DE102008027889A1 - Verfahren zur Herstellung von Algenbiomasse und deren Verwendung - Google Patents

Abstract

Offenbart wird ein Verfahren zur Herstellung von Algenbiomasse mittels Algen ohne Verwendung von Licht in einem geschlossenen Reaktor, wobei durch Beimpfen mittels nicht steriler Algen und Verwendung einer nicht sterilen Nährlösung zunächst eine Algen-Nährlösungs-Suspension entsteht, aus welcher dann die Algenbiomasse durch Zellwachstum und Zellvermehrung gewonnen wird, sowie die Verwendung der so erzeugten Algenbiomasse.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein neuartiges Verfahren zur Gewinnung von Algenbiomasse ohne die Verwendung von Licht, sowie die Verwendung des Verfahrenserzeugnisses, wie im Nachfolgenden erörtert.
• Stand der Technik
• Die bekannten Verfahren zur Gewinnung von Algenbiomasse, welche bekannt und zahlreich in der Patentliteratur beschrieben sind, nutzten entweder so genannte Photobioreaktoren (PBR) oder Verfahren in offenen Systemen.
• So beschreibt EP 1040182 B1 ein Verfahren zur Herstellung von Biomasse mittels Photosynthese, bei welchem ein Photobioreaktor beschrieben wird. Eine Übersicht zu offenen Systemen und anderen Verfahren zur Algenbiomassegewinnung findet sich bei Borowitzka, M. A. in Commercial production of microalgae, Ponds, tanks, tubes and fermenters; in Journal of Biotechnology, Volume 70, Issues 1–3, 30 April 1999, 313–321.
• In den Beschreibungen sind immer Licht, geeignete Nährstoffe, sowie Kohlenstoffdioxid (CO₂) für die Gewinnung der Algenbiomasse notwendig. Die verwendeten Algenarten werden zunächst unter sterilen Bedingungen angezüchtet und vermehrt, danach wird das so genannte Inokulat zusammen mit dem Nährmedium in die jeweiligen oben genannten Systeme zur optimalen Vermehrung und Gewinnung der Algenbiomasse eingebracht.
• Andererseits können aber auch geschlossene Systeme verwendet werden, die ohne die Verwendung von Licht auskommen. Allerdings ist es bei diesem Verfahren notwendig, die Algen gentechnisch zu manipulieren, wie z. B. in EP 1780283 A1 – Trophische Umwandlung von obligat phototropischen Algen durch metabolische Manipulation – beschrieben wird. Chen F. et al. beschreiben ebenfalls die gentechnische Manipulation in Growing phototrophic cells without light, in Biotechnology Letters 2006 May; 28(9): 607–616.
• Erst durch die gentechnische Manipulation ist es dann den Algen möglich, ohne Verwendung von Licht, andere Energiequellen wie z. B. Zucker als Kohlenstoffquelle zum Aufbau der Algenbiomasse zu verwenden.
• Auch beim Verfahren im Dunkeln werden die gentechnisch manipulierten Algen unter sterilen Bedingungen gezüchtet, das Inokulat dann zusammen mit dem Nährmedium unter sterilen Bedingungen in Bioreaktoren oder anderen geeigneten Behältnissen (Fermentern) weiter vermehrt.
• Nachteile des Standes der Technik
• Sowohl bei den offenen Systemen, als auch bei geschlossenen Systemen (PBR) wird die Algenbiomasse durch geeignete Vorrichtungen (Schaufelräder, Pumpen, Luftströme im Reaktor, Reaktordesign) bewegt, um ein Absetzen der Algen zu verhindern. Das Absetzen der Algenbiomasse ist unerwünscht und nachteilig, da bei Absetzung die optimale Lichtausbeute herabgesetzt und die Bildung neuer Algenbiomasse verringert und somit der Wirkungsgrad herabgesetzt wird.
• Bei der Anwendung der gentechnischen Manipulation der Algen ist der hohe apparative Aufwand von Nachteil. Weiterhin ist auch das Einhalten der sterilen Bedingungen von Nachteil, da diese aufwendig und kostenintensiv sind.
• Aufgabe der Erfindung
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Gewinnung von Algenbiomasse bereitzustellen, welches unter Vermeidung der Nachteile bisher bekannter Verfahren auskommt.
• Lösung der Aufgabe
• Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass Algen unter nicht sterilen Bedingungen ohne Licht und ohne gentechnische Manipulation unter Verwendung mindestens einer anderen kohlenstoffhaltigen Komponente im Nährmedium in geeigneten Behältern gezüchtet und vermehrt werden.
• Die vorliegende Erefindung betriff somit ein Verfahren zur Herstellung von Algenbiomasse mittels Algen ohne Verwendung von Licht in einem geschlossenen Reaktor, wobei durch Beimpfen mittels nicht steriler Algen und Verwendung einer nicht sterilen Nährlösung zunächst eine Algen-Nährlösungs-Suspension entsteht, aus welcher dann die Algenbiomasse durch Zellwachstum und Zellvermehrung gewonnen wird.
• Vorteile der Erfindung
• Durch das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich die Algenbiomasse optimal vermehren und Algenbiomasse kostengünstig herstellen, da auf sterile Bedingungen verzichtet werden kann. Weiterhin wird erfindungsgemäß auf eine Genmanipulation der Algen verzichtet. Durch den Verzicht auf Licht zum Aufbau der Algenbiomasse erhöht sich die Ausbeute der Algenbiomasse, da der limitierende Faktor Licht zum Aufbau der Algenbiomasse nicht mehr notwendig ist.
• Mit der vorliegenden Erfindung liegt nun ein Verfahren vor, welches gegenüber den bislang bekannten Verfahren folgende Vorteile bietet:
• • Verzicht der sterilen Bedingungen,
• • Verzicht der Genmanipulation,
• • geringerer Platzbedarf, da das Volumen anstatt der Fläche genutzt wird.
• Bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Algen/Nährlösungs-Suspension und/oder der Nährlösung solange ein Gas, welches CO₂ enthält, zugegeben, bis sich in der Algen/Nährlösungs-Suspension und/oder Nährlösung einen pH-Wert bereich zwischen 4,5 und 7,0 eingestellt hat.
• Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden, neben Kohlenstoffdioxid, während der Phase des Zellwachstums der Alge als weitere Kohlenstoff-Quellen dem Nährmedium mindestens eine weitere organische Kohlenstoff-Quelle hinzugefügt.
• Weiter bevorzugt ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, die Algen/Nährlösungs-Suspension im Reaktor zu durchmischen, insbesondere mittels eines Rührers. Hierdurch wird durch Variation der Durchmischung ein optimaler Ertrag an Algenbiomasse durch Verstoffwechselung des eingebrachten Kohlenstoffdioxides und der zusätzlichen organischen Kohlenstoffquelle erzielt.
• Nach einem weiteren bevorzugten Merkmal der Erfindung werden als Algen Grünalgen, insbesondere aus der Familie der Chlorococcales, ganz bevorzugt Mikroalgen der Gattung Chlorella, eingesetzt. Beispielhaft seien Chlorella vulgaris, Chlorella protothecoides genannt.
• Weiter bevorzugt ist es im erfindungsgemäßen Verfahren, als CO₂ enthaltendes Gas ein Abgas aus Feuerungsanlagen, vorzugsweise Blockheizkraftwerken, aus Verbrennungsprozessen, aus Verbrennungsmotoren oder aus Fermentationsanlagen einzusetzen, wobei das Abgas bevorzugt vor Einleitung in die Nährlösung abgekühlt wird. So wird neben dem in der Luft enthaltenen Kohlenstoffdioxid (CO₂) auch CO₂ aus Rauchgas und/oder aus Abgasen von Blockheizkraftwerken und/oder aus Verbrennungsmotoren als Kohlenstoff-Quelle für den Aufbau der Algenbiomasse verwendet.
• Weiter bevorzugt im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, eine Nährlösung aus nährstoffreichen Abwässern, insbesondere einer Kläranlage und/oder einer Biogasanlage einzusetzen.
• Weiter bevorzugt ist es, dass im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahren, der Nährlösung als weitere organische Kohlenstoffquelle mindestens ein Einfach- und/oder Mehrfachzucker zugegeben wird, bevorzugt Glucose in einer Konzentration von 0,1 bis 10 g/l Nährlösung.
• Erfindungsgemäß eignen sich auch Stärkehydrolysate, und/Acetate. Weiter sind nährstoffhaltige Abwässer aus Kläranlagen als weitere Kohlenstoff-Quellen zum Aufbau der Algenbiomasse geeignet.
• Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält die Nährlösung Wasser, Stickstoffverbindungen, Phosphate, Kalium-, Calcium-, Magnesiumverbindungen und Spurenelemente, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Bor, Kupfer, Eisen, Mangan, Molybdän und/oder Zink.
• Es wurde überraschenderweise gefunden, dass erfindungsgemäß gerade diese Kombination erhöhter CO₂-Zufuhr mit mindestens einer weiteren Kohlenstoff-Quelle, bevorzugt Glucose, unter nicht sterilen Bedingungen die Algenbiomassebildung optimiert.
• Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Abtrennung der Biomasse in an sich bekannter Weise und die Nährlösung wird in den Reaktor kontinuierlich oder diskontinuierlich zurückgeführt.
• Der vorliegenden Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, Verwendungen für das Verfahrenserzeugnis Algenbiomasse bereitzustellen.
• Dies ist einmal die Verwendung der Algenbiomasse, erhältlich nach den vorbeschriebenen Verfahrenschritten, als Ausgangsstoff für die Herstellung von Biodiesel oder Ethanol.
• Dies ist weiterhin die Verwendung der Algenbiomasse, erhältlich nach den vorbeschriebenen Verfahrensschritten, als Bestandteil von Futtermittel oder als Futtermittel für Wirbeltiere, insbesondere für Nutz- und Haustiere.
• Dies ist weiterhin die Verwendung der Algenbiomasse, erhältlich nach den vorbeschriebenen Verfahrenschritten, als Ausgangsstoff für die Herstellung von Biogas.
• Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.
• Die 1 zeigt: eine beispielhafte Ausführungsform des Reaktors sowie den schematischen Ablauf des Verfahrens.
• Das Algeninokulat 01 im Tank 02 wird mittels einer Pumpe 03 in den Reaktor 04, welcher mit Nährmedium 05 aus dem Vorratstank 06 gefüllt ist, gepumpt.
• Über im Reaktor befindliche Messsensoren 07, welche den pH-Wert, die Temperatur, den CO₂-Gehalt und die optischen Dichte der Suspension messen, wird über eine zentrale, computergesteuerte Mess- und Regeleinheit 08 der Eintrag von CO₂-haltigem Gas 09 über eine Gas-Pumpe 10 gesteuert.
• Die Regeleinheit steuert auch eine im Reaktor befindliche Heizung (in der Zeichnung nicht dargestellt) welche die Temperatur zur Einhaltung der optimalen Zuchtbedingungen sicherstellt und die Rührmotoren 11.
• Die so eingestellte Algen-Nährlösungs-Suspension zirkuliert dann im Reaktor 04 mittels Rührmotoren 11, welche eine kontinuierliche Durchmischung der Suspension garantieren.
• Im Reaktor erfolgt das Algenbiomassewachstum durch Verstoffwechselung des eingebrachten und gelösten CO₂, sowie der in dem Nährmedium befindlichen anorganischen Nährstoffe und der in dem Nährmedium befindlichen zusätzlichen Kohlenstoff-Quelle ohne Licht.
• Die Trockenmassekonzentration der verwendeten Mikroalgensorte Chlorella vulgaris nach Einstellung von Inokulat 01 und Nährmedium 05 im Reaktor beträgt zwischen 0,5 bis 1,0 g Trockensubstanz/l.
• Bei Erreichen einer Trockenmassekonzentration von mehr als 2,0 g/l im Reaktor wird die nun erntefähige Algen-Nährmedium-Suspension über die Pumpe 03 in eine dem Fachmann bekannten Trenneinrichtung (z. B. Separator, Zentrifuge, Absetzbecken) zugeführt (nicht in der 1 dargestellt) der Abtrennung zugeführt, um eine Trennung in Algenbiomasse und überschüssige Nährlösung 05 zu ermöglichen.
• Die von der Algenbiomasse befreite Lösung kann über eine Pumpe 03 dem Reaktor 04 und/oder aber dem Nährmediumvorratstank 06 wieder zugeführt werden (in der 1 nicht dargestellt) Dies kann kontinuierlich, aber auch diskontinuierlich, in Abhängigkeit von dem Wachstum der Algenbiomasse erfolgen.
• Die so abgetrennte Algenbiomasse kann je nach Verwendungszweck und Zusammensetzung der Algentrockenmasse durch dem Fachmann bekannte Techniken und wie in der gängigen Literatur beschrieben, z. B. als Rohstoff für die Biodieselgewinnung, der Ethanolgewinnung, als Futtermittel oder anderen Verwendungszwecken dienen.
• Der nach oben offene Reaktor 04 ist mittels einer lichtdichten Folie 12 abgedeckt, welche eine Öffnung 13 besitzt, aus der gasförmige Stoffwechselprodukte und überschüssige Gase entweichen können.

01

Algeninkulat

02

Tank

03

Pumpe

04

Reaktor, offen

05

Nährmedium

06

Vorratstank

07

Messsensoren

08

Regeleinheit

09

CO₂haltiges Gas

10

Gaspumpe

11

Rührmotoren

12

Folie

13

Öffnung

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• - EP 1040182 B1 [0003]
• - EP 1780283 A1 [0005]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• - Borowitzka, M. A. in Commercial production of microalgae, Ponds, tanks, tubes and fermenters; in Journal of Biotechnology, Volume 70, Issues 1–3, 30 April 1999, 313–321 [0003]
• - Chen F. et al. beschreiben ebenfalls die gentechnische Manipulation in Growing phototrophic cells without light, in Biotechnology Letters 2006 May; 28(9): 607–616 [0005]

Claims (14)

1. Verfahren zur Herstellung von Algenbiomasse mittels Algen ohne Verwendung von Licht in einem geschlossenen Reaktor, wobei durch Beimpfen mittels nicht steriler Algen und Verwendung einer nicht sterilen Nährlösung zunächst eine Algen-Nährlösungs-Suspension entsteht, aus welcher dann die Algenbiomasse durch Zellwachstum und Zellvermehrung gewonnen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Algen/Nährlösungs-Suspension und/oder der Nährlösung solange ein Gas, welches CO₂ enthält, zugegeben wird, bis sich in der Algen/Nährlösungs-Suspension und/oder Nährlösung ein pH-Wertbereich zwischen 4,5 und 7,0 eingestellt hat.
3. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Algen/Nährlösungs-Suspension während der Phase des Zellwachstums der Algen zusätzlich mindestens eine weitere organische Kohlenstoff-Quelle zugeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Algen/Nährlösungs-Suspension im Reaktor durchmischt wird, insbesondere mittels eines Rührers.
5. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Algen Grünalgen, insbesondere aus der Familie der Chlorococcales, ganz bevorzugt Mikroalgen der Gattung Chlorella eingesetzt werden
6. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als CO₂ enthaltendes Gas ein Abgas aus Feuerungsanlagen, vorzugsweise Blockheizkraftwerken, aus Verbrennungsprozessen, aus Verbrennungsmotoren oder aus Fermentationsanlagen eingesetzt wird, wobei das Abgas bevorzugt vor Einleitung in die Nährlösung abgekühlt wird.
7. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Nährlösung aus nährstoffreichen Abwässern, insbesondere einer Kläranlage und/oder einer Biogasanlage besteht.
8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Nährlösung als weitere organische Kohlenstoffquelle mindestens ein Einfach- und/oder Mehrfachzucker zugegeben wird, bevorzugt Glucose in einer Konzentration von 0,1 bis 10 g/l Nährlösung.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Nährlösung Wasser, Stickstoffverbindungen, Phosphate, Kalium-, Calcium-, Magnesiumverbindungen und Spurenelemente enthält, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Bor, Kupfer, Eisen, Mangan, Molybdän und/oder Zink.
10. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennung der Biomasse in an sich bekannter Weise erfolgt und die Nährlösung in den Reaktor kontinuierlich oder diskontinuierlich zurückgeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Nährlösung auch Stärkehydrolysate und/oder Acetate zugesetzt sind.
12. Verwendung der Algenbiomasse, erhältlich nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11, als Ausgangsstoff für die Herstellung von Biodiesel oder Ethanol.
13. Verwendung der Algenbiomasse, erhältlich nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11, als Bestandteil von Futtermittel oder als Futtermittel für Wirbeltiere, insbesondere Nutz- und Haustiere.
14. Verwendung der Algenbiomasse, erhältlich nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11, als Ausgangsstoff für die Herstellung von Biogas.