CN101970636B - 用于光化学过程的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于光化学(例如光催化和/或光合过程)的方法和装置，特别用于繁殖和制备或水培优选光养微生物的上述方法和装置。提供了反应器，特别是生物太阳能反应器(1)，其由至少一个反应器单元(2)组成。该反应器单元(2)是由两个在底部相连的垂直管(3)形成的。此外，在反应器上部边缘提供入口(4)和出口(5)。该反应介质(6)的曲折输送是垂直地或以一定角度倾斜进行的，从上到下或以重力方向以及从下到上或逆着重力方向进行至少一次。该反应介质(6)引入该反应器中和从其中除去都优选是连续、没有压力或经过反应介质的上表面自由通向大气进行的，其中由于该流体静压补偿和趋平补偿，产生对于微生物是无应激的反应介质(6)的流动。

Description

用于光化学过程的方法和装置
本发明涉及用于光化学(例如光催化和/或光合成)过程(特别用于繁殖和制备或水培(优选光养)微生物的方法，其中反应介质(例如水溶液或悬浮液)以曲折方式引入反应器中。此外，本发明涉及用于实施所述方法的装置。 
从DE 41 34 813 A1中已知了用于光养微生物的生物反应器，其由玻璃或塑料制成。将培养介质泵送或者以曲折方式通过水平定位的壁板(Stegplatte)向下引导经过该生物反应器。此外，湍流产生机构位于该壁(Steg)中。依照该方法，在顶部引入二氧化碳，使用自然或人工光操作。该生物反应器与该光源成直角定位或追踪其。 
此外，从GB 2 235 210 A和DE 196 44 992 C1中还已知了用于光养微生物或用于光催化过程的生物反应器。 
从EP 738 686 A1中已知了在生物反应器光催化净化废水，其中将待清洁的液体引导通过由透明塑料制成的多壁板(Stegmehrfachplatte)。为了调节温度，能够使用常规的半透明多壁板。 
而且，在WO 98/18903中描述了由具有至少三个带(Gurt)的多壁板制成的有源或无源的可调温的太阳能元件。该反应器内的层交替用于光化学或光合过程。由此，将培养介质以曲折方式向下引入具有密封的前部和水平定位的壁板的密封反应器中。 
当然还从例如Florian Manfred “Teilautomatische Generierung von Stromlauf-und für mechatronische Systeme”(München Tech.Univ.的论文2006)ISBN 10 3-8316-0643-9中已知了阿基米德(Archimedisch)螺旋和达芬奇(Da Vinci)螺线。 
此外，从DE 195 07 149 C2中已知了具有槽和用于发电的发电机的水力螺杆。从DE 41 39 134 C2中已知了用于能量转化的水力螺杆。 
自然地，力的流体静压平衡称作流体静压佯谬，也称作帕斯卡(Pascal)佯谬。该佯谬描述了这样的现象，液体在容器底部根据该液体的填充高度产生重力压力，但是容器的形状却不受影响。 
顶部开口且底部连接的容器称作连通器或连通管。均质流体在这些 中具有相同的高度，因为空气压力和重力对该容器具有相等的作用。在非均质液体的情况下，液柱的高度与其比重成反比。 
通常，太阳能反应器中的输送是通过常规泵送方法进行的，正如在上述的一些方法中。该程序对反应介质中的微生物产生应激，这是由于高压、负压、强的加速度或挤压所致。受到该应激的作用，大多数光养微生物丧失了其潜在的光合能力。细胞被破坏、损伤和或在其能够完全复原分配给其的该过程之前微生物需要用于再生的时间和/或代谢产物。同样地，大多数光化学过程在该应激下其潜在的光催化能力也受到降低，因为分子被破坏或损伤和/或在其能够完全复原分配给其的该过程之前需要时间和/或额外的氧化剂。 
此外，从DE 29 51 700 C2中已知了太阳能发电机，其固定到悬挂在建筑物上的吊臂轴上。 
本发明的目的是产生上述类型的方法，其一方面避免了上述缺点，另一方面能使产率或收成(Ernte)在性质上并且尤其是数量上得以提高。 
依照本发明的所述方法的特征在于该反应介质的曲折输送是垂直地或以一定角度倾斜地从上到下或以重力方向以及从下到上或逆着重力方向进行至少一次，以及该反应介质引入该反应器中和从其中除去都优选是以连续、没有压力或在反应介质的上表面自由通向大气的方式进行，其中由于该流体静压补偿和趋平补偿，产生对于微生物是无应激的的反应介质流动。使用本发明，第一次可以实现微生物的平缓输送，使得防止了在其制备方法过程中的损害。通过将该反应介质受控引入该上部液面区域中，能够限定通过该反应器单元的该反应介质的流过速度，当然前提是该反应器单元是充满的。该反应介质以曲折方式流动通过该彼此垂直连通的反应器单元。该反应器单元以入口和出口都位于上方的方式彼此连接。该反应器单元朝向顶部完全或部分敞开。通过利用在整个反应器内高度损失最小的流体静压补偿实现了该流过。由于该反应介质在生物太阳能反应器中很大程度上无压力和无重力感输送，因此对反应过程的影响尽可能小。 
例如，依照本发明的方法能够用于以下应用领域： 
-废水的光化学和/或光合净化 
-通过光养微生物将CO2光合代谢成氧气 
-繁殖和制备用于研究目的的光养微生物 
-研究光化学和/或光合过程 
-繁殖和制备用于食品和食品材料原料的光养微生物 
-繁殖和制备用于制药工业的原料的光养微生物 
-繁殖和制备用于燃料和用于燃料制备和发电的原料的光养微生物 
-繁殖和制备用于化学工业的原料的光养微生物 
-繁殖和制备光养微生物，其在光合过程中发出可利用的气体(例如氢气) 
在该反应介质流动通过该反应器单元时，通过利用流体静力学补偿能够近似进行该任选一并输送的微生物的无应激输送。此外，可以实现能量的优化、特定的光传导、空间的优化、供给添加剂、特定的温度控制、有针对性地调节以及气体回收的提高。 
依照本发明的另一特别特征，优选在该过程中，优选在底端，向该反应介质的转向区域中连续或分批引入液体和/或气体添加剂，例如营养溶液和/或氧化剂和/或活性物质和/或促进该过程的溶解物质。这样，能够受控和优化引入营养溶液和过程促进的溶液以及受控和优化引入营养气体和过程气体。该反应介质中的所有介入都是优选在该反应器单元的底端进行的。 
依照本发明的另一实施方式，通过将该添加剂在该液柱的底端引入，将该添加剂彻底混合并均匀分布在该反应介质中。这样，通过气体的上升产生反应介质的涡流。 
依照本发明的特别另一发展，该可引入的添加剂在特定温度下引入。这样，通过流入的气体和/或营养溶液实现了热调节。 
依照本发明的特别特征，该液体和/或气体物质或添加剂是在该反应介质的转向区域中在底端引入的，其中在从下到上或逆着重力的方向流动的反应介质的区域中，与在从上到下或以重力的方向流动的反应介质的区域中相比，引入了更大量的液体和/或气体物质或添加剂。这样--依照气力升降机(Mammutpump)的操作过程--在从下到上流过的管或腔室中的液面与从上到下流过的管或腔室相比以“气升效应”的方式升高了。这种液面差能够导致在多个串联连接的这种单元和将更多量的气体在各个上升管中引入的情况中最后一个管或腔室末端的液面与第一个管或腔室相比升高了，如果在该反应器的构造中考虑了该液面的升高 的话。尽管更多地引入了添加剂、优选气态添加剂，但仍能够无应激地输送该微生物。 
依照本发明的另一特别特征，优选在该过程中，通过该反应介质表面进行气态过程产物(例如氧气)的去除。 
这样，能够实现有害物质的受控和优化的降低，由此该优化的去除也可以收集气态过程产物。 
依照本发明的另一特别发展，该反应器以可旋转方式跨水平的太阳轨迹的整个拱形调节或控制以与太阳照射(Sonneneinstrahlung)相适应。这样，实现了用于生物太阳能反应器的太阳照射的优化。因此，在不同生物太阳能反应器中为用于各种各样不同应用的光养微生物提供优化的天然照明用于光合过程，其在性质和所需繁殖顺序方面是适合的。此外，在一天中能够对其进行匹配和/或改变光行为。能够实现微生物对太阳照射的提高以及降低的暴露，用于更好地利用光或用于保护不受过强的辐照。 
此外，提供用于实施所述方法的装置也是本发明的目的。 
用于实施依照所述方法的本发明的装置，其中提供由管子构成的反应器，特别是生物反应器，特征在于该反应器由至少一个反应器单元构成，该反应器单元是由两个在底部连接的垂直管形成的，以及入口和出口都提供在反应器上部边缘。 
本发明的用于实施所述方法的可替代装置，其中提供具有由壁板或多壁板制成的元件的反应器，特别是生物反应器，特征在于该反应器由至少一个反应器单元构成，该反应器单元是由两个、优选为矩形的、由壁板或多壁板形成的垂直的腔室形成的，其由在底部敞开的分隔壁形成，以及入口和出口都提供在反应器上部边缘。 
该反应器，特别是生物反应器，能够由透明的、半透明的、涂覆的和未涂覆的材料制成。同样，该管或壁板能够由玻璃或对于光或UV光透明的塑料制成，例如聚甲基丙烯酸甲酯。该反应器单元能够由满足上述需求的常规的且任选经过机械加工以及特别整理的元件构造。该反应器单元以确保从上到下和从下到上的连续曲折流过的方式设置。通往该反应器的入口和离开该反应器的出口提供在上部区域中。 
由于流体静压力补偿，该反应介质在进入该反应器中之后以垂直曲折方式流动通过整个反应器。一旦其到达最后的反应器单元，该反应介 质离开该流体静压生物反应器，并被无压力地或没有压力地引入熟化罐或接收容器或另一反应器。从接收容器可以最终处理反应介质或者无应激地进行中间存储或者进一步处理。 
依照本发明的特别特征，将用于使两个或更多个反应器单元连接成反应器面板的分隔壁设计得比反应器单元的管或腔室之间的分隔壁更低，作为其结果在该反应器单元内的液面高于该反应器单元之间的分隔壁时产生溢流或连通开口。将反应器单元设计为连通容器。通过将反应器单元以这种类型的串联连接成反应器面板，提供了产生限定流程的选择。 
可以通过以下参数影响在整个反应器内的最佳停留时间，该最佳停留时间适配各个光养微生物或光化学需求和满足工艺结果： 
-流过速度 
-反应器单元的横截面 
-反应器单元的高度 
-引入的非气态物质的数量和条件；吹入的气体的条件、数量、密度和压力 
-在曲折方式输送中连接的反应器单元的数量 
-去除过程废气的可能性 
-过程温度 
-停留时间和朝向光的位置 
-在熟化罐和或暗罐中的停留时间 
任选地，在理想情况下和相应的结构条件下，对于整个过程，可以将该介质从入口到出口独特地连续输送。 
依照本发明的特别实施方式，将优选彼此串联连接的该反应器面板设置到反应器中，所述反应器面板彼此平行并优选固定安装在框架状的夹紧装置中，能够通过至少一个优选垂直的轴使用旋转装置相对于该光入射调节该反应器，由此能够将该反应器提供(特别地固定、悬挂或漂浮)在浮体上。由于这种夹紧装置和这类轴承，朝向太阳照射的任意角度都是可以的。通过依照太阳轨迹或追踪太阳进行控制来实现光的优化。例如，对于特定应用，能够通过移开或遮蔽在中午时间实现减少暴露。 
由于光养微生物仅在接近表面的区域中经过优化光合过程，以及通 过过多的UV照射损害影响吸收和分裂，因此对该反应器单元的外部区域以及内部都进行是有利的。 
过强的直接照射的UV光会损坏或损害该微生物的生长，并将反应介质的温度提高到超过理想水平，必须再次将其冷却。 
由于反应介质的彻底混合，所有光养微生物都以充分的程度到达接近外壁的该反应器单元的充满光的光区域。 
对于光催化氧化，如果所有分子都被引入该反应器单元内部的外壁附近的该反应器单元的充满光的光区域，这是有利的。 
在大多数情况中与光源几乎平行的定位或该反应器平行地追踪该太阳照射将是足够的，因此能够整体更好地利用空间。 
此外，几乎平行照射的光被反应器表面部分反射并可供相对置的反应器利用。 
在较弱的太阳照射、较差的地理位置的情况中，或者在光养微生物或光催化过程特别需要光的情况中，能够将该反应器选择为以任意角度朝向该光源的位置。 
在用于可使生物太阳能反应器追踪太阳的优选变型方案中，将其顶部和任选的底部固定安装在该太阳能构件中，使得在该太阳能构件追踪太阳照射时该反应器面板不改变朝向彼此的位置，而是转动整个太阳能构件。该反应器面板(能够是平坦的或汇集到单个管中、透明的、半透明的、涂覆的和未涂覆的)以可使其适用于分批地于静置的培养介质中和/或连续地于流动的培养介质中的微生物的繁殖的方式设置。 
依照本发明的进一步发展，提供传感器以掌握该太阳轨迹，通过其控制用于该反应器的针对光入射的转动。通过适合的传感器确定太阳轨迹并作为同步的或任意界定的转动传递到该反应器上。自然，也能够使用与坐标、时间和日期相关的数据进行控制。 
依照本发明的特别进一步发展，用于该反应器的光入射是通过人工照明进行的。该反应器能够以其能够供给能量以及有利地用于光养微生物的照明介质能够固定的方式和方法构造。 
依照本发明的特别实施方式，在由多个反应器构成的系统中光入射的转动优选对于所有反应器是同步的。在由多个反应器构成的系统中，该整个系统的所有反应器的旋转能够以使得通过将该反应器面板几乎与太阳照射平行定位而不会遮挡依据一个基本排列位于后方的进一步 的该反应器的方式同步。这样，能够确保太阳光的理想进入。 
依照本发明的进一步发展，该反应器面板和/或该反应器的至少部分，特别是外表面，设计为反射光。这样，能够提高天然或人工照明的作用。 
依照本发明的另一特别特征，优选在该过程期间，为了连续或分批引入添加剂，在反应介质的转向区域中在反应器的底部提供至少一个引导入口，该添加剂例如为营养溶液或营养气体和/或氧化剂和/或活性物质和/或促进该过程的溶解物质或气体。 
该反应介质能够在进入该反应器中之前可选择地富含有溶解在液体中的物质，其满足该微生物的需要或该过程的需要，和/或在通过的过程中在该反应器中供给流体营养素或氧化剂。 
能够通过连续和/或分批引入营养溶液来补偿在光合过程中由微生物的稳定生长造成的反应介质中营养素含量的降低。 
同样能够通过连续和/或分批引入另外的活性物质来补偿由持续反应造成的在光化学过程中反应介质效率的降低。 
为了引入流体营养素或氧化剂，在该反应器单元的底部通过可控阀门产生进料可能性。由于该反应介质的曲折输送和/或由于流体活性物质的上升，在整个反应器中确保彻底混合和分布。 
自然地，也能够以这种方式引入气态营养素、氧化剂或活性物质。 
由于气泡的上升，引入的气体导致该反应器内表面的自清洁。在该反应器单元的底部还提供了用于检测该过程进展的样品取出点。 
依照本发明的特别特征，为了将添加剂引入该反应器单元和/或反应器面板的转向区域中，提供针对管，优选连续管，特别是具有微钻孔的气体管设备的钻孔。该钻孔以确保该反应器面板的各反应器单元中反应器介质的加气和混合的方式设置在该气体管上。 
依照本发明的特别实施方式，在从下到上或逆着重力的方向流动的反应介质的区域中，与在从上到下或以重力的方向流动的反应介质的区域中相比，该气体管具有更大数量的微钻孔和/或具有更大直径的微钻孔。这样，在设备技术上实现了前述“气升效应”。 
依照本发明的另一发展，该气体管在两端都具有外部和/或内部螺纹。例如，该气体管以能够使用锁紧螺母将其与该组合件气密隔离的方式设计。这些锁紧螺母中的至少一个具有针对气体管线的连接件。 
此外，该气体管能够经过其内部螺纹具有连接件，其又能够旋到另一个气体管上。 
为了替换，将该锁紧螺母在一端旋下，安装该连接件，将新的气体管安装到该连接件的另一端。使用该新的气体管，将该待替换的气体管推动通过该组合件并由此同时占据其位置。这样，确保了使用该新的气体管在气体损失或液体损失最小的情况下将待替换的气体管推动通过该组合件。该设计可以在不中止操作或仅对该过程具有最小影响的情况下维修或改变该进气单元。 
依照本发明的另一特别特征，为了除去气态过程产物，优选在该过程中产生的气态过程产物，例如氧气，提供了去除出口，其提供在该反应介质表面上方或该反应器单元的上表面上方。由于该反应器单元中的无压力状态，在该光合或光化学过程中形成的气态过程产物(例如代谢产物)能够在该反应介质中自由上升。 
通过该反应器单元朝向顶部的该完全或部分敞开构造，该气态过程产物能够逸出和/或抽空。 
通过在该过程中形成的气泡的上升促进了该过程废气的去除，和/或任选地通过另外吹入的气体进行对该过程废气去除的控制。 
依照本发明的实施方式，为了除去气态过程产物，能够提供具有提供在该反应介质的液面上方或在该反应器单元的上表面上方的去除出口的收集装置。因此，能够将该气态过程产物收集并任选地提供用于进一步利用或处置。通过封闭的构造方式还能够避免由于蒸发和/或由于泄漏损失的反应介质并对气体进行受控排放和收集。 
依照本发明的有利的进一步发展，在该入口之前和/或在出口之后提供虹吸管。到反应器的流入物位于上部区域中。能够通过虹吸管无压力地或没有压力地且任选气密地将该反应介质引入该第一反应器单元，并在反应器之后通过另一虹吸管没有压力地且任选气密地将其引导离开。 
依照本发明的特别特征，在反应器内部以及在反应器之间提供阿基米德螺旋或达芬奇螺线用于输送该反应介质。在这种设置的情况中，将一个或多个管或壁螺旋卷绕在具有一个或多个轴承的轴上，并使用任意技术(例如用螺丝拧紧、粘合等)牢固安装。相关地管或壁在两端都敞开。该输送单元以使得该管或壁的底端从容器中汲取反应介质的方式对准并支撑。然而，管或壁仅以如下程度浸渍到该反应介质中，在各自旋 转时该管端部或壁从该反应介质外的表面上出现。 
通过以螺线方向缓慢旋转，其不会导致任何显著的离心力，在利用流体静压补偿下该管或壁的相应下半部中的反应介质被输送到该螺旋的上端。在各旋转作用下，上部半匝中包含的液体释放并下降到位于比原始容器更高的水平上的容器中。通过交替完全或部分关闭该输送装置，能够防止泄漏损失和/或气体排出。 
在附图中所示的示例性实施方式的基础上更详细地解释本发明。 
附图显示了： 
图1是由管子构成的生物反应器， 
图2是依照图1的顶视图， 
图3是依照图1的侧视图， 
图4是由壁板构成的生物反应器， 
图5是依照图4的顶视图， 
图6是依照图4的侧视图， 
图7是管子的示意图， 
图8是“气升”作用的示意图， 
图9和10是应用该“气升”作用的示意图， 
图11是具有阿基米德螺旋的生物反应器， 
图12是生物太阳能反应器， 
图13和14是在该生物反应器上的太阳照射的示意图。 
依照图1～3，反应器(特别是生物太阳能反应器1)包括至少一个反应器单元2，其由两个在底部连接的垂直管3形成。在反应器上部边缘处提供了入口4和出口5。为了装配该生物太阳能反应器1，将多个反应器单元2串联连接，由此出口5总与入口4相连。 
这种生物太阳能反应器1用于针对光化学过程(例如光催化和/或光合过程)的方法，特别用于繁殖和制备或水培(优选光养)微生物。对于其操作，用反应介质6(例如水溶液或悬浮液)充满该生物太阳能反应器1。在操作过程中，该生物太阳能反应器1仅通过其第一入口4供给。该反应介质6的输送或流动方向是竖直进行的，优选垂直进行，在反应器单元2中从上到下和从下到上进行一次。如果多个彼此连通的反应器单元2串联连接，该反应介质6以曲折方式流动通过该反应器。该反应介质6引入或供给到该生物太阳能反应器1以及从其中除去都优选 是连续进行的，没有压力并经过该反应介质上表面或接近该上液面上方或在上液面的区域中自由进入大气中。 
因此该反应器单元2以曲折方式作为连通管3彼此相连，其中该入口4和出口5位于顶部。根据需要，该反应器单元2完全或部分朝顶部敞开。由于流体静压补偿和趋平补偿，通过在入口4处供给反应介质6产生了反应介质6的流动。对于该方法，这意味着产生了对于微生物无应激的反应介质6的流动。这样，能在各个反应器单元2之间形成自由流动，而不必施加任何其它能量。该反应介质6曲折地运动通过该反应器，在用于对液体补偿入口4和出口5之间的高度差的努力中具有最小的高度损失。 
依照图4～6显示了用于生物太阳能反应器1的备选的设计。该生物太阳能反应器1由壁板或多壁板7组成。在这种设计的情况中，反应器单元2由两个由壁板或多壁板7形成的优选为矩形的垂直腔室8组成，该腔室由在底部敞开的分隔壁9形成。用于引入或供给的入口4和出口5都提供在反应器上部边缘处。在依照图4的示例性实施方式中两个反应器单元2已经连接。 
如果连接两个或更多个反应器单元2，那么其分隔壁10设计低于反应器单元2的管道3或腔室8之间的分隔壁9。因此，在该反应器单元2中的液面高于该反应器单元2之间的分隔壁10时产生溢流或连通开口。这样，由于在该过程步骤之间能够在很大程度上省去泵以及能够将任意数量的相同或不同过程步骤在相同流过水平相互连接，那么能量消耗最小化。 
所述各个反应器单元2能够设计为透明或半透明的，或者如果需要还有不透光的。能够使用玻璃或UV透射塑料作为材料，例如聚甲基丙烯酸甲酯。 
以类似于图1～3的设计的方式填充和操作该生物太阳能反应器1。 
关于该反应器单元2上的光入射(后面将更详细地描述)，依照图6显示了倾斜的反应器。尽管该反应器倾斜一定角度，但该反应介质6仍从上到下或以重力方向以及从下到上或逆着重力方向流动一次。 
依照图1和图4，优选在该过程中，为了连续或分批引入添加剂12(例如营养溶液或营养气体和/或氧化剂和/或活性物质和/或促进该过程的溶解物质或气体)，在该反应器的底部在该反应介质6的转向区域中， 提供至少一个引导入口11(例如可控阀门)。依照所述方法，该反应介质6可选地在进入该反应器之前用CO2或其它气体饱和。根据该过程的需要将该饱和度浓缩和/或在该反应器中的停留过程中供给CO2或其它气体。能够通过连续和/或间歇引入CO2补偿在该光合过程中由于微生物的稳定生长而造成的反应介质6中CO2含量的降低。 
能够通过连续和/或间歇引入另外的活性气体补偿在该光化学过程中的持续反应而造成的反应介质的效率降低。 
通过依照图7将该添加剂经过引导入口11在该液柱底部引入，该添加剂彻底混合并在该反应介质6中均匀分布。 
添加剂12(例如流体和气体)的引入还优化了光的供应，因为所有分子或光养微生物由于该反应介质6中产生的涡流都充分引导到接近外壁的该反应器单元2的充满光的光区域，由箭头13所示。 
流体和气体的引入在该反应介质6中产生涡流，由此实现了另一个有利的效果，即由于气泡的上升造成该反应器内表面的连续清洁。 
此外，通过流体和气体的特定引入还能够加热或冷却该反应介质6。因此该引入的添加剂12能够用于该反应介质6的受控温度调节。 
依照图8，在该反应介质6的转向区域中的底部引入该液态和/或气态物质或添加剂12。在该反应器的特定实施方式中，在从下到上或逆着重力的方向流动的反应介质6的区域中，与在从上到下或以重力的方向流动的反应介质6的区域中相比，引入更大量的液态和/或气态物质或添加剂12。这样，如前所述以及依照气力升降机的操作过程，在从下到上流过的管3或腔室中的液面与从上到下流过的管3或腔室相比以“气升效应”的方式升高了。这种液面差a能够导致在多个串联连接的反应器单元2和在各上升管3中引入更多的气体的情况中，最后一个管3或腔室末端的液面与第一个管3或腔室相比升高了，如果在该反应器的设计中考虑了该液面的升高的话。尽管添加剂12，优选气态添加剂，的引入增加了，但仍能够无应激地输送该微生物。 
依照图9，例如如果该反应器的基底提高了相同程度，那么在具有串联连接的反应器单元2的相同结构设计的反应器设计中考虑这种升高。 
在应用“气升效应”情况下，该反应器面板18以沿面板轴一定角度的定位提供了以下优点： 
将该介质在入口开孔4中引入反应器面板18中，由此该反应器面板沿该面板轴倾斜一定角度，使得该入口4的位置低于出口5。由于该“气升效应”，其在该反应器面板18的每个第二管中产生更高的水柱，且尽管存在该较高的液面该介质仍能够流向下一个管并形成如此升高的连通容器。 
该倾斜度最大设置为在不会导致在反应器单元2中分隔该两个液柱的该壁9的反向溢流的角度。 
如果超过了该最大可能的角度，那么该介质将会在通过该管3之后流回到该介质之前行经的管中，在该管3中介质逆重力作用流动，由此产生具有气升循环的封闭回路。 
通过改变该反应器面板18的倾斜度和该气压或气体量，能够调节该“气升效应”的所需落差，由此随着该液体上边缘的水平的升高，导致对流速的控制。 
在另一种应用实例中(图10)，如果由于很少或没有气体引入而没有发生“气升效应”，也能够通过倾斜一定角度来控制该流速。 
将该反应介质6在入口4中引入反应器面板18，该反应器面板沿该面板轴倾斜一定角度，使得该入口4的位置高于该出口5。 
尽管在各个反应器单元2之间液面的流体静压水平补偿仍有效，然而在反应器面板18的各个反应器单元2中分别产生了小的落差，其对通过该反应器面板18的流速具有加速的作用。 
该倾斜度最大设置为不会导致以从入口4到出口5的方向在反应器单元2中分隔该两个液柱的该壁9的溢流的角度，因为在这种情况下在该管3中不产生流动，而该介质将会仅经该壁9进一步向上流动，该反应器单元2中的介质将会进入停滞状态。 
通过改变该反应器面板18的倾斜度和该气压/气体量，能够调节所需的落差，由此随着该液体上边缘的水平的降低，导致对流速的控制。 
因此，通过下面列出的实施例的方式能够利用该“气升效应”： 
利用水的上部边缘的升高： 
-另外的高度用于沉降槽 
-另外的高度以克服反应器彼此之间或过程步骤之间的流程 
-通过向下流动的水操作水力旋流器。 
-流过过滤器 
-从反应介质中分离产物。 
-流过用于再次利用该介质的准备系统 
在该整个系统中不使用另外的泵能量 
利用水的上部边缘的不变性： 
-不损失在该过程的该阶段中用于克服的高度。 
-流速的良好控制。 
-适度的涡流(供应光和预防膜的形成)和经济操作，如果在该过程中恰好需要很少气体。 
利用水的上边缘的较小降低： 
-不大地损失在该过程的该阶段(下游气升)中用于克服的高度 
-流速的良好控制 
-涡流所需的气体最小化(供应光和预防膜的形成)并因此经济操作，如果在该过程中恰好需要很少气体。 
目的是以使得除了在经济合理的位置进行气升之外不必使用另外的能量用于该介质在整个系统内流动的方式控制整个系统。 
为了将添加剂12引入该反应器单元2和/或反应器面板18中的转向区域内，提供针对管，优选连续的管，特别是具有微钻孔22的气体管21设备的钻孔20。为了增加该气体添加剂12的引入，在从下到上或逆着重力的方向流动的反应介质6的区域中，与在从上到下或以重力的方向流动的反应介质6的区域中相比，该气体管21具有更大数量的微钻孔22和/或具有更大直径的微钻孔。 
为了快速替换该气体管21(图8)，在其两端具有外部和/或内部螺纹23。该气体管21，例如，以能够使用锁紧螺母将其与该组合件气密隔离的方式设计。这些锁紧螺母中的至少一个具有用于气体管线的连接件。 
此外，该气体管能够经过其内部螺纹具有连接件24，其又能够旋到另一个气体管21上。 
为了替换，将该锁紧螺母在一端旋下，安装连接件24和将新的气体管21安装到该连接件24的另一端。使用该新的气体管21，将该待替换的气体管21推动通过该组合件并由此同时占据其位置。这样，确保了使用该新的气体管21在气体损失或液体损失最小的情况下将待替换的气体管21推动通过该组合件。该设计可以在不中止操作或仅对该过 程具有最小影响的情况下维修或改进该进气设备。 
作为上述“气升”的替代方式或另外的可能选择，该生物太阳能反应器1能够具有依照图11的阿基米德螺旋14。该阿基米德螺旋14或达芬奇螺线用于在该反应器内以及在反应器部件或反应器之间输送该反应介质6。在该入口4之前以及在出口5之后分别提供虹吸管15。 
自然地，该虹吸管15也能够独立于该阿基米德螺旋14位于该入口4之前或该反应器的该出口5之后。能够将反应介质6通过虹吸管15无压力地或没有压力地引向该第一反应器单元2。 
在用于在生物太阳能反应器1中连续光催化和光合过程和输送的方法中，优选使用阿基米德螺旋14或达芬奇螺线。特别地，如果该反应介质6的输送需要克服高度差。使用阿基米德螺旋14或达芬奇螺线实现了一个或多个无应激输送。该装置能够用于以下应用： 
-输送，用于将反应介质6多次通过同一反应器。 
-在一系列任选不同的一次或多次通过的反应器和/或熟化罐之间输送。 
-将反应介质6在罐和任意类型的生物反应器之间交替单次或多次输送。 
-在罐之间单次或多次输送反应介质。 
如前面简要提及的那样，在该生物太阳能反应器1之前和/或之后，能够提供用于特别是连续的光化学或光合过程的熟化罐(未示出)。该流体静压的熟化罐具有与流体静压的生物反应器类似设计的曲折的反应器单元2，其能进行垂直流。该熟化罐能够由不透光的材料制成，因为光养微生物在休眠阶段中仅需要适当的温度、营养素和排放代谢废物的可能性。而且，在该反应器单元2中那个使用与该生物反应器成比例的更大的横截面，以调节休眠时间并节省空间。 
反应介质6的所需的基本无压力或没有压力的输送是如下实现的： 
在整个运输过程中，除了由于该反应介质6自身重量而在该输送单元内部产生的之外，该反应介质6不经受任何其它压力。由于转速低，因此该反应介质6不经受任何值得提及的离心力。该微生物的发育或该过程的进展不被该输送所打断或扰乱。通过使用以“阿基米德螺旋”或达芬奇螺线的流体静压补偿确保维持了该无压力状态。该过程能够在没有应激、加速度和压力的情况下进行。 
在整个输送过程中，该反应介质6不经过任何比由于该反应介质的自由流动在该输送单元内部产生的更高的重力感。该微生物的发育或该过程的进展不被该输送所打断或扰乱。排除了例如由泵造成的对该微生物或分子的细胞壁的磨损损伤和损害。通过使用以“阿基米德螺旋”或达芬奇螺线的流体静压补偿确保维持了该无重力感的状态。 
优选在该过程中，为了除去气态过程产物，例如氧气，提供了去除出口16，其提供在该反应介质表面上方或该反应器单元的上表面上方。为了除去这些气态过程产物，能够提供具有去除出口16的收集装置17，该收集装置提供在该反应介质6的液面上方或在该反应器单元的上表面上方。 
依照图12，能够设计可调节到光入射的该生物太阳能反应器1。在较弱的太阳照射、较差的地理位置的情况中，或者在光养微生物或光催化过程特别需要光的情况中，将该生物太阳能反应器1以旋转方式跨水平的太阳轨迹的整个拱形调节或控制以与太阳照射相适应。 
优选彼此串联连接的该反应器面板18以彼此几乎平行并优选固定安装在框架状的夹紧装置25中的方式设置在反应器内。能够通过至少一个优选垂直的轴26使用旋转装置相对于该光入射调节该生物太阳能反应器1，其中能够将该反应器提供(特别地固定、悬挂或漂浮)在浮体上。 
为了掌握该太阳轨迹，能够提供传感器，或使用与坐标、时间和日期相关的数据，通过其控制用于该反应器的光入射的转动。 
形式上，必须注意用于该反应器的光入射也可以通过人工照明进行。 
在由多个反应器构成的系统中，转动能够针对光入射同步，优选针对所有反应器同步。 
为了能更好地利用该光射线，也能够将该反应器面板18和/或该反应器的至少一部分(特别是外表面)设计为反射光。 
依照图13，由反应器单元2形成的反应器面板18以使得示意性表示的该光或太阳射线19以与面板轴成约直角入射的方式设置。 
依照图14，提供优选彼此连接的多个反应器面板18并以使得该光或太阳射线19几乎与该太阳能面板的轴平行运行的方式设置。 
在特定的设计变型中，该反应器面板18悬挂设置和/或站立固定在 上部和/或下部固定器中或夹紧装置25中。 
该固定器或夹紧装置25能够满足以下功能： 
-作为旋转单元的作用，以跟随该太阳照射。 
-相对于整个系统的其它部件升高或降低该反应器。 
-倾斜功能，用于将该反应器朝向太阳倾斜。 
-固定该反应器面板18。 
-用于将该反应器面板18以曲折方式连接。 
-用于能够将各个反应器单元气密密封。 
-用于将至少一个反应器面板18以一定角度沿该面板轴倾斜。 
该固定器能够将至少两个到任意数量的反应器面板18容纳为一个反应器。 
这样能使反应器靠近定位和或相邻定位，这可以最大程度地利用空间。 
所述方法能使在光线下的反应器状态和黑暗中的休眠状态以及无应激的输送方面得到最佳的组合。 
这样，能够建立连续的单循环过程或单一部件的模块化的受控的多次通过。 
在实际反应之前，能够主要对该反应介质6供给支持该生物反应从在富集槽中开始的营养素和营养气体。在废水处理或污染物清除的情况中，能够使用相关污染物在反应介质中产生对于光养微生物适当的最大最初富集。 
该反应介质6能够理想地控制温度，能够以特定量引入相关光养微生物或用于该反应的化学物质。 
能够在反应介质6中控制并调节温度、工艺流体含量、过程气体含量、循环、彻底混合、光的提供、代谢产物的排放，以维持理想的反应条件。 
上述方法以有利的方式解决了以下问题： 
-在太阳能反应器中连续的光催化和光合过程和输送 
-在该过程中控制和优化能量消耗 
-控制和优化营养溶液和促进该过程的溶液的引入 
-控制和优化营养气体和过程气体的引入 
-控制和优化有害物质的降低 
-优化气态过程产物的去除和收集 
-控制和优化光的提供 
-最小化光引导所用的空间 
-控制和优化过程温度 
-微生物在反应介质6中无应激输送。 
-控制流速。 

Claims (40)

1.用于光化学过程的方法，其中反应介质以垂直曲折方式引入反应器中，其特征在于：该反应介质(6)的曲折输送垂直地或以一定角度倾斜地从上到下或以重力方向以及从下到上或逆着重力方向进行至少一次，且该反应介质(6)引入该反应器中和从其中除去都是连续地，没有压力且经反应介质的上表面自由通向大气而进行的，其中由于该流体静压补偿和趋平补偿，产生对于微生物是无应激的反应介质(6)的流动， 
其中该反应器由至少一个反应器单元(2)构成，所述反应器单元是由两个在底部连接的垂直管(3)形成的，且入口(4)和出口(5)都提供在反应器上部边缘，或者 
该反应器由至少一个反应器单元(2)构成，该反应器单元是由两个矩形的、由壁板或多壁板(7)形成的垂直的腔室(8)形成的，其由在底部敞开的分隔壁(9)形成，且入口(4)和出口(5)都提供在反应器上部边缘。
2.权利要求1的方法，其特征在于：所述光化学过程是光合过程。 
3.权利要求2的方法，其特征在于：所述光合过程是光催化过程。 
4.权利要求1的方法，其特征在于：所述光化学过程用于繁殖和制备微生物。 
5.权利要求1的方法，其特征在于：所述光化学过程用于繁殖和水培微生物。 
6.权利要求4或5的方法，其特征在于：所述微生物是光养微生物。 
7.权利要求1的方法，其特征在于：所述反应介质是水溶液或悬浮液。 
8.权利要求1的方法，其特征在于：在该过程中，在反应器的底端在该反应介质(6)的转向区域中进行连续或分批引入液体和/或气体添加剂(12)。 
9.权利要求8的方法，其特征在于：所述液体和/或气体添加剂(12)是营养溶液和/或氧化剂和/或活性物质和/或促进该过程的溶解物质。 
10.权利要求8的方法，其特征在于：通过该添加剂(12)在液柱的底端引入，将该添加剂(12)彻底混合并均匀分布在该反应介质(6)中。 
11.权利要求9～10中任一项的方法，其特征在于：该液体和/或气体添加剂(12)是反应器的底端在该反应介质(6)的转向区域中引入的，其中在从下到上或逆着重力的方向流动的反应介质(6)的区域中，与在从上到下或以重力的方向流动的反应介质(6)的区域中相比，引入了更大量的液体和/或气体添加剂(12)。 
12.权利要求1-5中任一项的方法，其特征在于：在该过程中，通过该反应介质表面进行气态过程产物的去除。 
13.权利要求12的方法，其特征在于：所述气态过程产物是氧气。 
14.权利要求1～5中任一项的方法，其特征在于：该反应器以旋转方式横跨水平太阳轨迹的整个拱形调节或控制，以与太阳照射相适应。 
15.用于实施权利要求1～14中任一项的方法的装置，其中提供由管子构成的反应器，其特征在于：该反应器由至少一个反应器单元(2)构成，所述反应器单元是由两个在底部连接的垂直管(3)形成的，且入口(4)和出口(5)都提供在反应器上部边缘， 
将用于使两个或更多个反应器单元(2)连接成反应器面板(18)的分隔壁(10)设计得比反应器单元(2)的管(3)或腔室(8)之间的分隔壁(9)更低，作为其结果在该反应器单元(2)中的液面高于该反应器单元(2)之间的分隔壁(10)时产生溢流或连通开口，将彼此串联连接的该反应器面板(18)以彼此平行并通过固定安装在框架状的夹紧装置(25)中的方式设置到反应器中，能够通过至少一个垂直的轴(26)使用旋转装置相对于该光入射调节该反应器，其中将该反应器提供在浮体上， 
为了连续或分批引入添加剂(12)，在该过程中，在反应器底部在反应介质的转向区域提供至少一个引导入口(11)， 
在该过程中，为了除去气态过程产物，提供了去除出口(16)，该去除出口提供在该反应介质表面上方或该反应器单元(2)的上表面上方。 
16.权利要求15的装置，其特征在于所述反应器是生物反应器。 
17.权利要求15-16任一项的装置，其特征在于“将该反应器提供在浮体上”是指将该反应器固定、悬挂或漂浮在浮体上。 
18.权利要求15的装置，其特征在于所述添加剂(12)是营养溶液或营养气体和/或氧化剂和/或活性物质和/或促进该过程的溶解物质。 
19.权利要求18的装置，其特征在于所述促进该过程的溶解物质是促进该过程的溶解气体。 
20.权利要求15的装置，其特征在于所述气态过程产物是氧气。 
21.用于实施权利要求1～14中任一项的方法的装置，由此提供具有由壁板或多壁板制成的元件的反应器，其特征在于该反应器由至少一个反应器单元(2)构成，该反应器单元是由两个矩形的由壁板或多壁板(7)形成的垂直的腔室(8)形成的，其由在底部敞开的分隔壁(9)形成，且入口(4)和出口(5)都提供在反应器上部边缘， 
将用于使两个或更多个反应器单元(2)连接成反应器面板(18)的分隔壁(10)设计得比反应器单元(2)的管(3)或腔室(8)之间的分隔壁(9)更低，作为其结果在该反应器单元(2)中的液面高于该反应器单元(2)之间的分隔壁(10)时产生溢流或连通开口，将彼此串联连接的该反应器面板(18)以彼此平行并通过固定安装在框架状的夹紧装置(25)中的方式设置到反应器中，能够通过至少一个垂直的轴(26)使用旋转装置相对于该光入射调节该反应器，其中将该反应器提供在浮体上， 
为了连续或分批引入添加剂(12)，在该过程中，在反应器底部在反应介质的转向区域提供至少一个引导入口(11)， 
在该过程中，为了除去气态过程产物，提供了去除出口(16)，该去除出口提供在该反应介质表面上方或该反应器单元(2)的上表面上方。 
22.权利要求21的装置，其特征在于所述反应器是生物反应器。 
23.权利要求21-22任一项的装置，其特征在于“将该反应器提供在浮体上”是指将该反应器固定、悬挂或漂浮在浮体上。 
24.权利要求21的装置，其特征在于所述添加剂(12)是营养溶液或营养气体和/或氧化剂和/或活性物质和/或促进该过程的溶解物质。 
25.权利要求24的装置，其特征在于所述促进该过程的溶解物质是促进该过程的溶解气体。 
26.权利要求21的装置，其特征在于所述气态过程产物是氧气。 
27.权利要求15或21的装置，其特征在于：提供传感器以掌握该太阳轨迹，通过其控制用于该反应器的针对光入射的转动。 
28.权利要求15或21的装置，其特征在于：针对该反应器的光入 射是通过人工照明进行的。 
29.权利要求15或21的装置，其特征在于：在由多个反应器构成的系统中针对光入射的转动是同步的。 
30.权利要求29的装置，其特征在于：在由多个反应器构成的系统中针对光入射的转动对于所有反应器是同步的。 
31.权利要求15或21的装置，其特征在于：该反应器面板(18)和/或该反应器的至少部分设计为反射光。 
32.权利要求31的装置，其特征在于：该反应器面板(18)和/或该反应器的外表面设计为反射光。 
33.权利要求15或21的装置，其特征在于：为了将添加剂引入该反应器单元(2)和/或反应器面板(18)的转向区域中，提供针对管的设备的钻孔(20)。 
34.权利要求33的装置，其特征在于：为了将添加剂引入该反应器单元(2)和/或反应器面板(18)的转向区域中，提供针对连续管的设备的钻孔(20)。 
35.权利要求33的装置，其特征在于：所述管是具有微钻孔(22)的气体管(21)。 
36.权利要求35的装置，其特征在于：在从下到上或逆着重力的方向流动的反应介质(6)的区域中，与在从上到下或以重力的方向流动的反应介质(6)的区域中相比，该气体管(21)具有更大数量的微钻孔和/或具有更大直径的微钻孔。 
37.权利要求35的装置，其特征在于：该气体管(21)在两端都具有外部和/或内部螺纹(23)。 
38.权利要求15或21的装置，其特征在于：为了除去气态过程产物，提供具有反应器单元去除出口(16)的收集装置(17)，该收集装置提供在该反应介质的表面上方或在该反应器单元的上表面上方。 
39.权利要求15或21的装置，其特征在于：在该入口(4)之前和/或在出口(5)之后提供虹吸管(15)。 
40.权利要求15或21的装置，其特征在于：在反应器内部以及在反应器之间提供阿基米德螺旋(14)，以输送该反应介质(6)。 
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