angeschlossen, daß sie eine weitere Schlange bilden.
Die Anwesenheit der zwischenstücke ermöglicht es, die beiden Röhreneinheiten des Photobioreaktors absolut fest zu machen und besonders die Falschausrichtung der Röhren zu verhindern, was folglich, durch lineares Mitreißen des flüssigen Milieus bis zum Entgaser, die Zirkulation der eventuell in den Röhren der ersten Einheit anwesenden Gasblasen, solche wie Sauerstoff, das von der Photosynthese stammt, ermöglicht. In diesem gelegentlichen Fall der Verwendung der Kügelchen zur Reinigung der inneren Wände der Röhren der ersten Einheit begunstigt die Anwesenheit von zwischenstücken die Zirkulation dieser Kügelchen.
Die Zwischenstücke werden einfach eingesetzt und ermöglichen es, das Zusammenkleben oder Zusammenschweißen der Röhren untereinander zu verhindern, ein Vorgang, der das Auswechseln nur einer Röhre im Fall der Zerstörung dieser Röhre verhindert.
Gemäß der Erfindung, wenn die Temperatur der mit Mikroorganismen beladenen Flüssigkeit eine höhere Einstelltemperatur überschreitet, wird der Photobioreaktor aufgrund der Entlüftung der Röhren der zweiten Einheit eingetaucht; diese Entlüftung wird mithilfe eines Automaten gesichert. Im Gegenteil, wenn die Temperatur des flüssigen Milieus kleiner ist als ein minimaler Einstellwert, steuert der Automat das Aufblasen der Röhren der zweiten Einheit mit komprimierter Luft.
Das Eintauchen des Photobioreaktors kann auch gesichert werden, indem man eine relativ schwere Flüssigkeit in den Röhren der zweiten Einheit einführt und das Schwimmen, indem man eine andere leichte Flüssigkeit als Luft einführt.
Die Anwesenheit der Zwischenstücke, gemäß der Erfindung, verbessert außerdem die thermische Regulierung des Photobioreaktors, besonders wenn die Röhren der zweiten Einheit dazu bestimmt sind, mit komprimierter Luft aufgeblasen zu werden, um den Photobioreaktor schwimmen zu lassen, und entlüftet werden für ein gesamtes oder teilweises Eintauchen des Photobioreaktors.
Bei Abwesenheit dieser Zwischenstücke, während des Eintauchens des Photobioreaktors, hinsichtlich eines Abkühlens des mit Mikroorganismen beladenen flüssigen Milieus, laufen die mit Flüssigkeit gefüllten Röhren der ersten Einheit, die schwerer sind als die luftleeren Röhren der zweiten Einheit, tatsächlich Gefahr, zwischen zwei aufblasbare Röhren zu gleiten und folglich konstant und vollständig untergetaucht zu bleiben.
Um die Entgasung des Photobioreaktors und besonders die Beseitigung des durch die Photosynthese von den Mikroorganismen produzierten Sauerstoffs zu verbessern, verwendet man einen Entgaser mit ganz besonderer Konstruktion.
Vorteilhafterweise umfaßt der Entgaser eine äußere geschlossene Kammer, die eine longitudinale Achse hat, eine U-förmige Sammelleitung für den Sauerstoff, deren einer Arm in der Kammer parallel zur besagten Achse angebracht ist, und deren Basis neben der Basis der Kammer plaziert ist, ein Ende der Leitung zur Sammlung des Sauerstoffs mündet in den oberen Teil der Kammer, mindestens eine Zufuhrleitung und mindestens eine Ausgangsleitung des flüssigen Milieus münden in den unteren Teil der Kammer.
Die Verwendung eines Entgasers gemäß der Erfindung verhindert die innere Versalzung der Röhren des Photobioreaktors (durch Abscheiden der Mikroorganismen), bleiben also unnütz für den Gebrauch der selbstreinigenden Kügelchen, welche das Dokument FR-A- 2 576 034 betrifft.
Wie man vorher gesagt hat, hindert jegliche statische und konstante Anwesenheit irgendeines Gases im Inneren der Röhren der ersten Einheit die Ausbeute der Photobioreaktors. Dies bezieht sich nicht nur auf Sauerstoff, der von den Mikroorganismen hergestellt wird, sondern auch auf das in das flüssige Milieu eingeführte Kohlendioxid, das für die Entwicklung der Mikroorganismen notwendig ist, und auf die, gelegentlich als Trägergas für das karbonierte Gas verwendete, Luft.
Auch ist es wichtig, einen Karbonator zu verwenden, der eine wirksame Auflösung des, in das mit Mikroorganismen beladene flüssige Milieu eingeführten, Kohlendioxids sichert.
Vorzugsweise ist der Karbonator der Erfindung ein Karbonator vom Typ mit zwei Säulen, der eine Eingangssäule umfaßt, in welcher das flüssige Milieu sich mit CO&sub2; belädt, und eine Ausgangssäule, die mit der Eingangssäule verbunden ist, in welcher das mit CO&sub2; beladene flüssige Milieu umstürzt.
Die erste Säule hat die Aufgabe, das Kulturmilieu bis zum Maximum mit Kohlendioxid zu beladen und die zweite Säule hat die Aufgabe, es zu vermeiden, das Kohlendioxid, das nicht in dem flüssigen Milieu gelöst ist und die eventuell als Trägergas für CO&sub2; verwendete Luft in den Photobioreaktor nachzuziehen.
Um die Anreicherung des flüssigen Milieus an CO&sub2; zu begünstigen, umfaßt die Eingangssäule vorteilhafterweise eine Tauchröhre, für die Zufuhr des CO&sub2; in das flüssige Milieu, deren eintauchendes Ende aus Glas oder Inox mit Fritte von veränderlicher Porösität ist. Außerdem kann eine innere Auskleidung der ersten Säule vorgesehen sein.
Der oder die Ausdehnungsbehälter gemäß der Erfindung eine solche Form haben müssen, daß es keine Ansammlung des organischen Materials und besonders der Mikroorganismen gibt, die Gesamtheit der Mikroorganismen wird im Allgemeinen wieder aufbereitet. Außerdem müssen diese Behälter lichtdurchlässig sein.
Vorteilhafterweise sind der oder die Ausdehnungsbehälter durchlässig und werden von einer rundkantigen Kammer gebildet, deren oberes Ende durch eine Abdeckung aus Glaserdiamant geschlossen ist und deren unteres Ende die Form eines Trichters aufweist.
Die Form und die Durchlässigkeit dieser Behälter bilden zwei Mittel zur Bekämpfung der Ansammlung der Biomasse, wo sich eine anaerobe Fermentation vollzieht, und somit die Abwesenheit von abgestorbenen Zonen, und gegen die Kontamination mit bestimmten Protisten (Mikroorganismen), die lichtempfindlich sind.
Andererseits kann es die Behälterform in bestimmten Fällen ermöglichen, während bestimmter Kontaminationen eine Aufklärung der Kultur zu bewirken: das Auffüllen dieses Behälters mit der Kultur, stoppt die Zirkulation und Sedimentation. Der oben schwimmende Teil, welcher die Kontaminationen (solche wie Mikroalgen von 5 bis 10 um) enthält, wird entfernt und durch frisches Kulturmilieu ersetzt. Der sedimentierte Teil (der die kultivierte Mikroalge darstellt) wird wieder aufbereitet.
Andere Kennzeichen und Vorteile der Erfindung treten mehr bei der folgenden Beschreibung hervor, die beschreibend bezüglich den angefügten Figuren gegeben wird, in welchen:
Fig. 1 ein Schema der Einheit der Vorrichtung zur Herstellung der Mikroorganismen darstellt, auf die sich die Erfindung bezieht, und die kontinuierlich arbeitet.
Fig. 2 stellt bestimmte Elemente der Vorrichtung von Fig. 1 detaillierter dar;
Fig. 3 stellt schematisch im Longitudinalschnitt die Röhren des Photobioreaktors gemäß der Erfindung dar, in denen das Kulturmilieu zirkuliert, die untereinander verbunden sind,
Fig. 4 stellt in der Perspektive die beiden Röhreneinheiten gemäß der Erfindung dar, die die Einheit mithilfe von Zwischenstücken zusammenhalten,
Fig. 5 stellt schematisch im Longitudinalschnitt einen Entgaser gemäß der Erfindung dar,
Fig. 6 stellt schematisch im Longitudinalschnitt einen Karbonator gemäß der Erfindung dar,
Fig. 7 stellt schematisch in der Perspektive einen Ausgleichsbehälter gemäß der Erfindung dar, und
Fig. 8 stellt schematisch das System der Erfindung zur Regulierung des CO&sub2;-Eintrags in den Photobioreaktor dar.
Bezüglich den Fig. 1 und 2 umfaßt die Vorrichtung der Erfindung zur Herstellung von Mikroorganismen durch Photosynthese einen oder mehrere Ausgleichsbehälter 2 von ungefähr 200 l, die dazu bestimmt sind, eine Mikroalgenlösung 1 aufzunehmen, die mithilfe einer Pumpe 4 in Photobioreaktoren 6 mit Röhren eingeführt wird. Diese Photobioreaktoren 6 sind dazu bestimmt, an der Oberfläche einer Wasserfläche 8 angeordnet zu sein. Die Anzahl der Photobioreaktoren ist abhängig von der angestrebten Herstellung der Biomasse. Die Behälter 2 dienen dazu, die eventuellen Volumenänderungen in den Photobioreaktoren aufgrund der eventuellen Gasansammlung auszugleichen. Die Kultur, die von allen Photobioreaktoren stammt, gelangt in diese Behälter. Auch bilden diese letzteren ein für die Gesamtheit des Kulturmilieus 1 der Herstellungsvorrichtung repräsentatives Volumen. Auf diesem Niveau erfolgt die Zufuhr der Mikroalgen und des Kulturmilieus, wie man später sehen wird (Fig. 7).
Die Zufuhrleitungen 10 des Kulturmilieus in die Photobioreaktoren sind jeweils mit Karbonatoren 12 mit doppelter Säule ausgestattet, um das Kulturmilieu 1 mit für die Photosynthese nötigem Kohlendioxid zu beladen. Die Anzahl der Karbonatoren 12 ist im Allgemeinen gleich der Anzahl der Photobioreaktoren.
Die CO&sub2;-Zufuhr erfolgt in einer Mischung mit Luft, bis zu 80 Volumenprozent an CO&sub2; ist in der Mischung. Zu diesem Zweck ist ein Mischer-Mengengeber 14, der auf der Zufuhrleitung der Luft 16 und auf der Zufuhrleitung 18 des CO&sub2; angebracht ist, am Gaseingang jedes Karbonators 12 vorgesehen. Ein System 19 ermöglicht es, die in die Photobioreaktoren eingeführte Menge an CO&sub2; in Abhängigkeit von der Sonnenenergie zu regulieren.
Diese Herstellungsvorrichtung umfaßt außerdem einen Behälter 20, der zur Vorbereitung des für das Wachstum der Mikroalgen nötigen Nährmilieus unter Rühren dient. Dieses Nährmilieu wird, bevor es über eine Zufuhrleitung 22 in die Behälter 2 eingeführt wird, welche die Mikroalgen enthalten, aufgrund zweier Filter 24 und 26 des Typs Philippe gefiltert, was entsprechend den Durchgang der mineralischen und organischen Elemente sichert, die für das Wachstum der Mikroorganismen von 40 und 1um nötig sind. Eine Pumpe 28 sichert die Einfuhr des Nährmilieus in die Behälter 2.
Die in den Photobioreaktoren 6 hergestellten Mikroorganismen werden am Ausgang jedes Photobioreaktors über Ausgangsleitungen 30 mithilfe einer volumetrischen Pumpe 32 herausgezogen. Die Leistung der Entnahmepumpe 32 des Kulturmilieus 1 ist gleich der der Einfuhrpumpe 28 des Nährmilieus, so daß das Kulturvolumen in dem Photobioreaktor konstant bleibt.
Die hergestellten Mikroorganismen werden in einem Behälter 34 unter kontinuierlichem Rühren wiedergewonnen.
Um das Entgasen der Röhren des Photobioreaktors und besonders die Beseitigung des, durch Photosynthese in den Photobioreaktoren 6 hergestellten, Sauerstoffs zu sichern, sind Entgaser 36 an jeder Seite der Photobioreaktoren 6 vorgesehen (also zwei Entgaser pro Photobioreaktor).
Gemäß der Erfindung werden die Photobioreaktoren aus einer ersten parallelen Röhreneinheit 38 gebildet, die aus elastischem, durchlässigem Plastik, wie Polyethylen, ist. Diese Röhren sind bestimmt, um das mit Nährelementen und für das Wachstum der Mikroorganismen nötigem CO&sub2; beladene Kulturmilieu 1 aufzunehmen. Sie messen ungefähr 15,8 m in der Länge und haben einen inneren Durchmesser von 63 mm.
Diese Röhren 38 sind untereinander an ihren Enden verbunden, wie in Fig. 3 dargestellt, mithilfe von zwei Sammelbehältern, entsprechend stromaufwärts 40 und stromabwärts 42.
Diese Sammelbehälter 40 und 42 sind aus Polypropylen ausgeführt und umfassen mehrere Abteilungen oder Rohrkrümmer 44. Die Gesamtzahl der Abteilungen 44 der Sammelbehälter stromauf und stromab ist gleich der Anzahl der Röhren 38.
Jede Abteilung oder jedes Übergangsstück 44 des Sammelbehälters stromaufwärts 40 umfaßt eine Eingangsöffnung 46, die dazu bestimmt ist, eine erste Röhre 38a aufzunehmen, und eine Ausgangsöffnung 48, die dazu bestimmt ist, eine zweite Röhre 38b aufzunehmen. Die Befestigung der Röhren 38a und 38b an dem Sammelbehälter 40 wird mithilfe von gleichen Stopfbuchssystemen, entsprechend gleich 50a und 50b, gesichert.
Zu diesem Zweck sind zwei innere Muffen 52a und 52b entsprechend in den Röhren 38a und 38b angebracht und zwei äußere Muffen 54a und 54b, auf denen entsprechend die Röhren 38a und 38b aufgepreßt sind, sind entsprechend an den Öffnungen des Eingangs 46 und des Ausgangs 48 der Abteilungen 44 angebracht.
Die äußeren Muffen 54a und 54b haben jeweils einen Durchlaß 56a und 56b vorgesehen, in welchen Schrauben 58a und 58b Platz nehmen, die auf dem Übergangsstück 44 montiert sind, entsprechend am Eingang und am Ausgang dieses letzteren.
Entsprechende Runddichtungen 59a und 59b aus einem Elastomer, die an der äußeren Fläche der äußeren Muffen 54a und 54b angebracht sind, sichern die Dichtheit der Einheit.
Gemäß der Erfindung werden die inneren Muffen 52a, 52b und die äußeren Muffen 54a, 54b aus Polypropylen ausgeführt.
Die Zusammensetzung des Sammelbehälters stromabwärts 42 und der Röhren 38 ist in jedem Punkt gleich mit dem Sammelbehälter stromaufwärts 40 und den Röhren 38.
Im Inneren der so geformten Schlage zirkuliert das mit CO&sub2; und Nährelementen beladene Kulturmilieu 1, wie die Pfeile F1 anzeigen.
Jeder Photobioreaktor 6 umfaßt eine einzige Zufuhrleitung 10 des Kulturmilieus, die am einzigen Eingang 43 des stromaufwärtigen Sammelbehälters 40 angebracht ist, und eine einzige Ausgangsleitung 30 des besagten Milieus, die am einzigen Ausgang 45 des Sammelbehälters 40 angebracht ist, die Eingangsleitung 10 wird auf die erste Röhre 38 des Photobioreaktors montiert und die Ausgangsleitung 30 auf die letzte Röhre 39 desselben Photobioreaktors.
Gemäß der Erfindung ist jedes Verbindungsstück 44 des Sammelbehälters stromaufwärts 40 und stromabwärts 42 mit einer Öffnung 60 versehen, die der Verzweigung des Entgasers 36 dient. Diese Verzweigung wird mithilfe biegsamer Leitungen am Eingang 61 und am Ausgang 63 des Kulturmilieus gesichert (Fig. 2 und 5).
Die Lösung der Mikroorganismen muß für ihr eigentliches Wachstum auf eine Temperatur zwischen 18 und 28ºC reguliert werden, das heißt nahe der Umgebungstemperatur.
Zu diesem Zweck ist jeder Photobioreaktor 6 mit einer zweiten. Röhreneinheit 62 versehen, die unter den Röhren 38 angeordnet sind. Diese Röhren 62 aus biegsamem Plastikmaterial, zum Beispiel aus Polyethylen, werden untereinander wie die Röhren 38 mithilfe eines Sammelbehälters stromaufwärts 64 und eine Sammelbehälters stromabwärts 65 mit geknickten Abteilungen verbunden, um eine Schlange zu bilden (Fig. 2). Diese Röhren 62 von 16,4 m Länge und 63 mm innerem Durchmesser sind dazu bestimmt, mit komprimierter Luft mithilfe eines Elektroventils 66 aufgeblasen zu werden, so daß sie also eine pneumatische Stütze bilden, die auf der Oberfläche der Wasserfläche 8 schwimmt.
Die Steuerung des Elektroventils 66 ist durch eine elektronische Steuerschaltung 68 gesichert, die mit Sonden 67 zur thermischen Messung verbunden ist, die im Inneren der Röhren 38 angebracht sind.
Wenn die Temperatur des in den Röhren 38 enthaltenen Kulturmilieus 1, die von den Sonden 67 gemessen wird, höher ist als eine maximale Einstelltemperatur (zum Beispiel 29ºC), senden die thermischen Sonden eine erstes Signal aus, das von der elektronischen Schaltung 68 detektiert wird, welche dann das Ablassen der Röhren 62 durch Zwischenschalten der Elektroventile 71 steuert. Das Ablassen der Röhren 62 zieht dann das gesamte oder teilweise Eintauchen, entsprechend dem Ausmaß des Ablassens, der Photobioreaktoren 6 in die Wasserfläche 8 nach sich. Das Wasser ist kälter als die umgebende Atmosphäre und als das in den Photobioreaktoren anwesende Kulturmilieu, das Kulturmilieu kühlt sich ab.
Wenn das eingetauchte Kulturmilieu eine Temperatur erreicht, die von den Sonden 67 gemessen wird, welche kleiner ist als eine minimale Einstelltemperatur (zum Beispiel 17ºC), senden die Sonden 67 ein zweites Signal aus, das von der elektronischen Schaltung 68 detektiert wird, welche dann die Elektroventile 66 steuern, um das Aufblasen der Röhren 62 mit komprimierter Luft zu sichern. Das Aufblasen der Röhren 62 zieht dann das Schwimmen der Photobioreaktoren 6 nach sich. Das Kulturmilieu erwärmt sich dann wieder durch die freie Luft.
Alle Leitungen zur Zufuhr oder zum Austritt des Kulturmilieus, der komprimierten Luft etc . . . . und alle elektrischen Verbindungen (Sonden 67), Verzweigungen zwischen den Photobioreaktoren und den anderen Bestandteilen der Herstellungsvorrichtung, wie den Entgasern, den Karbonatoren, den Koinpressoren, etc . . . sind notwendigerweise biegsam, um mit dem Eintauchen oder nicht Eintauchen der Photobioreaktoren verträglich zu sein. Die anderen Bestandteile als die Photobioreaktoren werden auf einem harten Schwimmkörper 69 befestigt, wie in Fig. 2 schematisch dargestellt, der auf der Wasserfläche 8 schwimmt.
Gemäß der Erfindung sichern die Zwischenstücke 70, wie in den Fig. 2 und 4 dargestellt, das Festhalten der Röhren 38 und 62 am Platz. Diese Zwischenstücke 70 sind abnehmbar und in regelmäßigem Abstand, ungefähr alle 60 cm (Fig. 2). Diese Zwischenstücke 70 werden aus Polypropylen ausgeführt und weisen die Form eines Y auf, deren Stangen von den Stützstangen 72 besonders aus Polypropylen gestützt werden. Zu diesem Zweck sind die Stützen 72 mit Öffnungen 74 ausgestattet, in denen die Stangen der Y 70 angeordnet sind. Die Y, die an beiden Seiten der Stangen 72 angeordnet sind und entsprechend dem Festhalten der Röhren 38 und 62 dienen, sind Kopf an Fuß befestigt.
Die Y 70 sind untereinander mithilfe biegsamer Verbindungen 76 aus Kautschuk verbunden, die an den Armen der Y angebracht sind. Die Röhren 36 und 62 sind zwischen den Y 70 aufeinanderfolgend angeordnet, ihr Festhalten am Platz wird durch die elastischen Verbindungen 76 und die Stütze 72 gesichert.
Die vorher beschriebene thermische Regulierung sowie das gute Funktionieren der Photobioreaktoren 6 begreift die totale Abwesenheit von Gas im Inneren der Röhren 38 der Photobioreaktoren mit ein. Zu diesem Zweck verwendet man Entgaser 36, die vorteilhafterweise wie in Fig. 5 dargestellt ausgeführt werden und an jedem Ende der Röhren 38 verzweigt sind.
Jeder Entgaser 36 umfaßt eine äußere Kammer 78 in zylindrischer Form, welche eine longitudinale Achse 79 umfaßt, die mit einem Boden 80 versehen ist und durch einen Deckel 81 geschlossen wird, sowie eine Leitung in U-Form 82, die dazu dient, den Sauerstoff und die anderen in dem Kulturmilieu 1 anwesenden Gase zu sammeln. Die Röhre 82 in U-Form umfaßt einen Arm 84, der entlang der longitudinalen Achse 79 der Kammer 78 angeordnet ist. Das Ende 85 dieses Arms 84, der den vom Kulturmilieu stammenden Sauerstoff sammelt, mündet in den oberen Teil der Kammer 78, in der Nähe des Deckels 81. Die Basis 86 der Leitung in U-Form ist parallel zum Boden 80 der Kammer 78. Die Richtung der Sauerstoffzirkulation im Entgaser 36 ist durch die Pfeile F2 angezeigt.
Die biegsamen Zufuhrleitungen 61 des mit Sauerstoff beladenen Kulturmilieus (im Allgemeinen 60 Volumenprozent Sauerstoff) und die biegsamen Austrittsleitungen 63 des Kulturmilieus ohne Sauerstoff und allgemeiner entgasten Kulturmilieus münden in die Basis des Entgasers und sind am Boden 80 der Kammer 78 befestigt.
Die Entgaser 36, wie in Fig. 2 angegeben, werden durch Fuße 87 gestützt, deren Höhe H reguliert wird, damit die Kammer 78 der Entgaser niemals mit dem Kulturmilieu aufgefüllt wird, damit die Photobioreaktoren eingetaucht sind oder schwimmen. Die Höhe der Kultur in den Röhren 63 wird durch den inneren Druck in den Röhren 38 bestimmt.
Die Mikroorganismen des Kulturmilieus 1' benötigen ständig CO&sub2;, daher die Notwendigkeit, das Kulturmilieu ständig mit gelöstem CO&sub2; zu beladen. Um die maximale Beladung des Kulturmilieus mit CO&sub2; zu sichern, verwendet man gemäß der Erfindung einen Karbonator 12, der mit dem Eingang jedes Photobioreaktors, wie in Fig. 6 dargestellt, verbunden ist.
Dieser Karbonator umfaßt eine zylindrische Eingangssäule 88, die an ihren beiden Enden geschlossen ist und eventuell eine Auskleidung 90 vom Typ eines Raschig-Rings oder eines solchen von Bert enthält. In dieser Säule 88 belädt sich das Kulturmilieu, das am Boden der Säule 88 ankommt, mit CO&sub2;, das mithilfe einer Tauchröhre 92 eingeführt wird, dessen eintauchendes Ende 94 aus gelochtem Glas mit variabler Porösität ausgeführt wird, um das Lösen des CO&sub2; in dem flüssigen Milieu 1 zu verbessern.
Diese Eingangssäule 88 ist an ihrem oberen Teil mit einer Ausgangssäule 96 verbunden, in welcher das mit CO&sub2; beladene Milieu umstürzt. Diese Säule 96 bezweckt, das Nachziehen von CO&sub2; und eventuell von nichtgelöstem Trägergas in dem Kulturmilieu auf den verbundenen Photobioreaktor zu verhindern. Eine Leitung 98 zum Entleeren des ungelösten CO&sub2; ist an der Spitze der Ausgangssäule 96 vorgesehen. Die Pfeile F3 zeigen die Zirkulationsrichtung des Kulturmilieus 1 in dem Karbonator.
Die Ausgleichsbehälter 2, wie die anderen Teile der Herstellungsvorrichtung, tragen auch dazu bei das Abscheiden der Mikroorganismen in den Röhren 38 des Photobioreaktors zu verhindern und somit den Wirkungsgrad des Photobioreaktors zu verbessern. Zu diesem Zweck verwendet man vorteilhafterweise solche Behälter, wie in Fig. 7 dargestellt.
Die dargestellten Behälter umfassen eine Kammer 100 in Form eines Parallelflachs, deren unteres Ende 102 die Form eines Trichters aufweist; dieser Behälter hat die Form eines Bunkers oder eines Silos und sein konisch erweiterter Boden ermöglicht die Sedimentation und das gesamte Wiederaufbereiten des organischen Materials in Suspension (Mikroorganismen + durch die Mikroorganismen ausgeschiedene Produkte).
Der Behälter umfaßt keinen Halt oder scharfe Kante und die Winkel sind abgerundet, um ein übermäßiges Haften der Mikroorganismen zu vermeiden und seine Reinigung zur erleichtern. Er umfaßt außerdem eine Abdeckung 104 aus Glaserdiamant, um die Ansammlung von Kondensat zu vermeiden; die Spitze der Abdeckung ist gegen die Höhe des Behälters gerichtet.
Die Abdeckung 104 ist an der Kammer 100 durch metallische Clips 106 oder Flügelschrauben befestigt. Eine Ringdichtung 108 sichert die Dichtheit zwischen der Kammer und der Abdeckung.
Die Kammer 100 des Behälters und ihre Abdeckung 104 sind transparent,um die Beobachtung zu ermöglichen, aber auch um die Kontaminationen mit bestimmten lichtempfindlichen Protisten zu bekämpfen; sie wird aus Plexiglas® oder aus PVC (Polyvinylchlorid) ausgeführt.
In ihrem oberen Teil ermöglicht ein Einlaß 110 der Kultur (Mikroorganismen) ein zentrales Auffüllen des Bunkers mit Mikroorganismen. Außerdem sind Zufuhrleitungen 112, 22, 114 und 116 vorgesehen, um entsprechend in den Behälter 2 das Kulturmilieu während dem Auffüllen der Vorrichtung einzuführen, das Kulturmilieu während dem kontinuierlichen Betrieb, den ph-Regulierer (sauer oder basisch) und das schaumbrechende Mittel.
Eine Sonde 118 auf dem oberen Niveau und eine Sonde 120 am unteren Niveau ermöglichen es, entsprechend das Überlaufen oder das vollständige Entleeren des Behälters 2 während dem kontinuierlichen Betrieb der allgemeinen Herstellungsvorrichtung zu vermeiden.
Am oberen Teil des Behälters sind ein erstes metallisches ebenes Gitter 122 und ein zweites metallisches Gitter 124 vorgesehen. Das erste Gitter mit 1 cm Maschenweite ermöglicht bei der eventuellen Verwendung von selbstreinigenden Polyurethan-Kügelchen, die Rückgewinnung dieser Kügelchen. Das zweite Gitter, von 1 mm Maschenweite, aus Glaserdiamant ermöglicht die Rückgewinnung großer Zellaggregate, die von der Selbstreinigung durch die Kügelchen stammen; die Spitze des Gitters ist gegen den Boden des Behälters gerichtet.
Der Ausgang des Kulturmilieus auf die Photobioreaktoren wird durch die Leitung 126 gesichert, am unteren Ende 102 des Behälters, wird ein Stopventil 128 an dieser Leitung 126 angebracht.
Wie vorher gesagt ist eine Regulierung 19 der Versorgung der Kulturmilieus mit CO&sub2; in Abhängigkeit von der Sonneneinstrahlung vorgesehen. Dieses Regulationssystem 19 ist in Fig. 8, Teil a, dargestellt.
Es umfaßt ein Pyranometer 130, welches eine elektrische Spannung von 0 bis 10 mV entsprechend den Änderungen der Lichtenergie liefert. Dieses elektrische Signal wird mithilfe eines Verstärkers mit variabler Verstärkung 132, zwischen 0 und 5V, verstärkt. Die maximale Verstärkung stellt den Ausstoß bei vollständig geöffnetem Ventil 134 dar, das auf der Leitung 18 angebracht ist (Fig. 1). Eine Schaltung 136 vom Typ RC ermöglicht es, das Ansprechend des Ventils 134 auf Lichtänderungen auf sehr kurze Zeiten zu verkürzen.
Die Verwendung eines Verstärkers 132 mit variabler Verstärkung ermöglicht eine Modifikation der Empfindlichkeit des Systems 19, das heißt die Wahl des Niveaus der Lichtintensität bestimmt vollständig die Öffnung des Ventils 134. Eine Regulierung der Schwelle S von Null ermöglicht es, die Schwelle der Lichtenergie zu wählen, die das Öffnen des Ventils 134 auslöst; diese Anpassung ermöglicht es, den Kompensationspunkt der photosynthetisierenden Mikroorganismen zu berücksichtigen.
Das verstärkte Signal, das von der Schaltung 136 austritt, wird auf eine elektronische Schaltung 138 zur Steuerung des Ventils gerichtet, das Ventil 134 ist ein elektronisches Ventil vom Modell 5850TR. Das Ventil kann manuell durch eine äußere Versorgung 140 (0-5V) oder eben automatisch aufgrund eines Rechners 142 gesteuert werden. Eine Adapterschaltung 144 ist zwischen dem Rechner und der RC-Schaltung vorgesehen.
Diese Regulierungssystem 19 ermöglicht es, wie in Teil b der Fig. 8 dargestellt, das Kulturmilieu in Abhängigkeit der Änderungen der Lichtenergie E im Laufe der Zeit t, ausgedrückt in Minuten, mit CO&sub2; zu versorgen. Kurve I stellt die Änderungen der Sonnenenergie dar, Kurve II stellt die Änderungen der Versorgung des Kulturmilieus mit CO&sub2; dar und Kurve III stellt die Änderungen des nicht verbrauchten CO&sub2; dar.
Die Photosyntheseaktivität (Bindung von CO&sub2; durch die Mikroorganismen) ist proportional zur Lichtintensität. Nun ist aber die Intensität des Lichtflusses mit dem Tagesverlauf veränderlich: minimal am Morgen und am Abend, maximal wenn die Sonne am Zenit ist. Eine konstante Versorgung mit CO&sub2; stößt also am Morgen und am Abend auf große CO&sub2;-Verluste (geringe Photosyntheseaktivität) und manchmal auf eine Beschränkung der Photosynthese durch CO&sub2;-Mangel, wenn die Lichtintensität maximal ist.
Die Regulierung des CO&sub2; ermöglicht also eine Einsparung von CO&sub2;, wenn seine Lieferung proportional zum biologischen Bedarf ist.
Die Herstellungsvorrichtung gemäß der Erfindung kann für die Entwicklung und die Kultur von Pflanzenzellen oder einzelligen Algen verwendet werden, solchen wie in der Veröffentlichung von G. Gudin und 0. Th penier "Bioconversion of solar energy into organic chemicals by microalgae", erschienen in Advances in Biotechnological Processes 6, S. 73-110 von 1986 beschrieben.
Die Nährmilieus dieser letzteren enthalten verschiedene Mineralsalze, Metallsalze, Aminosäuren, Vitamine und Wachstumsregulatoren. Beispiele von in der Erfindung verwendbaren Nährelementen sind besonders in den Dokumenten FR-A-2 324 224 und FR-A-2 361 060 beschrieben.
Die vorhergehend beschriebene Herstellungsvorrichtung ermöglicht besonders eine industrielle Herstellung von jährlich ungefähr 60 Tonnen Biomasse wie Porphyridium cruentum, Scendesmus acutus, Dunalulla, und dies in industrieller Weise, indem aufgeteilte röhrenförmige Photobioreaktoren auf einer Wasserfläche von 1 ha verwendet werden, mit einer Ausbeute von 300 Tagen pro Jahr, eine Periode der Sonnenerhellung von 12 h im Durchschnitt pro Tag (was einer Sonnenenergie von 950 W/m² entspricht), eine Menge an gebundenem CO&sub2; von 56 000 m³ pro Jahr, also 110 Tonnen pro Jahr, und eine Menge von Nährmilieu pro Tag von 50 m³, was ungefähr 30 kg Harnstoff pro Tag entspricht, die Menge des in die Atmosphäre zurückgeführten Sauerstoffs beträgt 56 000 m³ pro Jahr, also 154 Tonnen pro Jahr.

Claims

1. Vorrichtung zur intensiven und kontrollierten Herstellung, durch Photosynthese, von Mikroorganismen in Suspension in einem flüssigen Milieu, welche mindestens einen Photobioreaktor (6) umfaßt, der dazu bestimmt ist, auf einer Wasserfläche (8) angeordnet zu sein, der eine erste Röhreneinheit (38) umfaßt, die bei Licht transparent sind und in welchen das flüssige Milieu (1) zirkuliert, dadurch gekennzeichnet, daß der Photobioreaktor außerdem eine zweite Röhreneinheit (62) umfaßt, die unter der ersten Einheit gelagert ist, wobei die Röhren der ersten und der zweiten Einheit mithilfe von abnehmbaren Zwischenlagen (70) mit regelmäßigen Abständen festgehalten werden, diese zweite Einheit ist fähig, den Photobioreaktor in Wasser versenkbar oder nicht versenkbar zu machen; und daß die Vorrichtung auch Geräte zur Steuerung (66, 67, 68) der zweiten Röhreneinheit hinsichtlich dem Eintauchen oder nicht Eintauchen des Photobioreaktors (6) umfaßt; mindestens einen Karbonateur (12) der am Eingang (10) des Photobioreaktors (6) angeschlossen ist, um das flüssige Milieu mit dem für die Photosynthese notwendigen CO&sub2; zu beladen; mindestens einem Entgaser (36), der an dem Photobioreaktor angeschlossen ist, um aus dem flüssigen Milieu (1) besonders den von den Mikroorganismen produzierten Sauerstoff zu beseitigen; und mindestens einen Ausdehnungsbehälter (2), der an dem Photobioreaktor (6) angeschlossen ist, um die eventuellen Volumenänderungen in dem Photobioreaktor (6) auszugleichen.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenlagen (70), welche eine Y-Form aufweisen, mit ihrem Endstück auf mindestens einer starre Stütze (72) montiert sind, die zwischen der ersten und der zweiten Röhreneinheit gelagert ist und die untereinander mithilfe von elastischen Bindungen (76) durch ihre Äste verbunden sind, wobei die Röhren (38, 62) der ersten und der zweiten Einheit zwischen zwei Y (70) gelagert sind.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhren (38) der ersten Einheit untereinander so angeschlossen sind, daß die eine Schlange bilden, wobei die Enden der Röhren für Anschlüsse (44) vorgesehen sind, an welchen der Entgaser (36) angeschlossen ist.

4. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhren (62) der zweiten Einheit untereinander so angeschlossen sind, daß sie eine Schlange bilden.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse (44) an den Röhren der ersten Einheit jeweils mithilfe einer ersten (52a) und einer zweiten (52b) internen Muffe befestigt sind, die entsprechend an den ersten (38a) und den zweiten (38b) Röhren der ersten Einheit montiert sind; erste (54a) und zweite (54b) externe Muffen an jeder von diesen sind entsprechend an den besagten ersten und zweiten Röhren eingebaut, wobei die ersten und zweiten internen Muffen entsprechend an den ersten und zweiten externen Muffen festgemacht sind.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhren (38) der ersten Einheit aus Polyethylen und die internen (52a, 52b) und die externen (54a, 54b) Muffen aus Polypropylen ausgeführt sind.

7. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenlagen (70) aus Polypropylen ausgeführt sind.

8. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Karbonateur ein Karbonateur (12) des zwei Säulen-Typs ist, die eine Eingangssäule (88), in welcher das flüssige Milieu (1) sich mit CO&sub2; belädt und eine Ausgangssäule (96) umfassen, die mit der Eingangssäule verbunden ist und in welcher das mit CO&sub2; beladene flüssige Milieu umstürzt.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangssäule (88) ein das CO&sub2; in das flüssige Milieu (1) einführende Tauchrohr (92) umfaßt, dessen eintauchendes Ende (94) aus Glas oder gesintertem Inox mit veränderlicher Porosität ist.

10. Vorrichtung gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangssäule (88) mit einer Aussparung (90) versehen ist, um die Einführung des CO&sub2; in das flüssige Milieu (1) zu fördern.

11. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Entgaser (36) eine externe abgeschlossene Kammer (78), die eine Longitudinalachse (79) besitzt, und eine Leitung in U-Form (82) umfaßt, die den Sauerstoff sammelt und dessen einer Arm (84) in der Kammer (78) parallel zur besagten Achse eingebaut ist und dessen Basis (86) an der Seite der Basis (80) der Kammer eingebaut ist, wobei das Ende (85) der den Sauerstoff sammelnden Leitung (82) in den oberen Teil der Kammer mündet; mindestens eine zuführende Leitung (61) und mindestens eine Ausgangsleitung (63) des flüssigen Milieus (1) mündet in den unteren Teil der Kammer.

12. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Geräte zur Steuerung (66, 67, 68) der zweiten Röhreneinheit (38) pneumatisch sind und dazu dienen, die Röhren (62) der zweiten Einheit entsprechend aufzublasen und zu entleeren, wenn die Temperatur des flüssigen Milieus (1) kleiner als eine erste Einstelltemperatur und größer als eine zweite Einstelltemperatur ist, wobei die erste Einstelltemperatur kleiner ist als die zweite Einstelltemperatur.

13. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausdehnungsbehälter (2) durchsichtig und in Form einer Kammer (100) mit abgerundeten Kanten ausgebildet ist, dessen oberes Ende mit einem Deckel (104) aus Glaserdiamant ist und dessen unteres Ende die Form eines Trichters (102) aufweist.

14. Vorrichtung gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter an seinem oberen Teil mit einem Metallgitter (124) aus Glaserdiamant ausgerüstet ist.

15. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß sie Geräte (19) zur Regulierung der in den Photobioreaktor (6) eingeführten CO&sub2; Menge in Abhängigkeit von der Sonnenenergie umfaßt.