DE102005062726A1

DE102005062726A1 - Bioreaktor mit Gaskreislauf

Info

Publication number: DE102005062726A1
Application number: DE200510062726
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. Dr.sc. Trommler; Antje Dr.rer.nat. Weber; Annett Dipl.-Ing. Keller (FH); Michael Dipl.-Ing. Fiedler
Original assignee: MIKROBIOLOGISCH ANALYTISCHES L; MIKROBIOLOGISCH-ANALYTISCHES LABOR GmbH
Current assignee: MIKROBIOLOGISCH ANALYTISCHES L; MIKROBIOLOGISCH-ANALYTISCHES LABOR GmbH
Priority date: 2005-12-22
Filing date: 2005-12-22
Publication date: 2007-07-05

Abstract

Technisches Problem der Erfindung DOLLAR A In offenden Reaktoren zur Kultivierung phototropher Mikroorganismen unter Nutzung gasförmiger Nahrungsquellen durchströmt das eingeleitete Gas den Reaktor und verlässt denselben beispielsweise in die Umgebung. Diese Ausführungen von (Photo-)Bioreaktoren führen dazu, dass Nachteile bezüglich der Gasqualität, der Gasverwertung, der Gasausbeute, der Ausbeute an Biomasse und der Qualität der Biomasse in Kauf genommen werden müssen. DOLLAR A Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen (Photo-)Bioreaktor zu schaffen, der so kontruiert ist, dass das eingeleitete Gas mindestens einmal, besser mehrfach, den gesamten Kreislauf und damit den Reaktor bzw. den Reaktorinhalt vorzugsweise zwei- oder mehrfach durchläuft, bevor es wieder ausgeleitet und einer Verwenung zugeführt wird. Ob der Reaktor zusätzlich über einen Flüssigkreislauf verfügt, ist erfindungsgemäß beliebig gestaltbar. DOLLAR A Lösung des Problems DOLLAR A Die Erfindung betrifft einen Bioreaktor vorzugsweise zur photosynthetischen Verwertung von Kohlendioxid und kohlendioxidhaltigen Gasen, insbesondere Biogas, der dadurch gekennzeichnet ist, dass ein gasdichter Kreislauf eine nahezu vollständige Verwertung der im Gas enthaltenen Nährstoffe und die Erzeugung eines gut definierbaren Gasproduktes ermöglicht. Die Erfindung betrifft gleichfalls die zelluläre Verwertung weiterer verstoffwechselbarer Gase, wie z. B. Methan. DOLLAR A Anwendungsgebiet DOLLAR A Kultivierung phototropher Mikroorganismen unter Nutzung ...

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Bioreaktor vorzugsweise zur photosynthetischen Verwertung von Kohlendioxid und kohlendioxidhaltigen Gasen, insbesondere Biogas, der dadurch gekennzeichnet ist, dass ein gasdichter Kreislauf eine nahezu vollständige Verwertung der im Gas enthaltenen Nährstoffe und die Erzeugung eines gut definierbaren Gasproduktes ermöglicht. Die Erfindung betrifft gleichfalls die zelluläre Verwertung weiterer verstoffwechselbarer Gase, wie z. B. Methan.

Stand der Technik

(Photo-)Bioreaktoren zur Kultivierung phototropher Mikroorganismen unter Nutzung gasförmiger Nahrungsquellen sind vielfältig bekannt ( DD 291 092 , DE 43 17 006 , DE 100 49 437 , DE 101 64 458 , DE 196 11 855 , DE 197 21 280 , DE 199 16 597 , DE 296 07 285 , DE 694 08129 , DE 10 2004 019 234 , EP 0 889 118 , EP 0 911 386 , EP 1 498 475 ).

In offenen Reaktoren durchströmt das eingeleitete Gas den Reaktor und verlässt denselben beispielsweise in die Umgebung. In geschlossenen Reaktorsystemen, z.B. Röhrenreaktoren wird die Reaktorflüssigkeit im Kreis geführt und das Gas mitgeführt. Die bekannten Reaktoren weisen jedoch den Nachteil auf, dass, gleichgültig ob als offene oder geschlossene Fermenter ausgeführt ( DE 43 17 006 C2 ), das in den Photobiorektor eingeleitete Gas diesen nach Passage der Reaktorflüssigkeit bzw. nach Ablauf der Fermentation in die Umgebung verlassen kann bzw. einer Gasverwertung zugeführt wird. Nicht durch Mikroorganismen gebundenes Kohlendioxid bzw. z.B. in der Dunkelphase der Photosynthese von Algen gebildetes Kohlendioxid oder andere biologisch verwertbare gasförmige Bestandteile werden somit freigesetzt oder müssen gesondert aufgefangen werden.

Zugrundeliegendes Problem

Die in Nummer 2 vorgestellten Ausführungen von (Photo-) Bioreaktoren führen dazu, dass Nachteile bezüglich der Gasqualität, der Gasverwertung, der Gasausbeute, der Ausbeute an Biomasse und der Qualität der Biomasse in Kauf genommen werden müssen.

Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen (Photo-)Bioreaktor zu schaffen, der so konstruiert ist, dass das eingeleitete Gas mindestens einmal, besser mehrfach den gesamten Kreislauf und damit den Reaktor bzw. den Reaktorinhalt vorzugsweise zwei- oder mehrfach durchläuft, bevor es wieder ausgeleitet und einer Verwendung zugeführt wird. Ob der Reaktor zusätzlich über einen Flüssigkreislauf verfügt, ist erfindungsgemäß beliebig gestaltbar.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass

– das Strömungssystem gasdicht gestaltet wurde,
– das Reaktorsystem über einen oder mehrere gesonderte Gaskreisläufe verfügt,
– das außerhalb des eigentlichen Reaktors im Kreislauf geführte Gas im Ein- und Ausgang bei Bedarf Sterilfilter passieren muss
– der Reaktor mit einer Mess- und Regelstrecke versehen ist, welche die Gaseinleitung über entsprechende Ventile steuert,
– nach Erreichen des justierten Gasdargebotes die Gaszufuhr unterbrochen wird,
– das eingeleitete Gas so lange im Gaskreislauf verweilt bis soviel verwertbares Gas durch die Zellen verbraucht ist, dass erneut Gas eingeleitet wird,
– die phototrophen Zellen sowohl Mikroorganismen als auch Pflanzenzellen sein können,
– beliebige andere gasverwertende Zellen eingesetzt werden können,
– in das Strömungssystem Sensoren zur Überwachung weiterer Gaskomponenten integriert sind,
– die Beleuchtung wahlweise natürlich (Tageslicht) oder künstlich oder kombiniert erfolgt,
– die Biomassenentnahme aus dem Reaktor kontinuierlich oder diskontinuierlich realisiert wird.

Gewerbliche Anwendung der Erfindung

Ergibt sich aus der Beschreibung und der Art der Erfindung.

Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung

Die Vorteile dieses Reaktorsystems liegen vor allem darin, dass es sich um ein System mit geschlossenem Gaskreislauf handelt, das eine effektive Verwertung des dargebotenen Nährgase durch die in der Reaktorflüssigkeit befindlichen Zellen ermöglicht. Dabei wird auch der Eintrag von möglichen Verunreinigungen aus der Umgebungsluft vermieden. Damit ist der Reaktor nicht nur für die Produktion von Biomasse sondern speziell auch für die biotechnologische Produktion verwertbarer Gase geeignet. Des Weiteren ist das Zellmaterial im Vergleich zu einem Röhrenreaktorsystem geringeren mechanischen Belastungen ausgesetzt. Der Reaktor ist sterilisierbar, was in Abhängigkeit von der Verwertung der Biomasse von Bedeutung sein kann.

Ausführungsbeispiel
Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. Die dazugehörige Zeichnung (siehe Anlage 2) stellt eine Prinzipskizze eines als Blasenreaktorsystem ausgestalteten Photobioreaktor mit geschlossenem Gaskreislauf dar.
Funktionsbeschreibung:
Das vorgestellte Reaktorsystem realisiert einen geschlossenen Gaskreislauf. Kernstück des Reaktorssystems ist ein Photobioreaktor aus Glas. Die Funktionsweise des Reaktorsystems lässt sich wie folgt beschreiben:
Aus dem Biogasspeicher (14) wird das Rohgas durch eine Pumpe (13) zunächst über eine Gasreinigungsmasse (16) geleitet. Dabei wird Schwefelwasserstoff aus dem Rohgas entfernt. Anschließend erfolgt die Einspeisung (6) des Biogases über eine weitere Pumpe (7) in den (geschlossenen) Gaskreislauf. Im Photobioreaktor (1) erfolgt die Umsetzung des im Biogas vorhandenen CO₂ infolge der Photosyntheseleistung der Mikroalgen in Biomasse. Die akkumulierte Biomasse wird über eine Bypassvorrichtung (18) an der Kegelspitze am unteren Ende des Photobioreaktors entnommen. Die Beleuchtung des Photobioreaktors erfolgt mit einer Leuchtstoffröhre (8). Das aus dem Photobioreaktor ausgetragene Gas passiert zunächst eine Kühlfalle (2) zur Kondensation von mitgeschleppter Flüssigkeit. Anschließend durchläuft das gereinigte Gas eine Sensoreinheit zur Überwachung der aktuellen CH₄- und CO₂-Gehalte. Die Daten werden von einem PC (19) online erfasst. Das aufbereitete Gas verlässt nach erforderliche Zirkulationszyklen den geschlossenen Gaskreislauf (5) und wird in einem Gasspeicher (17) gesammelt.
Das Reaktorsystem ist so konstruiert, dass das eingeleitete Biogas mindestens einmal den gesamten Kreislauf und damit auch den Reaktor durchlaufen hat, bevor es aufgrund des Überdrucks wieder ausgeleitet wird. Dazu ist das Reaktorsystem mit einer Mess- und Regelstrecke (9 bis 11) versehen. Übersteigt der mittels pH-Elektrode (9) in der Mikroalgensuspension gemessene pH-Wert einen vorgegebenen Wert, aktiviert das Steuerelement (10) die Pumpe (13) und Biogas wird in den Reaktor eingeleitet. Nach Erreichen des justierten pH-Wert-Minimums wird die Gaszufuhr abgebrochen. Das eingeleitete Gas verweilt dann so lange im System bis durch den Verbrauch des CO₂ durch die Algen der pH-Wert wieder ansteigt und erneut Gas eingeleitet wird. Ein Zähler (12) registriert die Dauer der Einleitung von Biogas und ermittelt damit gleichzeitig die Produktion an des Zielgases, d. h. einem Gasgemisch, dass vorwiegend aus Methan und Sauerstoff besteht. Wahlweise kann in den Gaskreislauf ein Sauerstoffseparator integriert werden.

1: Photobioreaktor
2: Kühlfalle
3: Gassensor für CH₄
4: Gassensor für CO₂
5: Ausleitung CO₂ reduziertes, O₂ angereichertes Biogas
6: Einleitung Biogas
7: Gaskreislaufpumpe
8: Leuchtstoffröhre
9: pH-Sonde
10: Steuereinheit für pH-Wert
11: Signalgeber an Biogaspumpe (Strom)
12: Stromzähler zur Bestimmung der Einleitungsdauer der Biogaszuleitung
13: Biogaspumpe
14: Biogasspeicher (Rohgas)
15: Zuleitung aus Biogasreaktor
16: Adsorber für H₂S
17: Gasspeicher BiLaGas oder Konvertierungssystem
18: Biomassenprobenahme/Biomassenernte
19: PC für online-Messung und ggf. Steuerung der Systemelemente

Claims

Bioreaktor zur Verwertung gasförmiger Kohlenstoffquellen, vorzugsweise zur photosynthetischen Behandlung von Kohlendioxid und kohlendioxidhaltigen Gasen, insbesondere Biogas und zur Produktion verwertbarer Gase und Biomasse, gekennzeichnet dadurch, dass derselbe gasdicht ausgeführt ist und über einen zusätzlichen Gaskreislauf verfügt.
Photobioreaktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das im Kreislauf geführte Gas vollständig von der Berührung mit Umgebungsluft bzw. anderen unerwünschten Gaskomponenten abgeschirmt ist, bis es das Reaktorsystem zweckbestimmt verlässt.
Photobioreaktor nach Anspruch 1 und 2 gekennzeichnet dadurch, dass das außerhalb des eigentlichen Reaktors im Kreislauf geführte Gas im Ein- und Ausgang des Reaktors bei Bedarf Sterilfilter passieren muss.
Photobioreaktor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche gekennzeichnet dadurch, dass in das Strömungssystem Sensoren zur Überwachung verschiedener Gaskomponenten, z. B. Methan, Kohlendioxid und Sauerstoff integriert sind.
Photobioreaktor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche gekennzeichnet dadurch, dass der Reaktor mit einer Mess- und Regelstrecke versehen ist, welche bei Bedarf die Gaseinleitung über entsprechende Ventile steuert.
Photobioreaktor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche gekennzeichnet dadurch, dass das eingeleitete Gas so lange im Gaskreislauf verweilt bis soviel gasförmige Nährstoffe durch die in der Flüssigphase enthaltenen Zellen verbraucht sind, dass erneut Gas eingeleitet wird,
Photobioreaktor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche gekennzeichnet dadurch, dass die phototrophen Zellen sowohl Mikroorganismen als auch Pflanzenzellen sein können.
Photobioreaktor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche gekennzeichnet dadurch, dass die Beleuchtung wahlweise natürlich (Tageslicht) oder künstlich oder kombiniert erfolgt,
Photobioreaktor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche gekennzeichnet dadurch, dass die Stoffzugaben und -entnahmen aus dem Reaktor kontinuierlich oder diskontinuierlich realisiert werden.