DE102009045853A1

DE102009045853A1 - Mehrkammer-Photobioreaktor

Info

Publication number: DE102009045853A1
Application number: DE102009045853A
Authority: DE
Inventors: Christoph Dr. Müller-Rees; Klaus Wenzeis; Florian Sprüderer
Original assignee: Wacker Chemie AG
Current assignee: Wacker Chemie AG
Priority date: 2009-10-20
Filing date: 2009-10-20
Publication date: 2011-04-21
Also published as: CN102575210A; WO2011048086A3; EP2491106A2; US20120220020A1; WO2011048086A2

Abstract

Mehrkammer-Photobioreaktor mit mindestens einer Kultivierungskammer und mindestens einer Temperierungskammer, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Außenfläche der Kultivierungskammer mit dem Temperierungsmedium in der Weise in Kontakt tritt, dass die Temperaturschwankungen im Kultivierungsmedium möglichst gering ausfallen, und dass die mit dem Kultivierungsmedium in Kontakt tretenden Bauelemente aus Siliconmaterialien gefertigt sind oder mit Siliconmaterialien beschichtet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Mehrkammer-Photobioreaktor mit mindestens einer Kultivierungskammer und mindestens einer Temperierungskammer.
Photobioreaktoren werden zur großtechnischen Produktion von phototrophen Organismen, z. B. Cyanobakterien oder Mikroalgen, beispielsweise Spirulina, Chlorella, Clamydomonas oder Haematococcus eingesetzt. Derartige Mikroalgen sind in der Lage, Lichtenergie, CO₂ und Wasser in Biomasse umzuwandeln. Photobioreaktoren der ersten Generation nutzen das Sonnenlicht als Lichtquelle. Die Reaktoren bestehen aus großen offenen Beckenanlagen in vielerlei Formgestalt, beispielsweise Rundbeckenanlagen mit Durchmessern bis zu 45 m und umlaufenden Mischarmen. Diese Reaktoren sind im Allgemeinen aus Beton oder Kunststoffen gefertigt. Geschlossene Bioreaktoren werden ebenfalls in vielerlei Formen eingesetzt. Bei den geschlossenen Bioreaktoren kann es sich um Plattenbioreaktoren, Rohrbioreaktoren, (Blasen) Säulenbioreaktoren oder Schlauchbioreaktoren handeln. Dieser Reaktortyp wird zur Optimierung der Lichteinstrahlung aus transparenten oder transluzenten Materialien gefertigt, wie Glas oder Kunststoff.
Neben der Lichteinstrahlung ist auch die Temperatur des Kultivierungsmediums von großer Bedeutung zur Einstellung optimaler Kultivierungsbedingungen. Zur Temperaturkontrolle werden deshalb häufig externe Wärmetauscher eingesetzt. In der DE 4134813 A1 ist ein Plattenreaktor aus transparenten Materialien wie Glas oder Kunststoff zur Kultivierung von phototrophen Organismen beschrieben. Dieser Plattenreaktor wird von einem Kultivierungsmedium durchströmt, welches mittels eines externen Wärmetauschers temperiert wird. Gegenstand der DE 202005001733 U1 ist ein Solarreaktor für pflanzliche Algen und Mikroorganismen, worin das Kultivierungsmedium in einem spiralförmigen, transparenten Rohrreaktor zirkuliert. Zur Erwärmung des Kultivierungsmediums wird ein externes Heizmodul empfohlen. Die Temperierung eines Plattenphotobioreaktors mit einem externen Wärmetauscher ist in der US 2008/0293132 beschrieben, wobei zur Kühlung der Platten diese auch mit Kühlkanälen ausgestattet werden können. Nachteilig an diesen Ausführungsformen ist, dass die Temperaturregulierung nicht kontinuierlich über das Volumen des Kultivierungsmediums erfolgt. Es können daher Temperaturgradienten und Temperaturschwankungen im Kultivierungsmedium auftreten. Die US 2007/0048848 beschreibt die Kultivierung von Biomassen in Trögen, welche mit Isoliermaterialien abgedeckt werden können. In der NL 9100715 A wird ein Rohrreaktor zur Algenkultivierung beschrieben mit einem Heizelement, welches mittels Isoliermaterial vom Algenmedium abgetrennt ist. Nachteilig bei der Verwendung von Isoliermaterialien ist, dass die Temperaturkontrolle nicht aktiv geregelt werden kann.
Die WO 2009/039317 beschreibt einen Photobioreaktor, welcher mit einem Doppelmantel umgeben ist, in welchem ein gasförmiges oder flüssiges Temperierungsmedium zirkuliert. Gegenstand der WO 98/18903 A1 ist ein aktiv oder passiv temperierbares Solarelement für Solarreaktoren in Form von flüssigkeitsdurchströmbaren Stegmehrfachplatten, wobei die durch die Stege gebildeten Räume von Reaktionsmedium bzw. Temperiermedium durch strömt werden, wodurch die Oberfläche des mit Reaktormedium befüllten Kompartiments mit der Oberfläche des mit Temperiermedium befüllten Kompartiments in Kontakt kommt. Die US 5958761 beschreibt einen Photobioreaktor zur Algenkultivierung bestehend aus einem zylindrischen Behältnis mit einem innenliegenden, koaxial verlaufenden zylindrischen Körper, welche jeweils aus Glas gefertigt sind. Der innenliegende Zylinder ist mit Kultivierungsmedium befüllt, welches von Temperierungsmedium umgeben ist, welches im äußeren Zylinder zirkuliert. Nachteilig bei diesen Ausführungsformen ist die Materialwahl, welche zu nur aufwändig zu entfernenden Anlagerungen von Mikroorganismen an den Wänden der das Kultivierungsmedium umschließenden Kammer führt.
Weiter ist zu beachten, dass es sich bei Kulturen von Makro- und Mikroorganismen um sehr sensible Systeme handelt, welche möglichst konstante Bedingungen für eine erfolgreiche Kultivierung benötigen. Wenn nämlich die Kultivierungsparameter während der Algenwachstumsphase nicht konstant sind (Licht, Temperatur, Strömungscharakteristik), dann verändert sich die Qualität der Algen infolge stressbedingter Umstellung der Stoffwechselvorgänge. Nur durch konstante Produktionsbedingungen während der gesamten Algenkultivierungsperiode können Algen mit konstanten und reproduzierbaren Eigenschaften erzeugt werden. Eine Belegung der Oberflächen in der Kultivierungskammer mit Algen verändert diese Produktionsparameter unkontrollierbar.
Es bestand daher die Aufgabe, einen geschlossenen Photobioreaktor zu konstruieren, welcher zum Einen die gleichmäßige und kontrollierte Temperierung des Kultivierungsmediums sicherstellt und zum Anderen der Anlagerung von Mikroorganismen vorbeugt bzw. die Abreinigung von Anlagerungen erleichtert.
Gegenstand der Erfindung ist ein Mehrkammer-Photobioreaktor mit mindestens einer Kultivierungskammer und mindestens einer Temperierungskammer, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Außenfläche der Kultivierungskammer mit dem Temperierungsmedium in der Weise in Kontakt tritt, dass die Temperaturschwankungen im Kultivierungsmedium möglichst gering ausfallen, und dass die mit dem Kultivierungsmedium in Kontakt tretenden Bauelemente aus Siliconmaterialien gefertigt sind oder mit Siliconmaterialien beschichtet sind.
Der Mehrkammer-Photobioreaktor eignet sich zur Kultivierung von phototrophen Makro- oder Mikroorganismen in wässrigem Medium. Als phototrophe Organismen werden dabei solche bezeichnet, welche Licht und Kohlendioxid, oder gegebenenfalls noch eine weitere Kohlenstoffquelle, zum Wachstum benötigen. Beispiele für phototrophe Makroorganismen sind Makroalgen, Pflanzen, Moose, Pflanzenzellkulturen. Beispiele für phototrophe Mikroorganismen sind phototrophe Bakterien wie Purpurbakterien und phototrophe Mikroalgen einschließlich Cyanobakterien. Bevorzugt dient der Mehrkammer-Photobioreaktor der Kultivierung von phototrophen Mikroarganismen, besonders bevorzugt der Kultivierung phototropher Mikroalgen. Geeignete Kultivierungsmedien enthalten neben Wasser und Makro- oder Mikroorganismen vorzugweise noch Nährsalze und/oder Wachstums- oder Produktbildungs-fördernde Stoffe, gegebenenfalls organische oder anorganische Kohlenstoffquellen wie beispielsweise Bicarbonate oder Natriumhydrogencarbonat. Das Kultivierungsmedium kann bezüglich des pH-Wertes gegebenenfalls zusätzlich abgepuffert werden.
Als Temperierungsmedium wird vorzugsweise Wasser eingesetzt.
Wesentlich ist, dass zumindest eine Außenfläche der Kultivierungskammer mit dem Temperierungsmedium in der Weise in Kontakt tritt, dass die Temperaturschwankungen im Kultivierungsmedium möglichst gering ausfallen. Dazu sollten mindestens 50 von zumindest einer Außenfläche der Kultivierungskammer mit dem Temperierungsmedium in Kontakt treten. Bevorzugt wird eine Ausführungsform, bei der zumindest eine Außenfläche der Kultivierungskammer vollständig mit dem Temperierungsmedium in Kontakt tritt. Bei Ausführungsformen, bei welchen eine Außenfläche der Kultivierungskammer nicht vollständig mit dem Temperierungsmedium in Kontakt tritt, kann auch so vorgegangen werden, dass die Kontaktfläche nicht durchgehend gestaltet ist, sondern unterbrochen. Beispielsweise mittels Kühlrippen ähnelnden konstruktiven Elementen.
Die Formgestalt des Mehrkammer-Reaktors ist beliebig, solange das Mehrkammer-Prinzip eingehalten wird. Es können Schläuche, Rohre, Platten, Beutel jeweils beliebiger Formgestalt eingesetzt werden.
Der Mehrkammer-Photobioreaktor mit mindestens einer Kultivierungskammer und mindestens einer Temperierungskammer kann die Formgestalt eines Schlauches oder Rohres aufweisen, jeweils mit rundem, ovalem oder polygonalem Querschnitt. In der nachfolgenden Beschreibung umfasst der Begriff Schlauch auch die Ausführungsform Rohr. Zur Trennung von Kultivierungskammer und Temperierungskammer kann der Schlauch durch Einbau von Stegen in zwei oder mehr Kammern unterteilt werden. Beispielsweise kann der Schlauch mittels eines radial verlaufenden Steges in zwei Kammern aufgeteilt werden. Es kann auch so vorgegangen werden, dass der Schlauch einen oder mehrere in dessen Innerem angeordnete Innenschläuche aufweist, welche gegebenenfalls mit dem äußeren Schlauch mit einem Steg verbunden sind. Eine weitere Alternative ist, dass in einen äußeren Schlauch mit größerem Durchmesser ein oder mehrere Schläuche mit geringerem Durchmesser eingelegt werden. Bevorzugt wird ein Schlauch, der aus einem äußeren Schlauch und einem koaxial verlaufenden inneren Schlauch zusammengesetzt ist. Besonders bevorzugt wird ein Schlauch 1 (Doppelschlauch), welcher einen koaxial verlaufenden Innenschlauch 2 enthält, der über einen Steg 3 mit dem äußeren Schlauch 4 verbunden ist; wie der in 1 abgebildete Doppelschlauch.
Bei dem schlauchförmigen Reaktor werden bei Aufteilung in zwei Kammern jeweils eine der Kammern mit Kultivierungsmedium beschickt und die andere Kammer mit Temperierungsmedium. Bei mehr als zwei Kammern werden diese vorzugsweise alternierend mit Kultivierungsmedium bzw. Temperierungsmedium beschickt. Bei den Ausführungsformen mit einem oder mehreren Innenschläuchen in einem Außenschlauch kann das Kultivierungsmedium in den Außenschlauch gefüllt werden und das Temperierungsmedium in den Innenschlauch. Vorzugsweise wird der Innenschlauch mit dem Kultivierungsmedium befüllt und der Außenschlauch mit dem Temperierungsmedium.
Der Mehrkammer-Photobioreaktor mit mindestens einer Kultivierungskammer und mindestens einer Temperierungskammer kann auch die Formgestalt eines Plattenreaktors aufweisen, wobei zwei oder mehr planparallele Platten mittels jeweils zwischen den Platten gesetzten Stegen im Abstand dicht verbunden sind. Für den seitlichen Abschluss des Plattenreaktors sind Seitenplatten vorgesehen, welche mit den planparallelen Platten dicht verbunden sind. Die so gebildeten Kammern des Plattenreaktors können alternierend mit Kultivierungsmedium und Temperierungsmedium beschickt werden.
Bei Photobioreaktoren in Form von Beuteln können zwei oder mehr Beutel so zusammengefügt werden, dass eine gemeinsame Fläche die Beutel jeweils trennt. Auch hier werden die Beutel vorzugsweise alternierend mit Kultivierungsmedium und Temperierungsmedium beschickt.
Der Mehrkammer-Photobioreaktor ist zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, aus transparenten oder transluzenten Materialien gefertigt. Unter transparenten Materialien werden solche verstanden, welche mindestens 80 des Lichtes im Spektralbereich von 400 nm bis 1000 nm hindurchlassen. Unter transluzenten Materialien werden solche verstanden, welche mindestens 50 des Lichtes im Spektralbereich von 400 nm bis 1000 nm hindurchlassen. Bevorzugt werden transparente Materialien.
Wesentlich ist, dass diejenigen Bereiche des Mehrkammer-Photobioreaktors, welche zwischen dem Kultivierungsmedium und der/den Lichtquellen zur Beleuchtung des Kultivierungsmediums angeordnet sind, aus transparenten/transluzenten Materialien gefertigt sind. Befindet sich das Kultivierungsmedium in einer außen liegenden und das Temperierungsmedium in einer innen liegenden Kammer, welche jeweils vom Kultivierungsmedium umgeben werden, so kann die das Temperierungsmedium enthaltende Kammer aus nicht-transparenten bzw. nicht-transluzenten Materialien gefertigt werden.
Geeignete Materialien sind Glas und Kunststoffe, beispielsweise Homo- oder Copolymerisate wie Polymethylmethacrylat (Plexiglas), Polyester wie PET, Polycarbonat, Polyamid, Polystyrol, Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid oder Siliconmaterialien wie Silicone oder Copolymerisate mit Silicon- und Organocopolymer-Abschnitten.
Für die Bauelemente des Mehrkammer-Photobioreaktor, welche mit dem Kultivierungsmedium in Berührung kommen, werden Siliconmaterialien wie Silicone oder Copolymerisate mit Silicon- und Organocopolymer-Abschnitten eingesetzt. Es kann auch so vorgegangen werden, dass die Bauelemente des Mehrkammer-Photobioreaktor, welche mit dem Kultivierungsmedium in Berührung kommen, mit Siliconmaterialien wie Siliconen oder Copolymerisaten mit Silicon- und Organocopolymer-Abschnitten beschichtet werden, sofern sie nicht aus diesen Materialien gefertigt sind.
Besonders bevorzugt werden transparente oder transluzente Siliconmaterialien. Geeignete Siliconmaterialien sind beispielsweise additionsvernetzende oder radikalisch vernetzende Silicone (Siliconkautschuke) sowie Copolymerisate mit Silicon- und Organocopolymer-Abschnitten (Siliconhybridpolymere).
Additionsvernetzende Siliconkautschuk-Systeme enthalten

a) Organosiliciumverbindungen, die Reste mit aliphatischen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Mehrfachbindungen aufweisen,
b) gegebenenfalls Organosiliciumverbindungen mit Sigebundenen Wasserstoffatomen oder anstelle von a) und b)
c) Organosiliciumverbindungen, die Reste mit aliphatischen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Mehrfachbindungen und Si-gebundene Wasserstoffatome aufweisen, und jeweils
d) die Anlagerung von Si-gebundenen Wasserstoff an aliphatische Mehrfachbindung fördernde Katalysatoren und
e) gegebenenfalls die Anlagerung von Si-gebundenem Wasserstoff an aliphatische Mehrfachbindung bei Raumtemperatur verzögernde Mittel.

Geeignete radikalisch (peroxidisch) oder durch Additionsreaktion vernetzende Siliconkautschuke sind bei Temperaturerhöhung vernetzende Festsiliconkautschuke (HTV).
Additionsvernetzende HTV-Siliconkautschuke erhält man durch die Vernetzung von mehrfach ethylenisch ungesättigten Gruppen, vorzugsweise Vinylgruppen, substituierten Organopolysiloxanen mit mehrfach mit Si-H-Gruppen substituierten Organopolysiloxanen in Gegenwart von Platinkatalysatoren.
Vorzugsweise besteht eine der Komponenten der peroxidisch oder additionsvernetzenden HTV-2-Siliconkautschuke aus Dialkylpolysiloxanen der Struktur R₃SiO[-SiR₂O]-SiR₃ mit n ≥ 0, im allgemeinen mit 1 bis 4 C-Atomen im Alkylrest, wobei die Alkylreste ganz oder teilweise durch Arylreste wie den Phenylrest ersetzt werden können und an einem oder an beiden Enden, einer der endständigen Reste R durch eine polymerisierbare Gruppe wie die Vinylgruppe ersetzt ist. Es können aber auch Polymere mit seitenständigen bzw. mit seiten- und endständigen Vinylgruppen verwendet werden. Bevorzugt werden vinylendblockierte Polydialkylsiloxane der Struktur CH₂=CH₂-R₂SiO[-SiR₂O]_n-SiR₂-CH₂=CH₂ eingesetzt, sowie vinylendblockierte Polydimethylsiloxane der genannten Struktur, welche noch seitenständige Vinylgruppen tragen. Bei additionsvernetzenden HTV-Siliconkautschuken ist die zweite Komponente ein Copolymer aus Dialkylpolysiloxanen und Polyalkylhydrogensiloxanen mit der allgemeinen Formel R'₃SiO[-SiR₂O]_n-[SiHRO]_m-SiR'₃ mit m ≥ 0, n ≥ 0 und der Maßgabe, dass mindestens zwei SiH-Gruppen enthalten sein müssen, wobei R' die Bedeutung von H oder R haben kann. Es gibt demnach Vernetzer mit seitenständigen und endständigen SiH-Gruppen, während Siloxane mit R' = H, die nur endständige SiH-Gruppen besitzen, auch noch zur Kettenverlängerung verwendet werden. Als Vernetzungskatalysatoren kommen Platinkatalysatoren zum Einsatz. HTV-Siliconkautschuke werden auch als Einkomponentensystem verarbeitet.
Bei peroxidisch vernetzbaren HTV-Silikonkautschuken wird die Vernetzungsreaktion durch Temperaturerhöhung und in Anwesenheit von Peroxiden als Vernetzungskatalysatoren wie z. B. Acyl-, Alkyl- oder Arylperoxiden induziert. Peroxidvernetzende HTV-Siliconkautschuke erhält man durch die Vernetzung von gegebenenfalls mehrfach mit ethylenisch ungesättigten Gruppen, vorzugsweise Vinylgruppen, substituierten Organopolysiloxanen. Derartige Systeme sind als 1K- oder 2K-Systeme erhältlich.
Geeignete Materialien sind auch Siliconhybridpolymere. Siliconhybridpolymere sind Copolymerisate oder Pfropfcopolymerisate von Organopolymerblöcken, beispielsweise Polyurethan, Polyharnstoff oder Polyvinylestern, und Siliconblöcken, im allgemeinen auf Basis von Polydialkylsiloxanen der obengenannten Spezifikation. Beispielsweise werden thermoplastische Siliconhybridpolymere in EP 1412416 B1 und EP 1489129 B1 beschrieben, deren diesbezügliche Offenbarung auch Gegenstand dieser Anmeldung sein soll. Derartige Siliconhybridpolymere werden als Thermoplastische Siliconelastomere (TPSE) bezeichnet. Geeignete Materialien sind auch (Kondensations- oder Strahlungs-) vernetzbare Siliconhybridmaterialien, wie in WO 2006/058656 beschrieben.
Die eben genannten Siliconmaterialien können auch zur Beschichtung, der mit dem Kultivierungsmedium in Kontakt tretenden Bauelemente, eingesetzt werden, sofern die Bauelemente nicht aus den Siliconmaterialien gefertigt sind.
Als Beschichtungsmittel geeignete Siliconmaterialien sind neben den bereits genannten Siliconmaterialien noch bei Raumtemperatur durch Kondensation vernetzende Siliconkautschuke, sowie bei Raumtemperatur additionsvernetzende Siliconkautschuke sowie Siliconharze und Silicongele.
Als Beschichtungsmittel geeignete, bei Raumtemperatur durch Kondensation vernetzende Siliconkautschuke, sind bei Raumtemperatur vernetzende 1-Komponenten-Systeme, sogenannte RTV-1-Silikonkautschuke. Bei den RTV-1-Siliconkautschuken handelt es sich um Organopolysiloxane mit kondensationsfähigen Endgruppen, welche in Gegenwart von Katalysatoren unter Kondensation bei Raumtemperatur vernetzen. Am gebräuchlichsten sind Dialkylpolysiloxane der Struktur R₃SiO[-SiR₂O]_n-SiR₃ mit einer Kettenlänge von n > 2. Die Alkylreste R können gleich oder verschieden sein und haben im allgemeinen 1 bis 4 C-Atome und können gegebenenfalls substituiert sein. Die Alkylreste R können auch teilweise durch andere Reste ersetzt sein, vorzugsweise durch Arylreste, welche gegebenenfalls substituiert sind, und wobei die Alkyl(Aryl)-Gruppen R teilweise durch zur Kondensations-Vernetzung fähige Gruppen ausgetauscht sind, beispielsweise Alkohol-(Alkoxysystem), Acetat-(Essigsäuresystem), Amin-(Aminsystem) oder Oximreste (Oximsystem). Die Vernetzung wird mittels geeigneter Katalysatoren, beispielsweise Zinn- oder Titankatalysatoren katalysiert.
Als Beschichtungsmittel geeignete bei Raumtemperatur durch Kondensation vernetzende Siliconkautschuke, sind auch bei Raumtemperatur vernetzende 2-Komponenten-Systeme, sogenannte RTV-2-Siliconkautschuke. RTV-2-Siliconkautschuke erhält man mittels Kondensationsvernetzung von mehrfach mit Hydroxygruppen substituierten Organopolysiloxanen in Gegenwart von Kieselsäureestern. Als Vernetzer können auch Alkylsilane mit Alkoxy-(Alkoxysystem), Oxim-(Oximsystem), Amin-(Aminsystem) oder Acetatgruppen (Essigsäuresystem) eingesetzt werden, welche in Anwesenheit von geeigneten Kondensations-Katalysatoren, beispielsweise Zinn- oder Titankatalysatoren mit den Hydroxygruppen-terminierten Polydialkylsiloxanen vernetzen.
Beispiele für die in RTV-1 und RTV-2 Siliconkautschuk enthaltenen Polydialkylsiloxane sind solche der Formel (OH)R₂SiO[-SiR₂O]_n-SiR₂(OH) mit einer Kettenlänge von n > 2, wobei die Alkylreste R gleich oder verschieden sein können, im allgemeinen 1 bis 4 C-Atome enthalten und gegebenenfalls substituiert sein können. Die Alkylreste R können auch teilweise durch andere Reste ersetzt sein, vorzugsweise durch Arylreste, welche gegebenenfalls substituiert sind. Vorzugsweise enthalten die Polydialkylsiloxane terminale OH-Gruppen, welche mit den Kieselsäureestern bzw. dem System Alkylsilan/Zinn(Titan)katalysator bei Raumtemperatur vernetzen.
Beispiele für die in RTV-1 und RTV-2 Siliconkautschuken enthaltenen, hydrolysierbare Gruppen aufweisende Alkylsilane sind solche der Formel RaSi(OX)_4-a, mit a = 1 bis 3 (bevorzugt 1), und X in der Bedeutung von R'' (Alkoxysystem), C(O)R'' (Essigsäuresystem), N=CR''₂ (Oximsystem) oder NR''₂ (Aminsystem), wobei R'' einen einwertigen Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen bedeutet.
Als Beschichtungsmittel geeignete, bei Raumtemperatur durch Addition vernetzende Siliconkautschuke, sind bei Raumtemperatur vernetzende 1-Komponenten-Systeme, sogenannte additionsvernetzende RTV-1-Siliconkautschuke, bei Raumtemperatur vernetzende 2-Komponenten-Systeme, sogenannte additionsvernetzende RTV-2-Silikonkautschuke oder auch bei Raumtemperatur vernetzende Mehrkomponenten-Systeme. Die Vernetzungsreaktion kann dabei kationisch, mittels entsprechender Katalysatoren, oder radikalisch, mittels Peroxiden, oder durch Strahlung, insbesondere UV-Strahlung, oder thermisch initiiert werden.
Additionsvernetzende RTV-2-Siliconkautschuke erhält man durch mit Pt-Katalysatoren katalysierte Vernetzung von mehrfach ethylenisch ungesättigten Gruppen, vorzugsweise Vinylgruppen, substituierten Organopolysiloxanen mit mehrfach mit Si-H-Gruppen substituierten Organopolysiloxanen in Gegenwart von Platinkatalysatoren.
Vorzugsweise besteht eine der Komponenten aus Dialkylpolysiloxanen der Struktur R₃SiO[-SiR₂O]_n-SiR₃ mit n ≥ 0, im allgemeinen mit 1 bis 4 C-Atomen im Alkylrest, wobei die Alkylreste ganz oder teilweise durch Arylreste wie den Phenylrest ersetzt werden können, und an einem oder an beiden Enden einer der endständigen Reste R durch eine polymerisierbare Gruppe wie die Vinylgruppe ersetzt ist. Ebenso können teilweise Reste R in der Siloxankette, auch in Kombination mit den Resten R der Endgruppen, durch polymerisierbare Gruppen ersetzt werden. Bevorzugt werden vinylendblockierte Polydimethylsiloxane der Struktur CH₂=CH₂-R₂SiO [-SiR₂O]_n-SiR₂-CH₂=CH₂ eingesetzt.
Die zweite Komponente enthält einen Si-H-funktionellen Vernetzer. Die üblicherweise verwendeten Polyalkylhydrogensiloxane sind Copolymere aus Dialkylpolysiloxanen und Polyalkylhydrogensiloxanen mit der allgemeinen Formel R'₃SiO[-SiR₂O]_n-(SiHRO]_m-SiR'₃ mit m 0, n ≥ 0 und der Maßgabe, dass mindestens zwei SiH-Gruppen enthalten sein müssen, wobei R' die Bedeutung von H oder R haben kann. Es gibt demnach Vernetzer mit seitenständigen und endständigen SiH-Gruppen, während Siloxane mit R' = H, die nur endständige SiH-Gruppen besitzen, auch noch zur Kettenverlängerung verwendet werden. Als Vernetzungskatalysator sind geringe Mengen einer platinorganischen Verbindung enthalten.
In jüngster Zeit sind zudem noch spezielle Siliconkautschuke im Handel erhältlich, welche über die beschriebene Additionsreaktion vernetzt werden, indem spezielle Platin-Komplexe bzw. Platin-/Inhibitor-Systeme thermisch und/oder photochemisch aktiviert werden und somit die Vernetzungsreaktion katalysieren.
Siliconharze sind ebenfalls geeignete Materialien für die Herstellung der transparenten oder transluzenten Beschichtung. Im allgemeinen enthalten die Siliconharze Einheiten der allgemeinen Formel R_b(RO)_cSiO_(4-b-c)/2, worin b gleich 0, 1, 2 oder 3 ist, c gleich 0, 1, 2 oder 3 ist, mit der Maßgabe, dass b + c ≤ 3 ist, und R in der oben dafür angegebenen Bedeutung, welche ein hoch vernetztes Organosilicon-Netzwerk aufbauen. Siliconharze können lösemittelfrei, lösemittelhaltig oder als wässrige Systeme zum Einsatz kommen. Darüberhinaus können auch funktionalisierte, z. B. mit Epoxy- oder Amingruppen funktionalisierte Siliconharze eingesetzt werden.
Silicongele sind ebenfalls geeignete Materialien für die Herstellung der transparenten oder transluzenten Beschichtung. Silicongele werden aus zwei gießbaren Komponenten hergestellt, welche bei Raumtemperatur in Gegenwart eines Katalysators vernetzen. Eine der Komponenten besteht im allgemeinen aus Dialkylpolysiloxanen der Struktur R₃SiO[-SiR₂O]_n-SiR₃ mit n ≥ 0, im allgemeinen mit 1 bis 4 C-Atomen im Alkylrest, wobei die Alkylreste ganz oder teilweise durch Arylreste wie den Phenylrest ersetzt werden können, und an einem oder an beiden Enden einer der endständigen Reste R durch eine polymerisierbare Gruppe wie die Vinylgruppe ersetzt ist. Ebenso können teilweise Reste R in der Siloxankette, auch in Kombination mit den Resten R der Endgruppen, durch polymerisierbare Gruppen ersetzt werden. Bevorzugt werden vinylendblockierte Polydimethylsiloxane der Struktur CH₂=CH₂-R₂SiO[-SiR₂O]_n-SiR₂-CH₂=CH₂ eingesetzt.
Die zweite Komponente enthält einen Si-H-funktionellen Vernetzer. Die üblicherweise verwendeten Polyalkylhydrogensiloxane sind Copolymere aus Dialkylpolysiloxanen und Polyalkylhydrogensiloxanen mit der allgemeinen Formel R'₃SiO[-SiR₂O]_n-[SiHRO]_m-SiR'₃ mit m ≥ 0, n ≥ 0 und der Maßgabe, dass mindestens zwei SiH-Gruppen enthalten sein müssen, wobei R' die Bedeutung von H oder R haben kann. Es gibt demnach Vernetzer mit seitenständigen und endständigen SiH-Gruppen, während Siloxane mit R' = H, die nur endständige SiM-Gruppen besitzen, auch noch zur Kettenverlängerung verwendet werden. Als Vernetzungskatalysator sind geringe Mengen einer platinorganischen Verbindung enthalten. Durch das Mischen der Komponenten wird die Vernetzungsreaktion ausgelöst und das Gel gebildet. Diese Vernetzungsreaktion kann durch das Einwirken von Wärme und/oder durch elektromagnetische Strahlung, vorzugsweise UV-Strahlung, beschleunigt werden.
Eine detaillierte Übersicht über Silicone, ihre Chemie, Formulierung und Anwendungseigenschaften findet sich beispielsweise in Winnacker/Küchler, „Chemische Technik: Prozesse und Produkte, Band 5: Organische Zwischenverbindungen, Polymere", Seite 1095–1213, Wiley-VCH Weinheim (2005).
In einer bevorzugten Ausführungsform können die Materialien für den Mehrkammer-Photobioreaktor übliche Additive wie Füllstoffe oder Fasermaterialien zur Verbesserung der Mechanik enthalten. Diese Additive werden vorzugsweise maximal in solchen Mengen eingesetzt, dass das Material transparent bzw. transluzent bleibt. Es können auch lichtleitende Additive zugegebenen werden, oder lichtwellenverschiebende Additive zur Optimierung der nutzbaren Strahlungsausbeute zugegeben werden. Geeignete Zusätze sind auch Wellenlängen-blockierende Additive, beispielsweise zur Blockierung von Infrarot-Strahlung.
Die Kammern des Mehrkammer-Photobioreaktors können auch geometrische Strukturierungen aufweisen, beispielsweise zur Verbesserung der Strömungseigenschaften oder zur Lichtstreuung. Beispiele hierfür sind Noppen oder Prägungen im Material der Kammern.
Die Fertigung kann mit den etablierten Technologien der Kunststoffverarbeitung erfolgen, die zur Herstellung von Formkörpern eingesetzt werden. Beispielsweise mittels Extrusion oder Spritzgießen zur Formung von thermoplastischen Siliconen (Thermoplast-Spritzgießen), elastomeren Siliconen (Elastomer-Spritzgießen) oder duroplastischen Siliconen (Duroplast-Spritzgießen). Es sind aber auch Kombiverfahren wie z. B. Exjection möglich.
Die Beleuchtung erfolgt im Allgemeinen mittels Sonnenlicht, welches gegebenenfalls durch Kunstlicht (künstliche Lichtquellen) ergänzt werden kann. Bevorzugt werden zur künstlichen Beleuchtung LEDs enthaltende Beleuchtungsmittel eingesetzt. Geeignet sind aber auch andere künstliche Lichtquellen wie beispielsweise Fluoreszenz-Leuchtstofflampen, Neonlampen, Metalldampf-Lampen, Edelgas-Lampen, Halogenlampen, Schwefelplasmalampen. Bei der Beleuchtung mit künstlichen Lichtquellen können die Kultivierungsbedingungen durch den Einsatz von Lichtquellen mit definierten Wellenlängen, definierter Intensität und gegebenenfalls mittels pulsierender Lichtquellen optimiert werden. Es ist auch denkbar, die künstlichen Lichtquellen, beispielsweise in Form von LED-Ketten, in eine oder mehrere Kammern des Mehrkammer-Photobioreaktors einzulegen bzw. einzubauen.
Das die phototrophen Organismen enthaltende Kultivierungsmedium wird im Allgemeinen aus einem Vorratsbehälter in die entsprechenden Kammern des Mehrkammer-Photobioreaktors gefördert. Die Förderung kann mechanisch mittels einer Pumpe erfolgen. Im Mehrkammer-Photobioreaktor kann die Förderung des Kultivierungsmediums auch mittels Airlift, das heißt mittels Luft oder mittels eines Luft/CO₂-Gemisches oder auch Stickstoff als Trägergas, erfolgen, welches simultan die Versorgung des Kultivierungsmediums mit CO₂ sicherstellt. Die Zuführung von CO₂ kann aber auch separat und gepulst erfolgen und damit der Einstellung des pH-Wertes im Kultivierungsmedium dienen.
Die Abtrennung der kultivierten Organismen erfolgt in einer Separatoreinheit, beispielsweise mittels Zentrifugation, Filtration oder Sedimentation.
Das Temperierungsmedium wird in die entsprechenden Kammern eingeleitet. Die Förderung erfolgt vorzugsweise pneumatisch mittels Pumpe, im Gleichstrom oder im Gegenstrom zum Kultivierungsmedium. Der Kreislauf des Temperierungsmediums kann gegebenenfalls eine Wärmetauschereinheit zur Regulierung der Temperatur des Temperierungsmediums beinhalten. Die Temperatur des Temperierungsmediums hängt im wesentlichen von der Umgebungstemperatur ab und kann entsprechend eingestellt werden.
Vorzugsweise wird der Betrieb des Mehrkammer-Photobioreaktor mit Automatisierungstechnologie organisiert. Dazu zählen die automatisierte Überwachung und Einstellung von spezifischen Prozessparametern wie Strömungsgeschwindigkeiten, Temperatur, Gasaustausch, Flüssigkeitsaustausch, Dichte bzw. Viskosität, Salzgehalt des Kultivierungsmediums, gegebenenfalls Licht bei künstlicher Beleuchtung (Intensität, Wellenlänge, Hell-/Dunkel-Zyklus, zeitliche Anpassung/Wechsel).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4134813 A1 [0003]
DE 202005001733 U1 [0003]
US 2008/0293132 [0003]
US 2007/0048848 [0003]
NL 9100715 A [0003]
WO 2009/039317 [0004]
WO 98/18903 A1 [0004]
US 5958761 [0004]
EP 1412416 B1 [0026]
EP 1489129 B1 [0026]
WO 2006/058656 [0026]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Winnacker/Küchler, „Chemische Technik: Prozesse und Produkte, Band 5: Organische Zwischenverbindungen, Polymere”, Seite 1095–1213, Wiley-VCH Weinheim (2005) [0041]

Claims

Mehrkammer-Photobioreaktor mit mindestens einer Kultivierungskammer und mindestens einer Temperierungskammer, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Außenfläche der Kultivierungskammer mit dem Temperierungsmedium in der Weise in Kontakt tritt, dass die Temperaturschwankungen im Kultivierungsmedium möglichst gering ausfallen, und dass die mit dem Kultivierungsmedium in Kontakt tretenden Bauelemente aus Siliconmaterialien gefertigt sind oder mit Siliconmaterialien beschichtet sind.
Mehrkammer-Photobioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 50% von zumindest einer Außenfläche der Kultivierungskammer mit dem Temperierungsmedium in Kontakt treten.
Mehrkammer-Photobioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Außenfläche der Kultivierungskammer vollständig mit dem Temperierungsmedium in Kontakt tritt.
Mehrkammer-Photobioreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche durchgehend oder unterbrochen gestaltet ist.
Mehrkammer-Photobioreaktor nach Anspruch 1 bis 4, welcher als Schlauchreaktor, Rohrreaktor, Plattenreaktor oder Beutelreaktor gestaltet ist.
Mehrkammer-Photobioreaktor nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schlauch durch Einbau von Stegen in zwei oder mehr Kammern unterteilt wird.
Mehrkammer-Photobioreaktor nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schlauch einen oder mehrere in dessen Innerem angeordnete Innenschläuche aufweist.
Verfahren zur Herstellung von phototrophen Organismen mit einem Mehrkammer-Photobioreaktor gemäß Anspruch 1 bis 7.