Fotobioreaktor - Photobioreactor
En fotobioreaktor ( PBR ) er en bioreaktor som bruker en lyskilde til å dyrke fototrofe mikroorganismer. Disse organismer bruker fotosyntese for å generere biomasse fra lys og karbondioksid og inkluderer planter, moser , makroalger, mikroalger , cyanobakterier og lilla bakterier . Innenfor det kunstige miljøet til en fotobioreaktor kontrolleres spesifikke forhold nøye for de respektive artene. Dermed tillater en fotobioreaktor mye høyere veksthastigheter og renhetsnivåer enn noe annet sted i naturen eller naturtyper som ligner naturen. Hypotetisk kan fototrop biomasse stammer fra næringsrikt avløpsvann og røykgass karbondioksid i en fotobioreaktor.
Åpne systemer
Den første tilnærmingen for kontrollert produksjon av fototrofe organismer var en naturlig åpen dam eller kunstig racerbanedam . Kultursuspensjonen, som inneholder alle nødvendige næringsstoffer og karbondioksid, pumpes rundt i en syklus og blir direkte belyst fra sollys via væskeoverflaten. Dette konstruksjonsprinsippet er den enkleste produksjonsmåten for fototrofe organismer. Men på grunn av dybden (opptil 0,3 m) og den tilhørende reduserte gjennomsnittlige lysforsyningen, når åpne systemer bare begrensede arealproduktivitetshastigheter. I tillegg er energiforbruket relativt høyt, ettersom store mengder vann som inneholder lav produktkonsentrasjon må behandles. Åpen plass er dyrt i områder med en tett befolkning, mens vann er sjelden i andre. Å bruke åpen teknologi forårsaker store tap av vann på grunn av fordampning i atmosfæren.
Lukkede systemer
Siden 1950 -tallet har flere tilnærminger blitt brukt for å utvikle lukkede systemer, som teoretisk gir høyere celletetthet av fototrofe organismer og derfor et lavere behov for vann som skal pumpes enn åpne systemer. I tillegg unngår lukket konstruksjon systemrelaterte vanntap og risikoen for forurensning gjennom landende vannfugler eller støv minimeres. Selv om lukkede systemer har bedre produktivitet sammenlignet med åpne systemer på grunn av fordelene nevnt, må de fortsatt forbedres for å gjøre dem egnet for produksjon av lavprisvarer, da celletettheten forblir lav på grunn av flere begrensende faktorer. Alle moderne fotobioreaktorer har prøvd å balansere mellom et tynt lag med kultursuspensjon, optimalisert lyspåføring, lavt pumpende energiforbruk, investeringer og mikrobiell renhet. Imidlertid er lysdemping ved skalering og økte CO2 -krav med vekst de to mest uunngåelige endringene i fototrofiske kulturer som sterkt begrenser produktiviteten til fotobiorektorer. Akkumulering av fotosyntetisk oksygen med vekst av mikroalger i fotobioreaktorer antas også å være en vesentlig begrensende faktor; Imidlertid har det nylig blitt vist ved hjelp av kinetiske modeller at oppløste oksygennivåer så høye som 400% luftmetning ikke er hemmende når celletettheten er høy nok til å dempe lys på senere stadier av mikroalgalkulturer. Mange forskjellige systemer er testet, men bare noen få tilnærminger var i stand til å utføre i industriell skala.
Omdesignede laboratoriefermentorer
Den enkleste tilnærmingen er redesign av de velkjente glassfermentorene , som er topp moderne innen mange bioteknologiske forsknings- og produksjonsanlegg over hele verden. Mosreaktoren viser for eksempel en standard glassbeholder, som eksternt forsynes med lys. De eksisterende hodedysene brukes til sensorinstallasjon og til gassutveksling. Denne typen er ganske vanlig i laboratorieskala, men den har aldri blitt etablert i større skala på grunn av den begrensede fartøystørrelsen.
Rørformede fotobioreaktorer
Denne fotobioreaktortypen er laget av glass- eller plastrør og har lyktes innen produksjonsskala. Rørene er orientert horisontalt eller vertikalt og leveres fra en sentral installasjon med pumpe, sensorer, næringsstoffer og CO 2 . Rørformede fotobioreaktorer er etablert over hele verden fra laboratorium til produksjonsskala, f.eks. For produksjon av karotenoiden Astaxanthine fra grønne alger Haematococcus pluvialis eller for produksjon av kosttilskudd fra grønne alger Chlorella vulgaris . Disse fotobioreaktorene drar fordel av de høye renhetsnivåene og deres effektive utganger. Biomasseproduksjonen kan utføres på et høyt kvalitetsnivå og den høye biomassekonsentrasjonen på slutten av produksjonen tillater energieffektiv nedstrøms behandling. På grunn av de siste prisene på fotobioreaktorene, kan økonomisk gjennomførbare konsepter i dag bare finnes på markeder med høy verdi, for eksempel kosttilskudd eller kosmetikk.
Fordelene med rørformede fotobioreaktorer i produksjonsskala overføres også til laboratorieskala. En kombinasjon av det nevnte glassbeholderen med en tynn rørspole tillater relevante biomasseproduksjonshastigheter i laboratorieforskningsskala. Ved å bli kontrollert av et komplekst prosesskontrollsystem når reguleringen av miljøforholdene et høyt nivå.
Juletre fotobioreaktor
En alternativ tilnærming er vist av en fotobioreaktor, som er bygget i en avsmalnet geometri og som bærer et spiralformet, gjennomskinnelig, dobbelt slangekretssystem. Resultatet er et oppsett som ligner et juletre. Det rørformede systemet er konstruert i moduler og kan teoretisk skaleres utendørs opp til landbruksskala. En dedikert beliggenhet er ikke avgjørende, i likhet med andre lukkede systemer, og derfor er ikke-dyrkbar jord også egnet. Materialvalget skal forhindre bioforurensning og sikre høye sluttkonsentrasjoner av biomasse. Kombinasjonen av turbulens og det lukkede konseptet bør tillate en ren drift og en høy operasjonell tilgjengelighet.
Fotobioreaktor på plate
En annen utviklingstilnærming kan sees med konstruksjonen basert på plast- eller glassplater. Plater med forskjellig teknisk design er montert for å danne et lite lag med kultursuspensjon, som gir optimalisert lysforsyning. I tillegg tillater den enklere konstruksjonen sammenlignet med rørformede reaktorer bruk av rimeligere plastmaterialer. Fra mengden av forskjellige konsepter, f.eks. Slyngende strømningsdesign eller bunngassede systemer har blitt realisert og vist gode utgangsresultater. Noen uløste problemer er stabilitet i materiell levetid eller dannelse av biofilm. Søknader i industriell skala er begrenset av skalerbarheten til platesystemer.
I april 2013 ble IBA i Hamburg, Tyskland, en bygning med en integrert glassplate fotobioreaktor fasade, tatt i bruk.
Horisontal fotobioreaktor
Denne fotobioreaktortypen består av en plateformet grunnleggende geometri med topper og daler arrangert i vanlig avstand. Denne geometrien forårsaker fordelingen av innfallende lys over en større overflate som tilsvarer en fortynningseffekt. Dette hjelper også med å løse et grunnleggende problem i fototrof dyrking, fordi de fleste mikroalger arter reagerer sensitivt på høy lysintensitet. De fleste mikroalger opplever lysmetning allerede ved lysintensiteter, som ligger vesentlig under maksimal dagslysintensitet på omtrent 2000 W/m 2 . Samtidig kan en større lysmengde utnyttes for å forbedre fotokonverteringseffektiviteten. Blandingen oppnås med en roterende pumpe, som forårsaker en sylindrisk rotasjon av kulturbuljongen. I motsetning til vertikale design inneholder horisontale reaktorer bare tynne lag med medier med et tilsvarende lavt hydrodynamisk trykk. Dette har en positiv innvirkning på den nødvendige energitilførselen og reduserer materialkostnadene samtidig.
Folie fotobioreaktor
Presset på markedspriser har ført til utviklingen av foliebaserte fotobioreaktortyper. Billige PVC- eller PE -folier monteres for å danne poser eller kar som dekker algesuspensjoner og utsetter dem for lys. Prisområdene for fotobioreaktortyper er utvidet med foliesystemene. Det må huskes på at disse systemene har en begrenset bærekraft, ettersom foliene må byttes av og til. For full balanse må investeringen for nødvendige støttesystemer også beregnes.
Porøs substratbioreaktor
Porous Substrate Bioreactor (PSBR), som utvikles ved University of Cologne, også kjent som det to-lags systemet, bruker et nytt prinsipp for å skille alger fra en næringsoppløsning ved hjelp av en porøs reaktoroverflate som mikroalgen er fanget i biofilm på . Denne nye prosedyren reduserer mengden væske som trengs for drift med en faktor på opptil hundre sammenlignet med dagens teknologi, som dyrker alger i suspensjoner. Som sådan reduserer PSBR -prosedyren energien som trengs, samtidig som du øker porteføljen av alger som kan dyrkes.
Outlook
Diskusjonen rundt mikroalger og deres potensialer i karbondioksidbinding og biodrivstoffproduksjon har forårsaket høyt press på utviklere og produsenter av fotobioreaktorer. I dag er ingen av de nevnte systemene i stand til å produsere fototrofisk mikroalge -biomasse til en pris som kan konkurrere med råolje. Nye tilnærminger tester f.eks. Dryppemetoder for å produsere ultratynne lag for maksimal vekst med påføring av røykgass og spillvann. Videre forskes det mye på verdensbasis på genmodifiserte og optimaliserte mikroalger.