PL191853B1

PL191853B1 - Fotobioreaktor mający przestrzeń reakcyjną z materiału przepuszczalnego dla światła

Info

Publication number: PL191853B1
Application number: PL350946A
Authority: PL
Inventors: Walter Trösch; Ulrike Schmid-Staiger; Armin Zastrow; Alexander Retze; Franz Brucker
Original assignee: Fraunhofer Ges Forschung
Priority date: 1999-04-13
Filing date: 2000-04-06
Publication date: 2006-07-31
Also published as: DE19916597A1; CN1249215C; WO2000061719A1; JP4560960B2; AU4544700A; BR0009764B1; DK1169428T3; US6509188B1; PT1169428E; MXPA01010279A; KR20020008825A; IL145351A0; IS2152B; PL350946A1; TR200102933T2; ES2238275T3; EP1169428A1; EP1169428B1; DE50009867D1; CA2364561A1

Abstract

1. Fotobioreaktor majacy przestrzen reak- cyjna z materialu przepuszczalnego dla swiatla, znamienny tym, ze przestrzen reakcyjna z materialu przepuszczalnego dla swiatla ma rozwiniecie powierzchni wieksze niz prosto- plaszczyznowa, okrywajaca powierzchnia obje- tosci. PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest nowy fotobioreaktor do produkcji biomasy, mający przestrzeń reakcyjną z materiału przepuszczalnego dla światła.

Fotobioreaktory są fermentorami, w których hoduje się drobnoustroje fototropowe, takie jak glony, bakterie cyjanowe i bakterie purpurowe, i w których także umożliwia się wzrost i rozmnażanie tych komórek lub intensyfikację produkcji różnych substancji za pomocą komórek fototropowych.

Takie fotobioreaktory, mające przestrzeń reakcyjną z materiału przepuszczalnego dla światła, są przykładowo opisane w następujących publikacjach:

(i) „Biomass and Icosapentaenoic Acid Productivities from an Outdoor Bath Culture of Phaeodaactylum tricornutum UTEX 640 in an Airlift Tubular Photobioreactor, Appl. Microbiol. Biotechnol. (1995), 42, str. 658-663, (ii) „Autotrophic Growth and Carotenoid Production of Haematococcus pluvialis in a 30 Liter AirLift Photobioreactor, Journal of Fermentaion and Bioengineering (1996), tom 82, nr 2, str. 113-118.

(iii) „Light Energy Supply in Plate-Type and Light Diffusing Optical Fiber Bioreactors, Journal of Applied Phycology (1995), 7, str. 145-149.

(iv) „A Simplified Monodimensional Approach for Modeling Coupling between Radiant Lifht Transfer and Growth Kinetics in Photobioreactors, Chemical Engineering Science (1995), tom 50, nr9, str. 1489-1500.

Poza tym opis DE 44 40 081 A1 omawia sposób i urządzenie do zwiększania zdolności produkcyjnej w biokolektorach dla mikroorganizmów fitotropowych, przy czym przez wprowadzenie porowatej warstwy powiększa się powierzchnia dla obsadzenia przez biokatalizatory. Przy tym napływ obsadzonych powierzchni zapewnia się dzięki temu, że płynące ku górze podłoże hodowlane przeprowadza się przez tę warstwę porowatą. Przez ustawienie kanałów porowych w świetle słonecznym można zapewnić optymalne wykorzystanie światła ukośnie padającego na reaktor. Sposób ten nadaje się do wytwarzania produktów wydzielania fototropowych mikroorganizmów i mikroglonów.

Opis patentowy US-PS 4 952 511 omawia fotobioreaktor dla hodowania mikroorganizmów fotosyntetycznych. Ten fotobioreaktor obejmuje zbiornik, co najmniej jedną świetlną komorę, która rozciąga się do wnętrza zbiornika, i co najmniej jedną lampę o wysokim natężeniu, której światło wprowadza się do komór świetlnych. Każda z tych komór świetlnych wykazuje, co najmniej jedną ścianę przezroczystą i urządzenie do zasadniczo równomiernego rozpraszania światła lampy poprzez przezroczystą ścianą.

Opis patentowy US-PS 3 959 923 omawia wreszcie urządzenia do hodowania glonów, w przypadku którego woda wraz z glonami i substancjami odżywczymi wzdłuż meandrujących kanałów przepływowych płynie strumieniem naprzemian przez szerokie ciemne i wąskie oświetlone strefy.

Główną dziedziną stosowania fotobioreaktorów jest wytwarzanie mikroglonów, które stanowią 30% surowej biomasy wytwarzanej na świecie. Są one przy tym najważniejszymi konsumentami CO2. Dlatego mikroglony nadają się do odciążania środowiska, gdy wykorzystuje się je do regeneracyjnej produkcji substancji. Tak produkowane substancje przyczyniają się do zmniejszania emisji CO2 do atmosfery, gdyż zastępują one substancje kopalne.

Do mikroglonów zaliczają się zarówno prokariotyczne bakterie cyjanowe jak i eukariotyczne mikroskopijne klasy glonów. Te organizmy dostarczają substancje różnorodnych klas, które można stosować do celów farmaceutycznych, kosmetycznych, pokarmowych, jako karmę dla zwierząt jak również do celów technicznych (np. do absorpcji metali ciężkich). Ważnymi klasami substancji są przy tym związki lipofilowe, jak np. kwasy tłuszczowe, lipidy, sterole, karotenoidy, substancje hydrofilowe, jak polisacharydy, białka lub aminokwasy i fikobiliproteiny (pigmenty) jak również cała biomasa jako surowiec bogatobiałkowy, ubogi w kwasy nukleinowe.

Zarówno w RFN jak i na całym świecie wzmacnia się dążenie do zastępowania stosowanych substancji syntetycznych substancjami naturalnymi o równocennych lub lepszych właściwościach. Wzrasta zainteresowanie kompleksami przeciwutleniających substancji czynnych i wielonienasyconymi kwasami tłuszczowymi o właściwościach leczniczych w dziedzinie kosmetyki, medycyny i zdrowej żywności (health food market). Do tych godnych uwagi przeciwutleniaczy zaliczają się tokoferole (witamina E) i arotenoidy, jak β-karoten i astaksantyna.

O opłacalności substancji produkowanych przez mikroglony decyduje przede wszystkim zdolność produkcyjna wybranych gatunków glonów. Jest tak jednak tylko wtedy, gdy równocześnie zostaje osiągnięty duży współczynnik sprawności przekształcenia energii promieniowania słonecznego wżądaną postać biomasy i utrzymane jak najniższe zapotrzebowanie energii oraz koszty wytwarzaPL 191 853 B1 nia, instalacji i eksploatacji urządzenia. Duża zdolność produkcyjna biomasy jest uwarunkowana dostarczaniem optymalnej ilości światła do masy glonów. Absorbowanie światła przez glony powoduje silny ubytek światła wraz ze wzrostem grubości warstwy, przy czym równocześnie następuje wzajemne samozacienianie się. To zjawisko powoduje teoretycznie tworzenie się w reaktorze:

(1) zewnętrznej warstwy glonów narażonej na za duże natężenie światła, które może powodować fotoinhibicję, (2) środkowej warstwy o idealnym oświetleniu, (3) wewnętrznej warstwy glonów z brakiem światła i dużą prędkością oddychania.

Zadaniem wynalazku jest więc zaproponowanie fotobioreaktora, w którym promieniowanie słoneczne zostanie wprowadzone tak i może być tak rozprowadzone, że wszystkie drobnoustroje niezależnie od miejsca osiągną jednakowo wysoką aktywność fotosyntezy.

Fotobioreaktor mający przestrzeń reakcyjną z materiału przepuszczalnego dla światła polega według wynalazku na tym, że przestrzeń reakcyjna z materiału przepuszczalnego dla światła ma rozwinięcie powierzchni większe niż prostopłaszczyznowa, okrywająca powierzchnia objętości.

Fotobioreaktor według wynalazku korzystnie ma urządzenia (6,7) do prowadzenia burzliwego przepływu strumienia.

Celowo fotobioreaktor według wynalazku ma elementy, które kierują światło z zewnątrz do przestrzeni reakcyjnej.

W fotobioreaktorze według wynalazku obwiednia przekroju przestrzeni reakcyjnej korzystnie jest meandroidalna lub sinusoidalna.

Przestrzeń reakcyjna w fotobioreaktorze według wynalazku korzystnie ma przegrody przepuszczalne dla światła.

W fotobioreaktorze według wynalazku przestrzeń reakcyjna korzystnie jest ukształtowana jako rura szklana, we wnętrzu której sterczą wyrostki szklane.

Fotobioreaktor według wynalazku korzystnie jest ukształtowany jako bełkotkowy reaktor cyrkulacyjny lub w postaci wirowej kolumny komorowej.

W fotobioreaktorze według wynalazku przestrzeń reakcyjna korzystnie ma przekrój prostokątny, przegrody wewnętrzne (1) przebiegające równolegle do ścian przestrzeni reakcyjnej, urządzenia do wdmuchiwania powietrza u spodu (2) przestrzeni reakcyjnej oraz urządzenia do doprowadzania środowiska (3) i do odbierania biomasy (4) produkowanej w reaktorze.

Korzystnie fotobioreaktor według wynalazku ma kilka bełkotkowych reaktorów cyrkulacyjnych, umieszczonych szeregowo obok siebie, przy czym poszczególne bełkotkowe rektory cyrkulacyjne łączą się ze sobą po stronie cieczowej.

Dalej fotobioreaktor według wynalazku korzystnie może mieć kilka bełkotkowych reaktorów cyrkulacyjnych, które jako wirowa kolumna komorowa są umieszczone jeden nad drugim.

Ponadto fotobioreaktor według wynalazku korzystnie może posiadać przesuwnik długości fal.

Rozwinięcie powierzchni prowadzi do lepszego rozmieszczenia przestrzennego światła w całym przekroju reaktora i dzięki temu do optymalizacji natężenia światła w całym reaktorze w porównaniu z fotobioreaktorami znanymi ze stanu techniki. Przestrzeń reakcyjna składa się w nich zwykle z rur lub tak zwanych „tubes. Przekrój ich jest okrągły. Ponadto znane są forobioreaktory z przestrzenią reakcyjną o przekroju prostokątnym. Taki przekrój ma większą powierzchnię otaczającą objętość niż okrągły przekrój rury. Pokazano to schematycznie na figurze 1.

Fotobioreaktor według wynalazku posiada w stosunku do wyżej wymienionych znanych geometrii reaktorów powiększoną powierzchnią, pokazaną przykładowo na figurze 1. Na figurze tej (a) oznacza meandroidalną zaś (b) sinusoidalną powierzchnię reaktora, (c) oznacza geometrię reaktora z przegrodami przepuszczalnymi dla światła. Dalsza postać wykonania jest przedstawiona na figurze 4, przy czym wyrostki szklane we wnętrzu stanowią powiększenie powierzchni. Dla wszystkich tych geometrii wspólne jest to, że powierzchnia reaktora jest powiększona w stosunku do znanych geometrii.

W fotobioreaktorze według wynalazku można zasadniczo stosować wszystkie geometrie przestrzeni reakcyjnej, które w stosunku do bezpośredniej powierzchni obwiedni (kwadratu lub prostokąta w przekroju) mają powiększoną powierzchnię.

Przestrzeń reakcyjna fotobioreaktora według wynalazku składa się z materiału przepuszczającego światło, zwłaszcza ze szkła lub pleksiglasu.

Według dalszej postaci wykonania wynalazku geometrię przestrzeni reakcyjnej zwiększającą powierzchnię realizuje się w postaci rury szklanej, we wnętrza której sterczą wyrostki szklane. Te wyrostki szklane są umieszczone na powierzchni wewnętrznej na przemian prostopadle i skośnie.

PL 191 853 B1

Równocześnie występy szklane zwiększają burzliwość fazy ciekłej. Zamiast szkła można także zastosować inny materiał przepuszczający światło, jak np. pleksiglas.

Przez zwiększenie burzliwości osiąga się tak zwany „flashing-light-effekt (efekt światła błyskowego). Flashing-light-effekt powoduje, że do osiągnięcia maksymalnej intensywności fotosyntezy wystarcza duże natężenie światła w krótkich odstępach czasu (>1 Hz). Można to osiągnąć dzięki burzliwemu przepływowi strumienia w reaktorze, w wyniku czego komórki w krótkich odstępach czasu są wystawione na powierzchni reaktora na duże natężenie światła i dlatego w następujących potem fazach zaciemnienia mogą przerabiać pobraną energię świetlną.

Dlatego wynalazek dotyczy także fotobioreaktora, którego przestrzeń reakcyjna oprócz zwiększonej powierzchni posiada wyposażenie nadające burzliwość przepływowi strumienia.

Jak już wspomniano tę burzliwość można osiągnąć przez zastosowanie geometrii przestrzeni reakcyjnej zwiększającej powierzchnię, zwłaszcza za pomocą występów szklanych znajdujących się na powierzchni wewnętrznej przestrzeni reakcyjnej. Burzliwy przepływ strumienia można ponadto uzyskać przez wbudowanie mieszaczy statycznych (łamaczy strumienia). Te elementy wbudowane mogą ponadto - tak jak wyżej wymienione wyrostki szklane - kierować dodatkowo światło do wnętrza reaktora. Dalszą możliwość wytwarzania burzliwości w fotobioreaktorze według wynalazku daje zastosowanie urządzenia do gazowania reaktora, które daje żądany wynik przy odpowiedniej prędkości gazowania. Przez zastosowanie elementów wbudowanych kierujących przepływem strumienia można polepszyć także flashing-light-effekt, nastawiając równocześnie określoną częstotliwość czasu naświetlania.

Silne mieszanie z możliwie dużą burzliwością powoduje rozprowadzanie światła, podczas gdy glony są doprowadzane do światła. Dzięki temu można sterować w określony sposób częstotliwością i czasem trwania „faz oświetlania.

Gęstość energii w przestrzeni reakcyjnej fotobioreaktora według wynalazku można zwiększyć dodatkowo przez zastosowanie tak zwanego przesuwnika długości fal. Przesuwnik ten tak przekształca część światła nie zaabsorbowaną przez drobnoustroje fototropowe, że możliwie duża część światła lub całe promieniowanie może zostać przesunięte do takiego pasma częstotliwości, które jest absorbowalne przez fotoośrodek użytego drobnoustroju fototropowego. Zostaje więc tak swoiście zwiększona holometryczna gęstość promieniowania, że ulega znacznemu zwiększeniu zdolność produkcyjna z objętości reaktora w porównaniu ze zdolnością produkcyjną reaktora oświetlanego zwykłym światłem.

Przesuwnik długości fal może być przy tym umieszczony między odbłyśnikiem i właściwą przestrzenią reakcyjną. Przesuwnik można jednak przewidzieć także między źródłem światła i przestrzenią reakcyjną, rezygnując w tym przypadku z odbłyśnika.

Rezygnacja z odbłyśnika jest możliwa również wtedy, gdy przesuwnik długości fal występuje w przestrzeni reakcyjnej w postaci prętów, płytek, włókien lub cząstek. Ponadto przesuwnik długości fal może mieć postać powłoki malarskiej naniesionej bezpośrednio na ścianie reaktora po stronie zewnętrznej lub wewnętrznej przestrzeni reakcyjnej.

Substancje zdolne do przesuwania długości fal są znane jako takie specjaliście i zostały opisane np. w następujących publikacjach: E. Locci et al.,„Test of a Lead-Plexipop Calorimeter Module Viewed by Wawe Length Shifter Bars, Nuci. Instrum. Methods 164, (1979), str. 97-104, S.W. Hanet al., „Radiation Hardness Tests of Scintillating Tile/WLS Fiber Calorimeter Modules, Nucl. Instrum. Methods A365 (1995), str. 337-351.

Przesuwniki długości fal stosowane w fotobioreaktorze według wynalazku obejmują przede wszystkim substancje fluorescencyjne. Substancjami fluorescencyjnymi są takie substancje, które po zaabsorbowaniu światła wypromieniowują ponownie światło, przy czym energia wypromieniowanego światła zasadniczo nie jest pobierana z entalpii substancji fluorescencyjnej, lecz pochodzi z energii wzbudzenia doprowadzonej przez zaabsorbowane światło.

Substancja fluorescencyjna może być zawarta w nośniku, takim jak szkło organiczne lub nieorganiczne.

Organiczne substancje fluorescencyjne mogą być zawarte w szkłach organicznych, takich jak szkło akrylowo-poliwęglanowe lub -polistyrenowe. Jony metali ziem rzadkich, które również mogą być stosowane jako substancje fluorescencyjne, są zawarte przede wszystkim w szkłach nieorganicznych. Jako przesuwniki długości fal można stosować także roztwory substancji fluorescencyjnych w przezroczystych rozpuszczalnikach.

Substancje fluorescencyjne są zdolne do absorbowania światła i potem emitowania go, na ogół po upływie bardzo krótkiego czasu (często tylko kilku nsek). Ważne jest to, że ta reemisja światła przebiega u wielu substancji prawie bez strat, to znaczy, że wydajność kwantów fluorescencyjnych

PL 191 853 B1 (stosunek liczby emitowanych fotonów do liczby absorbowanych fotonów) wynosi >90%, często blisko 100%. Ponadto znaczenie ma to, że widmo fluorescencyjne jest przesunięte w stosunku do widma absorpcyjnego w kierunku dłuższych fal, to znaczy barwnik przekształca światło nadfioletowe i fioletowe w światło niebieskie, a inny światło niebieskie w światło zielone itp. Przez zmieszanie kilku barwników w jednej płytce albo np. przez kolejne połączenie różnie zabarwionych płytek można także w jednym etapie przeskoczyć przez większy zakres długości fal i ewentualnie przekształcić bezpośrednio światło niebieskie w światło czerwone.

Od przesuwnika długości fal oczekuje się dużej wydajności kwantów fluorescencyjnych, dobrej rozpuszczalności w użytym materiale nośnikowym (aby móc osiągnąć odpowiednio dużą absorpcję światła), optymalnego położenia widma absorpcyjnego i fluorescencyjnego dla każdego przypadku stosowania i odpowiednio długotrwałej stabilności w przewidywanych warunkach użytkowania. Typowymi przykładami zastosowania przesuwników długości fal są wybielacze w środkach piorących, substancje absorbujące promieniowanie nadfioletowe, które emitują kolor niebieski, celem zakrycia żółknięcia bielizny, i barwniki stosowane w liczniku scyntylacyjnym w celu przesunięcia krótkofalowego promieniowania Czerenkowa lub promieniowania scyntylacyjnego do zakresu długości fal optymalnego dla barwoczułości użytych fotodetektorów.

Korzystnymi przykładami organicznych substancji fluorescencyjnych, które można stosować jako przesuwniki długości fal w fotobioreaktorze według wynalazku, są następujące imidy kwasu naftalowego i pochodne perylenu:

PL 191 853 B1

imid kwasu N,N'-bis-(2,6-diizopropylofenylo)-peryleno-3,4:9,10-tetrakarboksylowego lub imid kwasu N,N'-bis-(2,6-diizopropylofenylo)-1,6,7,12-tetrafenoksyperyleno-3,4:9,10-tetrakarboksylowego.

Wszystkie te substancje fluorescencyjne mają bardzo dużą wydajność kwantową. Ekstynkcje maksymalne wielu z nich leżą na poziomie 10000 l/mol · cm.

Substancje fluorescencyjne mogą występować w materiale o nośnikowym w stężeniu 10^-7 do

10^-2 mola/l. Grubość materiału nośnikowego wynosi wtedy zwłaszcza 0,1 do 10 mm.

Przez zastosowanie przesuwnika długości fal w połączeniu z lepszym rozprowadzaniem przestrzennym światła w całym przekroju reaktora w wyniku nastawienia odpowiedniego stosunku powierzchni do objętości jak również przez zwiększenie burzliwości w celu osiągnięcia efektu błyskowego flashing-light-effekt rozprowadza się optymalnie światło w przestrzeni reakcyjnej fotobioreaktora.

Figura 2 pokazuje zasadę budowy fotobioreaktora według wynalazku wykonanego jako bełkotkowy reaktor cyrkulacyjny. Reaktor ten ma prostokątny przekrój i dwie przegrody wewnętrzne (1), które przebiegają równolegle do ścian przestrzeni reakcyjnej, urządzenia do wdmuchiwania powietrza umieszczone na spodzie (2) przestrzeni reakcyjnej oraz urządzenia do doprowadzania środowiska (3) i do odbierania biomasy (4) produkowanej w przestrzeni reakcyjnej.

Przegrody wewnętrzne służą przy tym jako rury prowadzące.

Jako materiał można zastosować np. pleksiglas, który ma dobrą przepuszczalność światła.

Mieszanie następuje w wyniku wdmuchiwania powietrza na spodzie reaktora, tak, że ciecz płynie do góry a potem bokami do dołu. W wysokoburzliwej przestrzeni górnej zachodzi wymiana gazów i wyrównywanie temperatury.

PL 191 853 B1

Wyrównywanie temperatury w przestrzeni górnej zaoszczędza dodatkową ścianę pleksiglasową, którą byłaby potrzebna w przypadku płaszcza chłodzącego.

W wyniku prostokątnej zasady budowy i małej głębokości reaktora ma on duży stosunek powierzchni do objętości i dzięki temu istnieje możliwość wprowadzania dużej ilości światła do reaktora. Reaktor nie ma żadnej nieoświetlonej strefy, tak że stale można postawić komórkom do dyspozycji wystarczającą ilość światła.

Bełkotkowo-cyrkulacyjna praca reaktora zapewnia dużą burzliwość przy małych siłach ścinających, które działają na komórki glonów. Przy dużej burzliwości i równoczesnym dużym natężeniu promieniowania może być wykorzystywany flushing-light-effekt, w wyniku czego komórki nie muszą być stale oświetlane. Burzliwość można zwiększyć przez intensyfikację gazowania lub przez wbudowanie mieszaczy statycznych (łamaczy strumienia).

Przy dużej burzliwości przepływu zachodzi oprócz mieszania pionowego także mieszanie poziome. Dzięki temu drobnoustroje fototropowe są bez przerwy zaopatrywane w światło. Czas cyklu, który drobnoustrój fototropowy spędza w świetle i potem w ciemności, powinien wynosić > 1Hz.

Burzliwość wyznacza czas, który potrzebują drobnoustroje, aby ze strefy nieoświetlonej zostały ponownie przetransportowane do strefy oświetlonej. Długość drogi transportu zostaje określona przez grubość warstwy w reaktorze (głębokość reaktora).

Przez wbudowanie elementów kierujących przepływem strumienia zwiększa się burzliwość i dzięki temu można polepszyć częstotliwość transportowania drobnoustrojów ze strefy nieoświetlonej ponownie do strefy oświetlonej.

Te elementy kierujące przepływem strumienia mogą ponadto - podobnie jak zatoki w kolumnie Vigreux - kierować dodatkowo światło do reaktora.

Dobre mieszanie i stały przepływ strumienia gazu przez reaktor zapewniają dobre doprowadzanie CO2 i odprowadzanie O2.

Zamiast wykonania reaktora według zasady bełkotkowo-cyrkulacyjnej można także ukształtować go w postaci wirowej kolumny komorowej.

Taka wirowa kolumna komorowa jest pokazana schematycznie na figurze 3. Na figurze tej (5) oznacza przestrzeń reakcyjną o przekroju prostokątnym, posiadającą przegrody wewnętrzne (6,7), które przebiegają równolegle (6) i pod kątem prostym (7) do ścian (5) reaktora.

Wirowa kolumna komorowa posiada ponadto urządzenie do wdmuchiwania powietrza na spodzie (8) przestrzeni reakcyjnej oraz urządzenia do doprowadzania środowiska (9) oraz do odbierania biomasy (10) produkowanej w przestrzeni reakcyjnej.

Przegrody wewnętrzne (6,7) służą do wytwarzania burzliwego przepływu strumienia. Mieszanie następuje w wyniku wdmuchiwania powietrza na spodzie reaktora, tak, że ciecz płynie najpierw do góry a następnie bokami ponownie do dołu. Przegrody wewnętrznie (7) zmieniają kierunek przepływu pęcherzyków powietrza i powodują przepływ i tworzenie się zawirowań w następnej komorze. Wgłowicy kolumny ma miejsce wymiana gazów. Dzięki tworzeniu zawirowań w poszczególnych komorach zachodzi intensywne mieszanie w całym przekroju reaktora.

Wyżej opisane bełkotkowe reaktory cyrkulacyjne można także umieścić szeregowo obok siebie, przy czym wtedy łączą się one ze sobą po stronie cieczowej za pomocą połączonych rur.

Bioreaktor według wynalazku może być również ukształtowany tak, że składa się z kilku bełkotkowych reaktorów cyrkulacyjnych, które są umieszczone jeden nad drugim tworząc wirową kolumnę komorową.

Na zakończenie figura 4 pokazuje schematycznie budowę przestrzeni reakcyjnej w postaci rury szklanej z występami szklanymi wystającymi do wnętrza.

Wynalazek objaśnia bliżej poniższy przykład wykonania.

Przykład wykonania

Reaktor rurowy został rozszerzony przez zatoki pokazane na figurze 4. Te zatoki pełnią podwójną funkcję, gdyż zarówno powiększają powierzchnię reaktora jak i wpływają na przepływ strumienia. Według tej zasady są zbudowane kolumny Vigreux (również ze względu na powiększenie powierzchni) i mogą być wykorzystane bezpośrednio do testów porównawczych. Jako kontrolę zastosowano reaktor rurowy o takiej samej geometrii, lecz bez bocznych zatok. Do oświetlania używano dwa promienniki halogenowe, tak, że z jednego boku było do dyspozycji 520 μΕ/(η² · s) światła. Nastężenie promieniowania światła na objętość i czas było w reaktorze kontrolnym niższe o 10% niż wkolumnieVigreux.

PL 191 853 B1

Tabe la

Porównanie zdolności produkcyjnej Chlorella vulgaris w reaktorach bez bocznych zatok i z bocznymi zatokami (gładka rura i kolumna Vigreux)

	Ciężar substancji suchej TG (g/l)	Szybkość wzrostu μ (1/h)	Zdolność produkcyjna P (mg/l h)	Zmiana zdolności produkcyjnej (%)
gładka rura	2	0,016	32
4	0,0058	23,2
5	0,003	15
kolumna Vigreux próba 1 (V1)	2	0,01	20	-38
4	0,0082	32,8	41
5	0,006	30	100
kolumna Vigreux próba 2 (V2)	2	0,013	26	-19
4	0,007	28	21
5	0,004	20	33

Bezpośrednie porównanie wykazało, że zdolność produkcyjna kolumny Vigreux jest o 20 do 40% większa przy 4 g TG/l i o 30 do 100% większa przy 5 g TG/l (porówn. figurę 5) w porównaniu do reaktora bez bocznych zatok (Różne wyniki w V1 i V2 miały miejsce wskutek różnej adaptacji wstępnej komórek glonów do światła).

Pokazało to, że przez powiększenie powierzchni, które równocześnie zwiększa burzliwość, w przypadku natężeń powyżej obszaru nasycenia, można wyraźnie zwiększyć zdolność produkcyjną biomasy.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Fotobioreaktor mający przestrzeń reakcyjną z materiału przepuszczalnego dla światła, znamienny tym, że przestrzeń reakcyjna z materiału przepuszczalnego dla światła ma rozwinięcie powierzchni większe niż prostopłaszczyznowa, okrywająca powierzchnia objętości.
2. Fotobioreaktor według zastrz. 1, znamienny tym, że nadto ma on urządzenia (6,7) do prowadzenia burzliwego przepływu strumienia.
3. Fotobioreaktor według zastrz. 1, znamienny tym, że ma on elementy, które kierują światło z zewnątrz do przestrzeni reakcyjnej.
4. Fotobioreaktor według zastrz. 1, znamienny tym, że obwiednia przekroju przestrzeni reakcyjnej jest meandroidalna lub sinusoidalna.
5. Fotobioreaktor według zastrz. 1, znamienny tym, że przestrzeń reakcyjna ma przegrody przepuszczalne dla światła.
6. Fotobioreaktor według zastrz. 1, znamienny tym, że przestrzeń reakcyjna jest ukształtowana jako rura szklana, we wnętrzu której sterczą wyrostki szklane.
7. Fotobioreaktor według zastrz. 1, znamienny tym, że jest on ukształtowany jako bełkotkowy reaktor cyrkulacyjny lub w postaci wirowej kolumny komorowej.

PL 191 853 B1
8. Fotobioreaktor według zastrz. 7, znamienny tym, że przestrzeń reakcyjna ma przekrój prostokątny, przegrody wewnętrzne (1) przebiegające równolegle do ścian przestrzeni reakcyjnej, urządzenia do wdmuchiwania powietrza u spodu (2) przestrzeni reakcyjnej oraz urządzenia do doprowadzania środowiska (3) i do odbierania biomasy (4) produkowanej w reaktorze.
9. Fotobioreaktor według zastrz. 7, znamienny tym, że ma on kilka bełkotkowych reaktorów cyrkulacyjnych, umieszczonych szeregowo obok siebie, przy czym poszczególne bełkotkowe reaktory cyrkulacyjne łączą się ze sobą po stronie cieczowej .
10. Fotobioreaktor według zastrz. 7, znamienny tym, że ma on kilka bełkotkowych reaktorów cyrkulacyjnych, które jako wirowa kolumna komorowa są umieszczone jeden nad drugim.
11. Fotobioreaktor według zastrz. 1 albo 2 albo 3 albo 4 albo 5 albo 6 albo 7 albo 8 albo 9 albo 10, znamienny tym, że ponadto posiada on przesuwnik długości fal.