CN105849247A - 具有由光耦合输出的光导纤维和产生电的交变场的导电纤维构成的垫子的光生物反应器 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于培养光氧生物的光生物反应器和尤其垫子(5)，如所述垫子能在这种光生物反应器中使用。垫子(5)具有多个第一纤维(9)，所述第一纤维沿其纵向方向是导光的并且构成用于：在纵向方向上传导的光至少部分地横向于纵向方向侧向地耦合输出。此外，垫子(5)具有多个第二纤维(11)，所述第二纤维沿其纵向方向是导电的。借助于这种垫子(5)能够一面将光在光生物反应器的内部中耦合输入。另一方面，通过经由电压源(30)施加适当的三相交流电压，借助划分成多个分组的导电的第二纤维(1’，11”，11”’)能够产生迁移的电的交变场。该交变场能够作用于带电粒子，例如带电的光氧生物，并且所述光氧生物沿着迁移方向(38)运输。就此能够显著简化光生物反应器中营养液的混匀或光氧生物的收获。

Description

具有由光耦合输出的光导纤维和产生电的交变场的导电纤维构成的 垫子的光生物反应器
相关申请
本专利申请要求于2013年11月28号提交的德国专利申请10 2013 019889.5的优先权，其公开内容通过参引的方式并入本文。
技术领域
本发明涉及一种用于培养光氧生物的光生物反应器。此外，本发明涉及由纤维构成的垫子以及具有这种垫子的垫子设备，如所述垫子设备能够有利地在光生物反应器中使用。
背景技术
光氧生物是微生物，例如呈能够直接使用光作为能量源用于其代谢的微生物的形式。例如特定的植物、苔藓、微藻类、大型藻类、蓝细菌和紫细菌属于光氧生物。
对于不同的使用目的能够期望的是，生物量例如能够以藻类的形式大量并且价格便宜地制造。例如，这种生物量能够用于产生例如用于运输领域的替代的生物燃料。
为了能够产生工业规模上的生物量，使用所谓的生物反应器。生物反应器是用于生物在其天然环境外部和在人造工程环境内部生产生物的设施。使用所谓的光生物反应器，以便培养光氧生物。光生物反应器在此给光氧生物提供光和CO2以及必要时提供适当的营养液，进而所述光氧生物能够相应地建立生物量。
一般来说，对于光生物反应器而言，开放式系统和封闭式系统是已知的。每个这些类型的光生物反应器具有确定的优点和缺点。
开放式光生物反应器系统、有时候也称作开放池(open ponds)，光氧生物在开放的水池或池塘中以受控的方式培养。在此，大多数营养液或培养液在循环中输送并且大多直接由太阳从开放的表面辐照，其中所述营养液或培养液包含全部对于相应的生物所必需的营养和CO2。
这种开放式光生物反应器系统的可能的优点是相对小的工程耗费以及低的电力消耗。
当然，仅在向上开放的面积之上辐照随之产生：仅小的体积能够被供应充足的光。光大多仅能够穿透到掺有生物的营养液中几厘米深。因此，这种开放式光生物反应器系统的深度通常限于20cm至30cm。低的平均光输入导致低的与面积有关的生长速率。因此，对于开放式光生物反应器系统必须提供大量的面积。由此，用于这种光生物反应器的成本尤其在人口密集的地区显著提高。
此外，在暴露的表面上能够出现强蒸发进而出现盐化效应。此外，大量的CO2能够经由暴露的表面扩散到大气中。相反地，污染物能够经由暴露的表面进入到开放式光生物反应器中，污染所述光生物反应器进而危害产物纯度。此外，这种开放式光生物反应器系统的可能必需的加热设备或冷却设备难以设计。此外，在只用阳光辐照的情况下存在日间相关性，其中较深的层经常仅被不充足地辐照，反之直接在开放式系统的表面上能够出现非常高的辐照强度，所述辐照强度必要时能够导致所谓的光抑制。
上述缺点或限制的边界条件的总体尤其能够导致：开放池的形式的开放式光生物反应器系统能够经常仅在完全特定的地理区域全年使用。
一方面为了减少环境条件的影响，并且另一方面为了在培养光氧生物时达到更高的产量，研发了封闭式光生物反应器系统。在这种封闭式系统中，营养液连同生物通过封闭的循环引导并且在此大多从外部辐照。
例如，在管式光生物反应器中，玻璃管或塑料管组装成闭合低循环并且借助例如能够包含适当的泵和传感器的中央单元给包含在其中的生物提供营养和CO2。
封闭式光生物反应器通常允许高度的过程控制，因为生物和周围的营养液能够在封闭式系统中良好地加热或冷却，pH值能够被监孔并且必要时能够进行调整并且能够提供附加的光。封闭式系统在面积需求小的情况下允许高的生产率，因为例如多个封闭式系统能够相叠地设置或者系统的管能在垂直方向上伸展，并且在此能够全方位地被辐照。但在此，总考虑到屏蔽效应。此外，在低污染、低蒸发和低的电磁干扰(EMC)的情况下，高的产物纯度也是可行的。
当然，与开放式系统相比，在构建复杂的封闭式光生物反应器时工程耗费和相应的设施投资成本通常非常高。
已经研制出大量工程解决方案，以便提高光生物反应器的效率。在此，必须的资源的量、例如光和/或电形式的要提供的能量、要提供的面积、要提供的营养物质等与光生物反应器的产量之间的关系能够理解为光生物反应器的效率的量度，其中光生物反应器的产量呈具有尽可能高量地以化学的方式储存在其中的能量的生物量的形式。
例如在EP 2 520 642 A1中描述了具有旋转振荡光源的光生物反应器。
发明内容
能够视为本发明的目的是：提供一种用于培养光氧生物的光生物反应器，所述光生物反应器在低的设施投资成本和/或低的运行成本的情况下实现高的效率。尤其能够期望的是：不仅能够给在光生物反应器之内的光氧生物有效地供给光，而且光氧生物或容纳所述光氧生物的营养液能够有针对性地运动，以便例如用于混匀或者光氧生物能够有针对性地从光生物反应器取出、即“收获”。此外，能够期望的是：为生物反应器提供实现这些优点的组件。
该目的能够通过根据独立权利要求的光生物反应器、垫子或垫子装置实现。有利的实施方式在从属权利要求中以及在紧接着的描述中说明。
此外，根据本发明的光生物反应器的实施方式的思想能够视作为基于下列思想和知识：
为了光氧生物的培养，应当给光氧生物尽可能良好地供给光和营养物质。当然，光尤其在强烈掺有生物的营养液中仅能够传播超过几厘米的非常短的距离。光生物反应器因此在体积相对小的情况下必须提供能尽可能大的可辐照的外表面，在所述光生物反应器中，营养液容纳在容器中并且容器仅从外部被辐照。随着伴随而来的是为光生物反应器提供大的基本面积的必要性，例如在开放池系统中，或复杂结构的构造中、如传统的封闭式系统，例如管式光生物反应器中提供这种必要性。
现在提出本发明的相应的实施方式，在光生物反应器的容纳营养液的容器中设置一个或多个专用的垫子。垫子在此包含纤维，所述纤维专门构成用于：在其端部处耦合输入的光不仅在纤维的相对置的端部处耦合输出，而且侧向地、也就是说横向于光导体垫子的表面耦合输出。光耦合输出在此能够尽可能均匀地经由光导体垫子的整个表面进行。进而能够实现：大量光能够以尽可能均匀地分布在导光的垫子的表面上方的方式引入在光生物反应器的容器的内部中。因此，对于提出的光生物反应器，通过应用至少一个侧向地光耦合输出的垫子，能够实现提高的效率以及可能的其他的、要在更下面详细描述的优点。
此外，垫子也应当具有导电的纤维。通过以受控的方式将电压施加到该垫子上，能够沿着垫子的表面有针对性地产生电场。能够将这种电场用于：带电粒子或组分有针对性地移动或在一个方向上输送。
例如，在被辐照的溶液中，光氧生物本身以带电的状态存在，使得所述光氧生物能够在电场的作用下运动。以该方式，光氧生物例如能够在光生物反应器中连续混匀和/或能够朝光生物反应器的如下区域输送，随后能够从所述区域取出所述光氧生物，也就是说“收获”。
由不同纤维构成的垫子因此能够在光生物反应器中使用来将光耦合输入到光生物反应器的内部中，并且用于将在光生物反应器之内的光氧生物混匀或收获。
根据本发明的第一方面，提出一种具有多个第一纤维和多个第二纤维的垫子。第一纤维沿其纵向方向导光地构成并且构成用于：在纵向方向上引导的光至少部分地横向于纵向方向侧向地耦合输出。第二纤维沿其纵向方向导电。
垫子在此能够理解为面状的、薄的构成物，其中多个纤维彼此机械连接。垫子例如能够构成为纺织物、编织物或针织物。垫子能够是机械柔性的并且尤其是能横向于其延伸面弯曲。
纤维能够理解为与其长度相比薄的并且柔性的构成物。纤维能够由不同的材料构成。由于典型的纤维的小的厚度，在此也能够使用通常在较大质量下硬的或脆性的材料，而没有损害纤维的柔性。尤其地，纤维能够由玻璃、炭、塑料或金属构成。由金属构成的线或绞合线等在本文中也应视作为纤维。
第一纤维至少在其芯中应当由如下材料构成，所述材料对于光、尤其300nm至1200nm、尤其400nm至800nm波长范围中的光很大程度上是透明的。针对使用目的，光学透明度在此应当是足够高的，使得光能够从纤维的一个端部传导穿过纤维引导到其目的地，而没有显著的吸收损失，也就是说具有例如小于20％的吸收损失。尤其地，第一纤维能够构成为由透明聚合物构成的聚合物纤维或玻璃纤维。
第二纤维能够具有与第一纤维相同的或不同的直径和/或能够至少部分地由与第一纤维相同的材料构成。然而，第二纤维应当至少补充地也借助沿着第二纤维的纵向方向产生导电性的材料构成。
例如，第二纤维能够构成为碳纤维、如所述碳纤维也用于制造CFK纺织物。这种碳纤维可简单地加工并且是耐化学腐蚀的。碳纤维由于其能水解(石墨)成氢原子和氧原子或氢分子和氧分子，碳纤维也尤其适合应用在光生物反应器中。此外，碳纤维一般不形成藻类营养液中的金属离子，这在应用在光生物反应器中时能够是在工艺过程优化中的决定性的优点，因为金属离子能够起毒性作用，并且一般起负面作用，并且在稍后的利用藻类作为原料时能够是有碍的。
替选地或附加地，第二纤维能够借助导电的聚合物构成。这种导电的聚合物一般是可良好地加工并且是耐化学腐蚀的。
此外，替选地或补充地，第二纤维能够借助贵金属构成。例如，所述第二纤维能够构成为贵金属线。这类金属纤维一般具有高的耐化学腐蚀性和强的光学反射率，由此所述金属纤维例如在应用在光生物反应器中时能够作用为在纤维背面上的镜，以在导光的纤维的相对置的弯曲的向光侧改善光耦合输出。
在另一设计方案中，第二纤维能够在径向位于内部的区域中借助电绝缘材料构成并且在径向更位于外部的区域中借助导电层覆层。换言之，不需要整个第二纤维都由导电材料构成，而是仅部分区域，例如纤维的表面，借助导电材料覆层就能够是足够的。例如，由电绝缘材料构成的、存在于芯中的纤维能够借助薄的金属层覆层。
在另一设计方案中，第二纤维能够设计成，使得所述第二纤维在径向位于内部的区域中是导光的并且在径向更位于外部的区域中借助导电的且光学透明的层覆层。这样设计的第二纤维能够用于：传导光并且用于在目的地处耦合输出光，并且也用于引导电流或产生电场。例如，第二纤维能够在其芯中构成为玻璃纤维。例如由氧化锌、氧化锡或氧化铟构成的光学透明的层能够构成在第二纤维的表面上，所述层具有足够高的导电性。
第一纤维和第二纤维能够彼此交织成垫子。换言之，第一纤维和第二纤维能够形成编织垫子。在此，第一纤维能够作为经纱交织并且第二纤维能够作为纬纱交织，或者反之亦然。在纺织物中，第一纤维和第二纤维处于规则排序的布置中。在此，第一纤维横向于、通常近似垂直于第二纤维伸展。在纺织物中，第一纤维和第二纤维彼此稳定地连接，使得这种垫子能够容易操作和加工。
在垫子中，第二纤维优选能够彼此平行地设置。在设计为纺织物的垫子中，第二纤维例如能够分别作为相应的经线或作为相应的纬线彼此平行地伸展。借助这样平行的第二纤维产生的电场能够是尤其均匀的或线性的。
根据一个设计方案，多个第二纤维具有第二纤维的至少一个第一分组、第二分组和第三分组。分组在此是彼此电绝缘的。每个分组的纤维优选能够结合成多个束，其中尤其一个分组的纤维的每个束能够与另一分组的纤维的束彼此电绝缘地设置和/或构成。
在这种设计方案中，第一分组、第二分组和第三分组的多个第二纤维能够以周期的图案设置。例如，第二分组的纤维的束或纤维能够平行于第一分组的纤维的束或纤维设置，并且在第一分组的纤维的束或纤维再次跟随之前，将第三分组的纤维的束或纤维又平行于所述第一分组的纤维的束或纤维设置，等等。
根据本发明的第二方面，提出一种垫子装置，所述垫子装置具有上述垫子的设计方案以及与该垫子的第二纤维电连接的电压源。
电压源在此能够具有至少三个电极，其中多个第二纤维又能够划分成第二纤维的第一分组、第二分组和第三分组并且这些分组能够是彼此电绝缘的。在这种设计方案中，每个分组能够仅与这些电极中的一个电连接并且电压源例如设计用于：在与电极连接的第二纤维中产生三相电流。在此，三相电流能够理解为多相交流电流，所述多相交流电流由相同频率的多个、例如三个单独的交流电或交流电压构成，所述交流电或交流电压彼此以其相角、例如120°固定移动。这类在第二纤维中产生的三相电流能够以邻接于纤维的方式产生周期变化的电场。尤其能够产生迁移的电的交变场。
根据本发明的另一方面，提出一种用于培养光氧生物的光生物反应器，所述光生物反应器具有容器已经先前描述的垫子装置。在此，容器构成用于：容纳光氧生物连同营养液。垫子装置的垫子设置在容器之内。
在这种光生物反应器中，一方面，垫子装置能够用于：将位于外部的光源的光通过垫子的第一纤维馈入到内部中，也就是说馈入到容纳在容器中的营养液中进而供给光氧生物。另一方面，经由垫子装置的电压源能够在第二纤维中产生适当的电压或电流，以便以邻接于垫子的方式产生随时间变化的电场，借助所述随时间变化的电场，营养液的带电的组成部分或带电的光氧生物本身能够移动。
在一个设计方案中，电压源能够设计用于：在与电极连接的第二纤维中产生三相电流，使得以邻接于所属的垫子的方式产生迁移的电的交变场，所述交变场的迁移方向例如朝光生物反应器的收获区域定向。换言之，由电压源要施加到第二纤维上的电压调节成，使得由第二电纤维产生的电场时间上和空间上变化，使得总体上得出迁移的交变场。在这种迁移的交变场中，相同电势的区域连续地移动并且优选以保持不变的迁移方向移动。在此，电压源能够控制成，使得迁移方向能够朝光生物反应器的如下区域引导，从所述区域中能够将发育成熟的光氧生物从光生物反应器中取出，也就是说收获。
需要指出的是：本发明的实施方式的可能的优点和特征在此部分地参考根据本发明的光生物反应器并且部分地参考关于垫子或垫子装置来描述。本领域技术人员认识到：能够将不同特征以适当的方式组合、转用或交换，以便实现本发明的其他实施方式。
附图说明
接下来，参考附图描述本发明的实施方式，其中说明书和附图都不可理解为对本发明是限制性的。
图1示出根据本发明的实施方式的光生物反应器。
图2局部地示出根据本发明的实施方式的垫子装置。
图3(a)至(d)示出用于根据本发明的实施方式的垫子的纤维的不同的设计方案。
图4示出根据本发明的实施方式的光生物反应器系统。
附图仅是示意性的并且是不按比例的。相同的附图标记在不同的附图中表示相同的元件或者起相同作用的特征。
具体实施方式
图1示出根据本发明的实施方式的光生物反应器1的示意立体图。光生物反应器1具有容器3，在所述容器中能够容纳光氧生物连同营养液2。多个垫子5近似彼此平行地并且相互间隔开地设置在容器3中。每个垫子5借助多个第一导光的纤维9构成，所述第一导光纤维设置和构成为，使得例如经由整个从容器3引出的光导体15耦合输入到纤维9的端部中的光至少部分地侧向地从纤维9中射出，进而横向于垫子5的表面射出。此外，每个垫子5具有多个第二纤维11，所述第二纤维沿其纵向方向是导电的。
容器3能够具有任意的几何形状。例如，如在图1中示出，容器能够设计为方形的或立方形的。替选地，容器3也能够构成是圆柱状的、球形的或具有其他形状。
在此，容器3能够具有适当的几何形状，其中在表面相对较小的同时，能够在容器3中容纳较大的体积。尤其地，容器3的深度比容器3的基本面积或侧向尺寸更大。容器3的深度在此应当在横向于光导体垫子的主延伸面的方向上测量。尤其地，容器3能够在每个空间方向上，也就是说在高度、宽度和深度方面具有超过50cm、优选超过1m的尺寸。
至少在下方区域中，容器3应当密封地构成，使得液态的溶液2连同容纳在其中的光氧生物能够保持在容器3中。在上方区域中，如在图1中示出，容器3能够同样地封闭地并且密封地构成，使得形成本身封闭式的光生物反应器1。然而替选地，容器3也能够是向上敞开的，以便形成开放式光生物反应器。光生物反应器1的壁(在图1中为了更好地说明，仅以加边的方式示出，以便实现观察到光生物反应器的位于内部的组件)能够由任意流体密封的材料、例如塑料或金属构成并且不需要必需是透光的。
每个垫子5能够由多个导光的第一纤维9和导电的第二纤维11组成。在此，第一纤维9能够彼此连接并且与第二纤维11以不同的方式紧固地或松弛地相互连接。垫子5例如能够以纺织物、针织物、无纺布或其他二维结构或三维结构、例如蜂窝结构的形式提供。在此，垫子5例如构成是面状的，其中横向于面的主延伸方向的厚度能够小于10mm、优选小于2mm。垫子本身是柔性的并且是可弯曲的，并且与之相关具有如薄膜的类似的机械特性。当然，垫子5由于其由多个纤维组成而是流体可透过的，也就是说，例如呈营养液形式的流体能够缓慢地流动穿过垫子5。
形成垫子5的一部分的第一纤维9至少在其内部中，也就是说，在芯中是良好导光的，也就是说，所述第一纤维具有高的光学透明度。纤维能够由透明材料、例如玻璃或透明塑料、尤其透明的聚合物如PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)构成。第一纤维9或第一纤维9的芯能够具有几微米至几毫米的范围中的直径。典型的直径位于0.25mm至2mm、尤其5μm至30μm的范围中。每个第一纤维9能够是强烈可弯曲的并且例如以小于10mm的曲率半径弯曲。
为了能够在第一纤维9的内部中传导光，第一纤维9能够借助称作“包层(cladding)”的层包覆，所述包层具有比第一纤维9的芯的材料更低的光学折射率。以平角射到这种包层上的光通过全反射再次向回引导到纤维的芯中进而能够在细长的纤维中在远距离之上传播。
当然，对于垫子5在根据本发明的光生物反应器中的特定使用也视作为可行的是：设有没有这种包层的导光的纤维，因为会认为：包围各个纤维的营养液同样会具有适当的光学折射率，使得产生期望的全反射。
导光的第一纤维9能够构成有尽可能光滑的表面，以便例如避免堆积物或污染物能够附着在各个纤维上。必要时，纤维能够以疏水方式覆层，例如涂有由二氧化钛(TiO2)构成的层。也能够设有具有提高抗划强度的材料的覆层。可能的覆层例如能够借助等离子工艺、溶胶-凝胶技术或通过涂漆施加。
如更下面根据具体实施例详细阐述的那样，垫子5或在其中应用的导光的第一纤维9设计成，使得在第一纤维9中传导的光至少部分侧向地，也就是说横向于光导体垫子5的表面耦合输出。在此，侧向射出的光的份额占从光导体垫子5的纤维9中射出的光的总量应当是显著的，例如为至少10％、但优选至少50％、可能甚至至少90％。侧向地从光导体垫子5射出的光份额在此能够优选以在垫子5之上均匀分布的方式侧向地从所述垫子射出。换言之，耦合输入到各个第一纤维9中耦合输入的光尽可能地沿着第一纤维的总长度分布分布地从所述第一纤维中侧向地射出。
图2示出具有垫子5的垫子装置50的设计方案，其中大量导光的第一纤维9和导电的第二纤维11彼此交织成纺织物。纺织物的纤维9，11在此能够以不同的织造图案彼此交织。在此，第一纤维9例如能够形成在纵向方向上伸展的经纱13并且第二纤维11能够形成在横向方向上伸展的纬纱15，或相反。
通过交织的结构，导光的第一纤维9在此局部地弯曲，使得至少在具有最小曲率半径的区域17中出现：耦合输入到第一纤维9中的且在所述第一纤维中在纤维的纵向方向上传导的光19的一部分侧向地从纤维9中耦合输出。耦合输出的光份额21在此横向于垫子5的延伸方向放射进而能够辐照在光生物反应器1的容器3之内的邻接的体积。
光从各个导光纤维9中侧向地耦合输出也能够通过以下方式实现：在导光的第一纤维9中构成局部的折射率变化。换言之，第一纤维9制造或处理成，使得在第一纤维的内部中沿其长度传播的光穿过具有不同折射率的区域或射到这种区域上。
折射率变化在此能够仅设置在纤维的表面上，或者替选地，也延伸到纤维的内部体积中。
例如，第一纤维能够在其外表面处打磨、刮刻、开口等，使得在纤维的该形状变化的区域中出现期望的折射率变化。在此，必要时设置在第一纤维的表面上的包层能够被局部地移除，由此进一步有助于光份额的侧向的耦合输出。
替选地，第一纤维的密度例如能够通过借助激光短暂局部加热来局部地改变，这也称作激光光栅(Laser-Grating)或光纤光栅(Fiber-Grating)。在此，纤维的位于外部的表面不需要修改、尤其不需要几何上的改变并且能够保持光滑，使得不诱发局部污染物堆积的危险。类似的效果能够通过纤维、尤其聚合物纤维的表面的局部熔化实现。
光份额的局部侧向耦合输出的其他可能性能够通过微观小的散射中心(Streuzentren)或荧光中心(Fluoreszzentren)嵌入到导光的第一纤维9中来执行。散射中心在此能够是由优选强光学反射的材料构成的极小的颗粒、例如最小的金属颗粒。荧光中心例如能够是由荧光性材料构成的颗粒。
如图1中示出，多个垫子5能够以均匀地在容器3的总体积之上分布的方式设置在光生物反应器1的容器3之内。在此，垫子5在彼此近似平行的平面、例如平行于容器3的侧壁的平面中延伸。在此，在相邻的垫子5之间的间距能够优选小于20cm，使得在容器3的宽的范围之上在容器3之内的每个位置都远离垫子5中的一个最高10cm。以该方式，优选能够给容纳在容器3中的营养液的总体积或至少其大部分均匀地供给光，所述光通过共同的导光体11引入到容器3中并且然后通过从垫子5中侧向地耦合输出射入到营养液中。
除了导光的第一纤维9之外，垫子5具有导电的第二纤维11。在图2中示例性示出的、垫子5的纺织物中，导电的第二纤维11横向于、尤其基本上垂直于第一纤维9伸展。第二纤维11在此基本上彼此平行地伸展。
在示出的实例中，第二纤维11在此划分成第一分组11’、第二分组11”和第三分组11”’。在此，第一分组、第二分组和第三分组的第二纤维11’、11”、11”’以周期的图案设置。在图2中示出的、具有三个分组的实例中，在重复循环并且第一组的纤维11’再次紧随之前，将第二分组的纤维11”与第一分组的第二纤维11’相邻地设置、并且随后第三分组的纤维11”’与第一分组的第二纤维11’相邻地设置。
除了垫子5之外，垫子装置50具有电压源30。电压源30设计成，使得在三个不同的电极32、34、36处施加交流电压，所述交流电压彼此分别相移120°。三个分组中的一个的每个第二纤维11’、11”、11”’分别与三个电极32、34、36中的一个电连接并且相对于其他分组的第二纤维电绝缘。通过在第二纤维11’、11”、11”’施加上的交变电压，在该第二纤维附近产生时间上变化的电场，其中出现上和空间上变化的场梯度。
通过在垫子5中不仅设有第二纤维11’、11”、11”’的两个不同的分组、而是至少设有三个不同的分组并且所述分组与此相应地与具有上面施加有相移的交变电压的至少三个电极32、34、36互联的方式，能够产生空间上延续的、可以说彼此串联的、呈迁移的电的交变场形式的电场结构，其有时也称作“行波(travelling wave)”。由电压源30产生的三相电流或三相电压在此能够类似于例如三相电机提供迁移的电的交变场。
这种迁移的电的交变场能够作用于位于垫子5附近的带电粒子上并且将力施加到该带电粒子上，以便因此在迁移方向38上移动所述带电粒子。迁移方向38在此一般垂直于第二纤维11的纵向延伸方向伸展。
在图1中示出的实例中，第二纤维11竖直伸展，使得得到大致平行于光生物反应器1的容器3的底部的迁移方向38。经常在基态中或至少在通过光激发的状态中电离进而带电的光氧生物能够由于由垫子5产生的电的交变场而沿着迁移方向38运输或输送。在示出的实例中，光氧生物因此能够从该生物体例如开始所馈入的容器3中的右侧区域逐渐朝容器3中的左侧区域运动。在该运动过程期间，通过从垫子1的第一纤维9射出的光连续地供给光氧生物进而能够逐渐发育成熟。容器3中的左侧区域能够设计为收获区域(在图1中未特别说明)，从所述收获区域中能够取出发育成熟的生物并且能够输送给进一步的加工。
在替选的实施方式中，第二纤维11能够水平地设置。在这种情况下，产生沿竖直方向的迁移方向38，使得带电粒子、例如光氧生物能够逐渐输送至营养液2的位于上部的表面并且在那例如能够捕捞，或者能够逐渐输送至容器3的底部并且能够在那例如抽出。
在图3(a)-(d)中示出导电的第二纤维11的不同的可行的设计方案。
在图3(a)中示出的实例中，整个纤维11由例如碳或碳化合物的导电材料、导电的聚合物(例如聚苯胺)或金属构成。
在图3(b)中示出的实例中，纤维11的内部区域40由导电材料构成并且由例如由电介质构成的电绝缘层42包覆。电绝缘层42在此能够避免：处于电压下的内部区域40直接例如与光生物反应器中的液态营养液接触。在产生的电场能够穿过绝缘层42期间，通过避免在内部区域40和营养液之间的直接电接触的方式能够避免：电流流动并且开始电解过程，所述电解过程会损害营养液。补充地，例如也能够避免：从形成内部区域40的金属芯中例如金属离子到达营养液中并且损害所述营养液。
在图3(c)中示出的实例中，径向位于内部的区域44借助电绝缘材料构成。例如，该位于内部的区域44能够构成导光的、例如作为玻璃纤维。位于内部的区域44由位于外部的区域46包围，所述位于外部的区域由导电材料，例如金属层、碳层或由导电聚合物构成的层构成。如果径向位于内部的区域44设计为导光的，那么能够有利的是：导电的包围的区域46借助透明材料例如氧化锡、氧化锌或氧化铟构成，使得相同的纤维能够用于在内部区域44中传导光并且能够用于在外部区域46中传导电流。包围的传导的区域也能够有利地由透明导电聚合物，例如聚-3,4-乙烯二氧噻吩(PEDT)构成，以改进地调节折射率。
在图3(d)中示出的实例中，图3(c)中示出的结构补充地通过由电绝缘层48构成的、位于外部的包套来保护并且相对于包围的介质例如营养液电绝缘。电绝缘层48在此必要时也能够构成是光学透明的。
图4示意性说明根据本发明的实施方式的光生物反应器系统100。光生物反应器系统100具有根据本发明的光生物反应器1以及光源27。光源27在此能够具有一个或多个部件，以人工产生光或以采集天然产生的光并且紧接着将这些光耦合输入到共同的导光体15中来供给光生物反应器1。
一方面，光源27能够设计为光源29以将阳光采集并且耦合输入到光生物反应器1的导光的纤维中。这种光源29例如能够构成为具有凹面镜的太阳能收集器30，所述凹面镜将阳光聚焦到接收器上。替选地或附加地，用于吸收阳光的光导体垫子就这方面而言能够视为光源。在此，接收器能够与导光体11连接。以该方式，在阳光照射时，天然光能够被简单并且节能地用于辐照光生物反应器的内部体积。
附加或补充于此，光源27能够设计为光源31，以人工地产生光并且将光耦合输入到光生物反应器1的导光的第一纤维9中。这种人造光源例如能够设计为LED32或激光器33，所述LED或激光器将光射入到由偏振器和遮光件构成的装置35上，所述装置又朝光生物反应器1与导光体15连接。
人造光源32、33能够通过出自替选的源的电流、例如通过风力39或通过太阳能电池41产生的电流或替选地通过常规的电流43来供给。电流在此例如能够经由缓冲电池37暂存，使得人造光源31也能够在缺少阳光照射时照射光生物反应器1。
此外，在光生物反应器系统100中设有控制单元52。该控制单元52经由光导体15与光生物反应器1中的垫子5的导光的纤维9连接并且设计用于有针对性地馈入光。此外，控制单元52也包含电压源30，借助所述电压源在垫子5中产生适当的电的交变场，以便永久地翻转掺有光氧生物的营养液2和/或必要时运输光氧生物以适当地收获。
此外，本发明的实施方式能够实现下列优点：
在没有外部的驱动装置、搅拌器等的情况下，在液体培养基中能够引起光氧生物例如藻类的运输。能够足够的是：在本来设置用于馈入光的垫子5处借助设置在其中的第二导电纤维11产生迁移的电的交变场，以便使光氧生物运动。因此，机械运动的部分不需要混匀或运输。此外，这能够实现光生物反应器的紧凑得多的构造。例如在相邻的垫子5之间的间距与这在掺有光氧生物的营养液例如必需借助搅拌器搅拌的传统的光生物反应器的情况下相比，能够调节为相当更加狭窄，因为流体动力能够通过内在驱动显著改进。
因为掺有光氧生物的溶液能够在光生物反应器之内保持持续运动，尤其靠近垫子5的表面保持持续运动，所以能够非常好地抑制在垫子5的表面处的附着，这能够有利于长的设施使用寿命、能够将维护间隔最小化并且能够保持光生物反应器之内的光子流。
因为在各个发光的垫子之间较小的间距是可行的并且由此例如能够提高在藻类生产时的效率，所以尤其能够实现更高的光子效率。同时，必要时能够以较低的光子密度工作，这又能够提高设施产量。光氧生物在所描述的光生物反应器中的运输能够借助向外电绝缘的、但在内部导电的第二纤维或者替选地也能够借助向外不绝缘的第二纤维执行。向外绝缘的实施方案能够具有的优点是：极其少的电荷能够流出并且能够在能量方面非常有助于光氧生物的运输的运行。
除光氧生物的运输之外，也能够以特别的方式支持整合的收获(“harvesting”)。

Claims (14)

1.一种垫子(5)，所述垫子具有：
多个第一纤维(9)，所述第一纤维沿其纵向方向是导光的并且构成用于：在纵向方向上传导的光至少部分地横向于纵向方向侧向地耦合输出；
多个第二纤维(11)，所述第二纤维沿其纵向方向是导电的。
2.根据权利要求1所述的垫子，
其中所述第一纤维和所述第二纤维(9，11)彼此交织。
3.根据权利要求1或2所述的垫子，
其中所述第二纤维(11)构成为具有导电的聚合物或具有贵金属的碳纤维。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的垫子，
其中所述第二纤维(11)在径向位于内部的区域(40)中借助电绝缘材料构成，并且在径向位于更外部的区域(42)中借助导电的层覆层。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的垫子，
其中所述第二纤维(11)在径向位于内部的区域(44)中是导光的并且在径向位于更外部的区域(46)中借助导电的且光学透明的层覆层。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的垫子，
其中所述第二纤维(11)借助电绝缘层(48)包覆。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的垫子，
其中所述第二纤维(11)彼此平行地设置。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的垫子，
其中多个所述第二纤维(11)具有第二纤维(1’，11”，11”’)的至少一个第一分组、第二分组和第三分组，其中这些分组彼此电绝缘。
9.根据权利要求8所述的垫子，
其中所述第一分组、第二分组和第三分组的多个所述第二纤维(1’，11”，11”’)以周期的图案设置。
10.一种垫子装置(50)，所述垫子装置具有：
根据权利要求1至9中一项所述的垫子(5)，
电压源(30)，所述电压源与第二纤维(11)电连接。
11.根据权利要求10所述的垫子装置(50)，
其中所述电压源(30)具有至少三个电极(32，34，36)，
其中多个所述第二纤维(11)具有第二纤维(1’，11”，11”’)的至少一个第一分组、第二分组和第三分组，其中这些分组彼此电绝缘，其中每个所述分组仅与所述电极(32，34，36)中的一个电连接，并且
其中所述电压源(30)设计用于：在与所述电极(32，34，36)连接的所述第二纤维(1’，11”，11”’)中产生三相电流。
12.一种用于培养光氧生物的光生物反应器(1)，
其中所述光生物反应器(1)具有：
容器(3)，在所述容器中能够容纳光氧生物连同营养液(2)，
根据权利要求10和11中任一项所述的至少一个垫子装置(50)，
其中所述垫子装置(50)的垫子(5)设置在所述容器(3)之内。
13.根据权利要求12所述的光生物反应器(1)，
其中所述电压源(30)设计用于：在与所述电极(32，34，36)连接的所述第二纤维(1’，11”，11”’)中产生三相电流，使得以邻接于所属的所述垫子(5)的方式产生迁移的电的交变场。
14.根据权利要求13所述的光生物反应器(1)，
其中通过所述迁移的电的交变场产生的迁移方向(38)朝所述光生物反应器(1)的收获区域定向。
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