WO2021129923A1 - Vorrichtung zur kultivierung von photosynthese betreibenden mikroorganismen - Google Patents

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WO2021129923A1
WO2021129923A1 PCT/EP2019/086932 EP2019086932W WO2021129923A1 WO 2021129923 A1 WO2021129923 A1 WO 2021129923A1 EP 2019086932 W EP2019086932 W EP 2019086932W WO 2021129923 A1 WO2021129923 A1 WO 2021129923A1
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WO
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diaphragm
areas
suspension
light
receiving cavity
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/086932
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English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Amann
Original Assignee
Marigan Ag
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Publication date
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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/02—Photobioreactors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M31/00—Means for providing, directing, scattering or concentrating light
    • C12M31/08—Means for providing, directing, scattering or concentrating light by conducting or reflecting elements located inside the reactor or in its structure

Definitions

  • the present invention relates to a device for cultivating photosynthesis operating microorganisms, the device having at least one reactor vessel and the reactor vessel having at least one light-permeable wall and a receiving cavity for receiving a suspension with the microorganisms to be cultivated, the translucent wall delimiting the receiving cavity at least in some areas .
  • the invention also relates to a method for cultivating photosynthesis operating microorganisms with such a device.
  • Photosynthesizing microorganisms such as microalgae, diatoms, cyanobacteria or archaea use sunlight and carbon dioxide to generate biochemical energy in the form of chlorophyll, lipids, proteins and other substances, which they store within their cell structure.
  • Numerous species of these microscopic microorganisms live in fresh and salt water and, under stressful conditions, generate high-quality and unique substances that enable them to survive under the most difficult environmental conditions.
  • Dr. Rosa Maria Sastre carried out a series of tests with flashlight in the laboratory in order to provide high-frequency light-dark cycles for the cultivation of microorganisms.
  • the object of the invention is therefore to provide devices of the type mentioned in the introduction with which an increased yield can be ensured in the cultivation of photosynthesizing microorganisms.
  • the invention provides for this in a device of initially mentioned that the device has at least one screen with a sequence of light-permeable screen areas and opaque screen areas arranged adjacent thereto and the screen is arranged on the light-permeable wall, and that the device has at least one drive for generating a relative movement between the screen and the suspension received in the receiving cavity.
  • the drive is suitable for to move the diaphragm and the suspension relative to one another in such a way that a large number of partial volumes of the suspension in the receiving cavity are exposed to light alternately in an illumination period through one of the translucent diaphragm areas and shaded in an immediately following shading period by means of one of the opaque diaphragm areas in each case become.
  • An optimum for the cultivation of photosynthetic microorganisms is achieved when the duration of the lighting periods and / or the shading periods is in a value range from 4 milliseconds to 20 milliseconds, preferably from 4 milliseconds to 10 milliseconds.
  • cultivation of photosynthetic microorganisms describes both the growth of the microorganisms and their reproduction, in particular through cell division.
  • devices according to the invention and also the method according to the invention described below it is possible to cultivate primarily photochromic microalgae, i.e. microalgae operating photosynthesis, but also other photochromic microorganisms such as the diatoms, cyanobacteria and / or archaea already mentioned above.
  • the receiving cavity of the reactor vessel in which the suspension is located could also be referred to as the receiving space.
  • the reactor vessels of the device according to the invention could also be referred to as photobioreactors.
  • the suspension with the microorganisms to be cultivated has not only the microorganisms and a liquid, in particular in the form of water, but also that required for photosynthesis Carbon dioxide and optionally other components promoting the cultivation of the microorganisms.
  • These can be nutrients, trace elements and / or vitamins, for example.
  • the composition and concentration of these substances can be tailored to the specific needs of the respective species.
  • the light penetrating through the diaphragm into the receiving cavity of the reactor vessel can be both sunlight and artificial light. It can be directly irradiated light but also scattered light.
  • the temperature in the suspension can optionally be adjusted to the optimum ranges for the cultivation of the respective microorganisms by means of appropriate heating and / or cooling means.
  • the screen can also consist of thermally insulating material in order to help ensure the optimum temperature in the suspension.
  • the drive can be designed very differently. It can be provided, for example, that the drive is a device for generating a flow movement of the suspension through the receiving cavity, preferably a pump. In this case, the diaphragm can be fixedly attached to the reactor vessel. The relative movement between the suspension and the diaphragm is achieved by the flow movement of the suspension generated by the drive. As an alternative to this, however, it can also be provided that the drive is a diaphragm drive for moving the diaphragm relative to the translucent wall of the reactor vessel. In this case, the suspension can largely rest in the receiving cavity of the reactor vessel. In this case, the relative movement is generated by the movement of the diaphragm. Of course are too Mixed forms are conceivable in which both the suspension and the diaphragm are moved relative to the reactor vessel.
  • the transparent aperture areas can be designed, for example, as holes in the aperture or the like. Particularly preferred variants, however, provide that the translucent screen areas are designed as slots in the screen and the opaque screen areas arranged adjacent thereto are designed as webs of the screen.
  • the diaphragm In order to ensure as clear a demarcation as possible between the shaded areas produced by means of the diaphragm in the suspension or in the receiving cavity and the illuminated areas, it is advantageous to design the diaphragm as light-focussing as possible.
  • a first measure for this can be that the light-permeable aperture areas of the aperture are each designed as a light-focussing, preferably depth-extending, light guide channel in the aperture. The depth of the light guide channel reduces the light scattering effects on the light exit opening of the light guide channel facing the receiving cavity, so that a clear delimitation of the shaded areas from the illuminated areas is achieved.
  • the or a depth extension of the respective light-focusing light guide channel measured from a diaphragm surface of the diaphragm facing away from the receiving cavity to a diaphragm surface of the diaphragm facing the receiving cavity, in a value range from 6mm (millimeters) to 15mm, preferably from 9mm to 11mm, lies.
  • the respective light-focusing light guide channel apart from one light inlet opening of the light-focusing light guide channel and one
  • Light exit opening of the light-focusing light guide channel is delimited by light-absorbing channel walls of the diaphragm. Due to the light-absorbing design of the channel walls delimiting the respective light guide channel of the diaphragm, light reflections on the channel walls are avoided, which additionally improves the focusing of the light emerging from the light exit opening of the light guide channel.
  • the channel walls can be made matt black, for example.
  • all other walls of the reactor vessel that delimit the receiving cavity are designed to be light-impermeable and / or light-absorbing.
  • the photosynthesis operating microorganisms generate under stress conditions high-quality and unique substances that are particularly valuable for the manufacture of pharmaceutical products, cosmetics and / or food supplements. These stress conditions are created, among other things, by high light input into the suspension.
  • preferred variants of the invention provide that the diaphragm (s) is or can be releasably fastened or fastened to the reactor vessel by means of a releasable fastening device from the translucent wall and can be removed manually and / or mechanically from the reactor vessel and on it is or are re-attachable.
  • a screen surface of the screen facing away from the receiving cavity is made reflective.
  • the light which does not penetrate through the transparent aperture areas into the receiving cavity and thus into the suspension is reflected or mirrored, so that it is available for illuminating adjacent devices according to the invention.
  • a high light density can be generated between the devices arranged adjacent to one another and the incident light can thus be optimally used.
  • the reactor vessel is designed as a flat-bed reactor vessel in which two opposing, flat and parallel walls and preferably opaque end walls arranged between them delimit the receiving cavity.
  • Such flat-bed reactor vessels could also be referred to as flat-plate reactor vessels.
  • Various embodiments according to the invention can also be implemented with these flat-bed reactor vessels.
  • both of the opposing walls, which are flat and parallel to one another are each designed as a translucent wall and a panel with a sequence of translucent panel areas and opaque panel areas adjacent to them is arranged on each of these walls.
  • the opposing, flat and parallel arranged walls is designed as a light-permeable wall and a screen with a sequence of light-permeable screen areas and opaque screen areas arranged adjacent to them is arranged on this wall and the other is the opposing, planar and parallel to each other arranged walls is opaque and / or light-absorbing.
  • Preferred variants of devices according to the invention with reactor vessels in the form of flat-bed reactor vessels provide that the receiving cavity is subdivided into meandering flow channels for the suspension by means of preferably opaque and / or light-absorbing partitions.
  • the light-permeable screen areas which are designed in particular in the form of slots favorably extend over at least 50%, preferably over at least 90% of the width of the respective flow channel measured orthogonally to the flow direction in the flow channel. In this way it can be achieved that correspondingly shaded areas and illuminated areas are formed in the receiving cavity and thus in the suspension over the entire width of the respective flow channel.
  • the suspension should flow through the flow channels as free as possible of negative shear forces.
  • preferred variants of the invention provide that the meandering flow channels have the same flow cross section everywhere.
  • the receiving cavity is designed as an inherently ring-shaped, in particular circular, closed volume, which is surrounded by an inherently ring-shaped, in particular circular, outer wall of the reactor vessel and by an in annular, in particular circular, inner wall of the reactor vessel and by a bottom wall of the reactor vessel and a top wall of the reactor vessel is limited, at least one of the walls selected from the group consisting of the outer wall, the inner wall, the bottom wall and the top wall, as the translucent wall is formed and the screen is arranged on this translucent wall.
  • the suspension in this ring-shaped receiving cavity in a Flow movement is offset in order to bring about the relative movement between the suspension and the diaphragm.
  • the drive is a diaphragm drive for rotating the diaphragm relative to the translucent wall, preferably around the translucent wall, of the reactor vessel.
  • both the suspension in the annular receiving cavity and the diaphragm are set in motion.
  • the invention also relates to a method for cultivating photosynthetic microorganisms with a device according to the invention.
  • a suspension with the microorganisms to be cultivated in the receiving cavity is exposed to light in some areas through the translucent diaphragm areas and shaded against incidence of light in some areas by the opaque diaphragm areas and the diaphragm and the suspension in the receiving cavity are moved relative to one another by means of the drive .
  • This method is preferably designed in such a way that the diaphragm and the suspension are moved relative to one another by means of the drive in such a way that a large number of partial volumes of the suspension in the receiving cavity are exposed to light alternately in a lighting period through one of the translucent diaphragm areas and in one immediately following shading period can be shaded by means of one of the opaque aperture areas.
  • the duration of the lighting periods and / or the In this case, shading periods are advantageously in a value range from 4 milliseconds to 20 milliseconds, preferably from 4 milliseconds to 10 milliseconds.
  • FIG. 1 to 5 are schematic representations relating to a first exemplary embodiment of a device according to the invention.
  • FIG. 6 shows an alternative embodiment to this in an enlarged area shown analogously to FIG. 5;
  • FIG. 7 shows a schematic illustration to explain the light reflection between a plurality of devices arranged next to one another;
  • FIGS. 8 and 9 are schematic representations of a third exemplary embodiment of the invention
  • FIGS. 10 and 11 are schematic representations of a fourth exemplary embodiment of the invention.
  • the reactor vessel 2 is designed as a flat-bed reactor vessel in which two opposing, flat and parallel walls 3 and 4 and end walls 41 arranged between them form the receiving cavity 5 of the Limit reactor vessel 2.
  • Both of the mutually opposite, flat and parallel walls 3 and 4 of the reactor vessel 2 are each designed to be translucent.
  • On both of these walls 3 and 4 is a diaphragm 7 with a sequence of transparent diaphragm areas 8 and opaque diaphragm areas 9 arranged adjacent thereto.
  • all of the other walls 28 of the reactor vessel 2 which delimit the receiving cavity 5 are opaque and light-absorbing.
  • these other walls 28 delimiting the receiving cavity 5 are the end walls 41 and the intermediate walls 32.
  • the receiving cavity 5 of the reactor vessel 2 is filled with the suspension 6. In the suspension 6 are to be cultivated,
  • the suspension naturally also comprises a liquid, preferably water, and a proportion of carbon dioxide.
  • the suspension can also contain the cultivation, that is to say also the growth and cell division promoting, additional substances, as they have already been mentioned above.
  • FIG. 1 shows a front view of the device 1 and in particular of the reactor vessel 2, on the transparent walls 3 and 4 of which a diaphragm 7 is arranged in each case.
  • 2 shows the section along the section line AA from FIG. 1 through the reactor vessel 2 with the diaphragms 7 arranged on the transparent walls 3 and 4. In FIG. 3, the diaphragms 7 are removed so that the reactor vessel 2 can be seen directly.
  • the diaphragms 7 are fixedly attached to the reactor vessel 2.
  • the relative movement between the suspension 6 and the diaphragms 7 is implemented in this exemplary embodiment by a drive 10 for generating a flow movement of the suspension through the receiving cavity 5.
  • this drive 10 is here as a pump 12 educated.
  • the pump 12 conveys the suspension through the ring line 40, which is only shown schematically here, and the reactor vessel 2 in a circuit that is closed during the cultivation.
  • the suspension with an initial amount of photosynthesis operating microorganisms can be fed into the system via the feed 38 at the beginning of the process.
  • the reactor vessel 2 and the ring line 40 are preferably completely filled with the suspension.
  • the suspension which is then appropriately enriched with microorganisms, can be removed from the system via the withdrawal 39 so that new suspension can then be filled in again via the feed 38.
  • the diaphragms 7 have a sequence of translucent diaphragm areas 8 and opaque diaphragm areas 9.
  • the translucent aperture areas 8 are designed as slits in the aperture 7 and the opaque aperture areas 9 arranged adjacent to each other are designed as webs of the aperture 7.
  • the slots in the diaphragms 7 and / or the webs 7 are preferably designed to be elongated and / or parallel to one another. This can be implemented in this way, but also in other exemplary embodiments of the invention.
  • the drive 10 is a drive for generating a relative movement between the diaphragm 7 and the suspension 6 received in the receiving cavity 5 in a direction 17 transverse, preferably orthogonal, to the longitudinal extension 18 of the slots in the diaphragm 7.
  • This also applies in general, that is to say in this, but also in other preferred embodiments of the invention. Specifically, this is implemented here in such a way that the suspension 6 in the reactor vessel 2 is transported by the pump 12 in a direction 17 which is orthogonal to the The longitudinal extension of the translucent diaphragm areas 8 embodied as slots runs.
  • the diaphragm 7 is arranged on both sides of the reactor vessel 2 in front of the respective light-permeable wall 3 or 4.
  • the diaphragms 7 are fastened to the reactor vessel 2 in a detachable or removable manner from the translucent walls 3 and 4 by means of a releasable fastening device 15. They can be removed manually and / or by machine from the reactor vessel 2 and can be reattached to it.
  • the detachable fastening devices 15 are only roughly indicated in FIG. 2. It can be, for example, clamping mechanisms, clips, screw connections and the like that are known per se.
  • Corresponding fastening devices 15 which are used to fasten and detach two bodies from one another several times, are sufficiently well known in the prior art.
  • the reactor vessel 2 for example, can be cleaned.
  • the diaphragms 7 can be removed in order to expose the microorganisms present in the suspension arranged in the receiving cavity 5 with light over their entire surface in order to bring about a stress situation for the microorganisms. As a result, they can be stimulated to produce certain high-quality substances, which can then ultimately be extracted from the microorganisms and used in pharmaceutical products and / or cosmetics and / or food supplements.
  • the receiving cavity 5 by means of the opaque and / or light-absorbing partition walls 32 are subdivided into meandering flow channels 31 for the suspension 6.
  • the meandering flow channels 31 have the same flow cross section everywhere. In this way, shear forces which interfere with the cultivation of the microorganisms can be avoided.
  • the end walls 41 are also formed correspondingly rounded in this exemplary embodiment.
  • the reactor vessel 2 has at least one inlet 29 for adding suspension 6 to the receiving cavity 5 and at least one outlet 30 for removing suspension from the receiving cavity 5 having.
  • the inlet 29 and the outlet 30 are connected to the ring line 40.
  • the receiving cavity 5, possibly apart from the outlet 30 and the inlet 29, is a self-contained inner volume of the reactor vessel 2. This is advantageous for avoiding unwanted contamination of the suspension during the cultivation of the microorganisms. Even if this is not shown here in the schematic representations according to FIGS.
  • the ring lines 40 as well as the inlet 29 and the outlet 30 advantageously have the same line cross section as the flow channels 31 in the reactor vessel 2. This also helps to avoid unwanted shear forces in the suspension 6 when it flows through the reactor vessel 2 and the ring line 40.
  • FIG. 4 shows a small section of the diaphragm 7 in a view as in FIG. 1, but enlarged.
  • the translucent diaphragm areas 8 embodied as slits and those as webs formed opaque diaphragm areas 9 are preferably each linearly elongated and formed parallel to one another.
  • the longitudinal extension 18 of the translucent diaphragm areas 8 is at least 50% of the width of the respective flow channel 31 of the reactor vessel 2.
  • the longitudinal extension 18 corresponds to at least 90%, preferably 100% of the mentioned width of the flow channel 31, the width of the flow channel 31 in the direction orthogonal to the direction 17 in which the suspension flows through the flow channel 31 is measured.
  • the width 23 of the opaque diaphragm areas 9 is therefore advantageously chosen to be greater than the width 19 of the light-permeable diaphragm areas 8. In this way, certain light scattering effects within the receiving cavity 5 and thus within the suspension 6 can be compensated. this will explained below with reference to FIG. 5.
  • FIG. 5 now shows enlarged a section 7 along the section line BB from FIG. 4 through the reactor vessel 2 with its receiving cavity 5 and the opposed, transparent walls 3 and 4 and the diaphragms 7 attached to them.
  • the respective screen 7 advantageously rests directly on the respective light-permeable wall 3 or 4 of the reactor vessel 2. In this way, light scattering effects between the diaphragm 7 and the translucent wall 3 or 4 are avoided.
  • the light striking the diaphragms 7 from the outside can be both artificial and natural light. Direct irradiation but also scattered light are possible.
  • the light enters through the transparent aperture areas 8 into the receiving cavity 5 and thus into the suspension 6 and thus supplies the microorganisms present in the suspension 6 in the illuminated areas 44 with light or photons.
  • the illuminated areas 44 arranged between the shaded areas 43 within the receiving cavity 5 and the suspension 6 are not hatched.
  • each of the partial volumes 11 of the suspension 6 in the receiving cavity 5 symbolically shown in FIG. 5 is cyclically alternating in an illumination period through one of the translucent aperture areas 8 exposed to light.
  • the microorganisms to be cultivated in the suspension 6 are forcibly exposed to a recurring Hel1 dark cycle, so that the lighting and shading or dark phases required by the Calvin cycle are alternately implemented, so that optimal conditions for carrying out photosynthesis can be set .
  • the flow speed of the suspension in the receiving cavity 5 or in its flow channels 31 is favorably set so that the duration of the lighting periods and / or the shading periods is in a value range from 4 milliseconds to 20 milliseconds, preferably from 4 milliseconds to 10 milliseconds.
  • the suspension 6 is for this purpose by means of the drive 10, here the pump 12 with a Speed in a range of values from 0.25 m / sec (meters per second) to 0.6 m / sec, preferably from 0.3 m / sec to 0.5 m / sec, moved relative to one another.
  • the relative movement between the diaphragm 7 and suspension 6 takes place exclusively through the flow movement of the suspension 6 in the direction 17.
  • both the diaphragm 7 and the suspension 6 and also only the diaphragm 7 can be moved in order to to ensure this relative movement.
  • the transparent diaphragm areas 8 of the diaphragm 7 are each designed as a light-focussing light guide channel 14 having a depth extension 13 in the diaphragm 7.
  • the depth 13 of the respective light-focussing light guide channel 14 measured from a diaphragm surface 16 of the diaphragm 7 facing away from the receiving cavity 5 to a diaphragm surface 24 of the diaphragm facing the receiving cavity 5 is advantageously in a range of values from 6mm to 15mm, preferably from 9mm to 11mm.
  • the light guide channel 14 To prevent light scattering by reflecting light on the, the light guide channel 14, respectively
  • These channel walls 27 can be made of matt black, for example.
  • the panel surface 16 of the panel 7 facing away from the receiving cavity 5 is embodied in a reflective manner.
  • the portion of the light incident on the respective diaphragm 7 which does not penetrate through the transparent diaphragm areas 8 into the interior of the receiving cavity 5 is reflected and is thus available for adjacent devices 1 according to the invention and in particular reactor vessels 2.
  • an orthogonal to the light-permeable wall 3 or 4 measured thickness of the receiving cavity 5 per translucent wall 3 or 4 is in a range of values from 22mm to 26mm, preferably from 23mm to 25mm.
  • the receiving cavity 5 is delimited on both opposite sides by transparent walls 3 and 4.
  • the distance 42 between the two opposed, flat and parallel translucent walls 3 and 4 is in a range of values from 44mm to 52mm, preferably from 46mm to 50mm. This ensures that sufficient photons are available for photosynthesis of the microorganisms for the entire suspension 6 flowing through the receiving cavity 5 or the flow channels 31.
  • FIG. 6 shows in a representation analogous to FIG first embodiment modified embodiment of the invention. It is provided here that only one of the opposing walls 3, which are flat and parallel to one another, is designed as a translucent wall 3 and a screen 7 with a sequence of translucent screen areas 8 and opaque screen areas 9 arranged adjacent to them is arranged on this wall 3 and the other of the opposing walls 33, which are arranged flat and parallel to one another, is impermeable to light. In order to avoid scattering effects, this is opaque trained wall 33 advantageously also light-absorbing, so for example made of matt black.
  • this second exemplary embodiment of the invention illustrated with reference to FIG. 6 has essentially the same features as the first exemplary embodiment, so that reference is made to the description thereof in order to avoid repetition.
  • the sequence according to the invention of translucent aperture areas 8 and opaque aperture areas 9 with a corresponding incidence of light through the translucent aperture areas 8 in the receiving cavity 5 or flow channel 31 generates a sequence of illuminated areas 44 and shaded areas 43, so that the areas flowing in the direction 17 Suspension microorganisms present in each case cyclically alternating in a lighting period through one of the translucent diaphragm areas 8 and shaded in an immediately following shading period by means of one of the opaque diaphragm areas 9.
  • FIG. 7 shows, by way of example and schematically, an arrangement of a plurality of reactor vessels 2 of devices 1 according to the invention of the first exemplary embodiment set up next to one another.
  • the incident light 45 and the light 46 reflected on the mirrored diaphragm surfaces 16 are shown symbolically in the form of arrows.
  • Fig. 7 thus illustrates the effect of the mirrored formations of the diaphragm surfaces 16 of the respective diaphragm 7 facing away from the receiving cavity 5.
  • These mirrored diaphragm surfaces reflect the portion of the light which hits the respective diaphragm 7 but does not penetrate through the transparent diaphragm areas 8 into the receiving cavity 5. This reflected light component is then available for illuminating the adjacent reactor vessels 2. This makes it possible to set up a large number of reactor vessels 2 next to one another in the manner shown schematically in FIG. 7, for example. The mirror surfaces 16 then help to ensure that enough light is available everywhere.
  • FIGS. 8 to 11 now show two examples
  • the receiving cavity 5 is designed as an inherently ring-shaped, in particular circular ring-shaped, closed volume, which is surrounded by an inherently ring-shaped, in particular circular ring-shaped, outer wall 34 of the reactor vessel 2 and by an inherently ring-shaped, in particular circular ring-shaped, Inner wall 35 of the reactor vessel 2 as well as from a bottom wall 36 of the reactor vessel 2 and a top wall 37 of the reactor vessel 2 is limited, at least one of the walls selected from the group consisting of the outer wall 34, the inner wall 35, the bottom wall 36 and the top wall 37, is formed as the translucent wall 3, 4 and the screen 7 on this translucent wall 3, 4 is arranged.
  • the drive 10 is a diaphragm drive for rotating the diaphragm 7 relative to the translucent wall 3, 4, preferably around the translucent wall 3, 4 of the reactor vessel 2.
  • the suspension with the microorganisms can thus largely rest in the receiving cavity 5, while the respective existing diaphragm 7 is moved relative thereto by the respective drive 10, here rotated about a central longitudinal axis 48 in these exemplary embodiments.
  • the drives 10 are only shown very schematically. Correspondingly suitable rotary drives known per se in the prior art can be used for moving the respective diaphragm 7.
  • the diaphragms 7 according to the invention each have a sequence of translucent diaphragm areas 8 and, in addition, in each case adjacently arranged opaque diaphragm areas 9.
  • the transparent diaphragm areas 8 are advantageously designed as elongated, preferably linear, slots and the opaque diaphragm areas 9, preferably as elongated, preferably linear, webs arranged in between.
  • the transparent diaphragm areas 8 are each aligned with their longitudinal extension parallel to the respective central longitudinal axis 48. They expediently extend over at least 50% of the height, preferably over the entire height, of the receiving cavity 5.
  • the diaphragms 7 of the exemplary embodiments according to FIGS. 8 to 11 can, if applicable, analogously to the diaphragms 7 of the first
  • Embodiments be formed.
  • the widths 19 of the translucent diaphragm areas 8, the widths 23 of the opaque diaphragm areas 9, the design of the translucent diaphragm areas 8 as light-focusing light guide channels 14 having a depth extension 13, the depth extension 13 of these light guide channels 14 and the light-absorbing design of the channel walls 27 of these light guide channels 14 Reference can be made to what has been said above about the first exemplary embodiments.
  • the respective diaphragm 7 rests as directly as possible on the translucent wall 3 or 4 of the respective reactor vessel 2.
  • the screen 7 is detachably attached or attachable to the reactor vessel 2 by means of a detachable attachment device 15 from the respective translucent wall 3 or 4 and can be manually and / or mechanically removed from the reactor vessel and attached again.
  • the respective sequence of translucent diaphragm areas 8 and adjacent opaque diaphragm areas 9 ensure the formation of a corresponding sequence of illuminated areas 44 and shaded areas 43 within the respective receiving cavity 5 and thus within the respective suspension 6.
  • the partial volumes 11 of the suspension 6 in the receiving cavity 5 each cycle alternately in an illumination period light is applied to one of the transparent diaphragm areas 8 and is shaded in an immediately following shading period by means of one of the opaque diaphragm areas 9 in each case.
  • the duration of the lighting periods and / or the shading periods are achieved in the preferred value ranges already mentioned at the beginning.
  • the reactor vessel 2 together with the diaphragm 7 is arranged in a self-contained housing 47.
  • the illumination is implemented by a multiplicity of light sources 50 arranged outside the diaphragm 7. These are distributed as evenly as possible around the diaphragm 7 in the sense of an optimal incidence of light through the translucent diaphragm areas 8.
  • the Inner surfaces 49 of the housing 47 are designed to be reflective, so that the light is incident on the diaphragm 7 not only within the light cones 51 of the light source 50, but also as light reflected on the inner surfaces 49 of the housing 47.
  • the reactor vessel 2 is surrounded by the diaphragm 7.
  • the outer wall 34 of the reactor vessel 2 is designed as a translucent wall 3 so that light can penetrate through the translucent aperture areas 8 of the aperture 7 and the translucent wall 3 into the suspension 6 in the receiving cavity 5.
  • the inner wall 35, bottom wall 36 and top wall 37 otherwise delimiting the receiving cavity 5 are formed in this exemplary embodiment as opaque and light-absorbing other walls 28, so that the shaded areas 43 and illuminated areas 44 generated by means of the diaphragm 7 do not reach or through reflections or light input these walls are disturbed.
  • the diaphragm 7, the outer wall 34 and the inner wall 35 are each designed as a circular cylinder. But this does not have to be the case.
  • the receiving cavity 5 is filled with suspension via the feed 38. After the microorganisms have been appropriately cultivated, the suspension correspondingly enriched with microorganisms can then be removed from the receiving cavity 5 via the removal 39.
  • the distance 42 between the light-permeable outer wall 34 and the light-impermeable and light-absorbing inner wall 35 is again advantageously in a range from 22 mm to 26 mm, preferably from 23 mm to

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Abstract

Vorrichtung (1) zur Kultivierung von Photosynthese betreibenden Mikroorganismen, wobei die Vorrichtung zumindest ein Reaktorgefäß (2) aufweist und das Reaktorgefäß (2) zumindest eine lichtdurchlässige Wand (3, 4) und einen Aufnahmehohlraum (5) zur Aufnahme einer Suspension (6) mit den zu kultivierenden Mikroorganismen aufweist, wobei die lichtdurchlässige Wand (3, 4) den Aufnahmehohlraum (5) zumindest bereichsweise begrenzt, wobei die Vorrichtung (1) zumindest eine Blende (7) mit einer Abfolge von lichtdurchlässigen Blendenbereichen (8) und dazu jeweils benachbart angeordneten lichtundurchlässigen Blendenbereichen (9) aufweist und die Blende (7) an der lichtdurchlässigen Wand (3 4) angeordnet ist, und dass die Vorrichtung (1) zumindest einen Antrieb (10) zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen der Blende (7) und der im Aufnahmehohlraum (5) aufgenommenen Suspension (6) aufweist.

Description

Vorrichtung zur Kultivierung von Photosynthese betreibenden
Mikroorganismen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kultivierung von Photosynthese betreibenden Mikroorganismen, wobei die Vorrichtung zumindest ein Reaktorgefäß aufweist und das Reaktorgefäß zumindest eine lichtdurchlässige Wand und einen Aufnahmehohlraum zur Aufnahme einer Suspension mit den zu kultivierenden Mikroorganismen aufweist, wobei die lichtdurchlässige Wand den Aufnahmehohlraum zumindest bereichsweise begrenzt. Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Kultivierung von Photosynthese betreibenden Mikroorganismen mit einer solchen Vorrichtung.
Photosynthese betreibende Mikroorganismen wie z.B. Mikroalgen, Diatome, Cyanobakterien oder Archaeen bilden mit Hilfe von Sonnenlicht und Kohlenstoffdioxid biochemische Energie in Form von Chlorophyll, Lipiden, Proteinen und weiteren Stoffen, welche sie innerhalb ihrer Zellstruktur speichern. Zahlreiche Arten dieser mikroskopisch kleinen Mikroorganismen leben in Süß- und Salzwasser und generieren unter Stressbedingungen hochwertige und einzigartige Stoffe, die ihnen ein Überleben unter schwierigsten Umweltbedingungen ermöglichen.
Es ist bekannt, diese Stoffe in aufwändigen
Aufbereitungsprozessen aus den Mikroorganismen zu extrahieren. Die Extrakte finden in pharmazeutischen Produkten, Kosmetika und Nahrungsergänzungsmitteln Verwendung. Um diese Extrakte gezielt für wissenschaftliche aber auch industrielle Zwecke hersteilen zu können, sind aus der Literatur Vorrichtungen zur Kultivierung der Photosynthese betreibenden Mikroorganismen bekannt. Diese beim Stand der Technik vorgeschlagenen Vorrichtungen sind häufig als Schlauch- oder Röhrensysteme oder auch als Flachbettreaktoren ausgebildet. Ihnen ist gemeinsam, dass sie aus transparentem Material bestehen, sodass Sonnen- oder Kunstlicht, welches zur Photosynthese benötigt wird, in diesen bekannten Vorrichtungen zu den in der Suspension vorhandenen Mikroorganismen Vordringen kann.
Es ist bekannt, dass die Photosynthese von Mikroorganismen dem sogenannten Calvin-Zyklus folgt. Dieser erfordert nach der Aufnahme einer gewissen Anzahl von Photonen bzw. Licht und Kohlenstoffdioxidmolekülen durch die Mikroorganismen eine kurzzeitige Dunkelphase, um den Prozess der Photosynthese fortsetzen zu können.
Bei den beim Stand der Technik bekannten Vorrichtungen sind die für den Calvin-Zyklus benötigten Voraussetzungen nur mehr oder weniger zufällig in einer relativ dünnen Schicht der Suspension vorhanden, sodass nur dort die Photosynthese stattfinden kann. In der Regel ist es so, dass in dem lichtzugewandten, äußersten Bereich der Suspension ein Übermaß an Photonen vorhanden ist. Es ergeben sich dort keine Dunkelphasen, sodass dort keine Photosynthese stattfinden kann. Es herrscht in diesem Bereich Photoinhibition. In einem darin anschließenden Bereich der Suspension nahe dieser lichtzugewandten Seite kann noch eine ausreichende Zufuhr von Photonen stattfinden und es ergeben sich gelegentlich Dunkelphasen durch eine zufällige, gegenseitige Abschattung der Mikroorganismen untereinander, sodass Photosynthese dort in einem gewissen Umfang stattfinden kann. Diese Schicht, in der Photosynthese stattfinden kann, ist aber relativ dünn. Auf ihrer lichtabgewandten Seite befindet sich ein Bereich, in den nur noch eine unzureichende Menge an Photonen eindringen kann, sodass die Photosynthese dort mangels Photonen nicht mehr oder nur in sehr geringem Umfang stattfinden kann. In diesem dritten Bereich herrscht Photolimitierung. Dies hat zur Folge, dass bei der Verwendung der oben genannten, beim Stand der Technik bekannten Vorrichtungen zur Kultivierung von Photosynthese betreibenden Mikroorganismen die Ausbeute relativ gering ist.
Um hier eine Verbesserung zu erreichen, wurden von Frau Dr. Rosa Maria Sastre im Labor Versuchsreihen mit Blitzlicht durchgeführt, um so hochfrequente Hell-Dunkel-Zyklen für die Kultivierung von Mikroorganismen zur Verfügung zu stellen.
Dies hat in einem Frequenzbereich von 100 Hertz oder gar 200 Hertz zwar zu einer Steigerung der Erträge geführt, ist aber vor allem im industriellen Bereich nicht wirtschaftlich umsetzbar.
Darüber hinaus wurden in der Literatur Versuche vage beschrieben, Folien mit Schlitzen auf Reaktorgefäße aufzukleben, um so Hell-Dunkel-Zyklen zu erzeugen. Es ist nicht bekannt, dass diese in der Literatur beschriebenen Versuche zu einer deutlichen Steigerung des Ertrags bei der Kultivierung von Photosynthese betreibenden Mikroorganismen geführt haben.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, Vorrichtungen der einleitend genannten Art zur Verfügung zu stellen, mit denen bei der Kultivierung von Photosynthese betreibenden Mikroorganismen ein erhöhter Ertrag sichergestellt werden kann.
Die Erfindung sieht hierfür bei einer Vorrichtung der einleitend genannten Art vor, dass die Vorrichtung zumindest eine Blende mit einer Abfolge von lichtdurchlässigen Blendenbereichen und dazu jeweils benachbart angeordneten lichtundurchlässigen Blendenbereichen aufweist und die Blende an der lichtdurchlässigen Wand angeordnet ist, und dass die Vorrichtung zumindest einen Antrieb zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen der Blende und der im Aufnahmehohlraum aufgenommenen Suspension aufweist.
Mit der an der lichtdurchlässigen Wand des Reaktorgefäßes angeordneten Blende werden in der Suspension im Aufnahmehohlraum des Reaktorgefäßes im Bereich der lichtdurchlässigen Blendenbereiche beleuchtete Bereiche, also Bereiche, in denen Photonen in ausreichendem Maß vorhanden sind, und bei den lichtundurchlässigen Blendenbereichen abgeschattete bzw. dunkle Bereiche erzeugt. Durch den Antrieb zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen der Blende und der im Aufnahmehohlraum aufgenommenen Suspension bewegen sich die Suspensionen einerseits und die abgeschatteten und beleuchteten Bereiche andererseits relativ zueinander, sodass die in der Suspension vorhandenen Mikroorganismen gezielt bzw. zwangsweise einer Abfolge von zyklisch wiederkehrenden Hell und Dunkelphasen ausgesetzt werden. Hierdurch können mit der Erfindung im Sinne des Calvin-Zyklus optimale Bedingungen für die Kultivierung der Photosynthese betreibenden Mikroorganismen zur Verfügung gestellt werden. Hierdurch wird auch photooxidativer Stress in der Wachstumsphase für die phototropen, also die Photosynthese betreibenden Mikroorganismen vermieden.
Betrachtet man die Suspension als die Summe einer Vielzahl von Teilvolumina der Suspension, so ist in diesem Sinne somit günstigerweise vorgesehen, dass der Antrieb dazu geeignet ist, die Blende und die Suspension relativ zueinander so zu bewegen, dass eine Vielzahl von Teilvolumina der Suspension im Aufnahmehohlraum jeweils zyklisch abwechselnd in einem Beleuchtungszeitraum durch jeweils einen der lichtdurchlässigen Blendenbereiche hindurch mit Licht beaufschlagt und in einem unmittelbar darauf folgenden Abschattungszeitraum mittels jeweils einem der lichtundurchlässigen Blendenbereiche abgeschattet werden. Ein Optimum für die Kultivierung der Photosynthese betreibenden Mikroorganismen wird dann erreicht, wenn die Dauer der Beleuchtungszeiträume und/oder der Abschattungszeiträume jeweils in einem Wertebereich von 4 Millisekunden bis 20 Millisekunden, vorzugsweise von 4 Millisekunden bis 10 Millisekunden, liegt.
Der Begriff der Kultivierung von Photosynthese betreibenden Mikroorganismen beschreibt sowohl das Wachstum der Mikroorganismen als auch deren Vermehrung, insbesondere durch Zellteilung. Mit erfindungsgemäßen Vorrichtungen und auch dem weiter unten beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren können vor allem phototrope, also Photosynthese betreibende Mikroalgen, aber auch andere phototrope Mikroorganismen wie z.B. die eingangs bereits genannten Diatome, Cyanobakterien und/oder Archaeen kultiviert werden.
Der Aufnahmehohlraum des Reaktorgefäßes, in dem sich die Suspension befindet, könnte auch als Aufnahmeraum bezeichnet werden. Die Reaktorgefäße der erfindungsgemäßen Vorrichtung könnte man auch als Photobioreaktoren bezeichnen.
Die Suspension mit den zu kultivierenden Mikroorganismen weist neben den Mikroorganismen und einer Flüssigkeit, insbesondere in Form von Wasser, auch das für die Photosynthese benötigte Kohlenstoffdioxid und gegebenenfalls weitere, die Kultivierung der Mikroorganismen fördernde Bestandteile auf. Dies können z.B. Nährstoffe, Spurenelemente und/oder Vitamine sein. Diese Stoffe können in ihrer Zusammensetzung und Konzentration auf die spezifischen Bedürfnisse der jeweiligen Spezies abgestimmt werden.
Bei dem durch die Blende hindurch in den Aufnähmehohlraum des Reaktorgefäßes eindringenden Licht kann es sich sowohl um Sonnenlicht als auch um Kunstlicht handeln. Es kann direkt eingestrahltes Licht aber auch Streulicht sein. Die Temperatur in der Suspension kann gegebenenfalls durch entsprechende Heiz- und/oder Kühlmittel auf die für die Kultivierung der jeweiligen Mikroorganismen optimalen Bereiche eingestellt werden. Die Blende kann in diesem Sinne auch aus thermisch isolierendem Material bestehen, um so die Sicherstellung der optimalen Temperatur in der Suspension zu unterstützen.
Um die Relativbewegung zwischen Suspension und Blende sicherzustellen, kann der Antrieb sehr unterschiedlich ausgebildet sein. Es kann z.B. vorgesehen sein, dass der Antrieb eine Einrichtung zur Erzeugung einer Strömungsbewegung der Suspension durch den Aufnahmehohlraum, vorzugsweise eine Pumpe, ist. In diesem Fall kann die Blende ortsfest am Reaktorgefäß befestigt werden. Die Relativbewegung zwischen Suspension und Blende wird durch die mittels des Antriebs erzeugte Strömungsbewegung der Suspension erreicht. Alternativ hierzu kann aber auch vorgesehen sein, dass der Antrieb ein Blendenantrieb zur Bewegung der Blende relativ zur lichtdurchlässigen Wand des Reaktorgefäßes ist. In diesem Fall kann die Suspension im Aufnahmehohlraum des Reaktorgefäßes weitgehend ruhen. Die Relativbewegung wird in diesem Fall durch die Bewegung der Blende erzeugt. Natürlich sind auch Mischformen denkbar, bei denen sowohl die Suspension als auch die Blende relativ zum Reaktorgefäß bewegt werden.
Auch für die Ausbildung der lichtdurchlässigen und der lichtundurchlässigen Blendenbereiche gibt es verschiedenste Möglichkeiten. Die lichtdurchlässigen Blendenbereiche können z.B. als Löcher in der Blende oder dergleichen ausgebildet sein. Besonders bevorzugte Varianten sehen aber vor, dass die lichtdurchlässigen Blendenbereiche als Schlitze in der Blende und die dazu jeweils benachbart angeordneten lichtundurchlässigen Blendenbereiche als Stege der Blende ausgebildet sind.
Um eine möglichst klare Abgrenzung zwischen den mittels der Blende in der Suspension bzw. im Aufnahmehohlraum erzeugten abgeschatteten Bereichen von den beleuchteten Bereichen sicherzustellen, ist es günstig, die Blende möglichst lichtfokussierend auszubilden. Eine erste Maßnahme hierzu kann darin bestehen, dass die lichtdurchlässigen Blendenbereiche der Blende jeweils als ein lichtfokussierender, vorzugsweise eine Tiefenerstreckung aufweisender, Lichtleitkanal in der Blende ausgebildet sind. Durch die Tiefenerstreckung des Lichtleitkanals werden die Lichtstreueffekte auf der dem Aufnahmehohlraum zugewandten Lichtaustrittsöffnung des Lichtleitkanals reduziert, sodass eine klare Abgrenzung der abgeschatteten Bereiche von den beleuchteten Bereichen erzielt wird. Günstigerweise ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, dass die bzw. eine Tiefenerstreckung des jeweiligen lichtfokussierenden Lichtleitkanals, gemessen von einer vom Aufnahmehohlraum abgewandten Blendenoberfläche der Blende zu einer dem Aufnahmehohlraum zugewandten Blendenoberfläche der Blende in einem Wertebereich von 6mm (Millimeter) bis 15mm, vorzugsweise von 9mm bis 11mm, liegt. Eine weitere Maßnahme, um eine möglichst gute Fokussierung des Lichts im Aufnahmehohlraum und damit in der Suspension sicherzustellen, kann darin bestehen, dass der jeweilige lichtfokussierende Lichtleitkanal , abgesehen von einer Lichteintrittsöffnung des lichtfokussierenden Lichtleitkanals und einer
Lichtaustrittsöffnung des lichtfokussierenden Lichtleitkanals, vorzugsweise vollständig, von lichtabsorbierenden Kanalwänden der Blende begrenzt ist. Durch die lichtabsorbierende Ausbildung der den jeweiligen Lichtleitkanal der Blende begrenzenden Kanalwände werden Lichtreflexionen an den Kanalwänden vermieden, was zusätzlich die Fokussierung des aus der Lichtaustrittsöffnung des Lichtleitkanals austretenden Lichts verbessert. Von lichtabsorbierend spricht man insbesondere dann, wenn mehr als 97% des einfallenden Lichts absorbiert werden. Um dies zu erreichen, können die Kanalwände z.B. mattschwarz ausgebildet sein.
Günstig im Sinne der Lichtfokussierung ist auch, wenn die Blende unmittelbar an der lichtdurchlässigen Wand des Reaktorgefäßes anliegt.
Um eine Lichtstreuung innerhalb des Aufnahmehohlraums und damit eine Störung der Abgrenzung zwischen abgeschatteten Bereichen und beleuchteten Bereichen innerhalb des Aufnahmehohlraums zu vermeiden, kann in bevorzugten Varianten der Erfindung auch vorgesehen sein, dass, abgesehen von der zumindest einen lichtdurchlässigen Wand, an der die Blende angeordnet ist, alle anderen, den Aufnahmehohlraum begrenzenden Wände des Reaktorgefäßes lichtundurchlässig und/oder lichtabsorbierend ausgebildet sind.
Wie eingangs bereits erläutert, generieren die Photosynthese betreibenden Mikroorganismen unter Stressbedingungen hochwertige und einzigartige Stoffe, die besonders wertvoll für die Herstellung von pharmazeutischen Produkten, Kosmetika und/oder Nahrungsergänzungsmitteln sind. Diese Stressbedingungen werden unter anderem durch hohen Lichteintrag in die Suspension erzeugt. Um diese Stressbedingungen herbeiführen zu können, sehen bevorzugte Varianten der Erfindung vor, dass die Blende(n) mittels einer lösbaren Befestigungseinrichtung von der lichtdurchlässigen Wand lösbar am Reaktorgefäß befestigt oder befestigbar ist bzw. sind und manuell und/oder maschinell vom Reaktorgefäß abnehmbar und an diesem wieder befestigbar ist bzw. sind.
Insbesondere bei der industriellen Nutzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des nachfolgend noch genannten erfindungsgemäßen Verfahrens werden mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen im Freien oder in einem Raum möglichst dicht nebeneinander aufgestellt. Um auch zwischen den benachbart zueinander angeordneten Vorrichtungen bzw. Reaktorgefäßen ausreichend Lichteintrag zur Verfügung zu stellen, sehen bevorzugte Varianten der Erfindung vor, dass eine vom Aufnahmehohlraum abgewandte Blendenoberfläche der Blende verspiegelt ausgebildet ist. Hierdurch wird das Licht, welches nicht durch die lichtdurchlässigen Blendenbereiche hindurch in den Aufnahmehohlraum und damit in die Suspension eindringt, reflektiert bzw. gespiegelt, sodass es für die Beleuchtung benachbart angeordneter erfindungsgemäßer Vorrichtungen zur Verfügung steht. Hierdurch kann zwischen den benachbart zueinander angeordneten Vorrichtungen eine hohe Lichtdichte erzeugt und damit das einfallende Licht optimal genutzt werden. Von verspiegelt spricht man insbesondere, wenn mehr als 95% des einfallenden Lichts reflektiert wird.
Erfindungsgemäße Vorrichtungen können sehr unterschiedlich ausgebildet sein. Eine bevorzugte Variante von Ausgestaltungsformen sieht vor, dass das Reaktorgefäß als ein Flachbettreaktorgefäß ausgebildet ist, bei dem zwei einander gegenüberliegende, ebene und parallel zueinander angeordnete Wände und dazwischen angeordnete, vorzugsweise lichtundurchlässige, Stirnwände den Aufnahmehohlraum begrenzen. Solche Flachbettreaktorgefäße könnte man auch als Flachplattenreaktorgefäß bezeichnen. Auch bei diesen Flachbettreaktorgefäßen können verschiedene erfindungsgemäße Ausgestaltungsformen realisiert werden. So z.B. vorgesehen sein, dass beide der einander gegenüberliegenden, eben und parallel zueinander angeordneten Wände jeweils als lichtdurchlässige Wand ausgebildet sind und an beiden dieser Wände jeweils eine Blende mit einer Abfolge von lichtdurchlässigen Blendenbereichen und dazu jeweils benachbart angeordneten lichtundurchlässigen Blendenbereichen angeordnet ist. Es ist aber genauso gut möglich, dass nur eine der einander gegenüberliegenden, eben und parallel zueinander angeordneten Wände als lichtdurchlässige Wand ausgebildet ist und an dieser Wand eine Blende mit einer Abfolge von lichtdurchlässigen Blendenbereichen und dazu jeweils benachbart angeordneten lichtundurchlässigen Blendenbereichen angeordnet ist und die andere der einander gegenüberliegenden, eben und parallel zueinander angeordneten Wände lichtundurchlässig und/oder lichtabsorbierend ausgebildet ist.
Bevorzugte Varianten von erfindungsgemäßen Vorrichtungen mit Reaktorgefäßen in Form von Flachbettreaktorgefäßen sehen vor, dass der Aufnahmehohlraum mittels, vorzugsweise lichtundurchlässigen und/oder lichtabsorbierenden, Zwischenwänden in mäanderförmig angeordnete Strömungskanäle für die Suspension unterteilt ist. Die insbesondere in Form von Schlitzen ausgebildeten lichtdurchlässigen Blendenbereiche erstrecken sich dabei günstigerweise zumindest über 50%, vorzugsweise über zumindest 90% der orthogonal zur Strömungsrichtung im Strömungskanal gemessenen Breite des jeweiligen Strömungskanals. Hierdurch kann erreicht werden, dass über die gesamte Breite des jeweiligen Strömungskanals entsprechend abgeschattete Bereiche und beleuchtete Bereiche im Aufnähmehohlraum und damit in der Suspension ausgebildet werden.
Um die Kultivierung der Photosynthese betreibenden Mikroorganismen nicht zu stören, sollte die Suspension möglichst frei von negativ wirkenden Scherkräften durch die Strömungskanäle strömen. Hierzu sehen bevorzugte Varianten der Erfindung vor, dass die mäanderförmig angeordneten Strömungskanäle überall denselben Strömungsquerschnitt aufweisen.
Als eine mögliche Alternative zu den erfindungsgemäßen Vorrichtungen mit den Flachbettreaktorgefäßen kann auch vorgesehen sein, dass der Aufnahmehohlraum als ein in sich ringförmig, insbesondere kreisringförmig, geschlossenes Volumen ausgebildet ist, welches von einer in sich ringförmigen, insbesondere kreisringförmigen, Außenwand des Reaktorgefäßes und von einer in sich ringförmigen, insbesondere kreisringförmigen, Innenwand des Reaktorgefäßes sowie von einer Bodenwand des Reaktorgefäßes und einer Deckwand des Reaktorgefäßes begrenzt ist, wobei zumindest eine der Wände ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus der Außenwand, der Innenwand, der Bodenwand und der Deckwand, als die lichtdurchlässige Wand ausgebildet ist und die Blende an dieser lichtdurchlässigen Wand angeordnet ist. Grundsätzlich ist es dabei auch denkbar, dass die Suspension in diesem ringförmig ausgebildeten Aufnahmehohlraum in eine Strömungsbewegung versetzt wird, um so die Relativbewegung zwischen Suspension und Blende herbeizuführen. Bevorzugte Varianten sehen bei solchen Ausgestaltungsformen erfindungsgemäßer Vorrichtungen aber vor, dass der Antrieb ein Blendenantrieb zur Rotation der Blende relativ zur lichtdurchlässigen Wand, vorzugsweise um die lichtdurchlässige Wand, des Reaktorgefäßes ist. Auch hier sind natürlich Mischformen denkbar, bei denen sowohl die Suspension im ringförmigen Aufnahmehohlraum als auch die Blende in Bewegung gesetzt werden.
Wie bereits oben angeführt, betrifft die Erfindung neben der Vorrichtung auch ein Verfahren zur Kultivierung von Photosynthese betreibenden Mikroorganismen mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Bei diesem Verfahren ist vorgesehen, dass eine Suspension mit den zu kultivierenden Mikroorganismen im Aufnahmehohlraum durch die lichtdurchlässigen Blendenbereiche hindurch bereichsweise mit Licht beaufschlagt und von den lichtundurchlässigen Blendenbereichen bereichsweise gegen Lichteinfall abgeschattet wird und die Blende und die Suspension im Aufnahmehohlraum mittels des Antriebs relativ zueinander bewegt werden.
Bevorzugt ist dieses Verfahren so ausgebildet, dass die Blende und die Suspension mittels des Antriebs relativ zueinander so bewegt werden, dass eine Vielzahl von Teilvolumina der Suspension im Aufnahmehohlraum jeweils zyklisch abwechselnd in einem Beleuchtungszeitraum durch jeweils einen der lichtdurchlässigen Blendenbereiche hindurch mit Licht beaufschlagt und in einem unmittelbar darauf folgenden Abschattungszeitraum mittels jeweils einem der lichtundurchlässigen Blendenbereiche abgeschattet werden. Die Dauer der Beleuchtungszeiträume und/oder der Abschattungszeiträume liegt dabei günstigerweise jeweils in einem Wertebereich von 4 Millisekunden bis 20 Millisekunden, vorzugsweise von 4 Millisekunden bis 10 Millisekunden.
Weitere Merkmale und Einzelheiten bevorzugter Ausgestaltungsformen der Erfindung werden im Folgenden beispielhaft anhand von verschiedenen Ausführungsvarianten der Erfindung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 bis 5 schematisierte Darstellungen zu einem ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 6 eine alternative Ausgestaltungsform hierzu in einem analog zu Fig. 5 dargestellten vergrößerten Bereich; Fig. 7 eine schematisierte Darstellung zur Erläuterung der Lichtreflexion zwischen mehreren nebeneinander angeordneten Vorrichtungen;
Fig. 8 und 9 schematische Darstellungen zu einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung und Fig. 10 und 11 schematische Darstellungen zu einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Bei dem in den Fig. 1 bis 5 schematisiert dargestellten ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist das Reaktorgefäß 2 als ein Flachbettreaktorgefäß ausgebildet, bei dem zwei einander gegenüberliegende, ebene und parallel zueinander angeordnete Wände 3 und 4 und dazwischen angeordnete Stirnwände 41 den Aufnahmehohlraum 5 des Reaktorgefäßes 2 begrenzen. Beide der einander gegenüberliegenden, ebenen und parallel zueinander angeordneten Wände 3 und 4 des Reaktorgefäßes 2 sind jeweils lichtdurchlässig ausgebildet. An beiden dieser Wände 3 und 4 ist jeweils eine Blende 7 mit einer Abfolge von lichtdurchlässigen Blendenbereichen 8 und dazu jeweils benachbart angeordneten lichtundurchlässigen Blendenbereichen 9 angeordnet. Abgesehen von den beiden lichtdurchlässigen Wänden 3 und 4, an der die Blenden 7 angeordnet sind, sind alle anderen den Aufnahmehohlraum 5 begrenzenden Wände 28 des Reaktorgefäßes 2 lichtundurchlässig und lichtabsorbierend ausgebildet. In diesem ersten Ausführungsbeispiel sind diese anderen, den Aufnahmehohlraum 5 begrenzenden Wände 28, die Stirnwände 41 und die Zwischenwände 32. Der Aufnahmehohlraum 5 des Reaktorgefäßes 2 ist mit der Suspension 6 gefüllt. In der Suspension 6 befinden sich die zu kultivierenden,
Photosynthese betreibenden Mikroorganismen. Darüber hinaus umfasst die Suspension natürlich auch eine Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, und einen Anteil an Kohlendioxid. Darüber hinaus kann die Suspension auch noch die Kultivierung, also auch das Wachstum und die Zellteilung fördernde, zusätzliche Stoffe enthalten, wie sie weiter oben bereits genannt wurden.
Fig. 1 zeigt eine Frontalansicht auf die Vorrichtung 1 und insbesondere auf das Reaktorgefäß 2, an dessen lichtdurchlässigen Wänden 3 und 4 jeweils eine Blende 7 angeordnet ist. Fig. 2 zeigt den Schnitt entlang der Schnittlinie AA aus Fig. 1 durch das Reaktorgefäß 2 mit den an den lichtdurchlässigen Wänden 3 und 4 angeordneten Blenden 7. In Fig. 3 sind die Blenden 7 abgenommen, sodass man direkt das Reaktorgefäß 2 sieht.
Die Blenden 7 sind bei diesem ersten Ausführungsbeispiel ortsfest am Reaktorgefäß 2 befestigt. Die Relativbewegung zwischen Suspension 6 und Blenden 7 wird in diesem Ausführungsbeispiel durch einen Antrieb 10 zur Erzeugung einer Strömungsbewegung der Suspension durch den Aufnahmehohlraum 5 realisiert. Konkret ist dieser Antrieb 10 hier als Pumpe 12 ausgebildet. Die Pumpe 12 fördert die Suspension durch die hier nur schematisiert dargestellte Ringleitung 40 und das Reaktorgefäß 2 in einem während der Kultivierung geschlossenen Kreislauf. Die Suspension mit einer Ausgangsmenge an Photosynthese betreibenden Mikroorganismen kann zu Beginn des Prozesses über die Einspeisung 38 in das System eingespeist werden. Dabei werden das Reaktorgefäß 2 und die Ringleitung 40 vorzugsweise vollständig mit der Suspension gefüllt. Am Ende des Kultivierungsprozesses kann die dann entsprechend mit Mikroorganismen angereicherte Suspension über die Entnahme 39 aus dem System entnommen werden, sodass anschließend über die Einspeisung 38 wieder neue Suspension eingefüllt werden kann.
Die Blenden 7 weisen erfindungsgemäß eine Abfolge von lichtdurchlässigen Blendenbereichen 8 und lichtundurchlässigen Blendenbereichen 9 auf. In diesem Ausführungsbeispiel ist dabei vorgesehen, dass die lichtdurchlässigen Blendenbereiche 8 als Schlitz in der Blende 7 und die jeweils benachbart angeordneten lichtundurchlässigen Blendenbereiche 9 als Stege der Blende 7 ausgebildet sind. Die Schlitze in den Blenden 7 und/oder der Stege 7 sind bevorzugt längserstreckt und/oder parallel zueinander verlaufend ausgebildet. Dies kann bei diesem, aber auch bei anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung so realisiert werden. Günstig ist es hierbei, wenn der Antrieb 10 ein Antrieb zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen der Blende 7 und der im Aufnahmehohlraum 5 aufgenommenen Suspension 6 in einer Richtung 17 quer, vorzugsweise orthogonal, zur Längserstreckung 18 der Schlitze in der Blende 7 ist. Dies gilt ebenfalls allgemein, also in diesem, aber auch in anderen bevorzugten Ausgestaltungsformen der Erfindung. Konkret ist dies hier so realisiert, dass die Suspension 6 im Reaktorgefäß 2 mit der Pumpe 12 in einer Richtung 17 transportiert wird, welche orthogonal zur Längserstreckung der als Schlitze ausgebildeten lichtdurchlässigen Blendenbereiche 8 verläuft.
In dem Schnitt gemäß Fig. 2 sieht man gut, wie auf beiden Seiten des Reaktorgefäßes 2 vor der jeweils lichtdurchlässigen Wand 3 bzw. 4 die Blende 7 angeordnet ist. Die Blenden 7 sind auch in diesem Ausführungsbeispiel mittels einer lösbaren Befestigungseinrichtung 15 von den lichtdurchlässigen Wänden 3 und 4 lösbar bzw. abnehmbar am Reaktorgefäß 2 befestigt. Sie sind manuell und/oder maschinell vom Reaktorgefäß 2 abnehmbar und an diesem wieder befestigbar. Die lösbaren Befestigungseinrichtungen 15 sind in Fig. 2 nur grob angedeutet. Es kann sich z.B. um an sich bekannte Klemmmechanismen, Clips, Verschraubungen und dergleichen handeln. Entsprechende Befestigungseinrichtungen 15, welche dem mehrfachen Befestigen und Lösen von zwei Körpern aneinander dienen, sind für sich allein gesehen im Stand der Technik hinlänglich bekannt. Nach dem Entfernen der Blenden 7 kann z.B. das Reaktorgefäß 2 gereinigt werden. Vor allem können die Blenden 7 aber abgenommen werden, um die in der im Aufnahmehohlraum 5 angeordneten Suspension vorhandenen Mikroorganismen vollflächig mit Licht zu beaufschlagen, um so eine Stresssituation für die Mikroorganismen herbeizuführen. Hierdurch können diese dazu angeregt werden, gewisse hochwertige Stoffe zu produzieren, welche dann letztendlich aus den Mikroorganismen extrahiert und in pharmazeutischen Produkten und/oder Kosmetika und/oder Nahrungsergänzungsmitteln verwendet werden können.
In Fig. 3, in der die Blenden 7 nicht dargestellt sind, ist gut zu erkennen, dass in diesem Ausführungsbeispiel wie auch in anderen bevorzugten Ausführungsbeispielen, der Aufnahmehohlraum 5 mittels der lichtundurchlässigen und/oder lichtabsorbierenden Zwischenwände 32 in mäanderförmig angeordnete Strömungskanäle 31 für die Suspension 6 unterteilt ist. Günstig ist dabei, so wie auch in diesem Ausführungsbeispiel, vorgesehen, dass die mäanderförmig angeordneten Strömungskanäle 31 überall denselben Strömungsquerschnitt aufweisen. Hierdurch können die Kultivierung der Mikroorganismen störende Scherkräfte vermieden werden. In diesem Sinne sind in diesem Ausführungsbeispiel auch die Stirnwände 41 entsprechend gerundet ausgebildet. Um mit der Ringleitung verbunden werden zu können, sehen bevorzugte Ausgestaltungsformen, wie die hier gezeigte, vor, dass das Reaktorgefäß 2 zumindest einen Zulauf 29 zur Zugabe von Suspension 6 in den Aufnahmehohlraum 5 und zumindest einen Ablauf 30 zur Entnahme von Suspension aus dem Aufnahmehohlraum 5 aufweist. Der Zulauf 29 und der Ablauf 30 sind an die Ringleitung 40 angeschlossen. Günstigerweise ist, wie hier auch realisiert, der Aufnahmehohlraum 5, gegebenenfalls abgesehen von dem Ablauf 30 und dem Zulauf 29, ein in sich abgeschlossenes Innenvolumen des Reaktorgefäßes 2. Dies ist für die Vermeidung von ungewollter Kontamination der Suspension während der Kultivierung der Mikroorganismen günstig. Auch wenn dies hier in den schematischen Darstellungen gemäß Fig. 1 und 3 nicht dargestellt ist, so weisen die Ringleitungen 40 wie auch der Zulauf 29 und der Ablauf 30 günstigerweise denselben Leitungsquerschnitt wie die Strömungskanäle 31 im Reaktorgefäß 2 auf. Auch dies hilft, ungewollte Scherkräfte in der Suspension 6 beim Durchströmen des Reaktorgefäßes 2 und der Ringleitung 40 zu vermeiden.
Fig. 4 zeigt einen kleinen Ausschnitt der Blende 7 in einer Ansicht wie in Fig. 1 allerdings vergrößert. Hier ist gut zu erkennen, dass die als Schlitze ausgebildeten lichtdurchlässigen Blendenbereiche 8 und die als Stege ausgebildeten lichtundurchlässigen Blendenbereiche 9 bevorzugt jeweils linear längserstreckt und parallel zueinander ausgebildet sind. Die Längserstreckung 18 der lichtdurchlässigen Blendenbereiche 8 beträgt in bevorzugten Ausgestaltungsformen der Erfindung zumindest 50% der Breite des jeweiligen Strömungskanals 31 des Reaktorgefäßes 2. Vorzugsweise entspricht die Längserstreckung 18 zumindest 90%, vorzugsweise 100% der genannten Breite des Strömungskanals 31, wobei die Breite des Strömungskanals 31 in Richtung orthogonal zur Richtung 17, in der die Suspension durch den Strömungskanal 31 strömt, gemessen wird.
Die hier in diesem Ausführungsbeispiel als Schlitze ausgebildeten lichtdurchlässigen Blendenbereiche 8 haben, in einer Richtung 20 orthogonal zu ihrer Längserstreckung 18 gemessen, günstigerweise eine Breite 19 in einem Wertebereich von 1mm bis 4mm, vorzugsweise von 1,5mm bis 2mm. Die hier als Stege ausgebildeten lichtundurchlässigen Blendenbereiche 9 der Blende 7 haben, in einer Richtung 22 quer zu ihrer Längserstreckung 21 gemessen, günstigerweise eine Breite 23 in einem Wertebereich von 2mm bis 10mm, vorzugsweise von 4mm bis 7mm. Es ist günstigerweise vorgesehen, dass eine Breite 23 eines jeweiligen der Stege der Blende 7, vorzugsweise in einer Richtung quer zu seiner Längserstreckung 21 gemessen, zu einer Breite 19 eines jeweiligen der Schlitze in der Blende 7, vorzugsweise in einer Richtung quer zu seiner Längserstreckung 18 gemessen, in einem Verhältnis in einem Wertebereich von 4 : 1 bis 1:1, vorzugsweise von 2 : 1 bis 1:1, liegt. Die Breite 23 der lichtundurchlässigen Blendenbereiche 9 wird also günstigerweise größer als die Breite 19 der lichtdurchlässigen Blendenbereiche 8 gewählt. Hierdurch können gewisse LichtStreuungseffekte innerhalb des Aufnahmehohlraums 5 und damit innerhalb der Suspension 6 kompensiert werden. Dies wird nachfolgend noch anhand von Fig. 5 erläutert. Auch dies gilt in dem hier gezeigten ersten Ausführungsbeispiel, wie auch in anderen bevorzugten Ausführungsvarianten der Erfindung. Bevorzugt ist auch in diesem, wie auch in anderen Ausführungsbeispielen vorgesehen, dass alle Schlitze in der Blende7, vorzugsweise in einer Richtung quer zu ihrer Längserstreckung 18 gemessen, dieselbe Breite 19 und/oder alle Stege der Blende7, vorzugsweise in einer Richtung quer zu ihrer Längserstreckung 21 gemessen, dieselbe Breite 23 aufweisen.
Fig. 5 zeigt nun vergrößert einen Schnitt 7 entlang der Schnittlinie BB aus Fig. 4 durch das Reaktorgefäß 2 mit seinem Aufnahmehohlraum 5 und den einander gegenüberliegend angeordneten, lichtdurchlässigen Wänden 3 und 4 und den daran befestigten Blenden 7. In Fig. 5 ist zunächst gut zu erkennen, dass in diesem, wie auch in anderen bevorzugten Ausführungsbeispielen, die jeweilige Blende 7 günstigerweise unmittelbar an der jeweiligen lichtdurchlässigen Wand 3 oder 4 des Reaktorgefäßes 2 anliegt. Hierdurch werden Lichtstreueffekte zwischen Blende 7 und lichtdurchlässiger Wand 3 bzw. 4 vermieden.
Das von außen auf die Blenden 7 treffende Licht kann, wie bereits erläutert, sowohl Kunst- als auch natürliches Licht sein kann. Direkte Bestrahlung aber auch Streulicht sind möglich. Das Licht tritt durch die lichtdurchlässigen Blendenbereiche 8 in den Aufnahmehohlraum 5 und damit in die Suspension 6 ein und versorgt so die in der Suspension 6 vorhandenen Mikroorganismen in den beleuchteten Bereichen 44 mit Licht bzw. Photonen. Die lichtundurchlässigen Blendenbereiche 9 hingegen bilden im Aufnahmehohlraum 5 und damit in der Suspension 6 abgeschattete Bereiche 43, welche in Fig. 5 durch eine Schraffierung dargestellt sind. Die zwischen den abgeschatteten Bereichen 43 angeordneten beleuchteten Bereiche 44 innerhalb des Aufnahmehohlraums 5 und der Suspension 6 sind nicht schraffiert. In dieser Art und Weise wird mittels der Abfolge von lichtdurchlässigen Blendenbereichen 8 und dazu jeweils benachbart angeordneten lichtundurchlässigen Blendenbereichen 9 im Aufnahmehohlraum 5 und damit in Suspension eine Abfolge von beleuchteten Bereichen 44 und dazu jeweils benachbart angeordneten abgeschatteten Bereichen 43 erzeugt. Strömt nun die Suspension in Richtung 17 durch den Aufnahmehohlraum 5 bzw. einen der Strömungskanäle 31, so wird jedes der in Fig. 5 symbolisch dargestellten Teilvolumina 11 der Suspension 6 im Aufnahmehohlraum 5 jeweils zyklisch abwechselnd in einem Beleuchtungszeitraum durch jeweils einen der lichtdurchlässigen Blendenbereiche 8 hindurch mit Licht beaufschlagt. Hierdurch werden die in der Suspension 6 zu kultivierenden Mikroorganismen zwangsweise einem wiederkehrenden Hel1-Dunkel-Zyklus ausgesetzt, sodass die vom Calvin-Zyklus geforderten Beleuchtungs- und Abschattungs- bzw. Dunkelphasen abwechselnd zueinander realisiert werden, womit optimale Bedingungen zur Durchführung der Photosynthese eingestellt werden können. Dies fördert sowohl das Wachstum als auch die Zellteilung bei den Mikroorganismen und damit die Kultivierung der Mikroorganismen. Die Strömungsgeschwindigkeit der Suspension im Aufnahmehohlraum 5 bzw. in dessen Strömungskanälen 31 wird günstigerweise so eingestellt, dass die Dauer der Beleuchtungszeiträume und/oder der Abschattungszeiträume jeweils in einem Wertebereich von 4 Millisekunden bis 20 Millisekunden, vorzugsweise von 4 Millisekunden bis 10 Millisekunden, liegt. In bevorzugten Ausgestaltungsformen der Erfindung wird die Suspension 6 hierzu mittels des Antriebs 10, hier der Pumpe 12 mit einer Geschwindigkeit in einem Wertebereich von 0,25 m/sec (Meter pro Sekunde) bis 0,6 m/sec, vorzugsweise von 0,3 m/sec bis 0,5 m/sec relativ zueinander bewegt. In diesem ersten Ausführungsbeispiel erfolgt die Relativbewegung zwischen Blende 7 und Suspension 6 ausschließlich durch die Strömungsbewegung der Suspension 6 in Richtung 17. Wie eingangs bereits erläutert, können aber auch sowohl die Blende 7 und die Suspension 6 als auch nur die Blende 7 bewegt werden, um diese Relativbewegung sicherzustellen. Erreicht wird dadurch jedenfalls, dass eine Vielzahl von Teilvolumina 11 der Suspension 6 im Aufnahmehohlraum 5 jeweils zyklisch abwechselnd beleuchtet und dann wieder abgeschattet werden, insbesondere wenn man die Suspension als die Summe einer Vielzahl von Teilvolumina der Suspension ansieht.
Um das durch die lichtdurchlässigen Blendenbereiche 8 einfallende Licht auf die beleuchteten Bereiche 44 innerhalb des Aufnahmehohlraums 5 und damit innerhalb der Suspension 6 zu fokussieren und so dazwischen die abgeschatteten Bereiche 43 auszubilden, ist in bevorzugten Ausgestaltungsformen wie der auch in Fig. 5 gezeigten vorgesehen, dass die lichtdurchlässigen Blendenbereiche 8 der Blende 7 jeweils als ein lichtfokussierender, eine Tiefenerstreckung 13 aufweisender Lichtleitkanal 14 in der Blende 7 ausgebildet sind. Die Tiefenerstreckung 13 des jeweiligen lichtfokussierenden Lichtleitkanals 14 gemessen von einer, vom Aufnahmehohlraum 5 abgewandten Blendenoberfläche 16 der Blende 7 zu einer, dem Aufnahmehohlraum 5 zugewandten Blendenoberfläche 24 der Blende liegt günstigerweise in einem Wertebereich von 6mm bis 15mm, vorzugsweise von 9mm bis 11mm. Diese bevorzugten Bereiche können auch in anderen Varianten der Erfindung zum Einsatz kommen. Um eine Lichtstreuung durch Reflexion von Licht an den, den Lichtleitkanal 14 jeweils begrenzenden Kanalwänden 27 zu vermeiden, ist in bevorzugten Ausgestaltungsformen, wie der hier gezeigten, vorgesehen, dass der jeweilige lichtfokussierende Lichtleitkanal 14, abgesehen von einer Lichteintrittsöffnung 25 des lichtfokussierenden Lichtleitkanals 14 und einer Lichtaustrittsöffnung 26 des lichtfokussierenden Lichtleitkanals 14, vorzugsweise vollständig, von lichtabsorbierenden und vorzugsweise auch lichtundurchlässigen Kanalwänden 27 der Blende 7 begrenzt ist. Diese Kanalwände 27 können z.B. in mattschwarz ausgeführt sein.
Bei bevorzugten Varianten der Erfindung, wie diesem ersten Ausführungsbeispiel, ist vorgesehen, dass die vom Aufnahmehohlraum 5 abgewandte Blendenoberfläche 16 der Blende 7 verspiegelt ausgebildet ist. Hierdurch wird der Anteil des auf die jeweilige Blende 7 auftreffenden Lichts, welcher nicht durch die lichtdurchlässigen Blendenbereiche 8 hindurch in das Innere des Aufnahmehohlraums 5 eindringt, reflektiert und steht so für benachbart angeordnete erfindungsgemäße Vorrichtungen 1 und insbesondere Reaktorgefäße 2 zur Verfügung .
Im Zuge der Erfindung wurde festgestellt, dass Licht, welches durch die lichtdurchlässigen Blendenbereiche 8 und eine der lichtdurchlässigen Wände 3 oder 4 in das Reaktorgefäß 2 eindringt, bei einer für den kommerziellen Betrieb erforderlichen, sehr hohen Zelldichte größer 0,8% Biomasseanteil in der Suspension nur bis zu einer Tiefe von 23mm bis 26mm, vorzugsweise von 22mm bis 25mm, gemessen von der lichtdurchlässigen Wand 3 bzw. 4 in der Suspension von den Mikroorganismen noch zur Photosynthese genutzt werden kann. Daher ist, allgemein gesprochen, günstigerweise vorgesehen, dass eine orthogonal zur lichtdurchlässigen Wand 3 bzw. 4 gemessene Dicke des Aufnahmehohlraums 5 pro lichtdurchlässige Wand 3 bzw. 4 in einem Wertebereich von 22mm bis 26mm, vorzugsweise von 23mm bis 25mm liegt. Bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß der Fig. 1 bis 5 ist es nun so, dass der Aufnahmehohlraum 5 auf beiden einander gegenüberliegenden Seiten durch lichtdurchlässige Wände 3 und 4 begrenzt ist. Hierdurch kann Licht von beiden Seiten in den Aufnahmehohlraum 5 eindringen. Dies hat zur Folge, dass in solchen Ausführungsbeispielen der Abstand 42 zwischen den beiden einander gegenüberliegenden, ebenen und parallel zueinander angeordneten lichtdurchlässigen Wänden 3 und 4 in einem Wertebereich von 44mm bis 52mm, vorzugsweise von 46mm bis 50mm liegt. Hierdurch wird sichergestellt, dass für die gesamte, den Aufnahmehohlraum 5 bzw. die Strömungskanäle 31 durchströmende Suspension 6 ausreichend Photonen für die Photosynthese der Mikroorganismen zur Verfügung steht.
Während bei dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 1 bis 5 der Aufnahmehohlraum 5 bzw. dessen Strömungskanäle 31 auf einander gegenüberliegenden Seiten jeweils von einer lichtdurchlässigen Wand 3 und 4 begrenzt sind, zeigt Fig. 6 in einer analogen Darstellung zu Fig. 5 ein gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hier ist vorgesehen, dass nur eine der einander gegenüberliegenden, eben und parallel zueinander angeordneten Wände 3 als lichtdurchlässige Wand 3 ausgebildet ist und an dieser Wand 3 eine Blende 7 mit einer Abfolge von lichtdurchlässigen Blendenbereichen 8 und dazu jeweils benachbart angeordneten lichtundurchlässigen Blendenbereichen 9 angeordnet ist und die andere der einander gegenüberliegenden, eben und parallel zueinander angeordneten Wände 33 lichtundurchlässig ausgebildet ist. Um Streuungseffekte zu vermeiden, ist diese lichtundurchlässig ausgebildete Wand 33 günstigerweise auch lichtabsorbierend, also z.B. in mattschwarz ausgebildet. Da hier nur von einer Seite Licht in den Aufnahmehohlraum 5 bzw. den Strömungskanal 31 eindringen kann, ist bei solchen Ausgestaltungsformen vorzugsweise vorgesehen, dass der Abstand 42 zwischen den beiden einander gegenüberliegenden, eben und parallel zueinander angeordneten Wänden 3, 33 in einem Wertebereich von 22mm bis 26mm, vorzugsweise von 23mm bis 25mm, liegt. Bis auf diese Unterschiede weist dieses anhand von Fig. 6 veranschaulichte zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung im Wesentlichen dieselben Merkmale auf, wie das erste Ausführungsbeispiel, sodass zur Vermeidung von Wiederholungen auf dessen Beschreibung verwiesen wird. Auch hier wird durch die erfindungsgemäße Abfolge von lichtdurchlässigen Blendenbereichen 8 und lichtundurchlässigen Blendenbereichen 9 bei entsprechendem Lichteinfall durch die lichtdurchlässigen Blendenbereiche 8 im Aufnahmehohlraum 5 bzw. Strömungskanal 31 eine Abfolge von beleuchteten Bereichen 44 und abgeschatteten Bereichen 43 erzeugt, sodass die in der in Richtung 17 strömenden Suspension vorhandenen Mikroorganismen jeweils zyklisch abwechselnd in einem Beleuchtungszeitraum durch jeweils einen der lichtdurchlässigen Blendenbereiche 8 hindurch mit Licht beaufschlag und in einem unmittelbar darauf folgenden Abschattungszeitraum mittels jeweils einem der lichtundurchlässigen Blendenbereiche 9 abgeschattet werden. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Strömungsgeschwindigkeit günstigerweise so an die Geometrie der Blende und insbesondere der lichtdurchlässigen Blendenbereiche 8 und der lichtundurchlässigen Blendenbereiche 9 angepasst, dass sich die Dauer der Beleuchtungszeiträume und/oder der Abschattungszeiträume jeweils in den bereits genannte Wertebereichen liegen. Fig. 7 zeigt beispielhaft und schematisiert, eine Anordnung von mehreren nebeneinander aufgestellten Reaktorgefäßen 2 erfindungsgemäßer Vorrichtungen 1 des ersten Ausführungsbeispiels . Symbolisch in Form von Pfeilen dargestellt ist das einfallende Licht 45 sowie das an den verspiegelt ausgebildeten Blendenoberflächen 16 reflektierte Licht 46. Fig. 7 veranschaulicht somit die Wirkung der verspiegelten Ausbildungen der vom Aufnahmehohlraum 5 abgewandten Blendenoberflächen 16 der jeweiligen Blenden 7. Diese verspiegelt ausgebildeten Blendenoberflächen reflektieren den Anteil des Lichts, welcher auf die jeweilige Blende 7 trifft, aber nicht durch die lichtdurchlässigen Blendenbereiche 8 hindurch in den Aufnahmehohlraum 5 eindringt. Dieser reflektierte Lichtanteil steht dann für die Beleuchtung der benachbart angeordneten Reaktorgefäße 2 zur Verfügung. Hierdurch wird es möglich, eine Vielzahl von Reaktorgefäßen 2 in der z.B. in Fig. 7 schematisch dargestellten Art und Weise nebeneinander aufzustellen. Die verspiegelt ausgebildeten Blendenoberflächen 16 helfen dann sicher zu stellen, dass überall genug Licht zur Verfügung steht.
Die Fig. 8 bis 11 zeigen nun beispielhaft zwei
Ausführungsbeispiele der Erfindung, bei denen das Reaktorgefäß 2 nicht als Flachbettreaktorgefäß ausgebildet ist. Bei diesen Ausführungsbeispielen ist vielmehr vorgesehen, dass der Aufnahmehohlraum 5 als ein in sich ringförmig, insbesondere kreisringförmig, geschlossenes Volumen ausgebildet ist, welches von einer in sich ringförmigen, insbesondere kreisringförmigen, Außenwand 34 des Reaktorgefäßes 2 und von einer in sich ringförmigen, insbesondere kreisringförmigen, Innenwand 35 des Reaktorgefäßes 2 sowie von einer Bodenwand 36 des Reaktorgefäßes2 und einer Deckwand 37 des Reaktorgefäßes 2 begrenzt ist, wobei zumindest eine der Wände ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus der Außenwand 34, der Innenwand 35, der Bodenwand 36 und der Deckwand 37, als die lichtdurchlässige Wand 3, 4 ausgebildet ist und die Blende 7 an dieser lichtdurchlässigen Wand 3, 4 angeordnet ist.
Bei beiden Ausführungsbeispielen gemäß der Fig. 8 bis 11 ist vorgesehen, dass der Antrieb 10 ein Blendenantrieb zur Rotation der Blende 7 relativ zur lichtdurchlässigen Wand 3,4, vorzugsweise um die lichtdurchlässige Wand 3, 4, des Reaktorgefäßes 2 herum, ist. In diesen beiden Ausführungsbeispielen kann die Suspension mit den Mikroorganismen somit im Aufnahmehohlraum 5 weitgehend ruhen, während die jeweils vorhandene Blende 7 relativ dazu von dem jeweiligen Antrieb 10 bewegt, hier in diesen Ausführungsbeispielen um eine Mittenlängsachse 48 rotiert, wird. Die Antriebe 10 sind nur sehr stark schematisiert dargestellt. Es können entsprechend geeignete, beim Stand der Technik an sich bekannte Rotationsantriebe zum Bewegen der jeweiligen Blende 7 eingesetzt werden.
Der Vollständigkeit halber wird darauf hingewiesen, dass auch bei den hier gezeigten Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 8 bis 11 natürlich Varianten denkbar sind, bei denen die Blende 7 ruht und die Suspension 6 im Aufnahmehohlraum 5 bewegt wird. Hierzu können z.B. entsprechende Propeller, Turbinen oder dergleichen im Aufnahmehohlraum 5 vorgesehen sein. Auch Kombinationen der Bewegung der Blende 7 mit der Bewegung der Suspension 6 sind denkbar.
In den Ausführungsbeispielen gemäß der Fig. 8 bis 11 weisen die Blenden 7 erfindungsgemäß jeweils eine Abfolge von lichtdurchlässigen Blendenbereichen 8 und dazu jeweils benachbart angeordneten lichtundurchlässigen Blendenbereichen 9 auf. Auch in diesen Ausführungsbeispielen sind die lichtdurchlässigen Blendenbereiche 8 günstigerweise als längserstreckte, vorzugsweise lineare, Schlitze und die lichtundurchlässigen Blendenbereiche 9, vorzugsweise als dazwischen angeordnete längserstreckte, vorzugsweise lineare, Stege ausgebildet. In den Ausführungsbeispielen gemäß der Fig. 8 bis 11 sind die lichtdurchlässigen Blendenbereiche 8 jeweils mit ihrer Längserstreckung parallel zur jeweiligen Mittenlängsachse 48 ausgerichtet. Sie erstrecken sich günstigerweise über zumindest 50% der Höhe, vorzugsweise über die gesamte Höhe, des Aufnahmehohlraums 5. Die Blenden 7 der Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 8 bis 11 können, soweit anwendbar, analog zu den Blenden 7 der ersten
Ausführungsbeispiele ausgebildet sein. Insbesondere bezüglich der Breiten 19 der lichtdurchlässigen Blendenbereiche 8, der Breiten 23 der lichtundurchlässigen Blendenbereiche 9, der Ausbildung der lichtdurchlässigen Blendenbereiche 8 als lichtfokussierende, eine Tiefenerstreckung 13 aufweisende Lichtleitkanäle 14, der Tiefenerstreckung 13 dieser Lichtleitkanäle 14 und der lichtabsorbierenden Ausbildung der Kanalwände 27 dieser Lichtleitkanäle 14 kann auf das oben zu den ersten Ausführungsbeispielen Gesagte verwiesen werden.
Auch in den Ausführungsbeispielen gemäß der Fig. 8 bis 11 liegt die jeweilige Blende 7 möglichst unmittelbar an der lichtdurchlässigen Wand 3 bzw. 4 des jeweiligen Reaktorgefäßes 2 an. Auch hier kann vorgesehen sein, dass die Blende 7 mittels einer lösbaren Befestigungseinrichtung 15 von der jeweiligen lichtdurchlässigen Wand 3 bzw. 4 lösbar am Reaktorgefäß 2 befestigt oder befestigbar ist und manuell und/oder maschinell vom Reaktorgefäß abgenommen und an diesem wieder befestigt werden kann. Auch wenn dies in den Fig. 8 bis 11 nicht explizit eingezeichnet ist, so sorgt auch hier die jeweilige Abfolge von lichtdurchlässigen Blendenbereichen 8 und dazu jeweils benachbart angeordnete lichtundurchlässigen Blendenbereichen 9 für die Ausbildung einer entsprechenden Abfolge von beleuchteten Bereichen 44 und abgeschatteten Bereichen 43 innerhalb des jeweiligen Aufnahmehohlraums 5 und damit innerhalb der jeweiligen Suspension 6. Durch die Bewegung der jeweiligen Blende 7 relativ zur Suspension 6 im Aufnahmehohlraum 5 wird auch bei diesen Ausführungsbeispielen erreicht, dass die Teilvolumina 11 der Suspension 6 im Aufnahmehohlraum 5 jeweils zyklisch abwechselnd in einem Beleuchtungszeitraum durch jeweils einen der lichtdurchlässigen Blendenbereiche 8 hindurch mit Licht beaufschlagt und in einem unmittelbar darauffolgenden Abschattungszeitraum mittels jeweils einem der lichtundurchlässigen Blendenbereiche 9 abgeschattet werden. Mittels einer entsprechenden Geschwindigkeit bei der Rotation der jeweiligen Blende 7 werden auch hier die Dauer der Beleuchtungszeiträume und/oder der Abschattungszeiträume in den eingangs bereits genannten bevorzugten Wertebereichen erreicht .
Betrachtet man nun speziell das Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 8 und 9, so ist dort das Reaktorgefäß 2 samt Blende 7 in einem in sich geschlossenen Gehäuse 47 angeordnet. Die Beleuchtung wird durch eine Vielzahl von außerhalb der Blende 7 angeordneten Lichtquellen 50 realisiert. Diese sind im Sinne eines optimalen Lichteinfalls durch die lichtdurchlässigen Blendenbereiche 8 hindurch möglichst gleichmäßig um die Blende 7 herum verteilt. Im Sinne einer möglichst gleichmäßigen Lichtverteilung ist günstigerweise auch vorgesehen, dass die Innenflächen 49 des Gehäuses 47 verspiegelt ausgebildet sind, sodass das Licht nicht nur innerhalb der Lichtkegel 51 der Lichtquelle 50, sondern auch als an den Innenflächen 49 des Gehäuses 47 reflektiertes Licht auf die Blende 7 einfällt.
In der Variante gemäß Fig. 8 und 9 ist das Reaktorgefäß 2 von der Blende 7 umgeben. Die Außenwand 34 des Reaktorgefäßes 2 ist als lichtdurchlässige Wand 3 ausgebildet, sodass durch die lichtdurchlässigen Blendenbereiche 8 der Blende 7 und die lichtdurchlässige Wand 3 hindurch Licht in die Suspension 6 im Aufnahmehohlraum 5 eindringen kann. Die den Aufnahmehohlraum 5 ansonsten begrenzende Innenwand 35, Bodenwand 36 und Deckwand 37 sind in diesem Ausführungsbeispiel als lichtundurchlässige und lichtabsorbierende andere Wände 28 ausgebildet, sodass die mittels der Blende 7 erzeugten abgeschatteten Bereiche 43 und beleuchteten Bereiche 44 nicht durch Reflexionen oder Lichteintrag an bzw. durch diese Wände gestört werden. In dem Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 8 und 9 sind die Blende 7, die Außenwand 34 und die Innenwand 35 jeweils als Kreiszylinder ausgebildet. Dies muss aber nicht zwingend so sein.
Das Befüllen des Aufnahmehohlraums 5 mit Suspension erfolgt über die Einspeisung 38. Nach entsprechender Kultivierung der Mikroorganismen kann die entsprechend mit Mikroorganismen angereicherte Suspension dann über die Entnahme 39 aus dem Aufnähmehohlraum 5 entnommen werden.
Der Abstand 42 zwischen der lichtdurchlässig ausgebildeten Außenwand 34 und der lichtundurchlässig und lichtabsorbierend ausgebildeten Innenwand 35 liegt günstigerweise wiederum in einem Bereich von 22mm bis 26mm, vorzugsweise von 23mm bis
25mm . Der wesentliche Unterschied des Ausführungsbeispiels gemäß der Fig. 10 und 11 zum Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 8 und 9 liegt darin, dass in dem Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 10 und 11 die Blende 7 und die Lichtquelle 50 vom Reaktorgefäß 2 umgeben sind. Entsprechend ist in diesem Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 10 und 11 auch die Innenwand 35 als lichtdurchlässige Wand 3 ausgebildet, während die Außenwand 34 die Bodenwand 36 und die Deckwand 37 des Reaktorgefäßes 2 wiederum als lichtabsorbierende und lichtundurchlässige andere Wände 28 ausgebildet sind. Durch diese Anordnung von Lichtquelle 50 und Blende 7 kann in diesem Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 10 und 11 darauf verzichtet werden, die Innenfläche des Gehäuses 47 verspiegelt auszubilden. Ansonsten gilt das zum Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 8 und 9 Gesagte, soweit anwendbar, auch für das Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 10 und 11.
Legende
Zu den Hinweisziffern Vorrichtung 29 Zulauf Reaktorgefäß 30Ablauf ,4 lichtdurchlässige Wand 31Strömungskanal Aufnahmehohl raum 32 Zwischenwand Suspension 33Rückwand Blende 34Außenwand lichtdurchlässiger 35 Innenwand Blendenbereich 36Bodenwand lichtundurchlässiger 37Deckwand Blendenbereich 38Einspeisung 0Antrieb 39Entnahme 1Teilvolumen 40Ringleitung 2 Pumpe 41Stirnwand 3Tiefenerstreckung 42Abstand Lichtleitkanal 43abgeschatteter Bereich5Befestigungseinrichtung 44beleuchteter Bereich6Blendenoberfläche 45 einfallendes Licht7Richtung 46 reflektiertes Licht8Längserstreckung 47Gehäuse 9Breite 48Mittenlängsachse 0Richtung 49verspiegelte 1Längserstreckung Innenfläche 2Richtung 50Lichtquelle 3Breite 51Lichtkegel 4 Blendenoberfläche 5Lichteintrittsöffnung 6Lichtaustrittsöffnung 7Kanalwand 8andere Wände

Claims

32 Patentansprüche
1. Vorrichtung (1) zur Kultivierung von Photosynthese betreibenden Mikroorganismen, wobei die Vorrichtung zumindest ein Reaktorgefäß (2) aufweist und das Reaktorgefäß (2) zumindest eine lichtdurchlässige Wand (3, 4) und einen Aufnahmehohlraum (5) zur Aufnahme einer Suspension (6) mit den zu kultivierenden Mikroorganismen aufweist, wobei die lichtdurchlässige Wand (3, 4) den Aufnahmehohlraum (5) zumindest bereichsweise begrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) zumindest eine Blende (7) mit einer Abfolge von lichtdurchlässigen Blendenbereichen (8) und dazu jeweils benachbart angeordneten lichtundurchlässigen Blendenbereichen (9) aufweist und die Blende (7) an der lichtdurchlässigen Wand (3, 4) angeordnet ist, und dass die Vorrichtung (1) zumindest einen Antrieb (10) zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen der Blende (7) und der im Aufnahmehohlraum (5) aufgenommenen Suspension (6) aufweist.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (10) dazu geeignet ist, die Blende (7) und die Suspension (6) relativ zueinander so zu bewegen, dass eine Vielzahl von Teilvolumina (11) der Suspension (6) im Aufnahmehohlraum (5) jeweils zyklisch abwechselnd in einem Beleuchtungszeitraum durch jeweils einen der lichtdurchlässigen Blendenbereiche (8) hindurch mit Licht beaufschlagt und in einem unmittelbar darauf folgenden Abschattungszeitraum mittels jeweils einem der lichtundurchlässigen Blendenbereiche (9) abgeschattet werden.
3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Beleuchtungszeiträume und/oder der Abschattungszeiträume jeweils in einem Wertebereich von 4 Millisekunden bis 20 Millisekunden, vorzugsweise von 4 Millisekunden bis 10 Millisekunden, liegt.
4. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (10) eine Einrichtung zur Erzeugung einer Strömungsbewegung der Suspension (6) durch den Aufnahmehohlraum (5), vorzugsweise eine Pumpe (12), ist.
5. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (10) ein Blendenantrieb zur Bewegung der Blende (7) relativ zur lichtdurchlässigen Wand (3, 4) des Reaktorgefäßes (2) ist.
6. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtdurchlässigen Blendenbereiche (8) als Schlitze in der Blende (7) und die dazu jeweils benachbart angeordneten lichtundurchlässigen Blendenbereiche (9) als Stege der Blende (7) ausgebildet sind.
7. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtdurchlässigen Blendenbereiche (8) der Blende (7) jeweils als ein lichtfokussierender, vorzugsweise eine Tiefenerstreckung auf eisender, Lichtleitkanal (14) in der Blende (7) ausgebildet sind.
8. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (7) mittels einer lösbaren Befestigungseinrichtung (15) von der lichtdurchlässigen
Wand (3, 4) lösbar am Reaktorgefäß (2) befestigt oder befestigbar ist und manuell und/oder maschinell vom Reaktorgefäß (2) abnehmbar und an diesem wieder befestigbar ist.
9. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine vom Aufnahmehohlraum (5) abgewandte Blendenoberfläche (16) der Blende (7) verspiegelt ausgebildet ist.
10. Verfahren zur Kultivierung von Photosynthese betreibenden Mikroorganismen mit einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine Suspension (6) mit den zu kultivierenden Mikroorganismen im Aufnähmehohlraum (5) durch die lichtdurchlässigen Blendenbereiche (8) hindurch bereichsweise mit Licht beaufschlagt und von den lichtundurchlässigen Blendenbereichen (9) bereichsweise gegen Lichteinfall abgeschattet wird und die Blende (7) und die Suspension (6) im Aufnahmehohlraum (5) mittels des Antriebs (10) relativ zueinander bewegt werden.
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