AT506373B1 - Verfahren und einrichtung für einen photochemischen prozess - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung für einen photochemischen, wie photokatalytischen und/oder photosynthetischen Prozess, insbesondere für eine Zucht und Produktion oder Hydrokultivierung von, vorzugsweise phototropen, Mikroorganismen. Es ist ein Reaktor, insbesondere ein Biosolarreaktor (1), bestehend aus mindestens einem Reaktorelement (2) vorgesehen. Das Reaktorelement (2) wird aus zwei aufrechten, unten verbundenen Röhren (3) gebildet. Weiters ist ein Einlass (4) als auch ein Auslass (5) am oberen Reaktorrand vorgesehen. Ein Medium (6), beispielsweise eine wässerige Lösung oder eine Suspension, wird mäanderförmig in einem Reaktor geführt. Die mäanderförmige Führung des Mediums (6) erfolgt senkrecht mindestens einmal von oben nach unten, in Richtung Schwerkraft, und von unten nach oben, gegen die Richtung der Schwerkraft. Sowohl eine Einbringung als auch eine Ausbringung des Mediums (6) erfolgt in und aus dem Reaktor kontinuierlich, drucklos und frei zur Atmosphäre über die obere Mediums-Oberfläche. Auf Grund des hydrostatischen Druck- und Niveauausgleich wird eine für die Mikroorganismen stressfreie Strömung des Mediums (6) erzeugt

Description

österreichisches Patentamt AT506 373 B1 2013-01-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren für einen photochemischen, wie photokatalytischen und/oder photosynthetischen Prozess, insbesondere für eine Zucht und Produktion oder Hydro-kultivierung von, vorzugsweise phototropen, Mikroorganismen, wobei ein Medium, beispielsweise eine wässerige Lösung oder eine Suspension, mäanderförmig in einem Reaktor geführt wird. Ferner betrifft die Erfindung auch eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

[0002] Aus der DE 41 34 813 A1 ist ein Bioreaktor für phototropische Mikroorganismen, welcher aus Glas oder Kunststoff besteht, bekannt. Das Kulturmedium wird entweder durch den Bioreaktor gepumpt oder mäanderförmig durch die waagrecht angeordneten Stegplatten nach unten geleitet. Weiters sind Turbulenz erzeugende Mittel in den Stegen angebracht. Entsprechend diesem Verfahren wird Kohlenstoffdioxid oben eingeleitet und zum Betrieb wird natürliches oder Kunstlicht verwendet. Der Bioreaktor wird in rechtem Winkel zur Lichtquelle gestellt bzw. nachgeführt.

[0003] Weiters ist aus der GB 2 330 589 A eine Vorrichtung zur Produktion photosensibler Organismen bekannt. Diese Vorrichtung umfasst ein mäanderförmig verlaufendes Röhrensystem in einem mit Flüssigkeit gefüllten Becken.

[0004] Es sind auch aus der GB 2 235 210 A und der DE 196 44 992 C1 Bioreaktoren für pho-totrope Mikroorganismen bzw. für photokatalytische Prozesse bekannt.

[0005] Aus der EP 738 686 A1 ist die photokatalytische Abwasserreinigung in einem Bioreaktor, wo die zu reinigende Flüssigkeit durch Stegmehrfachplatten aus transparentem Kunststoff geleitet wird, bekannt. Für die Regulierung der Temperatur können transluzente handelsübliche Mehrfachstegplatten Verwendung finden.

[0006] Ferner ist in der WO 98/18903 ein aktiv oder passiv temperierbares Solarelement aus Mehrfachstegplatten mit mindestens drei Gurten beschrieben. Schichten innerhalb des Reaktors werden wechselweise für einen photochemischen bzw. photosynthetischen Prozess genutzt. Dabei wird in einem geschlossenen Reaktor mit abgedichteter Stirnseite und waagrecht angeordneten Stegplatten das Kulturmedium mäanderförmig nach unten geleitet.

[0007] Bekannt sind auch natürlich auch die Archimedische Schraube und die Spirale nach Da Vinci, beispielsweise aus Florian Manfred Grätz „Teilautomatische Generierung von Stromlaufund Fluidplänen für mechatronische Systeme (Diss. München Techn. Univ. 2006) ISBN 10 3-8316-0643-9.

[0008] Darüber hinaus ist aus der DE 195 07 149 C2 eine Wasserkraftschnecke mit einem Trog und einem Generator zur Stromgewinnung bekannt. Aus der DE 41 39 134 C2 ist eine Wasserkraftschnecke zur Energieumwandlung bekannt.

[0009] Natürlich ist der hydrostatische Kräfteausgleich als hydrostatisches Paradoxon, auch genannt Pascalsches Paradoxon, bekannt. Dieser ist ein scheinbares Paradoxon, welches das Phänomen beschreibt, dass eine Flüssigkeit einen Schweredruck, abhängig von der Füllhöhe der Flüssigkeit auf den Boden eines Gefäßes, bewirkt, die Form des Gefäßes aber keinen Einfluss ausübt.

[0010] Als kommunizierende Gefäße oder kommunizierende Röhren benennt man oben offene, unten verbundene Gefäße. Ein homogenes Fluid steht in ihnen in gleicher Höhe, weil der Luftdruck und die Schwerkraft auf die Gefäße gleichermaßen wirken. Bei inhomogenen Flüssigkeiten verhalten sich die Flüssigkeitssäulen in der Höhe umgekehrt zu ihrem spezifischen Gewicht.

[0011] Üblicherweise wird - wie auch in einigen oben angeführten Verfahren - der Transport in Solarreaktoren durch handelsübliche Pumpverfahren durchgeführt. Diese Vorgehensweise verursacht Stress im Medium, sei es durch hohen Druck, Unterdrück, starke Beschleunigung oder Quetschung. Diesem Stress ausgesetzt, fallen die meisten phototropischen Mikroorganismen in ihren potenziellen photosynthetischen Fähigkeiten ab. Zellen werden zerstört, geschädigt und oder die Mikroorganismen brauchen Zeit und/oder Stoffwechselprodukte zur Regene- 1 /16 österreichisches Patentamt AT506 373 B1 2013-01-15 ration, bevor sie die ihnen zugewiesenen Prozesse wieder voll aufnehmen können. Ebenso fallen, diesem Stress ausgesetzt, die meisten photochemischen Prozesse in ihren potenziellen photokatalytischen Fähigkeiten ab, da Moleküle zerstört oder geschädigt werden und/oder Zeit und/oder weitere Oxidationsmittel benötigen, bevor sie die Ihnen zugewiesenen Prozesse wieder voll aufnehmen können.

[0012] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs zitierten Art zu schaffen, das einerseits die obigen Nachteile vermeidet und das anderseits eine qualitative und vor allem quantitative Erhöhung der Ausbeute bzw. der Ernte ermöglicht.

[0013] Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die mäanderförmige Führung des Mediums senkrecht mindestens einmal von oben nach unten, in Richtung Schwerkraft, und von unten nach oben, gegen die Richtung der Schwerkraft, erfolgt und dass sowohl eine Einbringung als auch eine Ausbringung des Mediums in und aus dem Reaktor kontinuierlich, drucklos und frei zur Atmosphäre über die obere Mediums-Oberfläche erfolgt. Mit der Erfindung ist es erstmals möglich, einen für die Mikroorganismen schonenden Transport zu erreichen, so dass eine Schädigung im Zuge ihres Produktionsverfahrens vermieden wird. Auf Grund des hydrostatischen Druck- und Niveauausgleich wird eine für die Mikroorganismen stressfreie Strömung des Mediums erzeugt. Durch ein kontrolliertes Einbringen des Mediums im Bereich des oberen Flüssigkeitsspiegels kann die Durchflussgeschwindigkeit des Mediums durch das Reaktorelement, vorausgesetzt natürlich es ist gefüllt, definiert werden. Das Medium fließt mäanderartig durch die aufrechten miteinander verbundenen Reaktorelemente. Die Reaktorelemente sind so miteinander verbunden, das der Einlass und der Auslass oben angeordnet sind. Die Reaktorelemente sind ganz oder teilweise nach oben hin offen. Der Durchfluss wird unter Ausnutzung des hydrostatischen Druckausgleiches mit minimalem Höhenverlust innerhalb des gesamten Reaktors erreicht. Durch den weitestgehend druckfreien und reibungsfreien Transport des Mediums in einem Biosolarreaktor wird der Reaktionsprozess möglichst wenig beeinträchtigt.

[0014] Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise für folgende Anwendungsbereiche eingesetzt werden: [0015] · Die photokatalytische Reinigung von Abwasser [0016] · Die photosynthetische Verstoffwechslung von C02 zu Sauerstoff, durch phototropi sche Mikroorganismen [0017] · Zucht und Produktion von phototropischen Mikroorganismen für Forschungszwecke [0018] · Forschung an photochemischen und oder photosynthetischen Prozessen [0019] · Zucht und Produktion von phototropischen Mikroorganismen für Nahrungsmittelpro dukte und Nahrungsmittelgrundstoffe [0020] · Zucht und Produktion von phototropischen Mikroorganismen für Grundstoffe der pharmazeutischen Industrie [0021] · Zucht und Produktion von phototropischen Mikroorganismen für Kraftstoffe und

Grundstoffe für Kraftstoffproduktion und Energiegewinnung [0022] · Zucht und Produktion von phototropischen Mikroorganismen für Grundstoffe der chemischen Industrie [0023] · Zucht und Produktion von phototropischen Mikroorganismen die nutzbare Gase z.B.

Wasserstoff) im photosynthetischen Prozess abgeben [0024] Durch die Nutzung des hydrostatischen Kräfteausgleichs beim Durchfließen des Mediums der Reaktorelemente erfolgt quasi ein stressfreier Transport der gegebenenfalls mitgeführten Mikroorganismen Ferner kann eine Energieoptimierung, eine definierte Lichtführung, eine Platzoptimierung, eine Versorgung mit Zusatzstoffen, eine definierte Temperierung, eine gezielte Steuerung sowie eine verbesserte Gasausbringung erzielt werden. 2/16 österreichisches Patentamt AT506 373 B1 2013-01-15 [0025] Nach einem weiteren besonderen Merkmal der Erfindung wird eine, kontinuierliche oder chargenweise, Einbringung von flüssigen und/oder gasförmigen Zusatzstoffen, wie beispielsweise Nährstofflösungen und/oder Oxidationsmittel und/oder Wirksubstanzen und/oder den Prozess fördernde gelöste Stoffe, vorzugsweise während des Prozesses, an der Unterseite, im Bereich der Umlenkung des Mediums, durchgeführt. Dadurch können eine kontrollierte und optimierte Einbringung von Nährlösungen und prozessfördernden Lösungen sowie eine kontrollierte und optimierte Einbringung von Nähr- und Prozessgasen erfolgen. Alle Interventionen in das Medium werden an der Unterseite der Reaktionselemente vorgenommen.

[0026] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt durch die Einbringung der Zusatzstoffe am unteren Ende der Flüssigkeitssäule eine Durchmischung und gleichmäßige Verteilung der Zusatzstoffe im Medium. Dadurch erfolgt eine Verwirbelung des Mediums durch die aufsteigenden Gase.

[0027] Nach einer besonderen Weiterbildung der Erfindung werden die einbringbaren Zusatzstoffe mit einer definierten Temperatur eingebracht. Dadurch wird eine thermische Regulierung über die eingeströmten Gase und/oder Nährstofflösungen erreicht.

[0028] Gemäß einem weiteren besonderen Merkmal der Erfindung erfolgt die Ausbringung von gasförmigen Prozessprodukten, wie beispielsweise Sauerstoff, vorzugsweise während des Prozesses, über die Mediums-Oberfläche. Dadurch kann eine kontrollierte und optimierte Reduktion von Schadstoffen erreicht werden, wobei diese optimierte Ausbringung auch ein Sammeln von gasförmigen Prozessprodukten erlaubt.

[0029] Weiters ist es auch Aufgabe der Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.

[0030] Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, wobei ein Reaktor, insbesondere ein Bioreaktor, bestehend aus Röhren vorgesehen ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor aus mindestens einem Reaktorelement besteht, das aus zwei aufrechten, unten verbundenen Röhren gebildet ist und dass sowohl ein Einlass als auch ein Auslass am oberen Reaktorrand vorgesehen ist.

[0031] Eine alternative erfindungsgemäße Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, wobei ein Reaktor, insbesondere ein Bioreaktor, mit Elementen aus Steg- bzw. Stegmehrfachplatten vorgesehen ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor aus mindestens einem Reaktorelement besteht, das aus zwei, vorzugsweise rechteckigen, aufrechten, aus den Steg- bzw. Stegmehrfachplatten gebildeten Kammern, die durch eine Trennwand, die am Boden offen ist, gebildet ist und dass sowohl ein Einlass als auch ein Auslass am oberen Reaktorrand vorgesehen ist.

[0032] Der Reaktor, insbesondere der Bioreaktor kann aus transparenten, transluzenten, beschichteten und unbeschichteten Materialien bestehen. Ebenso könnten die Röhren oder Stegplatten aus Glas oder Licht bzw. UV-Licht durchlässigem Kunststoff wie z.B. Polymethylmethac-rylat bestehen. Die Reaktorelemente können sowohl aus handelsüblichen und gegebenenfalls bearbeiteten, als auch gesondert gefertigten Bauteilen, die obigen Bedingungen erfüllen, ausgeführt sein. Die Reaktorelemente werden so angeordnet, dass ein kontinuierliches, mäanderartiges Durchfließen von oben nach unten und von unten nach oben gewährleistet ist. Der Zufluss und der Abfluss zum bzw. aus dem Reaktor ist im oberen Bereich angesetzt.

[0033] Nach Eintritt in den Reaktor fließt das Medium, durch den hydrostatischen Kräfteausgleich, den gesamten Reaktor in aufrechten Mäandern ab. Im letzten Reaktorelement angekommen, verlässt das Medium den hydrostatischen Bioreaktor und wird druckfrei bzw. drucklos zu einem Reifungstank oder einem Auffangbehälter oder einem weiteren Reaktor geführt. Vom Auffangbehälter kann das Medium endbearbeitet oder stressfrei einer Zwischenlagerung oder weiteren Bearbeitung zugeführt werden.

[0034] Gemäß einem besonderen Merkmal der Erfindung ist bei einer Verbindung von zwei oder mehr Reaktorelementen deren Trennwand niedriger als die Trennwand zwischen den Röhren bzw. Kammern eines Reaktorelementes ausgebildet, wodurch ein Überlauf bzw. eine 3/16 österreichisches Patentamt AT506 373B1 2013-01-15 kommunizierende Öffnung entsteht, wenn der Flüssigkeitsstand in den Reaktorelementen höher als die Trennwand zwischen den Reaktorelementen ist. Ein Reaktorelement ist wie ein kommunizierendes Gefäß ausgebildet. Durch diese Art der Serienschaltung von Reaktorelementen ist die Möglichkeit gegeben, eine definierte Durchflussstrecke zu bilden.

[0035] Die den jeweiligen phototropischen Mikroorganismen oder photochemischen Anforderungen angepasste und dem Prozessergebnis entsprechend optimale Verweildauer innerhalb des gesamten Reaktors kann durch folgende Parameter beeinflusst werden: [0036] · Durchflussgeschwindigkeit [0037] · Querschnitt der Reaktorelemente [0038] · Höhe der Reaktorelemente [0039] · Anzahl und Beschaffenheit der eingebrachten, nicht gasförmigen Stoffe

Beschaffenheit, Anzahl, Dichte und Druck der eingeblasenen Gase [0040] · Die Anzahl der in mäanderartiger Führung verbundenen Reaktorelemente [0041] · Die Möglichkeit Prozessabgase auszubringen [0042] · Prozesstemperaturen [0043] · Verweildauer und Stellung zu Licht [0044] · Verweildauer in Reifungstanks und oder Dunkeltanks [0045] Für den gesamten Prozess ist gegebenenfalls im Idealfall und bei entsprechender baulicher Gegebenheit ein einmaliges kontinuierliches Transportieren des Mediums vom Einlass zum Auslass möglich.

[0046] Nach einem weiteren besonderen Merkmal der Erfindung ist für die, kontinuierliche oder chargenweise, Einbringung von Zusatzstoffen, wie beispielsweise Nährstofflösungen bzw. -gasen und/oder Oxidationsmittel und/oder Wirksubstanzen und/oder den Prozess fördernde gelöste Stoffe bzw. Gase, vorzugsweise während des Prozesses, an der Reaktorunterseite, im Bereich der Umlenkung des Mediums, mindestens ein Einbringungseinlass vorgesehen.

[0047] Das Medium kann wahlweise vor dem Eintritt in den Reaktor mit in Flüssigkeiten gelösten Stoffen die den Bedürfnisse der Mikroorganismen oder Anforderungen des Prozesses entsprechen, angereichert, und/oder während des Durchlaufes im Reaktor mit fluiden Nährstoffen oder Oxidationsmittel versorgt werden.

[0048] Der im photosynthetischen Prozess, durch stetes Heranwachsen der Mikroorganismen, sinkende Nährstoffgehalt im Medium kann durch die kontinuierliche und/oder gepagte Einbringung einer Nährstofflösung ausgeglichen werden.

[0049] Der im photochemischen Prozess durch stetes Reagieren sinkende Wirkungsgrad im Medium kann ebenfalls durch die kontinuierliche und/oder gepagte Einbringung weiterer Wirksubstanzen ausgeglichen werden.

[0050] Zum Einbringen der fluiden Nährstoffe oder Oxidationsmittel wird an der Unterseite der Reaktorelemente über steuerbare Ventile eine Zufuhrmöglichkeit geschaffen. Durch die mäanderartige Führung des Mediums und/oder durch die aufsteigenden fluiden Wirkstoffe Gasbläschen wird für eine gute Durchmischung und Verteilung innerhalb des gesamten Reaktors gesorgt.

[0051] Natürlich können auf diese Weise auch gasförmige Nährstoffe, Oxidationsmittel oder Wirkstoffe eingebracht werden.

[0052] Die eingebrachten Gase bewirken, durch das Aufsteigen der Gasbläschen, ein Selbstreinigen der Reaktorinnenfläche. Eine Entnahmestelle für Proben, um den Prozessfortschritt zu überprüfen ist ebenfalls unten am Reaktorelement vorgesehen.

[0053] Gemäß einem weiteren besonderen Merkmal der Erfindung ist zur Ausbringung von 4/16 österreichisches Patentamt AT506 373 B1 2013-01-15 gasförmigen Prozessprodukten, wie beispielsweise Sauerstoff, vorzugsweise während des Prozesses, ein Ausbringungsauslass vorgesehen ist, der über der Mediums-Oberfläche bzw. über der Oberseite der Reaktorelemente vorgesehen ist. Gasförmige Prozessprodukte, wie Stoffwechselprodukte, die im photosynthetischen oder photochemischen Prozess entstehen, können durch die Druckfreiheit im Reaktorelement frei im Medium aufsteigen.

[0054] Sauerstoff der im photosynthetischen Prozess entsteht und der phototropische Mikroorganismen schädigt und Prozessabgase, die im photochemischen Prozess entstehen, können durch die Druckfreiheit im Reaktorelement frei im Medium aufsteigen. Durch die ganz oder teilweise nach oben hin offene Konstruktion des Reaktorelementes ist ein Entweichen und/oder Absaugen des Sauerstoffes möglich.

[0055] Die Prozess-Abgas-Ausbringung wird durch die im Prozess entstehenden, ansteigenden Bläschen gefördert und/oder durch zusätzlich eingeblasene Gase gegebenenfalls gesteuert.

[0056] Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist zur Ausbringung von gasförmigen Prozessprodukten eine über der Mediums-Oberfläche bzw. über der Oberseite der Reaktorelemente vorgesehene Sammeleinrichtung mit einem Ausbringungsauslass vorgesehen. Dadurch können die gasförmigen Prozessprodukte gesammelt und gegebenenfalls einer weiteren Verwertung oder Entsorgung zugeführt werden. Auch ein Verlust von Medium durch Verdunstung und/oder durch Spritzverlust und ein kontrolliertes Austragen und Sammeln von Gasen ist durch eine geschlossen Bauweise möglich.

[0057] Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vor dem Einlass und/oder nach dem Auslass ein Sifon vorgesehen. Der Zufluss, zum Reaktor ist im oberen Bereich angesetzt. Das Medium kann durch ein Sifon dem ersten Reaktorelement druckfrei bzw. drucklos zugeführt werden und durch einen weiteren Sifon nach dem Reaktor, drucklos und gegebenenfalls gasdicht abgeführt werden.

[0058] Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung ist zum Transport des Mediums sowohl innerhalb des Reaktors als auch zwischen Reaktoren eine Archimedische Schraube oder eine Spirale nach Da Vinci vorgesehen.

[0059] Bei einer derartigen Einrichtung sind auf einer Achse einmalig oder mehrfach gelagert ein oder mehrere Schläuche oder Stege spiralförmig aufgewickelt und in einer beliebigen Technik, beispielsweise geschraubt, verklebt, etc., stabil befestigt. Der oder die jeweiligen Schläuche oder Stege sind an beiden Enden offen. Das Transportelement ist so ausgerichtet und gelagert, dass das untere Ende der Schläuche oder Stege Medium aus einem Behältnis schöpft.

[0060] Schläuche oder Stege sind jedoch nur soweit ins Medium getaucht, das bei jeder Umdrehung das Schlauchende oder der Steg außerhalb des Mediums über die Oberfläche gelangt.

[0061] Durch eine langsame Drehung in Spiralrichtung, die keine wesentlichen Zentrifugalkräfte erzeugt, wird das Reaktormedium unter Ausnutzung des hydrostatischen Druckausgleiches in den jeweiligen unteren Hälften der Schläuche oder Stege ans obere Ende der Schraube transportiert. Bei jeder Drehung wird die, in der zuoberst gelegen Halbwindung befindliche Flüssigkeit freigegeben und fällt in ein gegenüber dem Ausgangsbehältnis höher gelegenes Behältnis. Durch wahlweise ganzes oder teilweises Verschließen der Transportvorrichtung kann Spritzverlust und oder Gasaustritt vermieden werden.

[0062] Nach einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist der Reaktor über mindestens eine Achse für eine Lichteinstrahlung verstellbar. Da phototropische Mikroorganismen nur in der Zone nah an der Oberfläche einen optimalen photosynthetischen Prozess durchlaufen und zur Nahrungsaufnahme und zur Teilung durch zu viel UV-Strahlung beeinträchtigt werden, ist es von Vorteil, innerhalb des Reaktorelementes sowohl an die Außenzone als auch ins Innere geführt zu werden.

[0063] Zu intensives, direkt einstrahlendes UV-Licht schädigt oder beeinträchtigt das Wachstum der Mikroorganismen und erhöht die Temperatur des Mediums über das ideale Maß, welcher 5/16 österreichisches Patentamt AT506 373B1 2013-01-15 wieder gekühlt werden muss.

[0064] Durch die Durchmischung des Mediums gelangen alle phototropischen Mikroorganismen ausreichend an die mit Licht durchflutete, außenwandnahe Lichtzone des Reaktorelementes.

[0065] Bei der photokatalytischen Oxidation ist es von Vorteil, wenn alle Moleküle innerhalb des Reaktorelementes an die Licht durchflutete, außenwandnahe Lichtzone des Reaktorelementes geführt werden.

[0066] Eine Parallelstellung zur Lichtquelle bzw. ein paralleles Folgen der Sonneneinstrahlung des Reaktors wird meist ausreichen und somit wird eine massiv bessere Platznutzung möglich.

[0067] Weiters wird parallel eingestrahltes Licht von der Reaktoroberfläche teilweise reflektiert und steht dem gegenüberliegenden Reaktor zur Verfügung. Bei schwacher Sonnenstrahlung, schlechter geografischer Lage oder bei besonders Licht bedürftigen phototropischen Mikroorganismen oder photokatalytischen Prozessen kann eine der Lichtquelle zugewandte Stellung des Reaktors in beliebigem Winkel gewählt werden.

[0068] Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt sind, näher erläutert.

[0069] Es zeigen [0070] Fig. 1 [0071] Fig. 2 [0072] Fig. 3 [0073] Fig. 4 [0074] Fig. 5 [0075] Fig. 6 [0076] Fig. 7 [0077] Fig. 8 [0078] Fig. 9 und einen Bioreaktor bestehend aus Röhren, eine Draufsicht gemäß Fig. 1, einen Seitenriss gemäß Fig. 1, einen Bioreaktor bestehend aus Stegplatten, eine Draufsicht gemäß Fig. 4, einen Seitenriss gemäß Fig. 4, eine schematische Darstellung einer Röhre, einen Bioreaktor mit einer Archimedischen Spirale 0 eine schematische Darstellung der Sonneneinstrahlung auf den Bioreaktor.

[0079] Gemäß der Fig. 1 bis 3 besteht ein Reaktor, insbesondere ein Biosolarreaktor 1, aus mindestens einem Reaktorelement 2, das aus zwei aufrechten, unten verbundenen Röhren 3 gebildet ist. Ein Einlass 4 sowie auch ein Auslass 5 sind am oberen Reaktorrand vorgesehen. Für den Aufbau eines Biosolarreaktors 1 werden eine Vielzahl an Reaktorelementen 2 in Serie geschaltet, wobei immer ein Auslass 5 mit einem Einlass 4 verbunden ist.

[0080] Ein derartiger Biosolarreaktor 1 wird für ein Verfahren für einen photochemischen, wie photokatalytischen und/oder photosynthetischen Prozess, insbesondere für eine Zucht und Produktion bzw. Hydrokultivierung von, vorzugsweise phototropen, Mikroorganismen eingesetzt. Für seinen Betrieb wird der Biosolarreaktor 1 mit einem Medium 6, beispielsweise einer wässerigen Lösung oder einer Suspension, gefüllt. Im Betrieb wird der Biosolarreaktor 1 nur mehr über seinen ersten Einlass 4 gespeist. Die Führung bzw. Flussrichtung des Mediums 6 erfolgt senkrecht einmal von oben nach unten und von unten nach oben in einem Reaktorelement 2. Bei einer Hintereinanderschaltung von mehreren Reaktorelementen 2, die miteinander verbunden sind, fließt das Medium 6 mäanderförmig durch den Reaktor. Sowohl die Einbringung bzw. Einspeisung als auch die Ausbringung des Mediums 6 in bzw. aus dem Biosolarreaktor 1, erfolgt vorzugsweise kontinuierlich, drucklos und frei zur Atmosphäre über die obere Mediums-Oberfläche bzw. knapp über dem oberen Flüssigkeitsspiegel oder im Bereich des oberen Flüssigkeitsspiegels.

[0081] Die Reaktorelemente 2, sind somit mäanderartig als kommunizierende Röhren 3 miteinander verbunden, wobei der Einlass 4 und der Auslass 5 oben liegen. Die Reaktorelemente 2 6/16 österreichisches Patentamt AT506 373 B1 2013-01-15 sind ganz oder teilweise, je nach Bedarf, nach oben hin offen. Auf Grund des hydrostatischen Druck- und Niveauausgleichs erfolgt über die Einspeisung von Medium 6 am Einlass 4 eine Strömung des Mediums 6. Für das Verfahren bedeutet das, dass für die Mikroorganismen eine stressfreie Strömung des Mediums 6 erzeugt wird. Dadurch wird ein freies Fließen zwischen den einzelnen Reaktorelementen 2 ermöglicht, ohne das weitere Energie zugeführt werden muss.

[0082] Das Medium 6 bewegt sich, im Bestreben der Flüssigkeit den Höhenunterschied zwischen Einlass 4 und Auslass 5 auszugleichen, mit minimalem Höhenverlust mäanderartig durch den Reaktor.

[0083] Gemäß den Fig. 4 bis 6 ist eine alternative Bauart eines Biosolarreaktors 1 aufgezeigt. Dieser Biosolarreaktor 1, besteht aus Steg- bzw. Stegmehrfachplatten 7. Bei dieser Bauart besteht ein Reaktorelement 2 aus zwei, vorzugsweise rechteckigen, aufrechten, aus den Steg-bzw. Stegmehrfachplatten 7 gebildeten Kammern 8, die durch eine Trennwand 9, die am Boden offen ist, gebildet ist. Sowohl der Einlass 4 für die Einbringung bzw. Einspeisung als auch der Auslass 5 ist am oberen Reaktorrand vorgesehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 4 sind bereits zwei Reaktorelemente 2 verbunden.

[0084] Bei einer Verbindung von zwei oder mehr Reaktorelementen 2 ist deren Trennwand 10 niedriger als die Trennwand 9 zwischen den Röhren 3 bzw. Kammern 8 eines Reaktorelementes 2 ausgebildet. Dadurch entsteht ein Überlauf bzw. eine kommunizierende Öffnung, wenn der Flüssigkeitsstand in den Reaktorelementen 2 höher als die Trennwand 10 zwischen den Reaktorelementen 2 ist. Dadurch wird der Energieverbrauch minimiert, indem auf Pumpen zwischen den Prozessschritten weitestgehend verzichtet werden kann und beliebig viele gleich oder verschiedene Prozessschritte in selber Durchflusshöhe aneinander gekoppelt werden können.

[0085] Die einzelnen Reaktorelemente 2 können transparent oder transluzent oder bei Bedarf auch lichtdicht ausgeführt sein. Als Materialien können sowohl Glas oder UV-durchlässiger Kunststoff, wie z.B. Polymethylmethacrylat Verwendung finden.

[0086] Die Befüllung sowie der Betrieb des Biosolarreaktors 1 erfolgen analog den Ausführungen zu den Fig. 1 bis 3.

[0087] In Hinblick auf die Lichteinstrahlung auf die Reaktorelemente 2 - auf die noch später näher eingegangen wird - ist gemäß der Fig. 6 ein geneigter Reaktor gezeigt. Trotzdem, dass der Reaktor in einem Winkel geneigt ist, fließt das Medium 6 einmal von oben nach unten bzw. in Richtung Schwerkraft und von unten nach oben bzw. gegen die Richtung der Schwerkraft.

[0088] Gemäß der Fig. 1 und der Fig. 4 ist für die, kontinuierliche oder chargenweise, Einbringung von Zusatzstoffen 12, wie beispielsweise Nährstofflösungen bzw. -gasen und/oder Oxidationsmittel und/oder Wirksubstanzen und/oder den Prozess fördernde gelöste Stoffe bzw. Gase, vorzugsweise während des Prozesses, an der Reaktorunterseite, im Bereich der Umlenkung des Mediums 6, mindestens ein Einbringungseinlass 11, beispielsweise ein steuerbares Ventil, vorgesehen.

[0089] Entsprechend dem Verfahren wird das Medium 6 wahlweise vor dem Eintritt in den Reaktor mit C02 oder anderen Gasen gesättigt. Der Sättigungsgrad wird den Bedürfnissen des Prozesses entsprechend angereichert und/oder während des Verweilen im Reaktor mit C02 anderen Gasen versorgt. Der im photosynthetischen Prozess, durch stetes Heranwachsen der Mikroorganismen, sinkende C02 Gehalt im Medium 6 kann durch die kontinuierliche oder ge-pagte Einbringung von C02 ausgeglichen werden.

[0090] Der im photochemischen Prozess, durch stetes Reagieren sinkende Wirkungsgrad im Medium kann durch die, kontinuierliche und/oder chargenweise, Einbringung weiterer Wirkgase ausgeglichen werden.

[0091] Durch die Einbringung der Zusatzstoffe am unteren Ende der Flüssigkeitssäule über die Einbringungseinlässe 11 gemäß der Fig. 7 erfolgt eine Durchmischung und gleichmäßige Ver- 7/16 österreichisches Patentamt AT506 373B1 2013-01-15 teilung der Zusatzstoffe im Medium 6.

[0092] Das Einbringen von Zusatzstoffen 12, wie Fluide und Gase optimiert weiters die Versorgung mit Licht, da durch die somit entstehende Verwirbelung im Medium 6 alle Moleküle oder phototropischen Mikroorganismen ausreichend an die mit Licht durchflutete, außenwandnahe Lichtzone - angedeutet mit den Pfeilen 13 - des Reaktorelementes 2 geführt werden.

[0093] Die Einbringung von Fluiden und Gasen erzeugt eine Verwirbelung im Medium 6, wodurch ein weiterer vorteilhafter Effekt zum Tragen kommt, nämlich dass durch das Aufsteigen der Gasbläschen eine kontinuierliche Reinigung der Reaktorinnenflächen bewirkt wird.

[0094] Ferner kann auch durch definiert eingebrachten Fluide und Gase eine Erwärmung oder Abkühlung des Mediums 6 erfolgen. Die eingebrachten Zusatzstoffe 12 können somit zum kontrollierten Temperieren des Mediums 6 herangezogen werden.

[0095] Gemäß der Fig. 8 ist ein Biosolarreaktor 1 mit einer Archimedischen Schraube 14 versehen. Die Archimedische Schraube 14 oder eine Spirale nach Da Vinci dient zum Transport des Mediums 6 sowohl innerhalb des Reaktors als auch zwischen Reaktorteilen oder Reaktoren. Vor dem Einlass 4 und nach dem Auslass 5 ist je ein Sifon 15 vorgesehen.

[0096] Natürlich können die Sifone 15 auch unabhängig von der Archimedischen Schraube 14 vor dem Einlass 4 bzw. nach dem Auslass 5 aus dem Reaktor angeordnet werden. Das Medium 6 kann durch einen Sifon 15 dem ersten Reaktorelement 2 druckfrei bzw. drucklos zugeführt werden.

[0097] Die Archimedische Schraube 14 oder eine Spirale nach Da Vinci wird bei dem Verfahren für kontinuierliche photokatalytische und photosynthetische Prozesse und Transporte in Biosolarreaktoren 1 bevorzugt eingesetzt. Insbesondere dann, wenn der Transport des Mediums 6 die Überwindung von Höhendifferenzen verlangt. Mit einem Einsatz der Archimedischen Schraube 14 oder der Spirale nach Da Vinci gelingt ein- oder auch mehrmaliger stressfreier Transport. Für folgende Anwendungen könnte diese Einrichtung zum Einsatz kommen: [0098] · Transport, zum mehrmaligen Durchlaufen des Mediums 6, durch denselben Reaktor.

[0099] »Transport zwischen einer Reihe von, gegebenenfalls verschiedenen, Reaktoren und/oder Reifungstanks, die einmal oder mehrmals, durchlaufen werden.

[00100] · Ein oder mehrmaliges Transportieren eines Mediums 6 wechselweise zwischen einem Tank und einem beliebigen Bioreaktor.

[00101] · Ein oder mehrmaliger Transport eines Mediums zwischen Tanks.

[00102] Wie bereits kurz angerissen, kann nach dem Biosolarreaktor 1 ein - nicht dargestellter -Reifungstank für insbesondere einen kontinuierlichen, photokatalytischen Prozess mit phototropischen Mikroorganismen vorgesehen werden. Der hydrostatischen Reifungstank ist Bauartgleich wie der hydrostatische Bioreaktor mit mäanderartigen Reaktorelementen 2 ausgestattet, die eine aufrechtes durchfließen ermöglichen. Der Reifungstank kann aus lichtundurchlässigem Material beschaffen sein, da phototropischen Mikroorganismen in der Ruhephase nur die richtige Temperatur Nährstoffe und Gelegenheit zum Austragen von Stoffwechselabfall benötigen. Weiters kann ein, im Verhältnis zum Bioreaktor, größerer Querschnitt in den Reaktorelementen 2 eingesetzt werden um die Ruhezeit zu regulieren und um Platz zu sparen.

[00103] Der gewünschte weitestgehend druckfreie bzw. drucklose Transport des Mediums 6 wird folgend erreicht: [00104] Das Medium 6 ist während des gesamten Transports keinem weiteren Druck, als jenem ausgesetzt, der innerhalb des Transportelementes durch das Eigengewicht des Mediums 6 entsteht. Durch eine geringe Drehzahl wird das Medium 6 keinen nennenswerten Zentrifugalkräften ausgesetzt. Die Entwicklung der Mikroorganismen oder der Ablauf des Prozesses wird durch den Transport nicht unterbrochen oder gestört. Durch die Nutzung des hydrostatischen Druckausgleiches in einer „Archimedischen Schraube" oder in einer Spirale nach Da Vinci bleibt die Druckfreiheit gewahrt. Die Prozesse können frei von Stress, Beschleunigung und Druck 8/16 österreichisches Patentamt AT506 373 B1 2013-01-15 ablaufen.

[00105] Das Medium 6 ist während des gesamten Transports keiner höheren Reibung, als jener ausgesetzt, der innerhalb des Transportelementes durch das freie Fließen des Mediums entsteht. Die Entwickelung der Mikroorganismen oder der Ablauf des Prozesses wird durch den Transport nicht unterbrochen oder gestört. Abriebverletzungen und Beschädigung der Zellwände der Mikroorganismen oder Moleküle wie durch Pumpen werden ausgeschlossen.

[00106] Durch die Nutzung des hydrostatischen Druckausgleiches in einer Archimedischen Schraube oder in einer Spirale nach Da Vinci bleibt die Reibungsfreiheit gewahrt.

[00107] Zur Ausbringung von gasförmigen Prozessprodukten, wie beispielsweise Sauerstoff, vorzugsweise während des Prozesses, ist ein Ausbringungsauslass 16 vorgesehen, der über der Mediums-Oberfläche bzw. über der Oberseite der Reaktorelemente vorgesehen ist. Zur Ausbringung dieser gasförmigen Prozessprodukte kann eine über dem Flüssigkeitsspiegel des Mediums 6 bzw. über der Oberseite der Reaktorelemente vorgesehene Sammeleinrichtung 17 mit dem Ausbringungsauslass 16 vorgesehen sein.

[00108] Bei schwacher Sonnenstrahlung, schlechter geografischer Lage oder bei besonders Licht bedürftigen phototropischen Mikroorganismen oder photokatalytischen Prozessen kann der Reaktor über mindestens eine Achse zur Lichteinstrahlung verstellbar ausgeführt werden. Bei einer bevorzugten Ausführung kann der Reaktor auf zwei Achsen der Sonne nachgeführt werden.

[00109] Gemäß der Fig. 9 ist ein aus Reaktorelementen 2 gebildetes Reaktorpanel 18 derart angeordnet, dass die - schematisch angedeuteten - Licht- bzw. Sonnenstrahlen 19 in einem rechten Winkel zur Panelachse auftreffen.

[00110] Gemäß der Fig. 10 sind mehrere, vorzugsweise miteinander verbundene, Reaktorpa-nele 18 vorgesehen, die derart angeordnet sind, dass die Licht- bzw. Sonnenstrahlen 19 parallel zu den Panelachsen verlaufen.

[00111] Bei einer speziellen Ausführungsvariante sind die Reaktorelemente 2 aufrecht hängend und/oder stehend in eine obere und/oder untere Halterung eingebracht. Diese Halterung kann folgende Funktionen erfüllen: [00112] · Die Funktion als Drehelement, um der Sonneneinstrahlung zu folgen.

[00113] · Die Kippfunktion um das Reaktorelement 2 zur Sonne hin zu neigen.

[00114] · Den Reaktorelementen 2 halt zu geben.

[00115] · Die Reaktorelemente 2 mäanderartig miteinander zu verbinden.

[00116] · Die einzelnen Reaktorelemente gasdicht verschließen zu können.

[00117] Diese Halterung kann, wenigstens zwei bis beliebig viele, Reaktorelemente 2 zu einem Reaktorpanel 18 auf nehmen.

[00118] Dies ermöglicht ein enges Stellen und oder hintereinander Stellen von Reaktoren, was eine maximale Platznutzung erlaubt.

[00119] Das Verfahren ermöglicht ein optimales kombinieren von Reaktionsphasen unter Licht und Ruhephasen im Dunkel sowie einen stressfreien Transport. So wird ein Aufbau von kontinuierlich einmalig durchlaufenden Prozessen ermöglicht oder modular, gesteuertes, mehrfaches Durchlaufen der einzelnen Teile.

[00120] Das Medium 6 kann vor der eigentlichen Reaktion in einem Anreicherungstank mit Nährstoffen und Nährgasen grundversorgt werden, die die Bioreaktion von Beginn an begünstigen. Im Fall der Abwasserreinigung oder Schadstoffbeseitigung kann eine, den phototropischen Mikroorganismen maximal zumutbare Erstanreicherung mit den jeweiligen Schadstoffen im Medium erzeugt werden.

[00121] Das Medium 6 kann ideal temperiert werden und die, dem Zweck der Reaktion ent- 9/16

Claims (14)

1. österreichisches Patentamt AT506 373 B1 2013-01-15 sprechenden, phototropischen Mikroorganismen oder chemischen Stoffe können in einer definierten Menge eingebracht werden. [00122] Zum Aufrechterhalten der idealen Reaktionsbedingungen können im Medium 6 Temperatur, Prozessfluidgehalt, Prozessgasgehalt, Umwälzung, Durchmischung, Lichtzufuhr, und Abfuhr von Stoffwechselprodukten kontrolliert und gesteuert werden. [00123] Das oben aufgezeigte Verfahren löst nachstehende Problematiken in vorteilhafterweise: [00124] · Kontinuierliche photokatalytische und photosynthetische Prozesse und Transporte in Solarreaktoren [00125] · Kontrollierter und optimierter Energieverbrauch im Prozess [00126] · Kontrollierte und optimierte Einbringung von Nährlösungen und prozessfördernden Lösungen [00127] · Kontrollierte und optimierte Einbringung von Nähr- und Prozessgasen [00128] · Kontrollierte und optimierte Reduktion von Schadstoffen [00129] · Optimierte Ausbringung und Sammeln von gasförmigen Prozessprodukten [00130] · Kontrollierte und optimierte Versorgung mit Licht [00131] · Minimierung des Platzverbrauches durch Lichtführung [00132] · Kontrollierte und optimierte Prozesstemperatur [00133] · Stressfreier Transport des Mediums 6. Patentansprüche 1. Verfahren für einen photochemischen, wie photokatalytischen und/oder photosynthetischen Prozess, insbesondere für eine Zucht und Produktion oder Hydrokultivierung von, vorzugsweise phototropen, Mikroorganismen, wobei ein Medium, beispielsweise eine wässerige Lösung oder eine Suspension, mäanderförmig in einem Reaktor geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die mäanderförmige Führung des Mediums (6) senkrecht mindestens einmal von oben nach unten, in Richtung Schwerkraft, und von unten nach oben, gegen die Richtung der Schwerkraft, erfolgt und dass sowohl eine Einbringung als auch eine Ausbringung des Mediums (6) in und aus dem Reaktor kontinuierlich, drucklos und frei zur Atmosphäre über die obere Mediums-Oberfläche erfolgt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine, kontinuierliche oder chargenweise, Einbringung von flüssigen und/oder gasförmigen Zusatzstoffen (12), wie beispielsweise Nährstofflösungen und/oder Oxidationsmittel und/oder Wirksubstanzen und/oder den Prozess fördernde gelöste Stoffe, vorzugsweise während des Prozesses, an der Unterseite, im Bereich der Umlenkung des Mediums (6), durchgeführt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Einbringung der Zusatzstoffe (12) am unteren Ende der Flüssigkeitssäule eine Durchmischung und gleichmäßige Verteilung der Zusatzstoffe (12) im Medium (6) erfolgt.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die einbringbaren Zusatzstoffe (12) mit einer definierten Temperatur eingebracht werden.
5. 5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbringung von gasförmigen Prozessprodukten, wie beispielsweise Sauerstoff, vorzugsweise während des Prozesses, über die Mediums-Oberfläche erfolgt.
6. 6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Reaktor, insbesondere ein Bioreaktor, bestehend aus Röhren vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor aus mindestens einem Reaktorelement 10/16 österreichisches Patentamt AT506 373 B1 2013-01-15 (2) besteht, das aus zwei aufrechten, unten verbundenen Röhren (3) gebildet ist und dass sowohl ein Einlass (4) als auch ein Auslass (5) am oberen Reaktorrand zur Einbringung als auch zur Ausbringung des Mediums (6) in und aus dem Reaktor über der oberen Mediums-Oberfläche vorgesehen sind und der Einlass (4) und der Auslass (5) sowie die obere Mediums-Oberfläche frei zur Atmosphäre liegen.
7. 7. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Reaktor, insbesondere ein Bioreaktor, mit Elementen aus Steg- oder Stegmehrfachplatten vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor aus mindestens einem Reaktorelement (2) besteht, das aus zwei, vorzugsweise rechteckigen, aufrechten, aus den Steg- oder Stegmehrfachplatten (7) gebildeten Kammern (8), die durch eine Trennwand (9), die am Boden offen ist, gebildet ist und dass sowohl ein Einlass (4) als auch ein Auslass (5) am oberen Reaktorrand vorgesehen ist.
8. 8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Verbindung von zwei oder mehr Reaktorelementen (2) deren Trennwand (10) niedriger als die Trennwand (9) zwischen den Röhren (3) oder Kammern (8) eines Reaktorelementes (2) ausgebildet ist, wodurch ein Überlauf oder eine kommunizierende Öffnung entsteht, wenn der Flüssigkeitsstand in den Reaktorelementen (2) höher als die Trennwand (10) zwischen den Reaktorelementen (2) ist.
9. 9. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass für die, kontinuierliche oder chargenweise, Einbringung von Zusatzstoffen (12), wie beispielsweise Nährstofflösungen oder -gasen und/oder Oxidationsmittel und/oder Wirksubstanzen und/oder den Prozess fördernde gelöste Stoffe oder Gase, vorzugsweise während des Prozesses, an der Reaktorunterseite, im Bereich der Umlenkung des Mediums, mindestens ein Einbringungseinlass (11) vorgesehen ist.
10. 10. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbringung von gasförmigen Prozessprodukten, wie beispielsweise Sauerstoff, ein Ausbringungsauslass (16) vorgesehen ist, der über der Mediums-Oberfläche oder über der Oberseite der Reaktorelemente (2) vorgesehen ist.
11. 11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbringung von gasförmigen Prozessprodukten eine über der Mediums-Oberfläche oder über der Oberseite der Reaktorelemente vorgesehene Sammeleinrichtung (17) mit einem Ausbringungsauslass (16) vorgesehen ist.
12. 12. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einlass (4) und/oder nach dem Auslass (5) ein Sifon (15) vorgesehen ist.
13. 13. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zum Transport des Mediums (6) sowohl innerhalb des Reaktors als auch zwischen Reaktoren eine Archimedische Schraube (14) oder eine Spirale nach Da Vinci vorgesehen ist.
14. 14. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor über mindestens eine Achse zur Lichteinstrahlung verstellbar ist. Hierzu 5 Blatt Zeichnungen 11 /16